1. 引言
地面风是航空气象基本要素之一，对机场飞行活动的影响很大，风向直接影响机场跑道的使用，风速影响飞行的稳定性[1] [2]。当地面风向风速发生突变时，不仅会危及飞行安全，还会增加管制员的工作负荷[3]和潜在安全隐患。厦门机场处我国东南沿海，季风气候特征显著，风有明显季节变化，同时机场处台湾海峡西侧，受特殊地形影响，海陆风效应明显[4] [5]，地面风突变较为频繁，对飞行影响大[3]，胡凯文等[6]对厦门机场地面风突变的特征进行统计学分析，发现厦门机场地面风的突变具有明显的季节和日变化特征；肖志宇等[7]对厦门机场地面风向的年、日变化特征进行了统计分析，发现厦门机场地面风向存在显著日变化特征。
上述研究多是针对厦门机场全年的地面风突变或地面风向变化进行气候特征统计分析，未对秋冬季的地面风速突变进行研究分析，且对造成突变的原因分析较少。王钦等[8]利用广汉机场遥测地面风场资料进行分析发现，广汉机场春季盛行偏北风，飞行训练过程中易受左侧风影响；赵晔等[9]对咸阳机场夏季地面风进行分析，发现咸阳机场夏季地面风的形势风为东北风和西南风；当雷暴过境时，风向风速主要取决于雷暴的来向和强弱。李浩[10]对呼和浩特机场地面风的气候特征进行统计，并对结果进行了原因分析，发现呼和浩特机场冬春季易出现西北地面大风；地面大风出现的天气形势一般为高空槽冷锋型、蒙古气旋型、高压底部型、动量下传大风和雷暴大风。本文通过对厦门机场秋冬季地面风速的突变进行特征分析并对其原因进行初步探究，对于提高厦门机场秋冬季地面风速突变的预报有一定的意义。
2. 资料选取及处理
2.1. 资料选取
本文采用的资料为厦门空管站气象台2019~2024年1~2月、9~12月发布的逐时METAR报和不定时的SPECI报以及气象信息综合分析处理系统MICAPS提供的常规气象观测资料，主要包括高空资料和地面资料。
2.2. 数据处理
结合《民用航空气象预报规范》趋势预报地面风发布标准以及《民用航空气象地面观测规范》地面风SPECI发布标准，本文将厦门机场地面风速突变的统计标准定义为2小时内机场天气报告中的风速变化大于等于5 m/s。又将其细分为A型：风速增加5 m/s及以上及B型：风速减小5 m/s及以上。以每份METAR报或SPECI报风速发生突变记为1次。以9~11月和12~次年2月分别代表秋季和冬季。
3. 地面风速突变特征
3.1. 年际变化
图1为厦门机场2019~2024年秋冬季地面风速突变年际变化，由图1可知，2019~2024年秋冬季厦门机场共发生地面风速突变156次，年平均26次，最多为31次，出现在2021年，最少为18次，出现在2020年，年际变化无明显递增或递减的线性趋势。其中A型105次(年平均17.5次)，占比67.3%，显著多于B型51次(年平均8.5次)，反映秋冬季风速骤增是主要突变形式。A型呈波动上升趋势，B型波动较大，未呈现显著趋势性。
Figure 1. Interannual variation of abrupt surface wind speed changes at Xiamen Airport during the autumns and winters from 2019 to 2024
图1. 厦门机场2019~2024年秋冬季地面风速突变年际变化
3.2. 月分布
图2为厦门机场2019~2024年秋冬季地面风速突变月分布，由图2可知，2019~2024年秋冬季厦门机场地面风速突变呈显著的三峰型月分布，12月为主高峰(36次，占比23.1%)，2月、9月次之(34、33次)，11月、1月并列最低(17次)。A型在整个秋冬季占据主导地位，特别是在10月和11月表现最为突出(10月A型占78.9%，11月占比高达88.2%)。虽然A型在12月和2月也占优势，但这两个月份同时也是B型相对活跃的时期(12月B型占30.6%，2月占35.3%)，使得类型比例差异较其他月份缩小。初秋9月突变总数较高且A、B型较为均衡(18:15)；进入深秋至初冬的10~11月，突变总数减少，A型占据绝对主导；隆冬的12月突变总数达到峰值，A型优势明显；随后的1月突变总数锐减至低点，A、B型比例接近(10:7)；到了冬末的2月，突变总数再次攀升至次高峰，A型占优但B型比例上升。值得注意的是，1月是秋冬季中突变总数最低且类型较为平衡的月份。总体而言，风速突变高度集中于12月、2月和9月，且秋冬季整体以风速骤升为主要特征，但在冬末(12月、2月)风速骤降的发生比例相对升高。
Figure 2. Monthly distribution of abrupt surface wind speed changes at Xiamen Airport during the autumns and winters from 2019 to 2024
图2. 厦门机场2019~2024年秋冬季地面风速突变月分布
3.3. 日变化
图3为厦门机场2019~2024年秋冬季地面风速突变日变化，由图3可知，2019~2024年秋冬季厦门机场地面风速突变呈显著的单峰型日变化特征，风速突变在清晨至上午时段(06~09时)出现爆发性增长，并于07时达到全日最高峰(17次)，08时(16次)紧随其后。午后至前半夜(12~22时)事件发生频率明显下降，仅个别时段(如17、21时)出现小幅回升(8次)。值得注意的是，04~05时和14~15时出现全日最低谷(仅1~3次)，其中05时和15时甚至出现单类型零记录(B型和A型)。这种集中于日出前后的单峰分布，与边界层热力转换过程(如夜间稳定层瓦解、垂直混合增强)密切相关。
A/B型突变呈现昼夜不对称性，其中A型突变(风速骤增)主导日间、B型突变(风速骤减)偏好夜间。A型在06~11时呈现绝对主导地位，尤其07时(16次)占该时段总突变的94%，08时(14次)占88%，09时(11次)占100%。午间后虽有所减弱，但仍在13、17时形成次高峰(5次)。这表明风速增强高度集中于上午至中午，可能关联于日出后热力湍流发展、海风锋触发或天气系统过境的日节律。B型分布相对分散，但在21~01时(峰值00时6次)和03时(6次) 出现小高峰，且01时(4次)成为全夜B型峰值。值得注意的是，09~16时B型近乎消失，凸显其强烈回避日间的特性。这种夜间活跃性可能与辐射冷却导致的低空急流减弱、稳定边界层形成或系统过境后风速自然衰减有关。
总体而言，厦门机场秋冬季风速突变的日变化呈现“清晨爆发、日间主导减弱、夜间次峰缓释”的格局。核心特征体现为：(1) 总突变在07时前后形成绝对高峰；(2) A型突变(增风)高度集中于上午，午后锐减；(3) B型突变(减风)夜间活跃而日间几近消失。这种不对称的日节律强烈暗示两类突变受不同物理机制调控，A型突变更易受日间热力强迫(如海陆风、湍流混合)驱动，而B型突变则与夜间稳定层发展及大尺度系统日变化关联更深。
Figure 3. Diurnal variation of abrupt surface wind speed changes at Xiamen Airport during the autumns and winters from 2019 to 2024
图3. 厦门机场2019~2024年秋冬季地面风速突变日变化
4. 风速突变原因分析
地面风速突变是多种天气系统和局地下垫面因素共同作用的结果，其形成机制复杂，主要表现为中尺度天气系统触发与边界层过程响应的耦合效应[11]。本章节将系统分析地面天气形势、500 hPa短波槽活动、0~5 km垂直风切变、高/低空急流配置及低空逆温强度等关键因子对地面风速突变的贡献机制。
4.1. 地面天气形势
厦门机场秋冬季地面风速突变与特定天气形势密切相关。统计表明(见表1)，风速突变时地面天气形势主要有六种，高压底前部(占比44.4%)是最主要的触发形势，其物理过程表现为冷高压前部与锋前低压之间形成陡峭的气压梯度带，根据地转平衡原理，增强的水平气压梯度力直接驱动持续性强阵风，导致A型突变主导的锋前大风现象。高压前沿低压倒槽形势(占比16.2%)通过高压楔与倒槽间的强气压梯度作用，引发系统过境期间A/B型交替突变，典型特征为风向转折伴随风速剧变。“东低西高”或“南低北高”非对称气压场(占比8.1%)在厦门沿海地形加持下，可产生突发性A型突变。高压系统控制下的形势则主要引发B型突变：高压控制区(占比15.2%)因均压场中湍流活动间歇性增强，造成短暂性阵风衰减；高压底后部(占比12.1%)伴随气压回升与梯度力消散，导致持续性风速骤减，常见于冷空气渗透后期。热带低值系统外围(占比4.0%)因低压环流外围弱梯度特性，多引发局地性辐散减弱型B类突变。
Table 1. Distribution of surface weather patterns on days with abrupt surface wind speed changes at Xiamen Airport during the autumns and winters from 2019 to 2024
表1. 厦门机场2019~2024年秋冬季地面风速突变日的地面天气形势分布
地面天气形势类型 |
占比 |
主要物理过程 |
风速突变特征 |
高压底前部 |
44.4% |
冷高压前部气压梯度陡增 |
A型突变主导(锋前大风) |
高压前沿低压倒槽 |
16.2% |
高压楔与倒槽间形成强气压梯度 |
A/B型交替(系统过境) |
“东低西高”/“南低北高” |
8.1% |
非对称气压场产生强梯度力 |
突发性A型(地形加速) |
高压控制 |
15.2% |
均压场中湍流间歇性增强 |
短暂B型(阵风衰减) |
高压底后部 |
12.1% |
气压回升致梯度减弱 |
持续性B型(风速骤减) |
热带低值系统外围 |
4.0% |
低压环流外围弱梯度区 |
局地性B型(辐散减弱) |
4.2. 500 hPa短波槽动力强迫
短波槽槽前是正涡度平流最强区域，其增强导致气旋性涡度增加，触发高空强辐散[12]。高空强辐散导致地面气压显著下降，从而显著增大地面气压梯度力，驱动地面风速突变。统计厦门机场2019~2024年秋冬季地面风速突变与500 hPa短波槽活动的结果表明(见表2)，在A型突变中，有短波槽活动的天数为33天，占A型突变总天数的约62.3%；B型突变中，有短波槽活动的天数为19天，占B型突变总天数的约63.3%。两类突变中超过六成均伴随500 hPa短波槽活动，表明该系统是影响厦门机场秋冬季地面风速突变的关键因子。A/B型突变中短波槽比例相近，揭示了其双向调控作用：A型突变主要由槽前正涡度平流的增强引发高空辐散，进而导致地面气压显著下降，促使水平气压梯度力增大，最终驱动地面风速跃升。B型突变多与槽后环流调整相关，槽后西北气流引发下沉增温、气压回升，削弱水平气压梯度，同时干冷空气抑制湍流发展，加速风速衰减。
Table 2. Statistics on the relationship between abrupt surface wind speed changes and 500 hPa short-wave trough activities at Xiamen Airport during the autumns and winters from 2019 to 2024
表2. 厦门机场2019~2024年秋冬季地面风速突变与500 hPa短波槽活动统计
风速突变类型 |
有短波槽活动天数 |
无短波槽活动天数 |
风速突变总天数 |
有槽占比 |
A |
33 |
20 |
53 |
62.3% |
B |
19 |
11 |
30 |
63.3% |
总计 |
52 |
31 |
83 |
62.7% |
4.3. 0~5 km垂直风切变动力调制
垂直风切变通过动力强迫(涡度增强)、能量下传(动量输送)等机制，可直接触发地面风速突变[13]。统计厦门机场2019~2024年秋冬季地面风速突变时的0~5 km垂直风切变月分布(见图4)，结果显示：冬季切变强度显著高于秋季，其中1月均值达28.3 m/s (极值36 m/s)，2月均值为22.8 m/s但波动剧烈(−1至35 m/s)，12月均值为19.7 m/s且出现全季最高值33 m/s；秋季初期切变最弱，9月均值仅3.5 m/s (0.8至12 m/s)，10月均值为2.6 m/s且出现极端负值−5 m/s，11月均值升至9.9 m/s (4至16.7 m/s)，体现冷空气增强的过渡特征。各月均值可作为秋冬季突变风险升高的临界指示。这种分异主要受天气系统与局地下垫面共同调控：冬季强切变源于冷锋过境伴随的高空急流增强及地形抬升(如东北风与低空急流耦合)，导致0~5km垂直动量交换加剧；秋季弱切变则因大气层结稳定、逆温层频发抑制垂直混合，而负切变事件(2月−1 m/s、10月−5 m/s)多与暖平流或强逆温相关。
Figure 4. Monthly distribution of 0~5 km vertical wind shear on days with abrupt surface wind speed changes at Xiamen Airport during the autumns and winters from 2019 to 2024
图4. 厦门机场2019~2024年秋冬季地面风速突变日的0~5 km垂直风切变月分布
4.4. 高低空急流配置
2019~2024年厦门机场秋冬季高低空急流活动及其与地面风速突变的关联特征如表3所示，高空急流(200 hPa风速≥30 m/s)在冬季出现频率显著高于秋季，其中12、1月每次突变均存在，2月出现率93.8%，秋季高空急流活动微弱，9月全月无记录，10月仅一个过程出现，11月出现率54.5%。低空急流(700 hPa及以下风速≥12 m/s)则起重要调制作用，当高空与低空急流共存时，双急流结构增强垂直风切变和动量下传效率，A型突变概率为主导(例如12月、2月)，若高空急流出口区叠加低空急流核，垂直切变剧增，A/B型突变同一天出现的概率显著增加；而高空急流单独存在时，因急流轴下方下沉增温抑制垂直混合，近地层动量支撑不足或下传效率降低，B型突变比例上升(例如1月、2月)。秋季为低空急流单独活跃期，其脉动通过湍流下传直接增强近地面风，A型突变仍为主导；9月无急流时，局地海陆风转换导致A/B型突变同一天出现占比37.5%，体现无急流背景下边界层过程的独立作用。值得注意的是，12月高空急流极强(均值46.5 m/s)但低空急流减弱时，A型突变仍占主导(37.5%)，可能与强冷平流破坏逆温层促使动量下传有关。
Table 3. Statistics on the relationship between abrupt surface wind speed changes and the configuration of upper- and lower-level jets at Xiamen Airport during the autumns and winters from 2019 to 2024
表3. 厦门机场2019~2024年秋冬季地面风速突变与高低空急流配置统计
急流 |
1月 |
2月 |
9月 |
10月 |
11月 |
12月 |
有高空有低空 |
A: 33.3% B: 33.3% |
A: 31.3% B: 18.8% A/B: 12.5% |
|
|
A: 27.3% B: 9.1% |
A: 31.3% B: 6.3% A/B: 18.8% |
有高空无低空 |
A: 16.7% B: 17.7% |
A: 18.8% B: 12.5% |
|
A: 6.7% |
A: 18.2% |
A: 37.5% A/B: 6.3% |
无高空有低空 |
|
A: 6.3% |
A: 25.0% B: 12.5% |
A: 46.7% B: 20.0% |
A: 36.4% |
|
无高空无低空 |
|
|
A: 12.5% B: 12.5% A/B: 37.5% |
A: 26.7% |
B: 9.1% |
|
4.5. 低空逆温的热力调控
基于2019~2024年厦门机场秋冬季风速突变事件与700 hPa以下最大逆温强度的对应数据分析(见表4)，冬季逆温强度整体高于秋季，逆温强度与突变类型存在显著的月际关联性。强逆温(≥3℃)主要发生在2月、12月，均以A型突变为主导，但12月A/B型同一天出现的概率增加。中等逆温(1℃~3℃)主要发生在11~12月，多以A型突变为主导，反映中等强度逆温对湍流发展的阶段性抑制可能加剧风速跃升。弱逆温(≤1℃/km)或无逆温时边界层动量交换效率增强，主要发生在9~11月，A型和B型均有肯可能发生且B型比重较其他月份显著增加，但A型比重仍较大，除热力层结外，动力因子(如锋面过境或气压梯度突变)在弱逆温环境中对风速剧变可能起主导作用。整体而言，强逆温与冬季A型突变密切关联，而弱逆温条件下秋冬季均可能触发显著风速波动。
Table 4. Statistics on the relationship between abrupt surface wind speed changes and the maximum inversion intensity below 700 hPa at Xiamen Airport during the autumns and winters from 2019 to 2024
表4. 厦门机场2019~2024年秋冬季地面风速突变与700 hPa以下最大逆温强度统计
逆温强度/℃ |
1月 |
2月 |
9月 |
10月 |
11月 |
12月 |
≥3 |
A: 16.7% |
A: 50% B: 12.5% |
B: 6.3% A/B: 12.5% |
A: 13.3% B: 13.3% |
A: 9.1% |
A: 18.8% B: 6.3% A/B: 18.8% |
1~3 |
A: 16.7% B: 33.3% |
A: 6.3% B: 18.8% |
A: 12.5% |
A: 26.7% |
A: 36.4% B: 9.1% |
A: 43.8% A/B: 6.3% |
≤1或无 |
A: 16.7% B: 16.7% |
AB: 12.5% |
A: 25.0% B: 18.8% A/B: 25.0% |
A: 33.3% B: 13.3% |
A: 36.4% B: 9.1% |
A: 6.3% |
5. 结论
本文通过统计厦门机场2019~2024年秋冬季地面风速突变事件，系统揭示了其时空分布规律及物理成因，主要结论如下：
(1) 突变特征方面：秋冬季年均突变26次，A型(风速骤增)占主导(67.3%)。月分布呈三峰型，12月峰值(36次)最显著，2月与9月次之；日变化集中于清晨(06~09时)，07时达全日高峰(17次)。A型突变高度关联日间热力过程，B型突变则与夜间稳定层发展密切相关。
(2) 成因机制方面：地面高压底前部(44.4%)与500 hPa短波槽(62.7%)是主要触发系统，通过增强气压梯度驱动A型突变；地面高压控制区及后部则易引发B型突变。冬季0~5 km垂直风切变显著强于秋季(1月均值28.3 m/s)，其与高低空急流协同(如12月双急流)可高效下传动量，导致A型突变；而高空急流单独存在时易诱发B型突变。强逆温(≥3℃)在冬季(12月、2月)促进A型突变，中等逆温(1℃~3℃)在11~12月多以A型突变为主导，反映逆温对湍流发展的阶段性抑制可能加剧风速跃升；弱逆温或无逆温主要发生在9~11月，边界层动量交换效率增强，A型和B型均有肯可能发生且B型比重较其他月份显著增加，但A型比重仍较大，除热力层结外，动力因子(如锋面过境或气压梯度突变)在弱逆温环境中对风速剧变可能起主导作用。
(3) 预报启示：针对秋冬季风速突变，需重点关注12月清晨高压系统与短波槽活动，结合垂直风切变及逆温强度研判突变类型，为航空气象服务提供理论依据。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。