昭通機(jī)場兩次輻射霧過程的對比分析

朱虹 沈茜 何娟

(1 云南機(jī)場集團(tuán)有限責(zé)任公司昭通機(jī)場，昭通 657000；2 云南昭通市氣象臺，昭通 657000)

引言

霧是近地面大氣層中懸浮著大量微小水滴或冰晶微粒對水平能見度造成不利影響的一種常見天氣現(xiàn)象。根據(jù)《民用航空氣象地面觀測規(guī)范》，當(dāng)近地面水汽凝結(jié)或凝華使主導(dǎo)能見度降低到1 km(含)至小于10 km，且相對濕度大于75%時記錄為輕霧(BR)，當(dāng)主導(dǎo)能見度降低至小于1 km時記錄為霧(FG)，出現(xiàn)霧時相對濕度至少在90%以上[1]。霧作為直接影響能見度的天氣現(xiàn)象，常對交通運(yùn)輸造成不利影響。為提高霧預(yù)警能力，氣象學(xué)者對霧過程的數(shù)值模擬[2-3]、水汽來源和邊界層特征[4]、持續(xù)和消散機(jī)制[5]等進(jìn)行了諸多研究，并積極對霧臨近預(yù)報[6]、輻射霧自動化預(yù)報程序[7]進(jìn)行探索。

昭通機(jī)場位于云貴高原北部，海拔高度1936 m，屬高原機(jī)場，機(jī)場東面、西面山體呈南北弧形包圍機(jī)場，西南面地勢開闊，無山體阻擋。段瑋等[8]指出造成云南轄區(qū)機(jī)場視程不適航的天氣僅為霧，并提出了高濕、弱風(fēng)、穩(wěn)定是霧穩(wěn)定存在的氣象條件。當(dāng)機(jī)場出現(xiàn)霧時，低能見度影響航空器進(jìn)近降落和起飛離場，常造成飛機(jī)復(fù)飛、延誤或取消。2019年1月3日和12月7日，昭通機(jī)場出現(xiàn)兩次輻射霧(以下分別簡稱“1·3”和“12·7”過程)，“1·3”過程形成時間早，持續(xù)時間長，“12·7”過程形成晚，爆發(fā)突然。

利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料、機(jī)場自動氣象觀測系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)、機(jī)場周邊魯?shù)楹驼淹ㄗ詣託庀笳居^測數(shù)據(jù)對兩次輻射霧過程進(jìn)行對比分析，探索兩次過程成因。魯?shù)橛^測場和昭通觀測場相對機(jī)場位置如圖1所示，兩個觀測場海拔分別為1916.0 m和1950.0 m，距機(jī)場直線距離分別約24.5 km和4.5 km。昭通機(jī)場沿04號跑道從南向北設(shè)置了3個氣象觀測場，分別位于跑道南端入口向內(nèi)約340 m、北端向內(nèi)約1300 m、北端向內(nèi)約320 m。測量能見度的儀器是Biral公司的VPF-710前向散射儀，測量范圍10 m～75 km，每隔15 s測量一次，能見度≤2 km時測量誤差不超過2%，2～15 km 范圍內(nèi)誤差不超過8.3%。根據(jù)機(jī)場運(yùn)行實(shí)際，南端觀測站為機(jī)場基準(zhǔn)觀測點(diǎn)，觀測項(xiàng)目用于機(jī)場報文編發(fā)和氣候資料統(tǒng)計(jì)。

1 過程概述

利用昭通機(jī)場基準(zhǔn)觀測點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)作兩次過程01:00—11:00器測能見度變化(圖2)，“1·3”過程能見度從01:38開始低于1 km，直至10:05上升達(dá)到1 km，過程持續(xù)約8.5 h?！?2·7”過程中，夜間能見度在7～10 km之間波動，08:30至08:43的13 min內(nèi)，能見度由6 km突變至900 m，輕霧轉(zhuǎn)為霧，直至10:04上升至大于1 km，過程持續(xù)約1.5 h。器測數(shù)據(jù)顯示兩次霧過程中最低能見度均為250 m，但通過人工綜合觀測機(jī)場范圍內(nèi)可見情況，“1·3”過程中最低能見度50 m，“12·7”過程最低能見度200 m，“1·3”過程霧濃度和持續(xù)時間都遠(yuǎn)大于“12·7”過程。

“1·3”過程前，2018年12月28日至2019年1月1日，機(jī)場為低溫降雪天氣，29日降短時中雪，積雪深度4 cm；1月2日天氣轉(zhuǎn)晴，地面觀測記錄顯示2日14:00后天空狀況為無云。“12·7”前一周機(jī)場為陰天低溫天氣，4日和5日有小雪，積雪2 cm；6日天氣轉(zhuǎn)晴，12:00后天空無云。大致可以看出，兩次輻射霧都發(fā)生在低溫雨雪天氣轉(zhuǎn)晴的相似背景下。表1為兩次過程中主要影響因素對比，自動站設(shè)備測得“1·3”前和“12·7”前的雨雪天氣過程分別累積降水量8 mm和3.7 mm。昭通機(jī)場地處內(nèi)陸高原，降水過程的增濕作用是輻射霧水汽的重要來源，但根據(jù)觀測經(jīng)驗(yàn)，可測量的降水量并不是霧濃度和持續(xù)時間的決定因素。為揭示兩次輻射霧的成因，下面將從天氣形勢和物理量診斷方面作進(jìn)一步分析。

表1 “1·3”過程和“12·7”過程中主要影響因素對比

2 天氣形勢分析

“1·3”過程中，500 hPa高度場上(圖略)，我國中緯度地區(qū)為“一槽一脊”形勢，滇東北地區(qū)始終受“槽前脊后”的西南氣流控制，符合云南輻射霧大氣環(huán)流形勢中偏西氣流型—南支槽前型[9]。海平面氣壓場上，影響我國的冷高壓前沿已入海，我國大部地區(qū)基本無冷空氣活動，1月3日02：00(圖3a)昭通位于入海弱高壓后部，近地面以偏南風(fēng)為主。

“12·7”過程中，500 hPa高度場上，昭通地區(qū)受槽后西北氣流控制，形勢穩(wěn)定。海平面氣壓場上，柴達(dá)木盆地東南側(cè)，川西高原西北部有一冷高壓，冷空氣在我國西北部地區(qū)堆積，東部沿海地區(qū)有一入海變性冷高壓，12月7日08:00(圖3b)，我國中部地區(qū)處于兩高壓之間的均壓場控制下，昭通位于入海弱高壓的底后部，氣壓梯度很小。

圖3 2019年1月3日02:00(a)和12月7日08:00(b)海平面氣壓場和10 m風(fēng)矢量合成(實(shí)心三角形表示機(jī)場所在位置，下同；氣壓單位：hPa)

因此，兩次過程的形成具有相似的天氣形勢：機(jī)場處于地面弱高壓的底后部，高壓控制下的晴空區(qū)有利于夜間輻射降溫，同時無冷空氣活動，天氣形勢穩(wěn)定，有利于輻射霧形成。

3 物理量診斷分析

輻射霧的形成不僅需要穩(wěn)定的天氣形勢，還需要充沛的水汽，有利的輻射降溫，適宜的風(fēng)力。下面將對動力條件、水汽條件、熱力條件進(jìn)行分析。

3.1 動力條件

輻射霧形成于近地層，適宜的低層微風(fēng)有利于霧的形成和發(fā)展[4]。近地層靜風(fēng)時，上下層空氣沒有流動，輻射冷卻作用只能形成很淺的薄霧，難以擴(kuò)散到高層。若風(fēng)速過大，上下層空氣流動過快，不利于大氣降溫到過飽和狀態(tài)。只有近地面微風(fēng)時，既有利于上下層空氣混合，使冷卻作用延伸到一定高度，又不影響低層大氣冷卻達(dá)到過飽和狀態(tài)。圖4為“1·3”過程中10 m高度全風(fēng)速圖，機(jī)場區(qū)域風(fēng)速基本為2～3 m/s。“12·7”過程中，機(jī)場區(qū)域10 m高度全風(fēng)速(圖略)基本在1 m/s以下。

圖4 2019年1月3日02:00(a)時和08:00(b)10 m風(fēng)速(單位：m/s)

沿機(jī)場跑道中心位置作兩次過程散度的垂直剖面圖，如圖5所示?！?·3”過程中(圖5a)，750 hPa以下散度為負(fù)，有弱氣流輻合，有利于低層水汽聚集。垂直速度剖面圖(圖略)顯示“1·3”過程中500 hPa以下垂直速度為正，中低層整層均為下沉運(yùn)動，有利于輻射降溫和低層穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的維持[10]，同時垂直運(yùn)動為霧向高層擴(kuò)散發(fā)展創(chuàng)造了一定的有利條件?！?2·7”過程中，550 hPa以下散度(圖5b)和垂直速度(圖略)基本為0，沒有氣流的輻合輻散。

圖5 “1·3”過程(a)和“12·7”過程(b)散度(單位：10-5s-1)沿機(jī)場跑道中心位置的高度-時間剖面

兩次過程動力條件有明顯差異。“1·3”過程近地面微風(fēng)，同時有氣流輻合和垂直運(yùn)動配合，動力條件有利于霧形成?！?2·7”過程近地面基本靜風(fēng)，大氣垂直方向上靜穩(wěn)，不利于霧的形成和發(fā)展。

3.2 水汽條件

水汽是霧形成的必要條件之一，霧的發(fā)生需要足夠大的近地面濕度[11]。露點(diǎn)溫度指空氣中水汽含量和氣壓保持不變，空氣冷卻至飽和時的溫度，露點(diǎn)溫度與氣溫的差值可以表示空氣中水汽的飽和情況，差值越大空氣中水汽含量越少，當(dāng)差值為0 ℃時表示空氣達(dá)到飽和。圖6為兩次過程前一日19:00至當(dāng)日11:00氣溫和露點(diǎn)溫度的變化，可以看出“1·3”過程中氣溫和露點(diǎn)溫度差值很小，近地面濕度很大，而“12·7”過程23:00前氣溫和露點(diǎn)溫度的差值較大，濕度較低。用ΔT表示T(溫度)-Td(露點(diǎn)溫度)，“1·3”過程19:00 ΔT為0.7 ℃，相對濕度95%，19:47 ΔT為0 ℃，空氣達(dá)到飽和?！?2·7”過程19:00 ΔT為5.2 ℃，隨后波動上升，20:06達(dá)6.2 ℃后逐漸減小，至00:55后ΔT基本為0 ℃，相對濕度保持100%。“1·3”過程10:05大霧開始消散，11:10 ΔT才開始大于0 ℃；“12·7”過程10:04開始消散，后ΔT逐漸增大，上午11:00已增大至2.6 ℃，相對濕度降至82%。從表1可知，“1·3”過程夜間降溫幅度11.3 ℃，夜間最低氣溫-3.5 ℃，出現(xiàn)在01:38，此時正是霧形成的時刻，而“12·7”過程降溫15.5 ℃，最低氣溫-4.9 ℃，也說明“12·7”過程空氣中水汽含量更少，需要更低的溫度促使空氣達(dá)到飽和。

圖6 “1·3”過程1月2日19:00至1月3日11:00(a)和“12·7”過程12月6日19:00至12月7日11:00(b)氣溫和露點(diǎn)溫度變化

水汽通量可表示水汽的來源和輸送方向，水汽通量散度體現(xiàn)了水汽的聚散特征。圖7為兩次霧過程初期水汽通量和水汽通量散度的合成圖，“1·3”過程中昭通地區(qū)東南部有明顯的水汽輸送，機(jī)場位置為水汽通量散度的負(fù)值區(qū)，為大霧過程提供了一定的水汽補(bǔ)充。“12·7”過程則沒有明顯的水汽輸送和輻合。因此，與“1·3”過程相比，“12·7”過程溫度露點(diǎn)差大，水汽條件較差，致使“12·7”過程形成晚，持續(xù)時間短。

圖7 2019年1月3日02:00(a)和12月7日08:00(b)750 hPa水汽通量矢量(矢量箭頭，單位：g·s-1·hPa-1·cm-1)和水汽通量散度(陰影區(qū)，單位：10-7g·s-1·cm-2·hPa-1)

3.3 熱力條件

穩(wěn)定的大氣層結(jié)能抑制空氣的對流活動，是霧形成和維持的重要條件，逆溫層的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)使水汽在逆溫層下積聚[4]。從圖8溫度的垂直變化可以看出，“1·3”過程近地層有0.5 ℃(100 m溫度與2 m溫度之差)的逆溫層形成，在輻射霧過程中，逆溫層穩(wěn)定存在；“12·7”過程有0.4 ℃的逆溫結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。

圖8 2019年1月3日08:00 (a)和12月7日08:00 (b)100 m與2 m高度溫度差(單位：℃)

4 “12·7”過程爆發(fā)性發(fā)展的原因分析

對“12·7”過程各物理量的分析表明，除低層有逆溫外，其他物理量并未表現(xiàn)出利于霧發(fā)展的明顯特征，霧爆發(fā)性發(fā)展的原因尚未闡明。許多研究均表明輻射霧發(fā)展增強(qiáng)基本都在夜間或凌晨，地面長波輻射導(dǎo)致的輻射降溫對霧發(fā)生發(fā)展有重要作用[12-13]。在“12·7”霧形成前，由于夜間輻射降溫，機(jī)場有輕霧出現(xiàn)，能見度穩(wěn)定在6 km以上。自動氣象觀測系統(tǒng)顯示機(jī)場相對濕度達(dá)100%，但日出(07:41)前后能見度并未下降，日出1 h后能見度急轉(zhuǎn)直下，爆發(fā)性發(fā)展成霧，造成預(yù)報員對當(dāng)日霧的漏報。霧爆發(fā)性發(fā)展的原因有很多，在一定條件下，湍流混合作用使逆溫層出現(xiàn)的分層結(jié)構(gòu)[14]，副冷鋒前弱冷空氣入侵導(dǎo)致溫度急劇下降[15]，風(fēng)向轉(zhuǎn)變帶來的較冷氣流[16-17]等都可以使霧爆發(fā)性增強(qiáng)。日出后爆發(fā)增強(qiáng)的輻射霧，太陽輻射加強(qiáng)后地表蒸發(fā)作用加劇是一個重要原因[12，16，18]。

為探索“12·7”過程爆發(fā)性發(fā)展的原因，對比分析了機(jī)場、魯?shù)檎竞驼淹ㄕ居^測數(shù)據(jù)。12月7日魯?shù)檎居徐F，07:37—11:12間器測能見度低于1 km，由于魯?shù)檎疚挥谡淹C(jī)場西南面，地勢平坦，無山體阻擋，且自06:50起機(jī)場風(fēng)向一直以西南風(fēng)為主，考慮“12·7”過程爆發(fā)性發(fā)展一定程度上受魯?shù)殪F層向北平流的影響。08:00實(shí)況觀測時可見機(jī)場西南方向被霧覆蓋，分析機(jī)場跑道中間觀測站和南端觀測站能見度變化也發(fā)現(xiàn)霧層有從南向北擴(kuò)散的特征，08:44南端觀測站能見度900 m，此時中間觀測站為6 km，08:59才降至700 m。距機(jī)場僅4.5 km的昭通站雖夜間至上午9:00前相對濕度大于98%，但能見度始終大于5 km，未出現(xiàn)霧。因此，對比了機(jī)場和昭通站的溫度(圖9a)和風(fēng)速(圖9b)變化。

圖9 2019年12月7日07:00—09:30機(jī)場與昭通站溫度(a)和風(fēng)速(b)變化

07:10天亮后機(jī)場氣溫上升，07:32—08:12氣溫明顯下降，由-3.6 ℃下降至-4.7 ℃，此時段溫度下降受07:47—07:53地面風(fēng)向由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)向東北風(fēng)引起的弱冷平流影響。降溫幅度與凝結(jié)含水量之間有明顯的相關(guān)關(guān)系，降溫幅度越大，產(chǎn)生的凝結(jié)含水量越多，對霧中含水量的貢獻(xiàn)越大[12]，但由于近地面風(fēng)速基本<1 m/s，多為靜風(fēng)，能見度未下降。08:13—08:43，隨著氣溫升高，地面霜融化，蒸發(fā)作用使低層水汽含量進(jìn)一步增大。08:15—09:18風(fēng)速明顯增大(1.2～2.2 m/s)，風(fēng)向穩(wěn)定在190°～220°之間，西南風(fēng)有利于西南面的霧層向北平流，增大的風(fēng)速有利于上下層空氣混合，進(jìn)一步促進(jìn)霧發(fā)展，此時正是能見度明顯下降的時段。08:44能見度下降至900 m，由輕霧轉(zhuǎn)變成霧，09:00后氣溫穩(wěn)步上升，10:00上升至-0.3 ℃，1 h內(nèi)上升2.8 ℃，霧快速消散。昭通站氣溫在日出后均呈上升趨勢，不利于空氣冷卻到過飽和狀態(tài)。機(jī)場基準(zhǔn)觀測站和中部觀測站在能見度驟降前風(fēng)速均明顯增大，昭通站期間風(fēng)向也以西南風(fēng)為主，但風(fēng)速基本小于1 m/s，且多個時刻為靜風(fēng)，不利于霧發(fā)展。

“1·3”過程是否存在和“12·7”過程相似的溫度和風(fēng)速變化特征？1月3日在昭通機(jī)場霧形成的前40 min 左右南端觀測站風(fēng)速由0.5～1.1 m/增大到1.2～2.6 m/s，中間觀測站由0～0.9 m/s增大到1.0～2.9 m/s，北端觀測站從0.6～1.2 m/s增大到1.0～2.6 m/s；南端觀測站和北端觀測站在能見度低于1 km前分別出現(xiàn)了2.2 ℃/h和1 ℃/h的降溫率。因此，在兩次霧形成前機(jī)場均出現(xiàn)了氣溫下降和風(fēng)速增大。

5 結(jié)論

由于中小機(jī)場氣象探測設(shè)備有限，能獲取的觀測資料較少，無法從微物理方面對兩次霧成因進(jìn)行深入分析。通過分析2019年1月3日和12月7日昭通機(jī)場兩次霧過程中天氣形勢和物理量特征，并對12月7日霧爆發(fā)性發(fā)展的原因進(jìn)行探索，結(jié)論如下：

(1)兩次霧的發(fā)生具有在晴夜、微風(fēng)、輻射降溫和逆溫層的背景條件，屬于輻射霧。兩次霧都發(fā)生在雨雪天氣轉(zhuǎn)晴，地面弱高壓控制，無冷空氣活動的有利天氣形勢下。在相似的背景條件下，兩次霧形成的物理過程卻不同。

(2)兩次霧的動力條件和水汽條件有明顯差異?！?·3”過程近地面濕度大，有水汽輻合，同時適宜的低層風(fēng)速和垂直運(yùn)動促進(jìn)上下層空氣混合，有利于霧的形成和發(fā)展；“12·7”過程局地水汽含量較少，是造成其形成晚、持續(xù)時間短的主要原因，同時近地面風(fēng)速和垂直運(yùn)動近乎為0，不利于輻射霧發(fā)展，在爆發(fā)性發(fā)展前機(jī)場僅出現(xiàn)了輕霧。

(3)“12·7”過程爆發(fā)性發(fā)展主要是由于日出后魯?shù)榈貐^(qū)霧向機(jī)場方向擴(kuò)散，機(jī)場區(qū)域由于風(fēng)向轉(zhuǎn)北的冷平流作用和地表霜融化的增濕作用，維持著低溫、高濕的環(huán)境條件，加之適宜風(fēng)速的混合，最終造成此次霧的爆發(fā)性發(fā)展。