2021年長(zhǎng)沙黃花機(jī)場(chǎng)連續(xù)兩日輻射霧對(duì)比分析

摘 要：本研究選取了2021年1月23日和24日連續(xù)兩日的vaisala自動(dòng)觀測(cè)的風(fēng)、溫度、能見(jiàn)度數(shù)據(jù)以及探空?qǐng)D數(shù)據(jù)，從輻射霧發(fā)生和消散的幾大原因?qū)@兩次輻射霧過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析，討論了連續(xù)兩日出現(xiàn)大霧過(guò)程的原因以及第二日過(guò)程中能見(jiàn)度在日出后再次轉(zhuǎn)差的原因。分析發(fā)現(xiàn)：空中污染物多，PM2.5數(shù)值大的時(shí)候容易連續(xù)幾日出現(xiàn)早間輻射霧天氣;3 m/s或以上的風(fēng)速有利于輻射霧的消散;1～2 m/s的風(fēng)速有利于輻射霧的發(fā)展。輻射逆溫層有多層結(jié)構(gòu)，逆溫層內(nèi)風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)之間具有相互作用的關(guān)系，這正是輻射霧過(guò)程中風(fēng)速、能見(jiàn)度以及溫度等要素有反復(fù)的原因。

關(guān)鍵詞：輻射霧;PM2.5;風(fēng)速;逆溫層

中圖分類(lèi)號(hào)：P426.4;V321.222 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）1-0113-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.01.025

Comparative Analysis of Radiation Fog in Changsha Huanghua Airport for Two Consecutive Days in 2021

YU Jia

（Meteorological office of Hunan ATM Sub-bureau， Changsha? 410000，China）

Abstract： This study selects the wind， temperature， visibility data and radiosonde data automatically observed by Vaisala on January 23 and 24， 2021， compares and analyzes the two radiation fog processes from several major reasons for the occurrence and dissipation of radiation fog， and discusses the reasons for the heavy fog process for two consecutive days and the reason for the poor visibility again after sunrise on the second day. After analysis， it is found that there are many air pollutants， and when the PM2.5 value is large， it is easy to have morning fog for several consecutive days. The wind speed of 3 m/s or above is conducive to the dissipation of heavy fog， and the wind speed of 1-2 m/s is conducive to the development of heavy fog. The radiation inversion layer has a multi-layer structure， and there is an interactive relationship between the wind field and temperature field in the inversion layer， which is the reason for the repetition of wind speed， visibility and temperature in the process of radiation fog.

Keywords： radiation fog;PM2.5;wind speed; inversion layer

0 引言

冬季大霧給民航經(jīng)濟(jì)效益和飛行安全造成嚴(yán)重影響。據(jù)中國(guó)民航統(tǒng)計(jì)，由于天氣原因?qū)е潞桨嘌诱`一般占總延誤次數(shù)的70%，而天氣原因中又以大霧最為多見(jiàn)。1998年2月16日晚8時(shí)，一架客機(jī)在臺(tái)北中正機(jī)場(chǎng)降落時(shí)，因大霧影響能見(jiàn)度約200 m，造成飛機(jī)失事，死亡200余人。2010年8月24日伊春空難，導(dǎo)致44人死亡，52人受傷。因此，大霧天氣，是民航氣象需要研究的重點(diǎn)。

輻射霧形成是由多種天氣條件、環(huán)境因素決定的。從氣候和天氣學(xué)角度出發(fā)，大多數(shù)研究主要分析各地大霧時(shí)空分布特征和天氣學(xué)成因，其中對(duì)輻射霧研究較多，共性特點(diǎn)是微風(fēng)、逆溫、相對(duì)濕度大[1-5]。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度出發(fā)，相關(guān)研究對(duì)大霧影響因子和客觀預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了分析[6-8]，為大霧天氣預(yù)報(bào)和科研奠定了良好基礎(chǔ)，但大霧預(yù)報(bào)仍然是預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的難點(diǎn)，且大霧成因存在地域差別。

2021年1月23日和24日，長(zhǎng)沙黃花機(jī)場(chǎng)罕見(jiàn)連續(xù)兩日出現(xiàn)了輻射霧天氣。尤其是24日，輻射霧在消散過(guò)程中出現(xiàn)反復(fù)，日出以后出現(xiàn)罕見(jiàn)的再次轉(zhuǎn)差現(xiàn)象，導(dǎo)致航班大量延誤，光是備降的航班就多達(dá)7架次，給航空運(yùn)行帶來(lái)了較大影響以及財(cái)產(chǎn)損失。本文選取了兩日的vaisala自動(dòng)觀測(cè)的風(fēng)、溫度、能見(jiàn)度數(shù)據(jù)以及探空?qǐng)D數(shù)據(jù)，從輻射霧發(fā)生和消散的幾大原因?qū)@兩次過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析，討論了連續(xù)兩日出現(xiàn)輻射霧過(guò)程的原因以及第二日過(guò)程中能見(jiàn)度反復(fù)的原因。

1 兩次過(guò)程天氣形勢(shì)簡(jiǎn)述

23日和24日長(zhǎng)沙黃花機(jī)場(chǎng)的連續(xù)兩次大霧過(guò)程都是輻射霧。在華北中南部、黃淮、汾渭平原、江漢等地，空中有著大量的污染物。然而這幾日大氣擴(kuò)散條件一般，有輕到中度霾天氣在我國(guó)中部地區(qū)堆積。受地面偏東弱冷空氣影響，這些污染物向南向西擴(kuò)散影響到兩湖及四川地區(qū)，受其影響，長(zhǎng)沙22—24日空氣中的PM2.5的數(shù)值分別為147、144、132。這些污染物的傳輸為兩日連續(xù)大霧天氣過(guò)程提供了充分的凝結(jié)核。

23日大霧為典型的輻射霧過(guò)程，前一日白天黃花機(jī)場(chǎng)陰天有零星小雨，夜間空中各層均轉(zhuǎn)為槽后西北氣流，云系減少，23日凌晨04：00轉(zhuǎn)為碧空天氣，溫度迅速降低。大霧持續(xù)時(shí)間為05：14—08：00。

23日長(zhǎng)沙黃花機(jī)場(chǎng)為晴天，空中漸轉(zhuǎn)偏南風(fēng)，近地面仍為弱的偏北風(fēng)。夜間由于輻射降溫而出現(xiàn)大霧，24日04：40—06：00機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)部分霧，最低主導(dǎo)能見(jiàn)度900 m，跑道視程（Runway Visual Range，簡(jiǎn)稱(chēng)RVR）125 m。06：00—07：27主導(dǎo)能見(jiàn)度上升至1 500 m，RVR也上升至1 400 m。然而07：27后能見(jiàn)度迅速降低，主導(dǎo)能見(jiàn)度降至500 m，RVR也降至 200 m。后面大霧一直持續(xù)至09：41才逐漸好轉(zhuǎn)。中間能見(jiàn)度的一度好轉(zhuǎn)給了航空公司錯(cuò)誤的信號(hào)，大量航班開(kāi)始起飛，等到了長(zhǎng)沙機(jī)場(chǎng)突然發(fā)現(xiàn)能見(jiàn)度再次轉(zhuǎn)差，只好轉(zhuǎn)為備降。當(dāng)日日出時(shí)間為07：18，是在日出以后能見(jiàn)度已經(jīng)好轉(zhuǎn)的情況下再次形成的輻射霧。

2 兩日輻射霧天氣要素對(duì)比分析

2.1 水汽條件對(duì)比

23日凌晨的輻射霧前一日白天為陰天有零星小雨，夜間轉(zhuǎn)為碧空。從黃花機(jī)場(chǎng)自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，22日全天濕度都在80%以上，因此23日凌晨的大霧水汽條件是非常好的。相對(duì)而言，23日白天為晴天，最低濕度為60%，但是由于空氣中霾比較嚴(yán)重（白天能見(jiàn)度最高4 000 m，多數(shù)時(shí)間僅為2 000～3 000 m），水汽蒸發(fā)并不太多。兩日輻射霧過(guò)程的水汽條件比較而言，顯然是前一日更為充分。從兩日湖南區(qū)域8時(shí)能見(jiàn)度實(shí)況對(duì)比可以看出，23日凌晨整個(gè)湘中以北地區(qū)均為200～500 m的濃霧天氣，而24日凌晨?jī)H湘東北角落有200～500 m的濃霧天氣。然而23日更濃的霧卻消散得更加早一些，24日范圍小、濃度小的霧卻消散得更加晚，這說(shuō)明24日輻射霧消散晚的原因不是水汽原因，也不是因?yàn)殪F濃度大的原因，需要從其他方向?qū)Ρ确治觥?/p>

2.2 風(fēng)速對(duì)比

23日凌晨5：00之前風(fēng)速維持在2 m/s以下，04：00—5：00風(fēng)速小于1 m/s，而同時(shí)間能見(jiàn)度也從800 m迅速下降至100 m附近。6：00開(kāi)始風(fēng)速上升至2～3 m/s，同時(shí)間能見(jiàn)度從100 m上升至200 m。具體如圖1所示。

24日凌晨03：50—04：40風(fēng)速一直很小，維持在0～1 m/s，相對(duì)應(yīng)的能見(jiàn)度也從800 m迅速下降至小于50 m。從05：30后風(fēng)速加大到3 m/s，能見(jiàn)度也從小于50 m向上爬升，在400 ～1 600 m波動(dòng)。07：20后風(fēng)速重新降到了1～2 m/s，能見(jiàn)度也再次從400～800 m下跌至小于50 m。具體如圖2所示。

對(duì)比兩日輻射霧過(guò)程中地面風(fēng)速的變化曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律：在輻射霧徹底穩(wěn)定之前，兩日都有一個(gè)風(fēng)速的極小值區(qū)域維持40 min以上，風(fēng)速維持在0～1 m/s，然而在風(fēng)速極小的時(shí)候能見(jiàn)度并沒(méi)有迅速跌到最低，而是在這個(gè)極小值時(shí)段之后風(fēng)速重新回到1～2 m/s的時(shí)候才出現(xiàn)能見(jiàn)度的極小值。這說(shuō)明0～1 m/s的極小風(fēng)速并不是最有利于輻射霧發(fā)展的風(fēng)速，1～2 m/s的風(fēng)速才使得大霧得到更好的發(fā)展。23日6：00風(fēng)速維持3 m/s后輻射霧逐漸消散，24日6：00風(fēng)速維持3 m/s后輻射霧也逐漸消散，但是在07：20之后風(fēng)速重新下降至1 m/s附近時(shí)，輻射霧又重新開(kāi)始發(fā)展。對(duì)比兩者可以發(fā)現(xiàn)3 m/s或以上的風(fēng)速有利于輻射霧的消散，1～2 m/s的風(fēng)速有利于輻射霧的發(fā)展。

2.3 空中層結(jié)對(duì)比

23日08：00探空?qǐng)D[圖（3a）]顯示長(zhǎng)沙站上空的逆溫層已經(jīng)破壞，在日出以后輻射霧很快就消散。而24日8：00探空?qǐng)D[圖（3b）]）顯示長(zhǎng)沙上空還有著很厚的逆溫層，逆溫層頂?shù)母叨冗_(dá)到了將近2 km，深厚的逆溫層使得即使已經(jīng)到了日出時(shí)間，低層的溫度層結(jié)很難被破壞，在低層的風(fēng)速重新變小以后，霧滴重新開(kāi)始堆積，輻射霧重新發(fā)展起來(lái)并維持較長(zhǎng)時(shí)間，一直等到深厚的逆溫層被破壞以后輻射霧才徹底消散。

由于湍流混合作用隨高度是分層的，因而動(dòng)量、熱量、水汽的輸送也是不連續(xù)的，從而出現(xiàn)了逆溫層的多層結(jié)構(gòu)。從圖3（b）中可以明顯看到逆溫層的多層結(jié)構(gòu)。即除了貼地逆溫層外，還有低空和中空逆溫。由于地面的長(zhǎng)波輻射冷卻形成輻射逆溫后，隨著逆溫強(qiáng)度的不斷加強(qiáng)，近地面逆溫層附近湍流運(yùn)動(dòng)逐漸減弱，近地面風(fēng)速減小。因此可見(jiàn)圖3中兩日04：00前后風(fēng)速降低到0～1 m/s，同一時(shí)間受逆溫層的影響能見(jiàn)度也降低到最差時(shí)刻。而在逆溫層上部動(dòng)量在逆溫層上部不斷堆積起來(lái)，從而使得這里風(fēng)速逐漸加大，尤其是使該處的風(fēng)速切變更加迅速地發(fā)展起來(lái)。然而正是由于這種風(fēng)速切變的迅速加大，反過(guò)來(lái)使得該層的梯度里查遜數(shù)Ri迅速減小，當(dāng)Ri減小到臨界值 0.25 （臨界理查遜數(shù)）以下時(shí)，便滿(mǎn)足了Kelvin-Helmoholtz 切變不穩(wěn)定條件，使該層內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)急劇地產(chǎn)生和加強(qiáng)，從而湍流混合作用突然增大，便會(huì)引起動(dòng)量和熱量爆發(fā)性地向下輸送達(dá)到地面，伴隨著這一動(dòng)力過(guò)程的是低層溫度、風(fēng)速在幾十分鐘內(nèi)發(fā)生劇烈地變化[9]。這就解釋了圖3中兩日06：00—07：00的風(fēng)速都有一個(gè)爆發(fā)性增強(qiáng)至3～4 m/s的現(xiàn)象，23日能見(jiàn)度從100 m上升至200 m，24日則從50 m上升至800 m以上。正是因?yàn)槟鏈貙拥倪@種起伏式的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致輻射霧出現(xiàn)能見(jiàn)度的反復(fù)情況。之后風(fēng)速逆溫中心強(qiáng)度迅速削弱，風(fēng)速和風(fēng)速切變迅速減小，結(jié)果很快使得切變不穩(wěn)定條件消失從而又重新恢復(fù)到該層逆溫開(kāi)始發(fā)展時(shí)的情況，于是貼地逆溫強(qiáng)度再次開(kāi)始逐漸加強(qiáng)。23日由于逆溫層比較薄，導(dǎo)致從07：00風(fēng)速增大以后逆溫層沒(méi)能夠再次形成，加上日出后增溫明顯，霧層沒(méi)有逆溫層的阻擋很快抬升消散。而24日由于逆溫層厚度一直到2 km左右，霧層抬升以后并不能很快消散，反而減弱了太陽(yáng)輻射導(dǎo)致的地面增溫，于是逆溫層再次開(kāi)始加強(qiáng)，近地面風(fēng)速再次減小。

3 結(jié)語(yǔ)

①空中污染物多，PM2.5數(shù)值大的時(shí)候容易連續(xù)幾日出現(xiàn)早間輻射霧天氣。

②3 m/s或以上的風(fēng)速有利于輻射霧的消散，1～2 m/s的風(fēng)速有利于輻射霧的發(fā)展。

③輻射逆溫層有多層結(jié)構(gòu)，逆溫層內(nèi)風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)之間具有相互作用的關(guān)系，這正是輻射霧過(guò)程中風(fēng)速、能見(jiàn)度以及溫度等要素有反復(fù)的原因。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李永果，馬麗，李芳，等.2001—2012 年魯南霧氣候特征及形成機(jī)制[J].氣象科技，2015，43（4）：709-714.

[2] 張翠艷，閻琦，白雪，等.1999—2018年錦州地區(qū)大霧氣候特征及成因分析[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2020，36（3）：87-92.

[3] 胡躍文，秦杰，蘇靜文，等.2016—2017年貴州大霧時(shí)空分布及氣象要素演變分析[J].氣象，2019，45（5）：659-666.

[4] 于志明，王駟鷂，馬冬亮.渤海海洋氣象災(zāi)害天氣分型與預(yù)報(bào)指標(biāo)研究[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2018，34（1）：106-111.

[5] 趙玉廣，李江波，李青春，等.華北平原3次持續(xù)性大霧過(guò)程的特征及成因分析[J].氣象，2015，41（4）：427-437.

[6] 張慶奎，項(xiàng)陽(yáng)，王瑩，等.安徽阜陽(yáng)市大霧天氣的潛勢(shì)預(yù)報(bào)方法[J].干旱氣象，2015，33（6）：1045-1049.

[7] 史達(dá)偉，李超，史逸民，等.基于機(jī)器學(xué)習(xí)的大霧天氣背景下特強(qiáng)濃霧本地化診斷研究[J].災(zāi)害學(xué)，2018，33（2）：193-199.

[8] 王博妮，濮梅娟，田力，等.江蘇沿海高速公路低能見(jiàn)度濃霧的氣候特征和影響因子研究[J].氣象，2016，42（2）：192-202.

[9] 趙德山，洪鐘祥.典型輻射逆溫生消過(guò)程中的爆發(fā)性特征[J].大氣科學(xué)，1981，5（4）：407-415.

收稿日期：2021-09-17

作者簡(jiǎn)介：余佳（1988—），男，本科，工程師，研究方向：氣象短臨預(yù)報(bào)。

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