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(yùn)機(jī)場首選鄂州作為擬建地，該機(jī)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(diǎn)地理坐標(biāo)為東經(jīng)115°02′50.70″，北緯30°20′45.49″，機(jī)場高程為26.8 m，跑道方向?yàn)檎娣轿?0°。

機(jī)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(qiáng)對流天氣尤其是雷暴天氣是目前公認(rèn)的嚴(yán)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(qiáng)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(jī)會遇到強(qiáng)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(jī)場距離長江較近，機(jī)場處在下墊面變化的地段，易發(fā)生雷暴，因此本文對機(jī)場選址區(qū)域的雷暴天氣特征進(jìn)行統(tǒng)計分析，以便航空人員更準(zhǔn)確地把握機(jī)場區(qū)域的雷暴分布特征和生消規(guī)律，為新機(jī)場的運(yùn)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(jī)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(jī)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(dá)站的基數(shù)據(jù)，對機(jī)場區(qū)域的雷暴典型年的雷暴單體特征進(jìn)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(jìn)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(dāng)處理過程沿一個雷達(dá)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(dāng)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(dāng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dá)對流單體追蹤信息產(chǎn)品反演算法中，反演參數(shù)進(jìn)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(dāng)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(dāng)時所有對流單體的生命期和在生命期內(nèi)各時刻的強(qiáng)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(shí)時跟蹤監(jiān)測對流單體的雷達(dá)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(dá)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(jī)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(dá)到近8年來最大值。因此，選取這一時段雷暴過程來進(jìn)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(jī)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(dá)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(jī)場選址區(qū)域中心點(diǎn)坐標(biāo)（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(jī)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(qiáng)度以及高度分布等特性進(jìn)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)度大于本地生成的雷暴單體。

6 結(jié)論

（1）近30年來，機(jī)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(jī)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(jī)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。