2020年成都双流机场系统性雷暴天气特征

赵润华

（民航西南空管局气象中心, 成都 610202）

引言

随着我国民用航空运输的快速发展，航班的正常性越来越受到社会广泛关注。2019年，我国航空公司共执行航班461.11 万班次，正常航班376.52 万班次，平均航班正常率为81.6%。影响航班不正常的最重要因素是天气，占到46.5%，且呈现逐年增加的趋势[1]。为有效地利用空域资源，最大程度地提高运行效率，民航局实行了“大面积航班延误响应机制”，即MDRS（Massive Delay Response System）。该机制是为了应对机场、航路、空域等出现大面积航班延误时，所采取的一系列应急响应措施。核心内容是根据次日的天气预报情况，评估可能出现的通行能力下降程度，管制部门依据评估结果对外部空域采取限制放行，航空公司采取航班消减、调时等措施来减少航班延误和旅客机场积压，从而提高运行安全和航班正常率。

雷暴是造成航班大面积延误的最主要原因之一，雷暴发生常伴随闪电、地面大风、短时强降水、积冰、颠簸等天气现象。成都双流机场位于青藏高原东侧，四川盆地西部，是中小尺度天气系统发生、发展的活跃区[2-3]，该区域的中低层冷平流、地面冷空气、地面中尺度辐合线及高能高湿的环境是有利于盆地雷雨大风发生的条件[4-5]。与川西高原地形相关的边界层动力激发作用和弱冷空气的频繁入侵，在盆地西部的雅安、乐山，盆地东北部的达州、巴中附近形成三个主要降水中心，常在“东高西低”和“两高切变”的天气形势下导致极端暴雨天气过程[6-8]。高原低涡的正涡度平流与盆地低层浅薄低涡发生垂直叠加时, 两者之间会发生耦合作用，产生大面积的暴雨天气过程[9-10]。西太平洋的热带气旋或台风可通过影响副热带高压间接影响高原东部环流，低压外围环流直接加强盆地风场，增加向四川盆地暖湿空气的持续输送，改变西南涡的风、压、湿度场，激发西南涡的发展，导致雷暴、暴雨等灾害性天气的发生。西进或北上台风形成的阻塞形势使得西南涡或切变长时间维持，可促进暴雨长时间发生发展[11-15]。上述研究大多从天气系统、形成机制等方面研究了暴雨、雷暴等天气现象。本文拟通过分析2020年成都双流机场的雷暴天气过程，揭示在不同的大面积航班延误机制响应下，系统性雷暴的环流形势、时空分布特征差异，进而建立雷暴天气过程与延误响应措施之间的联系，以期为成都双流机场大面积航班延误的预警水平提升和措施量化提供科学依据。

1 资料

本文选取资料包括：民航西南空管局提供的2020年成都双流机场大面积航班延误响应数据和双流机场实况观测资料（METAR 和SPECI）；欧洲中期数值预报中心提供的ERA5 再分析资料，时间间隔为1 h、空间分辨率为0.25° × 0.25°；西南地区雷达组合反射率因子数据。

2 大面积航班延误响应

根据天气的影响程度，民航管制部门发布航班大面积延误响应措施，响应分为MDRS 红色响应、橙色响应和黄色响应。不同响应等级对应着不同的通行能力下降幅度，造成不同程度的航班延误、取消和旅客滞留。

2020年，成都双流机场共启动了MDRS 响应21 次，其中黄色响应17 次，橙色响应4 次；8月启动次数最多，达到了15 次，占总次数的71%。MDRS 响应的开始时间主要集中在航班早高峰06～08 时和晚高峰21～23 时，结束时间以凌晨和中午居多，响应的持续时间介于2～6 h，以4 h 最为常见，占45%；通行能力的下降幅度多集中在30%～40%（图1）。

图1 2020年成都双流机场MDRS 响应概况（a. 开始时间，b. 结束时间，c. 持续时间，d. 通行能力下降程度）

成都双流机场的MDRS 响应对管制运行和旅客出行造成了巨大影响（表1）。统计表明：2020年，MDRS黄色响应平均持续时间为4.2 h，导致了34%的通行能力下降，平均38 架航班取消，每次响应都能造成了数千旅客在机场长时间等待，航班正常率为68%；MDRS橙色响应影响程度则更大，平均持续时间更长，达到了5.1 h，导致55% 的通行能力下降，平均取消调减205 架航班，数万人旅客在机场长时间等待，航班正常率仅为34%，远低于民航局80%的年度目标。2020年8月11日，MDRS 橙色响应持续了14 h，为全年影响最大的一天，通行能力最高下降了65%，直接造成了327个航班取消和调整时刻，超过2 万名旅客滞留在双流机场。

表1 2020年成都双流机场大面积航班延误情况

统计分析表明，成都双流机场的MDRS 响应与系统性雷暴天气过程有高度相关性，21 次响应均由雷暴天气触发，共15 次系统性雷暴天气过程引起。下节通过分析不同程度MDRS 响应下的雷暴天气特征，建立雷暴过程与MDRS 响应之间的联系，为预测大面积航班延误的影响程度提供依据和参考，进而达到提升民航运行安全和效率的目的。

3 MDRS 雷暴天气

3.1 反射率因子

图2 为MDRS 黄色雷暴下的雷达反射率因子空间分布。如图所示，黄色响应下的雷暴云团呈现出带状或块状分布特征，多为东北西南向或南北向分布，影响区域偏北，常为盆地北部至中部区域；超过35 dBZ的强回波区长度一般为几十到几百公里，强回波覆盖面积较小，强回波区域常为不连续形态，其覆盖的最大面积小于终端区面积的1/2，一般为几百到几千平方公里，最大回波强度可达50～55 dBZ；系统的移动方向以偏东和偏北为主；该雷暴在双流机场呈短暂和间断特征，持续时间一般低于3 h。

图2 2020年成都双流机场MDRS 黄色响应下雷暴雷达反射率因子空间分布（a. 7月3日23:00，b. 7月18日13:30，c. 7月25日06:00，d. 8月7日00:00）

图3 为MDRS 橙色雷暴下的雷达反射率因子空间分布。如图所示，MDRS 橙色响应下的雷暴云团具有明显的连续长带状分布特征，为东北西南向或者南北向分布，长度可达一千公里以上，可由盆地北部延伸至南部；超过35 dBZ 的雷达强回波区覆盖面积大，可达上万平方公里，系统移动速度慢，持续时间长；雷暴云团多覆盖东北和东南方向的主干航路，使得安全通行区域大幅度减少，直接导致了航班大面积取消、返航备降和大面积延误；该雷暴在双流机场持续时间通常在3 h以上，常伴随雷暴大风、闪电、短时强降水等天气现象。

图3 2020年成都双流机场MDRS 橙色响应下雷暴雷达反射率因子空间分布（a. 8月11日14:00，b. 8月16日11:00，c. 8月16日22:00，d. 8月30日23:00）

3.2 环流形势

MDRS 雷暴云团影响范围与环流形势有密切联系。图4 为12 次黄色和3 次橙色雷暴天气过程分别合成的500 hPa风场和位势高度空间分布。如图所示，四川盆地均有明显的高空槽分布，双流机场处于正涡度平流区，盆地东部存在偏南气流。两者差异在于：MDRS黄色雷暴的高空槽位置偏北，从盆地北部延伸至中部；MDRS 橙色雷暴过程的高空槽则从盆地中部延伸至南部，具有明显的涡旋结构特征，这与云团的影响范围较为一致。另外，MDRS 黄色雷暴过程中，副高位置整体偏东南，588 线位于贵州南部、广西北部区域；MDRS 橙色雷暴的副高位置偏东，588 线位于重庆东部，对高空槽有较明显的阻塞作用，这也导致了橙色雷暴天气具有持续时间更长的特点。

图4 MDRS 黄色（a）和橙色（b）雷暴天气过程分别合成的 500 hPa 风场（风羽，单位：m/s）和位势高度（等值线，单位：dagpm）空间分布

3.3 湿度条件

系统性雷暴天气的发生需具有“高能高湿”的环境条件。图5 为黄色和橙色雷暴天气过程分别合成的700 hPa、850 hPa 风场和比湿空间分布。如图所示，四川盆地西部的中低层均存在强辐合区，具有明显的气旋性特征；两类过程都具有强的偏南气流和比湿大值区，辐合区的700 hPa 比湿均高于12 g·kg-1，850 hPa 比湿均超过16 g·kg-1，其中成都双流机场的850 hPa 比湿分别为16.23 g·kg-1和17.59 g·kg-1；相比之下，MDRS橙色雷暴的中低层偏南风更强，水汽输送条件更好，700 hPa 和850 hPa 风速可达8～12 m·s-1，850 hPa 辐合区附近的最大比湿达到18.9 g·kg-1。

3.4 热力条件

利用K 指数表征强对流性天气的热力条件。MDRS黄色和橙色雷暴天气下均具有较高的K 指数，盆地西部区域均能达到35℃以上，成都双流机场K 指数均值分别为35.8℃和36.9℃。相比之下，MDRS 橙色雷暴具有更高的K 指数和更大的分布范围，高于37℃的高能区域主要位于成都的偏东和东北部，最大值可达38.9℃。（图6）。

图6 MDRS 黄色（a）和橙色（b）雷暴天气过程分别合成的K 指数空间分布（单位：℃）

4 结论

本文采用多种实况资料及ERA5 再分析资料，分析2020年成都双流机场大面积航班延误响应下的系统性雷暴天气过程，得出以下主要结论：

（1）2020年，成都双流机场遭受了15 次系统性雷暴天气过程，共启动了MDRS 黄色和橙色响应21 次，其中黄色响应17 次，橙色响应4 次。

（2）MDRS 黄色雷暴云团呈现带状或块状分布，长度一般为几十到几百公里，最强回波强度可达50～55 dBZ，超过35 dBZ 的雷达强回波区小于终端区面积的1/2，常为不连续形态，移动方向以偏东和偏北为主；MDRS 橙色雷暴云团具有明显的连续长带状分布特征，长度可达一千公里以上，强回波区覆盖面积大于终端区面积的1/2，且系统持续时间长，移动速度慢，该雷暴通常在双流机场持续3 h 以上。

（3）高空槽位置的分布影响了雷暴云团的覆盖范围。MDRS 黄色雷暴过程的高空槽从四川盆地北部延伸至中部，副高位置偏东南；MDRS 橙色雷暴过程具有更加显著的涡旋结构，高空槽从盆地中部延伸至南部，且副高位置偏东，阻塞形势更强。

（4）MDRS 黄色和橙色雷暴天气下，700 hPa 比湿均高于12 g·kg-1，850 hPa 比湿均高于16 g·kg-1，K 指数均超过35℃，存在明显的强辐合上升运动。MDRS 橙色雷暴过程在850 hPa表现为更强的偏南风、更大的比湿和K 指数，导致了更强的雷暴天气。