南寧機(jī)場一次大霧過程的診斷分析

宛 濤，肖稱根，謝忠妙，鄒德龍

（中國民用航空中南地區(qū)空中交通管理局廣西分局，廣西 南寧 530048）

1 研究背景

霧是指由于空氣中的水汽發(fā)生凝結(jié)或凝華，使得大量的微小水滴或冰晶懸浮在近地面層的空氣中，導(dǎo)致主導(dǎo)能見度小于1 km的天氣現(xiàn)象[1]。霧的出現(xiàn)會(huì)嚴(yán)重影響航空器的起飛和降落安全，可造成大面積航班延誤[2]。霧依據(jù)其形成原因，可分為輻射霧、平流霧、平流輻射霧和鋒面霧等[3-4]。李生艷等[5]對(duì)歷史資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)廣西地區(qū)的霧主要可分為輻射霧和平流霧2種類型，而輻射霧多是由于前期受冷空氣南下影響產(chǎn)生降水，近地面濕度大，當(dāng)高空槽和地面鋒面移過之后，天氣轉(zhuǎn)晴，夜間輻射降溫明顯，使得水汽凝結(jié)成霧；平流霧多是地面處于高壓后部形勢，高空南支槽前西南暖濕氣流流經(jīng)原來較冷的下墊面，近地層水汽發(fā)生冷卻凝結(jié)而形成霧。韋景譯[6]對(duì)1986—2018年南寧吳圩國際機(jī)場的歷史自觀數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)大霧主要集中出現(xiàn)在12月至次年4月之間，且大多生成在日出前后。此前針對(duì)南寧機(jī)場大霧的相關(guān)研究多為對(duì)歷史觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，因此本文利用自動(dòng)觀測資料、ERA5（0.25°×0.25°）再分析資料以及風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場資料對(duì)南寧機(jī)場2022-01-03一次大霧過程進(jìn)行診斷分析，從環(huán)流形勢、動(dòng)力特征、水汽特征和層結(jié)特征等方面分析其形成原因，以期為今后類似過程提供預(yù)報(bào)參考。

2 天氣概況及形勢分析

2.1 天氣概況

2022-01-03早晨，南寧機(jī)場出現(xiàn)了一次大霧天氣過程。大霧發(fā)生前期碧空無云，夜間輻射降溫明顯，空氣中的水汽迅速接近飽和，大霧從3日05：26（北京時(shí)間，下同）開始持續(xù)至09：00，共計(jì)3 h 34 min，由于本次大霧持續(xù)時(shí)間長，且發(fā)生在早高峰時(shí)段，嚴(yán)重影響了飛機(jī)的起降，造成多架航班延誤、備降或返航。

南寧機(jī)場主導(dǎo)能見度和跑道視程（RVR）隨時(shí)間均呈現(xiàn)“U”形變化趨勢，從3日05：00開始，主導(dǎo)能見度和RVR迅速下降，RVR于06：00達(dá)到最小值300 m，而主導(dǎo)能見度于07：00達(dá)到最小值400 m。日出后主導(dǎo)能見度和RVR迅速好轉(zhuǎn)，RVR于08：00已上升至1 700 m，09：00主導(dǎo)能見度上升至1 500 m，可見相對(duì)于RVR的變化，主導(dǎo)能見度的變化存在著滯后性，這是由于兩者的觀測方式存在著差異，主導(dǎo)能見度是指觀測點(diǎn)四周一半或以上的視野范圍內(nèi)都能達(dá)到的最大水平距離，而RVR是指在跑道中線上航空器的駕駛員能看到跑道面上的標(biāo)志或跑道邊界燈或中線燈的距離，因此當(dāng)RVR轉(zhuǎn)差或轉(zhuǎn)好時(shí)，并不意味著主導(dǎo)能見度同時(shí)轉(zhuǎn)差或轉(zhuǎn)好。

2.2 天氣形勢分析

從2022-01-02T20：00的天氣形勢來看，南寧地區(qū)500 hPa處于南支槽前西南氣流中，圖1（a）所示的700 hPa為西北偏西氣流，圖1（b）所示的850 hPa為偏南氣流，925 hPa也為偏南氣流，地面為弱冷高脊形勢。由此可見，中層西北偏西氣流是夜晚南寧地區(qū)碧空的原因，低層偏南氣流使得水汽持續(xù)向南寧地區(qū)輸送，地面弱冷高脊形勢會(huì)加速地表降溫，平流冷卻和輻射冷卻的共同作用導(dǎo)致南寧機(jī)場出現(xiàn)大霧，因此可以判斷本次大霧為平流輻射霧。

圖1 2022-01-02T20：00 700 hPa風(fēng)場和850 hPa風(fēng)場

2.3 探空曲線分析

溫度露點(diǎn)差是衡量濕度的一個(gè)重要參數(shù)，當(dāng)溫度露點(diǎn)差小于或等于5℃時(shí)，定義為濕區(qū)[7]。南寧站點(diǎn)探空?qǐng)D表明：2022-01-02T20：00—2022-01-03T08：00，850 hPa以下的溫度露點(diǎn)差均小于或等于5℃，整個(gè)過程期間南寧地區(qū)濕區(qū)較厚。

2日20：00，925 hPa以下為西北偏西風(fēng)，925—850 hPa之間為西南偏南氣流，且風(fēng)向隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可判斷低層存在著暖平流，受其影響，低層的氣溫不斷升高，而地表面由于受弱冷空氣控制，氣溫較低，在這種溫度場配置下，2日20：00，南寧地區(qū)925 hPa附近存在著淺薄的逆溫層，3日08：00，逆溫層高度明顯降低，且厚度較為深厚，由此可見，逆溫層的下降有利于大霧的形成。

3 物理量診斷分析

3.1 動(dòng)力條件

近地層適宜的微風(fēng)有利于輻射霧的形成[8]。若近地層為靜風(fēng)，由于缺乏擾動(dòng)，不利于霧向高層擴(kuò)散，只能在地表形成一層淺霧；若風(fēng)速過大，又不利于水汽在近地層聚集，難以形成霧；只有當(dāng)近地層風(fēng)速在1～3 m/s時(shí)，上下層空氣既能充分混合，使得水汽擴(kuò)散到一定高度，又不會(huì)影響近地層水汽達(dá)到飽和狀態(tài)[8-9]。

如表1所示，2022-01-03T02：00—07：00期間南寧機(jī)場平均風(fēng)速均為1 m/s，有利于大霧的形成。

表1 2022-01-03T02：00—11：00南寧機(jī)場風(fēng)向風(fēng)速隨時(shí)間的變化

風(fēng)廓線雷達(dá)能夠直觀地顯示各高度層的水平風(fēng)場演變和垂直氣流發(fā)展情況[10]。

2022-01-03T03：00—09：00南寧機(jī)場水平風(fēng)向風(fēng)速的高度-時(shí)間剖面如圖2所示，從3日03：30左右開始，南寧機(jī)場500 m以下高度的風(fēng)速基本維持在1～3 m/s，且風(fēng)向凌亂，近地層風(fēng)速的減小不利于湍流的發(fā)展，大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定，水汽更容易聚集，有利于大霧的形成[11]。

圖2 2022-01-03T03：00—09：00南寧機(jī)場水平風(fēng)向風(fēng)速的高度-時(shí)間剖面圖

2022-01-03T05：00—09：00期間，南寧機(jī)場近地層存在著2次明顯的南北風(fēng)向轉(zhuǎn)換過程，偏南風(fēng)會(huì)帶來暖濕空氣，而偏北風(fēng)則帶來干冷空氣，受冷暖氣團(tuán)交匯的影響，近地層的水汽更易產(chǎn)生凝聚，導(dǎo)致能見度的迅速降低。以上分析表明，近地層適宜的微風(fēng)以及南北風(fēng)向的轉(zhuǎn)換為大霧的形成提供了有利的動(dòng)力條件。

3.2 水汽條件

霧的形成需要充足的水汽，只有當(dāng)近地面層具有足夠大的相對(duì)濕度時(shí)，霧才有可能產(chǎn)生[8]。南寧機(jī)場的氣溫和露點(diǎn)溫度隨時(shí)間均呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢。用ΔT表示溫度露點(diǎn)差，3日00：00，ΔT為1.08℃，相對(duì)濕度為93%，由于氣溫下降速率快于露點(diǎn)溫度，ΔT逐漸減小，相對(duì)濕度逐漸增大，在05：00，ΔT下降至0.45℃，相對(duì)濕度上升至97%，南寧機(jī)場主導(dǎo)能見度開始迅速下降，大霧逐漸形成，到了07：00，氣溫降低至最小值8℃，ΔT達(dá)到最小值0.29℃，相對(duì)濕度達(dá)到最大值98%，此時(shí)大霧發(fā)展最旺盛，主導(dǎo)能見度達(dá)到最小值400 m。日出后，由于氣溫上升速率快于露點(diǎn)溫度，ΔT迅速增大，相對(duì)濕度迅速減小，主導(dǎo)能見度迅速上升，大霧消散。

水汽通量是表明水汽的輸送來源和方向的物理量，而水汽通量散度則可以反映水汽的聚散特征[9]。如圖3（a）所示，桂南至桂中一帶為水汽通量的相對(duì)高值區(qū)，結(jié)合風(fēng)場分析可知，偏南氣流作為水汽輸送通道，使得水汽持續(xù)從北部灣向南寧地區(qū)輸送。如圖3（b）所示，南寧機(jī)場處于水汽通量散度負(fù)值區(qū)，表明水汽在此處聚集。以上分析表明，持續(xù)的水汽輸送和輻合，為大霧的形成提供了有利的水汽條件。

圖3 2022-01-03T05：00 925 hPa水汽通量和水汽通量散度

3.3 層結(jié)條件

近地層的逆溫層是大霧形成的必要條件之一，這是由于穩(wěn)定的層結(jié)會(huì)阻礙水汽通過湍流擴(kuò)散到高空或輸送到其他地區(qū)，有利于大霧的形成，據(jù)統(tǒng)計(jì)，霧的高度一般只有幾十至幾百米，因此一般把925 hPa以下是否存在逆溫層作為大霧預(yù)報(bào)的一個(gè)重要因素[12-13]。如表2所示，2022-01-03T02：00—09：00，南寧地區(qū)1 000 hPa和地面之間存在著明顯的逆溫，溫差基本在1℃以上，04：00溫差達(dá)到極大值3.3℃，這種“上暖下冷”的逆溫層配置有利于大氣層結(jié)穩(wěn)定度的增加，為大霧的形成提供了穩(wěn)定的層結(jié)環(huán)境。日出后，由于2 m氣溫上升速率較快，原先的“上暖下冷”溫度場配置迅速轉(zhuǎn)變?yōu)椤跋屡侠洹保瑢咏Y(jié)不穩(wěn)定度增加，近地層逆溫層被破壞，大霧隨之消散。

表2 2022-01-03T02：00—11：00南寧地區(qū)各高度氣溫隨時(shí)間的變化（單位：℃）

4 結(jié)論

此次大霧為平流輻射霧，中層西北偏西氣流有利于碧空，低層偏南氣流為大霧的形成提供了良好的水汽條件，地面弱冷高脊形勢加快地表降溫。

近地層適宜的微風(fēng)有利于上下層空氣的充分混合，使得水汽擴(kuò)散到一定高度，又不會(huì)影響近地層水汽達(dá)到飽和狀態(tài)，而近地層南北風(fēng)向的轉(zhuǎn)換會(huì)使得水汽更容易凝聚，兩者為大霧的形成提供了有利的動(dòng)力條件。

“上暖下冷”的逆溫層配置有利于大氣層結(jié)穩(wěn)定度的增加，且近地層的逆溫層對(duì)于預(yù)報(bào)大霧的形成具有一定的指示意義，日出后氣溫升高會(huì)促使溫度露點(diǎn)差迅速增大，并破壞近地面層逆溫層，導(dǎo)致大霧的消散。