乌鲁木齐机场不同移动路径的雷暴特征分析

乌鲁木齐机场不同移动路径的雷暴特征分析

王楠

民航新疆空管局空管中心气象中心，新疆乌鲁木齐830016

摘要：雷暴是一种威胁飞行安全的极端天气现象，气象雷达输出的组合反射率数据可直观反映雷暴天气的强弱，航空气象上将组合反射率强度作为雷暴预报分析的一种手段。本文应用2015年～2021年乌鲁木齐机场雷达组合反射率资料、航空例行天气报告（MATER报）资料，应用基数据解码、数据统计方法及集成方法，对机场150km范围内强回波分布的地理特征及移动路径进行分析，探寻机场雷暴发生发展的预报着眼点及环流形势场，为强对流天气的精准预报提供判断依据。

关键词：组合反射率分析；强对流天气分型；航路天气分析

引言

雷暴往往伴随阵风和强降水等出现，是一种威胁民航飞行安全的极端天气[1]。2020年4月1日航空气象业务发展专项会议纪中针对加强重点区域、进出港关键点的天气预报；提高雷雨季节预报准确率。气象和民航部门均非常重视局地雷暴的研究，包括对不同机场雷暴过程的天气诊断、雷暴预报技术的讨论和对雷暴日数的统计分析等[2-7]。但是，对于乌鲁木齐机场（简称机场）而言，在诸多影响飞行安全的天气中，雷暴由于发生次数少，持续时间短，案例分析及相关研究较少。就目前而言，预报员对机场雷暴、强对流天气的把握和思考不够系统和全面。大多数预报员除了掌握基础的雷暴预报思路及雷达回波外推以外，针对机场雷暴的发源地，不同发源地的雷暴的发生发展、移动方向的特性，多凭个人经验，尚未进行基于客观数据事实的系统研究。服务能力与用户要求不对等，因此，如何加强对机场雷暴移动路径及发生发展的研究分析，从而为提前预报机场雷暴的发生概率提供依据和技术指导，就显得尤为重要且迫切。于是本文立足于实际工作面临的问题和存在的不足，分析挖掘雷达基数据特征，力求在一定程度上揭示机场强对流天气发生发展的特点及预报着眼点及其与主要航路和导航点的影响情况，加强预报结论与管制需求的融合，提升服务质量和用户满意度。

1资料

本文采用2015年4月~2021年9月，乌鲁木齐机场的雷达组合反射率数据，航空例行天气报告、分析机场150km范围内强回波出现的分布特征及每次雷暴过强回波的移动路径及雷暴过程对主要航路及进出点的影响；根据咨询塔台、终端区、流量室的工作人员，确定终端区内主要的进出点导航点及航路为B215、A368、W190、W192、X54；应用NCEP/NCAR1°*1°高空再分析资料分析雷暴天气过程的天气形势的特点并计算乌鲁木齐机场坐标的（87.5°E，44°N）的对流参数（K指数和SI指数）。

由于机场雷达基数据在分析过程中出现地物遮挡情况较为严重，虚假回波明显，故本文将距离雷达中心30km范围内的回波暂不做参考分析；高度在11000米以上的回波丢失严重，本文不做分析。

2基于组合反射率的机场强回波分布特点

2.1机场全部组合反射率与雷暴过程组合反射率空间分布分析

图1(a)2015-2021年雷达组合反射率≥30dbz出现的次数分布

(b)机场雷暴过程前后4小时雷达组合反射率≥30dbz出现的次数分布

统计2015-2021年每年4月-9月机场所有的雷达组合反射率共计224817时次，雷达组合反射率≥30dbz出现的次数分布如图1(a)所示，强回波区分为机场上游（机场以西方向）和机场下游（以东方向），主体呈带状分布，上游强回波区主要出现在280-190°方位，距离机场110km范围内均有分布，且强回波多发带又分为偏西方位和西南山区方位，其中强回波最易出现在机场西部40-70km处，回波次数最大值点达2786次；西南（阿什里）山区也是强回波多发区，且迎风坡高于背风坡；相对于上游强回波易发地区的分布，下游强回波易发区相对集中，主要分布000-110°方位，集中在50km范围内，且博格达峰北麓山区分布最为集中，回波次数最大值点达9879次；另外，终端区北部距离机场30-50km范围内亦有强回波集中发生的区域。基于上述数据分析且便于描述，本文将强回波易发区定义为西南山区型、西部带状型、终端区北部型与终端区东部型。

2015-2021年机场共计发生雷暴56次，图1(b)为雷暴过程前后4小时强回波发生次数的空间分布情况，强回波高发区呈自西向东的带状分布，次数大值区基本集中在终端区内，西部带状型与终端区东部型与图1（a）有较好的重合，差别最大的是西南山区型，在雷暴过程的前后4小时内基本没有体现，即西南山区雷暴很少移向机场。对比偏西路径的强回波易发区分布也可以发现，非雷暴日的强回波多发于机场260°方向，沿山体走势向西南传播，雷暴日的强回波多发于机场280-290°方向，但进入到离机场西部60km范围内的偏西路径就有较好的拟合。另外，图1（a）（b）均表现出了机场偏西方位40-60km处强回波多发且发生次数明显高于上游的特点，有别于大多数对流系统推进过程中的能量衰减的情况，说明在距离机场40-60km的偏西路径处，有强对流的触发或加强区，本文称其为关键区。接下来本文分析机场雷暴发生发展过程中强回波次数分布的空间特征，进一步分析强回波的分布特点。

2.2机场雷暴过程中强回波发生次数的分布特点

为了更为清晰的分析机场发生雷暴时强回波移动的路径，本文将雷暴过程进行分解，分别对雷暴发生前2小时，雷暴发生中，雷暴发生后2小时强回波出现的空间分布做分析。

图2雷暴过程中强回波发生次数的分布(a)雷暴发生前2小时

(b)雷暴发生时(c)雷暴发生后2小时

如图2所示，雷暴发生前2小时，机场80km外西北路径强对流较易发生，后续强回波进入关键区，因此关键区应为强对流预报的重要关注点；雷暴发生时，强回波区移进终端区，影响机场，值得注意的是，米泉以北20km处，也是强对流的多发区，位置较好的对应文中提及的终端区北部型，该区域的强对流是否为对流主体的前部激发产生的，还需进一步论证；雷暴发生后2小时，强回波高度集中在阜康与P82中间位置，即博格达峰的北麓。

由此可见，机场雷暴发生发展移动过程中，前期的发展方位较为分散，强对流进入到关键区后，则有进入关键区——移入终端区——雷暴发生（或有终端区北部激发）——东移进山（或有终端区东部激发）的路径和特点，因此，关键区是否出现强回波为机场是否发生雷暴的重要参考点和关注点，且雷暴发生时，关注机场米泉以北强对流的激发，强对流过机场以后，对流天气对机场造成的影响并没有结束，仍需继续关注终端区博格达峰北麓山区强对流堆积对航空器进近带来的影响。

2015-2021年机场雷达组合反射率的合成分析如上文所述，但每次雷暴过程有不同的环流背景，对航班运行的影响程度也不相同，本文将对逐次分析雷暴过程的移动路径特点及能量参数特点，找出预报着眼点，提高强对流天气对机场航班运行影响的服务能力。

3机场雷暴过程回波特征分析

目前对雷暴较长时间的预报，主要依赖于预报员对天气形势的分析和预报经验。掌握机场雷暴发生发展时的环流背景对机场雷暴天气的把握有着重要的指导意义。另外，预报员在对天气形势进行分析后，如果对雷暴的预报还是难以抉择，就需要一种定量客观的雷暴预报模式来作为预报参考，鉴于对流参数可以较好地反映强对流天气过程中大气低层的温湿状况和不稳定度，局地对流参数的分布及演变可以作为强对流发生、发展潜势预测分析的依据之一，因此结合实际工作，本节计算了相对于雷暴发生最近时段的K指数、SI指数，用于辅助表征不同雷暴过程的特征。分析2015-2021年有资料共计50次雷暴过程。

2015-2021年机场强对流发生时间平均为1.67小时，持续时间最强一次为2016/7/29历时5.5小时。分析50个雷雨过程的可知，关键区加强发展过程出现30次，西南-东北路径21次，偏西路径21次，雷暴过程超过2小时的过程均为上述两种路径，且西南-东北路径产生的雷暴持续时间最长；终端区北部激发9次，东部激发9次，西北-东南路径6次，未经关键区前部激发3次。

不同路径雷暴过程组合反射率最大值合成分析可知，西南-东北路径与偏西路径系统完整，云系覆盖广，移动路径清晰，可以依据外推法对机场雷暴做临近预报，且在关键区回波有所加强；西北-东南路径整体云系稀薄，天气过程移动较快，强回波区主体路径明显，进入关键区后向西发展影响机场；东部激发型与北部激发型，总体表现为机场出现雷暴时，机场并未北强回波云系覆盖，观测员可见闪电，听到雷声，云系分散，后续机场西部和西北部才有对流回波跟进，此类雷暴具有突发性，且后续回波跟进可能性较大，预报难度较大。

由此可见，距离机场60-150km范围内，强对流系统的移动路径为偏西或西南路径，进入关键区后强对流有所加强，继续影响机场或是在终端区北部、东部激发出新的对流，影响机场的空域内航空器运行。

航班运行的准确率受天气、公司计划、空军活动、其他原因等诸多要素影响，因此，雷雨天气下对航班的延误程度与雷暴的持续时间并未呈现出很好的对应关系。分析机场雷雨过程的移动方向可知，移向终端区东部的或是与机场东部激发的强对流往往覆盖东部进出终端区的主要航路，对航班正常率的影响较大。且分析2.2章节可知，机场雷暴过后移向东部的强回波较多，此种情况为实际工作中天气预报与监测的重点。

4典型雷暴天气过程中强回波对主要航路的影响

对于用户而言，航路及导航点的天气的特征及预报对其运行更具有参考意义，本文就选取具有西南-东北路径的代表性过程2015/6/27和偏西路径的代表过程2017/8/2进行主要进出港航路的处于不同雷暴发生时段的对流云团对航路及导航点的影响分析。

4.1 西南-东北路径回波移动特点

20150627西南-东北路径的雷暴天气过程，500hPa为低涡槽前波动型，乌拉尔山以东低涡稳定少动，新疆区位于低涡的底前部，受西南气流控制，低涡前部分裂短波槽不断侵袭乌鲁木齐地区造成雷暴天气。

由主要航路组合反射率最大值合成平面图可知20150627雷暴天气过程，层积云面积广，覆盖了终端区中部及东部大多数航路；雷暴开始前2小时，B215航路中KABDO-ZWWW航段，A368阜康附近，X54航路，W192驶离终端区方向对流回波明显，强回波高度大多集中在3-5km，KABDO-ZWWW航段、阜康附近回波高度较高，达8km，终端区的进近高度为6900米，所以本次过程中的对流云团影响了航班进近；

雷暴发生时,回波进一步东北移动，所以B215航路KABDO-ZWWW航段保持强回波以外，ZWWW-阜康-43.98°N|88.82°E航段回波有所加强，X54航路上有较强对流激发，发展迅速；雷暴结束后，各航路上对流云强度减弱，强回波高度下降，层云增多，但X54航路回波依旧较高，与2.2结论一致，博格达峰北麓山区强对流堆积对X54有较大影响，这也是雷雨过后预报的监测和服务重点。

4.2 偏西路径回波移动特点

20170802偏西路径的雷暴天气过程，新疆地区处于低涡底部（图略），500hPa乌拉尔山地区为高压脊，脊前的冷空气进入新疆，槽底偏西气流多有扰动，在天山山区及其两侧产生较为明显的雷暴天气。地面图上（图略）巴湖北部为一个强大的地面冷性高压，高压前沿伴有较强冷锋。高压向东南方向移进新疆时，高压前部冷锋造成新疆雷暴天气过程。由此可见，500hPa引导气流对于机场的雷暴系统的引动方向具有很好的指示意义。

此次天气过程云系移向清晰，对终端区中各主要航路的影响也呈现自西向东的影响。雷暴发生前，主要航路上只有KABDO附近有弱对流云发展，虽然在平面图上机场西部240-330°方向已经有中等强度及其以上的对流云团覆盖，但没有影响到主要航路，对运行的影响不大；雷暴发生时B215\X54陆续受到影响，强回波区大多在3-5km，且X54航路上激发对流较强，特征同20150627过程；雷暴结束后西部航路回波减弱，A368航路阜康附近、X54、W192航路继续受到对流云系的影响，影响航空器进近。

由此可见，机场流天气过程，云系顶高超过11000米，但强回波多集中在3-5km，在KABDO-ZWWW航段，库康附近，X54航路上易出现强回波高度高达8km的较强对流云，因此强回波较易出现在B215航路KABDO-ZWWW航段及X54航路，且前者多与机场雷暴前及雷暴时发生，后者多于机场雷暴后发生；阜康地处多条航路交汇处且位于机场的东北侧，西南-东北路径、偏西路径的雷暴天气过程中对流云团移动均较易移向阜康导航点；另外，博格达峰位于X54航路上，所以雷暴天气过后，该天气过程还将继续对X54航路影响，需要加强监测及预报服务。

5结论与讨论

本文通过分析2015年4月-2021年9月，乌鲁木齐机场的雷达组合反射率数据，得出机场强对流天气及周边强回波分布的特征，研究表明:

1、通过分析机场雷暴发生前后4小时强回波（雷达组合反射率≥30dbz）在150km范围内发生次数的空间分布情况，将雷暴易发生区域分为四型，分别是：西南山区型、西部带状型、终端区北部型与终端区东部型。在距离机场40-60km的偏西路径处，有强对流的触发或加强区，即关键区。

2、通过分析雷暴发生时，和前后2小时强回波发生次数的空间分布情况，雷暴发生前2小时，西部路径强对流较易发生，后续强回波最大值区出现在关键区，因此关键区应为强对流预报的重要关注点；强对流进入到关键区后，则有进入关键区——移入终端区——雷暴发生（或有终端区北部激发）——东移进山（或有终端区东部激发）的路径和特点，因此，关键区是否出现强回波为机场是否发生雷暴的重要参考点和关注点。

3、雷暴发生时，关注机场米泉以北强对流的激发；强对流云团过境机场以后，对流天气的影响并没有结束，仍需继续关注终端区博格达峰北麓山区（X54航路）对流的加强发展对进近区域航班正常飞行带来的影响。

5、机场雷暴天气中，强回波区主要集中在3-5km高度处，影响航空器终端区进近；在KABDO-ZWWW航段，阜康附近、 X54航路上易出现强回波高度高达8km的较强对流云，但发生时间不一致。阜康地处多条航路交汇处且位于机场的东北侧，较易受到对流云团移动的影响。

参考文献：

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