摘 ?要：颮嚴(yán)重影響航空安全，民航地面氣象觀測中颮與天氣學(xué)中定義不同，是一種僅與瞬時風(fēng)速有關(guān)的天氣現(xiàn)象。本文結(jié)合三次雷暴大風(fēng)、颮線過程數(shù)據(jù)分析總結(jié)了颮報(bào)告的3點(diǎn)要求。在對颮過程瞬時風(fēng)速突然增大的突變檢驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用滑動t檢驗(yàn)法取n1=n2=1分鐘序列長度時，對瞬時風(fēng)速的突然增大變化都有很好的檢驗(yàn)效果。由于颮的觀測與監(jiān)視容易出現(xiàn)“錯忘漏”現(xiàn)象，本文分析總結(jié)了颮的自動監(jiān)視和判斷流程，并給出了流程圖。

關(guān)鍵詞：颮;瞬時風(fēng)速;突變

中圖分類號：TN102 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）17-0098-06

Abstract：Squall seriously affects aviation safety. The definition of squall in civil aviation ground meteorological observation is different from that in synoptic science. It is a weather phenomenon only related to instantaneous wind speed. In this paper，three requirements for squall reporting are summarized based on data analysis of three thunderstorms，gales and squall line processes. In the sudden increase of instantaneous wind speed in squall process，it is found that the sliding t test has a good effect on the sudden increase of instantaneous wind speed when the sequence length of n1=n2=1 minute is taken. Because squall observation and surveillance are prone to “errors and omissions”，this paper summarizes the process of automatic squall surveillance and judgment，and gives the flow chart.

Keywords：squall;instantaneous wind speed;sudden change

0 ?引 ?言

颮發(fā)生時破壞力大，嚴(yán)重影響航空安全，會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。在氣象學(xué)的定義中，颮線是指帶狀的雷暴群所構(gòu)成的風(fēng)向、風(fēng)速突變的一種中至小尺度的強(qiáng)對流天氣，通常伴隨或先于冷鋒出現(xiàn)。而在民航地面氣象觀測規(guī)范中，“颮”的定義與氣象學(xué)中颮線的定義不同：當(dāng)觀測到的瞬時風(fēng)速急劇增大了至少8m/s，且增大后瞬時風(fēng)速達(dá)到11m/s或以上，并至少維持一分鐘時，應(yīng)當(dāng)使用簡語SQ編報(bào)颮。由此可見，民航地面氣象觀測中報(bào)告的“颮”實(shí)際上是一種只與風(fēng)有關(guān)的天氣現(xiàn)象，當(dāng)風(fēng)達(dá)到規(guī)范中“颮”定義的相關(guān)要求，即可報(bào)告颮。

在觀測颮時，需要時刻留意瞬時風(fēng)速的變化。由于颮是一種天氣現(xiàn)象，因此對于機(jī)場自動觀測系統(tǒng)內(nèi)所有測風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)速都要進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)視，只要有一個點(diǎn)的風(fēng)達(dá)到了颮的定義即要報(bào)告颮。尤其對于多跑道機(jī)場而言，颮觀測的工作量是相當(dāng)大的，且通常在颮發(fā)生時與之相伴的天氣現(xiàn)象也相對惡劣，此時觀測工作容易出現(xiàn)“錯忘漏”，會對航空安全造成一定的影響。

目前國內(nèi)外民航業(yè)對氣象學(xué)中颮線的研究已經(jīng)較為深入，但是對民航氣象中颮的研究卻仍較少[1-5]，因此，本文利用2014年5月廣州白云機(jī)場3次雷暴大風(fēng)、颮線過程分析研究颮的觀測與報(bào)告，分解達(dá)到報(bào)告颮條件的風(fēng)的相關(guān)要求，并為實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)控、提醒報(bào)告颮奠定基礎(chǔ)。

1 ?數(shù)據(jù)來源

2014年5月17日、18日、25日，廣州白云機(jī)場出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)、颮線天氣。本文利用此三次雷暴大風(fēng)、颮線過境過程風(fēng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行颮的分析，所用瞬時風(fēng)速均來源于自動觀測系統(tǒng)存儲的歷史數(shù)據(jù)。圖1為2014年5月17日16：27：47—16：37：44（北京時）、18日18：28：44—18：38：41（北京時）、25日19：03：43—19：13：40（北京時）此三次雷暴大風(fēng)、颮線過境時10分鐘內(nèi)（每3秒1個數(shù)據(jù)，1分鐘20個數(shù)據(jù)，共200個數(shù)據(jù)）的瞬時風(fēng)速變化。

由圖1可見，在此3次雷暴大風(fēng)、颮線過境時，風(fēng)速都在10分鐘內(nèi)發(fā)生突變。

在民航地面氣象觀測中，例行觀測時間為10分鐘，在電碼報(bào)文中所使用的風(fēng)也為10分鐘的平均風(fēng)值;且颮線天氣過境時地面風(fēng)向突變、風(fēng)速劇增，風(fēng)的變化都發(fā)生在很短時間內(nèi)，若觀測颮的時間定得過長，風(fēng)速在此時間段內(nèi)較緩慢增大也可達(dá)到到颮的報(bào)告要求，在這種情況下報(bào)告的颮實(shí)則對民航安全影響并不大，夸大了天氣惡劣程度，在一定程度上降低了機(jī)場和航空公司運(yùn)行效率。若颮的觀測時間過短，那么發(fā)生在此時間段內(nèi)的颮天氣則較少，縮小了惡劣天氣的報(bào)告范圍，且會導(dǎo)致觀測員容易來不及做出反應(yīng)而出現(xiàn)“錯忘漏”的現(xiàn)象。因此將研究颮的時間長度定為10分鐘是較為合適的，下文也以10分鐘為時間長度進(jìn)行研究。

2 ?颮的觀測與判斷

2.1 ?颮報(bào)告要求分析

觀測規(guī)范中對颮的定義意味著報(bào)告颮時應(yīng)達(dá)到以下幾點(diǎn)要求：（1）瞬時風(fēng)速增大至少8m/s。此處由于本文對于颮的觀測時距定為10分鐘，此要求即為10分鐘內(nèi)至少有一個瞬時風(fēng)速比10分鐘內(nèi)的最小瞬時風(fēng)速大至少8m/s。（2）增大后的瞬時風(fēng)速達(dá)到11m/s或以上，并至少維持一分鐘。即在10分鐘內(nèi)比最小瞬時風(fēng)速大至少8m/s的瞬時風(fēng)速要大于或等于11m/s，且從達(dá)到該瞬時風(fēng)速開始算起的一分鐘（或大于一分鐘）內(nèi)所有瞬時風(fēng)速都大于等于11m/s。（3）瞬時風(fēng)速的變化是急劇增大的。此處所指的“急劇”增大只是一個定性的定義，因此本文利用突變檢驗(yàn)的研究方法尋找能定量判斷瞬時風(fēng)速“急劇”增大的方式。

2.2 ?利用3次雷雨大風(fēng)、颮線過程分析颮的報(bào)告

2.2.1 ?瞬時風(fēng)速特征分析

下面本文對2014年5月的三次雷暴大風(fēng)、颮線過程逐步對以上三點(diǎn)進(jìn)行分析。

如圖1所示，17日16：27：47—16：37：44（北京時）中，瞬時風(fēng)速最小值為2.9m/s，16：36：47（北京時）瞬時風(fēng)速值為16.9m/s，增大的風(fēng)速值大于8m/s，此后一分鐘內(nèi)瞬時風(fēng)速均大于11m/s;18日18：28：44—18：38：41（北京時）中，瞬時風(fēng)速最小值為0.7m/s，18：37：44（北京時）瞬時風(fēng)速值為11.1m/s，增大的風(fēng)速值大于8m/s，此后一分鐘內(nèi)瞬時風(fēng)速均大于11m/s;25日19：03：43—19：13：40（北京時）中，瞬時風(fēng)速最小值為2.1m/s，19：12：43（北京時）瞬時風(fēng)速值為12.2m/s，增大風(fēng)速值大于8m/s，此后一分鐘內(nèi)瞬時風(fēng)速均大于11m/s。由此可見，此三次過程均滿足颮報(bào)告中的第1、2點(diǎn)。

2.2.2 ?風(fēng)速突變分析

對于一個時間序列值檢驗(yàn)轉(zhuǎn)折突變的常用方法為滑動t檢驗(yàn)法（MTT）[6]，下面本文運(yùn)用此方法對這3次過程的風(fēng)速進(jìn)行突變檢驗(yàn)，尋求能夠識別和判斷風(fēng)速突變的方法，為颮的自動監(jiān)視提供基礎(chǔ)。

在氣象學(xué)中，常用滑動t檢驗(yàn)法檢驗(yàn)兩隨機(jī)樣本平均值的顯著性差異。這種方法是先設(shè)置某一時刻為基準(zhǔn)點(diǎn)，然后人為選取基準(zhǔn)點(diǎn)前后兩個子序列x1和x2，其樣本長度分別為n1和n2。若兩段子序列的均值差異超過了一定的顯著水平，則認(rèn)為均值發(fā)生了質(zhì)變，有突變發(fā)生。

由于子序列時段的選擇帶有人為性，為避免子序列長度造成的突變點(diǎn)的漂移，本文分別選取n1=n2=5（兩個子序列各15s）、n1=n2=10（兩個子序列各30s）、n1=n2=20（兩個子序列各60s）、n1=n2=40（兩個子序列各120s）分別進(jìn)行比較。給定顯著性水平α=0.01，查t分布的tα值，若|t|0則有相反的結(jié)論。

2.2.2.1 ?5月17日颮線過程風(fēng)速突變分析

如圖2所示是5月17日瞬時風(fēng)速序列n1=n2=5、n1=n2=10、n1=n2=20、n1=n2=40時計(jì)算的t滑動統(tǒng)計(jì)量序列圖。按t分布的自由度υ=n1+n2-2，t0.01分別為±3.36、±2.88、±2.70、±2.65，在圖2（a）—圖2（d）中分別用虛線表示，若|t|>t0.01，則認(rèn)為瞬時風(fēng)速發(fā)生了突變。

由圖2所示，對于17日颮線過程瞬時風(fēng)速10分鐘的滑動t檢驗(yàn)，當(dāng)取n1=n2=5時，由于僅對比基準(zhǔn)點(diǎn)前后15秒的瞬時風(fēng)速，瞬時風(fēng)速變化中微小的波動也會被檢驗(yàn)出較為明顯的變化，尤其當(dāng)瞬時風(fēng)速較小時，瞬時風(fēng)速中的微小變化會被較大地放大;當(dāng)取n1=n2=10時，對于瞬時風(fēng)速中的微小波動可以過濾掉一些，但仍沒有較好的效果;當(dāng)取n1=n2=20時，基本可過濾瞬時風(fēng)速中的微小波動，數(shù)據(jù)顯示從時間序列為120時刻開始有風(fēng)速的明顯突變;由于t<0，證明其后的瞬時風(fēng)速是一個明顯增大的過程，當(dāng)取n1=n2=40時，由于所取子序列長度較大，此10分鐘數(shù)列前后兩分鐘沒有t檢驗(yàn)結(jié)果，且圖2（d）中顯示的突變時間有較大的提前，檢驗(yàn)結(jié)果不理想。

2.2.2.2 ?5月18日颮線過程風(fēng)速突變分析

圖3給出5月18日瞬時風(fēng)速序列計(jì)算的t滑動統(tǒng)計(jì)量序列圖，圖中n的取值與圖2中一致。

由圖3所示，對于18日瞬時風(fēng)速的滑動t檢驗(yàn)結(jié)果與17日類似：當(dāng)n1=n2=5、n1=n2=10時，滑動t檢驗(yàn)對瞬時風(fēng)速中微小波動的變化表現(xiàn)得較為明顯，尤其在瞬時風(fēng)速較小時則會把微小變化放大;當(dāng)n1=n2=20時，檢驗(yàn)結(jié)果較理想;當(dāng)n1=n2=40時，雖然可基本過濾瞬時風(fēng)速中的微小變化，但是檢驗(yàn)出的開始突變的時間會有大致2分鐘的提前。

2.2.2.3 ?5月25日颮線過程風(fēng)速突變分析

圖4給出5月25日瞬時風(fēng)速序列計(jì)算的t滑動統(tǒng)計(jì)量序列圖，圖中n的取值與圖2、圖3中一致。

由圖4可見，對于5月25日雷暴大風(fēng)過程瞬時風(fēng)速的滑動t檢驗(yàn)結(jié)果與圖2、圖3一致，仍為當(dāng)n1=n2=20時對于瞬時風(fēng)速的突變檢驗(yàn)有較好的效果。

由圖2—圖4綜合分析可得：用滑動t檢驗(yàn)的方法來檢驗(yàn)瞬時風(fēng)速的突變能檢驗(yàn)出瞬時風(fēng)速序列中明顯的變化，當(dāng)取n1=n2=20時，即取基準(zhǔn)點(diǎn)前后一分鐘的瞬時風(fēng)速子序列進(jìn)行滑動檢驗(yàn)不僅能過濾瞬時風(fēng)速的微小變化，還能對風(fēng)速明顯的突然變化有很好的檢驗(yàn)效果，當(dāng)t<0且|t|>tα（顯著性水平α可取為0.01）時，視為瞬時風(fēng)速有明顯的突然增大。另外，此3次雷暴大風(fēng)、颮線過程中瞬時風(fēng)速在10分鐘內(nèi)都有明顯的先突然減小后突然增大的變化。

綜上所述，通過對5月17日、18日、25日3次雷暴大風(fēng)、颮線過程的瞬時風(fēng)速運(yùn)用滑動t檢驗(yàn)法進(jìn)行突變檢驗(yàn)，可得：用滑動t檢驗(yàn)取n1=n2=20時（即取基準(zhǔn)點(diǎn)前后一分鐘），對瞬時風(fēng)速子序列進(jìn)行滑動檢驗(yàn)，對瞬時風(fēng)速明顯的突然變化有很好的檢驗(yàn)效果，當(dāng)t<0且|t|>tα?xí)r，視為瞬時風(fēng)速突變式增大，可作為判斷颮特征第（3）點(diǎn)“突然增大”的依據(jù);此3次雷暴大風(fēng)、颮線過程中瞬時風(fēng)速在10分鐘內(nèi)都有明顯的先突然減小后突然增大的變化。

3 ?颮的監(jiān)控

對報(bào)告颮的要求可分解為本文第2節(jié)中所述3點(diǎn)。颮是一種天氣現(xiàn)象，因此機(jī)場內(nèi)任何一個自觀測風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)達(dá)到了以上3點(diǎn)就應(yīng)該發(fā)布和報(bào)告颮。如果僅由人工進(jìn)行颮的觀測與監(jiān)視需要很大的精力，通常在颮發(fā)生時也會伴隨其他惡劣天氣，此時便很容易發(fā)生“錯忘漏”現(xiàn)象。為了減少“錯忘漏”，保證全面監(jiān)視颮的出現(xiàn)，我們可以利用技術(shù)手段，編寫程序?qū)︼R進(jìn)行全時間、全測點(diǎn)的監(jiān)視。

結(jié)合上文中的研究結(jié)果，下面給出利用自動監(jiān)視颮的判斷方法：（1）首先判斷1分鐘內(nèi)瞬時風(fēng)速的最小值是否大于等于11m/s，若是則進(jìn)入第2點(diǎn)進(jìn)行判斷，若否則判斷不是颮;（2）判斷此1分鐘的第一個瞬時風(fēng)速值是否比其前9分鐘內(nèi)的最小瞬時風(fēng)速值大至少8m/s，若是則進(jìn)入第3點(diǎn)進(jìn)行判斷，若否則判斷不是颮;（3）對此10分鐘時間序列利用滑動t檢驗(yàn)法（基準(zhǔn)點(diǎn)前后的子序列長度取1分鐘）判斷瞬時風(fēng)速是否發(fā)生明顯的突然增大現(xiàn)象：當(dāng)t<0且|t|>tα則提示天氣現(xiàn)象為颮，其余結(jié)果不進(jìn)行提示。

圖5用流程圖說明自動監(jiān)視颮的判斷方法。運(yùn)用圖5可實(shí)現(xiàn)報(bào)告颮的監(jiān)視與自動提醒，減少“錯忘漏”。

4 ?結(jié) ?論

本文利用2014年5月17日、18日、25日3次雷暴大風(fēng)、颮線過境白云機(jī)場的瞬時風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究表明用滑動t檢驗(yàn)的方法能對風(fēng)速突然變化有很好的檢驗(yàn)效果，并在本文最后給出了颮的報(bào)告與自動監(jiān)視的方法：（1）首先判斷1分鐘內(nèi)瞬時風(fēng)速的最小值是否大于等于11m/s，若是則進(jìn)入第2點(diǎn)進(jìn)行判斷，若否則判斷不是颮;（2）判斷此1分鐘的第一個瞬時風(fēng)速值是否比其前9分鐘內(nèi)的最小瞬時風(fēng)速值大至少8m/s，若是則進(jìn)入第3點(diǎn)進(jìn)行判斷，若否則判斷不是颮;（3）對此10分鐘時間序列利用滑動t檢驗(yàn)法（基準(zhǔn)點(diǎn)前后的子序列長度取1分鐘）來判斷瞬時風(fēng)速是否發(fā)生明顯的突然增大現(xiàn)象：當(dāng)t<0且|t|>tα則提示天氣現(xiàn)象為颮。

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作者簡介：張人文（1988-），女，漢族，陜西韓城人，工程師，理學(xué)碩士，研究方向：應(yīng)用氣象。