2014—2018 年哈密巴里坤机场风特征分析

魏哲花，冯广麟

（哈密市气象局，新疆 哈密839000）

风向和风速的变化与大气的能量和物质循环紧密相关，是研究大气动力学和气候变化的重要参量。王遵娅等[1]、任国玉等[2]、江滢等[3]研究了我国的风向、风速的变化特征，陈德桥[4-5]、郑玉萍[6]则研究了局地风的气候特征。风的特征往往与风能利用、能见度等密切相关，一些研究集中于它对气象环境的影响及相关的应用[7-11]。

风是机场设计中的重要参考依据之一。风力负荷（即保障率，是指在风的影响下，飞机能够进行起飞着陆的可能性，用百分比表示）是根据机场所在地或附近气象台站5 a 以上风向风速分布频率及飞机允许的最大逆风、顺风等资料统计计算得出，是选择跑道方位的重要依据。陈猛[12]认为风往往决定跑道方向，也决定着飞机起飞着陆的滑跑距离和飞行安全，在不同风（侧风、逆风、顺风）的作用下，飞机往往面临着不同的威胁。种小雷[13]认为，影响跑道方向的因素中，风条件是最重要的，对于一个选定的机场，其跑道方向的确定主要考虑风保障率的影响。因此机场场址的风向风速气候特征分析成为了机场设计中的重要环节。

巴里坤机场为哈密市目前在建工程，是新疆维吾尔自治区“十三五”规划的重点项目之一，机场性质为国内支线机场。机场建成后将具备出入疆旅客中转及满足巴里坤周边地区旅游、公务、商务需求的功能，并兼顾通用航空使用。巴里坤机场的建设对于改善当地的对外交通条件、促进资源开发和经济社会发展、提升应急救灾保障能力有着重要的意义。本文利用机场附近大河气象站的地面风观测资料，对巴里坤机场区域风向风速进行统计分析，分别得出机场区域风速和主导风向的特征，并分析了灾害性大风产生的环流特征，为机场大风的预报提供技术支撑。

1 巴里坤机场地形特征

巴里坤县地处哈密市北部、东天山北麓，地形特征概括为“三山夹两盆”。其中，紧邻县城南侧为东天山（巴里坤山）主脉；县境中部的莫钦乌拉山由西北向东南延伸；县境最北部、中蒙边界处的东准格尔断块山系成东西走向；三条主山脉将巴里坤县分割为北部的三塘湖盆地和南部的巴里坤盆地。机场场址位于巴里坤县城以北大河镇，地处巴里坤盆地北缘、莫钦乌拉山南麓山前冲洪积倾斜平原的中下部，场地地形开阔，地势较为平坦，地势总体呈现东北高、西南低（图1）。初定跑道真方位为130°～310°（磁差1°52′E），机场标高为1734 m，飞行区指标4C（跑道长度1800 m 以上的机场）。

图1 巴里坤机场地理位置及地形示意图

2 站点的选取及资料的处理

为了给巴里坤机场提供科学的设计依据，2017 年8 月在拟建机场区建设了7 要素自动气象站，并采集了1 a 的气象观测资料。同时利用距离机场直线距离2 km 处原有的大河气象站进行观测资料的对比分析，该站为区域自动气象站，周边环境稳定，无大型工程项目影响。两测站的观测资料均经过严格数据质量审核，资料的完整性和合理性均符合标准。选取机场气象站与大河气象站2017 年10月—2018 年9 月期间同期风的观测资料做相关分析，发现机场与大河气象站日平均风速相关系数达到0.958 03，日最大风速与大河气象站日最大风速高度一致，相关系数达到0.966 34，10 m 高度风向一致率达到0.731 84，均通过了0.001 的显著性水平检验。两站在风的特征上具有显著的一致性，故采用大河气象站作为巴里坤机场风向风速气候背景分析代表站。本文选取大河气象站2014 年7 月—2018 年6 月风向、风速资料分析巴里坤机场风的特征。

3 风的特征分析

3.1 风向

本文风向使用《地面气象观测规范》规定的16方位法，各方位对应的角度见表1，以度（°）为单位。

表1 16 方位对应角度

分析近4 a 巴里坤机场24 h 的风向频率，近4 a E 风出现频率最多（图2a），达到13.8%；其次是ESE和ENE 风，均为9.5%；静风较少，仅占0.5%。最多风向出现频率的排序（前三位）与各风向平均风速的大小排序并不一致（图2b），NW 风的风速最大，平均为4.5 m/s；WNW 风速次之，平均为4.4 m/s；NNW 风速平均为4.3 m/s。

图2 巴里坤机场风向和风速频率玫瑰图

由于巴里坤机场属于高原机场，运行时间一般限制在白天。分析机场白天（09—20 时）沿跑道方向（东南130°～西北310°方向）两端风向频率的占比（图3a），偏西北风（风向270°～360°，下同）占比为37.0%，略高于偏东南风（风向90°～180°，下同），占31.4%。

根据白天（08—20 时）（图3a）和夜间（20—08时）（图3b）的风向频率分析，白天西风出现的频率最高，为9.2%，其次是WSW 风，为9.0%。夜间东风出现频率最高，为17.5%，其次是ENE 和ESE。巴里坤机场由于受其北侧山地的地形影响，当没有明显的外来冷空气时，在山坡和盆地之间形成山谷风环流。白天，受太阳辐射影响，山坡气温增温较快，气流受热膨胀上升，在近地面形成低气压，高空形成高气压；谷地气温升温较慢，气温较低，因此气流下沉，在近地面形成高气压，高空形成低气压。在水平方向上气流由高气压流向低气压，所以白天为谷风，表现为偏西北风多；夜间为山风，气流方向相反，表现偏东南风多。通过对各时次风向分析，巴里坤机场谷风转山风的时间在20 时前后。

3.2 风速

图3 巴里坤机场风向玫瑰图

3.2.1 平均风速的月际特征

对巴里坤机场近4 a 的风向风速资料进行统计分析，结果表明，年平均风速为3.4 m/s。4 个季节平均风速分别为：春季最大，为4.0 m/s，夏季为3.6 m/s，秋季为3.3 m/s，冬季最小，为3.0 m/s。全年各月风速在2.9～4.2 m/s，其中，以5 月份的平均风速最大，为4.2 m/s，4 月次之，平均风速为4.1 m/s，1 月份平均风速最小，为2.9 m/s（表2）。

表2 巴里坤机场近4 a 各月平均风速 m/s

3.2.2 平均风速日变化

巴里坤机场的风速有明显的日变化（图4），白天风速大于夜间，上午随着气温升高和乱流增强风速逐渐增大，到19 时左右达到最大，进入夜间之后风速逐渐减小。逐时平均风速最大值出现在19 时，为4.6 m/s，最小值出现在09 时，为2.7 m/s。

3.2.3 平均风速频率分布

由巴里坤机场24 h 不同风速段各风向平均风速频率（表3）可知，偏东南风的平均风速明显小于偏西北风的平均风速，平均风速≤5 m/s 以下风速频率为80.0%，其中偏东南风为36.7%，偏西北风为26.4%；风速在5～6.5 m/s 的风速频率为11.4%，其中偏东南风为35.6%，偏西北风为39.8%；风速在6.5～10 m/s 风速频率为7.8%，其中偏东南风为30.0%，偏西北风为56.6%；风速＞10 m/s 以上大风风速频率为0.86%，共出现296 次，其中偏西北风86.5%，偏东南风9.1%。

图4 巴里坤机场平均风速日变化

表3 巴里坤机场各风向平均风速频率 %

3.2.4 最大风速的变化特征

《地面气象观测规范》中定义最大风速为某时段最大10 min 平均风速，本节中对巴里坤机场近4 a的最大风速进行了分析（图5）。巴里坤机场近4 a最大风速为18.9 m/s，风向为N 风；平均最大风速为8.0 m/s，各月平均最大风速在6.9～9.6 m/s。由图5 可以看出，月平均最大风速呈单峰型变化，最大风速从1 月起逐渐增大，5 月达到全年最大，为9.6 m/s，之后逐渐减小，12 月为全年最小，为6.9 m/s。

图5 巴里坤机场月平均最大风速

3.2.5 大风的分布特征

《地面气象观测规范》中规定瞬时风速达到或超过17.0 m/s 的风称为大风。巴里坤机场近4 a 中大风日数共54 d，多出现在北京时12—20 时，0—08时极少出现大风。大风日数具有明显的月际变化，4—6 月为大风多发期，大风日数明显比其他各月偏多，1—2 月没有出现过大风（图6）。大风风向频率居前三位的依次是NW（42.6%）、WNW（14.8%）和NNW（13.0%），其中偏西北风占81.5%，偏东南风占5.6%。极大风速最大为26.6 m/s，风向NW。

大风是对机场运行影响较大的灾害性天气之一，不仅对飞机正常起降和飞行安全产生严重影响，而且对机场设施有破坏作用，因此有必要对其形成的环流特征进行分析，探讨大风的成因，为大风的预报提供技术支撑。

4 巴里坤机场大风的环流特征分析

图6 巴里坤机场大风日数

为了分析巴里坤机场大风天气的环流背景，对遴选出的2014—2018 年4 a 中巴里坤机场出现的54 个大风个例的500、850 hPa 和海平面环流特征进行分析。

4.1 典型大风过程500 hPa 环流

巴里坤机场80%以上的大风为偏西北风。形成巴里坤西北大风的500 hPa 环流形势主要有两种，表现较多的为经向型环流（图7a）。巴尔喀什湖至北疆西部为脊区，北疆东部为低槽区，低槽在影响北疆的天气后东移，巴里坤位于槽后脊前西北气流带上。出现较少的环流型为纬向型环流（图7b），即环流经向度较小，副高位置偏南，主体位于40°N 以南，北部的西伯利亚地区为低涡，锋区南压至45°N 附近，影响北疆和东疆地区。

偏东大风出现的次数较少，分别有东北大风和东南大风，均为“Ω”型，区别在于东北大风时（图7c），“Ω”槽脊系统的位置偏西，脊区位于巴尔喀什湖，脊顶向东北方向伸展。脊前低涡中心位于蒙古高原东部，槽线呈东北—西南向，巴里坤位于脊前槽线北部偏北气流带中，而出现东南大风时（图7d），“Ω”槽脊系统的位置偏东，脊区位于95°E 附近，脊顶略向西北伸展，脊后部为低涡，巴里坤位于脊区后部东南气流区。

4.2 典型大风过程850 hPa 环流

出现西北大风时，对应于500 hPa 经向型环流，850 hPa 上新疆北部至巴尔喀什湖北部地区为高压区（图8a），蒙古高原南部为低压区，存在明显的西北—东南向气压梯度，冷舌自西伯利亚向巴尔喀什湖方向西南伸，暖舌则由西北地区东部向蒙古高原东部东北伸，在新疆东部出现密集的东西向等温线，巴里坤位于这个强的西北—东南向温度梯度区中，受冷平流控制；对应于500 hPa 纬向型环流，中亚地区为高压区蒙古高原到中国东北地区为低压区（图8b），相对较弱的气压梯度呈西—东向，西伯利亚至中亚为冷区，新疆南部至蒙古高原南部为暖区，密集的等温线由西南向东北伸展，巴里坤位于温度梯度区中，受冷平流控制。

东北大风时（图8c），冷中心位于蒙古北部，等温线呈西北—东南向分布，巴里坤位于西南—东北向温度梯度区，处于冷、暖平流交汇区域；出现东南大风时（图8d），东疆和南疆东部为暖区，冷中心位于巴尔喀什湖以北的西伯利亚，温度梯度为东南—西北向，巴里坤位于暖脊区，为暖平流区。

4.3 典型大风过程海平面气压场

图7 典型大风过程500 hPa 环流形势

图8 典型大风过程850 hPa 环流形势

对应于500 hPa 经向型环流的西北大风时，海平面气压场上（图9a），冷高压强盛，中心位于新疆以北的西西伯利亚，等压线密集，有明显的冷锋西北路径进入新疆北部并向东移动，巴里坤位于冷锋前部，强的气压差和变压的梯度都有利于西北大风的形成；对应于500 hPa 经向型环流的西北大风时海平面气压场上（图9b），冷高压略弱，中心位于巴尔喀什湖及其以西的中亚地区，强冷锋以西方路径进入新疆北部，等压线密集，气压梯度强，巴里坤位于冷锋前部，剧烈的正变压导致大风天气。

东北大风时（图9c），蒙古高原为弱高压区，西西伯利亚为较强的低压区，低压前部向东南方向伸到东疆并形成弱低压中心，锋区不明显，巴里坤位于东北—西南向的气压梯度区，有利于形成东北风，出现东南大风时（图9d），蒙古高原为低压区，西西伯利亚为高压区，东疆为蒙古高压底部分裂的弱高压区，气压梯度指向为东南—西北向。

5 结论

本文通过选取2014 年7 月—2018 年6 月大河气象站风向风速资料对巴里坤机场风的特征进行统计分析，并分析了遴选出的54 个大风个例的500 hPa、850 hPa 和海平面环流特征，主要有以下结论：

（1）巴里坤机场风向受地形和冷空气活动的共同影响，近4 a 来大河站E 风出现频率最多，在NW风方向上的风速最大。白天W 风出现的频率最高，夜间E 风出现频率最高，谷风转山风的时间多在20时前后。

（2）巴里坤机场年平均风速为3.4 m/s，春季平均风速大，冬季平均风速小；偏东南风的平均风速明显小于偏西北风的平均风速，平均风速≤5 m/s 以下占80.0%；有明显的日变化，白天风速大于夜间；月平均最大风速5 月最大，12 月最小。

（3）4—6 月为巴里坤机场大风多发期，多出现在午后，大风的风向频率多为偏西北风，这主要受中高纬度冷空气活动影响，当冷空气入侵时，机场以西北风为主，风速的大小与冷空气强度和移速有关。

（4）造成巴里坤机场西北大风的环流形势分为经向型和纬向型，冷空气分别为西北路径和西方路径，低层温度梯度大，冷平流强，锋区非常明显，气压差和变压梯度强烈，利于大风天气出现。偏东大风出现较少，500 hPa 均为“Ω”型，东北大风时位于脊前，东南大风时位于脊后，低层锋区不明显，东北大风时无明显冷暖平流，东南大风时，暖平流较强。

图9 典型大风过程海平面气压场