1956—2019年昌北国际机场高影响天气变化特征

汪玲瑶 ， 温新龙 ， 徐卫民 ， 蒋子瑶 ， 沈 竞 ， 陈 琦

江西省气象科学研究所， 江西 南昌 330096

0 引 言

高影响天气是指对社会、经济和环境产生重大影响的天气现象与事件，如雷暴、闪电、暴雨、极端高温或低温、雾霾、冰雹等(中国科学院学部，2010)。高影响天气事件的发生往往会对人民生产生活带来严重危害(金勇根等，2019；刘艳华等，2019)。据调查，高影响天气愈发成为影响机场正常运行的制约因素(Bai，2016)，且相对于人为或机械等其他原因，机场恶劣天气给民航系统造成的不确定性，常常会给航空公司和社会带来更多运输服务资源的浪费(Pejovic et al，2009；王时敏，2017)，甚至安全隐患(Fujita et al，1977)。其中，雷暴、冰雹是公认的影响机场飞行安全的恶劣气象要素，也是机场选址报告中明确规定需要提供统计或者调查的气象要素(崔洋等，2014；陈胜东等，2020)。而暴雨引起的跑道积水，雾、霾、沙尘、积雪等天气现象导致的机场能见度低，往往会造成机场航班的延误、取消、备降(王楠等，2018)。因此，加强当地高影响天气事件的认识对机场规划建设项目尤为重要。

南昌昌北国际机场(以下简称“昌北机场”)位于南昌市北部，距离市区直线距离21 km。作为江西省会民用航空运输机场，昌北机场航空业务发展势头十分迅猛，昌北机场有限公司于2019年开始筹备最新一期扩建工程的规划建设。文中利用1956—2019年昌北机场参证气象站的历史观测资料，对影响机场安全运营的雷暴、闪电、暴雨、极端气温、雾和霾等高影响天气进行统计分析，得到高影响天气的变化特征，以期为昌北机场扩建工程的规划设计提供科学参考。

1 参证气象站的选择

距离昌北机场60 km范围内有10个气象站，分别为都昌、德安、共青、永修、靖安、奉新、安义、新建、南昌和南昌县气象站。空间尺度上，这10个气象站对太阳辐射的承载，对大气环流和天气系统的受控性都是一致的，对于灾害天气的笼罩度也基本相似，但地形地貌的差异会造成局地小气候的差异。机场东北方向的都昌站与距离机场较远且间隔鄱阳湖；机场以北方向，德安和共青城站比永修站距离机场更远；机场以西有靖安、安义和奉新站，但中间间隔的梅岭对气象因素影响较大；机场以南的南昌县站为农事站，但距离机场远于南昌站；新建站位于机场的西北方向且较近。综合以上考虑，选定永修、南昌和新建站的观测资料代表机场附近的气候状况。

进一步对比永修、南昌和新建站。永修站为国家一般气象站，距离机场NNW方位约23 km，位于县城桥南建设村，周边开阔，观测资料代表性好；南昌站为国家基本气象站，距离机场SSE方位约34 km，位于青云谱区气象路43号，周边开阔，观测资料代表性较好；新建站为国家一般气象站，距离机场SSW方位约19 km，位于新建区长陵镇虎形山，但因城市化发展，气象站周边已经高楼耸立，观测环境遭受破坏较为严重，观测资料代表性差。永修站与昌北机场一样位于九岭山余脉的东北方位，而新建站与南昌站则位于余脉的东南方位。考虑台站观测资料的代表性和台站与机场的地形地貌差异，将永修站选为昌北机场参证气象站。

文中以昌北机场参证气象站(永修站)自建站以来(1956—2019年)记录的雷暴、暴雨、雾霾、高温、低温、积雪、沙尘、冰雹、龙卷等资料为基础，对影响机场运行的高影响天气事件进行时间变化分析。

2 高影响天气特征分析

2.1 雷 暴

雷暴是积雨云云中、云间或云地之间产生的放电现象，雷暴来时常伴有较强的阵性降水和短时大风。对航空飞行来说，雷暴是一种非常危险的天气现象。昌北机场参证气象站的雷暴日数观测数据止于2013年，因此统计时段为1956—2013年。从雷暴日数的月变化来看(图1a)，春季是雷暴的多发季节，4月份为全年的第一个雷暴高峰期，夏季(6、7、8月)雷暴日数最多，6、7、8月的发生日数分别为7.2、9.8、9.7 d，88%的雷暴出现在春季和夏季，10月至翌年1月雷暴出现的概率极小，月平均不足1 d；从逐年变化来看(图1b)，雷暴日数呈波动下降趋势，年均日数为49.8 d，2011年雷暴日数最少，为26 d，1973年雷暴日数最多，为83 d。

图1 1956—2019年昌北机场参证气象站雷暴发生日数月变化(a)和年变化(b)Fig. 1 Monthly (a) and annual (b) variations of thunderstorm day at meteorological reference stations during 1956-2019

2.2 闪 电

收集2010—2019年以昌北机场为中心、边长为50 km矩形区域内的闪电定位资料，分析机场附近闪电的时空分布特征。对昌北机场周边的闪电次数年、月、日变化(图2)分析发现，2013、2014、2015、2017年闪电发生次数大于1万次，2012、2019年发生次数偏少；88.3%的闪电集中在春、夏季，冬季少有发生；一日之中，闪电发生存在3个高峰期，15时发生次数最多、其次是19时和06时，日分布的高频时期在13—20时(占60.1%)。

图2 2010—2019年机场周边闪电次数日变化(a)、月变化(b)和年变化(c)Fig. 2 Monthly (a) , diurnal (b) and annual (c) variations of lightning frequency around the Changbei International Airport during 2010-2019

统计闪电高频年份(年发生数量大于1万次)，得到南昌国际机场周边50 km范围内2010—2019年各个季节的闪电密度(表1)。分析发现，机场附近各季节闪电密度变化较大，春季闪电密度最大为2.99 次/km2(2015年)，最小仅为0.36 次/km2(2014年)；夏季闪电密度明显大于春季，平均密度2.86 次/km2，最大可达4.18 次/km2(2017年)；秋季闪电密度明显小于春夏季，2013、2015年区域内闪电发生次数少，呈零星分布，2014、2017年多于上述两年，呈斑块式集中分布；冬季几乎无闪电。

表1 机场周边50 km范围内各季节闪电密度(单位：次/km2)Table 1 Lightning density in each season within 50 km around Changbei International Airport (unit: times/km2)

2.3 暴 雨

暴雨不仅会造成低能见度，还会导致跑道积水，减小跑道的摩擦因数，影响飞机的正常起降，对飞行安全危害极大。当日降水量超过50 mm记为暴雨日，日降水量超过100 mm记为大暴雨日。1956—2019年昌北机场暴雨日主要出现在4—8月(图3a)，其中5、6月最多，平均月暴雨日数分别为0.8、1.4 d，其余月份暴雨日数均低于0.5 d；年暴雨日数波动显著，呈缓慢增长趋势(图3b)，年均暴雨日数5.0 d，最少为0 d(1968年)，最多达13 d(1999年)。大暴雨集中发生在4、6月，占全年的66.3%，其中6月份最多，平均发生日数为0.4 d；大暴雨日数波动趋势较为平缓，年均日数为0.8 d，其中2004年大暴雨日数最多，为4 d，其次1973、1988年为3 d;共27 a无大暴雨日。

图3 1956—2019年昌北机场参证气象站暴雨发生日数月(a)、年(b)变化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 雾和霾

昌北机场参证站雾和霾日数具有明显的季节性差异(图4a)，雾多出现在冬春季(占75.6%)，而霾主要出现在秋冬季(占81.3%)，夏季雾、霾发生日数少；除春季和7月外，各月霾日数多于雾日数，秋冬季尤其明显。雾、霾出现日数最多的月份均为12月，分别为2.4、4.9 d。分析1956—2019年雾、霾日数逐年变化(图4b)发现，雾日数变化趋势不明显，多年平均日数13.1 d，其中1959年发生日数最少(3 d)，而1977年发生日数最多(26 d)。霾日数总体呈增加趋势，多年平均日数20.9 d，有6 a无霾日发生(均在1975年以前)，在2000年之后年际波动较大，2013年霾日数最多，达129 d。

图4 1956—2019年昌北机场参证气象站雾、霾发生日数月(a)、年(b)变化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 高温和低温

间隔20 a分段统计1956—2019年昌北机场参证气象站日最高气温高于30、35、40 ℃的高温日数和最低气温低于2、0、-2、-15 ℃的低温日数(表2)发现，高温日数呈增加趋势，近20 a平均高温日数最多，日最高气温大于等于30、35、40 ℃的日数分别为96.0、29.4、0.3 d；低温日数呈下降趋势，近20 a低温日数最少，日最低气温小于2、0、-2 ℃的日数分别为27.8、11.8、2.8 d，未出现过日最低气温小于-15 ℃的事件。

表2 1960—2019年昌北机场参证气象站每20 a高温和低温累计日数(单位：d)Table 2 Interdecadal variation of high and low temperature days during 1960-2019 at the reference stations of Changbei International Airport (units:d)

昌北机场参证气象站日最高气温超过40 ℃的高温日数在1956—2019年相对较少，因此仅对日最高气温超过30、35 ℃的日数进行月、年变化分析。结果表明，高温日数在7月份最多(图5a)，日最高气温大于等于30、35 ℃的日数分别为26.4、11.3 d，8月份次之，日最高气温大于等于30 、35 ℃的日数分别为26.2、11.7 d。分析逐年变化趋势(图5b)可见，1956—2019年高温日数呈缓慢增加的趋势，最高气温超过30 ℃的高温日数的增加速率略快于超过35 ℃的高温日数；分析低温日数的月变化和年变化可知，参证站低温日数在1月份最多(图5c)，日最低气温小于2、0、-2 ℃的日数分别为15.8、9.3、3.5 d，12月份次之，日最低气温小于2、0、-2 ℃的日数分别为9.9、5.1、1.7 d。分析逐年变化趋势(图5d)发现，1956—2019年低温日数的年变化呈明显下降趋势，日最低气温小于2 ℃的下降速率最快。

图5 1956—2019年昌北机场参证气象站高温日数月(a)、年(b)变化和低温日数的月(c)、年(d)变化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年昌北机场参证气象站其他高影响天气发生频次情况(表3)发现，结冰、积雪冻雨和冰雹日数均呈减少的趋势，其中结冰事件最多，其次是积雪，冻雨和冰雹记录均较少。年均结冰日数16.4 d，年均积雪日数4.6 d，年均冻雨日数0.7 d，结冰、积雪和冻雨主要发生在冬季的1月；冰雹主要发生在春季(占70.6%)，年均冰雹日数0.3 d。沙尘天气(扬沙、浮尘、沙尘暴)主要集中在21世纪以前，扬沙天气发生频率最高(2.8 d/a)，其次是浮尘(1.7 d/a)，沙尘暴和龙卷风鲜有发生。

表3 1960—2019年昌北机场参证气象站其他高影响天气发生情况(单位：d)Table 3 The occurrence of other high influence weather in reference stations of Changbei International Airport from 1960 to 2019 (units:d)

3 周期变化规律

基于Morlet小波分析法，分析1960—2019年昌北机场参证气象站高影响天气发生规律发现,暴雨、低温(日最低气温小于0 ℃)和高温(日最高气温大于等于35 ℃)日数存在明显的周期变化规律(图6)。参证站暴雨日数存在3个显著的特征时间尺度，分别是3—4 a、4—6 a和18—22 a(图6a)。3—4 a的振荡周期在20世纪70年代末和90年代末到2005年显著，4—6 a的振荡周期在20世纪90年代末到2005年显著，18—22 a的振荡周期在整个研究时段都较为显著。低温日数表现出2—3 a的显著振荡周期(图6b)，主要在20世纪60年代末、2006—2008年以及2018年以后。参证站高温日数存在2个显著的特征周期(图6c)，为2—4 a和14—16 a。2—4 a的振荡周期在20世纪60年代中期、80年代初、90年代末到2004年显著，14—16 a的振荡周期在20世纪70年代前后及21世纪初显著。

图6 1956—2019年昌北机场参证气象站暴雨(a)、低温(b)和高温(c)日数Morlet小波分析(打点区域表示通过信度0.05的显著性检验)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 结论与讨论

文中以1956—2019年昌北机场参证气象站的高影响天气资料为基础，对影响机场安全运营的高影响天气事件进行统计分析。结果发现，昌北机场附近雷暴、闪电、暴雨、雾、霾和极端气温发生频次较高，冰雹、积雪、结冰、冻雨、沙尘、龙卷风等破坏性天气发生频次较低。其中，雷暴多出现于春、夏季，年均雷暴日数为49.8 d，呈波动下降趋势；闪电高发于春、夏季，且夏季机场附近存在较明显的闪电集中区域，闪电高频时段为13—20时，最高峰为15时；暴雨、大暴雨年均日数分别为5.0 d和0.8 d，呈缓慢增长趋势，暴雨集中在4—8月，大暴雨集中在4、6月；夏季高温日数呈缓慢增加趋势，7月份最多，8月份次之；冬季低温日数呈明显下降趋势，在1月份最多，12月份次之；年均霾日数大于雾日数，霾多发于秋、冬季，雾集中在冬、春季，均于12月最常发生；暴雨、低温及高温日数均存在准2 a的周期变化。

机场建设需注意防范春夏季的雷暴及闪电天气，重点关注13—20时的闪电发生高频时段，应加强机场建设的防雷安全设计。春、夏季，尤其6月的暴雨灾害天气不可忽视，且随着高温日数的增加，机场建设需注意夏季高温天气导致飞机载重量降低，起飞滑跑距离和着陆距离增加的状况。冬季雾和霾天气易发，机场应提高针对区域精细化雾、霾等天气预报的服务能力。此外，机场建设仍要考虑冬季低温与本区域冰雹、结冰、积雪等气象条件结合可能带来的不利影响，合理设计机场除冰和扫雪设备的选型和规模。