袁耀文
摘 要:目前,對飛機顛簸的研究集中在產(chǎn)生機制與預測預報等方面。飛機顛簸動力學機制的研究以大氣湍流理論為基礎,通過理論分析或數(shù)值模擬等方法,得到許多研究成果,涉及風場、溫度場和重力波等氣象條件以及地形因素對飛機顛簸形成的作用。利用地形及氣象觀測數(shù)據(jù),研究低空顛簸與環(huán)境因子的相關性。結果表明,飛機低空顛簸與地形起伏度、氣溫日較差以及風速有顯著相關性。
關鍵詞:低空顛簸;地理環(huán)境因子;相關性
飛機顛簸主要發(fā)生在起飛和降落階段(低空顛簸),低空顛簸與高空顛簸產(chǎn)生的機制不完全相同,高空顛簸主要由風切變引起湍流而致,低空顛簸還受地面加熱作用和地形等因素的綜合影響。低空顛簸的多發(fā)性與復雜性使基于實際數(shù)據(jù)的定量分析顯得尤為重要。對于飛行品質管理而言,更需要的是對顛簸事件區(qū)域分布特征和環(huán)境影響的定量描述,并且,在進行區(qū)域環(huán)境影響描述時,選擇的影響因子最好是易觀測、易獲取的。
一、慨述
飛行品質監(jiān)控通過收集和分析日常的飛行數(shù)據(jù),提高飛行機組的操縱品質,減少運行和維護成本,為安全風險管理提供數(shù)據(jù)和信息支持,是目前國際上公認的保障飛行安全的重要手段。飛行數(shù)據(jù)由數(shù)百種飛行參數(shù)構成,這些參數(shù)包括飛行姿態(tài)位置、周圍環(huán)境參數(shù)以及航空電子設備參數(shù)等。當飛行參數(shù)監(jiān)測內容的記錄值達到或超過預先設定的標準時,便探測到一個超限事件。航空公司和民航管理部門監(jiān)控著上百種超限事件,其中包括過載事件。飛機在空中飛行時,作用在飛機上除重力之外的合力與飛機重力之比,稱為過載。過載一般指垂直方向上的過載,又稱載荷因子。載荷因子超過一定的標準時,即被判定為出現(xiàn)過載事件,可以用飛機過載代表飛機顛簸。通過對飛機過載超限事件的統(tǒng)計,可以獲得飛機低空顛簸的發(fā)生頻率。該航空公司超限事件數(shù)據(jù)包含約160 萬條超限事件記錄和超過80 萬條的航段記錄,每條超限事件記錄包含事件編碼、事件發(fā)生時間、發(fā)生時所處的飛行階段以及航段標識等字段。為獲取地理環(huán)境因子數(shù)據(jù),需要數(shù)字高程模型DEM數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。由地質勘探局網(wǎng)站提供的ASTER GDEM數(shù)據(jù),空間分辨率約為30 m,高程誤差在10-25 m范圍內。
二、環(huán)境因子的選取和計算方法
引起飛機低空顛簸的大氣湍流包括動力湍流和熱力湍流等,動力湍流多出現(xiàn)在對流層的底部,是空氣流經(jīng)粗糙不平的地表面或障礙物時出現(xiàn)的湍流,與地形有關,湍流強度和規(guī)模受風速影響。熱力湍流由空氣非均勻加熱下的對流形成,亦多出現(xiàn)在對流層底部。氣溫日較差可以表征溫度場的非均勻程度,風速和地形起伏度可以表征動力湍流的強度。在計算環(huán)境因子前,需要設定其空間統(tǒng)計范圍,主要分析起飛和降落階段的顛簸事件,因將以機場為中心的覆蓋起飛或降落階段飛行距離的區(qū)域作為環(huán)境因子的空間統(tǒng)計范圍。該覆蓋距離并沒有一個嚴格的標準,且不同機場、不同飛行架次也存在差異。通過800余條航段的機載快速存取記錄器QAR數(shù)據(jù)對該覆蓋距離進行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)75%以上的航段起飛和降落階段的飛行距離小于150 km。因此,將150km 距離作為計算機場環(huán)境因子的空間范圍,并將此空間范圍稱為機場區(qū)域。
各統(tǒng)計單元(即各機場區(qū)域)內的氣溫日較差和風速可由地面氣象觀測資料計算獲得。氣象資料包含各觀測站點的日氣溫最大值、最小值以及風速等觀測信息,氣溫日較差為日氣溫最大值與最小值之差。計算出統(tǒng)計時間范圍內各站點的平均氣溫日較差和平均風速,然后使用以海拔為協(xié)變量的協(xié)同克里格插值獲得全國范圍的氣溫日較差和風速分布,進而統(tǒng)計出各機場區(qū)域內的平均氣溫日較差及平均風速。以平均氣溫日較差為例,插值得到的氣溫日較差為:
地理加權回歸分析空間數(shù)據(jù)間往往存在自相關性,以空間數(shù)據(jù)作為自變量時,無法滿足傳統(tǒng)的回歸模型殘差項獨立的假設,其參數(shù)估計將不適用。地理加權回歸GWR模型[2]將數(shù)據(jù)空間位置引入回歸系數(shù)中,使變量間的關系可以隨空間位置的改變而變化,能夠反映參數(shù)的空間非平穩(wěn)性,其結果更符合實際。因此,本文引入GWR 模型進行分析,模型結構如下:
三、基于因子的相關性分析
從航空公司A320 機型的航段記錄中選取68個機場,每個機場的航段記錄數(shù)均大于512-38891,航段記錄總計366911條,所有機場的顛簸頻率范圍為2.22%-17.79%。在此基礎上,分別對風速、地形起伏度、氣溫日較差與顛簸頻率的相關性進行初步分析。
對不同機場進行空間比較,以便分析不同區(qū)域環(huán)境因子與顛簸頻率的相關性。為此選擇地形起伏度、年平均氣溫日較差和年平均風速3 項指標,分別進行分級,并將每個機場對應到相應的指標等級中。在此基礎上,對應每項指標的每個等級,分別計算落入其中的機場顛簸頻率平均值,可以看出,顛簸頻率與年平均風速、年平均氣溫日較差以及地形起伏度均呈現(xiàn)良好的正相關關系。風速和氣溫日較差是隨時間變化的,因此可以從時間維度上進一步分析風速和氣溫日較差兩個環(huán)境因子的影響。以風速為例,對風速和顛簸頻率的季節(jié)變化進行趨勢分析,機場風速和顛簸頻率的季節(jié)變化趨勢,為方便對比,對數(shù)據(jù)做了歸一化處理??梢钥闯觯叱尸F(xiàn)良好的一致性,還利用日平均風速觀測數(shù)據(jù),結合每日的航段記錄,分析顛簸頻率與日平均風速以及氣溫日較差的相關性,機場顛簸頻率與日平均風速的關系,可以看出,日平均風速與低空顛簸之間表現(xiàn)出顯著的相關性。
參考文獻
[1]朱志愚.高空急流區(qū)飛機顛簸的一種形成機制的探討.成都氣象學院學報,2017,12(4).
[2]王淑翠.飛機顛簸產(chǎn)生的可能機制及其在天氣預測上的應用[D].青島:中國海洋大學,2016.
[3]辜運燕.我國西部干線飛機顛簸分布規(guī)律分析[D].廣漢:中國民用航空飛行學院,2017.