江西省飞机颠簸统计特征及其气象条件分析

陶昕宇,吴 凡,谢克勇,凌 婷,毕 晨,黄紫洁

(1.江西省气象服务中心,南昌 330096;2.抚州市宜黄县气象局,抚州 344000)

0 引言

随着中国航空技术的快速发展,江西省航班量持续增长,2021年累计客流量达1300多万人次。航空技术的提高、航空器安全性与自动化水平的提升等都减少了航空器因自身机械因素引起的飞行事故,因此由于天气灾害造成的飞行事故所占比例逐渐增加。其中,飞机颠簸是危及飞行安全的主要因素。研究表明,在由天气原因引起的飞行事故中,飞机颠簸所占比例最高,为65%。

关于飞机颠簸特征的研究成果有很多。中度及以上飞机颠簸在中国各个航线飞行过程中广泛存在,多发于中国西南、东部地区,且在6000 m以上高空发生频率更高[1-2]。春冬两季是飞机颠簸的高发季节,而夏季飞机颠簸发生频次最低[3]。然而,这些研究多集中于全国地区或中国东西部等大范围区域,关于江西省的统计较少。

现有研究中关于飞机颠簸的成因及气象条件的分析多集中于大气动力学理论和数值模拟方面。在天气形势方面,颠簸的发生常与急流、槽线、切变线和高压脊线相关[4]。研究发现,急流是颠簸发生的主要原因之一[5]。而对飞机颠簸的数值仿真实验表明,对流不稳定引起的重力波破碎也是飞机颠簸的起因之一[6-7]。将天气条件细分,水平风的垂直切变是飞机低空颠簸的主要原因,而飞机高空颠簸则主要来自水平风切变和水平温度切变[8]。总体来说,颠簸气象条件的研究偏理论机制方面,对具体气象指标阈值特别是适宜于某一地区的指标阈值研究较少,对于航空服务来说不够直观。

文章基于中国民用航空华东地区空中交通管理局江西分局2018—2011年空中报告、风廓线雷达数据和ERA5再分析数据,分析了江西省飞机颠簸的统计特征及气象条件,给出了气象指标阈值,为飞机颠簸预报提供参考。

1 资料与方法

1.1 数据来源

文章分析的颠簸个例来自中国民用航空华东地区空中交通管理局江西分局(简称“江西空中交管局”)2018—2021年的空中报告,累计112个颠簸个例。数据包含飞机颠簸发生的日期、时间、位置、强度和高度,其中,综合考虑颠簸强度、空间分布及风廓线雷达资料的完整性,选取中等强度以上且尽可能接近雷达所在地的9个个例。空中报告中颠簸发生位置记录不够精准,通过查询定位给出颠簸发生的具体位置。为探究风向、风速对飞机颠簸产生的影响,采用江西省内3部风廓线雷达测风数据。3部风廓线雷达分别位于上饶(站号:58637)、宜春(站号:57793)和景德镇(站号:58527)。风廓线雷达数据包括实时产品、0.5 h平均产品和1 h平均产品,由于颠簸往往发生在很短的时间内,为更准确地分析颠簸发生时刻的风向风速,文章使用风廓线雷达实时产品文件,上饶风廓线雷达时间分辨力6 min,垂直分辨力120 m;景德镇及宜春风廓线雷达时间分辨力5 min,垂直分辨力60 m。

江西赣北仅有3部风廓线雷达且相隔较远,为进一步探究颠簸个例高空风的空间分布特征,采用欧洲中心ERA5再分析数据进行补充。文章使用的是1959年至今的气压层小时再分析数据,水平分辨力为 0.25°×0.25°,约28 km,垂直分辨力从1000 hPa到1 hPa共有37 层。

1.2 研究方法

各气象指标的计算方法如下:

1)水平风的垂直切变:颠簸发生高度上下两层风的矢量差与上下两层的距离的比值即为颠簸发生高度水平风的垂直切变(单位:m·s-1·km-1)。

2)水平风的水平切变:利用ERA5再分析数据,取距颠簸发生地最近的格点及其周围的8个格点,分别计算周围格点与颠簸发生地最近格点之间水平风的矢量差,将其除以格点之间的距离,取最大值作为颠簸发生地水平风的水平切变(单位:m·s-1·km-1)。

3)水平风的时间切变:颠簸发生前后水平风发生明显变化且风廓线雷达数据较为完整的两个时刻水平风的矢量差与时间间隔的比值(单位:m·s-1·h-1)。

2 颠簸发生特征统计分析

2018—2021年江西空中交管局空中报告记录了江西省共112个颠簸个例,部分数据不全。其高度分布如图1所示,7～8 km发生频次最多,为39次,占比为34.8%;其次为6～7 km,发生23次,占比为20.5%;1～2 km发生频次最少,仅有1次,占比为0.9%。由于飞机飞行期间大部分时间位于较高高度,仅起飞和降落时飞行高度降低,因此,低海拔飞机颠簸的发生频次远小于高海拔飞机颠簸的发生频次。已有研究表明,当对流层顶断裂处或对流层顶较陡时,易发生颠簸[9]。7～8 km更接近对流层顶,文章统计结果与其理论一致。

图1 2018—2021年江西省飞机颠簸发生频次高度分布

颠簸发生频次月分布如图2所示,发生频次最多的月份是1和3月,均为22次,均占比为19.6%;其次是11月,发生21次,占比为18.7%;最少的是6和8月,仅发生1次,占比为0.9%。总体来说,秋冬季飞机颠簸发生频率(61.6%)高于春夏季(37.5%)。目前,天气预报对雷雨天气的预测已较为准确,春夏季航班根据天气情况进行调整后可大幅度降低雷雨引发的飞机颠簸的概率。而秋冬季雷雨少但大风天气多,急流和局地地形因素造成的气流切变、乱流等尺度小,较难预测及防范,更容易引起飞机颠簸。

图2 2018—2021江西省飞机颠簸发生频次月分布

颠簸发生频次日分布如图3所示,20:00飞机颠簸发生频次最多,共12次,占比10.7%,其次是11:00,共10次,占比8.9%,00:00—06:00无颠簸统计,可能是由于此时间段内航班较少,且天气更为稳定,颠簸发生概率相对较低。

图3 2018—2021年江西省飞机颠簸发生频次日分布

3 颠簸气象条件及指标

3.1 颠簸发生前后气象条件分析

选取9个颠簸个例,结合颠簸发生地最近的风廓线雷达站进行分析,研究颠簸发生时前后0.5 h左右的水平风速的垂直分布情况。一些个例颠簸发生前后变化较大,如2018-07-27T18:02景德镇风廓线雷达附近发生的颠簸,风速基本呈现随高度增加而增大的规律。2020-07-08在2 km～5 km处出现风速大值区,考虑出现了低空急流。结合颠簸发生高度来看,9次颠簸中有7次颠簸发生高度的风速都超过了10 m/s;有4次超过20 m/s,最大风速达到31.6 m/s,出现在2021-04-07;只有2019-12-17和2020-07-08两次颠簸发生时风速较小,分别为9.7 m/s和9.4 m/s。可见,大风是影响飞机颠簸的重要气象条件之一。

分析水平风向的垂直分布发现,颠簸发生时以偏西风向为主,9次颠簸个例中有6次为西南风向,2次为西北风向,1次为东北风向,水平风向的垂直分布较不规律。从整层风向的大致变化来看,9次颠簸中,出现2次风随高度逆转,表示出现了冷平流;5次风随高度顺转,表示出现了暖平流;其余2次整层风向变动较不规律。研究表明,高空急流区的温度平流也是引起飞机颠簸的原因之一[10]。

根据空气动力学原理,飞机进入垂直气流区会出现颠簸[11]。分析垂直风向的垂直分布可知,大部分颠簸发生时整层大气垂直速度以正值为主,即飞机处于上升气流中,但颠簸发生高度往往处于0°线附近,这表明颠簸高度上下层的气流在垂直方向上不一致,可见,在上升气流和下降气流的交汇区更易发生颠簸。值得注意的是,2020-07-08发生的个例水平风速较小,但垂直风速在颠簸发生前和发生后为正值,发生时为负值,表明在颠簸发生前后,垂直速度发生了较大变化,这可能是导致此次颠簸发生的原因之一。

由于江西风廓线雷达分布较少且相距较远,采用ERA5再分析资料对数据进行补充,所取高度层为颠簸发生高度的近似高度,大部分颠簸发生个例的区域风速风向都较为一致,处在比较平直的西风气流中,但也有一些个例发生地或周围存在一定的水平空间变化,而根据空中报告,存在水平空间变化的个例颠簸程度都较为严重,这暗示着大尺度的空间变化可能是造成严重颠簸的主要原因之一。

3.2 颠簸发生气象指标阈值确定

由以上分析可知,影响飞机颠簸的气象因子主要有水平风速、垂直风速以及水平风的时间切变、水平切变和垂直切变。利用ERA5再分析资料及风廓线雷达资料计算相关气象指标(表1),可见颠簸发生时,多个气象指标值均较大。其中,当垂直风速绝对值大时,表示上升气流或下沉气流强盛,有利于颠簸产生,而绝对风速越接近0越能代表其两侧气流方向的差异,也有利于颠簸的产生,因此,垂直风速的阈值较难确定。通过不同气象指标对比分析,综合文献和机场人员经验,文章给出了其余气象因子的阈值,即水平风速为20 m·s-1,水平风的时间切变为15 m·s-1·h-1, 水平风的水平切变为0.08 m·s-1·km-1,水平风的垂直切变为10 m·s-1·km-1(表2)。在飞机飞行过程中,以上任意一种指标达到或超过阈值,即可预报会有颠簸产生。值得注意的是,一些颠簸个例同时满足多个阈值条件,但查询其对应的颠簸程度报告后发现,满足条件阈值的数量并不与颠簸的严重程度直接相关,可能是由于在严重颠簸发生时,气象因子对颠簸影响的占比不同,相关结论有待进一步分析。

表1 9次颠簸个例的气象指标数值

表2 9次颠簸个例的气象指标阈值

4 结束语

文章分析了江西省飞机颠簸的统计特征及气象条件,计算了水平风垂直、空间和时间切变,得出以下主要结论:

1)根据江西空中交管局的航空数据,2018—2021年飞机颠簸在高空(7～8 km)发生频次较多,秋冬季发生频率远高于春夏季,07:00—23:00均有颠簸发生,其中20:00发生频次最多,其次是11:00。

2)文章基于ERA5再分析资料和风廓线雷达资料对所选个例进行分析,给出了飞机颠簸发生的主要气象指标及其阈值,即水平风速20 m·s-1,水平风的时间切变 15 m·s- 1·h-1, 水平风的水平切变0.08 m·s-1·km-1,水平风的垂直切变10 m·s-1·km-1。在飞机飞行过程中,以上任意一种指标达到或超过阈值,即可预报会有颠簸产生。

3)需要说明的是,受限于较少的研究样本,文章给出的气象指标阈值虽具有一定的参考意义,但仍需进行更多的验证及完善,后续研究可通过更多的颠簸个例进一步修正,并可通过不同气象指标影响的权重分配得出综合指标的预测阈值,为航空服务提供更加有力的技术支撑。