昌北机场强降水特征分析

张 顺，胡 洋，周 雨

(1.民航江西空管分局，江西 南昌 330114；2.江西省气象服务中心，江西 南昌 330000)

0 引言

短时间内降水强度大，降水量超过8 mm/h的天气现象称为强降水，多发生于中小尺度天气系统中，常伴随雷雨、大风等强对流天气。国内很多专家学者从小时时间尺度对强降水进行了分析研究，谢五三等[1]研究了安徽省1961—2015年逐小时降水的概率分布，发现合肥、宿州和安庆概率密度分布呈“尖峰厚尾”的特征，表明以上地区出现极端强降水的概率较大；熊明明等[2]利用2009—2013年天津地区205个自动气象站的逐时降水资料，发现天津地区降水小时数及小时降水强度空间差异明显，小时降水最大出现频率为每天的午后或傍晚；余欣等[3]对2005—2015年景德镇强降水观测资料分析，发现该地区短时强降水多发生于系统性的暴雨过程中；陈建德[4]通过对2011年11月—2012 年11月厦门机场的观测统计资料进行分析，认为短时强降水很少情况下会使跑道视程、主导能见度降低到机场最低运行标准以下，但会引起风、温度等气象要素的剧变。

目前昌北机场尚未开展小时时间尺度的降水特征分析，近年来极端天气频发，对气象工作者也提出了更高的要求，对小时降水资料开展分析很有必要。本文利用机场跑道气象站常规观测资料，对2011—2018年强降水天气进行分析，总结出强降水天气的特征，为以后的强降水天气预报提供参考。

1 数据来源

本文资料来源为2011—2018年昌北机场跑道自动观测系统测量资料，包含有1 min跑道方向能见度、跑道视程(RVR)以及每小时降水量，能见度为观测员人工观测值。昌北机场气象观测场地理位置为28°51′N,115°54′E，海拔高度35.4 m，跑道方向分别为26°、206°。目前，昌北机场实施的是I类仪表着陆进近——决断高不低于 60 m，能见度不小于800 m或跑道视程不小于550 m的精密进近着陆。本文所采用的时间统一为北京时，小时降水以北京时整点后01分开始统计至60分为止的降水量，文中所用气压为修正海平面气压。

2 研究方法与结果分析

2.1 强降水的强度和历时分布

采用自动观测系统小时降水数据，将小时降水量分为8.1≤1 h<20 mm、20≤1 h<30 mm、30≤1 h<40、40≤1 h<50、50≤1 h<60区间进行统计。

表1 2011—2015年昌北机场短时强降水的强度分布Tab.1 Intensity distribution of short-term heavy rainfall in Changbei Airport from 2011 to 2015

统计表明(表1所示)，2011年1月—2015年12月，小时强降水共出现268个时次。以8.1 mm≤1 h<20 mm出现的次数最多，达216时次，占比80.6%；20 mm≤1 h<30 mm有42时次，占比15.7%。由此可见昌北机场小时强降水主要集中于30 mm以下,占所有强降水的96.3%。50 mm以上小时降水较少，仅出现过2次，分别为2014年5月29日51.7 mm，2016年7月13日53.2 mm。

将出现强降水过程事件进行统计分析，如表2所示，昌北机场强降水以1～2 h时长为主，占比达总强降水次数的95.6%，出现连续3 h和4 h强降水次数各为4次，占比为1.9%，未出现连续5～6 h的连续强降水；最长小时强降水出现在2016年6月2日，连续出现7 h降水量大于8 mm的强降水。

2.2 强降水年发生次数及极值分布

从表3中看出，2011—2018年间昌北机场出现强降水时间年均33时次，最多为2015年，出现56时次，最少为2011年仅17时次，2011—2015年呈增多趋势，2015—2018年则呈下降趋势。最大小时降水量为2016年7月13日18—19时，小时降雨量为53.2 mm。总体来看，强降水出现的次数和最大降水量呈一定的随机性，各年度分布值差异较大，主要还是受大气环流背景影响。

表3 2011—2018年昌北机场强降水年分布与极值Tab.3 Annual distribution and extreme value of heavy rainfall in Changbei Airport from 2011 to 2018

2.3 强降水月际分布

如图1所示，2011—2018年昌北机场强降水事件发生于2—12月，4—8月为强降水发生的集中月份，共出现了200时次，占比74.6%，其中从4月份开始次数明显增多，6月出现次数最多，达78时次，占比29.1%。这主要是由于2—4月昌北机场西南暖湿气流偏弱，水汽输送以中高纬西风气流为主[5]，冷暖气流势力相当，活动频繁，因此，2—4月，强降水事件不多；5—6 月，副高加强，西南季风爆发，水汽输送充足，在一定的天气形势下，多系统性的持续暴雨，短时强降水出现的概率达到峰值；7—8月西南气流虽最为强盛，但昌北机场大部分时间处于副高控制，天气稳定，晴好为主，强降水多发生在副高进退过程中，午后傍晚产生局地强对流天气过程。

图1 昌北机场强降水月分布Fig.1 Monthly distribution of severe rainfall in Changbei Airport

2.4 强降水日分布及对航空运行的影响

图2为昌北机场逐小时强降水频次与每日航班计划起降量统计图，通过对逐小时强降水出现时段与该时段航班计划起降架次(图2)进行统计分析发现，强降水频次日分布呈双峰形态，强降水发生时间主要集中在傍晚至上午的时间段。00—11时以及16—24时为峰值区，12—15时为谷区。通过图2中航班计划起降架次曲线可以发现，07时开始，昌北机场每日计划航班量呈快速增加的趋势，高峰期分布在08—13时间段，与强降水出现的高频时段(08—11时)有部分重叠，08—11时是昌北机场航班计划起降的高峰时段，也是强降水发生的频次较多的时间段，目前国内有不少航空公司都规定在中等强度降水以上的天气条件下禁止起降，因此，在该时间段强降水对航班实际运行造成影响的概率较大；强降水出现频次的另一个峰值为16—24时，而该时间段恰为计划航班量分布的次高峰区域，平均每小时18架次，计划航班量分布较集中，所以，在该时段强降水对航空运行造成的影响也较大。在航班密集时间段出现强降水，风向风速，雷暴，能见度等气象要素的变化是航空用户密切关注的问题，预报员在保障工作中需要更为细致的气象服务。

图2 昌北机场逐小时强降水频次与计划航班量统计Fig.2 Statistics of hourly heavy rainfall frequency and planned flight volume in Changbei Airport

2.5 强降水伴随的气象要素对航空运行的影响

对近8 a强降水出现时气象要素特征进行统计分析发现，强降水出现的平均气温为19 ℃，最高气温达34.9 ℃，最低气温4.2 ℃；平均气压1 010.6 hPa，最高气压1 022 hPa，最低气压999 hPa。温度、气压等要素差异较大。

表4 2011—2018年昌北机场强降水天气过程气温、气压逐月统计特征Tab.4 Monthly statistical characteristics of temperature and QNH of heavy precipitation weather process in Changbei Airport from 2011 to 2018

在268次强降水事件中，221次伴有雷暴，51次出现阵风天气，其中阵风大于17 m/s有6次，能见度低于800 m的过程有8次，跑道视程低于550 m的过程6次，达到起降标准以下的天气过程次数较少，由此可见昌北机场强降水对能见度、跑道视程影响很少到起降标准以下，对飞行的影响可能更多的是雷暴、大风等天气。

2.6 天气形势特征

造成强降水的天气系统有多种，李帮英等[6]对黔东南两次区域型暴雨进行分析，认为该过程冷锋低槽共同影响的作用；肖艳林等[7]认为西太副高的位置变化对中东部旱涝区域的变化造成影响；杨熠等[8]对区域性暴雨研究发现，该区域高空影响系统大概分为低涡槽型，高空槽气旋型，高空槽低涡切变型。

通过对近8 a降水资料分析发现，当出现小时降水量超过20 mm的强降水时，机场出现暴雨天气的概率为62.1%，为更好的研究强降水天气对机场的影响，将近8 a强降水天气过程的主要影响天气系统进行统计分析(同一次天气过程的所有小时强降水统计为1次)。

表5 昌北机场强降水天气影响系统Tab.5 Influence system of heavy rainfall weather in Changbei Airport

通过表5可以发现：昌北机场出现强降水的影响天气系统主要为低涡切变，锋面，低槽，副热带高压边缘等，其中低涡切变型的影响最大，占比为31.7%；其次为副高边缘型占比24.4%，锋面型占比22%；低槽型占比9.8%，混合型占比12.2%。

2.7 两种强降水的不同特征

强降水一般分为高质心降水和低质心降水，主要根据降水回波的强度和伸展高度来进行区分，高、低质心结构的判断条件[9]：如果40 dBz反射率因子垂直扩展到-20 ℃等温线以上高度，则判定为高质心结构；否则，属于低质心结构。为更好的了解这两种降水事件中气象要素的变化，分别选取了3个低质心降水个例和3个高质心降水个例来进行对比分析。

图3 昌北机场两种不同类型强降水过程气象要素变化曲线Fig.3 Variation curve of meteorological elements in two different types of heavy rainfall at Changbei Airport

图3中所选个例降水量均为20～30 mm/h的短历时强降水过程。在2015年7月20日高质心降水过程中(图3a1)，伴随着降水的发生和增强，机场的气压随之增高，降水结束后开始回落，气压与降水变化相一致；气温的变化与降水联系比较紧密，随着强降水的发生，气温迅速下降，之后趋于稳定；短时强降水发生时段内，平均风速和跑道视程变化趋势较一致，在降水达到最强时，均陡降至谷底，变化非常剧烈。在2015年5月10日(图3a2)和2017年8月17日(图3a3)两次高质心降水过程中气象要素变化也有相似的特性，降水结束后，图3a2中气压和风速出现了持续上升的情况，而图3a3中降水结束后，风速才迅速增大，其原因可能是受雷暴高压的影响，而观测站所处天气系统的位置不同、天气系统的强弱、日变化等因素影响，使所测得的要素变化规律也不尽相同。图3b中3次低质心降水过程中的气象要素变化也随降水的发生频繁波动，相比高质心降水过程，其波动幅度明显减弱。

表6给出了昌北机场两种不同类型强降水过程持续时间和跑道视程变化特征，从表中可以发现，高质心降水持续时间相对较短，强降水造成的跑道视程下降的程度更大，其原因可能是高质心降水低层辐合作用强，强的风垂直切变有利于短时间带来大的降水，同时气象要素也发生剧烈的变化，然而强降水带来的下沉气流也加速了对流云的消亡,所以其持续时间相对较短。另外两种强降水天气过程中，跑道视程值低于机场运行标准的情况较少，仅出现了1 min。

表6 昌北机场两种不同类型强降水过程持续时间(min)和RVR(m)变化特征Tab.6 Variation characteristics of duration (min) and RVR (m) of two different types of heavy rainfall at Changbei Airport

结果表明，两种类型的强降水过程中均有出现气压上升，气温下降，风速、跑道视程多变等特征，但高质心降水过程更为明显，变化的程度与天气系统的强弱、位置、移动速度等因素息息相关。但是强降水过程中跑道视程很少出现低于机场运行标准的情况，强降水过程所伴随的雷暴，大风等天气可能是影响航班正常运行的主要原因。

3 结论

①昌北机场强降水天气一般出现在4—8月，6月最多；多持续1～2 h，易发生在傍晚至上午时段，其中08—11时、16—24时段出现的强降水过程对昌北机场航班运行影响较大。

②强降水大多发生在系统性的暴雨过程中；主要影响天气系统有低涡切变、低槽、锋面、副高边缘等；中高纬西风气流、西南季风、副热带高压西侧西南气流和低空急流是主要的水汽来源。

③强降水常伴有雷暴、阵风天气，主要移动方向为西南—东北走向，雷暴大风偶有发生，对跑道视程的影响很少达到起降标准以下；对飞行的影响可能更多的是雷暴、大风等天气。

④强降水过程会带来风、气压、能见度、跑道视程等气象要素的剧变，高质心降水过程更为明显。