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(nèi)降水強度大，降水量超過8 mm/h的天氣現(xiàn)象稱為強降水，多發(fā)生于中小尺度天氣系統(tǒng)中，常伴隨雷雨、大風等強對流天氣。國內(nèi)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(fā)現(xiàn)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(qū)出現(xiàn)極端強降水的概率較大；熊明明等[2]利用2009—2013年天津地區(qū)205個自動氣象站的逐時降水資料，發(fā)現(xiàn)天津地區(qū)降水小時數(shù)及小時降水強度空間差異明顯，小時降水最大出現(xiàn)頻率為每天的午后或傍晚；余欣等[3]對2005—2015年景德鎮(zhèn)強降水觀測資料分析，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)短時強降水多發(fā)生于系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)，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(guī)觀測資料，對2011—2018年強降水天氣進行分析，總結(jié)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(shù)據(jù)來源

本文資料來源為2011—2018年昌北機場跑道自動觀測系統(tǒng)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(tǒng)一為北京時，小時降水以北京時整點后01分開始統(tǒng)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(jié)果分析

2.1 強降水的強度和歷時分布

采用自動觀測系統(tǒng)小時降水數(shù)據(jù)，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(qū)間進行統(tǒng)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(tǒng)計表明(表1所示)，2011年1月—2015年12月，小時強降水共出現(xiàn)268個時次。以8.1 mm≤1 h<20 mm出現(xiàn)的次數(shù)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(xiàn)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(xiàn)強降水過程事件進行統(tǒng)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(shù)的95.6%，出現(xiàn)連續(xù)3 h和4 h強降水次數(shù)各為4次，占比為1.9%，未出現(xiàn)連續(xù)5～6 h的連續(xù)強降水；最長小時強降水出現(xiàn)在2016年6月2日，連續(xù)出現(xiàn)7 h降水量大于8 mm的強降水。

2.2 強降水年發(fā)生次數(shù)及極值分布

從表3中看出，2011—2018年間昌北機場出現(xiàn)強降水時間年均33時次，最多為2015年，出現(xiàn)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(xiàn)的次數(shù)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(huán)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(fā)生于2—12月，4—8月為強降水發(fā)生的集中月份，共出現(xiàn)了200時次，占比74.6%，其中從4月份開始次數(shù)明顯增多，6月出現(xiàn)次數(shù)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(fā)，水汽輸送充足，在一定的天氣形勢下，多系統(tǒng)性的持續(xù)暴雨，短時強降水出現(xiàn)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(wěn)定，晴好為主，強降水多發(fā)生在副高進退過程中，午后傍晚產(chǎn)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(tǒng)計圖，通過對逐小時強降水出現(xiàn)時段與該時段航班計劃起降架次(圖2)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，強降水頻次日分布呈雙峰形態(tài)，強降水發(fā)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(qū)，12—15時為谷區(qū)。通過圖2中航班計劃起降架次曲線可以發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(fā)生的頻次較多的時間段，目前國內(nèi)有不少航空公司都規(guī)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(xiàn)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(qū)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(xiàn)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(guān)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(tǒng)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(xiàn)時氣象要素特征進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，強降水出現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)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(shù)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(tǒng)有多種，李幫英等[6]對黔東南兩次區(qū)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(qū)域的變化造成影響；楊熠等[8]對區(qū)域性暴雨研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域高空影響系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)，當出現(xiàn)小時降水量超過20 mm的強降水時，機場出現(xiàn)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(tǒng)進行統(tǒng)計分析(同一次天氣過程的所有小時強降水統(tǒng)計為1次)。

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

通過表5可以發(fā)現(xiàn)：昌北機場出現(xiàn)強降水的影響天氣系統(tǒng)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(zhì)心降水和低質(zhì)心降水，主要根據(jù)降水回波的強度和伸展高度來進行區(qū)分，高、低質(zhì)心結(jié)構(gòu)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(zhì)心結(jié)構(gòu)；否則，屬于低質(zhì)心結(jié)構(gòu)。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(zhì)心降水個例和3個高質(zhì)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(zhì)心降水過程中(圖3a1)，伴隨著降水的發(fā)生和增強，機場的氣壓隨之增高，降水結(jié)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(lián)系比較緊密，隨著強降水的發(fā)生，氣溫迅速下降，之后趨于穩(wěn)定；短時強降水發(fā)生時段內(nèi)，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(zhì)心降水過程中氣象要素變化也有相似的特性，降水結(jié)束后，圖3a2中氣壓和風速出現(xiàn)了持續(xù)上升的情況，而圖3a3中降水結(jié)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(tǒng)的位置不同、天氣系統(tǒng)的強弱、日變化等因素影響，使所測得的要素變化規(guī)律也不盡相同。圖3b中3次低質(zhì)心降水過程中的氣象要素變化也隨降水的發(fā)生頻繁波動，相比高質(zhì)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(xù)時間和跑道視程變化特征，從表中可以發(fā)現(xiàn)，高質(zhì)心降水持續(xù)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(zhì)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(fā)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(xù)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(xiàn)了1 min。

表6 昌北機場兩種不同類型強降水過程持續(xù)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(jié)果表明，兩種類型的強降水過程中均有出現(xiàn)氣壓上升，氣溫下降，風速、跑道視程多變等特征，但高質(zhì)心降水過程更為明顯，變化的程度與天氣系統(tǒng)的強弱、位置、移動速度等因素息息相關(guān)。但是強降水過程中跑道視程很少出現(xiàn)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(jié)論

①昌北機場強降水天氣一般出現(xiàn)在4—8月，6月最多；多持續(xù)1～2 h，易發(fā)生在傍晚至上午時段，其中08—11時、16—24時段出現(xiàn)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(fā)生在系統(tǒng)性的暴雨過程中；主要影響天氣系統(tǒng)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(cè)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(fā)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(zhì)心降水過程更為明顯。