1. 引言
近15年来，深圳机场实现了从单跑道运行到双跑道运行的跨越，年起降架次从20万架次突破至40万架次，客流量从2500万人次猛增至6000万人次，货邮吞吐量也从80万吨翻一番至160万吨。如今2025年，深圳机场将再次迎接三跑道建成投入使用的快速增长机遇[1]。然而，面临着航班量与客流量的快速增长，恶劣天气对航班正常性的影响却逐步成为民航高效运行链条中的最关键环节，约占延误成因的40% [2]。
深圳处于华南沿海地区，属于亚热带季风气候，夏季长达6个多月，伴随高温多雨，暴雨事件频发。对于中等以上强度的短时降水而言，易造成跑道湿滑、飞行员目视障碍、着陆高度偏高、恶化飞机动力性能等一系列风险隐患。因此，在雨势较大情况下，飞机将无法正常开展起飞与降落程序，从而影响航班正常性[3]。
本文将从统计分析的角度出发，探究深圳机场近15年来暴雨事件的特征，并围绕极端暴雨事件，开展天气学分型与提出概念模型的工作，旨在为一线业务预报员面临相似天气学环流背景时，能大胆预报，尽早指出天气极端性，为航班决策调整提供有力支撑。
2. 资料与方法
2.1. 资料
本文使用的资料包括：(1) 深圳机场天气实况报文(METAR与SPECI)；(2) 《深圳机场民用航空地面气象地面观测月总簿》；(3) 深圳机场单站雷达图以及广东省雷达拼图；(4) 地面及高空天气图；(5) 深圳市暴雨重现期资料。
2.2. 研究方法
本文通过《深圳机场民用航空地面气象地面观测月总簿》，筛选出近15年来深圳机场出现的暴雨日(日降水量大于等于50毫米)，并从年月际等特征开展统计分析，再与深圳市暴雨重现期资料进行对比。
此外，将深圳机场日降水量进行排序，定义前20位列的暴雨过程为极端暴雨，并结合当时的地面及高空天气图、机场实况报文、雷达图等资料，开展特征统计以及天气学分型，从而提出天气学概念模型。
3. 暴雨统计分析
3.1. 暴雨的年月际特征
从深圳机场近15年的年总降水量特征来看(如图1)，虽然年总降水量趋势线呈现略有增加的趋势，但该趋势未能通过95%置信度的检验，相关系数仅有0.1，即深圳机场近15年来年总降水量无显著变化趋势。此外，2010、2012、2014、2016、2018年的偶数年份的年总降水量均超过相邻奇数年份的年总降水量，反映出旱涝交替的年际气候变化特征[4]。
Figure 1. Characteristics of annual total precipitation variation at Shenzhen airport from 2010 to 2024
图1. 深圳机场2010~2024年的年总降水量变化特征
从暴雨日数的年际变化特征来看(如图2)，深圳机场在过去15年共出现暴雨110日，平均每年出现暴雨7.3日，其中2014、2016、2018与2022年暴雨日数均超过平均值，也反映出偶数年降水强度偏强的旱涝交替年际气候变化特征[4]。深圳机场最强日降水出现在2014年3月30日，日降水量达270.4毫米，为特大暴雨量级，深圳机场也在该日遭受自通航以来的首次冰雹天气袭击。
从暴雨日数的月际变化特征来看(如图3)，暴雨过程主要集中在4~9月，尤其是5月和8月均累计超过20日，11~3月总共仅出现5次暴雨天气，反映深圳机场暴雨事件集中在汛期的特征，且需重点预判5月和8月降水的极端性。另外，相对于4~9月的主汛期，7月累计暴雨日数出现谷值特征，仅有12次暴雨，体现出7月深圳机场易受副热带高压控制，暴雨出现的概率相对于临近月份偏低的特征。
Figure 2. The number of rainstorm days at Shenzhen airport from 2010 to 2024
图2. 深圳机场2010~2024年的暴雨日数
Figure 3. The cumulative number of rainstorm days by month at Shenzhen airport from 2010 to 2024
图3. 深圳机场2010~2024年各月份的累计暴雨日数
3.2. 暴雨重现期
从深圳机场近15年的各年日最大降水量特征来看(如图4)，虽然年日最大降水量线性趋势线显示其呈现略有上升的趋势，但该趋势未能通过95%置信度的检验，相关系数仅有0.01，说明深圳机场近十五年来年日最大降水量无显著变化趋势。但通过具体降水量大小对比可以发现，各年之间的日降水极值差异较为显著，其中，最高年份2014年的日最大降水量是最低年份2011年的4.3倍，次高年份2018年的日最大降水量超过位列第三的2016年近100毫米。
Figure 4. Interannual variation characteristics of annual maximum daily precipitation at Shenzhen Airport from 2010 to 2024
图4. 深圳机场2010~2024年的各年日最大降水量的年际变化特征
在气候统计角度，通常使用“重现期”这一概念来强调该降水事件的极端性，即多少年一遇。深圳市气象局2024年12月采用分流域计算的方式，将深圳划分为四个片区开展极端降水的气候统计，通过年最大值法，运用皮尔逊-III型分布曲线拟合和最小二乘法求得暴雨强度公式，并反演出不同重现期下的年最大日降水量[5]。
深圳机场地处深圳市西部，通过与该区域不同重现期下的结果进行对比可以发现(如表1)，当重现期小于5年时，深圳机场出现极端降水的年数大于或等于重现期反演下的理论年数，当重现期达到5年及以上时，深圳机场出现极端降水的年数，却显著少于重现期反演下的理论年数。这说明，深圳机场的极端降水事件发生频率较高，但极端降水的极端强度和机场所处片区相比存在偏弱的特征。
Table 1. Comparison of occurrences of annual maximum daily precipitation under different return periods between Shenzhen Airport and the western region of Shenzhen city
表1. 深圳机场与深圳市西部地区在不同重现期下的年最大日降水量出现次数对比
重现期(年) |
1 |
2 |
3 |
5 |
10 |
20 |
30 |
深圳市西部地区 年最大日降水量(毫米) |
63.2 |
105.9 |
137.9 |
190 |
276.9 |
360.1 |
425.1 |
深圳机场十五年间理论上 达到重现期降水量的年数 |
15 |
7.5 |
5 |
3 |
1.5 |
0.75 |
0.5 |
深圳机场十五年间实际上 达到重现期降水量的年数 |
15 |
10 |
5 |
2 |
0 |
0 |
0 |
4. 极端暴雨统计分析
4.1. 极端暴雨筛选
为进一步掌握深圳机场极端暴雨的相关特征，本文将深圳机场近15年来的日降水量进行降序排列，定义前20位列的暴雨过程为显著影响深圳机场航班正常运行的极端暴雨过程(如图5和表2)。在这20个极端暴雨案例中，日降水量均超过100毫米，达到大暴雨量级，且均超过了深圳市西部地区2年重现期所对应的日最大降水量，充分展现出这20个暴雨案例的极端性及代表性。
Figure 5. The top 20 daily precipitation amounts at Shenzhen Airport from 2010 to 2024
图5. 深圳机场2010~2024年间日降水量前20位列
Table 2. The characteristics of the top 20 daily precipitation amounts at Shenzhen Airport from 2010 to 2024
表2. 深圳机场2010~2024年间日降水量前20位列的特征
日期 |
日降水量(毫米) |
是否雷暴 |
中度及以上降水总时长 |
降水集中时段 |
天气类型 |
2014/3/30 |
270.4 |
是 |
5小时59分 |
凌晨、下午至前半夜 |
静止锋停滞型(伴高空槽过境) |
2018/6/6 |
256.0 |
是 |
4小时53分 |
凌晨至上午 |
台风雨带型(艾云尼) |
2018/8/30 |
247.7 |
是 |
9小时28分 |
凌晨至上午 |
暖区型 |
2014/5/11 |
220.4 |
是 |
6小时26分 |
凌晨、下午至前半夜 |
暖区型(伴低涡) |
2014/5/20 |
170.6 |
是 |
4小时20分 |
下午 |
暖区型 |
2016/5/28 |
163.1 |
否 |
6小时37分 |
凌晨至上午 |
暖区型 |
2023/7/29 |
148.3 |
是 |
3小时34分 |
凌晨至上午 |
暖区型(伴低涡) |
2016/5/20 |
145.2 |
是 |
4小时33分 |
下午至前半夜 |
静止锋停滞型(伴高空槽过境) |
2022/8/4 |
140.2 |
是 |
6小时18分 |
白天 |
台风雨带型(季风低压) |
2018/6/7 |
139.1 |
是 |
4小时58分 |
凌晨至上午 |
台风雨带型(艾云尼) |
2023/3/25 |
139.1 |
是 |
4小时26分 |
下午至前半夜 |
静止锋停滞型(伴高空槽过境) |
2014/5/8 |
138.1 |
是 |
4小时16分 |
下午至前半夜 |
暖区型(伴高空槽过境) |
2023/9/7 |
136.7 |
是 |
5小时33分 |
白天 |
台风雨带型(海葵) |
2018/8/29 |
134.0 |
是 |
12小时41分 |
凌晨至上午、前半夜 |
暖区型 |
2018/9/16 |
130.9 |
否 |
9小时40分 |
白天 |
台风雨带型(山竹) |
2021/10/8 |
130.7 |
否 |
9小时22分 |
全天 |
台风雨带型(狮子山) |
2024/5/4 |
117.0 |
是 |
8小时01分 |
白天 |
暖区型(伴高空槽过境) |
2016/1/28 |
114.0 |
是 |
11小时09分 |
全天 |
静止锋停滞型 |
2012/4/29 |
113.0 |
是 |
4小时21分 |
凌晨 |
暖区型(伴高空槽过境) |
2010/5/7 |
111.0 |
是 |
1小时55分 |
凌晨 |
暖区型 |
4.2. 极端暴雨的年月日际特征
从年际特征来看(如图5和表2)，深圳机场极端暴雨在偶数年份共出现16次，占80%，在奇数年份仅出现4次，占20%，再次展现出偶数年降水强度偏强的旱涝交替年际气候变化特征。从月际特征来看，出现极端暴雨次数最多的月份为5月，共出现7次极端暴雨，占比35%，远远领先次多的8月，共出现3次极端暴雨，占比15%，进而再次强调在实际业务气象保障中重点研判5月出现极端暴雨的可能性。
为进一步统计分析极端暴雨出现的日际分布特征，根据民航气象观测标准，将降水强度为中或大的降水时段视为极端暴雨的主要影响时段。根据极端暴雨出现时间的日际分布及变化特征(如图6)，极端暴雨呈现出白天降水较多，夜间降水较少的趋势，且存在日变化多峰的结构。其中，第一个峰值出现在上午08时，共发生13次降水，第二个峰值出现在上午11时，共发生12次降水，第三个峰值出现在13~15时，分别发生12、14和11次降水。然而，极端暴雨在中午12时的出现次数却存在明显的谷值，仅发生6次，其主要原因与影响深圳机场的不同天气系统有关，具体将在本文第5部分进行阐述。
4.3. 极端暴雨的降水量归因
极端暴雨的产生，不仅与高效率的降水强度有关，也与降水的持续时长相关[6]。首先，从降水性质来看，17个极端暴雨案例均伴随雷暴及闪电的出现，反映出极端暴雨过程，通常由强对流事件导致。2个无雷暴案例由台风雨带降水所致，归因于台风较强的风速伴随次级环流产生较强的垂直抬升作用，从而导致较高降水效率的层状云降水。
同时，从极端暴雨的出现持续时间来看，平均总时长为6小时26分，其中，19个极端暴雨案例均由2段或2段以上强降水过程组成，其中2021年10月8日受台风“狮子山”影响，更出现了8段强降水过程，这说明极端暴雨事件通常由多个强对流云团先后经过同一固定位置导致，即对流系统反复生成发展，从而造成该区域出现持续性降水，又称之为列车效应。在实际业务预报中，极端暴雨的预报就是对出现列车效应天气系统配置的预报。
5. 极端暴雨天气学概念分型
利用地面及高空天气图资料，对深圳机场2010~2024年极端暴雨案例进行天气学概念分型可以发现(如表3)，20个案例可以分为静止锋停滞型、暖区型以及台风雨带型三类环流特征。其中，暖区型占比最高，达50%，台风雨带型和静止锋停滞型分别占30%和20%。
Table 3. The synoptic meteorological concept classification of extreme rainstorm cases at Shenzhen Airport from 2010 to 2024
表3. 深圳机场2010~2024年极端暴雨案例天气学概念分型
天气 类型 |
静止锋 停滞型 |
静止锋停滞型 (伴高空槽过境) |
暖区型 |
暖区型 (伴低涡) |
暖区型 (伴高空槽过境) |
台风雨带型 |
个例数 |
4 |
3 |
10 |
2 |
3 |
6 |
从出现月份来看，静止锋停滞型主要出现在1~5月，3月居多；暖区型主要出现在4~8月，5~6月居多；台风雨带型主要出现在6~10月，8月居多。从出现时段来看，凌晨至上午时段强降水，主要由暖区型且不伴随高空槽过境导致，从而产生如图6所示的极端暴雨日变化特征的第一个峰值。下午至夜间时段的强降水，暖区型与静止锋停滞型案例数目相当，且多伴随高空槽过境的特征。此外，暖区型易多发连日极端暴雨，或者在暖区型极端暴雨后数日紧接着出现静止锋停滞型暴雨，连日对航班运行造成较大影响，如2014年5月8日及11日、2018年6月6日及7日、2018年8月29日及30日等。台风雨带型降水则无明显的日变化特征，全天各时段均能产生强降水。
Figure 6. The distribution of the occurrence time and diurnal variation of extreme rainstorm at Shenzhen Airport from 2010 to 2024
图6. 深圳机场2010~2024年极端暴雨出现时间及日变化分布图
需要说明的是，对于无明显环流特征的夏季午后热力性对流，在弱动力背景下，虽然仅依靠强烈的对流有效位能释放也能带来强对流天气，但持续时间通常较短，均不超过2小时，累计降水量无法达到极端暴雨的量级。因此，在极端暴雨天气学概念分型中，未能出现午后热力性对流的案例。
5.1. 静止锋停滞型
注：该图基于自然资源部标准底图服务网站下载的审图号为GS(2019)3333号的标准地图制作，底图无修改。
Figure 7. The synoptic system configuration of the static stationary front type extreme rainstorm, with the green triangle indicating the geographical location of Shenzhen Airport
图7. 静止锋停滞型极端暴雨的天气系统配置图，绿色三角为深圳机场所处地理位置
对静止锋停滞型极端暴雨案例的天气系统配置进行归纳可以发现(如图7)，深圳机场处于中层500 hPa高空槽槽前，高空槽由四川盆地东移，槽后伴随显著的干冷平流入侵，而低空在华南沿海区域存在地面静止锋或稳定少动的925 hPa切变线，呈东西走向。低空南侧为12 m/s以上的西南暖湿气流，有时还伴随东南气流的汇入，北侧为干冷气流。强对流通过低空风场辐合提供动力触发条件，同时配合高空槽前正涡度平流的抬升作用，以及上冷下暖的位势不稳定层结释放能量而形成。有时，高空槽呈现多波动的形态，因此造成部分案例出现多轮强对流天气，从而产生极端暴雨。
此外，形成列车效应的关键还在于中层引导气流为高空槽前偏西至西南气流，恰好与低空停滞的静止锋或切变线同一方向，使得强对流即使在华南沿海不断触发移动，但始终停滞在深圳机场上空。
5.2. 暖区型
对暖区型极端暴雨案例的天气系统配置进行归纳可以发现(如图8)，深圳机场中层500 hPa处于槽前西南抬升气流，低空925 hPa在南海上空存在伴有气旋性曲率的西南暖湿气流，风速大于12 m/s，并且风速出口区位于深圳机场上空，从而通过低空辐合抬升强迫，源源不断从沿海往深圳机场上空触发对流，并通过中层西南引导气流，形成列车效应[7]。
注：该图基于自然资源部标准底图服务网站下载的审图号为GS(2019)3333号的标准地图制作，底图无修改。
Figure 8. The synoptic system configuration of the warm zone type extreme rainstorm, with the green triangle indicating the geographical location of Shenzhen Airport
图8. 暖区型极端暴雨的天气系统配置图，绿色三角为深圳机场所处地理位置
部分案例在广西或湖南西部地区存在低涡中心，使得低空西南气流气旋性曲率加大，抬升作用更显著，对流强度更强。部分案例高空槽在凌晨至上午位于两广交界，下午至前半夜东移过境深圳机场，使得叠加午后热力条件的暖区对流，其降水强度更强，从而产生极端暴雨。
5.3. 台风雨带型
对台风雨带型极端暴雨案例的天气系统配置进行归纳可以发现(如图9)，东环副高通常占据在粤东及南海东北部上空，台风沿副高在南海北部呈现西行或以西北行路径登陆粤西。这时，深圳机场位于台风的东侧，在较强的东西向气压梯度力下，低空存在西南与东南两支饱和的气流在台风东侧汇合，将水汽输送至深圳机场上空[8]，并通过台风螺旋雨带的引导作用形成列车效应，带来持续性的极端暴雨。
注：该图基于自然资源部标准底图服务网站下载的审图号为GS(2019)3333号的标准地图制作，底图无修改。
Figure 9. The synoptic system configuration of the typhoon rainband type extreme rainstorm, with the green triangle indicating the geographical location of Shenzhen Airport
图9. 台风雨带型极端暴雨的天气系统配置图，绿色三角为深圳机场所处地理位置
在静止锋停滞型与暖区型极端暴雨中，均可发现中层存在明显的高空槽，深圳机场位于槽前关键抬升区域中，或伴随高空槽过境的过程，从而产生强上升速度，形成强对流过程。此外，在三个天气学概念分型中，低空均存在显著的低空急流，且携带南海水汽进入华南上空。在静止锋停滞型与台风雨带型中，甚至还存在西南与东南两支气流，进一步指出充沛的水汽条件是产生极端暴雨的重要条件。此外，中层均存在与低空触发系统同方向的引导气流，导致列车效应现象的形成，从而产生持续性暴雨与极端暴雨。
6. 结论与讨论
(1) 深圳机场存在偶数年份的年总降水量与日极端降水强度偏强的旱涝交替年际气候变化特征。深圳机场暴雨高发出现在5月和8月，业务上需重点研判该月份出现极端暴雨的可能性，而7月出现暴雨的概率偏低，与副热带高压控制有关。
(2) 深圳机场的极端降水事件的发生频率相对于机场所处的深圳市西部片区偏高，但各年之间的日降水极值差异显著，且极端降水的强度和所处片区相比存在偏弱的特征。
(3) 深圳机场极端暴雨时段呈现白天降水较多，夜间降水较少的趋势，且存在日变化多峰结构。其中，第一个峰值出现在上午08时，第二个峰值出现在上午11时，第三个峰值出现在13~15时，而中午12时却为显著的谷值。
(4) 深圳机场极端暴雨事件，通常由强对流事件所形成，且伴有显著的列车效应现象，平均中等强度以上降水时长可达6小时26分，从而导致持续性暴雨。因此，在实际业务预报中，对极端暴雨的预报就是对产生列车效应的天气系统配置的预报。
(5) 深圳机场极端暴雨可分为静止锋停滞型、暖区型以及台风雨带型三类环流特征，无午后热力性案例。其中静止锋停滞型占比30%，主要出现在1~5月；暖区型占比50%，高发出现在4~8月，台风雨带型占比20%，出现在6~10月。凌晨至上午时段强降水主要由暖区型所导致，下午至夜间时段的强降水由暖区型与静止锋停滞型共同产生。此外，暖区型易多发连日极端暴雨，连续数日对航班运行造成较大影响。
(6) 在三种天气学概念分型中，均可发现低空存在显著携带南海水汽的低空急流，体现充沛的水汽条件是产生极端暴雨的重要条件。中层高空槽带来的强抬升运动是产生强对流过程的关键，而与低空触发系统同方向的引导气流有助于形成列车效应现象，从而产生持续性暴雨。
NOTES
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