德宏芒市機(jī)場一次順風(fēng)天氣過程分析

宋金梅，楊建華

(1.云南機(jī)場集團(tuán)有限責(zé)任公司大理機(jī)場，云南 大理 671000；2.云南機(jī)場集團(tuán)有限責(zé)任公司德宏芒市機(jī)場，云南 德宏 678400)

0 引言

近年來，隨著民航運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，為保證航空運(yùn)輸?shù)陌踩?、正常運(yùn)行和效率，飛行對航空氣象要素的要求也越來越高。風(fēng)與飛行活動(dòng)密切相關(guān)，是影響飛機(jī)運(yùn)行的重要因素之一，近地面的風(fēng)向、風(fēng)速變化，對飛機(jī)起飛爬升和下滑進(jìn)近階段時(shí)的安全有直接影響。風(fēng)相對于飛行方向有順風(fēng)、逆風(fēng)、側(cè)風(fēng)。民航要求飛機(jī)的起飛和著陸盡量在逆風(fēng)條件下進(jìn)行，可以縮短飛機(jī)滑跑距離，減小離地和著陸速度，但風(fēng)速超過一定限度也可以使飛機(jī)操作困難，使著陸下滑角和下滑率增大，有可能使飛機(jī)在跑道頭提前接地；順風(fēng)起降將增大滑跑距離，減少飛機(jī)上升率和下滑率，當(dāng)風(fēng)速超過規(guī)定值時(shí)，飛機(jī)有可能沖出跑道或撞擊障礙物；當(dāng)飛機(jī)在側(cè)風(fēng)中起降時(shí)，飛機(jī)除向前運(yùn)動(dòng)外，還順著側(cè)風(fēng)方向移動(dòng)，如不及時(shí)修正就會偏離跑道方向，飛機(jī)在滑跑過程中，側(cè)風(fēng)對飛機(jī)垂直尾翼的側(cè)壓力，會使機(jī)頭向側(cè)風(fēng)方向偏轉(zhuǎn)，有可能造成飛機(jī)打地轉(zhuǎn)等不良后果[1]。近年來，多個(gè)機(jī)場對風(fēng)這個(gè)氣象要素的研究較多[1-5]，得到了地面風(fēng)研究成果，但對機(jī)場順風(fēng)天氣研究較少。黃儀方等[6]在對航班延誤的氣象因素分析中指出，順風(fēng)超標(biāo)造成的航班延誤和取消僅次于低云，是影響航班運(yùn)行的一個(gè)重要?dú)庀笠蛩?。因此，本文選取德宏芒市機(jī)場一次順風(fēng)天氣過程，利用傳統(tǒng)天氣學(xué)方法，分析天氣形勢和風(fēng)場水平及垂直特征，為今后機(jī)場順風(fēng)天氣的監(jiān)測預(yù)警和相關(guān)研究提供參考。

1 德宏芒市機(jī)場概況及資料來源

德宏芒市機(jī)場位于青藏高原以南，橫斷山脈、高黎貢山以西，24°24′05″N，98°31′55″E，處于群山中間的一個(gè)壩子里，地勢東北高西南低，平均海拔高度僅為877 m?！兜潞昝⑹袡C(jī)場氣候志》[7]指出德宏芒市機(jī)場常年受西南季風(fēng)及孟加拉灣西南暖濕氣流影響，全年盛行西南風(fēng)，風(fēng)向穩(wěn)定，風(fēng)速小，年平均風(fēng)速為1 m/s。但有強(qiáng)天氣系統(tǒng)過境或較強(qiáng)北風(fēng)持續(xù)時(shí)，會出現(xiàn)東北風(fēng)。德宏芒市機(jī)場跑道呈東北—西南向，東北向45°，西南向225°。根據(jù)中國民航機(jī)場跑道命名規(guī)則，東北端為23號，西南端為05號。在民航飛行中，用飛機(jī)起降使用的跑道來確定順風(fēng)，由于全年盛行西南風(fēng)，德宏芒市機(jī)場主用東北端(23號跑道)起降，所以23號的東北風(fēng)為順風(fēng)。持續(xù)順風(fēng)超標(biāo)會嚴(yán)重影響機(jī)場航班的正常運(yùn)行。根據(jù)《民用航空空中交通管理規(guī)則》(CCAR-93TM-R5)[8]規(guī)定，在跑道長度、凈空等條件允許時(shí)，航空器可以在順風(fēng)分量風(fēng)速不大于2.5 m/s時(shí)起降，在著陸跑道接地地帶或起飛跑道離地端裝有風(fēng)速儀，航空器可以在順風(fēng)分量風(fēng)速大于2.5 m/s但不大于3.5 m/s時(shí)起降；順風(fēng)的風(fēng)向與跑道方向的夾角有±30°的限制，本文所指的順風(fēng)超標(biāo)為風(fēng)向20°～80°，且風(fēng)速≥3 m/s的地面風(fēng)。

本文利用德宏芒市機(jī)場地面氣象自動(dòng)觀測系統(tǒng)采集的距地面10m高度上的逐分鐘和逐小時(shí)10 min平均風(fēng)，風(fēng)向的分辨率為10°，風(fēng)速的分辨率為1 m/s；距地面1.5m高度上的逐小時(shí)溫度，精度為1位小數(shù)；人工觀測的天空總云量，精度為整數(shù)，民航氣象中云量采用8分量制，天空總云量0為無云或云量不足1個(gè)量，1～2個(gè)量為少云，3～4個(gè)量為疏云，5～7個(gè)量為多云，8個(gè)量為滿天云；ECMWF0.75°×0.75°再分析資料，利用傳統(tǒng)天氣學(xué)分析法，研究德宏芒市機(jī)場2017年11月3—4日的順風(fēng)天氣過程。

2 天氣實(shí)況

2017年11月3—4日德宏芒市機(jī)場出現(xiàn)一次順風(fēng)超標(biāo)天氣過程。11月3日為多云伴有降水天氣，11月4日凌晨轉(zhuǎn)為晴天少云。由11月3—4日風(fēng)向、風(fēng)速的逐小時(shí)演變結(jié)果(圖1)及逐分鐘變化情況(圖略)可知，德宏芒市機(jī)場3日16時(shí)29分—20時(shí)51分、20時(shí)56分—21時(shí)14分、21時(shí)20分—28分、21時(shí)45分—23時(shí)19分、23時(shí)47分—4日00時(shí)25分、00時(shí)42分—01時(shí)53分、02時(shí)15分—55分、02時(shí)59分—03時(shí)21分、03時(shí)50分—04時(shí)07分分別出現(xiàn)風(fēng)速≥3 m/s的東北順風(fēng)，期間10 min平均風(fēng)速的逐分鐘值為3～6 m/s，極大風(fēng)速達(dá)9 m/s；4日04時(shí)08分—11時(shí)00分德宏芒市機(jī)場普遍為2～3 m/s的東南風(fēng)，11時(shí)02分—15時(shí)18分、15時(shí)34分—42分、15時(shí)46分—59分、16時(shí)10分—35分、16時(shí)45分—52分、17時(shí)09分—15分、17時(shí)31分—57分、18時(shí)08分—20分、18時(shí)44分—48分、19時(shí)02分—20分時(shí)段均為東北順風(fēng)，期間10 min平均風(fēng)速的逐分鐘值為3～7 m/s，極大風(fēng)速達(dá)11 m/s。此次順風(fēng)天氣過程導(dǎo)致德宏芒市機(jī)場3日有6個(gè)航班取消，4日有13個(gè)航班取消，給德宏芒市機(jī)場的航班運(yùn)行帶來極大的影響。

圖1 11月3—4日逐小時(shí)平均風(fēng)向、風(fēng)速變化趨勢Fig.1 Hourly average wind direction and wind speed variation trend on November 3 to 4

3 天氣形勢和環(huán)流背景

3.1 高空環(huán)流背景

2日20時(shí)，500 hPa上(圖2a)，中高緯地區(qū)受一槽一脊控制，高壓脊位于巴爾喀什湖以東、貝加爾湖以西，貝加爾湖以東有低壓槽發(fā)展，并出現(xiàn)閉合環(huán)流中心，呈東北—西南走向，槽底向南發(fā)展可伸展到重慶，槽后西北氣流強(qiáng)勁；中高緯地區(qū)溫度槽與低壓槽疊加，低壓中心附近有接近-41 ℃的冷中心；中低緯青藏高原南側(cè)有南支槽，位相落后于中高緯低壓槽，孟加拉灣上空受弱高壓系統(tǒng)影響，云南西部受南支槽前部的西南氣流控制，南支槽前部的西南氣流與中高緯低壓槽后部的西北氣流交匯，造成德宏芒市地區(qū)出現(xiàn)多云有降水天氣。由圖2a還可以看出，南海熱帶低壓系統(tǒng)發(fā)展，即為2017年第23號臺風(fēng)“達(dá)維”，副熱帶高壓主體位于臺灣以東的西太平洋海面上。700 hPa上(圖2b)，中高緯地區(qū)低壓槽形勢明顯，溫度槽落后于高度槽，新疆以西均由高壓控制；臺風(fēng)“達(dá)維”外圍的偏東氣流以及孟加拉灣的偏南氣流為德宏芒市地區(qū)帶來水汽。高低層系統(tǒng)有效配合，造成德宏芒市地區(qū)多云有降水。

3日14時(shí)，500 hPa上(圖2c)，中高緯的低壓環(huán)流中心向東南方向移動(dòng)，低壓槽底部曲率增大，槽加深，低槽仍呈東北—西南向；高壓脊向東移動(dòng),由經(jīng)向型轉(zhuǎn)為緯向型；云南仍處于南支槽前的西南氣流中，孟加拉灣高壓范圍增大，北部已伸至20°N附近，破壞了南支槽的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致云南西部的西南風(fēng)風(fēng)速明顯減小，且臺風(fēng)“達(dá)維”向西移動(dòng)。700 hPa上(圖2d)，中高緯低壓環(huán)流維持，并向東移動(dòng)；中高緯高壓向東南移動(dòng)，云南處于高壓外圍的東風(fēng)氣流中；臺風(fēng)“達(dá)維”西移，其北部的偏東氣流與高壓南部的偏東氣流匯合，導(dǎo)致云南上空的偏東風(fēng)加強(qiáng)。

4日08時(shí)(圖略)，500 hPa中高緯低壓環(huán)流中心繼續(xù)向東南方向移動(dòng)，橫槽轉(zhuǎn)豎；高壓脊向東移動(dòng)，臺風(fēng)“達(dá)維”西移在柬埔寨登陸，并與孟加拉灣高壓外圍匯合；700 hPa高壓脊和低壓環(huán)流均東移減弱，云南主要受高壓外圍的東風(fēng)氣流控制。4日14時(shí)，500 hPa上(圖2e)，中高緯低壓環(huán)流中心明顯向東南方向移動(dòng)入海；高壓脊向東減弱移動(dòng)，臺風(fēng)“達(dá)維”登陸柬埔寨后強(qiáng)度減弱，其外圍東北氣流與孟加拉灣高壓外東北氣流匯合后，造成高壓增強(qiáng)，孟加拉灣高壓繼續(xù)北抬，云南西部處于弱西南氣流中。700 hPa上(圖2f)，中國大部被高壓控制，云南處于偏東—東北氣流中；低壓東移，環(huán)流中心減弱消失。由圖2a-2f還可以看出，2日20時(shí)、3日14時(shí)、4日14時(shí)的500 hPa和700 hPa均顯示出云南西部溫度線與風(fēng)場基本平行，無明顯交角，且低壓槽主要沿偏東路徑移動(dòng)，因此可知，德宏芒市地區(qū)溫度平流不明顯。

圖2 500 hPa 2日20時(shí)(a)、3日14時(shí)(c)、4日14時(shí)(e)和700 hPa 2日20時(shí)(b)、3日14時(shí)(d)、4日14時(shí)(f)高空風(fēng)場(風(fēng)羽，單位：m/s)和溫度場分布(等值線，單位：K)(黑圓點(diǎn)位置為德宏芒市機(jī)場，下文同)Fig.2 The distribution of wind (barb,unit:m/s)and temperature (contour,unit:K)is 500 hPa at 20∶00 on November 2 (a)、at 14∶00 on November 3 (c)、at 14∶00 on November 4 (e)and 700 hPa at 20∶00 on November 2 (b)、at 14∶00 on November 3 (d)、at 14∶00 on November 4 (f)(The position of the black dot is Dehong Mangshi airport,hereinafter the same)

3.2 地面形勢

由地面形勢可以看出，3日08時(shí)(圖3a)，蒙古高原上冷高壓強(qiáng)度達(dá)1 037.5 hPa，隨著高空低槽東南移，蒙古高原上的冷高壓也不斷南移，3日14時(shí)(圖略)，冷高壓中心移到內(nèi)蒙古，中國中東部地區(qū)均受其外圍氣流控制。冷高壓快速移動(dòng)，4日08時(shí)(圖3b)，冷高壓中心已到達(dá)黃淮流域。冷空氣沿冷高壓東部偏東路徑迅速南下影響中國中東部地區(qū)。4日14時(shí)(圖略)，冷高中心逐漸減弱東移。

圖3 3日08時(shí)(a)和4日08(b)時(shí)地面形勢場(等值線，單位：hPa)Fig.3 The ground situation field at 08:∶00 on November 3 (a)and on November 4 (b)(contour,unit:hPa)

結(jié)合高空環(huán)流形勢和地面形勢可以看出，此次順風(fēng)天氣過程為橫槽轉(zhuǎn)豎，冷空氣向東南移動(dòng)影響中國中東部地區(qū)。云南從3日開始處于冷高壓外圍的偏東北氣流中，雖然500 hPa上受西南氣流控制，但強(qiáng)度較弱，不足以引導(dǎo)地面的環(huán)流形勢，地面主要受冷高壓外圍的東北風(fēng)影響，冷高壓南下導(dǎo)致了德宏芒市機(jī)場東北順風(fēng)的持續(xù)，并且冷高壓東移南下過程中強(qiáng)度有所減弱，加上德宏芒市受高聳的哀牢山、無量山阻擋，冷空氣難以到達(dá)。所以，德宏芒市地區(qū)的冷平流不明顯，溫度變化不大。

4 水平風(fēng)場U、V分量分析

由于3—4日德宏芒市機(jī)場的東北順風(fēng)風(fēng)速分別從3日16時(shí)、4日11時(shí)開始增大，故選擇3日20時(shí)、4日14時(shí)850 hPa高度上水平風(fēng)場的東西分量和南北分量進(jìn)行分析。

從3日20時(shí)水平風(fēng)場的東西分量(圖4a)看出，德宏芒市以東風(fēng)分量為主，風(fēng)速達(dá)5 m/s，云南東南部至華南地區(qū)均為東風(fēng)控制，南海西部東風(fēng)分量最大，其風(fēng)速達(dá)20 m/s，由圖2可知，偏東風(fēng)是由臺風(fēng)“達(dá)維”西移引起的；從南北分量(圖4b)看出，德宏芒市以北風(fēng)分量為主，風(fēng)速在0～5 m/s之間，中國東北到東南沿海地區(qū)均受北風(fēng)影響，其最大風(fēng)速達(dá)15 m/s，偏北風(fēng)是由冷空氣南下影響造成的。從4日14時(shí)水平風(fēng)場的東西分量(圖4c)看出，德宏芒市仍以東風(fēng)分量為主，風(fēng)速在0～5 m/s之間，南海東部東風(fēng)分量最大，其風(fēng)速達(dá)20 m/s；從南北分量(圖4d)看出，德宏芒市以北風(fēng)分量為主，風(fēng)速在0～5 m/s之間，中國東北到東南沿海的北風(fēng)最大風(fēng)速比3日20時(shí)偏小，其最大風(fēng)速為12 m/s。在此次順風(fēng)超標(biāo)過程中，地面風(fēng)的東西分量表現(xiàn)為東風(fēng)占主導(dǎo)地位，其風(fēng)速為5 m/s，南北分量表現(xiàn)為北風(fēng)占主導(dǎo)地位，風(fēng)速在0～5 m/s之間，北風(fēng)分量相對東風(fēng)分量偏小?？傊?，德宏芒市機(jī)場3～4日的順風(fēng)過程偏東風(fēng)占主要地位，是由冷高壓外圍偏東氣流和臺風(fēng)“達(dá)維”外圍偏東氣流匯合、加強(qiáng)所致，與700 hPa上云南上空偏東風(fēng)氣流加強(qiáng)相對應(yīng)。

圖4 850 hPa水平風(fēng)場u分量3日20時(shí)(a)、4日14時(shí)(c)和v分量3日20時(shí)(b)、4日14時(shí)(d)分布(單位:m/s，負(fù)值為東風(fēng)或北風(fēng))Fig.4 The u component of the horizontal wind on 850 hPa at 20∶00 on November 3 (a)and at 14∶00 on November 4 (c)、The v component of the horizontai wind on 850 hPa at 20∶00 on November 3 (b)and at 14∶00 on November 4 (d)(unit:m/s,negative value is east wind or north wind)

5 風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)分析

孫建明等[9]指出動(dòng)量下傳大風(fēng)一般發(fā)生在冷空氣南下后的1～2 d，天氣轉(zhuǎn)晴的當(dāng)天中午到傍晚，其通過高空干冷空氣南壓下沉來實(shí)現(xiàn)。鄔仲勛等[10]指出在冷空氣大風(fēng)過程中，受高空系統(tǒng)引導(dǎo)會出現(xiàn)動(dòng)量下傳，高空槽是造成動(dòng)量下傳的主要原因。

利用ECMWF資料沿24°N做垂直速度剖面分析(圖5)。3日20時(shí)(圖5a)，德宏芒市地區(qū)98°E上空除600～400 hPa為弱上升運(yùn)動(dòng)外，其余各層以下沉運(yùn)動(dòng)為主，并且在850 hPa附近下沉速度最大，即0.4 Pa/s，相應(yīng)地德宏芒市機(jī)場東北風(fēng)風(fēng)速開始增大；4日02時(shí)(圖5b)，德宏芒市以西(95°E)和以東(105°E)從近地面到400 hPa均為上升運(yùn)動(dòng)，而德宏芒市(98°E)上空均為下沉運(yùn)動(dòng)，以850 hPa附近的0.3 Pa/s為最大，且德宏芒市機(jī)場一直為東北順風(fēng)；4日08時(shí)(圖5c)，德宏芒市以西、以東仍為上升運(yùn)動(dòng)，德宏芒市上空仍為下沉運(yùn)動(dòng)，且最大下沉速度位置不變，但最大下沉速度已增大到0.6 Pa/s，德宏芒市4日凌晨由多云轉(zhuǎn)晴，08時(shí)溫度不高，比3日08時(shí)降低了3 ℃，多云轉(zhuǎn)晴的天氣引起輻射降溫，造成空氣對流運(yùn)動(dòng)不強(qiáng)，不能引起地面風(fēng)速增大，此時(shí)德宏芒市機(jī)場東北風(fēng)速還未增大；4日14時(shí)(圖5d)，德宏芒市上空除600～700 hPa外，對流層中低層仍以下沉運(yùn)動(dòng)為主，最大下沉速度為0.2 Pa/s，德宏芒市機(jī)場從4日09時(shí)開始升溫較快，引起空氣對流運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，從而造成高低空能量交換，引導(dǎo)地面風(fēng)速逐漸增大，到14時(shí)東北風(fēng)速已迅速增大。綜上所述，德宏芒市機(jī)場3日東北順風(fēng)增大過程與冷空氣南下造成的動(dòng)量下傳和臺風(fēng)西移有關(guān)；4日東北順風(fēng)增大過程除了與冷空氣南下造成的動(dòng)量下傳和臺風(fēng)西移有關(guān)外，還與局地溫度升高引起的對流運(yùn)動(dòng)有關(guān)。

由圖5還可以看出，在昆明及其東部(102°E以東)3日20時(shí)—4日14時(shí)從低層至300 hPa一直為下沉運(yùn)動(dòng)，通過查閱昆明機(jī)場的逐時(shí)風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)可知，昆明機(jī)場11月2日02時(shí)—4日15時(shí)為持續(xù)東北風(fēng)，風(fēng)速為3～9 m/s。

圖5 沿24°N作2017年3日20時(shí)(a)、4日02時(shí)(b)、4日08時(shí)(c)、4日14時(shí)(d)時(shí)垂直速度剖面(單位:Pa/s)Fig.5 The vertical velocity profile along 24°N at 20∶00 on November 3 (a)and at 02∶00 (b)、at 08∶00 (c)、at 14∶00 (d)on November 4 (unit:Pa/s)

6 結(jié)論

通過上述分析，得出以下結(jié)論：

①德宏芒市機(jī)場3日順風(fēng)天氣過程是由冷空氣南下和南海臺風(fēng)西移共同影響造成的，4日順風(fēng)天氣過程除了與冷空氣南下造成動(dòng)量下傳和臺風(fēng)西移有關(guān)外，還與局地溫度升高引起的對流運(yùn)動(dòng)有關(guān)；并表現(xiàn)為與以往的對流天氣引起的順風(fēng)不同，其呈現(xiàn)出風(fēng)速大，持續(xù)時(shí)間長的特點(diǎn)。

②此次順風(fēng)過程中，冷暖平流在德宏芒市表現(xiàn)不明顯，對順風(fēng)過程影響較小。臺風(fēng)“達(dá)維”外圍的東風(fēng)氣流與地面冷高壓南部外圍的東北氣流匯合使德宏芒市偏東風(fēng)加強(qiáng)，而孟加拉灣高壓對南支槽結(jié)構(gòu)的破壞造成德宏芒市西南風(fēng)減弱，這種配置對德宏芒市機(jī)場東北順風(fēng)的維持起到促進(jìn)作用。

③此次冷空氣過程中動(dòng)量下傳對地面風(fēng)速的增大有一定促進(jìn)作用，但因其下沉運(yùn)動(dòng)和最大下沉速度的高度離地面較高，高空動(dòng)量傳輸?shù)降孛孑^小，造成的風(fēng)速變化小；另外，德宏芒市因處于云南西部，地理位置偏西，加上高山的阻擋，常年受冷空氣影響較小，隨著冷空氣東移南下伴有動(dòng)量下傳時(shí)，其上空的動(dòng)量下傳也減小，引起的風(fēng)速變化并不大，主要為風(fēng)向的轉(zhuǎn)變，因此德宏芒市機(jī)場東北順風(fēng)雖然持續(xù)時(shí)間長，但沒有到達(dá)大風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)。

④在冷空氣東移南下影響過程中，云南中東部地區(qū)受的影響較大，昆明機(jī)場先于德宏芒市機(jī)場出現(xiàn)大范圍的東北風(fēng)。因此在冷空氣南下過程中，當(dāng)昆明及云南東部機(jī)場出現(xiàn)一致的東北風(fēng)時(shí)，德宏芒市機(jī)場出現(xiàn)東北順風(fēng)超標(biāo)的可能性較大，可以借用昆明及云南東部機(jī)場的風(fēng)向風(fēng)速作為一個(gè)參考依據(jù)。