摘要: 为进一步提升乌鲁木齐机场东南大风天气的预报能力，本文利用2014~2024年机场的METAR和SPECI天气报告资料，系统分析了近11年机场东南大风的年际变化、月变化、日变化、开始与结束时间及持续时间等时间特征。结果表明：机场东南大风的年际上呈显著下降趋势，且2019年后风力强度明显减弱；月际分布呈“春多秋次、冬夏罕见”的典型特征，春季(尤其4月)发生频率最高，且出现时风力整体强于其余季节；日变化呈单峰型，11时前后最多，19时前后最少；过程持续时间多在2~5小时，大风持续时间多在2小时以内，且持续时间一旦超过5 h，则持续超过8小时的可能性极大；开始出现时间与持续时间的关系复杂多变，但凌晨00~04时和上午08~12时更容易出现超过15小时的过程，20~次日08时出现的大风持续时间有一定概率超过8小时。
Abstract: To further enhance the prediction capability for southeasterly gales at Urumqi Airport, this study employed METAR and SPECI weather observation data from 2014 to 2024 to conduct a systematic analysis of the temporal characteristics of these events. The analysis encompassed interannual variation, monthly distribution, diurnal variation, as well as start time, end time, and duration. The results indicated a significant interannual decreasing trend in the occurrence of southeasterly gales, with a notable attenuation in intensity after 2019. The monthly distribution exhibited a typical pattern characterized as “most prevalent in spring, less common in autumn, and rare in winter and summer.” These winds occurred most frequently in spring (especially in April), and the wind force during spring events was generally stronger than in other seasons. A distinct single-peak pattern was observed in the diurnal cycle, with the frequency peaking around 11:00 LT and reaching its lowest point around 19:00 LT. The duration of wind events mostly ranged from 2 to 5 hours, with the period of gale-force winds often lasting less than 2 hours. However, once the duration exceeded 5 hours, it was highly likely to persist for more than 8 hours. The relationship between the start time and duration was complex and variable. Nevertheless, events initiated between 00:00~04:00 LT and 08:00~12:00 LT were more susceptible to lasting over 15 hours, while those occurring between 20:00 LT and 08:00 LT the next day had a significantly higher probability of exceeding 8 hours in duration.
1. 引言
乌鲁木齐天山国际机场(以下简称“乌鲁木齐机场”)是我国西北地区重要的航空枢纽和空中门户，不仅承担国内东西部航线中转功能，更是连接中国与中亚、西亚、欧洲的“空中丝绸之路”核心节点，年旅客吞吐量超2000万人次，航班日均起降架次超500架次。机场地处天山北麓准噶尔盆地南缘，其独特的地理位置和复杂的地形条件使其气象要素分布具有显著特征，而东南大风正是由于特殊地形引起，是影响乌鲁木齐机场安全运行的主要天气现象之一。乌鲁木齐机场跑道为07/25和08/26方向，与东南大风的风向近乎垂直，根据民用航空空中交通管理规则，当使用干跑道和洁净跑道时，侧风分量风速不得大于10 m/s，当侧风超过10 m/s时，管制部门将提醒机组跑道侧风可能超标，机组根据航空公司要求和机型抗侧风能力做好相关准备[1]。当东南大风出现时，常常伴有持续超过10 m/s的侧风，有时甚至超过15 m/s。与此同时，由于东南大风发生时，其阵性非常明显，往往伴随较强的低空风切变和颠簸，对航班正常运行构成较大威胁[2] [3]。
国内学者对乌鲁木齐区域性东南大风天气已开展较全面的研究，从区域性东南大风的环流形势、动量及能量演变、对大气环境的影响、数值预报的作用等全面阐述了其形成机制、造成的影响及预报方法[4]-[7]。在航空气象方面，乌鲁木齐机场气象学者也对机场出现的东南大风从气候统计、天气成因、数值模拟、新探测资料应用、东南大风预报以及对飞行的影响等多个方面做了大量研究[8]-[16]，这些研究成果为认识乌鲁木齐机场东南大风的形成机制、东南大风的监视和告警、东南大风的预报等提供了科学依据。然而，针对乌鲁木齐机场东南大风近10年来基于长时间序列的系统性时间特征分析相对缺乏，大风过程的起止时间、持续时间等关键时间预报要素特征的研究还需深入。
因此，本文利用2014~2024年乌鲁木齐机场的METAR和SPECI天气报告资料，系统性分析近11年来机场东南大风过程的年际变化、月际分布、日变化特征、开始时间及持续时间等要素，旨在揭示其时间统计特征和演变规律，为机场东南大风天气的预报预警和航空气象服务提供科学依据。
2. 资料与方法
本文所使用的数据为2014年1月1日~2024年12月31日(所用时间均为北京时间)乌鲁木齐机场发布的机场天气实况报告，包括例行天气报告METAR (Meteorological Terminal Aviation Routine Weather Report)和特殊天气报告SPECI (Aerodrome Special Report)两类。由于乌鲁木齐机场跑道方向为07/25，当跑道出现正侧风超过10 m/s时，可能会对跑道起降的航空器造成影响，因而根据乌鲁木齐机场跑道方向分布及其侧风的影响，定义乌鲁木齐机场东南大风需满足的条件为：(1) 风向范围110~180˚；(2) 实况天气报告中平均风速 ≥ 12 m/s；(3) 若条件(2)不能满足，则实况天气报告中阵风风速 ≥ 17 m/s。以上判断标准中，条件(1)必须满足，(2) (3)满足一项即可。在统计过程中，若某一时刻的风向风速达到东南大风定义标准，则从平均风速 ≥ 10 m/s或阵风风速 ≥ 15 m/s (满足一项即可)开始记录为一个东南大风过程，直至连续2小时以上风向不满足条件(1)或平均风速 < 10 m/s及阵风风速 < 15 m/s。
3. 乌鲁木齐机场东南大风的时间特征
3.1. 年际变化特征
Figure 1. Interannual trends and Mann-Kendall test results for (a) the frequency of southeasterly gale events; (b) event duration; (c) gale days, along with (d) the interannual variation of maximum sustained wind speed and gust wind speed during these events
图1. (a)东南大风过程出现次数；(b) 过程及(c) 大风日数的年际变化趋势及M-K检验结果及(d) 过程中最大平均风速及阵风风速年际变化
2014~2024年乌鲁木齐机场共出现东南大风过程31次，除2024年外，其余各年均出现东南大风过程，年平均过程数为2~3次。图1为乌鲁木齐机场东南大风过程次数、过程及大风日数的年际变化趋势及东南大风过程中最大平均风速和阵风风速的年际变化，利用Mann-Kendall检验(以下简称M-K检验)分析了东南大风过程、过程日数、大风日数的年际变化趋势。如图1(a)所示，乌鲁木齐机场东南大风过程在2014年后呈显著减少趋势，减少幅度约0.43次/年，该结果通过了信度0.01的显著性检验(M-K检验的p = 0.006)。从逐年数据来看，2018年东南大风过程多发，共出现5次过程，2019年迅速减少到1次，2020年上升到3次，之后又呈减少趋势。可见，除2018年外，近10年来乌鲁木齐机场东南大风过程出现次数呈现显著的下降趋势，2018年前的下降幅度较2020年后的下降幅度大。从过程出现的日数及达到大风级别的日数来看(图1(b)、图1(c))，其年际变化趋势与过程出现次数的年际变化趋势基本一致，过程日数的M-K检验p = 0.058，接近信度0.05的检验水平，其减少趋势约0.38天/年，而大风日数的p = 0.034，通过了信度0.05的显著性检验，其减少趋势约0.42年/天，表明大风日数的年际减少趋势较过程日数更大。而从东南大风过程中最大平均风速和阵风风速的年际变化来看(图1(d))，2019年前东南大风过程中最大平均风速基本维持在15~20 m/s，2019年后基本维持在12~15 m/s；最大阵风风速在2019年前和后也有明显的变化，2019年前最大阵风风速基本维持在20~28 m/s，而2019年后，除2022年达到24 m/s外，其他年份基本维持在18~20 m/s。可见2019年前乌鲁木齐机场东南大风过程中最大平均风速和阵风风速整体强于2019年后。
3.2. 月变化特征
Figure 2. Monthly variations and Chi-square test results for (a) the frequency of southeasterly gale events; (b) event duration; (c) gale days, along with (d) the monthly changes in maximum sustained wind speed and gust wind speed during these events
图2. (a) 东南大风过程出现次数；(b) 过程及(c) 大风日数的月变化及卡方检验结果；(d) 过程中最大平均风速及阵风风速月变化
图2为乌鲁木齐机场东南大风过程出现次数、过程及大风日数、过程中最大平均风速及阵风风速月变化，利用卡方检验分析了东南大风过程次数、过程日数、大风日数的月变化差异。如图2(a)~(c)表明，东南大风过程的次数、过程日数、大风日数在不同月份之间存在极其显著的差异，均通过了信度0.01的显著性检验(p < 0.01)，这表明乌鲁木齐机场东南大风发生具有明显的季节性规律。由图2(a)可见，乌鲁木齐机场东南大风过程具有显著的月变化，主要出现在春秋两季，尤其以春季最多，冬夏季节少见。春季3~5月是东南大风过程的高发月份，尤其在4月份达10次以上，为全年东南大风过程最多的月份。秋季9~11月东南大风过程较春季少，但从9月出现后，过程次数呈逐月上升趋势。夏季也偶有东南大风过程出现，近10年来主要集中在7月，出现了2次过程，6月、8月则没有出现东南大风过程。冬季12~次年2月东南大风过程极少出现，近10年来仅2月出现1次。从东南大风过程的日数和过程中大风出现的日数的月季分布来看(图2(b))，过程日数和大风日数的月季变化与东南大风过程出现次数的月季变化分布一致，即春季多发，秋季次之，夏季偶发，冬季则极少出现。从东南大风过程中最大平均风速和阵风风速的月季分布来看(图2(c))，3月和11月的最大平均风速和阵风风速最大，最大平均风速达到20 m/s，最大阵风风速达到27 m/s，春季的最大平均风速和阵风风速整体较其余季节更大，夏季的最大平均风速和阵风风速最小。
3.3. 日变化特征
Figure 3. Diurnal distribution and Chi-square test results of (a) the frequency of southeasterly gale events and (b) gale occurrences
图3. (a) 东南大风过程次数；(b) 大风次数的日变化分布及卡方检验结果
图3为乌鲁木齐机场东南大风过程次数、大风次数的日变化分布，利用卡方检验分析了东南大风的过程次数和大风次数的日变化差异。如图3所示，由于过程统计对风速的要求比大风统计要小2 m/s，因而过程次数普遍比大风统计的次数多3~7次，从卡方检验结果上看，过程次数和大风次数在日变化上均有显著差异，过程次数的日变化差异通过信度0.05的显著性检验，且接近信度0.01的显著性检验(p = 0.017)，大风次数的日变化差异通过信度0.01的显著性检验(p = 0.001)，可见大风次数的日变化差异比过程次数的日变化差异更为显著。单从日变化演变趋势来看，过程次数和大风次数的日变化演变趋势基本一致，且日变化非常显著，均呈现显著的单峰型分布，即从23时后，过程次数、大风次数均呈上升趋势，次日11~12时次数达到最多，此后呈现快速下降趋势，19时前后达到最低。从00~11时，虽然次数整体呈上升趋势，但也存在较明显的波动，在03时为显著波峰，09时为显著波谷，而大风在07时有一个与03时相当的波峰。由此可见，乌鲁木齐机场的东南大风过程和大风次数在11时前后最多，过程次数在03时前后次之，大风次数在03时、07时次之，过程和大风次数在19时前后最少，09时前后次之。
3.4. 开始时间与持续时间的关系
图4为乌鲁木齐机场东南大风过程和大风持续时间次数分布及过程、大风持续时间与开始时间的关系。如图4(a)所示，乌鲁木齐机场东南大风过程的持续时间基本在5小时内，尤其是2~5小时出现了13次，但一旦持续时间超过5小时，东南大风过程往往能够持续到8小时以上，甚至持续至15小时以上的也不少。而达到大风级别的持续时间则随持续时间呈显著的下降趋势，大部分大风持续时间小于2小时，共出现了15次，其次是2~5小时，出现了9次，大风一旦持续时间超过5小时，则其持续时间往往能够超过8小时，甚至持续至15小时以上，但超过8小时的大风占少数。
Figure 4. (a) Duration distribution of southeasterly gale events and gale-level occurrences at Urumqi Airport, and the relationship between (b) event/(c) gale duration and start time
图4. 乌鲁木齐机场(a) 东南大风过程、达到大风级别的持续时间次数分布及(b) 过程和(c) 大风持续时间和东南大风开始时间关系
从东南大风过程持续时间与开始时间的关系(图4(b))来看，各个开始时段其持续时间绝大部分都在10小时内。具体而言，开始出现时间在20~次日00时的东南大风过程，其持续时间基本在2小时以上，但基本不超过10小时，偶有持续时间超过15小时的过程；开始出现时间在00~04时的东南大风过程，其持续时间相对较为分散，从20分钟到小时不等，但在2~10小时较为集中，中位数约5小时，该时段持续时间复杂多变，对东南大风的预报来说具有较大的挑战；开始出现时间在04~08时的东南大风过程，其持续时间集中在5小时以内，极少出现超过5小时的过程；开始出现时间在08~12时的东南大风过程，其持续时间多在3~6小时，有概率出现超过15小时的东南大风过程，在12~20时之间没有东南大风过程开始出现的过程。
从东南大风过程中达到大风级别的持续时间与大风开始时间的关系(图4(c))来看，开始出现时间在20~次日00时的大风较少，但其持续时间可能较长，有1次持续时间超过15小时；开始出现时间在00~04时的大风，其持续时间多数在5小时内，其中位数约在2小时，但极可能出现持续时间超过8小时的大风；开始出现时间在04~08时的大风，出现持续时间超过8小时和持续时间小于5小时的大风约各占一半，此时段内大风的持续时间复杂多变，中位数约2小时，可见此时段内出现的东南大风要么时间很长，要么就几个小时结束，给实际气象预报业务带来一定的挑战；开始出现时间在08~12时的大风，其持续时间绝大部分在2小时以内，有部分持续时间在2~8小时，出现持续时间超过8小时的大风概率极小；12~20时开始出现的大风次数较少，出现后其持续时间小于2小时。
4. 结论
通过对2014~2024年乌鲁木齐机场实况进行统计分析，得到乌鲁木齐机场东南大风的年际变化、月变化、日变化、开始时间和持续时间等时间特征，结论如下：
(1) 东南大风出现的次数、大风日数的年际变化显著，整体呈现逐年显著的下降趋势，2018年前下降幅度较2020年后大0~1次。东南大风过程中最大平均风速和阵风风速在2019年后有所减小，即2019年后出现的东南大风在风力强度上较2019年前有明显的减弱趋势。
(2) 东南大风过程主要出现在春季，尤其是4月份最多，其次是秋季，其余季节均较少出现。春季出现的东南大风过程最大平均风速和阵风风速整体较其余季节更大(11月除外)，夏季出现的最大平均风速和阵风风速最小。
(3) 东南大风过程和大风次数呈现显著的日变化，凌晨至上午迅速增多，上午11时前后最多，午后开始减少，傍晚19时前后最少。
(4) 东南大风过程和大风的持续时间有一定的差异，过程的持续时间基本集中在5小时内，尤其在2~5小时，而大风的持续时间基本集中在2小时以内，其次是2~5小时，无论是过程还是大风的持续时间一旦超过5小时，则大风基本能够持续8小时以上。
(5) 东南大风过程和大风的开始出现时间与持续时间的关系复杂多变，总体而言，00~04时、08~12时更容易出现超过15小时的东南大风过程，04~12时开始出现的东南大风过程其持续时间则主要集中在2~5小时；00~04时、08~12时开始出现的大风其持续时间集中在小于2小时，20~次日04时开始出现的大风的持续时间有较低概率超过15小时，04~08时出现的大风其持续时间有一定概率超过8小时。
基金项目
民航新疆空中交通管理局科技项目《乌鲁木齐东南大风天气的航空气象预报与服务研究》。