在香港國際機場觀測飛機尾渦

劉永均

2023年1月

香港天文台教育資源裡的「飛機的尾巴」一文簡介了飛機尾渦的原理和觀測。當飛機飛行時，氣流在機翼後方和尖端捲起，形成一對呈相反方向旋轉的渦旋，即飛機尾渦 (圖一)。飛機尾渦的寛度一般與飛機翼展相若，並會在大氣中下沉及逐漸消散，維持約一到三分鐘；而在微風和穩定的大氣環境下，渦旋的壽命可能會更長。

圖一飛機尾渦示意圖 (來源：國際民用航空組織)。

飛機尾渦會對大氣造成擾動，一般稱之為尾流擾動。當飛機遇上另一飛機產生的尾流擾動時，會急速顛簸；嚴重時更可能會短暫失控。如果此時飛機正在起飛或降落，由於機師可能缺乏足夠的飛行高度或時間作出反應，情況會更加危險。因此，飛機必須遵守最短飛行間距要求，即是與其他飛行中的飛機保持距離，以盡量減低遇上尾流擾動的機會和其對飛行安全所帶來的影響。另一方面，此最短飛行間距要求亦限制了跑道的升降頻率和容量，探測和研究尾流擾動有助評估最短飛行間距要求，保障飛行安全及讓跑道更有效率地運作。

天文台早在2014年試驗利用短程激光雷達 (下稱「儀器」) 對香港國際機場的升降航道進行垂直掃描 (圖二)，成功探測飛機尾渦的二維結構 (詳見參考資料)。為進一步探測和研究尾流擾動，天文台於2022 年中在機場新的北跑道兩端各安裝了一套儀器。在初步調校儀器的掃描配置後，從高時空分辨率的垂直掃描量度到的徑向風速可以觀察和追蹤引致尾流擾動的飛機尾渦。圖三至五展示了某天一架降落中的飛機經過前後，新北跑道儀器量度到的徑向風速的垂直切面圖。當中黃和紅等暖色 (綠和藍等冷色) 表示風吹離 (向) 儀器。圖三是飛機經過前一刻的情況，其中淺灰和淺黃色代表當時風正吹離儀器。飛機經過後，掃描圖像 (圖四) 中出現四片徑向風向交替相反的色塊，顯示空中有一對呈相反方向旋轉的渦旋 (即飛機尾渦)。從隨後的掃描圖像 (圖五) 可以觀察到此飛機尾渦的演變：渦旋下沉至地面，同時隨背景風飄離儀器並逐漸消散。

相比2014年的試驗，當時儀器的徑向分辨率只有30米，垂直分辨率約為7米；而新北跑道儀器運用新的信號處理技術，徑向分辨率可達1.5米。是次案例 (圖三至五) 所用的徑向分辨率為1.5米，垂直分辨率為約2.7米。由於徑向和垂直分辨率的提高，新儀器能更清晰顯示飛機尾渦的特徵，並能捕捉較細小的尾渦和提供更精細的數據，將有助天文台對尾流擾動的探測和研究。

圖二短程激光雷達垂直掃描觀測飛機尾渦 (未按比例繪畫)。

圖三在飛機經過前一刻量度到的徑向風的垂直切面圖 (徑向風的概念，可參看「如何解讀多普勒天氣雷達的風場」)。

圖四飛機經過後，掃描圖像中出現四片徑向風向交替相反的色塊。

圖五是次尾渦的演變 (每張圖像相隔約15 秒)。

參考資料：
[1] 這連結會以新視窗打開。First wake vortex measurements at the Hong Kong International Airport.
[2] 這連結會以新視窗打開。Aircraft wake vortex observations in Hong Kong

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