1. 引言
复杂天气是影响民用航空安全运行的关键因素，是导致航空飞行事故的重要原因之一[1]。近年来，随着全球变暖的持续，出现极端天气事件的风险进一步加剧[2]，加之民用航空运输量的持续增长，复杂天气对飞行安全、正常和效率的影响愈加凸显。因此对复杂天气进行分析研究，对保障航空飞行安全来说十分必要。
雷暴是伴有雷击和闪电的局地对流性天气，通常在强烈的积雨云中产生，一般伴有阵雨，有时还伴有暴雨、大风、冰雹、龙卷等恶劣天气。当形成雷暴的积雨云发展旺盛时，强大电位差会产生闪电现象。放电过程中的温度骤增使空气体积急剧膨胀，产生的冲击波导致强烈的雷鸣。雷暴天气的持续时间一般较短，但它的局地性和突发性，时常对人民的生命财产安全和国民经济造成巨大的危害[1]-[3]。雷暴天气的分析和预报一直以来是气象预报工作中的重点和难点，目前雷暴被世界航空界公认为严重威胁航空飞行安全的天敌。强烈发展的雷暴云中蕴藏着巨大的能量，具有极大的破坏力，会造成雷击、雹击、颠簸、积冰和下击暴流等对飞行安全造成威胁的天气现象，轻则人机损伤，重则机毁人亡[4]。
在雷雨季节，雷暴、大风、沙尘和降雨对航空安全都有很大的影响。赵德龙[5]的研究表明：乌鲁木齐虽地处欧亚大陆腹地，总体雷暴发生频数相比我国东部地区偏少，但受地形等因素影响，夏季天山山区移出的强对流云团会造成冰雹、暴雨、大风等灾害性天气。从过往统计结果来看，乌鲁木齐地区雷暴平均活动期在4~9月，5~8月居多，其中7月最多[6]。庄晓翠、赵俊荣等[7] [8]研究北疆的各类强对流天气表明，强对流天气是在大尺度环流异常的形势下，高、中、低层多种系统相互作用的结果。黄海波、杜安妮等[9] [10]认为直接导致乌鲁木齐机场强雷暴触发的动力机制有低层切变线、地面能量锋、地面干线、地面辐合线等，会导致出现其他影响飞行的复杂天气。
本文利用乌鲁木齐机场2011~2024年雷雨季节(每年5月至9月，文中统计时间均为北京时)的机场例行、特殊天气报告，统计分析了机场的雷暴、大风、沙尘和降水等在雷雨季节的气候统计特征，旨在利用最新数据分析规律，进一步提升气象人员对雷雨季节复杂天气的认识，掌握近几年雷雨复杂天气的变化规律，为雷雨季节航空气象中、长期气候预测及机场短时临近预报提供参考，提升雷雨季节复杂天气的服务保障能力。
2. 数据与方法
文中所使用的数据为乌鲁木齐机场2011~2024年5~9月的机场观测实况数据，包括例行天气报告(Meteorological Terminal Aviation Routine Weather Report，简称METAR)和特殊天气报告(Aerodrome Special Report，简称SPECI)等报文数据。在统计过程中，以每年的5~9月作为一个单位进行统计。
由于机场观测实况是航空气象电码数据，使用前需要对其进行解码。解码算法采用正则表达式，按航空气象预报规范要求的字段，将其解码为风向、风速、温度、露点、主导能见度、跑道视程(Runway Visual Range，以下简称RVR)、修正海平面气压、天气现象、云量及云底高度等气象要素。下面分别针对雷暴、大风、沙尘以及降水进行分析。
3. 乌鲁木齐机场雷雨季节复杂天气统计特征
通过对乌鲁木齐机场2011~2024年雷雨季节的复杂天气分析发现，乌鲁木齐机场雷雨季节主要出现的天气包括雷暴、大风、沙尘、降水及高温等。每年雷雨季节雷暴平均日数为10.8天，平均风速 ≥ 12米/秒或阵风 ≥ 17米/秒的大风平均日数为6.4天，沙尘的平均日数为11.4天，其中沙暴的平均日数为1天，出现降雨的平均日数为50.3天，其中中量及以上降雨平均日数为6.5天，出现35℃以上的高温天气为22.6天。雷雨季节雷暴、大风、沙尘及强降雨等对航空运行正常有序有较大影响，下面将对这几类复杂天气进行更为细致的统计分析。
3.1. 雷暴
Figure 1. Statistics of thunderstorm weather at Urumqi Airport from 2011 to 2024: (a) The interannual variation of thunderstorm days; (b) The number of thunderstorm days per month for each year; (c) Monthly variations of thunderstorms; (d) The daily variation of thunderstorms
图1. 乌鲁木齐机场2011~2024年雷暴天气统计：(a) 为雷暴日数的年际变化；(b) 为每月雷暴的各年日数；(c) 为雷暴的各月变化；(d) 为雷暴的日变化
图1为乌鲁木齐机场2011~2024年雷暴天气统计结果，从年际变化来看(图1(a))，雷暴日数呈波动增长型，2013年雷暴日数呈现一个峰值，在2014~2018年雷暴日数减少，呈个位数，从2019年开始，雷暴日数呈现快速增长的趋势，到了2024年，雷暴日数达到最大值，为19日。由每月各年的雷暴日数来看(图1(b))，雷暴多发月份主要分布在6月和7月，除了2015年在7月没有现过雷暴天气外，其他年份中均在7月出现雷暴天气，其中2022年出现了8次，9月出现雷暴的年份较少。从雷暴的月变化来看(图1(c))，7月为雷暴高发月份，其次是6月，这与各年雷暴发生日数在每月的分布一致。从日变化上看(图1(d))，前半夜是雷暴高发时段，从21:00后雷暴次数迅速增长，凌晨后开始迅速减少，最主要集中在21:00~02:00，其中22:00~24:00为峰值，06:00后至下午15:00间最少。
3.2. 大风
雷暴及强冷空入侵时常常伴随有大风天气，图2是乌鲁木齐机场2011~2024年雷雨季平均风速 ≥ 12米/秒或者阵风 ≥ 17米/秒的大风天气的统计结果。从年际变化来看(图2(a))，大风天气年际变化在2020年前呈现波动上升趋势，2020~2021年为峰值，2022年后大风日数显著减少，与雷暴年变化不同，2022年后雷暴日仍然是增加的趋势但是大风日数明显下降。由各月每年的日数来看(图2(b))，大风主要发生在5月和6月，大风日最多的2021年，主要出现在6月，2020年平均出现在6~8月，2017年大风主要出现在5月。从冬季月分布来看(图2(c))，5月和6月为集中高发期。从日变化上看(图2(d))，前半夜的次数显著增多，这与雷暴发生的时间基本一致，其次上午10:00前后和下午17:00前后也容易出现大风天气。可见大风天气主要出现在前半夜，对夜间进港航班有较大影响。
Figure 2. Statistics of strong wind weather with average wind speed ≥ 12 m/s or gusts ≥ 17 m/s during thunderstorm season at Urumqi Airport from 2011 to 2024: (a) The interannual variation of the number of strong wind days; (b) The number of strong wind days per month for each year; (c) The monthly variation of strong winds; (d) The daily variation of strong winds
图2. 乌鲁木齐机场2011~2024年雷雨季节平均风速 ≥ 12米/秒或者阵风 ≥ 17米/秒的大风天气统计：(a) 为大风日数的年际变化；(b) 为每月大风各年日数；(c) 为大风的月变化；(d) 为大风的日变化
3.3. 降雨
图3为乌鲁木齐机场2011~2024年雷雨季节降雨统计特征。从年际变化来看(图3(a))，降雨日数的年际变化整体呈现波动变化，最高是2013年达58天，最低是2024年仅有41天，将其与雷暴年际变化日数对比分析发现，降雨与雷暴日的变化趋势并不一致，2013年雷暴日多降雨也多，而2018年后虽然雷暴日逐渐上升，但降雨日呈现波动变化，尤其是2024年雷暴日最多，但是降雨日却最少。从各月每年降雨日数上看(图3(b))，降雨日数分布较为平均，5~8月降雨都较多。从月变化上看(图3(c))看，降雨最多的是6月，其次是5月、7月和8月，9月降雨明显减少。在日变化上(图3(d))降雨多发生在夜间，尤其在前半夜21:00~24:00，以及后半夜04:00~06:00。
Figure 3. Statistical characteristics of rainfall during thunderstorm season at Urumqi Airport from 2011 to 2024: (a) The interannual variation of rainfall days; (b) The number of rainy days per month for each year; (c) The monthly variation of rainfall; (d) The daily variation of rainfall
图3. 乌鲁木齐机场2011~2024年雷雨季节降雨统计特征：(a) 为降雨日数的年际变化；(b) 为每月降雨的各年日数；(c) 为降雨的月变化；(d) 为降雨的日变化
当机场雨量达到中量以上时，会显著影响飞机起降。图4为乌鲁木齐机场2011~2024年雷雨季节中量及以上降雨统计特征，由中到大雨日数年际变化(图4(a))可以看到，出现中到大雨的年际变化呈现波动趋势，差异较大，最多的年份可以达到12日，最少的年份只有2日。由各年日数的月份变化来看，出现中到大雨的月份主要集中在5月，其次是8月，6月和9月出现中到大雨的年份最少，虽然6月和9月出现中到大雨的年份少，但是一个月中出现中到大雨的日数多，一个月中出现中到大雨最多的是5日，分别出现在2016年的6月和2023年的9月。由5~9月中到大雨月变化来看(图4(c))，月度累计中到大雨出现日数5月最多，达到30天，7月最少只有12天，由此规律可得出，虽然7月乌鲁木齐机场雷暴天气最多，但是出现强雷雨的天气较少。分析中到大雨日变化(图4(d))可以发现，出现中到大雨的时间主要集中在下午和夜间，其中在16:00、00:00及02:00时间段内出现中到大雨的日数最多，与出现降雨的日变化不同，虽然下午不是出现降雨的主要时间段，但易出现中到大雨。
Figure 4. Statistical characteristics of moderate and above rainfall during thunderstorm season from 2011 to 2024 at Urumqi Airport: (a)The interannual variation of the number of days with moderate and above rainfall; (b) The number of days with moderate or above rainfall per month in each year; (c) The monthly variation of moderate and above rainfall; (d) The daily variation of moderate and above rainfall
图4. 乌鲁木齐机场2011~2024年雷雨季节中量及以上降雨统计特征：(a) 为中量及以上降雨日数的年际变化；(b) 为每月中量及以上降雨的各年日数；(c) 为中量及以上降雨的月变化；(d) 为中量及以上降雨的日变化
3.4. 沙尘
乌鲁木齐机场出现雷暴天气时有时会伴随大风沙尘，沙尘天气出现的年平均日数为11.4天。图5为乌鲁木齐机场2011~2024年雷雨季节沙尘天气统计特征，由沙尘日数的年际变化来看(图5(a))，整体呈现波动上升的趋势，尤其是在2024年有大幅的增加，达到了28日之多，可能与2024年乌鲁木齐机场改扩建，周边土方较多有关。由各年日数变化来看(图5(b))，沙尘出现在5月的年份最多，6~8月较为平均，9月最少，每年出现沙尘的日数较多的是5~7月，2024年5~8月的沙尘日数都达到了8日，其他年份最多每月出现6日。由沙尘月变化可以看到(图5(c))，沙尘日数从5月开始逐渐减少，5月沙尘累计日数最多达到48日。从沙尘的日变化来看，沙尘天气主要出现在夜间21:00前后。
当出现能见度1000米以上的沙尘天气时对乌鲁木齐机场航班正常运行影响不大，但是当出现沙暴、尘暴时会给航班运行以及航空器维护带来较大影响。图6为乌鲁木齐机场2011~2024年雷雨季节沙暴、尘暴天气统计特征，通过对2011~2024年沙暴、尘暴天气的统计发现，雷雨季节沙暴尘暴呈现波动变化的形式，出现频次上下限差距较大，其中频次最少为0次，出现频次最多的年份为2018年，共出现3次。根据各年日数变化情况来看，出现沙暴、尘暴年份最多的是6月，有5年在6月出现过沙暴，其他月份只有一年或两年出现过沙暴或尘暴，2024年虽然出现沙尘天气最多，但并没有出现沙暴或尘暴天气。由月变化可以看出，6月累计出现沙暴或尘暴日数最多，共6日，其次是5月，共出现4日，其余月份为1日。根据沙暴尘暴的日变化统计，沙暴尘暴出现的时间与沙尘出现的时间较为一致，主要集中在夜间21:00前后。
Figure 5. Statistical characteristics of sandstorm weather during thunderstorm season at Urumqi Airport from 2011 to 2024: (a) The interannual variation of sandstorm days; (b) The number of sandstorm days per month in each year; (c) The monthly variation of sandstorms; (d) The daily variation of sand and dust
图5. 乌鲁木齐机场2011~2024年雷雨季节沙尘天气统计特征：(a) 为沙尘日数的年际变化；(b) 为每月沙尘的各年日数；(c) 为沙尘的月变化；(d) 为沙尘的日变化
Figure 6. Statistical characteristics of sandstorms and dust storms during the thunderstorm season at Urumqi Airport from 2011 to 2024: (a) The interannual variation of sandstorm and dust storm days; (b) The number of sandstorms and dust storms per month in each year; (c) The monthly changes for sandstorms and dust storms; (d) The daily variations of sandstorms and dust storms
图6. 乌鲁木齐机场2011~2024年雷雨季节沙暴、尘暴天气统计特征：(a) 为沙暴、尘暴日数的年际变化；(b) 为每月沙暴、尘暴的各年日数；(c) 为沙暴、尘暴的月变化；(d) 为沙暴、尘暴的日变化
4. 结论
通过对乌鲁木齐机场2011~2024年雷雨季节复杂天气进行统计分析，得到了雷暴、降雨、大风、沙尘等基本统计特征，结论如下：
1) 雷雨季节雷暴、沙尘呈现显著的年际变化，雷暴、沙尘日数呈波动上升趋势，大风、降雨日数呈周期波动。
2) 机场复杂天气有显著月变化。其中雷暴主要集中出现在7月，大风、降雨和沙尘天气主要集中在5~6月，即春末夏初，冷空气更加活跃，易导致较强降雨和大风沙尘天气。
3) 雷暴与大风、降雨和沙尘日变化较为一致，雷暴主要出现在前半夜，大风、沙尘也主要出现在前半夜，降雨相对出现时间范围更长，主要出现在夜间。而中到大雨出现的时间则更为分散。雷暴、大风、沙尘及降雨多发在前半夜，也是乌鲁木齐机场进港高峰期，对航班运行影响较大。
4) 除了7月，雷暴、大风、沙尘及降雨频次呈正相关。7月虽是雷暴日最多的月份，但大风、强降雨和沙尘并不是很多，表明7月雷雨虽多，但强度不强，而5月和6月，虽然雷暴不是最多的，但是伴随的大风、强降雨和沙尘多，表明5~6月虽然雷雨相对较少，但强度较强。