章元直 楊超鋒

(民航浙江空管分局氣象臺,浙江 杭州 311207)

0 引 言

眾所周知,氣象能見度是指視力正常的人,在當(dāng)時天氣條件下,能夠從天空背景中看到和辨認(rèn)出目標(biāo)物(黑色、大小適度)的最大水平距離。大氣能見度對當(dāng)前社會高速運(yùn)行的海陸空交通來說,是極為重要的安全因素之一。根據(jù)我國1951—1985年間254次與氣象有關(guān)的嚴(yán)重飛行事故的統(tǒng)計結(jié)果[1]看出,低能見度造成的飛行事故占19.2%,遠(yuǎn)高于低空風(fēng)切變、積雨云。低能見度天氣出現(xiàn)時,往往出現(xiàn)大面積航班延誤或取消,大量旅客滯留機(jī)場,對航空運(yùn)輸帶來巨大壓力。由于大多數(shù)機(jī)場建立在城市的周邊,機(jī)場能見度也容易受多種氣象條件甚至污染物傳播的影響[2-4]。一般來說,較強(qiáng)和持續(xù)性的低能見度是由于平流霧、輻射霧等引起。低能見度預(yù)報是機(jī)場氣象預(yù)報的重要內(nèi)容之一。

隨著浙江經(jīng)濟(jì)社會的全面快速發(fā)展和杭州城市國際化的加快,杭州蕭山國際機(jī)場已是我國重要的空港之一,也是上海等大城市主要的備降機(jī)場。機(jī)場東臨東海、北靠杭州灣,易引起低能見度的發(fā)生。根據(jù)機(jī)場凈空條件和導(dǎo)航設(shè)施,800 m是蕭山機(jī)場航空作業(yè)重要的閾值標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)蕭山機(jī)場氣候志統(tǒng)計,2001—2015年蕭山機(jī)場出現(xiàn)低于800 m低能見度累年平均25.1 d,占全年日數(shù)的6.9%,主要出現(xiàn)在秋末到翌年的春初,主要與大氣層結(jié)穩(wěn)定度有關(guān)。

為了分析杭州蕭山機(jī)場大霧的形成和快速演變過程,對2014年11月22—23日和24日兩例不同類型的典型大霧過程進(jìn)行比較分析。實況分析基于杭州市氣象觀測資料和韓國的地面、高空分析場。而杭州蕭山機(jī)場地處的自然環(huán)境和氣象條件有時有別于杭州市地面霧,為了更細(xì)致地分析大霧的突變過程,本文利用WRF模式對22—23日的大霧過程進(jìn)行了中尺度數(shù)值模擬。

1 過程概況

2014年11月23日00時(北京時間,后同)至23日08:30,杭州機(jī)場持續(xù)能見度低于1 km的大霧長達(dá)8.5 h,最小能見度更是低至300 m,而且,過程發(fā)生非常突然,23日00時附近的0.5 h內(nèi),能見度從1600 m直接下降至700 m(圖1a),然后持續(xù)下降至300 m,并保持了數(shù)小時,這是非常少見的突變過程。同時從相應(yīng)的跑道視程的變化來看(圖1b),23日00時附近也一致地呈現(xiàn)出突變下降過程,并且低視程持續(xù)維持到23日08：30。

圖1 22日22時至24日10時機(jī)場實況地面氣象要素的時間演變(a)能見度(單位:m); (b)跑道視程(單位:m);(c)氣溫和露點(單位:℃);(d)風(fēng)向(單位:°)和(e)風(fēng)速(單位:m/s)

另一場大霧形成于第二天24日07:30—09:30(圖1a),相對于前一天(23日)的大霧來說,這次大霧的維持時間較短,僅有2 h左右,但是最低能見度降低至500 m,同樣也嚴(yán)重影響了機(jī)場正常的起降和飛行,從能見度演變來看,24日這次過程的發(fā)生不具有明顯突發(fā)性。從跑道視程變化來看(圖1b),在清晨04時開始就有比較明顯的波動下降過程,跑道視程最低值小于200 m,比23日跑道視程最低值還要低100 m左右。

從機(jī)場地面風(fēng)場要素的對比來看(圖1d、圖1e),23日大霧過程的整體風(fēng)速較第二天稍強(qiáng),23日風(fēng)速基本維持在2—4 m/s左右,風(fēng)向為東北偏東風(fēng);而24日基本處于低于2 m/s的準(zhǔn)靜風(fēng)和風(fēng)向不定的情況;并且圖1c中23日整個后半夜地面溫度基本維持不變,而24日則有一個明顯的先降溫后升溫的過程。綜合機(jī)場地面氣象觀測分析,23日的大霧過程基本屬于平流霧過程特征,而24日的大霧過程則偏向于輻射霧的特征。

2 天氣形勢分析

2.1 地面形勢

從前期22日的地面形勢(圖2a)來看,杭州機(jī)場基本處于高壓底部,弱冷空氣路徑偏東,主要集中在沿海一帶,但冷空氣的擴(kuò)散太弱,并且快速東移入海,機(jī)場以偏東氣流的影響為主,從海洋帶來的暖濕水汽使得機(jī)場的濕度迅速增加,也使得機(jī)場后半夜溫度一直保持16 ℃的原因之一,22日后半夜23日凌晨開始,西南倒槽迅速發(fā)展,機(jī)場主要位于倒槽發(fā)展的前部,有利于維持較好的濕度條件,較弱的低壓場也不利于霧氣的消散,從而導(dǎo)致了這次大霧過程的長時間維持。而相比較來說,24日早晨的大霧過程則是由于前一天的倒槽發(fā)展東伸,機(jī)場位于低壓場中心附近弱氣壓場中(圖2b),并且前期水汽條件較好,加之清晨輻射降溫的影響,導(dǎo)致能見度的下降,但是從溫度曲線來看,日出以后早晨溫度的回升迅速,使得大霧得以快速消散。

圖2 22日20時、23日20時地面形勢和925 hPa高空形勢(a)22日20時地面;(b)23日20時地面; (c)22日20時925 hPa;(d)23日20時925 hPa(陰影區(qū)為T-Td<2 ℃,來自http://web.kma.go.kr/chn/index.jsp)

2.2 高空形勢

925 hPa高空圖上,22日(圖2c)機(jī)場主要受高壓脊影響,盛行偏東氣流,而從濕區(qū)(陰影區(qū))來看,水汽主要集中在沿海一帶,為水汽的平流提供了有利的條件。23日20時(圖2d)和24日08時(圖略)倒槽東伸,濕區(qū)的東移,機(jī)場處于倒槽暖區(qū)一側(cè),水汽條件較好;同時,伴隨著輻射降溫及倒槽北側(cè)弱冷空氣的擴(kuò)散,便容易成霧。850 hPa的高空形勢(圖略)與925 hPa是一致的,而700 hPa和500 hPa的高空形勢前后兩天的形勢變化不大(圖略),主要以西南偏西氣流的影響為主,比較有利于倒槽的發(fā)展東伸。

2.3 探空曲線分析

22日20時及23日08時的探空曲線圖中(圖略),層結(jié)曲線并沒有表現(xiàn)出逆溫層這種穩(wěn)定且有利于大霧形成的溫度垂直分布,22日20時在700 hPa以下的空氣層結(jié)中溫度露點差也基本維持在4～5℃,水汽條件沒有完全達(dá)到飽和,23日08時杭州上空中低層溫度露點差表現(xiàn)出濕度趨于飽和,此時正處于大霧發(fā)生的持續(xù)階段,總體來看,對22—23日的大霧過程的預(yù)報意義較小,沒有較明確的指示特征,尤其是23日00時大氣能見度的突然降低過程。

相比較而言,23日20時及24日08時的探空曲線(圖略)則在大氣底層能看到一個較為明顯的逆溫層存在,只是逆溫層顯得很淺,且從兩者的溫度露點差來看,也能看出水汽條件要較前一天更好,配合風(fēng)廓線呈現(xiàn)出來的低層弱風(fēng)環(huán)境,對清晨大霧的預(yù)報是具有一定的指示作用。

3 數(shù)值模擬分析

從上述常規(guī)氣象資料的分析來看,22—23日的平流大霧過程的起霧預(yù)報,尤其是起霧時間的預(yù)報是具有一定難度的,起霧突然且維持時間長的特點,使得這次大霧過程對機(jī)場的影響更為明顯,而24日清晨的大霧過程相對來說,輻射霧的特征顯得更明顯,形勢更明確一點。因此,為了更詳細(xì)研究突發(fā)性平流霧的形成,利用中尺度數(shù)值模式,針對22—23日的大霧過程進(jìn)行模擬和診斷分析。

3.1 模式設(shè)置

本文使用的是WRF(Weather Research Forecast)模式系統(tǒng)。模式初始場資料為美國環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)和美國國家大氣研究中心(NCAR)提供的最終分析(Final Analysis)資料,空間分辨率為1°×1°,時間分辨率為6 h。本次模擬時段為2014年11月22日14時至23日14時。

模式選取Mercator地圖投影的網(wǎng)格區(qū)域,進(jìn)行3重嵌套的模擬,具體嵌套區(qū)域和格局見表1。區(qū)域中心為30°N、120°E,模式頂設(shè)為50 hPa,垂直方向取43個不等距的sigma(σ)層。積分步長為150 s,各區(qū)域模擬結(jié)果每小時輸出一次。

表1 模式嵌套網(wǎng)格設(shè)置

3.2 模式水汽分析

大霧形成的必要條件之一就是空氣的飽和度。由模式輸出的2 m高度相對濕度以及10 m高度風(fēng)的時間演變可以看出(圖略),飽和濕區(qū)由海上向陸地擴(kuò)展與風(fēng)向的轉(zhuǎn)變有著密切的關(guān)系。18時,浙北及上海地區(qū)基本以東北風(fēng)為主,飽和濕區(qū)分布在東海沿海的洋面上;20時,上海地區(qū)的風(fēng)向開始轉(zhuǎn)為偏東風(fēng),飽和濕區(qū)迅速由上海地區(qū)入侵至蘇南,另外浙東沿海也開始轉(zhuǎn)為東南偏東風(fēng);22時,嘉興、湖州開始轉(zhuǎn)為偏東風(fēng),飽和濕區(qū)開始入侵至浙北,浙東沿海東南偏東風(fēng)更為明顯;隨后的23日00時和02時,飽和濕區(qū)進(jìn)一步向西擴(kuò)展,尤其明顯的是31°N附近,飽和濕區(qū)沿著偏東風(fēng)帶一直延伸至皖南。由此可見,偏東風(fēng)在飽和濕區(qū)的向西延伸上有著極為直接的作用。

此外,上述的濕區(qū)及風(fēng)場演變中也能看到地形的作用對風(fēng)向的影響以及對水汽的堆積效應(yīng)。浙北西面多山,阻擋作用明顯,而東面為錢江入?？?地勢較為平坦,故水汽容易隨著偏東風(fēng)的快速侵入而迅速堆積。而在入?？趦蓚?cè),北側(cè)以東北偏東風(fēng)和偏東風(fēng)為主,南側(cè)則是東南偏東風(fēng)和東南風(fēng),兩股氣流也產(chǎn)生了一定的水汽輻合作用,這種現(xiàn)象一方面與地形有關(guān),另一方面也與后期倒槽發(fā)展北拱有一定的關(guān)系。

選取杭州(30°N,120°E)附近,半徑20 km的區(qū)域,約為30.0°～30.4°N,120.2°～120.6°E的范圍,通過計算該區(qū)域內(nèi)3 km高度以下的平均水汽混合比垂直累積量,來分析該區(qū)域水汽含量隨時間的變化。可以看到(圖略),前半夜(尤其在22時以前)水汽含量急劇上升,隨后水汽混合比基本維持在0.087～0.089 kg/kg之間小幅波動。通過量化的計算,也證實了對水汽輸送的推斷,并且直觀地得到了水汽劇增的時段。結(jié)合自動站能見度實況,當(dāng)水汽含量達(dá)到高值以后,尤其是22—23時,錢江入?？诟浇霈F(xiàn)了能見度的突降,可見這次平流霧過程中水汽起到了關(guān)鍵作用。然而,水汽的增加只是起霧條件之一,還有很多局地性的復(fù)雜條件影響著大霧的形成,從自動站的能見度實況可以看到,并不是水汽多濕度大的地方一定會有大霧的形成,凝結(jié)核的多少、城市熱島效應(yīng)等因素也有很重要的影響,這也成為了大霧突發(fā)的一個預(yù)報難點的所在。從本例來看,浙北西高東低以及錢塘江入海口的地形作用對水汽的堆積起到重要作用,錢塘江入?？诟浇牡貐^(qū)普遍能見度較低,另外浙北大部前期霾的等級偏高,空氣中的凝結(jié)核數(shù)量充足,也是原因之一。

3.3 模式探空分析

從模式輸出機(jī)場位置的3 km高度以下的探空曲線(圖3)可以看出,在模式大氣中300 m以下存在一個逆溫層,但該逆溫層結(jié)的高度較低,以至于在實況探空圖上都難以展示出來。通過比較模擬的溫度露點差,自18時開始近地面層1 km以內(nèi)的溫度露點差呈逐漸縮小的趨勢,越靠近地面溫度露點差越小,即水汽越趨于飽和。這與實況分析一致,22時以前近地面層1 km以內(nèi)的溫度露點差也是呈現(xiàn)一個快速縮小的過程,之后則保持穩(wěn)定,達(dá)到基本飽和態(tài)。

圖3 模式模擬的機(jī)場位置(30.223°N,120.434°E)3 km以下的層結(jié)曲線(上曲線為溫度,下曲線為露點溫度,單位:℃;縱坐標(biāo)為垂直高度,單位: km);(a)22日18時;(b)22日20時;(c)22日22時; (d)23日00時;(e)23日02時;(f)23日04時;

4 結(jié) 語

秋冬季大霧天氣易發(fā),嚴(yán)重妨礙航班的起飛與降落,對航班飛行的影響不可估量。而對于大霧天氣的預(yù)報,僅靠幾種經(jīng)典的起霧條件就做出準(zhǔn)確的判斷也顯得越來越困難,且往往影響比較明顯的大霧過程都有著更為復(fù)雜的影響要素。本文通過對2014年11月22—23日與24日連續(xù)兩次大霧過程的對比分析,得到以下結(jié)論:

1)22—23日的大霧過程屬于平流霧,具有持續(xù)時間長和突發(fā)性特點,基本處于2～4 m/s的穩(wěn)定東北偏東氣流之中,而24日則屬于輻射霧,維持時間較短,基本處于準(zhǔn)靜風(fēng)或低于2 m/s風(fēng)向不定情況下;起霧前后,后者在低層逆溫層明顯,而前者不明顯,且后者比前者水汽條件更好。

2)從實況的形勢場來看,在近地面,前者冷空氣路徑偏北偏東且擴(kuò)散太弱,偏東氣流從海洋帶來的暖濕水汽成為起霧的主因,而后者由于倒槽北拱東伸,地面氣壓場弱,晴朗靜風(fēng),且前期水汽條件較好。在高空的中高層兩者區(qū)別不大,皆以西南偏西氣流為主,但在低層,前者受弱高亞脊影響,后者則受倒槽切變東伸發(fā)展的影響。

3)從22—23日的數(shù)值模擬來看,飽和濕區(qū)由海上向陸地擴(kuò)展與偏東風(fēng)有著密切的關(guān)系。水汽含量在前半夜(尤其是22時以前)的急劇增長,是由于倒槽發(fā)展帶來偏東與東南氣流的輻合造成的水汽堆積、錢塘江口的地形條件以及前期浙北空氣中顆粒物較多等因素共同形成的。并且在模式的探空曲線中300 m高度以下也存在一個明顯的逆溫層,但由于高度過低,以至于在常規(guī)探空圖中不易被察覺。