湖北鄂州某機場雷暴天氣特點分析

何 飛，李德俊，許 楊

（湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430000）

順豐高端快遞的全貨運機場首選鄂州作為擬建地，該機場具體位于鄂州燕磯鎮(zhèn)，預(yù)選場址正處于長江走向由東西轉(zhuǎn)為南北的地段，呈“幾”字形走向，距離長江約2.7km，占地總面積6.30 km2，跑道全長3 600 m，擬定跑道中心點地理坐標為東經(jīng)115°02′50.70″，北緯30°20′45.49″，機場高程為26.8 m，跑道方向為真方位10°。

機場場址必須具備的基本條件之一是有合適的安全起降氣象條件，而強對流天氣尤其是雷暴天氣是目前公認的嚴重威脅航空飛行安全的天氣現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，全球平均每小時發(fā)生雷暴1 820 次，美國民航局分析發(fā)現(xiàn)，近些年氣象原因引發(fā)的飛行事故中，與暴雷有關(guān)的占47.9%[1]。

雷暴是由發(fā)展旺盛的積雨云引起的伴有雷鳴、閃電現(xiàn)象的局地風(fēng)暴，常伴有強烈的陣性降水，有時還產(chǎn)生冰雹、龍卷和下?lián)舯┝鞯痊F(xiàn)象。在雷暴區(qū)中飛行，飛機會遇到強烈的顛簸、積冰、惡劣的能見度和雷電干擾等氣象情況[2]。由于鄂州新建機場距離長江較近，機場處在下墊面變化的地段，易發(fā)生雷暴，因此本文對機場選址區(qū)域的雷暴天氣特征進行統(tǒng)計分析，以便航空人員更準確地把握機場區(qū)域的雷暴分布特征和生消規(guī)律，為新機場的運營提供氣象服務(wù)。

1 湖北省雷暴分布

湖北省各地年均雷暴日數(shù)最低為22.8 d（谷城），最高為51.5 d（通山），除鄂西北部分地區(qū)，其他地區(qū)年均雷暴日數(shù)均在30 d 以上。其中，鄂西南、鄂東南地區(qū)年均雷暴日數(shù)在40 d 以上，為湖北省雷暴日發(fā)生頻率較高的地區(qū)。機場選址區(qū)域位于鄂東雷暴較多區(qū)域向江漢平原雷暴較少區(qū)域過渡的地段，處于湖北省雷暴發(fā)生日數(shù)一般地區(qū)，如圖1所示。

圖1 湖北省年均雷暴日數(shù)分布（1961-2009年）

2 資料

由于湖北省2013年取消對雷暴天氣的觀測，本研究利用機場參證氣象站黃石站1985-2013年的暴雷天氣現(xiàn)象觀測資料，統(tǒng)計了雷暴的年際、年變化規(guī)律及初終期情況；利用2001-2013年近10年的每日天氣現(xiàn)象觀測資料，分析了雷暴的日變化規(guī)律及持續(xù)時長。本研究還利用2007-2012年武漢雷達站的基數(shù)據(jù)，對機場區(qū)域的雷暴典型年的雷暴單體特征進行了分析。

3 雷暴單體分析方法

3.1 雷暴單體識別方法

三維風(fēng)暴單體的識別是分階段進行的，一維數(shù)據(jù)的處理是在徑向反射率因子中識別“風(fēng)暴段”。一個風(fēng)暴段定義為一段連續(xù)的、沿著一個徑向的一系列距離庫，它們的反射率因子超過一個規(guī)定的閾值。當處理過程沿一個雷達徑向首次遇到一個大于規(guī)定閾值的反射率因子值時，隨后超過閾值的距離庫被編為一組，一直到遇到一個小于閾值的距離庫。

當最后一個仰角掃描的段被處理完之后，在空間上相鄰的風(fēng)暴段被結(jié)合成一個二維的分量，段與段之間方位角方向離開不超過1.5°，徑向必須有2 km的部分相疊加。

當前體掃的所有仰角掃描都處理完之后，這些分量按照質(zhì)量的大小從大到小排列，然后進行垂直相關(guān)分析。每一個確定的三維風(fēng)暴單體由兩個或更多個在相繼仰角上的二維分量構(gòu)成。垂直相關(guān)的過程是一個疊帶的過程，從最低的仰角開始：將質(zhì)心的水平距離小于5 km 的相鄰仰角的分量進行關(guān)聯(lián)，若關(guān)聯(lián)可能多于一個，則用有最大質(zhì)量的兩個二維分量進行關(guān)聯(lián)；在第一次做完后，有非關(guān)聯(lián)分量剩下，則將質(zhì)心的水平相隔距離增加到7.5 km，并對所有的非關(guān)聯(lián)分量重復(fù)第一次的過程；第二次做完后，仍有非相關(guān)分量剩下，則用10 km 搜索半徑做最后一次。

3.2 雷暴單體跟蹤監(jiān)測方法

采用SCIT（Storm Cell Identification and Tracking） 算法，將該算法移植到多普勒雷達對流單體追蹤信息產(chǎn)品反演算法中，反演參數(shù)進行本地化，二次產(chǎn)品數(shù)據(jù)每6 min 一次，數(shù)據(jù)時次間隔比較均勻，并對2007-2012年湖北省36 561 個對流單體做了分析，發(fā)現(xiàn)對于最大反射率因子超過40 dBZ 的單體，SCIT算法能正確識別出70%；對最大反射率因子超過50 dBZ 的，能識別出96%。

在作業(yè)開始前的時刻，根據(jù)對流單體追蹤信息產(chǎn)品記錄的該時刻的對流單體的編號和位置等信息，得到當時已經(jīng)生成的所有對流單體。依據(jù)編號向前回溯，可以找到各個單體生成的時刻；向后，則可以找到單體消亡的時刻。這樣，就可以得到當時所有對流單體的生命期和在生命期內(nèi)各時刻的強回波面積S、組合反射率CR、回波頂高ET、垂直液態(tài)水含量VIL、單體特征W等回波參量，同時提取這些特征量，實時跟蹤監(jiān)測對流單體的雷達回波特征變化，還可追蹤到回波消散。最后，給出在整個生命期內(nèi)雷暴單體各參量隨時間的變化情況，根據(jù)研究需要，開發(fā)對流單體跟蹤監(jiān)測分析系統(tǒng)。

4 雷暴典型年選取

根據(jù)黃石氣象站2006-2013年的雷暴統(tǒng)計資料，2010年雷暴日數(shù)和雷暴次數(shù)均達到8年內(nèi)的最大值（見圖2），因此本研究選取2010年作為雷暴典型年。機場區(qū)域雷暴主要發(fā)生在4-8月，其中7月、8月為雷暴高發(fā)時段，2010年7月和8月的雷暴日數(shù)和次數(shù)均達到近8年來最大值。因此，選取這一時段雷暴過程來進行地場區(qū)域雷暴單體活動特征分析。

圖2 2006-2013年雷暴日數(shù)、次數(shù)統(tǒng)計圖

5 分析結(jié)果

5.1 雷暴發(fā)生規(guī)律

5.1.1 雷暴年際、年變化特征

統(tǒng)計黃石氣象站近30年（1985-2013年）的地面觀測資料，近30年雷暴年日數(shù)以2.7 d/10 a 的速率減少，年平均日數(shù)為39.3 d，最多年份出現(xiàn)在1991年（57 d），最少年份為2001年（23 d）。近30年中，1999年、2001年、2013年雷暴日數(shù)在30 d 以下。近10年平均雷暴日數(shù)為37.9 d，較1985-1989年減少了2.3 d，較1990-1999年減少了4.8 d。雷暴累年各月發(fā)生的平均日數(shù)在0.2～8.6 d，主要發(fā)生在4-8月，其中7月、8月為高峰時段，平均發(fā)生日數(shù)為8.6 d（見圖3）。

圖3 黃石站1985-2013年雷暴年際、年變化特征

5.1.2 雷暴日變化特征

根據(jù)近10年（2001-2013）的統(tǒng)計，雷暴大部分集中發(fā)生在午后及夜間，其日變化特征為雙峰型分布，發(fā)生頻率較高時段為15:00—20:00，其中20:00為雷暴發(fā)生頻率最高時段，而21:00 至次日02:00 出現(xiàn)相對較少，如圖4、表1所示。

圖4 黃石站累年（2001-2013年）逐時段雷暴出現(xiàn)次數(shù)

5.1.3 雷暴持續(xù)時間

近10年，機場區(qū)域雷暴持續(xù)時間4 h 以內(nèi)為主，占比超過96%，其中持續(xù)0～1 h 為最多，達到52.4%，超過12 h 僅在2012年5月8日發(fā)生了一次（見表2）。

5.1.4 雷暴的初終期

近30年來，雷暴發(fā)生的初期平均為2月21日，終期平均為10月2日，平均初終間日數(shù)為224 d；其中1998年雷暴發(fā)生最早，初期為1月7日，終期為8月26日，初終間日數(shù)為231 d；2011年發(fā)生最晚，初期為4月15日，終期為11月5日，初終間日數(shù)為204 d，如表3所示。

表1 黃石站累年（2001-2013年）各月逐時段雷暴出現(xiàn)次數(shù)

表2 黃石站累年（2001-2013年）各月不同持續(xù)時間的雷暴出現(xiàn)次數(shù)

表3 黃石站累年（1985-2013年）雷暴的初期和終期

5.2 雷暴單體特征分析

5.2.1 雷暴單體的分布特征

以機場選址區(qū)域中心點坐標（115°02′49″N，30 °20 ′46 ″E） 為中心，以3 km為邊長，圈定場址周邊雷暴單體特征的分析范圍，分析范 圍 為114 °53 ′49 ″～115 °11 ′49 ″N、30°11′46″～30°29′46″E。在場址范圍內(nèi)，2010年7-8月總共出現(xiàn)雷暴單體數(shù)量為264，其中本地生成的雷暴單體占60.2%，由外地移入的雷暴單體占39.8%，場址范圍內(nèi)由本地生成的雷暴單體較多，外地移入相對較少。

將場址上空劃分為東北、東南、西北和西南四個方向，表4為場址雷暴單體生成的方位，本地生成的單體在四個方位出現(xiàn)的概率比較平均，在東北方向上較少，為18.88%，其他三個方位出現(xiàn)的概率均為27.04%；外地移入的單體出現(xiàn)的方位分布不均，一半以上的雷暴單體出現(xiàn)在西南方向，西北方向出現(xiàn)概率排名第二，東南方向其次，東北方向最少。

表4 機場選址區(qū)域本地生成和外地移入雷暴的生成方位百分比統(tǒng)計

5.2.2 雷暴單體特征分析

表5對雷暴單體的生命史、強度以及高度分布等特性進行了統(tǒng)計分析，由圖5可見，場址范圍內(nèi)本地生成的雷暴單體占多數(shù)，但是其中40.9%的單體僅為6 min，生命史時長在1 h 以下的雷暴單體占總雷暴數(shù)的93.7%，1 h 以上（含1 h）的僅占6.3%。外地移入到場址范圍內(nèi)的雷暴單體相對來說生命史較長，1 h 以下的雷暴單體占總雷暴數(shù)的86.7%，1 h 以上（含1 h）的單體數(shù)占13.3%。

表5 機場范圍內(nèi)雷暴單體的特征分析

圖5 雷暴單體生命史時長分布圖

由圖6可知，雷暴單體的回波頂高變化幅度較大，本地生成的單體回波頂高在4～22 km，平均在8.7 km，外地移入的單體回波頂高在5.5～19.0 km，平均在9.0 km。最大反射率高度基本在20 km 以下，本地生成的單體最大反射率高度在0.6～20.4km，外地移入的單體最大反射率高度在0.6～13.1 km。外地移入的單體相對于本地生成的單體，回波頂端較高，最大反射率高度相對較低。

圖6 雷暴單體ET 和最大反射率高度公布段

本地生成的雷暴單體最大反射率強度保持在34～67 dBz，平均值為47.4 dBz，大于50 dBz 的單體僅占27%，外地移入的雷暴單體大反射率在34～66 dBz，平均值為55 dBz，超過一半的單體最大反射率大于50 dBz。外地移入的單體雷暴強度大于本地生成的雷暴單體。

6 結(jié)論

（1）近30年來，機場選址區(qū)域的雷暴呈減少趨勢，發(fā)生的高峰期在7-8月。雷暴夏季發(fā)生最多，春季次之，秋冬季發(fā)生較少。雷暴的發(fā)生有明顯的日變化特征，呈雙峰型分布，發(fā)生頻率較高時段為15:00—20:00，其中20:00 為雷暴發(fā)生頻率最高時段，而21:00 至次日02:00 出現(xiàn)相對較少。近10年，機場區(qū)域雷暴持續(xù)時間4 h 以內(nèi)為主，占96%以上，一半以上的雷暴持續(xù)0～1 h。近30年來，雷暴發(fā)生的初期平均為2月21日，終期平均為10月2日，平均初終間日數(shù)為224 d。

（2）選取2010年7月、8月為雷暴典型時段分析雷暴單體，總共出現(xiàn)雷暴單體數(shù)量為264，其中本地生成的雷暴單體占60.2%，由外地移入的雷暴單體占39.8%，場址范圍內(nèi)由本地生成的雷暴單體較多，外地移入相對較少。本地生成的單體在天空均分的四個方位出現(xiàn)的概率比較平均，外地移入的單體一半以上出現(xiàn)在西南方向，由于雷暴區(qū)是飛行的禁區(qū)，應(yīng)盡量避免在西南方向設(shè)置跑道及其延長線[3]。

（3）外地移入到場址范圍內(nèi)的雷暴單體相對來說生命史較長，回波頂端較高，最大反射率高度較低。孤立的雷暴如果不在跑道或跑道延伸線上，基本對航班沒有影響，飛機可以正常起降[4]。成片的雷暴或帶狀雷暴，一般是系統(tǒng)性的，持續(xù)時間大多在1 h 以上，在航班比較密集的時段，對航班影響較大，為保證飛行安全，航班只能在雷暴過后執(zhí)行。