陶昕宇,吳 凡,謝克勇,凌 婷,畢 晨,黃紫潔

(1.江西省氣象服務(wù)中心,南昌 330096;2.撫州市宜黃縣氣象局,撫州 344000)

0 引言

隨著中國航空技術(shù)的快速發(fā)展,江西省航班量持續(xù)增長,2021年累計客流量達1300多萬人次。航空技術(shù)的提高、航空器安全性與自動化水平的提升等都減少了航空器因自身機械因素引起的飛行事故,因此由于天氣災(zāi)害造成的飛行事故所占比例逐漸增加。其中,飛機顛簸是危及飛行安全的主要因素。研究表明,在由天氣原因引起的飛行事故中,飛機顛簸所占比例最高,為65%。

關(guān)于飛機顛簸特征的研究成果有很多。中度及以上飛機顛簸在中國各個航線飛行過程中廣泛存在,多發(fā)于中國西南、東部地區(qū),且在6000 m以上高空發(fā)生頻率更高[1-2]。春冬兩季是飛機顛簸的高發(fā)季節(jié),而夏季飛機顛簸發(fā)生頻次最低[3]。然而,這些研究多集中于全國地區(qū)或中國東西部等大范圍區(qū)域,關(guān)于江西省的統(tǒng)計較少。

現(xiàn)有研究中關(guān)于飛機顛簸的成因及氣象條件的分析多集中于大氣動力學(xué)理論和數(shù)值模擬方面。在天氣形勢方面,顛簸的發(fā)生常與急流、槽線、切變線和高壓脊線相關(guān)[4]。研究發(fā)現(xiàn),急流是顛簸發(fā)生的主要原因之一[5]。而對飛機顛簸的數(shù)值仿真實驗表明,對流不穩(wěn)定引起的重力波破碎也是飛機顛簸的起因之一[6-7]。將天氣條件細分,水平風(fēng)的垂直切變是飛機低空顛簸的主要原因,而飛機高空顛簸則主要來自水平風(fēng)切變和水平溫度切變[8]?？傮w來說,顛簸氣象條件的研究偏理論機制方面,對具體氣象指標閾值特別是適宜于某一地區(qū)的指標閾值研究較少,對于航空服務(wù)來說不夠直觀。

文章基于中國民用航空華東地區(qū)空中交通管理局江西分局2018—2011年空中報告、風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)和ERA5再分析數(shù)據(jù),分析了江西省飛機顛簸的統(tǒng)計特征及氣象條件,給出了氣象指標閾值,為飛機顛簸預(yù)報提供參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

文章分析的顛簸個例來自中國民用航空華東地區(qū)空中交通管理局江西分局(簡稱“江西空中交管局”)2018—2021年的空中報告,累計112個顛簸個例。數(shù)據(jù)包含飛機顛簸發(fā)生的日期、時間、位置、強度和高度,其中,綜合考慮顛簸強度、空間分布及風(fēng)廓線雷達資料的完整性,選取中等強度以上且盡可能接近雷達所在地的9個個例?？罩袌蟾嬷蓄嶔ぐl(fā)生位置記錄不夠精準,通過查詢定位給出顛簸發(fā)生的具體位置。為探究風(fēng)向、風(fēng)速對飛機顛簸產(chǎn)生的影響,采用江西省內(nèi)3部風(fēng)廓線雷達測風(fēng)數(shù)據(jù)。3部風(fēng)廓線雷達分別位于上饒(站號:58637)、宜春(站號:57793)和景德鎮(zhèn)(站號:58527)。風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)包括實時產(chǎn)品、0.5 h平均產(chǎn)品和1 h平均產(chǎn)品,由于顛簸往往發(fā)生在很短的時間內(nèi),為更準確地分析顛簸發(fā)生時刻的風(fēng)向風(fēng)速,文章使用風(fēng)廓線雷達實時產(chǎn)品文件,上饒風(fēng)廓線雷達時間分辨力6 min,垂直分辨力120 m;景德鎮(zhèn)及宜春風(fēng)廓線雷達時間分辨力5 min,垂直分辨力60 m。

江西贛北僅有3部風(fēng)廓線雷達且相隔較遠,為進一步探究顛簸個例高空風(fēng)的空間分布特征,采用歐洲中心ERA5再分析數(shù)據(jù)進行補充。文章使用的是1959年至今的氣壓層小時再分析數(shù)據(jù),水平分辨力為 0.25°×0.25°,約28 km,垂直分辨力從1000 hPa到1 hPa共有37 層。

1.2 研究方法

各氣象指標的計算方法如下:

1)水平風(fēng)的垂直切變:顛簸發(fā)生高度上下兩層風(fēng)的矢量差與上下兩層的距離的比值即為顛簸發(fā)生高度水平風(fēng)的垂直切變(單位:m·s-1·km-1)。

2)水平風(fēng)的水平切變:利用ERA5再分析數(shù)據(jù),取距顛簸發(fā)生地最近的格點及其周圍的8個格點,分別計算周圍格點與顛簸發(fā)生地最近格點之間水平風(fēng)的矢量差,將其除以格點之間的距離,取最大值作為顛簸發(fā)生地水平風(fēng)的水平切變(單位:m·s-1·km-1)。

3)水平風(fēng)的時間切變:顛簸發(fā)生前后水平風(fēng)發(fā)生明顯變化且風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)較為完整的兩個時刻水平風(fēng)的矢量差與時間間隔的比值(單位:m·s-1·h-1)。

2 顛簸發(fā)生特征統(tǒng)計分析

2018—2021年江西空中交管局空中報告記錄了江西省共112個顛簸個例,部分數(shù)據(jù)不全。其高度分布如圖1所示,7～8 km發(fā)生頻次最多,為39次,占比為34.8%;其次為6～7 km,發(fā)生23次,占比為20.5%;1～2 km發(fā)生頻次最少,僅有1次,占比為0.9%。由于飛機飛行期間大部分時間位于較高高度,僅起飛和降落時飛行高度降低,因此,低海拔飛機顛簸的發(fā)生頻次遠小于高海拔飛機顛簸的發(fā)生頻次。已有研究表明,當(dāng)對流層頂斷裂處或?qū)α鲗禹斴^陡時,易發(fā)生顛簸[9]。7～8 km更接近對流層頂,文章統(tǒng)計結(jié)果與其理論一致。

圖1 2018—2021年江西省飛機顛簸發(fā)生頻次高度分布

顛簸發(fā)生頻次月分布如圖2所示,發(fā)生頻次最多的月份是1和3月,均為22次,均占比為19.6%;其次是11月,發(fā)生21次,占比為18.7%;最少的是6和8月,僅發(fā)生1次,占比為0.9%?？傮w來說,秋冬季飛機顛簸發(fā)生頻率(61.6%)高于春夏季(37.5%)。目前,天氣預(yù)報對雷雨天氣的預(yù)測已較為準確,春夏季航班根據(jù)天氣情況進行調(diào)整后可大幅度降低雷雨引發(fā)的飛機顛簸的概率。而秋冬季雷雨少但大風(fēng)天氣多,急流和局地地形因素造成的氣流切變、亂流等尺度小,較難預(yù)測及防范,更容易引起飛機顛簸。

圖2 2018—2021江西省飛機顛簸發(fā)生頻次月分布

顛簸發(fā)生頻次日分布如圖3所示,20:00飛機顛簸發(fā)生頻次最多,共12次,占比10.7%,其次是11:00,共10次,占比8.9%,00:00—06:00無顛簸統(tǒng)計,可能是由于此時間段內(nèi)航班較少,且天氣更為穩(wěn)定,顛簸發(fā)生概率相對較低。

圖3 2018—2021年江西省飛機顛簸發(fā)生頻次日分布

3 顛簸氣象條件及指標

3.1 顛簸發(fā)生前后氣象條件分析

選取9個顛簸個例,結(jié)合顛簸發(fā)生地最近的風(fēng)廓線雷達站進行分析,研究顛簸發(fā)生時前后0.5 h左右的水平風(fēng)速的垂直分布情況。一些個例顛簸發(fā)生前后變化較大,如2018-07-27T18:02景德鎮(zhèn)風(fēng)廓線雷達附近發(fā)生的顛簸,風(fēng)速基本呈現(xiàn)隨高度增加而增大的規(guī)律。2020-07-08在2 km～5 km處出現(xiàn)風(fēng)速大值區(qū),考慮出現(xiàn)了低空急流。結(jié)合顛簸發(fā)生高度來看,9次顛簸中有7次顛簸發(fā)生高度的風(fēng)速都超過了10 m/s;有4次超過20 m/s,最大風(fēng)速達到31.6 m/s,出現(xiàn)在2021-04-07;只有2019-12-17和2020-07-08兩次顛簸發(fā)生時風(fēng)速較小,分別為9.7 m/s和9.4 m/s?？梢?大風(fēng)是影響飛機顛簸的重要氣象條件之一。

分析水平風(fēng)向的垂直分布發(fā)現(xiàn),顛簸發(fā)生時以偏西風(fēng)向為主,9次顛簸個例中有6次為西南風(fēng)向,2次為西北風(fēng)向,1次為東北風(fēng)向,水平風(fēng)向的垂直分布較不規(guī)律。從整層風(fēng)向的大致變化來看,9次顛簸中,出現(xiàn)2次風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn),表示出現(xiàn)了冷平流;5次風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn),表示出現(xiàn)了暖平流;其余2次整層風(fēng)向變動較不規(guī)律。研究表明,高空急流區(qū)的溫度平流也是引起飛機顛簸的原因之一[10]。

根據(jù)空氣動力學(xué)原理,飛機進入垂直氣流區(qū)會出現(xiàn)顛簸[11]。分析垂直風(fēng)向的垂直分布可知,大部分顛簸發(fā)生時整層大氣垂直速度以正值為主,即飛機處于上升氣流中,但顛簸發(fā)生高度往往處于0°線附近,這表明顛簸高度上下層的氣流在垂直方向上不一致,可見,在上升氣流和下降氣流的交匯區(qū)更易發(fā)生顛簸。值得注意的是,2020-07-08發(fā)生的個例水平風(fēng)速較小,但垂直風(fēng)速在顛簸發(fā)生前和發(fā)生后為正值,發(fā)生時為負值,表明在顛簸發(fā)生前后,垂直速度發(fā)生了較大變化,這可能是導(dǎo)致此次顛簸發(fā)生的原因之一。

由于江西風(fēng)廓線雷達分布較少且相距較遠,采用ERA5再分析資料對數(shù)據(jù)進行補充,所取高度層為顛簸發(fā)生高度的近似高度,大部分顛簸發(fā)生個例的區(qū)域風(fēng)速風(fēng)向都較為一致,處在比較平直的西風(fēng)氣流中,但也有一些個例發(fā)生地或周圍存在一定的水平空間變化,而根據(jù)空中報告,存在水平空間變化的個例顛簸程度都較為嚴重,這暗示著大尺度的空間變化可能是造成嚴重顛簸的主要原因之一。

3.2 顛簸發(fā)生氣象指標閾值確定

由以上分析可知,影響飛機顛簸的氣象因子主要有水平風(fēng)速、垂直風(fēng)速以及水平風(fēng)的時間切變、水平切變和垂直切變。利用ERA5再分析資料及風(fēng)廓線雷達資料計算相關(guān)氣象指標(表1),可見顛簸發(fā)生時,多個氣象指標值均較大。其中,當(dāng)垂直風(fēng)速絕對值大時,表示上升氣流或下沉氣流強盛,有利于顛簸產(chǎn)生,而絕對風(fēng)速越接近0越能代表其兩側(cè)氣流方向的差異,也有利于顛簸的產(chǎn)生,因此,垂直風(fēng)速的閾值較難確定。通過不同氣象指標對比分析,綜合文獻和機場人員經(jīng)驗,文章給出了其余氣象因子的閾值,即水平風(fēng)速為20 m·s-1,水平風(fēng)的時間切變?yōu)?5 m·s-1·h-1, 水平風(fēng)的水平切變?yōu)?.08 m·s-1·km-1,水平風(fēng)的垂直切變?yōu)?0 m·s-1·km-1(表2)。在飛機飛行過程中,以上任意一種指標達到或超過閾值,即可預(yù)報會有顛簸產(chǎn)生。值得注意的是,一些顛簸個例同時滿足多個閾值條件,但查詢其對應(yīng)的顛簸程度報告后發(fā)現(xiàn),滿足條件閾值的數(shù)量并不與顛簸的嚴重程度直接相關(guān),可能是由于在嚴重顛簸發(fā)生時,氣象因子對顛簸影響的占比不同,相關(guān)結(jié)論有待進一步分析。

表1 9次顛簸個例的氣象指標數(shù)值

表2 9次顛簸個例的氣象指標閾值

4 結(jié)束語

文章分析了江西省飛機顛簸的統(tǒng)計特征及氣象條件,計算了水平風(fēng)垂直、空間和時間切變,得出以下主要結(jié)論:

1)根據(jù)江西空中交管局的航空數(shù)據(jù),2018—2021年飛機顛簸在高空(7～8 km)發(fā)生頻次較多,秋冬季發(fā)生頻率遠高于春夏季,07:00—23:00均有顛簸發(fā)生,其中20:00發(fā)生頻次最多,其次是11:00。

2)文章基于ERA5再分析資料和風(fēng)廓線雷達資料對所選個例進行分析,給出了飛機顛簸發(fā)生的主要氣象指標及其閾值,即水平風(fēng)速20 m·s-1,水平風(fēng)的時間切變 15 m·s- 1·h-1, 水平風(fēng)的水平切變0.08 m·s-1·km-1,水平風(fēng)的垂直切變10 m·s-1·km-1。在飛機飛行過程中,以上任意一種指標達到或超過閾值,即可預(yù)報會有顛簸產(chǎn)生。

3)需要說明的是,受限于較少的研究樣本,文章給出的氣象指標閾值雖具有一定的參考意義,但仍需進行更多的驗證及完善,后續(xù)研究可通過更多的顛簸個例進一步修正,并可通過不同氣象指標影響的權(quán)重分配得出綜合指標的預(yù)測閾值,為航空服務(wù)提供更加有力的技術(shù)支撐。