湖北鄂州某機場雷暴天氣特點分析

何 飛，李德俊，許 楊

（湖北省氣象服務中心，武漢 430000）

順豐高端快遞的全貨運機場首選鄂州作為擬建地，該機場具體位于鄂州燕磯鎮，預選場址正處于長江走向由東西轉為南北的地段，呈“幾”字形走向，距離長江約2.7km，占地總面積6.30 km2，跑道全長3 600 m，擬定跑道中心點地理坐標為東經115°02′50.70″，北緯30°20′45.49″，機場高程為26.8 m，跑道方向為真方位10°。

機場場址必須具備的基本條件之一是有合適的安全起降氣象條件，而強對流天氣尤其是雷暴天氣是目前公認的嚴重威脅航空飛行安全的天氣現象。據統計，全球平均每小時發生雷暴1 820 次，美國民航局分析發現，近些年氣象原因引發的飛行事故中，與暴雷有關的占47.9%[1]。

雷暴是由發展旺盛的積雨云引起的伴有雷鳴、閃電現象的局地風暴，常伴有強烈的陣性降水，有時還產生冰雹、龍卷和下擊暴流等現象。在雷暴區中飛行，飛機會遇到強烈的顛簸、積冰、惡劣的能見度和雷電干擾等氣象情況[2]。由于鄂州新建機場距離長江較近，機場處在下墊面變化的地段，易發生雷暴，因此本文對機場選址區域的雷暴天氣特征進行統計分析，以便航空人員更準確地把握機場區域的雷暴分布特征和生消規律，為新機場的運營提供氣象服務。

1 湖北省雷暴分布

湖北省各地年均雷暴日數最低為22.8 d（谷城），最高為51.5 d（通山），除鄂西北部分地區，其他地區年均雷暴日數均在30 d 以上。其中，鄂西南、鄂東南地區年均雷暴日數在40 d 以上，為湖北省雷暴日發生頻率較高的地區。機場選址區域位于鄂東雷暴較多區域向江漢平原雷暴較少區域過渡的地段，處于湖北省雷暴發生日數一般地區，如圖1所示。

圖1 湖北省年均雷暴日數分布（1961-2009年）

2 資料

由于湖北省2013年取消對雷暴天氣的觀測，本研究利用機場參證氣象站黃石站1985-2013年的暴雷天氣現象觀測資料，統計了雷暴的年際、年變化規律及初終期情況；利用2001-2013年近10年的每日天氣現象觀測資料，分析了雷暴的日變化規律及持續時長。本研究還利用2007-2012年武漢雷達站的基數據，對機場區域的雷暴典型年的雷暴單體特征進行了分析。

3 雷暴單體分析方法

3.1 雷暴單體識別方法

三維風暴單體的識別是分階段進行的，一維數據的處理是在徑向反射率因子中識別“風暴段”。一個風暴段定義為一段連續的、沿著一個徑向的一系列距離庫，它們的反射率因子超過一個規定的閾值。當處理過程沿一個雷達徑向首次遇到一個大于規定閾值的反射率因子值時，隨后超過閾值的距離庫被編為一組，一直到遇到一個小于閾值的距離庫。

當最后一個仰角掃描的段被處理完之后，在空間上相鄰的風暴段被結合成一個二維的分量，段與段之間方位角方向離開不超過1.5°，徑向必須有2 km的部分相疊加。

當前體掃的所有仰角掃描都處理完之后，這些分量按照質量的大小從大到小排列，然后進行垂直相關分析。每一個確定的三維風暴單體由兩個或更多個在相繼仰角上的二維分量構成。垂直相關的過程是一個疊帶的過程，從最低的仰角開始：將質心的水平距離小于5 km 的相鄰仰角的分量進行關聯，若關聯可能多于一個，則用有最大質量的兩個二維分量進行關聯；在第一次做完后，有非關聯分量剩下，則將質心的水平相隔距離增加到7.5 km，并對所有的非關聯分量重復第一次的過程；第二次做完后，仍有非相關分量剩下，則用10 km 搜索半徑做最后一次。

3.2 雷暴單體跟蹤監測方法

采用SCIT（Storm Cell Identification and Tracking） 算法，將該算法移植到多普勒雷達對流單體追蹤信息產品反演算法中，反演參數進行本地化，二次產品數據每6 min 一次，數據時次間隔比較均勻，并對2007-2012年湖北省36 561 個對流單體做了分析，發現對于最大反射率因子超過40 dBZ 的單體，SCIT算法能正確識別出70%；對最大反射率因子超過50 dBZ 的，能識別出96%。

在作業開始前的時刻，根據對流單體追蹤信息產品記錄的該時刻的對流單體的編號和位置等信息，得到當時已經生成的所有對流單體。依據編號向前回溯，可以找到各個單體生成的時刻；向后，則可以找到單體消亡的時刻。這樣，就可以得到當時所有對流單體的生命期和在生命期內各時刻的強回波面積S、組合反射率CR、回波頂高ET、垂直液態水含量VIL、單體特征W等回波參量，同時提取這些特征量，實時跟蹤監測對流單體的雷達回波特征變化，還可追蹤到回波消散。最后，給出在整個生命期內雷暴單體各參量隨時間的變化情況，根據研究需要，開發對流單體跟蹤監測分析系統。

4 雷暴典型年選取

根據黃石氣象站2006-2013年的雷暴統計資料，2010年雷暴日數和雷暴次數均達到8年內的最大值（見圖2），因此本研究選取2010年作為雷暴典型年。機場區域雷暴主要發生在4-8月，其中7月、8月為雷暴高發時段，2010年7月和8月的雷暴日數和次數均達到近8年來最大值。因此，選取這一時段雷暴過程來進行地場區域雷暴單體活動特征分析。

圖2 2006-2013年雷暴日數、次數統計圖

5 分析結果

5.1 雷暴發生規律

5.1.1 雷暴年際、年變化特征

統計黃石氣象站近30年（1985-2013年）的地面觀測資料，近30年雷暴年日數以2.7 d/10 a 的速率減少，年平均日數為39.3 d，最多年份出現在1991年（57 d），最少年份為2001年（23 d）。近30年中，1999年、2001年、2013年雷暴日數在30 d 以下。近10年平均雷暴日數為37.9 d，較1985-1989年減少了2.3 d，較1990-1999年減少了4.8 d。雷暴累年各月發生的平均日數在0.2～8.6 d，主要發生在4-8月，其中7月、8月為高峰時段，平均發生日數為8.6 d（見圖3）。

圖3 黃石站1985-2013年雷暴年際、年變化特征

5.1.2 雷暴日變化特征

根據近10年（2001-2013）的統計，雷暴大部分集中發生在午后及夜間，其日變化特征為雙峰型分布，發生頻率較高時段為15:00—20:00，其中20:00為雷暴發生頻率最高時段，而21:00 至次日02:00 出現相對較少，如圖4、表1所示。

圖4 黃石站累年（2001-2013年）逐時段雷暴出現次數

5.1.3 雷暴持續時間

近10年，機場區域雷暴持續時間4 h 以內為主，占比超過96%，其中持續0～1 h 為最多，達到52.4%，超過12 h 僅在2012年5月8日發生了一次（見表2）。

5.1.4 雷暴的初終期

近30年來，雷暴發生的初期平均為2月21日，終期平均為10月2日，平均初終間日數為224 d；其中1998年雷暴發生最早，初期為1月7日，終期為8月26日，初終間日數為231 d；2011年發生最晚，初期為4月15日，終期為11月5日，初終間日數為204 d，如表3所示。

表1 黃石站累年（2001-2013年）各月逐時段雷暴出現次數

表2 黃石站累年（2001-2013年）各月不同持續時間的雷暴出現次數

表3 黃石站累年（1985-2013年）雷暴的初期和終期

5.2 雷暴單體特征分析

5.2.1 雷暴單體的分布特征

以機場選址區域中心點坐標（115°02′49″N，30 °20 ′46 ″E） 為中心，以3 km為邊長，圈定場址周邊雷暴單體特征的分析范圍，分析范 圍 為114 °53 ′49 ″～115 °11 ′49 ″N、30°11′46″～30°29′46″E。在場址范圍內，2010年7-8月總共出現雷暴單體數量為264，其中本地生成的雷暴單體占60.2%，由外地移入的雷暴單體占39.8%，場址范圍內由本地生成的雷暴單體較多，外地移入相對較少。

將場址上空劃分為東北、東南、西北和西南四個方向，表4為場址雷暴單體生成的方位，本地生成的單體在四個方位出現的概率比較平均，在東北方向上較少，為18.88%，其他三個方位出現的概率均為27.04%；外地移入的單體出現的方位分布不均，一半以上的雷暴單體出現在西南方向，西北方向出現概率排名第二，東南方向其次，東北方向最少。

表4 機場選址區域本地生成和外地移入雷暴的生成方位百分比統計

5.2.2 雷暴單體特征分析

表5對雷暴單體的生命史、強度以及高度分布等特性進行了統計分析，由圖5可見，場址范圍內本地生成的雷暴單體占多數，但是其中40.9%的單體僅為6 min，生命史時長在1 h 以下的雷暴單體占總雷暴數的93.7%，1 h 以上（含1 h）的僅占6.3%。外地移入到場址范圍內的雷暴單體相對來說生命史較長，1 h 以下的雷暴單體占總雷暴數的86.7%，1 h 以上（含1 h）的單體數占13.3%。

表5 機場范圍內雷暴單體的特征分析

圖5 雷暴單體生命史時長分布圖

由圖6可知，雷暴單體的回波頂高變化幅度較大，本地生成的單體回波頂高在4～22 km，平均在8.7 km，外地移入的單體回波頂高在5.5～19.0 km，平均在9.0 km。最大反射率高度基本在20 km 以下，本地生成的單體最大反射率高度在0.6～20.4km，外地移入的單體最大反射率高度在0.6～13.1 km。外地移入的單體相對于本地生成的單體，回波頂端較高，最大反射率高度相對較低。

圖6 雷暴單體ET 和最大反射率高度公布段

本地生成的雷暴單體最大反射率強度保持在34～67 dBz，平均值為47.4 dBz，大于50 dBz 的單體僅占27%，外地移入的雷暴單體大反射率在34～66 dBz，平均值為55 dBz，超過一半的單體最大反射率大于50 dBz。外地移入的單體雷暴強度大于本地生成的雷暴單體。

6 結論

（1）近30年來，機場選址區域的雷暴呈減少趨勢，發生的高峰期在7-8月。雷暴夏季發生最多，春季次之，秋冬季發生較少。雷暴的發生有明顯的日變化特征，呈雙峰型分布，發生頻率較高時段為15:00—20:00，其中20:00 為雷暴發生頻率最高時段，而21:00 至次日02:00 出現相對較少。近10年，機場區域雷暴持續時間4 h 以內為主，占96%以上，一半以上的雷暴持續0～1 h。近30年來，雷暴發生的初期平均為2月21日，終期平均為10月2日，平均初終間日數為224 d。

（2）選取2010年7月、8月為雷暴典型時段分析雷暴單體，總共出現雷暴單體數量為264，其中本地生成的雷暴單體占60.2%，由外地移入的雷暴單體占39.8%，場址范圍內由本地生成的雷暴單體較多，外地移入相對較少。本地生成的單體在天空均分的四個方位出現的概率比較平均，外地移入的單體一半以上出現在西南方向，由于雷暴區是飛行的禁區，應盡量避免在西南方向設置跑道及其延長線[3]。

（3）外地移入到場址范圍內的雷暴單體相對來說生命史較長，回波頂端較高，最大反射率高度較低。孤立的雷暴如果不在跑道或跑道延伸線上，基本對航班沒有影響，飛機可以正常起降[4]。成片的雷暴或帶狀雷暴，一般是系統性的，持續時間大多在1 h 以上，在航班比較密集的時段，對航班影響較大，為保證飛行安全，航班只能在雷暴過后執行。