1. 引言
风是空气的水平流动形成的自然现象，包括风速和风向，人们利用风造福人类，如风帆航行、风力致热和风力发电，风是一种清洁能源，并且是可再生能源；但是当风速大到一定程度，则是人类不可控制的，大风对工农业生产、交通运输及人们生活都造成重大危害，人类只能加强防御，将灾害降到最低。随着民航运输业的快速发展，风对民航运输的影响越来越大，日益引起人们的关注。比如飞机一般会利用风向飞行，逆风起降会增加升力或阻力，缩短飞机起飞或着陆的滑跑距离，获取更好的稳定性和安全性。但是当出现强风、侧风、阵风、旋转风和风切变等时，则严重威胁飞机安全，使飞机不能正常起降。对于大风的破坏性，比较好的考量指标是极大风速(风速 ≥ 17 m/s时段内瞬时风速的最大值)，这是飞机在起降过程中必须考虑的问题。同时与大风相伴的沙尘、雷暴、飑线和强降水等也是对飞机安全造成威胁的重要因素。
国内目前对大风研究比较多的主要集中在西北、东北和内蒙等大风的时空分布特征方面 [1] [2] [3] [4]，对山东特别是济南机场大风的研究较少。济南地处中纬度，属于暖温带大陆性季风气候。济南遥墙机场位于济南的东北方向，地势开阔，大风是最常见的灾害性天气，一年四季均可出现。所以研究济南机场大风的气候规律和特征，对今后提高大风的预报准确率和观测精度、保障飞机的起降安全、提高运行效率有重要意义。
2. 资料来源
利用济南遥墙机场2000~2020年21a基准观测点风的观测资料，应用常规气象统计方法，分析济南机场大风时间分布特征，并对风速、风向、与跑道夹角及伴随灾害天气进行统计分析。根据《民用航空气象地面观测规范》 [5] 标准：以瞬时风速 ≥ 17 m/s作为大风标准，以世界时16时为日界进行统计，一天中有一个或若干个时段风速达到大风标准时，就作为一个大风日。统计得出，21年有64个大风日，共103个时段出现了 ≥ 17 m/s的大风。气象季节划分：春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)、冬季(12月~次年2月)。
3. 大风时间分布特征
3.1. 大风年变化
21a共有64个大风日，平均每年3.0天，最多2011年出现7个大风日，其次2013、2015、2017和2020年每年均出现6个大风日；而2000、2002、2003和2008年没有出现过 ≥ 17 m/s的大风。图1可以看出，大风日数总体呈增加趋势，2010年之前离散度较高，忽多忽少，平均每年1.7个大风日；2010年之后为高发期，平均每年5个大风日。
Figure 1. Annual distribution of strong wind days from 2000 to 2020 (straight line is trend line)
图1. 2000~2020年大风日数逐年分布(直线为趋势线)
3.2. 大风日数的季节、月分布
表1看出，21a中春季出现28个大风日，占总数的43.8%，夏季出现30个大风日，占总日数的46.9%，春夏两季占总日数的90.7%，秋冬季节明显减少，总共6天，占总日数的9.4%，大风主要出现在春夏季节。
Table 1. Seasonal proportion distribution of strong wind days and frequency (%) from 2000 to 2020
表1. 2000~2020年大风日数和频次(%)四季比例分布
图2为2000~2020年大风日数逐月分布，由图2看出，3月份大风日数开始增多，3~8月份是大风高发期，有两个峰值，出现在7月和4月，分别有15个和13个大风日，9月迅速减少，9月~次年2月每月大风日在0~2之间。
3.3. 大风日变化
统计2000~2020年大风出现的时间(UTC)，64个大风日中共有103个时段达到了大风标准，发现大风具有明显的日变化(图3)，主要出现在上午到上半夜，占总数的89.3%；01UTC后开始增多，中午前后到傍晚最集中，01~10 UTC占总数57.3%；16~22 UTC出现次数最少，占10.7%。
Figure 2. Monthly distribution of strong wind days from 2000 to 2020
图2. 2000~2020年大风日数逐月分布
Figure 3. Diurnal variation of strong wind from 2000 to 2020
图3. 2000~2020年大风次数的日变化
3.4. 一天中大风出现次数特征
在64个大风日中，一天内大风出现次数不同，有的只出现一次，有的则连续出现多次，大风持续时间越长、出现次数越多，对飞机影响越大，可造成长时间飞机延误。其中50个大风日均只有一个时段出现了 ≥ 17 m/s的大风，占78.1%；一天内出现大风次数最多的是2018年4月6日01:01~06:04 UTC，5小时03分钟内有 9个时段风速达到大风标准，风速17~20 m/s，风向300˚~340˚，该大风是受强冷空气影响造成的。
大风持续时间最长个例，2019年8月11日，05:08~09:29 UTC，共5小时21分，6个时段风速达到或超过17 m/s，最大20 m/s，风向10˚~50˚，该大风是受台风“利奇马”外围影响造成的。
4. 极大风速分布特征
风速越大，破坏力越大，对飞机安全性威胁也就越大。根据风力等级和风速对照表，13.9~17.1 m/s为7级风，17.2~20.7 m/s为8级风，20.8~24.4 m/s为9级风，24.5~28.4 m/s为10级风。由于民航测风风速精确到个位，本文将17 m/s的风划为7级，18~20 m/s的风为8级，21~24 m/s为9级风。
图4为2000~2020年各极大风速出现次数。可以看出，17~18 m/s风速出现的次数最多共60次，占总次数的58.35%，19 m/s及以上出现次数迅速减少。按风力级别分17 m/s (7级)极大风出现35次占总时次的34.0%，18~20 m/s (8级)的极大风出现44次占总数的42.7%，21~24 m/s (9级)的极大风出现23次占总数的22.3%，25 m/s (10级)的极大风出现一次。7级风次数之所以小于8级风次数，是因为本文只统计了风速17 m/s及以上的样本，14~16 m/s (7级)的样本不在本文统计范围。
Figure 4. Frequency of maximum wind speeds from 2000 to 2020
图4. 2000~2020年不同极大风速出现次数
5. 风向及其与跑道夹角分布特征
风对飞机的影响表现在风速和风向两个方面，其中危险系数最高的就是侧向风，对飞机飞行安全造成严重威胁，遭遇强侧向风时，飞机不能正常起降。
5.1. 年及四季风向特征分析
统计103次大风分布在各个方位(16个方位)的次数，图5为大风年、春、夏季风向次数玫瑰图。
由图5(a)看出，一年中西北风出现次数最多24次，占总次数的23.3%；其次出现次数较多的是北西北风16次和西南风13次，频率分别为15.5%、12.6%；东东北风11次频率10.7%；其它风向出现次数较少。
图5(b)看出，春季共出现大风70次，西北风出现次数最多17次，频率为27.9%；其次是东东北风11次和北西北风10次，频率分别是18.0%和16.4%。
夏季共36次大风(图5(c))，西北风出现次数最多6次，频率为16.7%；其次是西南风5次、东北和北东北风均4次，频率分别是13.9%、11.1和11.1%。
由于秋冬季节大风出现的次数较少，代表性较差，不再分析。
Figure 5. Annual, spring and summer frequency rose chart of strong wind from 2000 to 2020
图5. 2000~2020大风年、春、夏季风向次数玫瑰图
5.2. 风向与跑道夹角的统计特征
当风速相同时，风向与跑道夹角越大，风在与跑道垂直方向上的分量也就越大，对航空器安全威胁就越大。济南机场跑道风向10˚~190˚，那么与跑道一致风向是10˚和190˚的风，夹角为0˚，与跑道垂直风向是100˚和280˚的风，夹角90˚，风向与跑道之间夹角取锐角和直角(0˚~90˚)。表2是极大风风向与跑道夹角α出现次数分布。
Table 2. Distribution of occurrence times of angle α between maximum wind direction and runway (unit: ˚)
表2. 极大风向与跑道夹角α出现次数分布(单位：˚)
由表2看出，风向与跑道之间夹角集中出现在10˚~60˚，与跑道一致的风向出现次数不多，样本中没有与跑道垂直的风向。按夹角大小0˚~30˚、40˚~60˚和70˚~90˚划分，春季夹角在40˚~60˚的极大风出现次数最多29次，频率为47.5%；夏季0˚~30˚夹角极大风出现次数最多24次，占66.7%。全部103个总样本中，0˚~30˚夹角有52次占50.5%，40˚~60˚夹角有37次占35.9%，70˚~90˚夹角14次占13.6%，夹角越大危害越大，正测风是危害最严重的风向，虽然70˚~90˚夹角出现次数较少，但是危险性更大。
6. 大风伴随的天气现象
风出现时常伴随沙尘、雷暴、飑线、冰雹和强降水等危险天气，而这些天气现象同样严重威胁飞机安全。
由表3看出，春季28个大风日中，伴随沙尘天气的有16天，占57.1%；有13天伴随降水，占46.4%；有8天伴雷暴天气，6天伴随飑线，即有50%伴有对流天气。其中3月份5个大风日全部伴有沙尘天气；4月份13个大风日，有8天沙尘2天雷暴4天飑线天气；5月份10个大风日，有沙尘3天雷暴6天飑线2天。从3月到5月，大风日中伴随沙尘天气逐渐减少，雷暴天气逐渐增多，即早春大风日多伴沙尘天气，晚春大风日多伴雷暴。
Table 3. Seasonal proportions of strong wind days and associated weather phenomena from 2000 to 2020
表3. 2000~2020年大风及伴随天气现象日数和频次(%)四季比例分布
夏季30个大风日，其中27天伴随雷暴，占90%，17天伴有飑线，占56.7%，全部伴有降水，出现沙尘天气4天，占13.3%，夏季大风主要有对流天气产生，偶尔也由台风引起，台风大风虽然出现次数少，但持续时间长，出现瞬间极大风的次数多。
秋冬季节极大风日数较少，不再赘述。
7. 影响系统
济南机场大风主要有强冷空气大风、气旋大风、冷空气和气旋结合大风、雷暴大风和台风大风。
春季是由冬到夏的过渡季节，冷暖空气交替频繁，地面气温回升较快，常出现地面气旋，主要有以下4种大风：当有强冷空气影响时可出现偏北大风；蒙古和东北气旋影响时出现偏南大风；气旋后部有冷锋时形成北(西)高南(东)气压形势，气压梯度增大，出现偏北大风；或东部沿海变性高压入海，与气旋结合形成南高北低形势产生偏南大风；春季随着气温回升，对流天气逐渐增多，雷暴大风随之增多。
夏季主要西太平洋副热带高压和大陆热低压控制，当有冷空气南下影响时，常产生强对流天气，出现雷暴大风和降雨。另外，夏季在副热带高压南侧，常有台风生成，影响山东时会带来大风和降雨，台风大风持续的时间较长，出现极大风的次数多。
秋季是大气环流由夏到冬的转换季节，山东逐渐转受极地大陆气团控制，气温明显下降，对流天气减少减弱，由单一冷空气影响产生17 m·s−1及以上的极大风不多。冬季影响济南的天气系统主要是冷锋，冷锋过境时常产生偏北大风，但是达到17 m·s−1的极大风却不多。
大风的日变化主要由太阳辐射造成，白天随着太阳辐射增强，近地层气温迅速升高，能量得到积累，主要有2种形势下容易出现大风：白天冷锋过境，冷锋前空气气温升高气压下降，水平方向冷锋前后温差增大，气压梯度增大，风速即加大；同时垂直方向冷空气下沉暖空气上升，空气上下扰动加强，冷锋大风和扰动风叠加，风速增强。另一种情况，当地面能量积累到一定程度，遇有冷空气、高空槽或局地受热不均匀，均可发生强对流天气，出现雷暴大风。夜里地面不仅没有吸收太阳辐射能量，反而向大气进行长波辐射，所以近地面气温逐渐下降，后半夜降温更明显，即使有冷锋过境，冷锋前后温差减小，气压梯度随之减小，所以同样强度冷空气夜间影响时风速要小于白天；同时，夜间对流趋于减弱。
8. 结论
1) 21a大风呈显著增多趋势，主要出现在春夏两季，以4月和7月为高发期，有明显的日变化，多出现在白天到上半夜。
2) 一天中大风出现次数不同；风速越大次数越少，17~18 m/s风速最多，19 m/s及以上风速迅速减少；西北风发生次数最多占23.3%，与跑道夹角70˚~90˚的风向占13%左右。
3) 伴随的灾害性天气主要为沙尘、雷暴、飑线和强降水，春天沙尘频次最高，夏天雷暴频次最高。
4) 大风主要有冷锋大风、气旋大风、冷锋和气旋结合大风、雷暴大风和台风大风。