基于GIS的伊春风场对航空气象的影响研究

1 引言

近年来，伊春市始终践行习近平生态文明思想，坚持生态优先绿色发展，通过一系列创新举措，催生‚氧资源‛转化为‚热经济‛。伊春位于小兴安岭山麓，依托得天独厚的自然环境，生态旅游业快速发展，飞机因高效快捷成为游客来此的首选，然而山区多风的特点，却给航空安全带来挑战。目前，再分析资料在气象要素长期变化趋势研究中得到了广泛应用[1]。ERA5 再分析资料在刻画大气实际状况方面表现尤为突出[2-4]。风场研究尤其是在中尺度天气动力分析都起着关键作用[5]。因此，对伊春市风场进行深入研究，不仅为预防和减轻风灾对航空安全的影响，更是为在特殊地形条件下的航空飞行，提供精细的气象保障。

2 资料与方法

2.1 资料来源

本文选取 2005—2024 年近 20 年 ERA5 月平均 0.25°再分析资料，由 ERA5 官网提供。选用 500hPa 数据代表高空风场，该层数据能够准确反映中高层大气的动力状况；选取100 米高度层的数据代表低空风场，这一选择有助于揭示近地面层的风场结构与变化特征。伊春市DEM 数据来源于地理空间数据云。

2.2 研究方法

垂直风切变（∆V）采用公式（1）计算。其中： u 和 v 分别表示东西向和南北向的水平风，下标表示 850hPa和 100m 高度。

3 高低空平均风场分布特征

3.1 年平均风场分布特征

通过分析近 20 年伊春市地区 500hPa 高度层的气象数据可知，该高度平均风速为 9～12m/s ，主导风向为西北风，表明西北风是该区域高空大气环流的重要特征之一，自西南朝向东北方向，随着地理位置的改变，风力强度逐渐减弱。而在距地100 米高度的平均风向则具有显著的规律性，主导风向为南风及偏西南风，表明该区域受特定大气环流系统影响，使得来自南向及西南向的气流在该高度层上占据优势地位。在风速方面，呈现出明显的空间差异，汤旺县表现最为突出，风速明显高于周围县区；以中部地区作为核心区，可以发现风速由中心向东西两侧递减。

3.2 四季平均风场分布特征

由反演出的风场数据分析可知，500hPa 高度层四季平均风场与年平均风场在空间分布上具有高度的一致性，均呈现出从西南向东北逐渐减弱的趋势。不同季节风速大小存在明显差异，其中，秋冬两季风速相对较大，主要受冷空气活动频繁且强度较大影响，此时大气环流形势更有利于强风形成与维持；春季风速次之，此时冷空气势力虽有减弱，但仍存在一定的活动，对风场产生一定影响；夏季风速最小，主要原因是夏季太阳辐射强烈，大气层结相对稳定，不利于强风的发展，导致风速相对较低。

在低空 100m 高度，四季平均风速存在明显差异。具体而言，春、秋和冬三季的风场环境与年平均风场环境展现出了高度的一致性，均是以中部地区为核心区域，风速从中心向东西两侧逐渐递减，在风速数值表现出冬季风速最大，秋季次之，春季最小。而夏季风场在风速上呈现出由西北向东南逐渐减小的态势。更为显著的是，夏季的风速是四个季节中的最小值，这一特点与其他三个季节形成了鲜明的对比。

4 林都机场垂直风切变的特征分析

4.1 垂直风切变的空间分布

采用计算林都机场附近 850hPa 和 100 米两个高度层之间风速差的方法，量化风切变的强度和变化趋势。经计算可知，风切变由东北向西南方向逐渐减弱，呈带状分布。具体来看，东北向的风切变中心强度高达3.66m/s，风切变指数为 2.6m/s/km ，因东北部为山地地形导致地表粗糙度增加，使得风速的垂直梯度更为显著；而西南部地形较为平坦，减弱了气流受地形抬升的作用，使得风切变指数相应降低。

4.2 垂直风切变的距平变化

通过研究发现，在近 20 年的观测周期内，林都机场垂直风切变距平有 9 年呈现负值状态，表明垂直风切变距平的实际观测值低于其长期平均水平，反映出当时的大气垂直运动可能较为平缓，风速在垂直方向上的梯度变化相对较小；其他年份则呈现正值，表明垂直风切变距平高于平均水平，代表大气垂直方向上的风速变化较为剧烈。从整体来看，风切变距平呈现出明显的上升态势，表明风速在垂直方向上的梯度有增大的趋势，风速的垂直运动总体上是增强的。2020 年以前，风切变距平的振荡周期稳定在 1～2 年，呈规律的周期性变化，2010 年和 2023 年年际变化幅度较大，为近20 年来的峰值。

4.3 垂直风切变的风速风向频率特征

从风速来看，整体来看呈现‚中高量级集中、两端低频‛的双峰特征，3～5m/s 区间占比达 44.16%，是威胁飞行安全的核心阈值段，需重点强化该阈值段的风切变探测灵敏度与预警响应速度； 1～3m/s （ 36.66% ）和5～6m/s （12.08%）风速次之； 6m/s 以上及 1m/s 以下事件合计占比不足 7% ，可视为小概率事件或系统噪声。

从风向来看，西北风与北风为主导，总占比超 80% （西北向 47.08% 、北向 34.58% ）。受北风锋面系统、高空槽线或地形动力结构（如冷涡后部/高压脊前）影响显著，易在机场近地层与对流层下层形成强垂直风矢量梯度，导致垂直风矢量突变，进而引发显著风切变扰动，直接威胁起降阶段航空器的稳定性与操纵性。

5 结论

（1）伊春市 500hPa 的高空风场整体呈现‚西北主导、西南强东北弱、秋冬强春夏弱‛的时空分布。（2）伊春市 100 米低空风场整体呈现‚南向主导、中部风速高、冬强夏弱‛的时空特征。（3）林都机场风切变强度由东北向西南逐渐减弱，垂直风切变距平呈上升趋势，且以1～2 年为周期振荡，2010 年和 2023 年为年际变化峰值，受西北风与北风主导，风速分布呈现‚中高量级集中、两端低频‛的双峰特征。

参考文献

[1]韩颂雨，王丽吉，康丽莉，等，2025.基于最优插值方法分析的雷达反演三维风场与再分析风场融合试验[J].高原气象，1-13.

[2]Hersbach H，Bell B，Berrisford P，et al，2020. The ERA5 global reanalysis［J］. Quarterly Journal of RoyalMeteorlogical Society，146：1999-2049.

[3]李玲萍，李天江，李岩瑛，等.陆面与大气边界层热力作用对河西走廊冷锋型沙尘暴的影响[J].高原气 象，2024，43（02）：498-509.

[4]万超悦，徐婷婷，王艳，等.中国大气逆温的时空分布特征[J].高原气象，2024，43（02）：434-449.

[5]李叶晴，师春香，沈润平，等.基于WRF-LES的门头沟地区近地面风场模拟与边界层方案敏感性研究[J].高原气象，2023，42（03）：758-770.