滕 林，鄒永成，蔡成瑤，張曉鳳

(1.貴州省松桃苗族自治縣氣象局，貴州 松桃 554100；2.民航西南空管局氣象中心，四川 成都 610202；3.貴州省沿河土家族自治縣氣象局，貴州 沿河 565300；4.貴州省臺(tái)江縣氣象局，貴州 臺(tái)江 556300)

0 引言

大霧是一種影響飛行安全的重要天氣現(xiàn)象，隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，大霧對(duì)人們的生產(chǎn)生活的影響日趨嚴(yán)重，因此對(duì)大霧的研究也越來(lái)越多。目前對(duì)我國(guó)大霧個(gè)例分析、時(shí)空分布特征和形成的環(huán)流形勢(shì)等方面已有相當(dāng)多的研究成果[1-5]，形成了中國(guó)各地區(qū)大霧的基本概念模型[6]，在大霧預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)實(shí)踐中取得了較好的效果。目前國(guó)內(nèi)對(duì)大霧的預(yù)報(bào)方法有天氣學(xué)分析、數(shù)值預(yù)報(bào)以及統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)等，天氣學(xué)方法的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較差[7]；數(shù)值預(yù)報(bào)對(duì)大霧過(guò)程的模擬還存在困難，對(duì)機(jī)場(chǎng)等定點(diǎn)的大霧預(yù)報(bào)還存在一些問(wèn)題，還無(wú)法應(yīng)用于業(yè)務(wù)工作[8]；統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)缺乏對(duì)大霧物理過(guò)程的描述，預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性還有待提升[9]。四川盆地冬季具有多霧的特點(diǎn)[10-11]，雙流機(jī)場(chǎng)位于四川盆地西部，是西部地區(qū)最繁忙的空港，特殊的盆地地形造成了冬季多大霧的氣候特點(diǎn)，冬季大霧天氣對(duì)航班運(yùn)行產(chǎn)生較大影響，尤其是大霧發(fā)生時(shí)段與出港高峰重合，易對(duì)后續(xù)航段造成延誤。經(jīng)過(guò)幾代預(yù)報(bào)員努力，對(duì)雙流機(jī)場(chǎng)的大霧研究已取得較好的進(jìn)展，在業(yè)務(wù)中也有較好的應(yīng)用[12-15]。2017年11月26日和12月4日，雙流機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)了兩次嚴(yán)重影響運(yùn)行的大霧天氣過(guò)程，兩次個(gè)例具有相當(dāng)?shù)牡湫托裕渲?2月4日過(guò)程影響最為嚴(yán)重，在當(dāng)日中午12時(shí)，成都機(jī)場(chǎng)取消的航班達(dá)44個(gè)，延誤出港航班數(shù)量185個(gè)，執(zhí)行航班僅有115個(gè)架次，占全天航班量的13%，所有航班順延5 h，約1.5萬(wàn)人次旅客滯留，造成較大影響。本文通過(guò)對(duì)這兩次大霧過(guò)程氣象要素變化特征進(jìn)行研究，旨在增加對(duì)影響雙流機(jī)場(chǎng)運(yùn)行的大霧天氣的預(yù)警能力。

1 數(shù)據(jù)介紹

本文采用了雙流機(jī)場(chǎng)自動(dòng)觀測(cè)站的氣溫、濕度、風(fēng)速風(fēng)向、氣壓、跑道視程RVR(Runway Visual Range，下同)等常規(guī)數(shù)據(jù)，選用的自動(dòng)觀測(cè)站位于雙流機(jī)場(chǎng)02號(hào)跑道南頭，是雙流機(jī)場(chǎng)的主起降端，根據(jù)民航部門(mén)跑道命名規(guī)則，為R02L(下同)；主導(dǎo)能見(jiàn)度采用雙流機(jī)場(chǎng)常規(guī)的人工觀測(cè)數(shù)據(jù)。采用的位勢(shì)高度、高空風(fēng)場(chǎng)、云分量、邊界層高度、邊界層湍流耗散率等參量均采用ERA-interim再分析資料(下載地址http://apps.ecmwf.int/datasets/)，該資料是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre of Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的一套時(shí)間長(zhǎng)度為1979年至今的高分辨率再分析數(shù)據(jù)，最大的空間分辨率0.125°×0.125°，時(shí)間分辨率為6 h。ERA-interim再分析資料是一套較可靠的再分析資料，其環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)、氣象要素場(chǎng)及地表要素場(chǎng)資料在中國(guó)區(qū)域都有較好的適用性[14-16]。

2 過(guò)程概述

2017年11月26日05時(shí)(北京時(shí)，下同)雙流機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)大霧天氣，圖1給出了兩次大霧天氣過(guò)程的主導(dǎo)能見(jiàn)度和跑道視程，主導(dǎo)能見(jiàn)度最低300 m；09—10時(shí)，主導(dǎo)能見(jiàn)度轉(zhuǎn)好至1 km以上，整個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間約5 h。2017年12月4日04時(shí)，雙流機(jī)場(chǎng)開(kāi)始出現(xiàn)大霧天氣，主導(dǎo)能見(jiàn)度最低50 m，11—12時(shí)，主導(dǎo)能見(jiàn)度轉(zhuǎn)好至1 km以上，持續(xù)時(shí)間約8 h。

從02左跑道端(R02L)的跑道視程來(lái)看，26日過(guò)程跑道視程低于550 m的時(shí)間約3 h，最低跑道視程為200 m；12月4日，跑道視程低于550 m的時(shí)間約10 h，最低跑道視程為175 m；從持續(xù)時(shí)間來(lái)看，12月4日的大霧過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，開(kāi)始時(shí)間早，跑道視程低于標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間更長(zhǎng)，消散時(shí)間晚，對(duì)運(yùn)行的影響大。從最低能見(jiàn)度、最低跑道視程來(lái)看，12月4日的大霧過(guò)程最低能見(jiàn)度、跑道視程更低，對(duì)運(yùn)行影響更大。

圖1 主導(dǎo)能見(jiàn)度及跑道視程變化情況Fig.1 Variation of dominant visibility and runway visual range

3 環(huán)流背景分析

圖2給出了兩次過(guò)程08時(shí)500 hPa位勢(shì)高度、風(fēng)場(chǎng)及850 hPa云分量。11月26日(圖2a)，中高緯地區(qū)為一槽一脊的形勢(shì)，低緯地區(qū)為較平直的西風(fēng)，其中西南地區(qū)為一弱脊控制；從850 hPa云分量來(lái)看，西南地區(qū)處于弱脊區(qū)控制，低層云量少，天空狀況較好，有利于輻射降溫。12月4日(圖2b)，中國(guó)東北地區(qū)有一低渦，青藏高原至新疆地區(qū)為一高壓脊，西南地區(qū)處于槽后西北氣流控制，850 hPa的云分量也較少，四川盆地南部和云貴地區(qū)低層有較多的云量。

圖2 08時(shí)500 hPa位勢(shì)高度、風(fēng)場(chǎng)及850 hPa云分量(a為11月26日，b為12月4日，*為雙流機(jī)場(chǎng)位置，等值線(xiàn)表示位勢(shì)高度，風(fēng)標(biāo)表示500 hPa風(fēng)矢量，陰影區(qū)表示云分量≥0.2的區(qū)域)Fig.2 500 hPa geopotential height, wind field and 850 hPa cloud component at 08∶00(a is November 26, b is December 4, *is the location of Shuangliu Airport, isoline represents potential height, wind vane represents 500 hPa wind vector, shadow area represents cloud component greater than or equal to 0.2)

圖3給出了起霧前后雙流機(jī)場(chǎng)的風(fēng)、相對(duì)濕度及云分量時(shí)間—高度剖面，可見(jiàn)兩次大霧過(guò)程前都呈現(xiàn)晴空少云的形勢(shì)。圖3a顯示，從11月25日20時(shí)開(kāi)始，存在于500 hPa左右的云分量大值區(qū)開(kāi)始消散減??；25日20時(shí)—26日08時(shí)，700 hPa左右出現(xiàn)了一個(gè)干層，最低相對(duì)濕度為20%，說(shuō)明此時(shí)高層無(wú)云，有利于形成晴空輻射霧；從風(fēng)向的垂直分布來(lái)看，在起霧時(shí)間段內(nèi)，底層風(fēng)速較小且風(fēng)向較為一致，均為南風(fēng)。圖3b顯示，12月4日起霧前期各層次云分量均較小，僅在大霧消散后，中層700 hPa出現(xiàn)較大的云量；3日20時(shí)—4日08時(shí)，700 hPa左右出現(xiàn)了一個(gè)干層，最低相對(duì)濕度為10%，也說(shuō)明此時(shí)高層無(wú)云，有利于形成晴空輻射霧；從風(fēng)向的垂直分布來(lái)看，在起霧時(shí)間段內(nèi)，底層風(fēng)速較小，但近地層風(fēng)有一定的垂直切變，近地層為偏北風(fēng)，而后隨高度轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)。值得注意的是，12月4日02時(shí)前后干區(qū)下降，在4日08時(shí)中低層濕度開(kāi)始上升。在大霧形成前，水汽條件較好，這有利于形成大霧天氣。

圖3 雙流機(jī)場(chǎng)風(fēng)、相對(duì)濕度及云分量時(shí)間—高度剖面圖(坐標(biāo)軸上的黑色矩形窄條表示起霧時(shí)間段，a為11月26日，b為12月4日，風(fēng)標(biāo)表示各等壓面上的風(fēng)矢量，陰影區(qū)表示云分量大值區(qū)域)Fig.3 Time height profile of wind, relative humidity and cloud component of Shuangliu Airport (the black rectangular strip on the coordinate axis represents the fogging time period, a is November 26, b is December 04, the wind vane represents the wind vector on each isobaric surface, and the shaded area represents the area with large cloud component)

4 氣象要素變化特征分析

4.1 溫濕變化特征

圖4為雙流機(jī)場(chǎng)自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)探測(cè)的兩次大霧過(guò)程前后近地面氣溫、相對(duì)濕度的變化序列，可以看出，兩次大霧過(guò)程的相對(duì)濕度差異小而溫度差異較大。兩次過(guò)程，相對(duì)濕度從60%左右緩慢上升，至大霧開(kāi)始和維持階段接近100%，大霧消散階段，相對(duì)濕度迅速下降。從氣溫和逐小時(shí)氣溫變率(圖5)來(lái)看，11月25日14時(shí)至大霧開(kāi)始時(shí)段，氣溫呈遞減趨勢(shì)，但上半夜出現(xiàn)了兩次升溫過(guò)程，大霧持續(xù)期間，地面氣溫呈增加趨勢(shì)，增溫率高于12月4日大霧過(guò)程，但氣溫卻低于12月4日大霧過(guò)程；12月3日至大霧開(kāi)始時(shí)段，氣溫呈一致的遞減趨勢(shì)，大霧開(kāi)始時(shí)，地面氣溫呈增加趨勢(shì)，增溫率約2 ℃/h，大霧維持階段，氣溫變化率變化較小，低于11月26日大霧過(guò)程，但氣溫卻高于11月26日大霧過(guò)程。從圖4還可以看出，兩次大霧過(guò)程的相對(duì)濕度均達(dá)到99%～100%，而氣溫相差較大，12月4日高于11月26日，根據(jù)飽和水汽壓正比于氣溫[16]，可以看出12月4日的過(guò)程，近地面單位體積內(nèi)的絕對(duì)含水量大于11月26日過(guò)程，這可能是4日大霧過(guò)程最低主導(dǎo)能見(jiàn)度、最低跑道視程小于26日大霧過(guò)程，持續(xù)時(shí)間大于26日過(guò)程的原因。

圖4 雙流機(jī)場(chǎng)自動(dòng)觀測(cè)的溫度、相對(duì)濕度時(shí)序圖Fig.4 Sequence diagram of temperature and relative humidity automatically observed at Shuangliu Airport

圖5 雙流機(jī)場(chǎng)自動(dòng)觀測(cè)的溫度逐小時(shí)變化Fig.5 Hourly variation of temperature observed automatically at Shuangliu Airport

4.2 氣壓、風(fēng)速風(fēng)向變化特征

圖6為雙流機(jī)場(chǎng)自動(dòng)站觀測(cè)的修正海平面氣壓(備注：本站氣壓轉(zhuǎn)換成的海平面氣壓)、風(fēng)速時(shí)序圖，可以看出，兩次大霧過(guò)程前后氣壓均有相似的日變化特征，且氣壓的變率均較小，較小的氣壓變率不利于風(fēng)速變化。從風(fēng)速變化來(lái)看，兩次大霧過(guò)程前后風(fēng)速均為0～2 m/s之間，從風(fēng)向來(lái)看，大霧期間，風(fēng)向不定，風(fēng)速較小，有利于輻射霧的形成。

圖6 雙流機(jī)場(chǎng)自動(dòng)觀測(cè)的修正海平面氣壓、風(fēng)速時(shí)序圖Fig.6 Modified sea level pressure and wind speed time series of automatic observation at Shuangliu Airport

5 邊界層特征分析

國(guó)內(nèi)外大霧過(guò)程邊界層特征研究揭示了大霧發(fā)生前后邊界層低層平均及擾動(dòng)動(dòng)能有明顯的躍升現(xiàn)象，低空風(fēng)切變?cè)龃? 有利于湍流的激發(fā)，并認(rèn)為該現(xiàn)象對(duì)指示起霧、監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)霧的發(fā)生、發(fā)展十分有意義[17]。本文也對(duì)兩次大霧前后的邊界層特征進(jìn)行了分析，圖7為雙流機(jī)場(chǎng)邊界層高度及邊界層內(nèi)湍流耗散率時(shí)序圖，可以看出兩次大霧過(guò)程的夜間邊界層高度較低，但邊界層內(nèi)的湍流耗散率存在較大差異。湍流耗散率表征大氣平均動(dòng)能通過(guò)湍渦的作用轉(zhuǎn)化為大氣內(nèi)能的能力，湍流耗散率越大，湍流作用越強(qiáng)?？梢钥闯?，雙流機(jī)場(chǎng)這兩次大霧過(guò)程開(kāi)始前后，邊界層內(nèi)的湍流耗散率存在顯著差別，高空水汽可能通過(guò)湍流運(yùn)動(dòng)下傳至邊界層內(nèi)，致使大霧增強(qiáng)維持，這種邊界層特征已在南京的部分大霧個(gè)例研究中給出[18]。

圖7 雙流機(jī)場(chǎng)邊界層高度及邊界層內(nèi)湍流耗散率時(shí)序圖(a為11月26日，b為12月04日，折線(xiàn)表示邊界層高度，柱狀圖表示邊界層湍流耗散率)Fig.7 boundary layer height and turbulence dissipation rate in Shuangliu Airport (a is November 26, B is December 04, broken line is boundary layer height, and histogram is boundary layer turbulence dissipation rate)

6 結(jié)論

采用雙流機(jī)場(chǎng)自觀常規(guī)數(shù)據(jù)和ERA-interim再分析數(shù)據(jù)，對(duì)發(fā)生在雙流機(jī)場(chǎng)的兩次大霧過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比分析，得到了一些有意義的結(jié)論：

①兩次大霧都是典型的輻射霧，其形成過(guò)程具有一些相似的環(huán)境背景，即天空云量少，微風(fēng)(0～2 m/s)，低層較高的濕度和較低的穩(wěn)定層結(jié)(較低的邊界層高度)。

②12月4日過(guò)程近地面的絕對(duì)水汽含量大于11月26日過(guò)程，這可能是4日大霧過(guò)程最低主導(dǎo)能見(jiàn)度、最低跑道視程小于26日大霧過(guò)程，持續(xù)時(shí)間大于26日過(guò)程的原因。

③12月4日過(guò)程邊界層內(nèi)湍流的擾動(dòng)更強(qiáng)，該強(qiáng)擾動(dòng)信號(hào)可能對(duì)長(zhǎng)時(shí)間影響雙流機(jī)場(chǎng)民航運(yùn)行的強(qiáng)濃霧過(guò)程的生消發(fā)展有意義。