民航飛機低空顛簸與地理環境因子相關性研究

袁耀文

摘 要：目前，對飛機顛簸的研究集中在產生機制與預測預報等方面。飛機顛簸動力學機制的研究以大氣湍流理論為基礎，通過理論分析或數值模擬等方法，得到許多研究成果，涉及風場、溫度場和重力波等氣象條件以及地形因素對飛機顛簸形成的作用。利用地形及氣象觀測數據，研究低空顛簸與環境因子的相關性。結果表明，飛機低空顛簸與地形起伏度、氣溫日較差以及風速有顯著相關性。

關鍵詞：低空顛簸;地理環境因子;相關性

飛機顛簸主要發生在起飛和降落階段（低空顛簸），低空顛簸與高空顛簸產生的機制不完全相同，高空顛簸主要由風切變引起湍流而致，低空顛簸還受地面加熱作用和地形等因素的綜合影響。低空顛簸的多發性與復雜性使基于實際數據的定量分析顯得尤為重要。對于飛行品質管理而言，更需要的是對顛簸事件區域分布特征和環境影響的定量描述，并且，在進行區域環境影響描述時，選擇的影響因子最好是易觀測、易獲取的。

一、慨述

飛行品質監控通過收集和分析日常的飛行數據，提高飛行機組的操縱品質，減少運行和維護成本，為安全風險管理提供數據和信息支持，是目前國際上公認的保障飛行安全的重要手段。飛行數據由數百種飛行參數構成，這些參數包括飛行姿態位置、周圍環境參數以及航空電子設備參數等。當飛行參數監測內容的記錄值達到或超過預先設定的標準時，便探測到一個超限事件。航空公司和民航管理部門監控著上百種超限事件，其中包括過載事件。飛機在空中飛行時，作用在飛機上除重力之外的合力與飛機重力之比，稱為過載。過載一般指垂直方向上的過載，又稱載荷因子。載荷因子超過一定的標準時，即被判定為出現過載事件，可以用飛機過載代表飛機顛簸。通過對飛機過載超限事件的統計，可以獲得飛機低空顛簸的發生頻率。該航空公司超限事件數據包含約160 萬條超限事件記錄和超過80 萬條的航段記錄，每條超限事件記錄包含事件編碼、事件發生時間、發生時所處的飛行階段以及航段標識等字段。為獲取地理環境因子數據，需要數字高程模型DEM數據和氣象數據。由地質勘探局網站提供的ASTER GDEM數據，空間分辨率約為30 m，高程誤差在10-25 m范圍內。

二、環境因子的選取和計算方法

引起飛機低空顛簸的大氣湍流包括動力湍流和熱力湍流等，動力湍流多出現在對流層的底部，是空氣流經粗糙不平的地表面或障礙物時出現的湍流，與地形有關，湍流強度和規模受風速影響。熱力湍流由空氣非均勻加熱下的對流形成，亦多出現在對流層底部。氣溫日較差可以表征溫度場的非均勻程度，風速和地形起伏度可以表征動力湍流的強度。在計算環境因子前，需要設定其空間統計范圍，主要分析起飛和降落階段的顛簸事件，因將以機場為中心的覆蓋起飛或降落階段飛行距離的區域作為環境因子的空間統計范圍。該覆蓋距離并沒有一個嚴格的標準，且不同機場、不同飛行架次也存在差異。通過800余條航段的機載快速存取記錄器QAR數據對該覆蓋距離進行統計分析，發現75%以上的航段起飛和降落階段的飛行距離小于150 km。因此，將150km 距離作為計算機場環境因子的空間范圍，并將此空間范圍稱為機場區域。

各統計單元（即各機場區域）內的氣溫日較差和風速可由地面氣象觀測資料計算獲得。氣象資料包含各觀測站點的日氣溫最大值、最小值以及風速等觀測信息，氣溫日較差為日氣溫最大值與最小值之差。計算出統計時間范圍內各站點的平均氣溫日較差和平均風速，然后使用以海拔為協變量的協同克里格插值獲得全國范圍的氣溫日較差和風速分布，進而統計出各機場區域內的平均氣溫日較差及平均風速。以平均氣溫日較差為例，插值得到的氣溫日較差為：

地理加權回歸分析空間數據間往往存在自相關性，以空間數據作為自變量時，無法滿足傳統的回歸模型殘差項獨立的假設，其參數估計將不適用。地理加權回歸GWR模型[2]將數據空間位置引入回歸系數中，使變量間的關系可以隨空間位置的改變而變化，能夠反映參數的空間非平穩性，其結果更符合實際。因此，本文引入GWR 模型進行分析，模型結構如下：

三、基于因子的相關性分析

從航空公司A320 機型的航段記錄中選取68個機場，每個機場的航段記錄數均大于512-38891，航段記錄總計366911條，所有機場的顛簸頻率范圍為2.22%-17.79%。在此基礎上，分別對風速、地形起伏度、氣溫日較差與顛簸頻率的相關性進行初步分析。

對不同機場進行空間比較，以便分析不同區域環境因子與顛簸頻率的相關性。為此選擇地形起伏度、年平均氣溫日較差和年平均風速3 項指標，分別進行分級，并將每個機場對應到相應的指標等級中。在此基礎上，對應每項指標的每個等級，分別計算落入其中的機場顛簸頻率平均值，可以看出，顛簸頻率與年平均風速、年平均氣溫日較差以及地形起伏度均呈現良好的正相關關系。風速和氣溫日較差是隨時間變化的，因此可以從時間維度上進一步分析風速和氣溫日較差兩個環境因子的影響。以風速為例，對風速和顛簸頻率的季節變化進行趨勢分析，機場風速和顛簸頻率的季節變化趨勢，為方便對比，對數據做了歸一化處理。可以看出，二者呈現良好的一致性，還利用日平均風速觀測數據，結合每日的航段記錄，分析顛簸頻率與日平均風速以及氣溫日較差的相關性，機場顛簸頻率與日平均風速的關系，可以看出，日平均風速與低空顛簸之間表現出顯著的相關性。

參考文獻

[1]朱志愚.高空急流區飛機顛簸的一種形成機制的探討.成都氣象學院學報，2017，12（4）.

[2]王淑翠.飛機顛簸產生的可能機制及其在天氣預測上的應用[D].青島：中國海洋大學，2016.

[3]辜運燕.我國西部干線飛機顛簸分布規律分析[D].廣漢：中國民用航空飛行學院，2017.