烏魯木齊機場持續(xù)濃霧低空氣象要素特征分析

王春紅，王清平，王 勇，譚艷梅，韓 磊

（1.民航新疆空管局氣象中心，新疆 烏魯木齊830016；2.新疆生態(tài)氣象與衛(wèi)星遙感中心，新疆 烏魯木齊830000）

霧是發(fā)生在邊界層內(nèi)，影響社會和經(jīng)濟發(fā)展及人民健康的重要災害性天氣之一。長時間維持的濃霧天氣對交通運輸影響較大，是誘發(fā)各類運輸安全事故的重要因素。霧的形成、發(fā)展、維持和消散是非常復雜的過程，其生消演變與邊界層的溫、濕、風等氣象要素的狀況密切相關[1-7]。在一定的地理環(huán)境和天氣形勢下，局地水汽、層結、湍流等條件決定著霧的生消變化[8-12]。劉熙明等[11]對北京地區(qū)一次典型大霧天氣過程的邊界層特征分析表明，近地面大氣邊界層較大的相對濕度、較小的風速和風速垂直切變、穩(wěn)定的層結結構及較低的氣溫有利于形成北京持續(xù)大霧天氣；曾婷等[12]對民勤干旱區(qū)冬季濃霧形成的邊界層條件分析指出，輻射逆溫和近地層維持深厚濕潤層是大霧持續(xù)的主要原因。近年來，很多專家針對烏魯木齊市冬季大霧及重污染天氣的低空逆溫及風場做了研究[13-18]。鄭玉萍等[14]研究發(fā)現(xiàn)烏魯木齊大霧和低空逆溫關系密切，11月—次年2月逆溫發(fā)生頻率為95%～97%，冬季低空逆溫的底高和強度是影響霧的主要因子。何清等[15]對烏魯木齊市城區(qū)冬季大氣邊界層溫度和風廓線的觀測研究發(fā)現(xiàn)邊界層風的垂直結構特征明顯，600～800 m以＜4 m/s的西北風為主，600 m以上東南風成為主風向，1 000 m東南風風速≥10 m/s。李霞[17-18]對烏魯木齊冬季大氣污染邊界層結構進行研究時提出了“低空型東南風”的概念，指出其在冬季發(fā)生頻率很高，顯著改變了逆溫層的厚度和強度，是一種淺薄型焚風。但目前針對烏魯木齊地區(qū)大霧或濃霧天氣的低空氣象條件的研究還相對較少[19-21]。

烏魯木齊地處東西天山間吐魯番盆地至烏魯木齊的東南—西北向峽谷開口處，地勢自南向北降低。機場位于距市中心20 km的西北方向，冬季常出現(xiàn)持續(xù)濃霧天氣，嚴重影響航班的正常運行。隨著航空事業(yè)的不斷發(fā)展，機場氣象臺對于霧的預報，從20世紀80—90年代的“有無”預報，發(fā)展到近幾年對霧中能見度和跑道視程是否會低于機場盲降標準的預報。數(shù)值預報模式對于能見度預報的支持作用十分有限[22-24]，持續(xù)濃霧和大霧在天氣形勢及地面要素特征上也沒有關鍵差異[25]，精準預報持續(xù)濃霧難度極大。本文擬對霧日、非霧日，尤其是霧日中的持續(xù)和非持續(xù)濃霧日的低空探空特點進行分析，以期為持續(xù)濃霧天氣預報提供參考。

1 資料及方法

所用資料包括：2014—2016年冬季（1、2、12月）烏魯木齊L波段雷達系統(tǒng)探空資料和烏魯木齊機場地面氣象觀測資料，L波段資料垂直空間分辨率取50 m間隔。重點對＜3 000 m溫、濕、風要素進行分析。鑒于烏魯木齊機場的持續(xù)濃霧主要出現(xiàn)在后半夜到上午時段，主要針對每日08時（北京時，下同）資料進行分析。文中高度均為距烏魯木齊站地面的高度，濕潤層溫度露點差≤4℃。

烏魯木齊機場霧日和持續(xù)濃霧日以00時為日界進行統(tǒng)計。一日中有一個時次出現(xiàn)主導能見度＜1 000 m的霧，記為霧日。霧日時，只要有一個持續(xù)濃霧過程出現(xiàn)，即記為持續(xù)濃霧日，沒有持續(xù)濃霧過程出現(xiàn)時，記為非持續(xù)濃霧日。持續(xù)濃霧過程的選取標準為持續(xù)2 h及以上出現(xiàn)主導能見度≤500 m、且跑道主降方向RVR≤550 m[25]?！睹窈降孛鏆庀笥^測規(guī)范》將主導能見度定義為“觀測到的達到或超過四周一半或機場地面一半范圍所具有的能見度值”，是由觀測人員在觀測平臺或觀測場上參照目標物或目標燈人工目測得到。跑道視程（Runway Visibility Range，簡稱RVR）是指“在跑道中心線上，航空器上的駕駛員能看到跑道道面上的標志或跑道邊燈或中線燈的距離”，一般由跑道視程探測設備器測獲取。

2014—2016年冬季7個月合計212 d，其中，烏魯木齊機場霧日150 d（持續(xù)濃霧日31 d，非持續(xù)濃霧日119 d），非霧日62 d，而烏魯木齊L波段探空有效資料霧日147 d（持續(xù)濃霧日30 d，非持續(xù)濃霧日117 d），非霧日62 d。

2 霧日與非霧日對比

分析2014—2016年烏魯木齊站12月—次年2月L波段雷達系統(tǒng)探空各要素08時逐日平均廓線可知（圖1）：濕潤層＜200 m；溫度層結為貼地逆溫，頂高1 200 m，強度0.35℃/100 m；＜500 m風速≤4 m/s，0～100 m為≤2 m/s的東—東南風，150～450 m為2～4 m/s的北—東北風，500～1 300 m為4～7 m/s的東南風層，即“低空型東南風”，最大風速在1 000 m左右，1 500 m以上為7～10 m/s的西—西北風。

圖1 12月—次年2月日平均、機場霧日、非霧日烏魯木齊L波段探空要素的對比

對比同期霧日和非霧日的平均廓線可知：濕潤層，霧日在200 m以下，非霧日在100 m以下；溫度層結均為貼地逆溫，逆溫之上的垂直溫度遞減層均從1 200～1 300 m開始。霧日貼地逆溫頂高為950 m，逆溫強度為0.55℃/100 m，逆溫之上有厚約350 m的近等溫層，非霧日貼地逆溫頂高為650 m，逆溫強度為0.35℃/100 m。風場上，霧日400 m以下、非霧日600 m以下為東北風，風速為2～5 m/s；低空型東南風，霧日時位于400～1 500 m，風速為3～7 m/s，最大風速層位于800m左右，非霧日時位于600～1300m，風速為6～8 m/s，最大速層在1 000 m左右。東南風層之上的西—西北風層，霧日在1 700 m以上，風速為7～9 m/s，非霧日在1 500 m以上，風速為8～10 m/s。

霧日與非霧日相比，低層的濕潤層更深厚；貼地逆溫更厚更強（頂高為950 m，強度為0.55℃/100 m）；低空型東南風層的厚度更厚，起始高度和最大風速層更低（起始高度≤400 m，最大風速層在800 m左右），西—西北風層起始高度高（≥1 700 m）。

3 持續(xù)及非持續(xù)濃霧日對比

對比霧日中持續(xù)濃霧日和非持續(xù)濃霧日08時L波段雷達系統(tǒng)探空的各要素平均廓線（圖2）可知，低層的濕潤層持續(xù)濃霧日在250 m以下，非持續(xù)濃霧日在200 m以下，差別不大；溫度層結均為貼地逆溫，持續(xù)濃霧日貼地逆溫頂高度為600 m，強度為0.85℃/100 m，其上有約600 m的近等溫層，非持續(xù)濃霧日貼地逆溫頂高為1 200m，強度為0.45℃/100 m；風場上，持續(xù)濃霧日200 m以下為≤2 m/s的偏東風，非持續(xù)濃霧日400 m以下為≤3 m/s的東北風；低空型東南風，持續(xù)濃霧日時位于200～1 500 m，非霧日時位于400～1 500 m，風速均為4～7 m/s，最大風速層均在800 m左右；東南風層之上的西—西北風層，持續(xù)濃霧日在2 000 m以上，風速為6～8 m/s，非持續(xù)濃霧日1 700 m以上，風速為7～10 m/s。

圖2 12月—次年2月機場霧日、持續(xù)濃霧日、非持續(xù)濃霧日的烏魯木齊L波段探空要素對比

持續(xù)濃霧日與非持續(xù)濃霧日比較，持續(xù)濃霧日低層的濕潤層更厚、貼地逆溫更低更強、低空型東南風層的厚度更厚，起始高度更低，西—西北風層起始高度更高。

低層高濕是持續(xù)和非持續(xù)濃霧日的共有特點。低層有濕潤層的日數(shù)分別占各自總?cè)諗?shù)的86.7%和84.6%。溫度層結有貼地逆溫、懸垂逆溫和隨高度遞減3種具體形態(tài)，在持續(xù)濃霧日中占比分別為76.7%、20%和3.3%，在非持續(xù)濃霧日中占比分別為64.7%、23.3%和12%。分別有36.7%的持續(xù)濃霧日和20.6%的非持續(xù)濃霧日出現(xiàn)了雙層逆溫。第一逆溫的厚度和強度對霧的強弱起著主要作用，第二逆溫或近等溫層的存在，客觀上加厚了穩(wěn)定層的總體厚度，有利于霧的穩(wěn)定和持續(xù)。分析第一逆溫層特點（圖3）可知，貼地逆溫時，持續(xù)濃霧日逆溫頂高為100～1 300 m，頂高≤600 m的占持續(xù)濃霧日數(shù)的60%；逆溫強度為0.45～4.5℃/100 m，≤2℃/100 m的占持續(xù)濃霧日數(shù)的56.7%。非持續(xù)濃霧日頂高（厚度）為50～1650 m，頂高≤600 m的占35.3%。逆溫強度為0.36～4.6℃/100 m，≤2℃/100 m的占50.8%。懸垂逆溫時，持續(xù)濃霧日逆溫底高為50～550 m，≤100 m的最多，占持續(xù)濃霧日數(shù)的10%；頂高為150～850 m，≤600 m的占持續(xù)濃霧日數(shù)的13.3%；厚度為100～450 m，300～600 m的占持續(xù)濃霧日數(shù)的13.3%；逆溫強度為0.42～3.3℃/100 m，≤2℃/100 m的占持續(xù)濃霧日數(shù)13.3%。非持續(xù)濃霧日逆溫底高在50～650 m，其中300～500 m的最多，占非持續(xù)濃霧日數(shù)的8.6%；頂高在200～1 500 m，其中600～900 m的最多，占總?cè)諗?shù)的9.5%；厚度在150～1 300 m，其中300～600 m的最多，占總?cè)諗?shù)的8.6%；逆溫強度為0.42～2.6℃/100 m，≤2℃/100 m非持續(xù)濃霧日數(shù)的占19%。持續(xù)濃霧日的第一逆溫底高和頂高都更低，非持續(xù)濃霧日逆溫底高更高、厚度更厚，二者逆溫強度差異不大。

圖3 機場持續(xù)濃霧日（藍色）、非持續(xù)濃霧日（紅色）逆溫特征分類占比

對比分析各層風向頻數(shù)和平均風速（圖4）可知，地面風風速為1～3 m/s，風向以南西南（SSW）、西南（SW）、東北東（ENE）和東風（E）為主。持續(xù)濃霧日南西南風（SSW）和西南風（SW）的風向頻數(shù)顯著大于非持續(xù)濃霧日，非持續(xù)濃霧日東北東（ENE）和東風（E）的風向頻數(shù)顯著大于持續(xù)濃霧日。400 m以下，風速為2～7 m/s，各風向均有出現(xiàn)。持續(xù)濃霧日南風（S）、東南風（SE）和南東南風（SSE）的頻數(shù)顯著大于非持續(xù)濃霧日，非持續(xù)濃霧日北風（N）和北東北風（NNE）頻數(shù)顯著大于持續(xù)濃霧日。400～500 m開始向上至1 500～1 800 m，低空型東南風成為最顯著特點，最大頻率風向逐漸由南風（S）隨高度轉(zhuǎn)為東南風（SE），到600 m以上，東南風（SE）成為主導風向，風速也隨高度增大。東南風（SE）持續(xù)濃霧日和非持續(xù)濃霧日平均風速分別為11～15 m/s和8～13 m/s。從1 500～1 800 m向上，西北（NW）和西北西（WNW）風向頻率開始迅速增加并超過東南風（SE）頻數(shù)，2 100 m以上西北風（NW）成為主導風向，西北風（NW）風速非持續(xù)濃霧日略大于持續(xù)濃霧日。

圖4 機場持續(xù)、非持續(xù)濃霧日各典型高度風向頻數(shù)和平均風速對比

持續(xù)濃霧日相較于非持續(xù)濃霧日，貼地逆溫或懸垂逆溫的第一逆溫層底高和頂高更低，平均逆溫強度更強（第一逆溫頂高≤600 m，懸垂逆溫底高≤100 m，逆溫強度≥0.55℃/100 m），地面西南風，低空型東南風起始高度高≤300 m，600 m高度以上東南風風速≥8 m/s等條件有利于持續(xù)濃霧的發(fā)生。

4 結論和討論

本文利用烏魯木齊市L波段雷達系統(tǒng)探空資料，對2014—2016年冬季12月—次年2月烏魯木齊機場霧日、非霧日，霧日中持續(xù)濃霧日和非持續(xù)濃霧日的低空溫、濕、風等氣象要素特征進行了分析，主要結論如下：

（1）霧日較之非霧日，濕潤層更厚，貼地逆溫更厚更強，低空風速略小，低空型東南風風層較為深厚。貼地逆溫頂高＜950 m，逆溫強度＞0.55℃/100 m，地面西南風，低空型東南風起始高度＜500 m，最大風速層低于1 200 m等條件有利于霧的發(fā)生。

（2）持續(xù)濃霧日相較于非持續(xù)濃霧日，貼地逆溫或懸垂逆溫的第一逆溫層底高和頂高更低，平均逆溫強度更強（第一逆溫頂高≤600 m，懸垂逆溫底高≤100 m，逆溫強度≥0.55℃/100 m），地面西南風，低空型東南風起始高度≤300 m，600 m高度以上東南風風速≥8 m/s等條件有利于持續(xù)濃霧的發(fā)生。

（3）由于資料有限，分析主要是基于烏魯木齊市L波段雷達探空系統(tǒng)資料開展的，在機場探空資料缺乏的情況下，能為預報員提供一定的指導和參考。