2020年成都雙流機場系統性雷暴天氣特征

趙潤華

（民航西南空管局氣象中心, 成都 610202）

引言

隨著我國民用航空運輸的快速發展，航班的正常性越來越受到社會廣泛關注。2019年，我國航空公司共執行航班461.11 萬班次，正常航班376.52 萬班次，平均航班正常率為81.6%。影響航班不正常的最重要因素是天氣，占到46.5%，且呈現逐年增加的趨勢[1]。為有效地利用空域資源，最大程度地提高運行效率，民航局實行了“大面積航班延誤響應機制”，即MDRS（Massive Delay Response System）。該機制是為了應對機場、航路、空域等出現大面積航班延誤時，所采取的一系列應急響應措施。核心內容是根據次日的天氣預報情況，評估可能出現的通行能力下降程度，管制部門依據評估結果對外部空域采取限制放行，航空公司采取航班消減、調時等措施來減少航班延誤和旅客機場積壓，從而提高運行安全和航班正常率。

雷暴是造成航班大面積延誤的最主要原因之一，雷暴發生常伴隨閃電、地面大風、短時強降水、積冰、顛簸等天氣現象。成都雙流機場位于青藏高原東側，四川盆地西部，是中小尺度天氣系統發生、發展的活躍區[2-3]，該區域的中低層冷平流、地面冷空氣、地面中尺度輻合線及高能高濕的環境是有利于盆地雷雨大風發生的條件[4-5]。與川西高原地形相關的邊界層動力激發作用和弱冷空氣的頻繁入侵，在盆地西部的雅安、樂山，盆地東北部的達州、巴中附近形成三個主要降水中心，常在“東高西低”和“兩高切變”的天氣形勢下導致極端暴雨天氣過程[6-8]。高原低渦的正渦度平流與盆地低層淺薄低渦發生垂直疊加時, 兩者之間會發生耦合作用，產生大面積的暴雨天氣過程[9-10]。西太平洋的熱帶氣旋或臺風可通過影響副熱帶高壓間接影響高原東部環流，低壓外圍環流直接加強盆地風場，增加向四川盆地暖濕空氣的持續輸送，改變西南渦的風、壓、濕度場，激發西南渦的發展，導致雷暴、暴雨等災害性天氣的發生。西進或北上臺風形成的阻塞形勢使得西南渦或切變長時間維持，可促進暴雨長時間發生發展[11-15]。上述研究大多從天氣系統、形成機制等方面研究了暴雨、雷暴等天氣現象。本文擬通過分析2020年成都雙流機場的雷暴天氣過程，揭示在不同的大面積航班延誤機制響應下，系統性雷暴的環流形勢、時空分布特征差異，進而建立雷暴天氣過程與延誤響應措施之間的聯系，以期為成都雙流機場大面積航班延誤的預警水平提升和措施量化提供科學依據。

1 資料

本文選取資料包括：民航西南空管局提供的2020年成都雙流機場大面積航班延誤響應數據和雙流機場實況觀測資料（METAR 和SPECI）；歐洲中期數值預報中心提供的ERA5 再分析資料，時間間隔為1 h、空間分辨率為0.25° × 0.25°；西南地區雷達組合反射率因子數據。

2 大面積航班延誤響應

根據天氣的影響程度，民航管制部門發布航班大面積延誤響應措施，響應分為MDRS 紅色響應、橙色響應和黃色響應。不同響應等級對應著不同的通行能力下降幅度，造成不同程度的航班延誤、取消和旅客滯留。

2020年，成都雙流機場共啟動了MDRS 響應21 次，其中黃色響應17 次，橙色響應4 次；8月啟動次數最多，達到了15 次，占總次數的71%。MDRS 響應的開始時間主要集中在航班早高峰06～08 時和晚高峰21～23 時，結束時間以凌晨和中午居多，響應的持續時間介于2～6 h，以4 h 最為常見，占45%；通行能力的下降幅度多集中在30%～40%（圖1）。

圖1 2020年成都雙流機場MDRS 響應概況（a. 開始時間，b. 結束時間，c. 持續時間，d. 通行能力下降程度）

成都雙流機場的MDRS 響應對管制運行和旅客出行造成了巨大影響（表1）。統計表明：2020年，MDRS黃色響應平均持續時間為4.2 h，導致了34%的通行能力下降，平均38 架航班取消，每次響應都能造成了數千旅客在機場長時間等待，航班正常率為68%；MDRS橙色響應影響程度則更大，平均持續時間更長，達到了5.1 h，導致55% 的通行能力下降，平均取消調減205 架航班，數萬人旅客在機場長時間等待，航班正常率僅為34%，遠低于民航局80%的年度目標。2020年8月11日，MDRS 橙色響應持續了14 h，為全年影響最大的一天，通行能力最高下降了65%，直接造成了327個航班取消和調整時刻，超過2 萬名旅客滯留在雙流機場。

表1 2020年成都雙流機場大面積航班延誤情況

統計分析表明，成都雙流機場的MDRS 響應與系統性雷暴天氣過程有高度相關性，21 次響應均由雷暴天氣觸發，共15 次系統性雷暴天氣過程引起。下節通過分析不同程度MDRS 響應下的雷暴天氣特征，建立雷暴過程與MDRS 響應之間的聯系，為預測大面積航班延誤的影響程度提供依據和參考，進而達到提升民航運行安全和效率的目的。

3 MDRS 雷暴天氣

3.1 反射率因子

圖2 為MDRS 黃色雷暴下的雷達反射率因子空間分布。如圖所示，黃色響應下的雷暴云團呈現出帶狀或塊狀分布特征，多為東北西南向或南北向分布，影響區域偏北，常為盆地北部至中部區域；超過35 dBZ的強回波區長度一般為幾十到幾百公里，強回波覆蓋面積較小，強回波區域常為不連續形態，其覆蓋的最大面積小于終端區面積的1/2，一般為幾百到幾千平方公里，最大回波強度可達50～55 dBZ；系統的移動方向以偏東和偏北為主；該雷暴在雙流機場呈短暫和間斷特征，持續時間一般低于3 h。

圖2 2020年成都雙流機場MDRS 黃色響應下雷暴雷達反射率因子空間分布（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）

圖3 為MDRS 橙色雷暴下的雷達反射率因子空間分布。如圖所示，MDRS 橙色響應下的雷暴云團具有明顯的連續長帶狀分布特征，為東北西南向或者南北向分布，長度可達一千公里以上，可由盆地北部延伸至南部；超過35 dBZ 的雷達強回波區覆蓋面積大，可達上萬平方公里，系統移動速度慢，持續時間長；雷暴云團多覆蓋東北和東南方向的主干航路，使得安全通行區域大幅度減少，直接導致了航班大面積取消、返航備降和大面積延誤；該雷暴在雙流機場持續時間通常在3 h以上，常伴隨雷暴大風、閃電、短時強降水等天氣現象。

圖3 2020年成都雙流機場MDRS 橙色響應下雷暴雷達反射率因子空間分布（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 環流形勢

MDRS 雷暴云團影響范圍與環流形勢有密切聯系。圖4 為12 次黃色和3 次橙色雷暴天氣過程分別合成的500 hPa風場和位勢高度空間分布。如圖所示，四川盆地均有明顯的高空槽分布，雙流機場處于正渦度平流區，盆地東部存在偏南氣流。兩者差異在于：MDRS黃色雷暴的高空槽位置偏北，從盆地北部延伸至中部；MDRS 橙色雷暴過程的高空槽則從盆地中部延伸至南部，具有明顯的渦旋結構特征，這與云團的影響范圍較為一致。另外，MDRS 黃色雷暴過程中，副高位置整體偏東南，588 線位于貴州南部、廣西北部區域；MDRS 橙色雷暴的副高位置偏東，588 線位于重慶東部，對高空槽有較明顯的阻塞作用，這也導致了橙色雷暴天氣具有持續時間更長的特點。

圖4 MDRS 黃色（a）和橙色（b）雷暴天氣過程分別合成的 500 hPa 風場（風羽，單位：m/s）和位勢高度（等值線，單位：dagpm）空間分布

3.3 濕度條件

系統性雷暴天氣的發生需具有“高能高濕”的環境條件。圖5 為黃色和橙色雷暴天氣過程分別合成的700 hPa、850 hPa 風場和比濕空間分布。如圖所示，四川盆地西部的中低層均存在強輻合區，具有明顯的氣旋性特征；兩類過程都具有強的偏南氣流和比濕大值區，輻合區的700 hPa 比濕均高于12 g·kg-1，850 hPa 比濕均超過16 g·kg-1，其中成都雙流機場的850 hPa 比濕分別為16.23 g·kg-1和17.59 g·kg-1；相比之下，MDRS橙色雷暴的中低層偏南風更強，水汽輸送條件更好，700 hPa 和850 hPa 風速可達8～12 m·s-1，850 hPa 輻合區附近的最大比濕達到18.9 g·kg-1。

3.4 熱力條件

利用K 指數表征強對流性天氣的熱力條件。MDRS黃色和橙色雷暴天氣下均具有較高的K 指數，盆地西部區域均能達到35℃以上，成都雙流機場K 指數均值分別為35.8℃和36.9℃。相比之下，MDRS 橙色雷暴具有更高的K 指數和更大的分布范圍，高于37℃的高能區域主要位于成都的偏東和東北部，最大值可達38.9℃。（圖6）。

圖6 MDRS 黃色（a）和橙色（b）雷暴天氣過程分別合成的K 指數空間分布（單位：℃）

4 結論

本文采用多種實況資料及ERA5 再分析資料，分析2020年成都雙流機場大面積航班延誤響應下的系統性雷暴天氣過程，得出以下主要結論：

（1）2020年，成都雙流機場遭受了15 次系統性雷暴天氣過程，共啟動了MDRS 黃色和橙色響應21 次，其中黃色響應17 次，橙色響應4 次。

（2）MDRS 黃色雷暴云團呈現帶狀或塊狀分布，長度一般為幾十到幾百公里，最強回波強度可達50～55 dBZ，超過35 dBZ 的雷達強回波區小于終端區面積的1/2，常為不連續形態，移動方向以偏東和偏北為主；MDRS 橙色雷暴云團具有明顯的連續長帶狀分布特征，長度可達一千公里以上，強回波區覆蓋面積大于終端區面積的1/2，且系統持續時間長，移動速度慢，該雷暴通常在雙流機場持續3 h 以上。

（3）高空槽位置的分布影響了雷暴云團的覆蓋范圍。MDRS 黃色雷暴過程的高空槽從四川盆地北部延伸至中部，副高位置偏東南；MDRS 橙色雷暴過程具有更加顯著的渦旋結構，高空槽從盆地中部延伸至南部，且副高位置偏東，阻塞形勢更強。

（4）MDRS 黃色和橙色雷暴天氣下，700 hPa 比濕均高于12 g·kg-1，850 hPa 比濕均高于16 g·kg-1，K 指數均超過35℃，存在明顯的強輻合上升運動。MDRS 橙色雷暴過程在850 hPa表現為更強的偏南風、更大的比濕和K 指數，導致了更強的雷暴天氣。