昌北機場強降水特征分析

張 順，胡 洋，周 雨

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

0 引言

短時間內降水強度大，降水量超過8 mm/h的天氣現象稱為強降水，多發生于中小尺度天氣系統中，常伴隨雷雨、大風等強對流天氣。國內很多專家學者從小時時間尺度對強降水進行了分析研究，謝五三等[1]研究了安徽省1961—2015年逐小時降水的概率分布，發現合肥、宿州和安慶概率密度分布呈“尖峰厚尾”的特征，表明以上地區出現極端強降水的概率較大；熊明明等[2]利用2009—2013年天津地區205個自動氣象站的逐時降水資料，發現天津地區降水小時數及小時降水強度空間差異明顯，小時降水最大出現頻率為每天的午后或傍晚；余欣等[3]對2005—2015年景德鎮強降水觀測資料分析，發現該地區短時強降水多發生于系統性的暴雨過程中；陳建德[4]通過對2011年11月—2012 年11月廈門機場的觀測統計資料進行分析，認為短時強降水很少情況下會使跑道視程、主導能見度降低到機場最低運行標準以下，但會引起風、溫度等氣象要素的劇變。

目前昌北機場尚未開展小時時間尺度的降水特征分析，近年來極端天氣頻發，對氣象工作者也提出了更高的要求，對小時降水資料開展分析很有必要。本文利用機場跑道氣象站常規觀測資料，對2011—2018年強降水天氣進行分析，總結出強降水天氣的特征，為以后的強降水天氣預報提供參考。

1 數據來源

本文資料來源為2011—2018年昌北機場跑道自動觀測系統測量資料，包含有1 min跑道方向能見度、跑道視程(RVR)以及每小時降水量，能見度為觀測員人工觀測值。昌北機場氣象觀測場地理位置為28°51′N,115°54′E，海拔高度35.4 m，跑道方向分別為26°、206°。目前，昌北機場實施的是I類儀表著陸進近——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的精密進近著陸。本文所采用的時間統一為北京時，小時降水以北京時整點后01分開始統計至60分為止的降水量，文中所用氣壓為修正海平面氣壓。

2 研究方法與結果分析

2.1 強降水的強度和歷時分布

采用自動觀測系統小時降水數據，將小時降水量分為8.1≤1 h<20 mm、20≤1 h<30 mm、30≤1 h<40、40≤1 h<50、50≤1 h<60區間進行統計。

表1 2011—2015年昌北機場短時強降水的強度分布Tab.1 Intensity distribution of short-term heavy rainfall in Changbei Airport from 2011 to 2015

統計表明(表1所示)，2011年1月—2015年12月，小時強降水共出現268個時次。以8.1 mm≤1 h<20 mm出現的次數最多，達216時次，占比80.6%；20 mm≤1 h<30 mm有42時次，占比15.7%。由此可見昌北機場小時強降水主要集中于30 mm以下,占所有強降水的96.3%。50 mm以上小時降水較少，僅出現過2次，分別為2014年5月29日51.7 mm，2016年7月13日53.2 mm。

將出現強降水過程事件進行統計分析，如表2所示，昌北機場強降水以1～2 h時長為主，占比達總強降水次數的95.6%，出現連續3 h和4 h強降水次數各為4次，占比為1.9%，未出現連續5～6 h的連續強降水；最長小時強降水出現在2016年6月2日，連續出現7 h降水量大于8 mm的強降水。

2.2 強降水年發生次數及極值分布

從表3中看出，2011—2018年間昌北機場出現強降水時間年均33時次，最多為2015年，出現56時次，最少為2011年僅17時次，2011—2015年呈增多趨勢，2015—2018年則呈下降趨勢。最大小時降水量為2016年7月13日18—19時，小時降雨量為53.2 mm?？傮w來看，強降水出現的次數和最大降水量呈一定的隨機性，各年度分布值差異較大，主要還是受大氣環流背景影響。

表3 2011—2018年昌北機場強降水年分布與極值Tab.3 Annual distribution and extreme value of heavy rainfall in Changbei Airport from 2011 to 2018

2.3 強降水月際分布

如圖1所示，2011—2018年昌北機場強降水事件發生于2—12月，4—8月為強降水發生的集中月份，共出現了200時次，占比74.6%，其中從4月份開始次數明顯增多，6月出現次數最多，達78時次，占比29.1%。這主要是由于2—4月昌北機場西南暖濕氣流偏弱，水汽輸送以中高緯西風氣流為主[5]，冷暖氣流勢力相當，活動頻繁，因此，2—4月，強降水事件不多；5—6 月，副高加強，西南季風爆發，水汽輸送充足，在一定的天氣形勢下，多系統性的持續暴雨，短時強降水出現的概率達到峰值；7—8月西南氣流雖最為強盛，但昌北機場大部分時間處于副高控制，天氣穩定，晴好為主，強降水多發生在副高進退過程中，午后傍晚產生局地強對流天氣過程。

圖1 昌北機場強降水月分布Fig.1 Monthly distribution of severe rainfall in Changbei Airport

2.4 強降水日分布及對航空運行的影響

圖2為昌北機場逐小時強降水頻次與每日航班計劃起降量統計圖，通過對逐小時強降水出現時段與該時段航班計劃起降架次(圖2)進行統計分析發現，強降水頻次日分布呈雙峰形態，強降水發生時間主要集中在傍晚至上午的時間段。00—11時以及16—24時為峰值區，12—15時為谷區。通過圖2中航班計劃起降架次曲線可以發現，07時開始，昌北機場每日計劃航班量呈快速增加的趨勢，高峰期分布在08—13時間段，與強降水出現的高頻時段(08—11時)有部分重疊，08—11時是昌北機場航班計劃起降的高峰時段，也是強降水發生的頻次較多的時間段，目前國內有不少航空公司都規定在中等強度降水以上的天氣條件下禁止起降，因此，在該時間段強降水對航班實際運行造成影響的概率較大；強降水出現頻次的另一個峰值為16—24時，而該時間段恰為計劃航班量分布的次高峰區域，平均每小時18架次，計劃航班量分布較集中，所以，在該時段強降水對航空運行造成的影響也較大。在航班密集時間段出現強降水，風向風速，雷暴，能見度等氣象要素的變化是航空用戶密切關注的問題，預報員在保障工作中需要更為細致的氣象服務。

圖2 昌北機場逐小時強降水頻次與計劃航班量統計Fig.2 Statistics of hourly heavy rainfall frequency and planned flight volume in Changbei Airport

2.5 強降水伴隨的氣象要素對航空運行的影響

對近8 a強降水出現時氣象要素特征進行統計分析發現，強降水出現的平均氣溫為19 ℃，最高氣溫達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年昌北機場強降水天氣過程氣溫、氣壓逐月統計特征Tab.4 Monthly statistical characteristics of temperature and QNH of heavy precipitation weather process in Changbei Airport from 2011 to 2018

在268次強降水事件中，221次伴有雷暴，51次出現陣風天氣，其中陣風大于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，達到起降標準以下的天氣過程次數較少，由此可見昌北機場強降水對能見度、跑道視程影響很少到起降標準以下，對飛行的影響可能更多的是雷暴、大風等天氣。

2.6 天氣形勢特征

造成強降水的天氣系統有多種，李幫英等[6]對黔東南兩次區域型暴雨進行分析，認為該過程冷鋒低槽共同影響的作用；肖艷林等[7]認為西太副高的位置變化對中東部旱澇區域的變化造成影響；楊熠等[8]對區域性暴雨研究發現，該區域高空影響系統大概分為低渦槽型，高空槽氣旋型，高空槽低渦切變型。

通過對近8 a降水資料分析發現，當出現小時降水量超過20 mm的強降水時，機場出現暴雨天氣的概率為62.1%，為更好的研究強降水天氣對機場的影響，將近8 a強降水天氣過程的主要影響天氣系統進行統計分析(同一次天氣過程的所有小時強降水統計為1次)。

表5 昌北機場強降水天氣影響系統Tab.5 Influence system of heavy rainfall weather in Changbei Airport

通過表5可以發現：昌北機場出現強降水的影響天氣系統主要為低渦切變，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 兩種強降水的不同特征

強降水一般分為高質心降水和低質心降水，主要根據降水回波的強度和伸展高度來進行區分，高、低質心結構的判斷條件[9]：如果40 dBz反射率因子垂直擴展到-20 ℃等溫線以上高度，則判定為高質心結構；否則，屬于低質心結構。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個低質心降水個例和3個高質心降水個例來進行對比分析。

圖3 昌北機場兩種不同類型強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中所選個例降水量均為20～30 mm/h的短歷時強降水過程。在2015年7月20日高質心降水過程中(圖3a1)，伴隨著降水的發生和增強，機場的氣壓隨之增高，降水結束后開始回落，氣壓與降水變化相一致；氣溫的變化與降水聯系比較緊密，隨著強降水的發生，氣溫迅速下降，之后趨于穩定；短時強降水發生時段內，平均風速和跑道視程變化趨勢較一致，在降水達到最強時，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)兩次高質心降水過程中氣象要素變化也有相似的特性，降水結束后，圖3a2中氣壓和風速出現了持續上升的情況，而圖3a3中降水結束后，風速才迅速增大，其原因可能是受雷暴高壓的影響，而觀測站所處天氣系統的位置不同、天氣系統的強弱、日變化等因素影響，使所測得的要素變化規律也不盡相同。圖3b中3次低質心降水過程中的氣象要素變化也隨降水的發生頻繁波動，相比高質心降水過程，其波動幅度明顯減弱。

表6給出了昌北機場兩種不同類型強降水過程持續時間和跑道視程變化特征，從表中可以發現，高質心降水持續時間相對較短，強降水造成的跑道視程下降的程度更大，其原因可能是高質心降水低層輻合作用強，強的風垂直切變有利于短時間帶來大的降水，同時氣象要素也發生劇烈的變化，然而強降水帶來的下沉氣流也加速了對流云的消亡,所以其持續時間相對較短。另外兩種強降水天氣過程中，跑道視程值低于機場運行標準的情況較少，僅出現了1 min。

表6 昌北機場兩種不同類型強降水過程持續時間(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

結果表明，兩種類型的強降水過程中均有出現氣壓上升，氣溫下降，風速、跑道視程多變等特征，但高質心降水過程更為明顯，變化的程度與天氣系統的強弱、位置、移動速度等因素息息相關。但是強降水過程中跑道視程很少出現低于機場運行標準的情況，強降水過程所伴隨的雷暴，大風等天氣可能是影響航班正常運行的主要原因。

3 結論

①昌北機場強降水天氣一般出現在4—8月，6月最多；多持續1～2 h，易發生在傍晚至上午時段，其中08—11時、16—24時段出現的強降水過程對昌北機場航班運行影響較大。

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

③強降水常伴有雷暴、陣風天氣，主要移動方向為西南—東北走向，雷暴大風偶有發生，對跑道視程的影響很少達到起降標準以下；對飛行的影響可能更多的是雷暴、大風等天氣。

④強降水過程會帶來風、氣壓、能見度、跑道視程等氣象要素的劇變，高質心降水過程更為明顯。