九黃機場大風過程分析

王 曉,王耀輝,陳 明,徐足音

(中國民用航空飛行學院 空中交通管理學院，四川 廣漢 618307)

目前，航空氣象研究主要針對的是平原地區(qū)機場，通過個例分析和歷史資料統(tǒng)計來研究平原地區(qū)機場雷暴、低能見度及地面大風等天氣現(xiàn)象的發(fā)生規(guī)律，而有關(guān)高原機場氣象條件的研究相對缺乏。肖奇和楊昌其[1]提出對于高高原機場的運行特點研究主要考慮的是其高高原的地理位置、復雜的地形地貌以及多變的氣象條件。大風過程是高原機場遇到的復雜多變的氣象條件之一，其對航空器的起落有較大影響，執(zhí)飛高原機場的航班因天氣原因延誤取消現(xiàn)象嚴重，從而會降低機場運行效率。何昕等[2]提出天氣是造成航班延誤的主要原因之一，延誤波的傳遞使更大面積航班延誤，從而給民航相關(guān)各方帶來巨大壓力和損失。目前，針對平原地區(qū)的大風過程，很多學者做了相關(guān)研究，得出對應(yīng)的大風特征及成因。單乃超等[3]利用探測資料對合肥機場大風進行了探討，對流風暴的下層氣流到達地面后形成的偏北大風是造成合肥機場大風的主要原因。吳林謙[4]分析了揭陽潮汕機場近年大風特征，大風主要出現(xiàn)在夏季，于7、8月份居多，出現(xiàn)大風天氣主要是熱帶氣旋和強對流天氣所致。焦健等[5]分析了長春機場的大風特征，其類型為南高北低型大風、冷鋒型大風、地面低壓發(fā)展型大風，且機場以西南和西北風居多。李磊等[6]開展了對北京地面風場的數(shù)值模擬研究，利用區(qū)域大氣模擬系統(tǒng)RAMS再現(xiàn)了北京地區(qū)地面風場的時空變化特征，對提高對緊急天氣條件的能力大有幫助。

對于高原機場及其所處地區(qū)的復雜地形的研究相對較少。朱虹和侯孟嬌[7]分析了昭通機場一次西南大風天氣過程，由于處于群山環(huán)繞的地形，多發(fā)于春季的西南順風限制了機場航班運行。周曉鷗等[8]對云南大理復雜地形的上風場進行了模擬研究，得出在山峰迎風坡處由于地形的強迫抬升使局部風速增大，山坡背面坡風速會急劇減小，同時風向也會發(fā)生變化，產(chǎn)生尺度較小的渦旋以及不規(guī)則的回流。九黃機場為高高原機場，機場天氣更加復雜多變，且高溫低氧的環(huán)境使飛機推力嚴重下降，削弱了飛機規(guī)避惡劣天氣的能力，因此，研究九黃機場的風場變化特征尤為關(guān)鍵。通過分析九黃機場長時間連續(xù)觀測資料，得出九黃機場的風場特征及規(guī)律，提高機場利用率，保障飛行安全并提高航空公司的經(jīng)濟效益。

1 九黃機場概況

九黃機場位于青藏高原東部，該地區(qū)處于青藏高原與四川盆地的過渡地帶，既受東南季風和西南季風的影響，又受青藏高原季風的控制，而青藏高原地面輻射地理分布和季節(jié)分布均有較大差異，因此該地區(qū)具有獨特的氣候特征及邊界層特性。九黃機場建于四川省松潘縣紅星鄉(xiāng)西側(cè)的一連續(xù)山腰上，地形走向近南北向為由東往西展開的扇形緩坡，有7條沖溝橫穿場區(qū)，場區(qū)自然走勢是北高南低，經(jīng)過擴建后的跑道長度為3 400 m，跑道軸線與正北方向夾角約為16°，為北東北-南西南走向。

2 數(shù)據(jù)來源及方法

2.1 自動氣象站觀測數(shù)據(jù)

本文使用了2008年1月至2013年6月的九黃機場跑道南端自動氣象觀測站2 min平均的觀測數(shù)據(jù)，其主要觀測內(nèi)容為10 m處風及降水量、氣溫、相對濕度、氣壓等要素。分析前對數(shù)據(jù)進行了檢查，剔除了風速和風向為負值或風向大于360°的情況。

2.2 LAP-3000型風廓線雷達數(shù)據(jù)

LAP-3000型風廓線雷達采用5波束，一個波束垂直指向天頂，另外4個波束與垂直波束成15.5°傾斜角，分別指向東、南、西、北。雷達分高低兩種探測模式，低模式探測高度為115～1 140 m，高模式為903～3 464 m，垂直分辨率分別為60 m和100 m，時間間隔為15 min一次，高度越高缺測值越多。本文所選用的雷達安裝在機場跑道南端接地帶(海拔3 447 m)，觀測時段為2009年10月17日至2010年5月26日，涵蓋整個干季和干濕過渡季節(jié)。據(jù)機場氣象臺工作人員反映，這些月份也是機場顛簸、風切變和低空大側(cè)風頻發(fā)的月份。

2.3 探空數(shù)據(jù)

探空數(shù)據(jù)由中國氣象科學數(shù)據(jù)共享中心提供的全球高空規(guī)定層、對流層定時值數(shù)據(jù)集中提取，使用了距離九黃機場上游約100 km紅原站探空資料。資料包括了各等壓面上的風向、風速、溫度、露點溫度、位勢高度等數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)已進行了質(zhì)量控制。在大尺度環(huán)流場分析時使用了NCEP逐日的格點資料，空間分辨率為2.5o×2.5o，包括位勢高度、溫度、相對濕度、三維風場。

3 過程分析

3.1 統(tǒng)計分析

為了分析近地面偏西側(cè)風發(fā)生成因，對2008年1月至2012年12月的跑道南端資料進行統(tǒng)計，若自動觀測站出現(xiàn)6 m/s以上大風則記為該日有偏西大風，5年中共計有216天大風日。由表1可見，偏西大風僅在干季出現(xiàn)，最多月份為12月，其次為1—3月，4年中6—9月沒有發(fā)生過6 m/s以上的偏西大風。

表1 2008—2012年各月發(fā)生>6 m/s大風日數(shù)

冬季高原上空西風氣流明顯加強，從機場上游紅原站2008—2012年平均的(最接近機場西側(cè)山峰高度的)500 hPa風逐月演變來看(圖1)，經(jīng)向風隨季節(jié)變化不顯著，風速在4 m/s以內(nèi)，除9月外，其他各月均為北風。而緯向風各月差異明顯，1—3月及10—12月風速均在10 m/s以上，其他月份風速均低于10 m/s，7月風速最低，為2 m/s。

圖1 紅原探空站2008—2012年平均的500 hPa緯向風(U)和經(jīng)向風(V)

500 hPa西風風速大小與近地面偏西大風發(fā)生頻次高低相對應(yīng)，反映出高空大氣環(huán)流調(diào)整可能對機場局地環(huán)流有重要影響。為了進一步說明機場近地面偏西風與高空西風之間的聯(lián)系，選取偏西大風發(fā)生日上游紅原站500 hPa風玫瑰圖可以看到(圖2)，當機場出現(xiàn)6 m/s以上大風時，紅原站北京時8時500 hPa以W和WNW為主，這兩個風向風速大于10 m/s以上的頻率為67.67%，由此可見機場本場強西風出現(xiàn)與高空偏西風加強密切相關(guān)。

圖2 機場216次偏西大風日所對應(yīng)的紅原站500 hPa風玫瑰圖

3.2 個例分析

由表1可見，偏西大風在2010年1—3月的發(fā)生次數(shù)與各年比較都是較高的，為此，選取2010年1—3月的個例詳細分析其過程。2010年1月1日至3月31日，紅原站高空500 hPa緯向風風速逐漸降低，但大部分天數(shù)風速都在10 m/s以上，最大可達27 m/s，最低為5 m/s(圖3)。從逐日比較來看，并非高空風速越大地面就一定會出現(xiàn)6 m/s以上大風，3月19日高空緯向風相對較低時，低空仍然出現(xiàn)了6 m/s以上偏西風。由此可見，高空風場與山谷內(nèi)大風耦合需要一定的天氣背景配合。

選取2010年1月1—6日分析其天氣系統(tǒng)的演變過程。由圖4可見，2010年1月1日，高緯有低壓中心位于日本以東，中低緯有強大的暖脊位于75°E附近，高原東部100°E附近有低槽活動，九黃機場位于槽后脊前，500 hPa受西北風控制，機場上空受槽后冷平流影響，機場上空溫度在-20 ℃左右。1月2日，暖脊東移至85°E附近，低槽移至100°E附近，冷空氣繼續(xù)沿100°E南下。至3日，隨著暖脊進一步東移至90°E附近，機場上空氣溫開始升高，而高緯環(huán)流形勢穩(wěn)定，機場上空西北風增強。4日，隨著上游冷槽快速西移，暖脊被破壞消弱，機場上空等壓線稀疏，高空西北風也隨之減弱，但暖中心仍然保持，九黃機場上空氣溫進一步升至-15 ℃，但此時溫度槽落后于高度槽，機場開始受到高空冷平流影響，至5日機場氣溫再次降至-20 ℃。從6天的天氣演變來看，形勢場始終表現(xiàn)為東北低、西南高，機場上空風向維持在西北風，風速均在10 m/s以上，但由于機場上游暖脊活動，高空風速有所波動，與圖3中紅原站探空得到的高空風場變化情況一致。

從機場南端每分鐘一次風向和風速變化情況來看(圖5)，1月1—3日及5日的風場變化特征較為相似。12時以前跑道南端多為靜風，北端風速在2 m/s以下，風向為偏南風。12時以后南端風速迅速增強，風向穩(wěn)定維持在270°附近，15時以后西風風速達到峰值，跑道北端和南端相似，但風速明顯弱于南端。18時以后，風速迅速減弱，風向多變。4日和6日的風場變化特點類似，表現(xiàn)為9時至下午18時近地層吹弱的偏南風，18時以后風速增大，風向轉(zhuǎn)為沿峽谷下行的偏北風。

從機場自動獲取的其他要素來看(圖6)，機場1—6日除夜間至凌晨時段相對濕度可達80%以外，12—18時相對濕度均在20%～30%左右。6天的最高氣溫均出現(xiàn)在15時左右，1—2日全天氣溫均在1 ℃以下，3日起，機場氣溫回升，最高氣溫達5 ℃左右，4日最高氣溫進一步上升，5日最高氣溫迅速下降為5 ℃以下，6日最高氣溫再次回升至5 ℃左右，這與圖4中反映的高空溫度變化特征一致。另外在這6天中，當機場南端午后有持續(xù)偏西風日，機場本場全天氣壓場變化呈典型雙峰特征，兩次峰值分別出現(xiàn)在10時和23時，谷值出現(xiàn)在14時及6時。而非西風日，夜間的氣壓峰值和谷值均不明顯，氣壓變化大致呈單峰結(jié)構(gòu)。此外，非西風日的4日和6日氣壓差異均在4 hPa以上，而其他西風日氣壓差均在3 hPa以內(nèi)。綜合來看，當機場上空受冷平流影響本場氣溫較低且高空風速較大時，機場上午后易出現(xiàn)偏西大風。氣壓變化在西風日和非西風日均表現(xiàn)出較明顯的差異。

黑色實線為等高線，gpm；淺色虛線為等溫線，℃；用黑色實心框標出了九黃機場的位置圖4 2010年1月1—6日500 hPa天氣圖

粗實線表示風速；細實線表示風向圖5 2010年1月1—6日，南端自觀站測得的逐分鐘的風速

粗實線表示氣溫，℃；長斷線表示本站氣壓，hPa；點線表示相對濕度，%圖6 2010年1月1—6日南端自觀站測得的逐分鐘的溫度

自動觀測站觀測結(jié)果僅能反映近地面的風場特征。機場上游探空站觀測資料與機場所在區(qū)域觀測數(shù)據(jù)可能有差異，且其時間分辨率過低。機場風廓線雷達數(shù)據(jù)則有助于反映機場上空風場的連續(xù)演變特征。數(shù)據(jù)使用了機場風廓線雷達每15 min一次資料，空白區(qū)則表示由于空氣較為干燥，信噪比太低導致無法得到有效回波而造成的缺測。逐日比較來看(圖7)，1—4日缺測時段較長，5日和6日缺測時段較少。為了濾除雜亂回波，圖中對緯向風和垂直運動均進行了平滑處理。

1—3日12時之前，山谷以內(nèi)風速較小，在3 m/s以下，而山谷以上高度維持較大風速，西側(cè)山頂高度附近存在較強的風速切變。約12時以后，山谷內(nèi)風速迅速增強，高空風速則迅速減小，山谷內(nèi)和山谷以上高度風速迅速達到一致，垂直風切變也明顯減弱。在此過程中，隨著西風的增強，山谷中的垂直運動也由12時之前的弱上升運動迅速轉(zhuǎn)變較為明顯的下沉氣流，下沉氣流的中心位于距地面700 m處。從1日的觀測數(shù)據(jù)來看，下沉氣流還具有波動特點，強下沉氣流與弱上升氣流交替出現(xiàn)。以上山谷中緯向風及下沉氣流增強時間與地面自動觀測站所測得的西風增強時間相吻合，風速大小上也較為接近。18時以后，山谷內(nèi)風速開始緩慢減弱，垂直運動中心上移并減弱消失，山谷內(nèi)開始出現(xiàn)弱上升氣流。至21時以后，高空風速再次增強，西側(cè)山脈山頂高度處風切變在0—3時達到最強。相比較而言，5日和6日的緯向風和垂直運動與1—3日相似，這兩日12時以前高空風均低于10 m/s，午后峽谷中風速均開始增強，700 m上下風速迅速達到一致，但5日風速由高空迅速擴展至地面并加強，使地面出現(xiàn)了明顯的偏西風，但6日風速擴展至600 m以后就未再向地面擴展，至18時才短時影響到近地面。從垂直廓線來看，僅4日的風場較為特別，10時以前風速較低，而12時以后700 m附近西風和垂直運動大小均有明顯的波動。

陰影區(qū)負值代表下沉運動；粗虛線表示西側(cè)山脈高度圖7 2010年1月1—6日機場風廓線雷達得到的每15 min一次的緯向風(等值線)及垂直風(陰影)

4 結(jié)語

1)九黃機場偏西大風僅在干季出現(xiàn)，最多月份為12月，其次為1—3月，4年中6—9月沒有發(fā)生過6 m/s以上的偏西大風，且氣溫較低、高空風速較大時，機場上午后易出現(xiàn)偏西大風。

2)九黃機場本場強西風的出現(xiàn)與高空偏西大風密切相關(guān)，500 hPa西風風速大小與近地面偏西大風發(fā)生頻次高低相對應(yīng)。高空大氣環(huán)流調(diào)整可能對機場局地環(huán)流有重要影響，在一定的天氣背景下，高空風場與山谷內(nèi)大風耦合。

3)山谷內(nèi)風切變的發(fā)生與高空風速大小有關(guān)，較大的風速與地形作用明顯，大氣穩(wěn)定度對高空西風向下傳播也有重要影響。但由于風廓線雷達的缺測以及無法獲知山谷中大氣穩(wěn)定度的情況，其影響有待借助數(shù)值模式等方法做進一步研究。