湖北鄂州某机场雷暴天气特点分析

何 飞，李德俊，许 杨

（湖北省气象服务中心，武汉 430000）

顺丰高端快递的全货运机场首选鄂州作为拟建地，该机场具体位于鄂州燕矶镇，预选场址正处于长江走向由东西转为南北的地段，呈“几”字形走向，距离长江约2.7km，占地总面积6.30 km2，跑道全长3 600 m，拟定跑道中心点地理坐标为东经115°02′50.70″，北纬30°20′45.49″，机场高程为26.8 m，跑道方向为真方位10°。

机场场址必须具备的基本条件之一是有合适的安全起降气象条件，而强对流天气尤其是雷暴天气是目前公认的严重威胁航空飞行安全的天气现象。据统计，全球平均每小时发生雷暴1 820 次，美国民航局分析发现，近些年气象原因引发的飞行事故中，与暴雷有关的占47.9%[1]。

雷暴是由发展旺盛的积雨云引起的伴有雷鸣、闪电现象的局地风暴，常伴有强烈的阵性降水，有时还产生冰雹、龙卷和下击暴流等现象。在雷暴区中飞行，飞机会遇到强烈的颠簸、积冰、恶劣的能见度和雷电干扰等气象情况[2]。由于鄂州新建机场距离长江较近，机场处在下垫面变化的地段，易发生雷暴，因此本文对机场选址区域的雷暴天气特征进行统计分析，以便航空人员更准确地把握机场区域的雷暴分布特征和生消规律，为新机场的运营提供气象服务。

1 湖北省雷暴分布

湖北省各地年均雷暴日数最低为22.8 d（谷城），最高为51.5 d（通山），除鄂西北部分地区，其他地区年均雷暴日数均在30 d 以上。其中，鄂西南、鄂东南地区年均雷暴日数在40 d 以上，为湖北省雷暴日发生频率较高的地区。机场选址区域位于鄂东雷暴较多区域向江汉平原雷暴较少区域过渡的地段，处于湖北省雷暴发生日数一般地区，如图1所示。

图1 湖北省年均雷暴日数分布（1961-2009年）

2 资料

由于湖北省2013年取消对雷暴天气的观测，本研究利用机场参证气象站黄石站1985-2013年的暴雷天气现象观测资料，统计了雷暴的年际、年变化规律及初终期情况；利用2001-2013年近10年的每日天气现象观测资料，分析了雷暴的日变化规律及持续时长。本研究还利用2007-2012年武汉雷达站的基数据，对机场区域的雷暴典型年的雷暴单体特征进行了分析。

3 雷暴单体分析方法

3.1 雷暴单体识别方法

三维风暴单体的识别是分阶段进行的，一维数据的处理是在径向反射率因子中识别“风暴段”。一个风暴段定义为一段连续的、沿着一个径向的一系列距离库，它们的反射率因子超过一个规定的阈值。当处理过程沿一个雷达径向首次遇到一个大于规定阈值的反射率因子值时，随后超过阈值的距离库被编为一组，一直到遇到一个小于阈值的距离库。

当最后一个仰角扫描的段被处理完之后，在空间上相邻的风暴段被结合成一个二维的分量，段与段之间方位角方向离开不超过1.5°，径向必须有2 km的部分相叠加。

当前体扫的所有仰角扫描都处理完之后，这些分量按照质量的大小从大到小排列，然后进行垂直相关分析。每一个确定的三维风暴单体由两个或更多个在相继仰角上的二维分量构成。垂直相关的过程是一个叠带的过程，从最低的仰角开始：将质心的水平距离小于5 km 的相邻仰角的分量进行关联，若关联可能多于一个，则用有最大质量的两个二维分量进行关联；在第一次做完后，有非关联分量剩下，则将质心的水平相隔距离增加到7.5 km，并对所有的非关联分量重复第一次的过程；第二次做完后，仍有非相关分量剩下，则用10 km 搜索半径做最后一次。

3.2 雷暴单体跟踪监测方法

采用SCIT（Storm Cell Identification and Tracking） 算法，将该算法移植到多普勒雷达对流单体追踪信息产品反演算法中，反演参数进行本地化，二次产品数据每6 min 一次，数据时次间隔比较均匀，并对2007-2012年湖北省36 561 个对流单体做了分析，发现对于最大反射率因子超过40 dBZ 的单体，SCIT算法能正确识别出70%；对最大反射率因子超过50 dBZ 的，能识别出96%。

在作业开始前的时刻，根据对流单体追踪信息产品记录的该时刻的对流单体的编号和位置等信息，得到当时已经生成的所有对流单体。依据编号向前回溯，可以找到各个单体生成的时刻；向后，则可以找到单体消亡的时刻。这样，就可以得到当时所有对流单体的生命期和在生命期内各时刻的强回波面积S、组合反射率CR、回波顶高ET、垂直液态水含量VIL、单体特征W等回波参量，同时提取这些特征量，实时跟踪监测对流单体的雷达回波特征变化，还可追踪到回波消散。最后，给出在整个生命期内雷暴单体各参量随时间的变化情况，根据研究需要，开发对流单体跟踪监测分析系统。

4 雷暴典型年选取

根据黄石气象站2006-2013年的雷暴统计资料，2010年雷暴日数和雷暴次数均达到8年内的最大值（见图2），因此本研究选取2010年作为雷暴典型年。机场区域雷暴主要发生在4-8月，其中7月、8月为雷暴高发时段，2010年7月和8月的雷暴日数和次数均达到近8年来最大值。因此，选取这一时段雷暴过程来进行地场区域雷暴单体活动特征分析。

图2 2006-2013年雷暴日数、次数统计图

5 分析结果

5.1 雷暴发生规律

5.1.1 雷暴年际、年变化特征

统计黄石气象站近30年（1985-2013年）的地面观测资料，近30年雷暴年日数以2.7 d/10 a 的速率减少，年平均日数为39.3 d，最多年份出现在1991年（57 d），最少年份为2001年（23 d）。近30年中，1999年、2001年、2013年雷暴日数在30 d 以下。近10年平均雷暴日数为37.9 d，较1985-1989年减少了2.3 d，较1990-1999年减少了4.8 d。雷暴累年各月发生的平均日数在0.2～8.6 d，主要发生在4-8月，其中7月、8月为高峰时段，平均发生日数为8.6 d（见图3）。

图3 黄石站1985-2013年雷暴年际、年变化特征

5.1.2 雷暴日变化特征

根据近10年（2001-2013）的统计，雷暴大部分集中发生在午后及夜间，其日变化特征为双峰型分布，发生频率较高时段为15:00—20:00，其中20:00为雷暴发生频率最高时段，而21:00 至次日02:00 出现相对较少，如图4、表1所示。

图4 黄石站累年（2001-2013年）逐时段雷暴出现次数

5.1.3 雷暴持续时间

近10年，机场区域雷暴持续时间4 h 以内为主，占比超过96%，其中持续0～1 h 为最多，达到52.4%，超过12 h 仅在2012年5月8日发生了一次（见表2）。

5.1.4 雷暴的初终期

近30年来，雷暴发生的初期平均为2月21日，终期平均为10月2日，平均初终间日数为224 d；其中1998年雷暴发生最早，初期为1月7日，终期为8月26日，初终间日数为231 d；2011年发生最晚，初期为4月15日，终期为11月5日，初终间日数为204 d，如表3所示。

表1 黄石站累年（2001-2013年）各月逐时段雷暴出现次数

表2 黄石站累年（2001-2013年）各月不同持续时间的雷暴出现次数

表3 黄石站累年（1985-2013年）雷暴的初期和终期

5.2 雷暴单体特征分析

5.2.1 雷暴单体的分布特征

以机场选址区域中心点坐标（115°02′49″N，30 °20 ′46 ″E） 为中心，以3 km为边长，圈定场址周边雷暴单体特征的分析范围，分析范 围 为114 °53 ′49 ″～115 °11 ′49 ″N、30°11′46″～30°29′46″E。在场址范围内，2010年7-8月总共出现雷暴单体数量为264，其中本地生成的雷暴单体占60.2%，由外地移入的雷暴单体占39.8%，场址范围内由本地生成的雷暴单体较多，外地移入相对较少。

将场址上空划分为东北、东南、西北和西南四个方向，表4为场址雷暴单体生成的方位，本地生成的单体在四个方位出现的概率比较平均，在东北方向上较少，为18.88%，其他三个方位出现的概率均为27.04%；外地移入的单体出现的方位分布不均，一半以上的雷暴单体出现在西南方向，西北方向出现概率排名第二，东南方向其次，东北方向最少。

表4 机场选址区域本地生成和外地移入雷暴的生成方位百分比统计

5.2.2 雷暴单体特征分析

表5对雷暴单体的生命史、强度以及高度分布等特性进行了统计分析，由图5可见，场址范围内本地生成的雷暴单体占多数，但是其中40.9%的单体仅为6 min，生命史时长在1 h 以下的雷暴单体占总雷暴数的93.7%，1 h 以上（含1 h）的仅占6.3%。外地移入到场址范围内的雷暴单体相对来说生命史较长，1 h 以下的雷暴单体占总雷暴数的86.7%，1 h 以上（含1 h）的单体数占13.3%。

表5 机场范围内雷暴单体的特征分析

图5 雷暴单体生命史时长分布图

由图6可知，雷暴单体的回波顶高变化幅度较大，本地生成的单体回波顶高在4～22 km，平均在8.7 km，外地移入的单体回波顶高在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，本地生成的单体最大反射率高度在0.6～20.4km，外地移入的单体最大反射率高度在0.6～13.1 km。外地移入的单体相对于本地生成的单体，回波顶端较高，最大反射率高度相对较低。

图6 雷暴单体ET 和最大反射率高度公布段

本地生成的雷暴单体最大反射率强度保持在34～67 dBz，平均值为47.4 dBz，大于50 dBz 的单体仅占27%，外地移入的雷暴单体大反射率在34～66 dBz，平均值为55 dBz，超过一半的单体最大反射率大于50 dBz。外地移入的单体雷暴强度大于本地生成的雷暴单体。

6 结论

（1）近30年来，机场选址区域的雷暴呈减少趋势，发生的高峰期在7-8月。雷暴夏季发生最多，春季次之，秋冬季发生较少。雷暴的发生有明显的日变化特征，呈双峰型分布，发生频率较高时段为15:00—20:00，其中20:00 为雷暴发生频率最高时段，而21:00 至次日02:00 出现相对较少。近10年，机场区域雷暴持续时间4 h 以内为主，占96%以上，一半以上的雷暴持续0～1 h。近30年来，雷暴发生的初期平均为2月21日，终期平均为10月2日，平均初终间日数为224 d。

（2）选取2010年7月、8月为雷暴典型时段分析雷暴单体，总共出现雷暴单体数量为264，其中本地生成的雷暴单体占60.2%，由外地移入的雷暴单体占39.8%，场址范围内由本地生成的雷暴单体较多，外地移入相对较少。本地生成的单体在天空均分的四个方位出现的概率比较平均，外地移入的单体一半以上出现在西南方向，由于雷暴区是飞行的禁区，应尽量避免在西南方向设置跑道及其延长线[3]。

（3）外地移入到场址范围内的雷暴单体相对来说生命史较长，回波顶端较高，最大反射率高度较低。孤立的雷暴如果不在跑道或跑道延伸线上，基本对航班没有影响，飞机可以正常起降[4]。成片的雷暴或带状雷暴，一般是系统性的，持续时间大多在1 h 以上，在航班比较密集的时段，对航班影响较大，为保证飞行安全，航班只能在雷暴过后执行。