四川盆地低空飞行的气象条件分析

袁 媛,何冬梅,张渝杰

(1.四川省气象服务中心，成都 610072；2.中国民用航空飞行学院广汉分院，广汉 618307；3.四川省遂宁市气象局，遂宁 629000 )

引言

近年来，随着我国通用航空的快速发展，以及对低空空域的逐步开放，我国低空飞行包括训练飞行、医疗救援、航拍航摄、人工增雨等[1-5]活动的数量日益增加。通航飞行器在低层大气中飞行，由于低空气象条件十分复杂且变化多端，气象要素的变化对低空飞行的安全性和高效性有着十分重要的影响，其中飞行稳定性低、风险性高的问题比较突出，如2019年6月14日，青岛昊海通航一架直升机在执行农林喷洒作业时，突遇低空风切变，旋翼升力突然减小，飞机迅速下坠，造成飞机报废、飞行员受伤。2018年6月16日，云南安宁一架医疗救援直升机由于山中有低云，能见度差，导致与山体相撞，造成3名人员死亡，航空器完全损毁。因此，从通航飞行的需求出发，研究低空气要素的变化特征以及对通航飞行的影响，不仅有助于建立完善的低空飞行安全气象保障服务，而且能够有效地提高社会效益，具有一定的指导意义。

目前在我国，低空飞行的气象研究和保障服务基本属于空白，而如何有效、准确地保障低空飞行安全，避免因恶劣气象条件带来的人员伤亡和经济损失成为了一个重要的课题。申燕玲等[6]分析2012～2015年中国地区的PIREPs资料，发现颠簸在6000m以上的高空发生次数最多，高空急流、大风以及风切变是导致颠簸发生的主要原因。阿利曼等[7]根据中国区域航空器空中颠簸报告，研究了中国东部地区高空颠簸的时空分布特征以及与海温异常的相关性。刘岳峰等[8]基于飞行品质监控大数据，对国内各机场低空区域的颠簸进行了统计，发现低空颠簸主要与地形起伏、气温日较差以及风速相关性最高。迟竹萍等[9]统计分析了山东地区飞机积冰的有利环流形势。庞朝云等[10]的研究指出，在甘肃中部地区，飞机积冰易发生在-11～0℃的温度范围内，强积冰易发生在-8～-1℃的温度范围内。胡迪[11]、邵振平[12]、慕熙昱等[13]通过统计得出雾是引起武汉天河机场、河南郑州机场、南京祿口机场低能见度的主要原因。这些研究[14-20]大多数均是针对运输航空大型的航空器或者高空、某一特定的航危天气进行的分析，而针对通用航空小型飞行器以及低空飞行的气象研究还不多见，特别是结合航空器特点，利用气象条件分析的研究少之又少。

四川盆地是我国四大盆地之一，面积17×104km2，海拔300～700m，四周为海拔1000～4000m的山地所环抱。盆地底部龙泉山以西为川西平原区，以东地区为盆地丘陵地貌区(图1)。本文主要利用2011～2018年的常规地面观测资料、加密自动站资料以及探空资料，以四川盆地为研究对象，分析该地区3000m(700hPa)以下各气象要素的时空分布特征，并结合通航飞行器的气象标准分析了气象条件对通航低空飞行的影响，旨在为低空区域通航飞行的气象保障提供一定的理论依据。

1 资料与方法

使用的资料主要包括：1、四川省152个站点08时、14时、20时常规地面观测资料，从该资料中提取出低云状、低云量、低云高以及能见度；2、四川省152个站点逐小时加密观测资料，从该资料中获取地面风的风向、风速、温度和露点温度；3、四川省3个国家级探空站08时的探空资料，获取700hPa以下的3个常规高度层的温度、露点温度、风向、风速，需要说明的是由于950hPa并不是常规观测层，因此文中的950hPa是指950hPa以下的近地面高度层。所有资料的时间跨度为2010年12月1日～2018年11月30日，研究方法主要为概率统计。

此外，文中分析用到的通用航空器起飞、降落以及航线飞行的气象标准主要依据《中华人民共和国民用航空行业标准》(MH/T4016.2-2007)中的《民用航空气象第2部分：预报》以及《民用航空气象第3部分：服务》。

2 风的分析

2.1 四川盆地地面风的时空特征

四川地区日平均风速往往西高东低，四川盆地内的平均风速不超过5m/s(图略)，这主要是由于盆地四周的大地形对大气环流的阻挡作用，使盆地内的大部分地区不易受冷空气活动的影响，因此地面平均风大部分时间低于5m/s，但当有冷锋、强热低压等天气系统时，将会导致大风出现。从四川盆地区域平均的10分钟地面风场的日变化来看(图2)，盆地内地面风速表现出“一峰一谷”的日变化特征。夜间随着近地面气温的降低，大气层结更加稳定，动量交换等减弱，因此夜间风速小，最小风速出现在日出前后06：00～07：00。白天，随着近地层气温的逐渐升高，动量交换等活动加强，因此白天风速大，最大风速出现在湍流发展强盛的午后15:00～16：00。四川盆地春季地面风速的日振幅为2.1m/s，其风速的日变化在四个季节当中最为显著，因此一年之中春季以及一日之中下午是地面风对通用航空飞行影响相对最大的。

顺风或者侧风过大，都不利于飞机的起飞和着陆，且飞机降落时如遇到侧风剧变会偏离跑道中线[21]，对通用航空飞行的安全造成严重影响。虽然研究表明[22]，地面风场对通用航空器起飞和着陆的影响，取决于地面风与机场跑道的夹角、顺风和侧风分量的大小、机型等，但一般来说，一架4人座的小型商务机地面风起降标准通常在7.5m/s左右，而对于10～12人的中型通用商务飞机，地面风的起降标准在12m/s左右。因此，图3给出了各季节累年平均的地面风在7.5m/s及以上的日数统计结果。从图3中可以看出，四川盆地的7.5m/s以上的大风春季、冬季多于夏季和秋季；盆地北部则以春季、冬季大风最多，其余地区以夏季最多；秋、冬季节除盆北局部山区外，大部分地区大风很少，特别是秋季，基本上无大风出现。因此，秋季地面风对通航飞行风影响最小。

2.2 四川盆地不同高度层风场的变化特征

当风向或者风速在水平方向或者垂直方向发生剧烈变化时，气流将会导致通用航空器的空速和飞行姿态发生变化，进一步导致冲出跑道、或者偏离预定航线以及坠地的危险[23]。因此分别选取四川盆地温江、达州、宜宾三个探空站代表盆地西北部、盆地东北部以及盆地南部区域，分析3000m(700hPa)以下不同高度层风场的变化特征。

从图4a中可以看出，以温江站为代表的盆地西北地区08时地面风的风向以NNE风为主，而在700～800m的925hPa到1400～1600m的850hPa层风场均以NE风为主，在3000m左右的700hPa层，盛行风则主要以SW风为主，这说明在850hPa与700hPa高度层之间常年存在着风向的切变，这种切变会造成飞机颠簸。在近地面(图5a)，小于2m/s风速占全年的74.5%，其中静风频率占44%；在925hPa高度层，以2～3m/s的风速出现频率最高，占全年的24.7%，而4m/s以下的风速占据了全年的69.5%；在统计时段内的850hPa高度层，风速由静风到20m/s不等，但仍然以2～3m/s的风速出现频率(24.5%)最高；在700hPa，风速的分布与850hPa以下的层次明显不同，以3～4m/s的风速出现频率(24.5%)最高，而12m/s以上的强风速出现频率明显增加。

在以达县站为代表的盆地东北地区(图4b，图5b)，近地层的风向以NNE风为主，以1～2m/s的风速段出现频率最高(52.6%)；在925hPa高度层，风向以E风为主，以2～4m/s的风速段出现频率最高(39.4%)，其次ENE以及NE风的出现频率也相对较高；在850hPa高度层，风向以SSE风为主，以2～4m/s的风速段出现频率最高(33.4%)；在700hPa高度层，风向以SW风为主，以4～6m/s的风速段出现频率最高(23.4%)。通过分析以宜宾站为代表的盆南地区风的垂直分布特征(图4c，图5c)可知，925hPa以下的高度风向均以NW风为主，在850hPa高度层以NNW为主，700hPa高度层则以SW风为主；风速在950hPa以1～2m/s风速段出现频率最高(35.9%)，而在925hPa～850hPa则以2～3m/s的风速段出现频率最高(分别为23.9%和21.1%)，在700hPa则以4～6m/s的风速段出现频率最高(25.14%)。

综合来看，在 700hPa以下四川盆地西部的温江站、盆地东北部的达县站以及盆地南部的宜宾站均表现出风速随着高度的增加而增加，风速的强度以及范围也表现出明显增强、增大的特征。而风向在四川盆地北部表现出随着高度明显顺转，高、低层的盛行风向明显“反向”，在四川盆地南部风向却随着高度表现出明显逆转的特征，这表明在四川盆地通用航空器从事低空飞行应注意风向切变，以及由切变引起的颠簸，当有如强冷锋这样的天气系统进入四川盆地，低空风切变往往会加强。

由于整个四川盆地在700hPa高度层均以SW风为主，因此跨区域在此高度飞行时受到风向变化的影响较小。在925～850hPa高度上从盆地西北地区飞行到盆地东北区域，或者在850hPa以下的高度由四川盆地北部飞行到南部地区由于盛行风向出现明显的变化，将会产生一定程度的颠簸，这种颠簸强度随着天气系统的出现将会明显加强。而由于在各个高度层的风速，温江<宜宾<达州，因此从川西北、西南向盆地东北地区飞行时，因风速的明显增加将会在航路上遇到颠簸，这种颠簸受到冷锋、低空急流等天气系统将会加强。

3 温度与相对湿度的分析

事实上，温度这一气象要素本身对通航飞行的安全并没有直接影响，但当温度的变化达到一定条件时，将会对通用航空器的发动机、飞行速度、起飞重量、滑跑距离等指标产生影响[24]。空中相对湿度较大不仅有利于低云的形成，而且通航飞机或者直升机长时间在相对湿度较大的地区飞行将会使得机载设备以及外部涂层受到一定的腐蚀，造成设备故障，从而影响飞行安全[25]。此外，一定范围的相对湿度与适当的温度配合将有利于地面形成低能见度，以及在飞机的某些部位形成积冰，从而影响飞机的飞行性能[26]，研究表明[27]飞机机翼和尾翼前缘的积冰可使这两个部位的气动外形发生变化，导致其性能下降，严重者造成飞机坠毁等事故。

通过分析四川盆地3个探空站累年逐月平均的温度垂直分布，其结果如图6所示。从图中可以看出，三个探空站各高度层的温度随着时间逐渐增加， 7～8月温度达到峰值后逐渐降低，各个高度层的最低温度均出现在1月。在850hPa以下的高度，各个月份达县站温度最高，而在700hPa高度层则是宜宾站温度最高。在近地层以及700hPa，温江站的温度相对最低，而在925hPa以及850hPa高度层则是达县站的温度相对最低，这主要是由于温江站925hPa高度层以下存在着明显的逆温层造成，即925hPa高度层以下温江站的温度垂直变化率为正值(图略)，且在4月该变化率达到峰值，为0.08℃/hPa，8月850～700hPa的温度垂直变化率的绝对值达到最大(-0.066℃/hPa)。虽然位于盆地东北地区的达县站没有表现出明显的逆温层特征，但温度垂直变化率逐月变化特征与温江站基本一致。宜宾站在925hPa以下，1月温度垂直变化率为-0.092℃/hPa，是一年之中温度垂直变化最大的，而在925～850hPa，温度垂直变化在3月达到最大值(-0.058℃/hPa)，在850～700hPa温度垂直变化在8月达到最大(-0.061℃/hPa)。通航飞行器在以上月份进行低空飞行活动穿越温度垂直变化率大的区域时，应注意由温度剧烈变化带来的影响。

从温度露点差(图7)来看，在950hPa高度层以下，三个站点的温度露点差全年平均都在4℃以下，其中最低值均出现在每年的9月，表明该高度层盆地内的相对湿度均比较大，其中相对湿度最大为温江站，最小为达县站。在925以及850hPa，宜宾站的温度露点差最低，而温江站最高。在700hPa，温江的温度露点差最低，达县的温度露点差最大。

王钦等[28]的研究表明，飞机积冰均发生在穿过温度小于0℃的云中，出现中度积冰的温度范围在-2～-4℃，轻度积冰温度范围在0～-1℃，在这一温度范围内，相对湿度越大越有利于积冰的产生，其中产生中度积冰时相对湿度均在90%以上。因此，盆地每年的冬季是通用航空器积冰的高发期。结合图8可知，在950hPa以下西北地区的积冰发生概率最大，1月850hPa高度层飞行最容易产生中度积冰，特别是达县站850hPa的温度在0℃以下，且温度露点差<4℃，空中的水汽饱和度较高。其次，是宜宾站温度平均在0.24℃，温度露点差为2.77℃。

4 低云的分布特征

当机场上空或者在航线上低空飞行时，低云的高度越低，云量越多，将会给通航飞行器的目视飞行造成视程障碍，导致飞机对不准跑道或者来不及避开低空障碍物，造成飞行事故。此外，冬季长时间在云中飞行，将会导致飞行表面发生积冰[29]。一年四季四川西部山区的低云量均高于东部盆地地区，而盆地四周的低云量均高于盆地中部，这说明低云量在一年四季变化不大，且主要受到地形的影响。但是，在龙泉山山脉东侧的中江、金堂等地秋、冬季节低云量明显高于春、夏季节。

从各个季节低云云底的平均高度来看(图8)，除去川西高原地区，四川盆地仍然表现出四周低，中部高的特征，夏季低云的底部高度最低，大部分地区在1600～1800m左右。冬季低云底部高度最高，在2000～2200m左右，盆地东部地区在2200m以上。春季和秋季的分布特征较为一致，大部分盆地地区在1800～2000m左右。通过对云底高度低于450m的低云进行统计(图9阴影)，发现该高度的低云在四川盆地范围秋季出现频率最高，其次为冬季，春季频率最低。在四川盆地东部地区出现频率高于盆地西部地区。这说明，低空飞行冬季盆地中部地区低云的影响对通航飞行影响最小，夏季影响较大。

5 结论

通过对2011～2018年四川盆地低空(3000m以下)飞行的气象条件，包括不同高度层风场、温度、低云等气象要素的时空分布特征进行详细分析，并结合民航相关运行标准总结了这些气象要素对通用航空飞行器的影响，得到如下结论：

(1)一年之中春季以及一日之中下午是地面风对通用航空飞行影响相对最大的，秋季地面风对通航飞行影响是最小的。这主要是因为四川盆地地面风的日变化特征为“一峰一谷”的特征，且春季地面风的平均风速以及日振幅最大。

(2)低空风场分析表明，在 700hPa以下整个四川盆地均表现出风速随着高度的增加而增加，风速的强度以及范围也表现出明显增强、增大的特征。风向在四川盆地北部表现出随着高度明显顺转，在四川盆地南部逆转的特征。其中盆地北部高、低层的盛行风向明显“反向”，这表明在四川盆地通用航空器从事低空飞行应注意低空风向的水平以及垂直切变。但由于整个四川盆地在700hPa高度层均以SW风为主，因此在此高度飞行时受到风向水平变化的影响较小。在各个高度层的风速，温江<宜宾<达州，因此从川西北、西南向盆地东北地区飞行时，因风速的明显增加将会在航路上遇到颠簸，这种颠簸受到冷锋、低空急流等天气系统将会加强。

(3)在950hPa以下盆地西北地区的积冰发生概率最大，1月850hPa高度层飞行最容易产生中度积冰，特别是达县站850hPa的温度在0℃以下，且温度露点差<4℃，空中的水汽饱和度较高。其次，是宜宾站温度平均在0.24℃，温度露点差为2.77℃。

(4)对低云的分析表明，盆地四周5个量以上的低云出现频率明显高于盆地中部，这种分布特征一年四季变化不大，除了在龙泉山山脉东侧的中江、金堂等地秋、冬季节低云量明显高于春、夏季节。此外，冬季盆地中部地区云底高度低于450m的低云最少，盆地中部低云对通航飞行影响最小。