乌鲁木齐机场持续浓雾低空气象要素特征分析

王春红，王清平，王 勇，谭艳梅，韩 磊

（1.民航新疆空管局气象中心，新疆 乌鲁木齐830016；2.新疆生态气象与卫星遥感中心，新疆 乌鲁木齐830000）

雾是发生在边界层内，影响社会和经济发展及人民健康的重要灾害性天气之一。长时间维持的浓雾天气对交通运输影响较大，是诱发各类运输安全事故的重要因素。雾的形成、发展、维持和消散是非常复杂的过程，其生消演变与边界层的温、湿、风等气象要素的状况密切相关[1-7]。在一定的地理环境和天气形势下，局地水汽、层结、湍流等条件决定着雾的生消变化[8-12]。刘熙明等[11]对北京地区一次典型大雾天气过程的边界层特征分析表明，近地面大气边界层较大的相对湿度、较小的风速和风速垂直切变、稳定的层结结构及较低的气温有利于形成北京持续大雾天气；曾婷等[12]对民勤干旱区冬季浓雾形成的边界层条件分析指出，辐射逆温和近地层维持深厚湿润层是大雾持续的主要原因。近年来，很多专家针对乌鲁木齐市冬季大雾及重污染天气的低空逆温及风场做了研究[13-18]。郑玉萍等[14]研究发现乌鲁木齐大雾和低空逆温关系密切，11月—次年2月逆温发生频率为95%～97%，冬季低空逆温的底高和强度是影响雾的主要因子。何清等[15]对乌鲁木齐市城区冬季大气边界层温度和风廓线的观测研究发现边界层风的垂直结构特征明显，600～800 m以＜4 m/s的西北风为主，600 m以上东南风成为主风向，1 000 m东南风风速≥10 m/s。李霞[17-18]对乌鲁木齐冬季大气污染边界层结构进行研究时提出了“低空型东南风”的概念，指出其在冬季发生频率很高，显著改变了逆温层的厚度和强度，是一种浅薄型焚风。但目前针对乌鲁木齐地区大雾或浓雾天气的低空气象条件的研究还相对较少[19-21]。

乌鲁木齐地处东西天山间吐鲁番盆地至乌鲁木齐的东南—西北向峡谷开口处，地势自南向北降低。机场位于距市中心20 km的西北方向，冬季常出现持续浓雾天气，严重影响航班的正常运行。随着航空事业的不断发展，机场气象台对于雾的预报，从20世纪80—90年代的“有无”预报，发展到近几年对雾中能见度和跑道视程是否会低于机场盲降标准的预报。数值预报模式对于能见度预报的支持作用十分有限[22-24]，持续浓雾和大雾在天气形势及地面要素特征上也没有关键差异[25]，精准预报持续浓雾难度极大。本文拟对雾日、非雾日，尤其是雾日中的持续和非持续浓雾日的低空探空特点进行分析，以期为持续浓雾天气预报提供参考。

1 资料及方法

所用资料包括：2014—2016年冬季（1、2、12月）乌鲁木齐L波段雷达系统探空资料和乌鲁木齐机场地面气象观测资料，L波段资料垂直空间分辨率取50 m间隔。重点对＜3 000 m温、湿、风要素进行分析。鉴于乌鲁木齐机场的持续浓雾主要出现在后半夜到上午时段，主要针对每日08时（北京时，下同）资料进行分析。文中高度均为距乌鲁木齐站地面的高度，湿润层温度露点差≤4℃。

乌鲁木齐机场雾日和持续浓雾日以00时为日界进行统计。一日中有一个时次出现主导能见度＜1 000 m的雾，记为雾日。雾日时，只要有一个持续浓雾过程出现，即记为持续浓雾日，没有持续浓雾过程出现时，记为非持续浓雾日。持续浓雾过程的选取标准为持续2 h及以上出现主导能见度≤500 m、且跑道主降方向RVR≤550 m[25]。《民航地面气象观测规范》将主导能见度定义为“观测到的达到或超过四周一半或机场地面一半范围所具有的能见度值”，是由观测人员在观测平台或观测场上参照目标物或目标灯人工目测得到。跑道视程（Runway Visibility Range，简称RVR）是指“在跑道中心线上，航空器上的驾驶员能看到跑道道面上的标志或跑道边灯或中线灯的距离”，一般由跑道视程探测设备器测获取。

2014—2016年冬季7个月合计212 d，其中，乌鲁木齐机场雾日150 d（持续浓雾日31 d，非持续浓雾日119 d），非雾日62 d，而乌鲁木齐L波段探空有效资料雾日147 d（持续浓雾日30 d，非持续浓雾日117 d），非雾日62 d。

2 雾日与非雾日对比

分析2014—2016年乌鲁木齐站12月—次年2月L波段雷达系统探空各要素08时逐日平均廓线可知（图1）：湿润层＜200 m；温度层结为贴地逆温，顶高1 200 m，强度0.35℃/100 m；＜500 m风速≤4 m/s，0～100 m为≤2 m/s的东—东南风，150～450 m为2～4 m/s的北—东北风，500～1 300 m为4～7 m/s的东南风层，即“低空型东南风”，最大风速在1 000 m左右，1 500 m以上为7～10 m/s的西—西北风。

图1 12月—次年2月日平均、机场雾日、非雾日乌鲁木齐L波段探空要素的对比

对比同期雾日和非雾日的平均廓线可知：湿润层，雾日在200 m以下，非雾日在100 m以下；温度层结均为贴地逆温，逆温之上的垂直温度递减层均从1 200～1 300 m开始。雾日贴地逆温顶高为950 m，逆温强度为0.55℃/100 m，逆温之上有厚约350 m的近等温层，非雾日贴地逆温顶高为650 m，逆温强度为0.35℃/100 m。风场上，雾日400 m以下、非雾日600 m以下为东北风，风速为2～5 m/s；低空型东南风，雾日时位于400～1 500 m，风速为3～7 m/s，最大风速层位于800m左右，非雾日时位于600～1300m，风速为6～8 m/s，最大速层在1 000 m左右。东南风层之上的西—西北风层，雾日在1 700 m以上，风速为7～9 m/s，非雾日在1 500 m以上，风速为8～10 m/s。

雾日与非雾日相比，低层的湿润层更深厚；贴地逆温更厚更强（顶高为950 m，强度为0.55℃/100 m）；低空型东南风层的厚度更厚，起始高度和最大风速层更低（起始高度≤400 m，最大风速层在800 m左右），西—西北风层起始高度高（≥1 700 m）。

3 持续及非持续浓雾日对比

对比雾日中持续浓雾日和非持续浓雾日08时L波段雷达系统探空的各要素平均廓线（图2）可知，低层的湿润层持续浓雾日在250 m以下，非持续浓雾日在200 m以下，差别不大；温度层结均为贴地逆温，持续浓雾日贴地逆温顶高度为600 m，强度为0.85℃/100 m，其上有约600 m的近等温层，非持续浓雾日贴地逆温顶高为1 200m，强度为0.45℃/100 m；风场上，持续浓雾日200 m以下为≤2 m/s的偏东风，非持续浓雾日400 m以下为≤3 m/s的东北风；低空型东南风，持续浓雾日时位于200～1 500 m，非雾日时位于400～1 500 m，风速均为4～7 m/s，最大风速层均在800 m左右；东南风层之上的西—西北风层，持续浓雾日在2 000 m以上，风速为6～8 m/s，非持续浓雾日1 700 m以上，风速为7～10 m/s。

图2 12月—次年2月机场雾日、持续浓雾日、非持续浓雾日的乌鲁木齐L波段探空要素对比

持续浓雾日与非持续浓雾日比较，持续浓雾日低层的湿润层更厚、贴地逆温更低更强、低空型东南风层的厚度更厚，起始高度更低，西—西北风层起始高度更高。

低层高湿是持续和非持续浓雾日的共有特点。低层有湿润层的日数分别占各自总日数的86.7%和84.6%。温度层结有贴地逆温、悬垂逆温和随高度递减3种具体形态，在持续浓雾日中占比分别为76.7%、20%和3.3%，在非持续浓雾日中占比分别为64.7%、23.3%和12%。分别有36.7%的持续浓雾日和20.6%的非持续浓雾日出现了双层逆温。第一逆温的厚度和强度对雾的强弱起着主要作用，第二逆温或近等温层的存在，客观上加厚了稳定层的总体厚度，有利于雾的稳定和持续。分析第一逆温层特点（图3）可知，贴地逆温时，持续浓雾日逆温顶高为100～1 300 m，顶高≤600 m的占持续浓雾日数的60%；逆温强度为0.45～4.5℃/100 m，≤2℃/100 m的占持续浓雾日数的56.7%。非持续浓雾日顶高（厚度）为50～1650 m，顶高≤600 m的占35.3%。逆温强度为0.36～4.6℃/100 m，≤2℃/100 m的占50.8%。悬垂逆温时，持续浓雾日逆温底高为50～550 m，≤100 m的最多，占持续浓雾日数的10%；顶高为150～850 m，≤600 m的占持续浓雾日数的13.3%；厚度为100～450 m，300～600 m的占持续浓雾日数的13.3%；逆温强度为0.42～3.3℃/100 m，≤2℃/100 m的占持续浓雾日数13.3%。非持续浓雾日逆温底高在50～650 m，其中300～500 m的最多，占非持续浓雾日数的8.6%；顶高在200～1 500 m，其中600～900 m的最多，占总日数的9.5%；厚度在150～1 300 m，其中300～600 m的最多，占总日数的8.6%；逆温强度为0.42～2.6℃/100 m，≤2℃/100 m非持续浓雾日数的占19%。持续浓雾日的第一逆温底高和顶高都更低，非持续浓雾日逆温底高更高、厚度更厚，二者逆温强度差异不大。

图3 机场持续浓雾日（蓝色）、非持续浓雾日（红色）逆温特征分类占比

对比分析各层风向频数和平均风速（图4）可知，地面风风速为1～3 m/s，风向以南西南（SSW）、西南（SW）、东北东（ENE）和东风（E）为主。持续浓雾日南西南风（SSW）和西南风（SW）的风向频数显著大于非持续浓雾日，非持续浓雾日东北东（ENE）和东风（E）的风向频数显著大于持续浓雾日。400 m以下，风速为2～7 m/s，各风向均有出现。持续浓雾日南风（S）、东南风（SE）和南东南风（SSE）的频数显著大于非持续浓雾日，非持续浓雾日北风（N）和北东北风（NNE）频数显著大于持续浓雾日。400～500 m开始向上至1 500～1 800 m，低空型东南风成为最显著特点，最大频率风向逐渐由南风（S）随高度转为东南风（SE），到600 m以上，东南风（SE）成为主导风向，风速也随高度增大。东南风（SE）持续浓雾日和非持续浓雾日平均风速分别为11～15 m/s和8～13 m/s。从1 500～1 800 m向上，西北（NW）和西北西（WNW）风向频率开始迅速增加并超过东南风（SE）频数，2 100 m以上西北风（NW）成为主导风向，西北风（NW）风速非持续浓雾日略大于持续浓雾日。

图4 机场持续、非持续浓雾日各典型高度风向频数和平均风速对比

持续浓雾日相较于非持续浓雾日，贴地逆温或悬垂逆温的第一逆温层底高和顶高更低，平均逆温强度更强（第一逆温顶高≤600 m，悬垂逆温底高≤100 m，逆温强度≥0.55℃/100 m），地面西南风，低空型东南风起始高度高≤300 m，600 m高度以上东南风风速≥8 m/s等条件有利于持续浓雾的发生。

4 结论和讨论

本文利用乌鲁木齐市L波段雷达系统探空资料，对2014—2016年冬季12月—次年2月乌鲁木齐机场雾日、非雾日，雾日中持续浓雾日和非持续浓雾日的低空温、湿、风等气象要素特征进行了分析，主要结论如下：

（1）雾日较之非雾日，湿润层更厚，贴地逆温更厚更强，低空风速略小，低空型东南风风层较为深厚。贴地逆温顶高＜950 m，逆温强度＞0.55℃/100 m，地面西南风，低空型东南风起始高度＜500 m，最大风速层低于1 200 m等条件有利于雾的发生。

（2）持续浓雾日相较于非持续浓雾日，贴地逆温或悬垂逆温的第一逆温层底高和顶高更低，平均逆温强度更强（第一逆温顶高≤600 m，悬垂逆温底高≤100 m，逆温强度≥0.55℃/100 m），地面西南风，低空型东南风起始高度≤300 m，600 m高度以上东南风风速≥8 m/s等条件有利于持续浓雾的发生。

（3）由于资料有限，分析主要是基于乌鲁木齐市L波段雷达探空系统资料开展的，在机场探空资料缺乏的情况下，能为预报员提供一定的指导和参考。