瑞金机场高影响天气气候特征分析

陈胜东,李翔翔,徐卫民,温新龙,沈竞

(江西省气象科学研究所，南昌330096)

0 引言

近年来随着全球气候变暖的加剧，高影响天气对人类社会发展和生存带来极大的影响和威胁。高影响天气主要指对社会、经济和环境产生重大影响的天气现象与事件，如暴雨、雷暴、高温、寒潮、大雾、台风等。中国是世界上遭受高影响天气最严重和频繁的国家之一[1-2]，如2008年南方遭遇了持续性的低温雨雪冰冻天气灾害，全国20多个省市受到影响，2013年中国中东部地区连续发生多次长时间、大范围、高强度的灰霾天气，污染危害人体健康，引发了社会各界对雾霾的高度关注[3]。

各项研究表明，不良天气条件是影响人类日常生活、生产、健康和交通旅游各方面活动的重要原因之一[4-7]。因此，许多学者高度重视高影响天气的研究，开展了大范围高影响天气个例分析[8-11]及气候特征研究[12-14]，万日金[8]分析了上海世博会2010年5月1日至10月31日期间每日客流量与各类高影响天气(江南春雨、梅雨、盛夏高温、夏秋台风等)的相关关系，金丽娜等[12]分析西安世界园艺博览会会期高温、暴雨、强对流、大风等高影响天气气候特征，吕勇平[14]对2010年广州亚运会期间同期气象条件进行统计分析，发现强冷空气对广州亚运会期间影响最大，而影响开幕式的主要气象风险为强降水。近年来，国内外也开展了各类交通气象服务领域中高影响天气的分析工作[15-19]，高巍等[16]探讨分析了铁路气象灾害风险识别与衡量的内容与方法；德庆卓嘎[17]统计分析青藏高原各类灾害的时空分布，并建立不同灾害天气类型的指标；金强兵等[19]对影响黔西南州道路交通安全的高影响天气进行区划。综上所述，以往对民航开展高影响天气研究较少，机场恶劣气象灾害是影响其安全的主要因素之一，甚至在某些特定天气条件下是关闭机场的依据。从航空延迟起降事故来看，气象因素所占的比例最大，大约有80%以上的航班延误是由于天气原因造成的，有约1/4到1/3的航空器事故都与天气有关。李志杰[20]利用新郑机场2004—2010年雷暴观测数据，分析了雷暴对飞行安全的影响，并给出了几点雷暴天气下的飞行管制措施。王清平等[21]分析了2015年1月14日严重影响航运的大雾天气背景，左同连[22]对气象灾害对航班延误、安全、经济损失等多方面的影响进行了评估，并建立了评估模型。

图 1 机场及周边气象站相应位置及所在区域等高线Figure 1 Locations and contour lines of the airport and surrounding weather stations

瑞金机场可以改善赣南地区的综合交通运输网络，拓宽对外开放通道、提升对外开放水平、促进当地的外向型经济发展，还可拓宽对内联接通道，扩大瑞金发展空间，促进红色及绿色旅游资源开发。另外，瑞金机场对于加强城市应急救援和应对突发事件的能力具有重要作用。众所周知，天气变化作为一种不可控的因素，对民航运输事业的发展发挥着极为关键性的作用，能够直接的影响机场、航空部门等相关单位及部门的日常运作。造成飞行事故的主要恶劣天气包括雾和霾(恶劣能见度)、雷暴、闪电、冰雹、积雪、冻雨等，本研究称之为影响瑞昌机场的高影响天气，通过对瑞金机场附近气象站点高影响天气气候变化特征的分析研究，可加强对高影响天气事件出现的可能性、严重性和危害性的认识，提升灾害预报预警能力。

1 资料及方法

1.1 参证气象站的选取

图1给出了瑞金机场与周边5个气象观测站的相应位置分布，瑞金机场位于江西东南，与福建西南交界，该区域山地较多。县(市)城所在地多处于面积较大、海拔较低的平原上，周边有山地分布，特别是县与县的边界线多是海拔较高的山脊。总的来讲各县城均位于大小及形状不同的盆地或峡谷中，区域总体地形高程在110～1 300 m之间(图1)，相对而言机场与瑞金气象站同属一盆地，且距离最近，仅从地形地貌相似性考虑，选取瑞金气象站作为机场气象参证站。

1.2 资料

本研究所用的资料为江西省气象信息提供的瑞金气象站近30年(1988—2017年)的记录，包含降水、气温、风速、雾、霾等常规观测资料，也包含雷暴、闪电、冰雹、积雪、冻雨等非常规观测资料，采用数理统计方法，对瑞金机场发生频率较高的高影响天气的气候特征进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 雷暴

雷雨夏天较多，南方云顶低，水汽充沛，这种恶劣天气是影响飞行安全和航班正常性最突出的原因之一。据近20年来中国民航运输机的飞行事故统计，因飞行新路雷暴区导致飞机失事占气象事故的1/6,可见雷暴是恶劣天气中最常见、最危险、影响最大的因素，因此了解雷暴规律，对在航运工作中作出正确的处置是至关重要的。

图 2 瑞金站1988—2013年平均雷暴日数(a)、雷暴大风日数的月变化(b)及逐年变化时间序列(c)Figure 2 Time series of thunderstorm and thunderstorm wind days in Ruijin from 1988 to 2013

2.1.1 雷暴日数

由于雷暴日数观测止于2013年，因此雷暴发生日数、初期和终期及初终间日数只分析1988—2013年时段。此外，中国并没有针对对流性大风的观测，因此采用的雷暴大风统计方法是：若大风(>5 m·s-1)在雷暴发生期间出现，则记发生一次雷暴大风。

从1988—2013年平均雷暴日数(图2a)及雷暴大风日数(图2b)月变化来看，夏季(6、7、8月)雷暴日数最高，6、7、8月发生日数分别为9.7天、10.4天和11.5天，10月至翌年2月最少，均低于3天。其中雷暴大风日数较少(图2b)，表现为夏季最高，6、7、8月发生日数分别为0.2天、0.4天和0.3天，而冬春季节较少，其中1月、2月、9月和12月无雷暴大风发生。从逐年变化序列来看(图2c)，1988—2013年雷暴年均日数为59.0天，日数呈波动上升趋势，年际趋势并不显著，1989年雷暴日数最低，为40天，而2012年雷暴日数最高，为76天。雷暴大风日数亦表现为波动上升的变化趋势，年均雷暴大风日数为1.5天，占总雷暴日数的2.5%。

2.1.2 雷暴初、终日

图 3 瑞金站1988—2013年雷暴初日和终日及初终间日数变化Figure 3 The changes in the first, between, and last days of thunderstorms in Ruijin from 1988 to 2013

图 4 瑞金站1988—2013年闪电日数逐月变化(a)及逐年变化(b)时间序列 Figure 4 The monthly(a) and yearly variations (b)of lightning days in Ruijin from 1988 to 2013

图 5 瑞金2013—2017年平均的闪电次数月(a)、日分布(b)Figure 5 The monthly (a) and daily distribution (b) of lightning times in Ruijin from 2013 to 2017

以一年中首个雷暴日为该年雷暴初期，最后一个雷暴日为终期，瑞金站雷暴初日和终日及初终间日数见图3。1988—2013年雷暴初日的平均日期为2月20日，其中1989年和1996年雷暴发生最早，分别在1月7日和1月6日，2011年雷暴初日最晚(4月16日)；雷暴终日均在9月份以后，多年平均终日为10月19日，其中2007年雷暴结束最早，为9月2日，1997年雷暴结束最晚，为12月20日。从初终间日数来看，1988—2013年均为242天，年际变化无明显趋势，2013年雷暴初终间日数最少，为180天，2012年最长，达299天。

2.2 闪电

飞机在暖季飞行，尤其是夏季飞行时，常会遇到闪电天气。对于从事航空飞行人员来说，了解闪电发生的规律，掌握闪电信息，采取有效措施，避开或飞越闪电天气区，确保飞行安全具有十分重要的意义。

2.2.1 闪电日数变化

从多年平均闪电发生日数的逐月变化来看(图4a)，7、8月份闪电日数最高，分别为4.4天和5.5天，冬、春两季闪电较少，其中12月和1月的闪电日数为零。从逐年变化时间序列来看(图4b)，1988—2013年年均闪电日数为15.0天，过去30年闪电日数呈波动下降趋势，2001年闪电日数最低，为2天，而1988年闪电日数最高，为31天。

2.2.2 闪电定位分析

对近5年(2013—2017年)平均瑞金市上空闪电定位资料进行分析，总体来看具有以下特点：

(1)闪电发生主要集中在夏季，冬季少有发生(图5a)；

(2)闪电次数日分布的高频时期在14:00—20:00(图5b)；

(3)各季节闪电定位均未表现出特定的空间格局，负闪频次(占97.7%)明显高于正闪频次(占2.3%)。

春季闪电定位密度的年际变化较大(图6)，2013年、2014年和2016年闪电密度明显高于2015年和2017年。不同年份对比来看，闪电定位的空间分布特征并不一致。其中2013年闪电在北纬26°存在一条较为集中的定位带，并影响到机场场址(图6)；其他年份定位分散，且在机场周边无明显集中带。

夏季闪电定位密度明显高于春季，且年际变化较大(图7)，2014年闪电密度明显高于其他年份。不同年份对比来看，闪电定位的空间分布特征并不一致。其中2013年在机场场址附近以及瑞金市西北部地区闪电较为集中，但闪电密度并不大；2014年闪电密度为近5年最大，2015年和2016年闪电定位较为分散，且密度低于2014年；2017年在机场周边存在明显的集中区域。

秋季闪电定位密度不同年份的差异不大(图8)，2013年、2014年和2016年闪电定位密度略低于2015年和2017年。从闪电定位空间分布来看，2013年和2016年闪电定位较为分散，无明显集中带；2014年机场附近区域闪电定位较为集中，但密度较小；2015年瑞金市南部地区闪电定位密度略高于北部地区，机场周边区域闪电密度较低；2017年闪电主要集中在瑞金市西部地区，机场周边闪电发生频次不高。

图 6 瑞金2013—2017年逐年春季闪电定位空间分布Figure 6 The lightning spatial distribution of Ruijin in spring during 2013—2017

2.3 对流性降水

图 9 瑞金站2005—2017年平均不同等级对流性降水月变化(a)和日变化(b)Figure 9 The lightning spatial distribution of Ruijin in winter during 2013—2017

对流性降水指的是大气对流运动引起的降水现象，对流性降水主要发生在北半球夏季(6、7、8月)，虽然具有水平尺度小，持续时间短等特点，然而其降水强度之大以及累计降水量之多往往会给航行条件带来重大影响。

对流性降水的判断阈值具有区域差异性，本研究将小时降水量超过10 mm作为对流性降水。此外，由于瑞金站自2005年始有小时分辨率降水观测记录，因此本研究针对2005—2017年对流性降水的逐年变化和日变化特征进行了分析。

瑞金站2005—2017年对流性降水(>10 mm·h-1)总共发生279天，占总降雨天数的14.2%，年均发生频率为5.9%，其中>20 mm·h-1以上对流性降水发生91天，发生频率为1.9%，>30 mm·h-1以上对流性降水发生34天，发生频率为0.7%。由图9a可知，对流性降水主要发生在5、6月份，占全年对流性降水的一半左右，而冬季(12月、1月和2月)对流性降水最少；中等以上的对流性降水变化为同样的逐年变化特征，5、6月份>20 mm·h-1和>30 mm·h-1对流性降水分别占全年的47.3%和50.0%。从对流性降水日变化来看(图9b)，一半左右的对流性降水发生在6—13时。和中国大多数地区强对流天气主要集中发生在午后不同，机场所在地区除了在午后时段，在早晨发生强对流天气的频率也较高，主要是受夜间西南气流扰动的影响；需要注意的是，对流性降水发生时段随强度加大逐渐推移，>20 mm·h-1的对流性降水则主要集中在10—12时，占总时数的28.3%；而>30 mm·h-1的对流性降水主要集中在10—16时，占总时数的55.3%。

2.4 雾和霾

瑞金机场1988—2017年雾、霾日数具有明显的季节性差异，表现为夏季雾、霾发生日数少而冬春季节较多。各月雾日数明显大于霾日数，11月的雾日数最多(1.5天)而12月份的霾日数最多(0.8天)。7月份没有雾发生，而5、6、7月没有霾发生(图10a)。1988年至2017年雾、霾日数未表现出显著的变化趋势，雾、霾日数的波动均较大(图10b)。过去30年的年均雾日数为8.2天，其中1988年发生日数最少(2天)，而2016年发生日数最多(20天)；过去30年有10年未发生霾事件，平均每年发生霾事件2.5天，2017年霾日数最多(12天)。

图 10 瑞金站1988—2017年平均雾、霾日数月变化(a)及逐年变化(b)曲线Figure 10 The monthly (a) and yearly curves (b)of fog and haze days in Ruijin from 1988 to 2017

图 11 瑞金站1988—2017年雾、霾最长持续日数逐年变化曲线Figure 11 The annual variation curve of the longest duration of fog and haze in Ruijin from 1988 to 2017

从雾持续日数来看(图11)，过去30年中有13年最长持续雾日数为1天，13年最长持续雾日数为2天，3年最长持续雾日数为3天，1年最长持续雾日数为4天(2016年)。霾的最长持续日数亦为4天(1988年)，过去30年中有2年的最长持续日数为3天，8年最长持续日数为2天，9年最长持续日数为1天，剩下10年未发生过霾事件。

图 12 2005—2017年影响瑞金台风登陆路径Figure 12 The typhoon landing path affecting Ruijin from 2005 to 2017

2.5 热带气旋

以历次台风路径以及影响风圈半径为依据，统计了2005年以来影响瑞金市的热带气旋情况(图12)，并统计台风过境当日降水量、最大风速和极大风速，具体情况见表1。

2005年至今，影响瑞金机场的热带气旋主要登陆地点为福建省，总共为22个，平均每年1.7个，其中2009年至2011年无热带气旋影响，2005年和2016年最多，各有4次；瑞金属于内陆地区，影响瑞金市的热带气旋强度大部分已降低至热带风暴或热带低压，22个热带气旋中有11个为热带风暴，10个为热带低压，1个为强热带风暴；从降水量来看，热带气旋带来的降水有大有小，24小时降水量为小雨等级的有2次，中雨等级的有5次，大雨等级的有8次，暴雨等级的有7次；从极大风速来看，热带气旋对瑞金机场的影响以5～6级为主，共有14次，而8级风速有2次，4级以下6次。由此可见台风对瑞金机场带来的强降水影响大于大风。

2.6 结冰

雷雨云中有大量的过冷水滴，特别是在成熟阶段，会给低速度螺旋桨飞机带来严重积冰，虽然对高速、高空飞机危害较小，但对发动机积冰也有影响，了解瑞昌机场结冰集中期可提高对积冰灾害预报预警的警惕性。以某一年冬季首次结冰日为概念结冰初期，翌年春季最后一次结冰为该年结冰终期；若该年冬季未结冰，则以翌年春季首次结冰为概念结冰初期；若翌年春季无结冰，则以该年冬季最后一次结冰为终期。1988—2017年瑞金站结冰初、终期结果如图13。瑞金结冰最早为11月10日，发生在1992年，2009年的结冰终期最晚，为3月10日(图13)。从结冰初终间日数来看，最长达90天(1995年)，而2000年和2016年无结冰日。

表 1 2005—2017年影响瑞金的热带气旋强度及其降水量与风速Table 1 The tropical cyclone intensity,precipitation and wind speed affecting Ruijin from 2005 to 2017

3 结论与讨论

以瑞金机场气象参证站(即瑞金站)近30年记录的高影响天气资料为基础，分析了影响机场安全运营的高影响天气事件气候特征，主要结论如下：

(1)夏季是瑞金机场雷暴及闪电的主要影响时期，因此夏季要注意防雷防电。

(2)瑞金机场除了在午后(13时)的强对流降水(>10 mm·h-1)次数出现峰值外，受夜间西南气流扰动的影响，在早晨6时左右还有一个明显的高值，这是该区域强对流天气日变化的一个明显特征，应给予重点关注。

图 13 瑞金站1988—2017年结冰初期和终期及初终间日数逐年变化Figure 13 The initial and final icing and the number of days between beginning and end of Ruijin from 1988 to 2017

(3)瑞金站雾、霾日数表现为夏季少而冬春季节较多的特征。雾或霾引起的低能见度出现的频率冬春季节较高。

(4)瑞金台风主要发生在夏秋季节，主要登陆区域为福建省，并且台风带来的强降水影响高于大风的影响。

(5)瑞金站虽处于赣南地区，但每年均有结冰发生，且初、终期复杂多变，需注意冬季跑道除冰工作。

瑞金站高影响天气气候事件统计结果从发生频率来说，需注意春夏季雷暴以及冬春季大雾对飞行安全的影响。此外，需注意强降水，特别是台风天气带来的短时强降水以及夏季正午前后每小时大于20 mm的对流性降水导致跑道积水、能见度降低等对飞行安全的影响。其他本研究没有涉及的高影响天气，如冰雹、积雪、吹雪、冻雨和龙卷风等破坏性天气发生概率较小。