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在香港国际机场观测飞机尾涡

在香港国际机场观测飞机尾涡

刘永均
2023年1月

香港天文台教育资源里的「飞机的尾巴」一文简介了飞机尾涡的原理和观测。当飞机飞行时,气流在机翼后方和尖端卷起,形成一对呈相反方向旋转的涡旋,即飞机尾涡 (图一)。飞机尾涡的寛度一般与飞机翼展相若,并会在大气中下沉及逐渐消散,维持约一到三分钟;而在微风和稳定的大气环境下,涡旋的寿命可能会更长。
图一
图一   飞机尾涡示意图 (来源:国际民用航空组织)。
飞机尾涡会对大气造成扰动,一般称之为尾流扰动。当飞机遇上另一飞机产生的尾流扰动时,会急速颠簸;严重时更可能会短暂失控。如果此时飞机正在起飞或降落,由于机师可能缺乏足够的飞行高度或时间作出反应,情况会更加危险。因此,飞机必须遵守最短飞行间距要求,即是与其他飞行中的飞机保持距离,以尽量减低遇上尾流扰动的机会和其对飞行安全所带来的影响。另一方面,此最短飞行间距要求亦限制了跑道的升降频率和容量,探测和研究尾流扰动有助评估最短飞行间距要求,保障飞行安全及让跑道更有效率地运作。
天文台早在2014年试验利用短程激光雷达 (下称「仪器」) 对香港国际机场的升降航道进行垂直扫描 (图二),成功探测飞机尾涡的二维结构 (详见参考资料)。为进一步探测和研究尾流扰动,天文台于2022 年中在机场新的北跑道两端各安装了一套仪器。在初步调校仪器的扫描配置后,从高时空分辨率的垂直扫描量度到的径向风速可以观察和追踪引致尾流扰动的飞机尾涡。图三至五展示了某天一架降落中的飞机经过前后,新北跑道仪器量度到的径向风速的垂直切面图。当中黄和红等暖色 (绿和蓝等冷色) 表示风吹离 (向) 仪器。图三是飞机经过前一刻的情况,其中浅灰和浅黄色代表当时风正吹离仪器。飞机经过后,扫描图像 (图四) 中出现四片径向风向交替相反的色块,显示空中有一对呈相反方向旋转的涡旋 (即飞机尾涡)。从随后的扫描图像 (图五) 可以观察到此飞机尾涡的演变:涡旋下沉至地面,同时随背景风飘离仪器并逐渐消散。
相比2014年的试验,当时仪器的径向分辨率只有30米,垂直分辨率约为7米;而新北跑道仪器运用新的信号处理技术,径向分辨率可达1.5米。是次案例 (图三至五) 所用的径向分辨率为1.5米,垂直分辨率为约2.7米。由于径向和垂直分辨率的提高,新仪器能更清晰显示飞机尾涡的特征,并能捕捉较细小的尾涡和提供更精细的数据,将有助天文台对尾流扰动的探测和研究。
图二
图二   短程激光雷达垂直扫描观测飞机尾涡 (未按比例绘画)。
图三
图三   在飞机经过前一刻量度到的径向风的垂直切面图 (径向风的概念,可参看「如何解读多普勒天气雷达的风场」)。
图四
图四   飞机经过后,扫描图像中出现四片径向风向交替相反的色块。
图五
图五   是次尾涡的演变 (每张图像相隔约15 秒)。