乌鲁木齐机场持续浓雾天气垂直风场特征分析

王春红，谭艳梅，王清平，陈阳权

(民航新疆空管局气象中心，新疆 乌鲁木齐 830016)

引 言

浓雾是重要的灾害性天气之一，是诱发各类运输安全事故的重要因素[1-6]。雾的形成、发展、维持和消散过程非常复杂，与天气形势、地理环境、边界层条件等多种因素有关，其局地性特点显著，预报难度较大[7-10]。研究表明，大气边界层较高的相对湿度和稳定的温度层结，是持续大雾天气形成的必备条件[11-14]；风场主要通过动力、热力作用以及水汽输送等直接或间接影响雾的生消[12]，边界层内较小的风速和风的垂直切变，微弱的上升和下沉运动有利于雾的形成和维持[15-17]；强梯度风是雾快速消散的重要动力因子[18]，局地湖陆风或山谷风环流会导致雾的爆发性增长，影响雾的生消[12-13,17-19]。华北平流雾的稳定维持与偏北大风带来的下沉逆温关系密切[13]。

乌鲁木齐位于亚欧大陆腹地，地处天山北麓、准噶尔盆地南缘，同时又处在中天山峡谷的北端，冬季中低空风场有其自身特点，即600～800 m以下以西北风为主，风速小于4 m·s-1，600 m以上东南风逐渐成为主风向，1000 m以上东南风为主，最大风速接近10 m·s-1[20]。低空型东南风在冬季发生频率很高，具有焚风性质，可使逆温层加强、增厚[21-22]。乌鲁木齐机场冬季常出现严重影响航班运行的持续浓雾天气，航空气象预报和服务难度较大。目前针对乌鲁木齐机场雾的分析研究大多集中在天气形势、地面要素、边界层温湿条件等方面[23-26]，对于空中风场在持续浓雾生消演变中的作用关注较少。2014—2016年，乌鲁木齐机场大雾天气频繁出现，其中2016年共出现80个雾日，突破近30 a大雾日数极值，本文选取其中的持续浓雾天气过程，分析中低空垂直风场特征，以期能提高预报员在这方面的认知，并在监测与短临预报等方面提供一些参考。

1 资料与方法

乌鲁木齐机场(简称“机场”)海拔高度647 m，位于市区西北方向，乌鲁木齐市气象局观测站(简称“乌鲁木齐站”)位于市区，海拔高度935 m，两站水平距离约20 km，海拔高度相差约300 m。

机场持续浓雾过程定义为：持续2 h及以上、主导能见度小于等于500 m且跑道主降方向跑道视程(runway visibility range,简称RVR)小于等于550 m的雾[25]。按此定义，选取2014年1月至2016年12月乌鲁木齐机场持续浓雾过程46例(表1)。

表1 2014—2016年乌鲁木齐机场持续浓雾天气个例统计Tab.1 Statistics of persistent heavy fog processes at Urumqi airport from 2014 to 2016

所用资料包括：2014年1月至2016年12月的常规气象资料、机场跑道自动观测系统实时观测资料、机场逐时人工地面气象观测资料、机场LAP-3000型边界层风廓线雷达资料、乌鲁木齐站L波段探空风场资料和乌鲁木齐站CFL-03型边界层风廓线雷达资料等。分析持续浓雾时垂直风场的总体结构特征时，主要利用同期每日00:00(世界时，下同)和12:00乌鲁木齐L波段探空站风场资料(垂直空间分辨率为50 m)；分析持续浓雾过程中不同阶段中低空垂直风场的演变特征时，主要利用同期乌鲁木齐站和机场两部边界层风廓线雷达资料。图1为乌鲁木齐L波段探空站及两部风廓线雷达站地理位置示意图。

图1 乌鲁木齐地形(阴影，单位：m)及L波段探空站、风廓线雷达站位置Fig.1 The terrain (the shade, Unit: m) of Urumqi and the locations of L-band sounding station and wind profile radar stations

2 持续浓雾的天气形势

2014—2016年乌鲁木齐机场持续浓雾天气过程的地面形势以蒙古冷高压后部型为主，500 hPa高空形势主要有脊前型、脊区型、西风波动型和横槽型,其中脊区型16例，脊前型和西风波动型各14例，横槽型仅2例。脊前型时机场中高空甚至到低层均为西西北气流，稳定层结贴近地面，湿度条件较好时有利于持续浓雾的出现。具体可表现为两种情形：一是给北疆带来一次降水天气的高空槽刚过乌鲁木齐，乌鲁木齐受槽后脊前西北气流控制，如2016年11月27日22:00至28日00:30的持续浓雾[图2(a)]；二是中亚到新疆为宽广脊区，脊线在巴尔喀什湖附近，乌鲁木齐受宽广脊前部的西西北气流控制。脊区型时机场层结稳定度好，午间地面升温会使雪面升华或融雪增湿，较有利于持续浓雾出现。具体也表现为两种情形：一是北疆地区在低槽过境后，迅速演变为暖脊区控制；二是中亚—新疆—贝加尔湖为宽广强盛的暖脊控制，如2016年12月9日07:00—14:00的持续浓雾[图2(b)]。西风波动型时北疆地区受平直西风气流控制，不断有弱波动东移，但无法破坏低层前期存在的稳定层结，湿度条件较好时有利于持续浓雾的出现，如2015年12月7日13:00—15:00的持续浓雾[图2(c)]。横槽型时，乌鲁木齐中低空受横槽后的东北风控制，稳定度和湿度条件具备时会出现持续浓雾，如2015年12月13日13:00至14日01:30的持续浓雾[图2(d)]。

图2 2014—2016年乌鲁木齐机场持续浓雾天气典型个例的500 hPa位势高度场(蓝色等值线，单位：dagpm)、温度场(红色为温度等值线，单位：℃)及风场(风矢量，单位：m·s-1)(a)2016年11月28日00:00，(b)2016年12月9日00:00，(c)2015年12月7日12:00，(d)2015年12月13日12:00(黑色圆点为乌鲁木齐机场位置)Fig.2 The geopotential height field (the blue lines, Unit: dagpm), temperature field (the red lines, Unit: ℃) and wind field (vectors, Unit: m·s-1) on 500 hPa during persistent heavy fog processes at Urumqi airport from 2014 to 2016(a) 00:00 UTC on 28 November 2016, (b) 00:00 UTC on 9 December 2016,(c) 12:00 UTC on 7 December 2015, (d) 12:00 UTC on 13 December 2015(the black dot for the location of Urumqi airport)

3 L波段探空垂直风场廓线特征

普查所有持续浓雾个例的L波段探空垂直风场，基本可归纳为两种结构(表2)：一是自上而下由西西北风层和边界层风场组成(简称“Ⅰ型风场”)，以脊前型和横槽型为主；另一种是自上而下由西西北风层、空中东南风层和边界层风场组成(简称“Ⅱ型风场”)，以脊区型和西风波动型多见。Ⅰ型风场和Ⅱ型风场个例总数分别为19例和27例，二者风场结构最主要的区别在于是否存在空中东南风层。

表2 2014—2016年乌鲁木齐机场持续浓雾天气时垂直风场结构分型Tab.2 The classification of vertical wind field structure during persistent heavy fog processes at Urumqi airport from 2014 to 2016

图3为2014—2016年乌鲁木齐机场持续浓雾天气时乌鲁木齐L波段探空站00:00及12:00 Ⅰ型风场、Ⅱ型风场的风向、风速垂直廓线。Ⅰ型风场的主要特点是：00:00，600 m以上为西西北风层，平均风速3～11 m·s-1，且随高度增大。12:00，600～1300 m为东东北风，平均风速3～4 m·s-1(主要为横槽型个例，鉴于横槽型个例极少，可忽略不计)，1300 m以上为西西北风层，平均风速3～10 m·s-1，且随高度增大。600 m以下的边界层风场，00:00以东南风为主，12:00以西北风和北风为主，平均风速小于4 m·s-1。Ⅱ型风场的主要特点是：自2000 m向上为西西北风层，平均风速为8～11 m·s-1，且随高度增大；空中东南风层00:00位于300～1800 m高度，平均风速2～8 m·s-1，12:00位于400～1900 m，平均风速3～10 m·s-1，最大风速层基本在800～1000 m左右，且12:00风层厚度和平均风速均大于00:00；边界层风场00:00位于300 m以下，以偏东风为主，平均风速2～4 m·s-1，12:00位于400 m以下，以北、东北风为主，平均风速2～4 m·s-1。Ⅰ型风场和Ⅱ型风场的边界层风场高度、风向等的昼夜差异体现了乌鲁木齐地区局地山谷风环流的日变化特点[27]，即00：00为夜间盛行的山风(偏南风)，12:00为昼间盛行的谷风(偏北风)。

图3 2014—2016年乌鲁木齐机场持续浓雾天气时乌鲁木齐L波段探空站00:00(a、b)及12:00(c、d)Ⅰ型风场、Ⅱ型风场的风向(a、c)、风速(b、d)垂直廓线Fig.3 The vertical profiles of wind direction (a, c) and wind speed (b, d) at 00:00 UTC (a, b) and 12:00 UTC (c, d) at Urumqi L-band sounding station for the Ⅰ & Ⅱ type vertical wind pattern during persistent heavy fog processes at Urumqi airport from 2014 to 2016

图4为2014—2016年乌鲁木齐机场持续浓雾时各天气型的乌鲁木齐L波段探空站00:00及12:00风向、风速垂直廓线。可以看出，西西北风层的下界高度各天气型之间差异较大，西风波动型最高，为2500 m左右，脊前型和脊区型在1500～2000 m左右，横槽型最低为600 m左右。空中东南风层的下界高度各型基本相同，00:00为300～400 m，12:00为500m，风速大小和风层厚度各天气型有一定差异，平均风速西风波动型最大，为4～10 m·s-1，脊区型、脊前型分别为3～6 m·s-1、3～5 m·s-1，风层厚度西风波动型>脊区型>脊前型，00：00这3种天气型的风层厚度分别为1300、900、500 m，12:00分别为1700、1100、800 m。西风波动型和脊区型的空中东南风层具有厚度厚、风速大的特点。边界层风场各天气型之间没有明显差异，高度均在500～600 m以下，平均风速≤4 m·s-1，风向受局地山谷风环流的影响，00：00多为偏南风，12:00多为偏北、偏西风。

图4 2014—2016年乌鲁木齐机场持续浓雾时各天气型乌鲁木齐L波段探空站00:00(a、b)及12:00(c、d)风向(a、c)、风速(b、d)垂直廓线Fig.4 The vertical profiles of wind direction (a, c) and wind speed (b, d) at 00:00 UTC (a, b) and 12:00 UTC (c, d) at Urumqi L-band sounding station for different weather types during persistent heavy fog processes at Urumqi airport from 2014 to 2016

4 风廓线雷达垂直风场演变

综合分析乌鲁木齐机场持续浓雾时机场、市区风廓线雷达资料发现：在持续浓雾发生和维持阶段，西西北风层的演变主要表现为风速减小和下界高度上抬，空中东南风层的演变主要表现为新建立形成空中东南风层或是原有的空中东南风层加强(风层变厚、风速加大)、最大风速层和下界向地面下压。边界层风场在持续浓雾发生阶段常表现为偏北风的出现或加大(风速约为2～4 m·s-1)，维持阶段常表现为偏北风维持、风向不定、市区到机场的弱风场辐合“对峙”(市区上空为偏西、偏南风，机场上空为偏北风)等。在持续浓雾结束阶段，西西北风层的风速有时会有不同程度增大，空中东南风层整体或大风层上抬，风速减小，边界层风场常表现为一致的偏西风或西北风加大，风速可达2～8 m·s-1，或出现风速约2～4 m·s-1的东风层。

以乌鲁木齐机场2015年1月14日16:30至15日03:00出现的脊区型持续浓雾过程为例(图5)，在整个浓雾过程中，风速小于2 m·s-1，风向以西北、东北风为主，气压为正常的日变化，地面气温在浓雾出现阶段下降(下降幅度小于1 ℃)，其后略有波动但基本保持平稳，在浓雾结束阶段，气温逐渐缓慢上升。

图5 2015年1月14日16:30至15日03:00乌鲁木齐机场持续浓雾过程地面气象要素演变(a)跑道视程RVR，(b)温度，(c)风速，(d)露点温度，(e)风向，(f)气压Fig.5 The variations of surface meteorological elements during the persistent heavy fog processes at Urumqi airport from 16:30 UTC on 14 to 03:00 UTC on 15 January 2015(a) runway visibility range, (b) temperature, (c) wind speed,(d) dew-point temperature, (e) wind direction, (f) pressure

图6为2015年1月14日16:30至15日03:00乌鲁木齐机场持续浓雾过程边界层风廓线雷达风场演变。可以看出，在持续浓雾开始前约1.5 h(14日15:00前后)：空中东南风层开始出现明显的发展加强趋势，乌鲁木齐站东南风层下界由之前的500 m左右下压到300 m以下，风速大于12 m·s-1的大风层由之前的1000～1200 m下压至400～600 m，乌鲁木齐机场的东南风层下界下压到600 m左右，在700～900 m高度开始出现风速大于12 m·s-1的大风层；边界层风场上乌鲁木齐站和机场站之间的风场辐合趋势加强，乌鲁木齐站300 m以下的边界层维持2～4 m·s-1的弱东南风，机场400 m以下的边界层由之前2 m·s-1左右的偏西风逐渐转变为4 m·s-1的西北风。在持续浓雾维持阶段(14日16:30至15日01:00)：空中东南风层继续变厚变强，乌鲁木齐站东南风层向上发展至2700 m左右，下界基本保持在300～500 m，风速明显增大，500～2000 m均为风速大于等于12 m·s-1的大风层，且在20:00之后，800～1700 m高度风速增大至20 m·s-1以上，乌鲁木齐机场东南风层向上发展至2000 m以上，下界高度抬高至750 m左右，风速明显增大，800 m以上均为风速大于等于12 m·s-1的大风层，且在20:00之后，1100 m以上风速开始增大至20 m·s-1；边界层风场乌鲁木齐站400 m以下由之前的弱东南风逐渐转为风速小于等于2 m·s-1的偏北风，乌鲁木齐机场750 m以下由2～4 m·s-1的西北风转为2 m·s-1左右的北东北风。在持续浓雾结束阶段(15日02:00—03:00)：空中东南风层呈上抬趋势，乌鲁木齐站东南风层下界逐渐抬高至800 m左右，风速大于等于12 m·s-1的大风层也整体抬高至1000 m以上；乌鲁木齐机场东南风层下界逐渐抬高至900 m左右，风速大于等于12 m·s-1的大风层也整体逐渐抬高至1100 m以上；随着空中东南风层的抬高，边界层风场逐渐向上扩展，至03:00，乌鲁木齐站700 m以下、机场900 m以下基本为2 m·s-1的东北风和北风。

图6 2015年1月14日16:30至15日03:00乌鲁木齐机场持续浓雾过程边界层风廓线雷达风场演变(a)乌鲁木齐站，(b)乌鲁木齐机场Fig.6 The evolution of the vertical wind profiles from the boundary layer wind profile radars during the persistent heavy fog process at Urumqi airport from 16:30 UTC on 14 to 03:00 UTC on 15 January 2015(a) Urumqi station, (b) Urumqi airport

在此次持续浓雾的生消演变过程中，仅从地面要素变化来看，除了气温升降，很难找到其他关键预报因子，但中低空风场的变化具有1～2 h提前量，可为短临预报提供一定参考。

5 垂直风场在持续浓雾天气中的作用简析

在有利的天气形势下，雾的出现、维持以及能见度的恶劣程度主要受近地面水汽条件、温度层结以及湍流条件制约，而这三者的演变又与垂直风场结构及其演变关系密切。西西北风层、空中东南风层的动力和热力作用主要体现在对温湿条件的影响上，边界层风场的动力和热力作用则直接影响边界层的温湿条件和湍流条件。

冬季北疆盆地及沿天山存在稳定的中低空逆温[14]，这种逆温的形成与空中偏西、偏北气流的整体下沉作用关系密切。西西北风层的高度、风力大小及风向变化，可以反映天气形势的变化及其对低层温湿层结的影响，其下界高度基本上是稳定层所能达到的上限高度。当高空天气形势为脊前型时，西北风的下界一般较低，有时距地面仅150 m左右，导致逆温层顶很低，水汽贴近地面，雾中能见度往往也较低。

空中东南风层,即低空型东南风[21-22]，是乌鲁木齐地区特有的区域性垂直风场，在冬季尤其多见。冬季地面冷高压多稳定盘踞在蒙古高原西部，其底后部的偏东气流流经中天山峡谷，3000 m以下易形成空中东南风，其强度、高度及下界位置变化对中低空逆温层的高低强弱变化有显著影响[21]。空中东南风层的存在有利于空中增温，常使逆温层顶降低，逆温强度增大，或者使逆温层顶之上的等温层变厚。空中东南风层向下发展或大风层向下压低时，会导致稳定层结压低和加强，并使低层水汽向地面聚集，有利于浓雾的形成、维持或加强。反之空中东南风层风速减小或大风层上抬会使逆温层顶抬高，逆温强度减弱，对雾的减弱和消散有利。

冬季准噶尔盆地有较强的“冷湖效应”，因此盆地气温往往低于北疆沿天山各站的气温，南北向温度梯度较大，致使乌鲁木齐地区的山风和谷风热力差异明显。边界层风场对于持续浓雾生消演变的影响主要体现在，当边界层由偏南风转为偏北风或偏北风加强时，会带来盆地冷平流，导致地近地面降温冷却，有利于雾的出现和维持；乌鲁木齐站边界层的偏南风有利于机场上空逆温的加强和维持，当边界层弱风场在市区和机场间形成偏南风和偏北风的辐合对峙时，也有利于雾的持续和加强；当有西风带天气系统临近，中低层开始出现一致西北风时，往往预示扰动即将来临，有利于雾的减弱和消散。

6 结 论

(1)机场持续浓雾的地面形势以蒙古冷高压后部型为主，500 hPa高空天气形势主要有脊前型、脊区型、西风波动型和横槽型4种类型。

(2)机场持续浓雾垂直风场结构自上而下主要有两种结构，Ⅰ型风场自上而下由西西北风层和边界层风场组成，Ⅱ型风场自上而下由西西北风层、空中东南风层和边界层风场组成，二者风场结构最主要的区别在于是否存在空中东南风层。

(3)西西北风层的下界高度在横槽型时最低、西风波动型时最高；空中东南风层，西风波动型和脊区型时具有厚度厚、风速大的特点，边界层风场各天气型近似。

(4)在机场持续浓雾的发生和维持阶段，西西北风层风速减小，下界高度上抬，新建立形成空中东南风层或是原有的空中东南风层加强、最大风速层和下界向近地面下压，边界层多为偏北风。在持续浓雾结束阶段，西西北风层加强，空中东南风层减弱或上抬，低空出现一致的西或西北风。风廓线雷达监测的中低空风场变化具有一定的时间提前量，可在浓雾的监测和预报中发挥一定作用。

(5)西西北风层的变化是中高空天气形势调整和演变的体现；空中东南风层的强度、高度及下界位置变化对中低空逆温层的高低、强弱有明显影响，间接影响雾的生消及雾中能见度变化。边界层风速较小，风向受山谷风等局地环流影响大，对持续浓雾的生消演变有最直接的影响。

雾的形成及维持是许多因素共同作用的结果，由于探测资料和能力所限，本文对于垂直风场在持续浓雾生消演变中的作用仅做了初步分析，今后希望能通过更多的量化指标指导实际预报工作。