1956—2019年昌北國際機(jī)場高影響天氣變化特征

汪玲瑤 ， 溫新龍 ， 徐衛(wèi)民 ， 蔣子瑤 ， 沈 競 ， 陳 琦

江西省氣象科學(xué)研究所， 江西 南昌 330096

0 引 言

高影響天氣是指對社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境產(chǎn)生重大影響的天氣現(xiàn)象與事件，如雷暴、閃電、暴雨、極端高溫或低溫、霧霾、冰雹等(中國科學(xué)院學(xué)部，2010)。高影響天氣事件的發(fā)生往往會(huì)對人民生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重危害(金勇根等，2019；劉艷華等，2019)。據(jù)調(diào)查，高影響天氣愈發(fā)成為影響機(jī)場正常運(yùn)行的制約因素(Bai，2016)，且相對于人為或機(jī)械等其他原因，機(jī)場惡劣天氣給民航系統(tǒng)造成的不確定性，常常會(huì)給航空公司和社會(huì)帶來更多運(yùn)輸服務(wù)資源的浪費(fèi)(Pejovic et al，2009；王時(shí)敏，2017)，甚至安全隱患(Fujita et al，1977)。其中，雷暴、冰雹是公認(rèn)的影響機(jī)場飛行安全的惡劣氣象要素，也是機(jī)場選址報(bào)告中明確規(guī)定需要提供統(tǒng)計(jì)或者調(diào)查的氣象要素(崔洋等，2014；陳勝東等，2020)。而暴雨引起的跑道積水，霧、霾、沙塵、積雪等天氣現(xiàn)象導(dǎo)致的機(jī)場能見度低，往往會(huì)造成機(jī)場航班的延誤、取消、備降(王楠等，2018)。因此，加強(qiáng)當(dāng)?shù)馗哂绊懱鞖馐录恼J(rèn)識對機(jī)場規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目尤為重要。

南昌昌北國際機(jī)場(以下簡稱“昌北機(jī)場”)位于南昌市北部，距離市區(qū)直線距離21 km。作為江西省會(huì)民用航空運(yùn)輸機(jī)場，昌北機(jī)場航空業(yè)務(wù)發(fā)展勢頭十分迅猛，昌北機(jī)場有限公司于2019年開始籌備最新一期擴(kuò)建工程的規(guī)劃建設(shè)。文中利用1956—2019年昌北機(jī)場參證氣象站的歷史觀測資料，對影響機(jī)場安全運(yùn)營的雷暴、閃電、暴雨、極端氣溫、霧和霾等高影響天氣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到高影響天氣的變化特征，以期為昌北機(jī)場擴(kuò)建工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供科學(xué)參考。

1 參證氣象站的選擇

距離昌北機(jī)場60 km范圍內(nèi)有10個(gè)氣象站，分別為都昌、德安、共青、永修、靖安、奉新、安義、新建、南昌和南昌縣氣象站?？臻g尺度上，這10個(gè)氣象站對太陽輻射的承載，對大氣環(huán)流和天氣系統(tǒng)的受控性都是一致的，對于災(zāi)害天氣的籠罩度也基本相似，但地形地貌的差異會(huì)造成局地小氣候的差異。機(jī)場東北方向的都昌站與距離機(jī)場較遠(yuǎn)且間隔鄱陽湖；機(jī)場以北方向，德安和共青城站比永修站距離機(jī)場更遠(yuǎn)；機(jī)場以西有靖安、安義和奉新站，但中間間隔的梅嶺對氣象因素影響較大；機(jī)場以南的南昌縣站為農(nóng)事站，但距離機(jī)場遠(yuǎn)于南昌站；新建站位于機(jī)場的西北方向且較近。綜合以上考慮，選定永修、南昌和新建站的觀測資料代表機(jī)場附近的氣候狀況。

進(jìn)一步對比永修、南昌和新建站。永修站為國家一般氣象站，距離機(jī)場NNW方位約23 km，位于縣城橋南建設(shè)村，周邊開闊，觀測資料代表性好；南昌站為國家基本氣象站，距離機(jī)場SSE方位約34 km，位于青云譜區(qū)氣象路43號，周邊開闊，觀測資料代表性較好；新建站為國家一般氣象站，距離機(jī)場SSW方位約19 km，位于新建區(qū)長陵鎮(zhèn)虎形山，但因城市化發(fā)展，氣象站周邊已經(jīng)高樓聳立，觀測環(huán)境遭受破壞較為嚴(yán)重，觀測資料代表性差。永修站與昌北機(jī)場一樣位于九嶺山余脈的東北方位，而新建站與南昌站則位于余脈的東南方位?？紤]臺站觀測資料的代表性和臺站與機(jī)場的地形地貌差異，將永修站選為昌北機(jī)場參證氣象站。

文中以昌北機(jī)場參證氣象站(永修站)自建站以來(1956—2019年)記錄的雷暴、暴雨、霧霾、高溫、低溫、積雪、沙塵、冰雹、龍卷等資料為基礎(chǔ)，對影響機(jī)場運(yùn)行的高影響天氣事件進(jìn)行時(shí)間變化分析。

2 高影響天氣特征分析

2.1 雷 暴

雷暴是積雨云云中、云間或云地之間產(chǎn)生的放電現(xiàn)象，雷暴來時(shí)常伴有較強(qiáng)的陣性降水和短時(shí)大風(fēng)。對航空飛行來說，雷暴是一種非常危險(xiǎn)的天氣現(xiàn)象。昌北機(jī)場參證氣象站的雷暴日數(shù)觀測數(shù)據(jù)止于2013年，因此統(tǒng)計(jì)時(shí)段為1956—2013年。從雷暴日數(shù)的月變化來看(圖1a)，春季是雷暴的多發(fā)季節(jié)，4月份為全年的第一個(gè)雷暴高峰期，夏季(6、7、8月)雷暴日數(shù)最多，6、7、8月的發(fā)生日數(shù)分別為7.2、9.8、9.7 d，88%的雷暴出現(xiàn)在春季和夏季，10月至翌年1月雷暴出現(xiàn)的概率極小，月平均不足1 d；從逐年變化來看(圖1b)，雷暴日數(shù)呈波動(dòng)下降趨勢，年均日數(shù)為49.8 d，2011年雷暴日數(shù)最少，為26 d，1973年雷暴日數(shù)最多，為83 d。

圖1 1956—2019年昌北機(jī)場參證氣象站雷暴發(fā)生日數(shù)月變化(a)和年變化(b)Fig. 1 Monthly (a) and annual (b) variations of thunderstorm day at meteorological reference stations during 1956-2019

2.2 閃 電

收集2010—2019年以昌北機(jī)場為中心、邊長為50 km矩形區(qū)域內(nèi)的閃電定位資料，分析機(jī)場附近閃電的時(shí)空分布特征。對昌北機(jī)場周邊的閃電次數(shù)年、月、日變化(圖2)分析發(fā)現(xiàn)，2013、2014、2015、2017年閃電發(fā)生次數(shù)大于1萬次，2012、2019年發(fā)生次數(shù)偏少；88.3%的閃電集中在春、夏季，冬季少有發(fā)生；一日之中，閃電發(fā)生存在3個(gè)高峰期，15時(shí)發(fā)生次數(shù)最多、其次是19時(shí)和06時(shí)，日分布的高頻時(shí)期在13—20時(shí)(占60.1%)。

圖2 2010—2019年機(jī)場周邊閃電次數(shù)日變化(a)、月變化(b)和年變化(c)Fig. 2 Monthly (a) , diurnal (b) and annual (c) variations of lightning frequency around the Changbei International Airport during 2010-2019

統(tǒng)計(jì)閃電高頻年份(年發(fā)生數(shù)量大于1萬次)，得到南昌國際機(jī)場周邊50 km范圍內(nèi)2010—2019年各個(gè)季節(jié)的閃電密度(表1)。分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)場附近各季節(jié)閃電密度變化較大，春季閃電密度最大為2.99 次/km2(2015年)，最小僅為0.36 次/km2(2014年)；夏季閃電密度明顯大于春季，平均密度2.86 次/km2，最大可達(dá)4.18 次/km2(2017年)；秋季閃電密度明顯小于春夏季，2013、2015年區(qū)域內(nèi)閃電發(fā)生次數(shù)少，呈零星分布，2014、2017年多于上述兩年，呈斑塊式集中分布；冬季幾乎無閃電。

表1 機(jī)場周邊50 km范圍內(nèi)各季節(jié)閃電密度(單位：次/km2)Table 1 Lightning density in each season within 50 km around Changbei International Airport (unit: times/km2)

2.3 暴 雨

暴雨不僅會(huì)造成低能見度，還會(huì)導(dǎo)致跑道積水，減小跑道的摩擦因數(shù)，影響飛機(jī)的正常起降，對飛行安全危害極大。當(dāng)日降水量超過50 mm記為暴雨日，日降水量超過100 mm記為大暴雨日。1956—2019年昌北機(jī)場暴雨日主要出現(xiàn)在4—8月(圖3a)，其中5、6月最多，平均月暴雨日數(shù)分別為0.8、1.4 d，其余月份暴雨日數(shù)均低于0.5 d；年暴雨日數(shù)波動(dòng)顯著，呈緩慢增長趨勢(圖3b)，年均暴雨日數(shù)5.0 d，最少為0 d(1968年)，最多達(dá)13 d(1999年)。大暴雨集中發(fā)生在4、6月，占全年的66.3%，其中6月份最多，平均發(fā)生日數(shù)為0.4 d；大暴雨日數(shù)波動(dòng)趨勢較為平緩，年均日數(shù)為0.8 d，其中2004年大暴雨日數(shù)最多，為4 d，其次1973、1988年為3 d;共27 a無大暴雨日。

圖3 1956—2019年昌北機(jī)場參證氣象站暴雨發(fā)生日數(shù)月(a)、年(b)變化Fig. 3 Monthly (a) and annual (b) variations of heavy rainfall days at meteorological reference stations of Changbei International Airport during 1956-2019

2.4 霧和霾

昌北機(jī)場參證站霧和霾日數(shù)具有明顯的季節(jié)性差異(圖4a)，霧多出現(xiàn)在冬春季(占75.6%)，而霾主要出現(xiàn)在秋冬季(占81.3%)，夏季霧、霾發(fā)生日數(shù)少；除春季和7月外，各月霾日數(shù)多于霧日數(shù)，秋冬季尤其明顯。霧、霾出現(xiàn)日數(shù)最多的月份均為12月，分別為2.4、4.9 d。分析1956—2019年霧、霾日數(shù)逐年變化(圖4b)發(fā)現(xiàn)，霧日數(shù)變化趨勢不明顯，多年平均日數(shù)13.1 d，其中1959年發(fā)生日數(shù)最少(3 d)，而1977年發(fā)生日數(shù)最多(26 d)。霾日數(shù)總體呈增加趨勢，多年平均日數(shù)20.9 d，有6 a無霾日發(fā)生(均在1975年以前)，在2000年之后年際波動(dòng)較大，2013年霾日數(shù)最多，達(dá)129 d。

圖4 1956—2019年昌北機(jī)場參證氣象站霧、霾發(fā)生日數(shù)月(a)、年(b)變化Fig. 4 Monthly (a) and annual (b) variations of heavy rainfall, fog and haze days at meteorological reference stations of Changbei International Airport during 1956-2019

2.5 高溫和低溫

間隔20 a分段統(tǒng)計(jì)1956—2019年昌北機(jī)場參證氣象站日最高氣溫高于30、35、40 ℃的高溫日數(shù)和最低氣溫低于2、0、-2、-15 ℃的低溫日數(shù)(表2)發(fā)現(xiàn)，高溫日數(shù)呈增加趨勢，近20 a平均高溫日數(shù)最多，日最高氣溫大于等于30、35、40 ℃的日數(shù)分別為96.0、29.4、0.3 d；低溫日數(shù)呈下降趨勢，近20 a低溫日數(shù)最少，日最低氣溫小于2、0、-2 ℃的日數(shù)分別為27.8、11.8、2.8 d，未出現(xiàn)過日最低氣溫小于-15 ℃的事件。

表2 1960—2019年昌北機(jī)場參證氣象站每20 a高溫和低溫累計(jì)日數(shù)(單位：d)Table 2 Interdecadal variation of high and low temperature days during 1960-2019 at the reference stations of Changbei International Airport (units:d)

昌北機(jī)場參證氣象站日最高氣溫超過40 ℃的高溫日數(shù)在1956—2019年相對較少，因此僅對日最高氣溫超過30、35 ℃的日數(shù)進(jìn)行月、年變化分析。結(jié)果表明，高溫日數(shù)在7月份最多(圖5a)，日最高氣溫大于等于30、35 ℃的日數(shù)分別為26.4、11.3 d，8月份次之，日最高氣溫大于等于30 、35 ℃的日數(shù)分別為26.2、11.7 d。分析逐年變化趨勢(圖5b)可見，1956—2019年高溫日數(shù)呈緩慢增加的趨勢，最高氣溫超過30 ℃的高溫日數(shù)的增加速率略快于超過35 ℃的高溫日數(shù)；分析低溫日數(shù)的月變化和年變化可知，參證站低溫日數(shù)在1月份最多(圖5c)，日最低氣溫小于2、0、-2 ℃的日數(shù)分別為15.8、9.3、3.5 d，12月份次之，日最低氣溫小于2、0、-2 ℃的日數(shù)分別為9.9、5.1、1.7 d。分析逐年變化趨勢(圖5d)發(fā)現(xiàn)，1956—2019年低溫日數(shù)的年變化呈明顯下降趨勢，日最低氣溫小于2 ℃的下降速率最快。

圖5 1956—2019年昌北機(jī)場參證氣象站高溫日數(shù)月(a)、年(b)變化和低溫日數(shù)的月(c)、年(d)變化Fig. 5 Monthly (a) and annua l(b) variations of high temperature days and monthly (c) and annual (d) variations of low temperature days during 1956-2019 at the reference stations of Changbei International Airport

2.6 其他要素

分析1960—2019年昌北機(jī)場參證氣象站其他高影響天氣發(fā)生頻次情況(表3)發(fā)現(xiàn)，結(jié)冰、積雪凍雨和冰雹日數(shù)均呈減少的趨勢，其中結(jié)冰事件最多，其次是積雪，凍雨和冰雹記錄均較少。年均結(jié)冰日數(shù)16.4 d，年均積雪日數(shù)4.6 d，年均凍雨日數(shù)0.7 d，結(jié)冰、積雪和凍雨主要發(fā)生在冬季的1月；冰雹主要發(fā)生在春季(占70.6%)，年均冰雹日數(shù)0.3 d。沙塵天氣(揚(yáng)沙、浮塵、沙塵暴)主要集中在21世紀(jì)以前，揚(yáng)沙天氣發(fā)生頻率最高(2.8 d/a)，其次是浮塵(1.7 d/a)，沙塵暴和龍卷風(fēng)鮮有發(fā)生。

表3 1960—2019年昌北機(jī)場參證氣象站其他高影響天氣發(fā)生情況(單位：d)Table 3 The occurrence of other high influence weather in reference stations of Changbei International Airport from 1960 to 2019 (units:d)

3 周期變化規(guī)律

基于Morlet小波分析法，分析1960—2019年昌北機(jī)場參證氣象站高影響天氣發(fā)生規(guī)律發(fā)現(xiàn),暴雨、低溫(日最低氣溫小于0 ℃)和高溫(日最高氣溫大于等于35 ℃)日數(shù)存在明顯的周期變化規(guī)律(圖6)。參證站暴雨日數(shù)存在3個(gè)顯著的特征時(shí)間尺度，分別是3—4 a、4—6 a和18—22 a(圖6a)。3—4 a的振蕩周期在20世紀(jì)70年代末和90年代末到2005年顯著，4—6 a的振蕩周期在20世紀(jì)90年代末到2005年顯著，18—22 a的振蕩周期在整個(gè)研究時(shí)段都較為顯著。低溫日數(shù)表現(xiàn)出2—3 a的顯著振蕩周期(圖6b)，主要在20世紀(jì)60年代末、2006—2008年以及2018年以后。參證站高溫日數(shù)存在2個(gè)顯著的特征周期(圖6c)，為2—4 a和14—16 a。2—4 a的振蕩周期在20世紀(jì)60年代中期、80年代初、90年代末到2004年顯著，14—16 a的振蕩周期在20世紀(jì)70年代前后及21世紀(jì)初顯著。

圖6 1956—2019年昌北機(jī)場參證氣象站暴雨(a)、低溫(b)和高溫(c)日數(shù)Morlet小波分析(打點(diǎn)區(qū)域表示通過信度0.05的顯著性檢驗(yàn))Fig. 6 Morlet wavelets of (a) rainstorm, (b) low temperature， and (c) high temperature days at the reference station of Changbei International Airport during 1956-2019 (the dotted area indicates that it passed the significance test with a reliability of 0.05)

4 結(jié)論與討論

文中以1956—2019年昌北機(jī)場參證氣象站的高影響天氣資料為基礎(chǔ)，對影響機(jī)場安全運(yùn)營的高影響天氣事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，昌北機(jī)場附近雷暴、閃電、暴雨、霧、霾和極端氣溫發(fā)生頻次較高，冰雹、積雪、結(jié)冰、凍雨、沙塵、龍卷風(fēng)等破壞性天氣發(fā)生頻次較低。其中，雷暴多出現(xiàn)于春、夏季，年均雷暴日數(shù)為49.8 d，呈波動(dòng)下降趨勢；閃電高發(fā)于春、夏季，且夏季機(jī)場附近存在較明顯的閃電集中區(qū)域，閃電高頻時(shí)段為13—20時(shí)，最高峰為15時(shí)；暴雨、大暴雨年均日數(shù)分別為5.0 d和0.8 d，呈緩慢增長趨勢，暴雨集中在4—8月，大暴雨集中在4、6月；夏季高溫日數(shù)呈緩慢增加趨勢，7月份最多，8月份次之；冬季低溫日數(shù)呈明顯下降趨勢，在1月份最多，12月份次之；年均霾日數(shù)大于霧日數(shù)，霾多發(fā)于秋、冬季，霧集中在冬、春季，均于12月最常發(fā)生；暴雨、低溫及高溫日數(shù)均存在準(zhǔn)2 a的周期變化。

機(jī)場建設(shè)需注意防范春夏季的雷暴及閃電天氣，重點(diǎn)關(guān)注13—20時(shí)的閃電發(fā)生高頻時(shí)段，應(yīng)加強(qiáng)機(jī)場建設(shè)的防雷安全設(shè)計(jì)。春、夏季，尤其6月的暴雨災(zāi)害天氣不可忽視，且隨著高溫日數(shù)的增加，機(jī)場建設(shè)需注意夏季高溫天氣導(dǎo)致飛機(jī)載重量降低，起飛滑跑距離和著陸距離增加的狀況。冬季霧和霾天氣易發(fā)，機(jī)場應(yīng)提高針對區(qū)域精細(xì)化霧、霾等天氣預(yù)報(bào)的服務(wù)能力。此外，機(jī)場建設(shè)仍要考慮冬季低溫與本區(qū)域冰雹、結(jié)冰、積雪等氣象條件結(jié)合可能帶來的不利影響，合理設(shè)計(jì)機(jī)場除冰和掃雪設(shè)備的選型和規(guī)模。