影響航空飛行的大霧天氣研究進(jìn)展評(píng)述

江 柯，段 煉

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 航空氣象學(xué)院,四川 廣漢 618307)

霧是在水汽充足、微風(fēng)及大氣層穩(wěn)定的情況下，當(dāng)接近地面的空氣冷卻至某程度而達(dá)到飽和時(shí)，水汽在氣溶膠粒子上凝結(jié)(或凝華)為水滴(或冰晶)懸浮于空中，常呈乳白色，使地面水平的能見度小于1 km的天氣現(xiàn)象?？梢姡F首先引起能見度急劇下降，而能見度直接影響航空飛行，特別是在飛機(jī)起飛和降落階段。隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和全球化推進(jìn)，航空業(yè)作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要引擎和全球化主要推動(dòng)力，也迎來巨大發(fā)展，這勢(shì)必加重空域資源的緊張化。一旦遇到大霧這種低能見度天氣，則更加重了對(duì)航空飛行安全和效率的沖擊。由表1可以看出，隨著航空技術(shù)設(shè)施的提升，人的因素在航空事故的占比愈下，而不易預(yù)測(cè)的天氣要素則成了發(fā)生航空事故的主要因素癥候之一。據(jù)民航大數(shù)據(jù)研究院分析，其中大霧天氣占比59.6%。

表1 2020年中國(guó)民航航班不正常率統(tǒng)計(jì) %

大霧對(duì)航空飛行安全和效率的影響主要有以下幾個(gè)方面：①引發(fā)的低能見度現(xiàn)象嚴(yán)重妨礙飛行，造成了大量航班延誤和返航。霧影響航空器的開車滑行、起飛著陸，降低了機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行效率。②霧同樣在航路上威脅航空器的飛行安全，當(dāng)霧不斷發(fā)展抬升形成低云后，會(huì)增加航空器在云中遭遇積冰和顛簸的風(fēng)險(xiǎn)，甚至?xí)斐蓹C(jī)毀人亡的后果。③大霧使飛行員和管制員的視線下降，增大其工作負(fù)荷，容易導(dǎo)致決策錯(cuò)誤，從而產(chǎn)生航空事故。目前由于人工除霧技術(shù)尚處于試驗(yàn)階段，對(duì)于保障民航運(yùn)輸安全還未具備完全的可行性。因此做好大霧的預(yù)報(bào)、監(jiān)控，降低霧對(duì)飛行的影響，才是亟待要解決的問題。

對(duì)于霧及其對(duì)航空飛行的影響研究，首先要從霧的形成、特征、規(guī)律等方面的認(rèn)識(shí)開始，其次是對(duì)霧的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)預(yù)警，最后延伸到霧是如何影響航空飛行的安全和效率。本文主要從這3方面入手，研閱大量的參考文獻(xiàn)，加以總結(jié)和評(píng)述，以期有助于對(duì)霧形成機(jī)理更深入認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)對(duì)霧的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警能力，減輕霧對(duì)航空的影響。

1 霧的特征

1.1 霧的形成

水汽飽和、冷卻、天氣條件穩(wěn)定，且有充足的凝結(jié)核時(shí)就有利于霧的形成[1]。研究發(fā)現(xiàn)，霧的形成與地理環(huán)境、大氣輻射、動(dòng)力場(chǎng)以及下墊面特征等許多因素有關(guān)[2-3]。

1.2 霧的時(shí)空特征

由于霧是多個(gè)因子共同作用產(chǎn)生的，其生成的復(fù)雜性也決定了霧時(shí)空特征的不同。海陸熱力性質(zhì)的差異致使中國(guó)大霧時(shí)間特征是內(nèi)陸秋冬多霧，因此在秋冬季節(jié)航空公司和機(jī)場(chǎng)提前做好大霧的應(yīng)急預(yù)案是非常有必要的。中國(guó)大霧空間分布特點(diǎn)為南部、東部較多，北部、西部較少[4]，飛機(jī)在做跨地區(qū)飛行時(shí)要充分考慮大霧地理因素合理選擇備降場(chǎng)。大多數(shù)學(xué)者綜合考慮高空環(huán)流特征和地面天氣形勢(shì)，從氣象學(xué)角度把中國(guó)霧大致分為鋒前型和均壓型兩類[5]。

1.3 霧的發(fā)展、維持與消散

研究發(fā)現(xiàn)，很多霧都有爆發(fā)性特點(diǎn)，霧的爆發(fā)性也將導(dǎo)致霧的含水量、霧滴尺度、數(shù)濃度等微物理量急劇增大[6-7]。圖1是樂亭站2010 年 12月21日的一次爆發(fā)性大霧，其中溫度、相對(duì)濕度、能見度量值發(fā)生了急劇變化[8]。而風(fēng)速的加大、地表的升溫、增強(qiáng)的湍流混合作用以及重力沉降都促使霧的消散。霧體也可能隨著湍流的越來越強(qiáng)加上逆溫層并未破壞，而脫離下墊面逐漸抬升為低云[9]。利用霧的這些特性，機(jī)場(chǎng)可根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩須庀蟊尘埃诒匾某梢蜓芯亢图夹g(shù)條件下，提前做好大霧預(yù)警的解除工作，合理安排好航班的進(jìn)近與離場(chǎng)。

圖1 樂亭站2010 年 12月21、22日的爆發(fā)性大霧溫度、相對(duì)濕度、能見度的時(shí)間演變

1.4 霧的分類

霧有多種分類方法。根據(jù)能見度可將霧分為輕霧、大霧、濃霧和強(qiáng)濃霧。按溫度分為冷霧和暖霧，并可根據(jù)霧的冷暖性質(zhì)選擇催化劑來實(shí)施機(jī)場(chǎng)除霧，如20世紀(jì)80年代四川雙流機(jī)場(chǎng)曾采用熱力動(dòng)力方法來消除暖霧,還有首都機(jī)場(chǎng)曾利用液氮技術(shù)來除冷霧[5]。也可以按霧的物理成因來分類，分為輻射霧、平流霧、蒸發(fā)霧、鋒面霧、混合霧等。了解霧形成的物理機(jī)制，對(duì)于進(jìn)一步提高霧的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警水平，并有效防范霧對(duì)飛行的影響十分重要。另外，會(huì)有煙霧、低云造成的云接地霧、海霧和混合霧等。這里重點(diǎn)介紹常見的幾種霧和它們各自的特征。

輻射霧是由于夜晚近地面的長(zhǎng)波輻射使周圍空氣冷卻至飽和形成的，多出現(xiàn)在晴朗無(wú)云少風(fēng)且水汽充足的秋冬夜晚，一般隨白天溫度的升高而消散。輻射霧經(jīng)常出現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)和爆發(fā)性特征[7]，因此若機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)輻射霧時(shí)要注意密切監(jiān)測(cè)某些氣象要素的顯著變化，警惕霧的爆發(fā)性出現(xiàn)。

平流霧對(duì)機(jī)場(chǎng)的影響最大。當(dāng)暖濕氣流經(jīng)過較冷的下墊面時(shí)，下方的空氣便冷卻達(dá)到飽和，產(chǎn)生逆溫現(xiàn)象，從而形成平流霧。袁嫻、陳志豪在對(duì)浦東機(jī)場(chǎng)的平流濃霧進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)較持久的平流霧形成前會(huì)有能見度的“象鼻形”波動(dòng)過程，利用這一發(fā)現(xiàn)提前做好機(jī)場(chǎng)持久平流大霧到來的應(yīng)急準(zhǔn)備工作[10]。

蒸發(fā)霧是由于水面因平流過來的較冷的空氣而蒸發(fā)出大量的水汽，促使周圍空氣容易飽和形成霧。霧體一般較薄，強(qiáng)度較弱，水平位置較低，對(duì)飛行的影響較小。

輻射霧和蒸發(fā)霧因其持續(xù)的時(shí)間較短，升溫或風(fēng)的改變都易使它消散，所以對(duì)航空的影響小。反觀平流霧以其生成迅速，條件具備便可長(zhǎng)久存在，且發(fā)展迅猛的特點(diǎn)，對(duì)機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行調(diào)控影響很大[11]，因此機(jī)場(chǎng)要密切注視平流霧的發(fā)展。

鋒面霧是鋒面附近形成的霧，常常伴隨著降水，因此又叫雨霧。飛機(jī)若遇到鋒面霧，要謹(jǐn)慎應(yīng)對(duì)降水帶來的負(fù)面影響。

煙霧主要是由人類活動(dòng)造成的。污染顆粒物在天氣穩(wěn)定的條件下易與水汽凝聚后形成煙霧。在秸稈燃燒季節(jié)，機(jī)場(chǎng)各部門要注意機(jī)場(chǎng)附近的秸稈燃燒情況，避免產(chǎn)生煙霧降低飛行能見度。

云接地霧是低云下沉到與地面接觸而產(chǎn)生的[12]。隨著氣象要素的變化，霧抬升后變成低云，低云下沉至地面形成霧，云霧轉(zhuǎn)換頻繁且觀測(cè)不易，易給飛行帶來危害[13-14]。

海霧與陸地的霧有很多的不同[15]。海霧是產(chǎn)生于海洋的海氣作用下的霧，其分布帶有季節(jié)性和地域性。由于海霧局地性強(qiáng)，海上觀測(cè)站點(diǎn)稀疏，因此飛機(jī)在海上飛行時(shí)需要更有利的監(jiān)測(cè)手段來保障飛行，比如ADS-B和毫米波雷達(dá)的應(yīng)用[16]。

混合霧是由多個(gè)形成條件造成的，幾種霧疊加在一起，所以這種霧往往濃重又難以消散，因此增加了預(yù)報(bào)的難度。若機(jī)場(chǎng)遇到混合霧時(shí)要提前做好大霧應(yīng)對(duì)方案，以避免航班延誤、備降、取消等影響飛行安全和旅客正常出行事件。2013年1月初云南昆明長(zhǎng)水機(jī)場(chǎng)因混合型大霧導(dǎo)致400多個(gè)航班的取消和近萬(wàn)名旅客的滯留，由于沒有充分的應(yīng)急預(yù)案，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)混亂。在大霧天氣條件下各部門做好航班備降和返航的統(tǒng)籌工作，制定完善的應(yīng)急預(yù)案，并加快HUD(平視顯示器)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，建設(shè)好協(xié)同決策系統(tǒng) (CDM),空管、機(jī)場(chǎng)和基地航空公司緊密銜接配合，做好各項(xiàng)工作，最大限度減少損失、規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

2 霧的監(jiān)測(cè)

由于霧是小尺度局地現(xiàn)象，但傳統(tǒng)的人工、燈塔、探空和飛機(jī)觀測(cè)的空間密度和觀測(cè)的時(shí)間分辨率都不高，于是近年來利用空基衛(wèi)星遙感的低成本、高分辨率、監(jiān)測(cè)面廣等優(yōu)勢(shì)對(duì)大霧實(shí)施宏觀、連續(xù)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)。圖2是風(fēng)云靜止衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到的2016年12月20日成都區(qū)域大霧天氣的遙感云圖，可見大霧在水汽云圖上呈現(xiàn)白亮的特點(diǎn)。但是目前利用云圖準(zhǔn)確區(qū)分云、霧尚有困難。梁益同等發(fā)現(xiàn)FY-1D的可見光和紅外通道最能監(jiān)測(cè)識(shí)別霧[17]。袁嫻、陳志豪研究發(fā)現(xiàn)YFID極軌衛(wèi)星和衛(wèi)星監(jiān)測(cè)NOAA的紅外云圖和可見光云圖具有很高的時(shí)空分辨率[10]。近年來,MODIS遙感中通道的反射率與能見度存在良好的相關(guān)性,因此可用于霧的監(jiān)測(cè)識(shí)別。

圖2 2016年12月20日成都一次大霧風(fēng)云靜止衛(wèi)星水汽云圖

除了衛(wèi)星云圖，雷達(dá)監(jiān)測(cè)霧也有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。毫米波雷達(dá)憑借其探測(cè)能力強(qiáng)、精度高、盲區(qū)小而成為新興的監(jiān)測(cè)手段。岑炬輝等[18]基于33.44 GHz毫米波雷達(dá)通過對(duì)液態(tài)水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)來更深入探究了寧波的一次海霧的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。李萍等[19]使用番禺雷達(dá)垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品(VWP)揭示了白云機(jī)場(chǎng)一次平流濃霧演變成平流輻射霧的天氣機(jī)制，揭示了高分辨率的風(fēng)廓線雷達(dá)通過對(duì)風(fēng)場(chǎng)的探測(cè)能給機(jī)場(chǎng)最難以應(yīng)對(duì)的平流霧的發(fā)展以提供重要的手段。如圖3的2020年4月2日長(zhǎng)沙黃花機(jī)場(chǎng)大霧天氣，風(fēng)廓線雷達(dá)很好地展示了1 200 m附近的底部反氣旋氣流對(duì)大霧發(fā)展的促進(jìn)作用[20]。機(jī)場(chǎng)氣象觀測(cè)室監(jiān)測(cè)霧時(shí)要結(jié)合各種監(jiān)測(cè)手段并及時(shí)準(zhǔn)確將監(jiān)測(cè)到的情況送達(dá)給管制人員，以便塔臺(tái)工作人員及時(shí)做好與機(jī)組人員的聯(lián)系，更好地做出大霧天氣下飛機(jī)是否繼續(xù)進(jìn)近或是返航的決定。

圖3 2020年4月2日黃花機(jī)場(chǎng)大霧的邊界層風(fēng)廓線(時(shí)間自右向左)[20]

3 霧的預(yù)報(bào)

提前預(yù)報(bào)霧有利于飛機(jī)及時(shí)選擇備降場(chǎng)，減少飛機(jī)的滯留，降低油量排放和提高空域利用率，最終保障航班的正常運(yùn)行，提升航空的服務(wù)質(zhì)量。隨著儀器設(shè)施設(shè)備的完善和霧觀測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)的發(fā)展，機(jī)場(chǎng)大霧預(yù)報(bào)的方法由天氣形勢(shì)分析法到統(tǒng)計(jì)方法，數(shù)值模式預(yù)報(bào)方法，到近幾年的集合預(yù)報(bào)方法、人工智能預(yù)報(bào)技術(shù)等，霧的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)率得到有效提升。

天氣學(xué)方法是通過診斷分析霧的天氣系統(tǒng)來預(yù)報(bào)，但易受機(jī)場(chǎng)預(yù)報(bào)員的人為誤差和主觀經(jīng)驗(yàn)影響，其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和可靠性較低。

統(tǒng)計(jì)學(xué)方法是通過對(duì)機(jī)場(chǎng)及周圍站點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立霧與氣象預(yù)報(bào)要素關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法有線性回歸和SVM、聚類分析、決策樹等方法。利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理數(shù)據(jù)能力，諸如深度學(xué)習(xí)等一些新的統(tǒng)計(jì)算法逐漸應(yīng)用于霧的預(yù)報(bào)中。袁志康等在某機(jī)場(chǎng)霧的模式識(shí)別預(yù)報(bào)中用BP算法建立的模型的擬合率和準(zhǔn)確率都很高[21]。高嵩利用深度學(xué)習(xí)方法建立白塔機(jī)場(chǎng)主導(dǎo)能見度回歸預(yù)測(cè)模型，效果較好[22]。

然而統(tǒng)計(jì)學(xué)方法大都缺乏對(duì)霧的物理過程的描述，且過度依賴歷史數(shù)據(jù)資料。于是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值模式預(yù)報(bào)和模式后期處理訂正是當(dāng)今霧預(yù)報(bào)的主流方向。隨著數(shù)值模式的不斷發(fā)展，對(duì)霧的識(shí)別和預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率也逐漸提高。目前使用的多是中尺度數(shù)值模式進(jìn)行霧的模擬和預(yù)報(bào)，如今WRF(weather research and forecasting model)模式靠其高質(zhì)量模式和強(qiáng)大的同化技術(shù)成為模式預(yù)報(bào)的主流之一[23]。來小芳利用WRF對(duì)浦東機(jī)場(chǎng)一次平流霧過程進(jìn)行數(shù)值研究,為建立機(jī)場(chǎng)惡劣能見度天氣特別是棘手的平流霧問題預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)提供科學(xué)基礎(chǔ)[24]。

將數(shù)值模式與統(tǒng)計(jì)學(xué)方法結(jié)合逐漸引入模式輸出產(chǎn)品，即動(dòng)力統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法、PP法、MOS法等。近年來，數(shù)值集合預(yù)報(bào)在霧的預(yù)報(bào)預(yù)警中發(fā)揮了重要作用。

由于霧的動(dòng)力場(chǎng)特征不明顯，閾值難以確定[25]，機(jī)場(chǎng)霧的預(yù)測(cè)很難做到“定時(shí)”“定量”和“定區(qū)域”，因此需要提高模式的分辨率并發(fā)展精細(xì)化的高模式數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)。今后機(jī)場(chǎng)大霧預(yù)報(bào)的發(fā)展方向是利用具有先進(jìn)資料同化的高分辨率的三維霧模式，并進(jìn)行模式的后處理訂正以及集合預(yù)報(bào)的使用來進(jìn)行大霧天氣的機(jī)場(chǎng)霧預(yù)報(bào)[26]。

4 大霧下的航空飛行

據(jù)國(guó)際飛行安全基金會(huì)提供的世界商業(yè)客機(jī)運(yùn)輸飛行事故調(diào)查資料，在起飛和著陸階段發(fā)生飛行事故的比例高達(dá)89.2%，這其中與霧多產(chǎn)生于低空到近地面層有密切關(guān)系。利用Reason的RESON[27]模型分析其事故時(shí)，最不可忽略的要素就是天氣要素，而霧產(chǎn)生的低能見度對(duì)其作用明顯。飛機(jī)在著陸階段飛行的時(shí)候，霧會(huì)損壞航空器，處于慢車狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)如果長(zhǎng)時(shí)間暴露在霧中則容易造成積水結(jié)冰；還有，霧也會(huì)降低飛行能見度，直接影響飛機(jī)著陸的安全性。目前民航飛機(jī)都有儀表著陸系統(tǒng)(ILS)，又稱盲降系統(tǒng)，輔助飛行員在有霧或者低能見度情況下操控飛機(jī)安全著陸，它由航向引導(dǎo)(LOC)、下滑引導(dǎo)(GP)和指點(diǎn)標(biāo)(MB)構(gòu)成[28]，LOC給出航向面和GP給出下滑面的交線即是盲降系統(tǒng)給出的安全進(jìn)近路線[29]，保障了大霧下的航空飛行降落。盲降分為3個(gè)等級(jí)(表2)，目前中國(guó)只有北上廣機(jī)場(chǎng)達(dá)到了Ⅱ類盲降等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，等級(jí)越低則對(duì)起降的要求越高。而且在進(jìn)近最后接地階段，仍然需要飛行員做目視參考。所以，近地面的能見度對(duì)于飛機(jī)降落至關(guān)重要，持續(xù)深入研究霧的形成、演變及其預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)就顯得極為迫切。

表2 盲降的3個(gè)等級(jí)

目前IGS(儀表引導(dǎo)系統(tǒng))、MLS(微波著陸系統(tǒng))、GLS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)著陸系統(tǒng))這些基于ILS的改良系統(tǒng)的應(yīng)用使得航空器在大霧天氣下的盲降越來越成功[30-31]。但依然需要對(duì)霧更加準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)預(yù)警，這樣，在應(yīng)對(duì)大霧天氣時(shí)，就能在起飛前選好備降場(chǎng)，在不影響飛行性能前提下備份充足油量，并提前獲取著陸機(jī)場(chǎng)和備降場(chǎng)的天氣實(shí)況，在著陸時(shí)做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，利用助航設(shè)備，盡早建立著陸形態(tài)，如有偏差及時(shí)修正。同時(shí)也要提高通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)施，如GBAS(地基增強(qiáng)系統(tǒng))、ABAS(空基增強(qiáng)系統(tǒng))、發(fā)展ADS(自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng))等，提高空中交通管制能力。一旦大霧解除，機(jī)場(chǎng)管制應(yīng)合理安排好飛機(jī)的起飛進(jìn)近。

另外，提高對(duì)霧的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)警水平，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空中交通的更科學(xué)管控、更合理調(diào)度，降低管理成本，明顯提高飛行效率，從而實(shí)現(xiàn)航空效益最大化[32]。

5 展望

進(jìn)入2l世紀(jì)，由于航空業(yè)的迅猛發(fā)展，需要與之匹配的更精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)霧的技術(shù)。然而霧是一種小概率的離散天氣事件，資料數(shù)據(jù)的匱乏致使霧的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低，使得對(duì)空中交通安全的保障和提高效益的需求存在明顯的差距。本文系統(tǒng)地探討了霧的特征、分類以及近年來的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)。然而在航空預(yù)報(bào)霧方面，相關(guān)學(xué)術(shù)研究還相對(duì)較少。因此，未來需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)航空大霧的研究工作。在監(jiān)測(cè)方面，加密機(jī)場(chǎng)周邊站點(diǎn)數(shù)和完善觀測(cè)儀器設(shè)施設(shè)備，以及提高氣象衛(wèi)星對(duì)霧的監(jiān)測(cè)識(shí)別和分離技術(shù)。在模式預(yù)報(bào)方面需要提高模式預(yù)報(bào)的精細(xì)化水平與模式質(zhì)量，以及增加集合預(yù)報(bào)的使用。近年來人工智能大數(shù)據(jù)方面的廣泛應(yīng)用，可以用來準(zhǔn)確提高霧的預(yù)報(bào)率。提高霧預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)化、定量化和準(zhǔn)確化，機(jī)場(chǎng)航司空管各科室要協(xié)同合作，緊密配合，做到監(jiān)視、預(yù)報(bào)預(yù)警和決策的一體化精細(xì)流程，為保障航空飛行作出貢獻(xiàn)。