昌北機(jī)場(chǎng)強(qiáng)降水特征分析

張 順，胡 洋，周 雨

(1.民航江西空管分局，江西 南昌 330114；2.江西省氣象服務(wù)中心，江西 南昌 330000)

0 引言

短時(shí)間內(nèi)降水強(qiáng)度大，降水量超過8 mm/h的天氣現(xiàn)象稱為強(qiáng)降水，多發(fā)生于中小尺度天氣系統(tǒng)中，常伴隨雷雨、大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣。國(guó)內(nèi)很多專家學(xué)者從小時(shí)時(shí)間尺度對(duì)強(qiáng)降水進(jìn)行了分析研究，謝五三等[1]研究了安徽省1961—2015年逐小時(shí)降水的概率分布，發(fā)現(xiàn)合肥、宿州和安慶概率密度分布呈“尖峰厚尾”的特征，表明以上地區(qū)出現(xiàn)極端強(qiáng)降水的概率較大；熊明明等[2]利用2009—2013年天津地區(qū)205個(gè)自動(dòng)氣象站的逐時(shí)降水資料，發(fā)現(xiàn)天津地區(qū)降水小時(shí)數(shù)及小時(shí)降水強(qiáng)度空間差異明顯，小時(shí)降水最大出現(xiàn)頻率為每天的午后或傍晚；余欣等[3]對(duì)2005—2015年景德鎮(zhèn)強(qiáng)降水觀測(cè)資料分析，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水多發(fā)生于系統(tǒng)性的暴雨過程中；陳建德[4]通過對(duì)2011年11月—2012 年11月廈門機(jī)場(chǎng)的觀測(cè)統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行分析，認(rèn)為短時(shí)強(qiáng)降水很少情況下會(huì)使跑道視程、主導(dǎo)能見度降低到機(jī)場(chǎng)最低運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)以下，但會(huì)引起風(fēng)、溫度等氣象要素的劇變。

目前昌北機(jī)場(chǎng)尚未開展小時(shí)時(shí)間尺度的降水特征分析，近年來極端天氣頻發(fā)，對(duì)氣象工作者也提出了更高的要求，對(duì)小時(shí)降水資料開展分析很有必要。本文利用機(jī)場(chǎng)跑道氣象站常規(guī)觀測(cè)資料，對(duì)2011—2018年強(qiáng)降水天氣進(jìn)行分析，總結(jié)出強(qiáng)降水天氣的特征，為以后的強(qiáng)降水天氣預(yù)報(bào)提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源

本文資料來源為2011—2018年昌北機(jī)場(chǎng)跑道自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)量資料，包含有1 min跑道方向能見度、跑道視程(RVR)以及每小時(shí)降水量，能見度為觀測(cè)員人工觀測(cè)值。昌北機(jī)場(chǎng)氣象觀測(cè)場(chǎng)地理位置為28°51′N,115°54′E，海拔高度35.4 m，跑道方向分別為26°、206°。目前，昌北機(jī)場(chǎng)實(shí)施的是I類儀表著陸進(jìn)近——決斷高不低于 60 m，能見度不小于800 m或跑道視程不小于550 m的精密進(jìn)近著陸。本文所采用的時(shí)間統(tǒng)一為北京時(shí)，小時(shí)降水以北京時(shí)整點(diǎn)后01分開始統(tǒng)計(jì)至60分為止的降水量，文中所用氣壓為修正海平面氣壓。

2 研究方法與結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)降水的強(qiáng)度和歷時(shí)分布

采用自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，將小時(shí)降水量分為8.1≤1 h<20 mm、20≤1 h<30 mm、30≤1 h<40、40≤1 h<50、50≤1 h<60區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

表1 2011—2015年昌北機(jī)場(chǎng)短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度分布Tab.1 Intensity distribution of short-term heavy rainfall in Changbei Airport from 2011 to 2015

統(tǒng)計(jì)表明(表1所示)，2011年1月—2015年12月，小時(shí)強(qiáng)降水共出現(xiàn)268個(gè)時(shí)次。以8.1 mm≤1 h<20 mm出現(xiàn)的次數(shù)最多，達(dá)216時(shí)次，占比80.6%；20 mm≤1 h<30 mm有42時(shí)次，占比15.7%。由此可見昌北機(jī)場(chǎng)小時(shí)強(qiáng)降水主要集中于30 mm以下,占所有強(qiáng)降水的96.3%。50 mm以上小時(shí)降水較少，僅出現(xiàn)過2次，分別為2014年5月29日51.7 mm，2016年7月13日53.2 mm。

將出現(xiàn)強(qiáng)降水過程事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表2所示，昌北機(jī)場(chǎng)強(qiáng)降水以1～2 h時(shí)長(zhǎng)為主，占比達(dá)總強(qiáng)降水次數(shù)的95.6%，出現(xiàn)連續(xù)3 h和4 h強(qiáng)降水次數(shù)各為4次，占比為1.9%，未出現(xiàn)連續(xù)5～6 h的連續(xù)強(qiáng)降水；最長(zhǎng)小時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)在2016年6月2日，連續(xù)出現(xiàn)7 h降水量大于8 mm的強(qiáng)降水。

2.2 強(qiáng)降水年發(fā)生次數(shù)及極值分布

從表3中看出，2011—2018年間昌北機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)強(qiáng)降水時(shí)間年均33時(shí)次，最多為2015年，出現(xiàn)56時(shí)次，最少為2011年僅17時(shí)次，2011—2015年呈增多趨勢(shì)，2015—2018年則呈下降趨勢(shì)。最大小時(shí)降水量為2016年7月13日18—19時(shí)，小時(shí)降雨量為53.2 mm?？傮w來看，強(qiáng)降水出現(xiàn)的次數(shù)和最大降水量呈一定的隨機(jī)性，各年度分布值差異較大，主要還是受大氣環(huán)流背景影響。

表3 2011—2018年昌北機(jī)場(chǎng)強(qiáng)降水年分布與極值Tab.3 Annual distribution and extreme value of heavy rainfall in Changbei Airport from 2011 to 2018

2.3 強(qiáng)降水月際分布

如圖1所示，2011—2018年昌北機(jī)場(chǎng)強(qiáng)降水事件發(fā)生于2—12月，4—8月為強(qiáng)降水發(fā)生的集中月份，共出現(xiàn)了200時(shí)次，占比74.6%，其中從4月份開始次數(shù)明顯增多，6月出現(xiàn)次數(shù)最多，達(dá)78時(shí)次，占比29.1%。這主要是由于2—4月昌北機(jī)場(chǎng)西南暖濕氣流偏弱，水汽輸送以中高緯西風(fēng)氣流為主[5]，冷暖氣流勢(shì)力相當(dāng)，活動(dòng)頻繁，因此，2—4月，強(qiáng)降水事件不多；5—6 月，副高加強(qiáng)，西南季風(fēng)爆發(fā)，水汽輸送充足，在一定的天氣形勢(shì)下，多系統(tǒng)性的持續(xù)暴雨，短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的概率達(dá)到峰值；7—8月西南氣流雖最為強(qiáng)盛，但昌北機(jī)場(chǎng)大部分時(shí)間處于副高控制，天氣穩(wěn)定，晴好為主，強(qiáng)降水多發(fā)生在副高進(jìn)退過程中，午后傍晚產(chǎn)生局地強(qiáng)對(duì)流天氣過程。

圖1 昌北機(jī)場(chǎng)強(qiáng)降水月分布Fig.1 Monthly distribution of severe rainfall in Changbei Airport

2.4 強(qiáng)降水日分布及對(duì)航空運(yùn)行的影響

圖2為昌北機(jī)場(chǎng)逐小時(shí)強(qiáng)降水頻次與每日航班計(jì)劃起降量統(tǒng)計(jì)圖，通過對(duì)逐小時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)段與該時(shí)段航班計(jì)劃起降架次(圖2)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)降水頻次日分布呈雙峰形態(tài)，強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)間主要集中在傍晚至上午的時(shí)間段。00—11時(shí)以及16—24時(shí)為峰值區(qū)，12—15時(shí)為谷區(qū)。通過圖2中航班計(jì)劃起降架次曲線可以發(fā)現(xiàn)，07時(shí)開始，昌北機(jī)場(chǎng)每日計(jì)劃航班量呈快速增加的趨勢(shì)，高峰期分布在08—13時(shí)間段，與強(qiáng)降水出現(xiàn)的高頻時(shí)段(08—11時(shí))有部分重疊，08—11時(shí)是昌北機(jī)場(chǎng)航班計(jì)劃起降的高峰時(shí)段，也是強(qiáng)降水發(fā)生的頻次較多的時(shí)間段，目前國(guó)內(nèi)有不少航空公司都規(guī)定在中等強(qiáng)度降水以上的天氣條件下禁止起降，因此，在該時(shí)間段強(qiáng)降水對(duì)航班實(shí)際運(yùn)行造成影響的概率較大；強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次的另一個(gè)峰值為16—24時(shí)，而該時(shí)間段恰為計(jì)劃航班量分布的次高峰區(qū)域，平均每小時(shí)18架次，計(jì)劃航班量分布較集中，所以，在該時(shí)段強(qiáng)降水對(duì)航空運(yùn)行造成的影響也較大。在航班密集時(shí)間段出現(xiàn)強(qiáng)降水，風(fēng)向風(fēng)速，雷暴，能見度等氣象要素的變化是航空用戶密切關(guān)注的問題，預(yù)報(bào)員在保障工作中需要更為細(xì)致的氣象服務(wù)。

圖2 昌北機(jī)場(chǎng)逐小時(shí)強(qiáng)降水頻次與計(jì)劃航班量統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics of hourly heavy rainfall frequency and planned flight volume in Changbei Airport

2.5 強(qiáng)降水伴隨的氣象要素對(duì)航空運(yùn)行的影響

對(duì)近8 a強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)氣象要素特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)降水出現(xiàn)的平均氣溫為19 ℃，最高氣溫達(dá)34.9 ℃，最低氣溫4.2 ℃；平均氣壓1 010.6 hPa，最高氣壓1 022 hPa，最低氣壓999 hPa。溫度、氣壓等要素差異較大。

表4 2011—2018年昌北機(jī)場(chǎng)強(qiáng)降水天氣過程氣溫、氣壓逐月統(tǒng)計(jì)特征Tab.4 Monthly statistical characteristics of temperature and QNH of heavy precipitation weather process in Changbei Airport from 2011 to 2018

在268次強(qiáng)降水事件中，221次伴有雷暴，51次出現(xiàn)陣風(fēng)天氣，其中陣風(fēng)大于17 m/s有6次，能見度低于800 m的過程有8次，跑道視程低于550 m的過程6次，達(dá)到起降標(biāo)準(zhǔn)以下的天氣過程次數(shù)較少，由此可見昌北機(jī)場(chǎng)強(qiáng)降水對(duì)能見度、跑道視程影響很少到起降標(biāo)準(zhǔn)以下，對(duì)飛行的影響可能更多的是雷暴、大風(fēng)等天氣。

2.6 天氣形勢(shì)特征

造成強(qiáng)降水的天氣系統(tǒng)有多種，李幫英等[6]對(duì)黔東南兩次區(qū)域型暴雨進(jìn)行分析，認(rèn)為該過程冷鋒低槽共同影響的作用；肖艷林等[7]認(rèn)為西太副高的位置變化對(duì)中東部旱澇區(qū)域的變化造成影響；楊熠等[8]對(duì)區(qū)域性暴雨研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域高空影響系統(tǒng)大概分為低渦槽型，高空槽氣旋型，高空槽低渦切變型。

通過對(duì)近8 a降水資料分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)小時(shí)降水量超過20 mm的強(qiáng)降水時(shí)，機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)暴雨天氣的概率為62.1%，為更好的研究強(qiáng)降水天氣對(duì)機(jī)場(chǎng)的影響，將近8 a強(qiáng)降水天氣過程的主要影響天氣系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(同一次天氣過程的所有小時(shí)強(qiáng)降水統(tǒng)計(jì)為1次)。

表5 昌北機(jī)場(chǎng)強(qiáng)降水天氣影響系統(tǒng)Tab.5 Influence system of heavy rainfall weather in Changbei Airport

通過表5可以發(fā)現(xiàn)：昌北機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)強(qiáng)降水的影響天氣系統(tǒng)主要為低渦切變，鋒面，低槽，副熱帶高壓邊緣等，其中低渦切變型的影響最大，占比為31.7%；其次為副高邊緣型占比24.4%，鋒面型占比22%；低槽型占比9.8%，混合型占比12.2%。

2.7 兩種強(qiáng)降水的不同特征

強(qiáng)降水一般分為高質(zhì)心降水和低質(zhì)心降水，主要根據(jù)降水回波的強(qiáng)度和伸展高度來進(jìn)行區(qū)分，高、低質(zhì)心結(jié)構(gòu)的判斷條件[9]：如果40 dBz反射率因子垂直擴(kuò)展到-20 ℃等溫線以上高度，則判定為高質(zhì)心結(jié)構(gòu)；否則，屬于低質(zhì)心結(jié)構(gòu)。為更好的了解這兩種降水事件中氣象要素的變化，分別選取了3個(gè)低質(zhì)心降水個(gè)例和3個(gè)高質(zhì)心降水個(gè)例來進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3 昌北機(jī)場(chǎng)兩種不同類型強(qiáng)降水過程氣象要素變化曲線Fig.3 Variation curve of meteorological elements in two different types of heavy rainfall at Changbei Airport

圖3中所選個(gè)例降水量均為20～30 mm/h的短歷時(shí)強(qiáng)降水過程。在2015年7月20日高質(zhì)心降水過程中(圖3a1)，伴隨著降水的發(fā)生和增強(qiáng)，機(jī)場(chǎng)的氣壓隨之增高，降水結(jié)束后開始回落，氣壓與降水變化相一致；氣溫的變化與降水聯(lián)系比較緊密，隨著強(qiáng)降水的發(fā)生，氣溫迅速下降，之后趨于穩(wěn)定；短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)段內(nèi)，平均風(fēng)速和跑道視程變化趨勢(shì)較一致，在降水達(dá)到最強(qiáng)時(shí)，均陡降至谷底，變化非常劇烈。在2015年5月10日(圖3a2)和2017年8月17日(圖3a3)兩次高質(zhì)心降水過程中氣象要素變化也有相似的特性，降水結(jié)束后，圖3a2中氣壓和風(fēng)速出現(xiàn)了持續(xù)上升的情況，而圖3a3中降水結(jié)束后，風(fēng)速才迅速增大，其原因可能是受雷暴高壓的影響，而觀測(cè)站所處天氣系統(tǒng)的位置不同、天氣系統(tǒng)的強(qiáng)弱、日變化等因素影響，使所測(cè)得的要素變化規(guī)律也不盡相同。圖3b中3次低質(zhì)心降水過程中的氣象要素變化也隨降水的發(fā)生頻繁波動(dòng)，相比高質(zhì)心降水過程，其波動(dòng)幅度明顯減弱。

表6給出了昌北機(jī)場(chǎng)兩種不同類型強(qiáng)降水過程持續(xù)時(shí)間和跑道視程變化特征，從表中可以發(fā)現(xiàn)，高質(zhì)心降水持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，強(qiáng)降水造成的跑道視程下降的程度更大，其原因可能是高質(zhì)心降水低層輻合作用強(qiáng)，強(qiáng)的風(fēng)垂直切變有利于短時(shí)間帶來大的降水，同時(shí)氣象要素也發(fā)生劇烈的變化，然而強(qiáng)降水帶來的下沉氣流也加速了對(duì)流云的消亡,所以其持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短。另外兩種強(qiáng)降水天氣過程中，跑道視程值低于機(jī)場(chǎng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的情況較少，僅出現(xiàn)了1 min。

表6 昌北機(jī)場(chǎng)兩種不同類型強(qiáng)降水過程持續(xù)時(shí)間(min)和RVR(m)變化特征Tab.6 Variation characteristics of duration (min) and RVR (m) of two different types of heavy rainfall at Changbei Airport

結(jié)果表明，兩種類型的強(qiáng)降水過程中均有出現(xiàn)氣壓上升，氣溫下降，風(fēng)速、跑道視程多變等特征，但高質(zhì)心降水過程更為明顯，變化的程度與天氣系統(tǒng)的強(qiáng)弱、位置、移動(dòng)速度等因素息息相關(guān)。但是強(qiáng)降水過程中跑道視程很少出現(xiàn)低于機(jī)場(chǎng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的情況，強(qiáng)降水過程所伴隨的雷暴，大風(fēng)等天氣可能是影響航班正常運(yùn)行的主要原因。

3 結(jié)論

①昌北機(jī)場(chǎng)強(qiáng)降水天氣一般出現(xiàn)在4—8月，6月最多；多持續(xù)1～2 h，易發(fā)生在傍晚至上午時(shí)段，其中08—11時(shí)、16—24時(shí)段出現(xiàn)的強(qiáng)降水過程對(duì)昌北機(jī)場(chǎng)航班運(yùn)行影響較大。

②強(qiáng)降水大多發(fā)生在系統(tǒng)性的暴雨過程中；主要影響天氣系統(tǒng)有低渦切變、低槽、鋒面、副高邊緣等；中高緯西風(fēng)氣流、西南季風(fēng)、副熱帶高壓西側(cè)西南氣流和低空急流是主要的水汽來源。

③強(qiáng)降水常伴有雷暴、陣風(fēng)天氣，主要移動(dòng)方向?yàn)槲髂稀獤|北走向，雷暴大風(fēng)偶有發(fā)生，對(duì)跑道視程的影響很少達(dá)到起降標(biāo)準(zhǔn)以下；對(duì)飛行的影響可能更多的是雷暴、大風(fēng)等天氣。

④強(qiáng)降水過程會(huì)帶來風(fēng)、氣壓、能見度、跑道視程等氣象要素的劇變，高質(zhì)心降水過程更為明顯。