近37a乌鲁木齐机场雾的不均匀性特征分析

王楠，杨洪儒，梁艳

（1.新疆空管局气象中心，新疆乌鲁木齐 830016；2.民航新疆空中交通管理局气象部，新疆乌鲁木齐 830016）

近37a乌鲁木齐机场雾的不均匀性特征分析

王楠1，杨洪儒1，梁艳2

（1.新疆空管局气象中心，新疆乌鲁木齐 830016；2.民航新疆空中交通管理局气象部，新疆乌鲁木齐 830016）

应用1977—2013年乌鲁木齐机场12月—次年（2014年）3月逐时地面观测资料，应用相关气候统计方法探求乌鲁木齐机场雾天气的出现时间及其变化特征，并以大雾集中度（FCD）和大雾集中期（FCP）来表征大雾天气累计出现时间的非均匀性特征，结果表明：（1）1977—2013年，乌鲁木齐机场雾累计出现时间呈明显的上升趋势，大雾的上升速率大于浓雾的上升速率，且浓雾占机场雾的比率逐年下降；（2）机场雾累计出现时间分为三个阶段：少发期（1977—1991）、调整期（1992—2001）、高发期（2002—2013），且机场雾累计出现时间存在明显的突变，突变时间为本世纪00年代初期（2001/2002年）；（3）机场大雾累计出现时间和能见度大小有明显的负相关关系，且日变化显著：3:00—13:00为一天内易发大雾时间段，14:00—23:00为一天内能见度较好时间段；（4）机场大雾集中度相对较高,且近37 a来无显著变化；机场大雾集中发生在12月和1月，以周为时间单位计算时，在2002年以前，大雾最多发生在12月第四周；2002以后，大雾最多发生时间开始后移至次年1月第一周。

乌鲁木齐机场雾；气候特征；非均匀性特征

大雾，不但是近年来民众和社会关注的焦点和重点，它更是航空事故的最大诱因之一。根据国家民用航空总局颁布的《民用航空行业标准》中相关定义，大雾为近地面层中水汽凝结或凝华而使能见度降低至1 000m以下的现象。乌鲁木齐机场附近，大雾通常出现在300～400 m以下的低空，加之天气形势稳定,局地性明显,对雾的监测和准确预报一直是气象服务工作中的难点。

大雾对飞行安全构成的威胁主要表现在：其导致的恶劣能见度会影响飞机的正常起飞和着陆，雾抬升形成碎层云等低云后,增加了飞机在云中积冰、颠簸等概率[1]。尤其是能见度低于500 m时的浓雾和强浓雾（参考国家标准《雾的等级》）天气时，可导致机场关闭，航班取消，从而造成大量旅客滞留，影响安全飞行和航班的正常运营秩序。

随着社会各界对雾霾天气及航班准时率与日俱增的关注度和高要求，诸多研究从不同角度对雾展开了深入细致的分析和探讨。国外学者对雾的组成及其气候特征进行了研究[2]，同时还开展了区域性雾霾现象对气候的影响的研究[3]。我国学者也开展了一些全国性和区域性雾的气候特征研究。数值模拟方面，起初采用Brown和Roach[4]的一维模式对辐射雾形成过程进行数值试验，并分析探讨低层温度、湍流、相变、重力沉降等因子对辐射雾形成的影响[5]。气候研究方面，王丽萍[6]等利用中国1961—2000年，604个地面站40 a的地面观测雾日资料，给出了我国主要的6个大雾分区，并对各雾区进行了月、年变化特征分析。刘小宁[7]等在分析了1950年以来我国大雾空间、时间分布的基本气候特征基础上又给出了大雾日数变化原因的初步解释。孙丹[8]等就我国大陆地区浓雾发生频数的时空分布做了相应的分析。郑玉萍[9]则指出冬季乌鲁木齐大雾与低层大气的逆温情况有密切的联系。马禹[10]、谭艳梅[11]分析新疆雾的分布及气候变化特征，并指出天山山区北麓和准噶尔盆地南缘，属大雾多发区域[12]，而乌鲁木齐机场正坐落于此。

航空气象工作者也针对本区域的机场大雾天气的气候特点、分布特征、形成原因以及环流形势做了相应分析：陈露[1]分析了首都机场雾发生的日变化、季节变化和年际变化特点以及大雾不同阶段时所对应的天气形势。李秀连[13]对首都机场出现的大雾过程进行分类,并分别统计分析了各类大雾出现的时序特征、背景场特征以及出现前和消失时的气压、风场等物理量特征。董爱民[14]就咸阳机场雾的年、日变化特点进行总结。曾彦[15]则应用滚流结构观点和方法，运用V-3θ结构分析和方位相空间结构分析双流机场雾发生、发展的物理机理。

随着乌鲁木齐社会经济的发展，航班量不断增加，但是乌鲁木齐机场地处大雾高发区，给冬季民航运营带来巨大的困扰。另外乌鲁木齐机场大雾以其独特的低窝“碗底”地形，其大雾也表现出了极强的局地性特征：有时机场大雾弥漫，市区却是艳阳高照；有时跑道上能见度恶劣，航班无法起降，机场其它区域能见度却在标准之上；有的时候雾团在跑道上漂浮不定，导致跑道上能见度时而在标准之上，时而低于标准，给管制指挥飞机起降及预报人员对外服务带来很大困难。

所以针对大雾天气（能见度低于1 000 m）和浓雾天气（本文指能见度低于500 m的浓雾和强浓雾）给民航运输带来的影响，立足实际工作需要，就乌鲁木齐机场雾持续时间及大雾（浓雾）天气时间分布上的不均匀性进行特征分析，加深对乌鲁木齐机场雾规律的认识,为乌鲁木齐机场雾天气的预报提供一些参考。

1 资料与方法

本文采用1977年1月—2014年3月乌鲁木齐机场逐时地面人工观测的能见度资料。基于机场雾天气明显的月际分布特点，即大雾（浓雾）天气主要集中在11月和12月及次年1、2、3月，上述月份累计大雾（浓雾）时间占到全年大雾时间的99.3%（99.8%），故本文以上述5个月大雾（浓雾）累计出现时间累积小时数作为研究样本，应用气候统计方法探求乌鲁木齐机场大雾（浓雾）天气出现时间的分布特征及不均匀性变化。

突变检验本文采用Mann-Kendall法和滑动t检验相结合的方法来确定突变点，两者结合，以便克服单一方法的局限性，两种方法同时满足显著性时可以相互印证，具体计算详见文献[16]。

为表征乌鲁木齐机场大雾天气分布时间上的不均匀性，在Zhang[17]提出的降水集中度（Precipitationconcentration degree（PCD））降水集中期（Precipitation-concentration period（PCP））的基础上，根据研究乌鲁木齐机场大雾的非均匀性特征的需要，本文定义了大雾集中度（Fog-concentration degree（FCD））大雾集中期（Fog-concentration period（FCP）），并以此为参数研究机场大雾以周为时间单位分布的特征。

将每年的1、2、3、11、12月的大雾天气作为整体，以周大雾时间为研究单位（注：一个月分为4周，22日到月末为本月的第四周），定义大雾集中度（FCD）/集中期（FDP）。具体计算方法为：

式（1）-（4）中，Ci（Pi）为研究时段内的大雾集中度（集中期）；rij为研究时段内第i年第j周的大雾累计出现时间量；θj为研究时段内各周对应的方位角（整个研究时段的方位角设为360°，其与周数及日期的对应关系如表1所示）；i为年份，i=1977，1978，1999…2013；n为研究时段内的单位数，j=1，2，…，n（n=20）。由上式可知，Ci能够反映大雾在研究时段内各月的集中程度，如果在研究时段中，大雾集中在某一周内，则它们合成向量的模与大雾累计出现时间的总量之比为1，即FCD为极大值;如果每个周的降水量都相等，则它们各个分量累加后为0，即FCD为极小值；Pi就是合成向量的方位角，它指示出每周大雾事件合成后的总体效应，也就是向量合成后重心所指示的角度，反映了大雾最大可能出现在哪一个时段内，包含了大雾的非均匀分配信息。

2 结论分析

2.1 乌鲁木齐机场大雾（浓雾）累计出现时间年际分布特征

图1显示了1977—2013年11—12月及次年1—3月期间每年乌鲁木齐机场大雾和浓雾累计出现小时数的年际变化。乌鲁木齐机场大雾37a来呈明显的上升趋势，且其与时间的线性回归的相关系数r≤1000=0.73，超过α0.001=0.52的信度检验。这种趋势分为较为明显的两个阶段：2002年以前，大雾累计出现时间很均匀，平均值为190 h/a，2001年以后（2002—2013）大雾天气出现时间增长迅速，平均值512.58 h/a，为大雾高发期。尤其是2002—2007年，平均值534 h/a，2009年出现大雾时间最长年份，高达761 h。另外，2002年以前的年份又可以分为两个阶段：20世纪70年代后期至20世纪90年代前期（1977—1991），机场大雾出现较少且相对平稳，平均157.3 h/a，为机场大雾的少发期；20世纪90年代前期至21世纪00年代初期（1992—2001）大雾累计出现时间年际变化幅度开始加大，大雾多发年与少发年相间出现，平均239.4 h/a，为机场大雾的调整期。

另一方面，大雾天气中浓雾的比例在逐年降低。比例最大出现在1979年，随后就呈波动状下降，经过80年代初—90年代中旬的波动，于1994年稳步下降。乌鲁木齐机场大雾（浓雾）不但累积出现时间长，而且大雾过程之间的持续时间也有着很大的差别。为了更贴近日常工作需要，本文针对持续10 h以上的大雾天气，做如下统计：两次大雾天气如果间隔≤3 h，且其中一次大雾过程持续时间≥10个h，且另一次大雾过程持续时间≥4 h，则将两次天气过程的持续时间相加记为一次过程。具体结果如表2所示：近37 a来，乌鲁木齐机场大雾持续时间长短跨度很大，从1 h到103 h（2012年01月06日09时—2012年01年10月15日）不等，具体分布为：T≤15的大雾出现次数2 314次；30 h≥T＞15 h的大雾出现95次，60 h≥T＞30 h大雾出现16次，T＞60 h的大雾次数仅为4次。

另外，大雾少发期大雾平均发生次数为40.3次/年，平均每次持续时间为3.5 h；大雾调整期平均出现次数为52.8次/a，平均每次持续时间为4.5 h；大雾高发期平均出现次数为100.3次/a，平均每次持续时间为5.1 h。由此可见，大雾高发期大雾时间的增加主要体现在天气发生的次数上，持续时间上相对稳定。

2.2 乌鲁木齐机场大雾出现的时间序列的突变性检验

由于机场大雾和机场浓雾变化趋势上有着极高的相关性，所以以下均只针对机场大雾做相应分析。由2.1可知，近37 a来，乌鲁木齐机场大雾累计出现时间有显著的上升趋势，故本文应用M-K检验结合滑动t检验来分析机场雾的突变特征。

图2为乌鲁木齐机场大雾的M-K检验曲线，其中UF为大雾顺序列的统计量变化曲线，UB为逆序列的统计量变化曲线，并根据给定的显著性水平α= 0.05和α=0.001，计算出M-K检验统计量所对应的两条临界直线U0.05=±1.96，U0.001=±2.56。滑动t检验法（取显著性水平α=0.01，t=3.35）检测结果如图3所示。

综合两种突变检验可以判断乌鲁木齐机场大雾于20世纪90年代末期就有上升的趋势，但是2001年大雾累计出现时间较小，使得上升的趋势产生了波动，从2002年开始上升突变。这也和实际情况相符，随着乌鲁木齐机场周边的经济发展，空气污染的加剧，气候背景中温度的上升，使得空气中的凝结核增加，使得雾、烟、霾更易发生。

2.3 乌鲁木齐机场大雾出现的日变化

乌鲁木齐机场大雾天气是机场冬季不可避免的低能见度天气，所以掌握大雾的日变化特征和规律对合理的安排航班时间，降低延误率有积极的意义。故本文对1977—2013年乌鲁木齐机场大雾天气的日变化特征做了相应分析。图4是乌鲁木齐机场大雾累计出现时间及能见度的日变化,图中的数值直接反应变量的真实大小，中间的分割线却为变量的平均值，能直观的得知变量的距平情况。

由图4可知，机场大雾出现的时间与主导能见度之间存在非常明显的负相关，且大雾出现时间和相应时刻主导能见度相关系数r=-0.75（浓雾出现时间和相应时刻主导能见度相关系数r=-0.61），由此可以说明，能见度差和持续时间长往往相伴而生，即机场大雾有着持续时间长，能见度差的特点。

另外，机场大雾存在着明显的日变化特征，被凌晨和中午分成明显的两个转折时间段，分别为01—02时、14—15时（注：新疆时间与北京时间相差2 h，即14时为新疆时间12时—正午，以此类推）为界限，03—13时大雾累计出现时间呈明显的正距平，且在09—12时大雾出现最频繁且能见度较差的时间段，经研究表明，这段时间出现的机场大雾，主要是以平流雾性质为主，而且与风向的转换密切相关，即吹北风时能见度较差，降至<500 m的频率急速上升，相对而言00—09时出现的大雾则是以地温下降导致的辐射雾为主；14—23时为大雾的相对少发期，这个时间段随着温度升高，逆温层抬高使得雾层抬高或消弱，机场能见度好转。

2.4 乌鲁木齐机场大雾非均匀性分布特征

由大雾引起的低能见度天气主要集中在冬半年，且每个月之间大雾累计出现时间相差很大，具体表现为12月（为11月的2.3倍，3月的4.8倍）最多，其次为1月和2月，另大雾不但月际差异显著，以周为单位的大雾累计时间相差也很大（图5），尤其是11月第4周—次年1月第2周，累计大雾出现时间占到全年的57%，且11月第4周的大雾累计出现时间是第3周的2.6倍，1月第2周的大雾累计时间是第3周的1.7倍，为了能更好的分析乌鲁木齐机场大雾分布的非均匀性，本节就大雾集中度与大雾集中期进行分析，另外集中度与集中期多用于研究降水，且时间尺度较大，应用大雾累计出现时间的研究且时间单位尺度（周）较小，在计算集中期和集中度时会出现合成矢量偏移，产生统计误差，故本文还计算了周大雾出现时间的年平均值及每年大雾累计时间最长的3周的累计大雾出现时间占该年大雾总出现时间百分率（以下简称大值百分率），佐证集中度和集中期在本次研究中的应用。

由图6可知，机场大雾集中度（FCD）与大值百分率拟合率很高，其相关系数为0.68，超过α=0.001的信度检验，可以看出集中度在以周为时间单位的大雾累计时间的不均匀性有很好的试用性，尤其是20世纪70年代—90年代初期及90年代后期至今，拟合度更高。

结合2.1给出的大雾不同阶段，本文选取两者拟合好的2 a（1987、2001年）和拟合不好的2 a（1982、1996），针对大雾的不均匀分布做进一步分析：1987（2001）年，在该年的20个时间单位有18个（7个）时间单位出现了大雾，大雾累计出现时间最大的前3周（1月第1周，12月第4周，1月第2周（12月第4周，1月第1周，12月第3周））的大值百分率为35%（80%），集中度为0.35（0.80），两者几乎一致，均反映出1987年大雾发生较为均匀，发生次数多且大雾过程的持续时间相差不大；2001年大雾发生分布很不均匀，这种不均匀性不但表现在大雾出现时间上，也表现在出现的次数上，呈现出高度的集中性。

而1982年（1996年）有12个（9个）时间单位都出现了大雾天气，大值百分率为68%（77%），集中度为0.43（0.49），两者的差异显著，大值百分率仅能表征大雾发生累计出现时间的集中程度，而对大雾发生的次数无法体现，而集中度很好的弥补了这个不足，能较为全面衡量大雾的非均匀性分布，所以应用集中度来表征大雾的非均匀性变化有可适应性和合理性。

近37 a来FCD无明显的变化趋势，其与时间的线性回归的相关系数r=0.08，没有超过信度检验，总体来讲较为平稳。结合37 a的均值为0.451，集中度较高。最大值为0.82，发生在2001年；最小值为0，19发生在1995年，该年有18个时间单位有大雾发生，且大值百分率为35.2%，无论从大雾发生次数还是每周的大雾持续时间上，分布都较为分散。值得一提的是，1987年和2004年，也是有18个时间单位有大雾发生，且大值百分率分别为35.1%和31.2%，这样看来，FCD的最小值应该出现在2004年，其实不然；比照这3 a的大雾累计出现的总时间（T2004>T1987>T1995），还有标准差（σ2004> σ1987>σ1995）的特征，我们就不难解释，恰好是因为1995年大雾累计出现时间相对较少，且发生大雾的时间单位又多，所以每个时间单位之间的大雾累计出现时间就相差很小，表现的均匀性也就越大。但是在大雾少发期和调整期时FCD变化较大，尤其在调整期，低FCD和高FCD几乎交替出现，而进入了大雾高发期——21世纪00年代初期以后，FCD整体较低，这就说明进入大雾高发期后，大雾天气相对分散，发生次数较多。

机场大雾集中期（FCP）表现出明显的集中性（图5），结合图7可知，即除1981年以外，其余各FCP均集中在44°≥FCP>216°，即12月和1月，且具体分布为，FCP位于12月22日—12月31日（144°≥FCP>126°）之间的最多有9 a，其次是位于1月1日—1月7日（216°≥FCP＞126°），有7 a，再其次是位于12月15—21日（126°≥FCP>108°）之间，共有5 a，且该次数与各周平均大雾累积时间的相关系数为r=0.67。这和实际工作相符，12月下旬开始至1月中旬都是机场大雾持续时间长、能见度低的最集中的时间，同时也是影响航班正常起降最明显的一段时间。

进入大雾高发期后，FCP出现了数值减小，时间迁移的变化特征，即2002年以前，年最长大雾期发生在12月，其多以12月末为主；2002年开始，年最长大雾期发生在1月，所以在日常工作预报中要给予1月初更大的关注，提升航班的准点率。

3 结论

（1）1977—2013年，乌鲁木齐机场雾累计出现时间呈明显的上升趋势，大雾的上升速率大于浓雾的上升速率，且大雾天气中浓雾的比率逐年下降；且机场雾的持续时间以低于6 h为主。

（2）37 a来，机场大雾分为三个阶段：大雾少发期（1977—1991）——大雾调整期（1992—2001）——大雾高发期（2002—2013），且大雾高发期大雾累计出现时间的增加主要体现在大雾发生次数的变化上；另外，机场大雾有着明显的突变变化，具体时间发生在21世纪00年代初期（2001/2002年）。

（3）机场大雾累计出现时间和能见度高低有明显的负相关关系，且日变化显著：一天内有两个非常明显的转折时间，分别为01—02时和14—15时，即03—13时为一天内易发大雾时间段，14—23时为一天内能见度较好时间段。

（4）机场大雾发生时间的集中度相对较高，37 a来变化不大，进入大雾高发期以后的集中度相对较低，即大雾累计出现时间的突变增加主要以大雾次数的增多为主，单次大雾持续时间没有显著变化；以周为时间单位计算，机场大雾发生的集中周为12月和1月，且2002年以前，以12月第四周为主；2002年以后，大雾发生的集中周开始前移至1月第一周，即在12月末和1月初最易长时间出现低能见度的机场大雾。

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Analysis on Temporal-inhomogeneity Characteristics of Fog during the Recent 37 Year at the Urumqi Airport

WANG Nan1，YANG Hongru1，LIANG Yan2
（1.Xinjiang Meteorological Center Civil Aviation Air Traffic Control Bureau,Urumqi 830016，China；2.Xinjiang Meteorological Department Civil Aviation Air Traffic Control Bureau,Urumqi 830016，China）

The purpose of this study is to investigate the variation and temporal distribution of the fog in Urumqi Airport.By using relevant climate statistical method,the hourly ground observation data from 1977 to 2013（Jan,Feb,Mar,Nov and Dec）was analyzed.The heterogeneity characteristics of the fog for accumulative time were expressed by FCD（Fog-Concentration Degree）and FCP（Fog-Concentration Period）.The results showed that：（1）The occurrence of fog significantly increased during 1977 and 2013,and the rising rate of fog is larger than the dense fog, well the fog share of dense fog enterprises decreased.The Duration of fog is mainly less than 6h.（2）There are three stages of the airport fog in the 36 years,less-fog period(1977-1991) adjustment-fog period（1992-2001）and more-fog period（2002-2013）；（3）There was a negative correlation between the occurrence of fog and the visibility and the variation was significant；（4）The concentration ratio of airport fog occurrence time was high andChange fairly smooth,but in the more-fog period,the airport fog happened more frequently but the concentration ratio was low. Airport fog focused occurred in December and January,especially in the 4th week in December and the 1st week in January.Before 2002,the fog most centralized in the fourth week of December and after 2002,the FCP move to the first week in January.

the fog in Urumqi Airport；climatic characteristics；fog-concentration degree（FCD）and fog-concentration period（FCP）

P468

B

1002-0799（2015）04-0043-07

王楠，杨洪儒，梁艳.近37 a乌鲁木齐机场雾的不均匀性特征分析[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（4）：43-49.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.04.007

2014-08-29；

2015-03-21

气象小型建设项目—乌鲁木齐区域环境气象模式系统改进；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（NO：IDM2015001）联合资助。

王楠（1986-），女，助理工程师，主要从事航空气象预报工作。E-mail：wangnan1986yang@163.com