大兴机场一次辐射平流雾过程分析

2023-11-09窦利军

黑龙江气象 2023年3期

桑林，王博，窦利军，王遥

(1.大兴空管中心，北京大兴 102600;2.华北空管局气象中心，北京顺义 101300)

1 引言

大雾对飞行安全与效率有着重要影响。根据雾的形成过程、物态和影响天气系统，雾可以分为冷却雾、混合雾和蒸汽雾。由于成雾过程时常有几种物理机制起着共同的作用，因此，有研究提出了辐射平流雾以及平流辐射雾两类，其中典型的辐射平流雾是指因夜间辐射冷却而形成，又因暖湿空气平流到冷的下垫面上冷却而加强的雾，而平流辐射雾与之相反。准确把握大雾的成因及性质，是大雾生消以及强度的预报的关键。大量学者对雾的性质进行研究，如严文莲等[1]分析了南京2006 年12 月一场持续4 d 的大雾过程，揭示了此次雾为辐射平流雾，深厚的逆温层、稳定的大气层结以及暖湿气流的补充是大雾持续时间长的主要原因。王钦等[2]对广汉机场一次辐射平流雾进行诊断分析认为天空状况由晴转阴是雾得以维持并加强的原因。本文分析了大兴机场2022 年11 月20 日一次辐射平流雾形成、维持及消散的机制，为大兴机场雾的预报提供一定理论依据。

2 雾过程实况

2022 年11 月20 日我国东北地区有冷涡系统控制，华北处于高空槽前偏南气流影响下，地面为蒙古冷高压，大雾发生前，气压梯度较小，风速小。2022 年11 月20 日01 时56 分-23 时23 分大兴机场出现了一次持续21 h 27 min 的大雾过程。图1 所示，其中浓雾（主导能见度50-200 m）时段为03 时30 分-07时00 分；大雾（主导能见度200-500 m）时段为07 时00 分-08 时30 分、18 时21 分-20 时47 分；雾（主导能见度500-1000 m）时段为01 时56 分-03 时30分、08 时30 分-10 时57 分、18 时01 分-18 时21 分和20 时47 分-23 时23 分；轻雾（1000-1200 m）时段为10 时57 分-18 时01 分。持续时间长、主导能见度最小值低、结束迅速是此次大雾过程的主要特点。从运行角度综合分析，此次过程中第一次主导能见度＜1 km 的时段从凌晨开始持续至次日中午结束，晚于大多数雾的消散时间，对进出港早高峰影响较大。此次过程中第二次主导能见度＜1 km 的时段从傍晚持续至午夜，对进出港晚高峰影响较大。

图1 2022 年11 月20 日00 时-21 日00 时大兴机场主导能见度变化

从极轨卫星NPP 产品华北地区能见度分布图（图略）可以看出，此次雾过程雾区范围较大，由东南向西北扩张，京津冀地区能见度整体较差。20 日白天大兴机场东南部仍存在一个范围较小的大雾区域。

3 雾过程的气象要素特征

3.1 风的变化

根据大兴机场35 L 跑道自动观测设备探测到的风向风速演变情况可知，此次雾过程发生前，19 日18时主导能见度维持在4 km 左右，风向偏南1-3 m/s。随后，主导能见度以约467 m/h 的速度下降，至20 日01 时56 分主导能见度下降至1 km 以下，达到雾天气标准，风向转为东南风。随后能见度继续以相同速度下降，浓雾期间以偏东风为主，风力0-1 m/s。7 时-8 时转为东北风，风力2 m/s 左右，能见度略有回升，至20 日10 时57 分主导能见度上升至1 km 以上，转为轻雾。

20 日18 时，大兴机场风向为东南风，风速为2-3 m/s，浓雾期间风向为偏东风或东北风，其中19 时、20 时、22 时主导能见度最低为200 m。根据大兴机场风廓线数据可知（图略），23 时以后大兴机场上空转为槽后偏北气流影响，大兴机场上空风速明显加大同时地面偏东风增大到4-5 m/s，能见度快速升至10 km 以上，对进出港航班影响基本结束。可见，大雾发生时，地面风速在2 级以下。当高空槽携带冷空气过境时，低层风速加大，大雾过程结束。与高淞[3]研究结论一致，秋冬季雾散应更多考虑风向转变带来的冷空气补充。

3.2 温度、湿度特征

从京雄地区逐5 min 温度分布图（图略）看出，在大雾发生前大兴机场地区地面处于温度低值中心，即有利于平流雾发生的冷下垫面。根据大兴机场气象要素的日变化特点，一般日最高温度出现在15 时左右，19 日15 时地面气温14 ℃，温度露点差最高达7 ℃，14 时后气温开始下降，温度露点差也开始下降。 20 日01 时气温降低值最低2 ℃，此时温度露点差为0 ℃，相对湿度达到100%，说明在19 日夜间到20 日凌晨有地面长波辐射冷却作用存在，并且空气中的水汽也达到近地面气层凝结成雾的条件，雾逐渐开始形成。而在雾开始后，地面温度开始升高，从2 ℃升至4 ℃（图2）。浓雾期间，地面温度维持4 ℃。根据大兴机场气温日变化特点，通常日凌晨01 时-05 时为气温下降趋势，日最低气温一般出现在05 时左右，而当天夜间最低气温出现在了01 时左右，这说明此次大雾期间气温的升高不是日变化的影响，而是由于暖湿平流的作用导致的。而这一点从京雄地区逐5 min 温度分布图（图略）得到证实。

图2 2022 年11 月19 日18 时-20 日11 时大兴机场温度变化

雾的维持需要源源不断的水汽补充，从20 日00时-24 时,925 hPa 上相对湿度和风场可见（图略）大兴机场上空有水汽输送。由微波辐射计的相对湿度和水汽密度数据可知，雾开始后相对湿度和水汽密度迅速提高，并维持至雾结束，且雾结束后相对湿度和水汽密度迅速下降。其中大雾和浓雾阶段，400 m 以下相对湿度整层维持80%以上，水汽密度维持10 g/m3以上。水汽密度和相对湿度这种陡然增加和减小与大雾开始和结束时间相对应，说明暖湿平流的输送和维持是此次过程得以维持的原因之一。

有学者认为液态水含量一定程度上可以代表雾层的厚度，雾层越厚持续时间越长[4]。此次雾过程微波辐射计的液态水大值区出现时间滞后于大雾开始时间约2 h，消失时间与大雾结束时间基本一致。液态水含量大值区集中在100-800 m，因此可以判定此次过程雾区较厚，也为结束时间较晚的原因之一。

3.3 云量及逆温

通过毫米波云雷达数据可知，雾发生前大兴机场上空无云至少云，由于高层转为槽前西南气流控制，20 日白天天空云量开始增多，云高为5000-7000 m。天空云量增多导致20 日白天地面气温变化缓慢且日变化强度弱，全天的相对湿度较大。云的存在使大兴机场气温变化小、相对湿度维持较大，空气一直维持饱和状态，可见与王钦等[2]观点一致，本次雾过程中天空状况的变化对雾的加强和维持起到了重要作用。这说明大雾的预报不应只着眼于低层的气象条件，高层形势的演变也是雾预报的关键。

结合微波辐射计的温度数据可知，雾发生时地面附近有一个低温区域，而100-700 m 左右则存在一个温度高值区，这种高低层温度配置对应着强烈的辐射逆温。逆温阻止低层水汽向高层输送，有利于低层湿度增大和水汽累计而凝结形成雾[5]。 01 时56分雾开始后，由于上游暖湿平流的输送，逆温层受到一定程度的破坏。但仍然持续至次日11 时左右。此后尽管由于午后地表增暖的作用，逆温层已经完全不存在，但是能见度仍然维持在1200 m 以下，这一阶段，暖湿平流对雾的维持占据主导地位，925 hPa上水汽输送有加强趋势（图略）。 23 时23 分后雾散去，天空放晴后，近地面辐射逆温又开始逐渐显现。