濟(jì)南機(jī)場(chǎng)初冬一次連續(xù)性大霧過(guò)程分析

任偉

（民航山東空管分局氣象臺(tái)，山東 濟(jì)南 250107）

引言

霧是由懸浮于近地面空氣中微小水滴或冰晶組成的天氣現(xiàn)象，能使水平能見(jiàn)度＜1 km。由霧導(dǎo)致的低能見(jiàn)度是影響民航飛行安全的危險(xiǎn)天氣要素之一。大霧天氣下，飛行員視線(xiàn)往往較差，飛機(jī)著陸過(guò)程中容易偏離跑道或過(guò)早、過(guò)遲接地[1]。另外,如果機(jī)場(chǎng)啟動(dòng)低能見(jiàn)度運(yùn)行程序，飛機(jī)的起降頻次會(huì)大大減少，容易導(dǎo)致航班的延誤、備降或取消。

霧作為一種災(zāi)害性天氣，已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者的關(guān)注。很多研究工作從不同層面對(duì)大霧的特征進(jìn)行了分析。馬翠平等[2]分析表明：持續(xù)性大霧多發(fā)生在平直的緯向環(huán)流背景下，地面常為弱氣壓場(chǎng)控制。濮梅娟等[3]認(rèn)為源源不斷的水汽輸送是輻射平流霧發(fā)展和維持的一個(gè)必要條件。張禮春等[4]發(fā)現(xiàn)連續(xù)的逆溫結(jié)構(gòu)是大霧邊界層的主要特征，逆溫的增強(qiáng)或減弱對(duì)大霧的強(qiáng)度和范圍有重要影響。馬學(xué)款等[5]研究指出霧區(qū)濕度的垂直分布通常呈“上干下濕”的空間結(jié)構(gòu)。康志明等[6]通過(guò)分析連續(xù)大霧的熱力特征，發(fā)現(xiàn)地面的輻射冷卻是連續(xù)大霧的觸發(fā)和加強(qiáng)機(jī)制，低層持續(xù)的弱暖平流輸入是大霧長(zhǎng)時(shí)間維持的重要原因。還有一些學(xué)者[7-10]認(rèn)為持續(xù)性濃霧通常不是某一類(lèi)型的霧，而是多種類(lèi)型的霧交替出現(xiàn)，濃霧既可以是地表輻射冷卻形成的輻射霧，也可以是低層暖濕平流條件下發(fā)展起來(lái)的平流霧，還可以是兩者共同作用而成的輻射平流霧。需要注意的是，雖然前人對(duì)大霧天氣做了眾多的研究，但目前對(duì)大霧生消的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)仍是民航氣象工作者面臨的重要難題之一。

2019 年初冬濟(jì)南機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)了連續(xù)3 d的大霧，受大霧影響，機(jī)場(chǎng)多個(gè)航班延誤、備降或取消，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。本文以確保飛行安全為目的，對(duì)此次持續(xù)性大霧天氣過(guò)程，應(yīng)用機(jī)場(chǎng)地面觀測(cè)資料、NCEP資料、GDAS資料以及HYSPLIT模式，從環(huán)流背景、物理量場(chǎng)等方面進(jìn)行分析，總結(jié)了連續(xù)性大霧的成因，為今后類(lèi)似天氣的氣象預(yù)報(bào)提供參考。

1 資料和方法

1.1 資料

選用濟(jì)南機(jī)場(chǎng)(117 °E ，37 °N)逐時(shí)地面氣象觀測(cè)資料、NCEP的2.5 °×2.5 °再分析資料和GDAS全球1 °×1 °資料。GDAS資料是利用全球資料同化系統(tǒng)將NCEP資料同化計(jì)算得到的結(jié)果，NOAA的ARL將其處理為HYSPLIT模式可用格式作為模式的主要輸入資料。

1.2 方法

HYSPLIT是NOAA和澳大利亞氣象局聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一種用于計(jì)算和分析氣團(tuán)輸送、擴(kuò)散軌跡的專(zhuān)業(yè)模型，該模式分析軌跡的思路是假設(shè)空氣塊隨風(fēng)飄動(dòng)，那么它的移動(dòng)軌跡就是其在時(shí)間和空間上位置矢量的積分。最終的位置由初始位置（P）和第一猜測(cè)位置（P′）的平均速率計(jì)算得到。

式中，Δt為時(shí)間步長(zhǎng)，其時(shí)間步長(zhǎng)是可變的, 要求Δt應(yīng)小于0.75 倍Umax，Umax為最大風(fēng)速，也即一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)氣團(tuán)的移動(dòng)長(zhǎng)度不超過(guò)0.75 個(gè)格距。計(jì)算不同通道的水汽貢獻(xiàn)率[11-12]定義如下：

式中，Q表示某一通道的水汽輸送貢獻(xiàn)率，qlast表示氣團(tuán)最終位置的比濕，m表示該通道所包含軌跡條數(shù)，n表示軌跡的總數(shù)。

2 天氣實(shí)況及地面氣象要素

2.1 大霧天氣實(shí)況

2019 年12 月7—11 日魯西北地區(qū)連續(xù)出現(xiàn)大霧，部分地區(qū)出現(xiàn)能見(jiàn)度不足500 m的濃霧，局地有能見(jiàn)度不足200 m的強(qiáng)濃霧。濟(jì)南機(jī)場(chǎng)也受到此次大霧天氣的影響,最低能見(jiàn)度50 m，有近200 個(gè)航班被延誤，50 個(gè)航班被取消，大量旅客滯留候機(jī)樓，機(jī)場(chǎng)的正常運(yùn)行受到嚴(yán)重影響。從能見(jiàn)度的逐時(shí)演變來(lái)看（圖1），機(jī)場(chǎng)的大霧自北京時(shí)7 日23 時(shí)開(kāi)始，除中間部分時(shí)段短暫減弱為輕霧外，一直持續(xù)至11日 00 時(shí)。大霧共持續(xù)60 h，其中能見(jiàn)度＜500 m的濃霧共持續(xù)54 h，能見(jiàn)度≤100 m的強(qiáng)濃霧共39 h，能見(jiàn)度為50 m的強(qiáng)濃霧共24 h，霧的濃度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)是此次大霧天氣的重要特征。

圖1 2019年12月7—10日濟(jì)南機(jī)場(chǎng)能見(jiàn)度、氣溫及溫度露點(diǎn)差變化情況

2.2 地面氣象要素特征

霧發(fā)生期間，濟(jì)南主要以晴到少云天氣為主，地面氣溫維持在-7.0～8.0 ℃（圖1），氣溫的變化與能見(jiàn)度的變化具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，能見(jiàn)度存在較為明顯的日變化特征，這說(shuō)明夜間地表的輻射降溫對(duì)霧的發(fā)生和發(fā)展有重要影響。濕度條件上，地面溫度露點(diǎn)差在0～1 ℃之間，相對(duì)濕度在90%以上，反映出近地面大氣十分潮濕，霧的發(fā)生具有非常有利的水汽條件。地面風(fēng)場(chǎng)上，由于受弱氣壓場(chǎng)影響，偏南風(fēng)風(fēng)速較小，一般＜4.0 m·s-1，較小的地面風(fēng)力，減少了水汽向四周擴(kuò)散，進(jìn)而大量地聚集在近地面，使底層水汽含量不斷增加，有利于大霧天氣的發(fā)生和發(fā)展。

3 環(huán)流形勢(shì)分析

根據(jù)2019年12月7—10日500 hPa的平均環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)（圖2），可以發(fā)現(xiàn)，大霧發(fā)生和維持期間，東亞大陸主要受寬廣的高壓脊控制，我國(guó)東部沿海有淺槽活動(dòng)，位于中緯度的濟(jì)南地區(qū)處于槽后脊前的西北偏西氣流之中，溫度場(chǎng)上，等溫線(xiàn)與等高線(xiàn)基本平行，溫度槽脊與高度槽脊幾乎重合，沒(méi)有明顯的溫度平流。高層大尺度環(huán)流的穩(wěn)定少變是此次大霧發(fā)生的重要天氣背景。低層925 hPa在8 日和9 日分別有短波槽東移，并有暖脊與之相配合，低空有明顯的暖平流。暖平流的存在，有利于近地層逆溫結(jié)構(gòu)的形成和維持，使大氣長(zhǎng)時(shí)間處于靜穩(wěn)狀態(tài)。

圖2 2019年12月7—10日500 hPa平均位勢(shì)高度(實(shí)線(xiàn)，單位：dagpm)和溫度線(xiàn)（虛線(xiàn)，單位：℃)

地面圖上（圖略），大霧期間，華北地區(qū)為一大的低壓帶影響，濟(jì)南處于低壓底部的均壓場(chǎng)中，等壓線(xiàn)稀疏，近地面風(fēng)力較小，大氣層結(jié)比較穩(wěn)定。大霧后期，在蒙古西部有冷高壓發(fā)展加強(qiáng)，并逐漸分裂出冷空氣東移南下，10 日夜間冷空氣開(kāi)始向濟(jì)南地區(qū)緩慢滲透，受冷空氣的持續(xù)影響，大霧于11 日凌晨前后消散。

4 逆溫層特征分析

大氣層結(jié)穩(wěn)定和低空逆溫層的存在是大霧形成的重要條件。大霧形成前（7 日20 時(shí)）濟(jì)南地區(qū)近地層上空出現(xiàn)了強(qiáng)度為0.3 ℃·(22 hPa)-1的逆溫層結(jié)，近地層氣溫隨高度增加，形成了上暖下冷的結(jié)構(gòu)，大氣層結(jié)穩(wěn)定，7 日23 時(shí)機(jī)場(chǎng)能見(jiàn)度由2000 m快速下降至600 m，出現(xiàn)大霧（表1）。8日08時(shí)逆溫強(qiáng)度進(jìn)一步增大至2.0 ℃·(44 hPa)-1，機(jī)場(chǎng)能見(jiàn)度最低下降至50 m，出現(xiàn)強(qiáng)濃霧。8 日白天受輻射增溫影響，逆溫層減弱消失，強(qiáng)濃霧逐漸減弱為輕霧，能見(jiàn)度一度上升至2000 m。8 日夜間受近地面的輻射降溫和低空的暖平流的影響，大霧天氣重新發(fā)展，并再次增強(qiáng)為強(qiáng)濃霧，9 日08 時(shí)濟(jì)南上空出現(xiàn)強(qiáng)度分別為4.2 ℃·(12 hPa)-1和1.7 ℃·(9 hPa)-1的雙層逆溫結(jié)構(gòu)，由于逆溫強(qiáng)度大，9日全天持續(xù)強(qiáng)濃霧。受強(qiáng)濃霧影響，9日夜間和10日清晨逆溫強(qiáng)度有明顯減弱，分別為2.4 ℃·(16 hPa)-1和1.7 ℃·(61 hPa)-1。10日夜間，雖然冷空氣開(kāi)始向濟(jì)南地區(qū)滲透影響，但近地層仍有較強(qiáng)的逆溫出現(xiàn)，濃霧繼續(xù)維持，之后隨著冷空氣的持續(xù)影響，近地面逆溫層結(jié)逐漸減弱消失，濃霧最終消散。綜上分析可見(jiàn)，連續(xù)出現(xiàn)的低空逆溫結(jié)構(gòu)是此次大霧形成和維持的必要條件，逆溫強(qiáng)度越大，霧的維持時(shí)間越長(zhǎng)。如果沒(méi)有低層逆溫，就不會(huì)有大霧天氣的發(fā)生。

表1 持續(xù)性大霧逆溫層特征統(tǒng)計(jì)

5 持續(xù)性大霧成因分析

5.1 熱力因子

地表的輻射冷卻和溫度平流是影響大霧形成和發(fā)展的兩個(gè)重要熱力因子。由前面的分析可知，能見(jiàn)度的變化與氣溫的變化比較一致，存在明顯的日變化，表明夜間的輻射冷卻對(duì)大霧的形成和發(fā)展有重要影響。為表征大霧過(guò)程中的輻射冷卻作用，我們需要分析地面氣溫的變化。7—8 日濟(jì)南地區(qū)為晴到少云天氣，7日白天最高氣溫為8.3 ℃,8日早晨最低氣溫為-3.9 ℃，晝夜溫差為12.2 ℃，說(shuō)明7日夜間至8日清晨地表存在十分強(qiáng)烈的輻射冷卻作用，并且期間低層沒(méi)有明顯的溫度平流，因此7日夜間至8日上午的強(qiáng)濃霧應(yīng)以輻射霧為主。8日白天氣溫上升至8.4 ℃，強(qiáng)濃霧減弱消散，夜間隨著氣溫的快速下降，強(qiáng)濃霧天氣再次發(fā)展，從氣溫變化來(lái)看，8日白天至9日早晨的最高、最低氣溫相差為11.7 ℃，表明夜間地表仍有強(qiáng)烈的輻射冷卻作用，從同時(shí)段的溫度平流來(lái)看，由于8日夜間有短波槽過(guò)境，低層有明顯的暖平流，最大正溫度平流達(dá)到4×10-5℃·S-1(圖3a),暖平流的存在有利于近地層逆溫的建立和維持，因此這一階段的強(qiáng)濃霧是地面輻射冷卻和低空的暖平流共同作用造成的，所以應(yīng)考慮為輻射平流霧。9 日受持續(xù)強(qiáng)濃霧的影響，白天氣溫僅有小幅上升，最高氣溫為1.8 ℃，10日清晨最低氣溫為-1.8 ℃，晝夜溫差僅為3.6 ℃，表明地面的輻射冷卻作用較前期已大幅減弱。而從同期的溫度平流來(lái)看，由于9日925 hPa再次有短波槽東移，低層有明顯的暖平流（圖3b），因此低層的暖平流可能對(duì)此段強(qiáng)濃霧的維持起主要作用，所以這一階段的強(qiáng)濃霧應(yīng)以平流霧為主。10日白天雖然最高氣溫僅為2.7 ℃，但夜間受地表輻射降溫以及高壓前部弱冷空氣的持續(xù)影響，氣溫快速下降至-6.8 ℃，有利于水汽的凝結(jié)，濃霧得以維持，此段濃霧是地表輻射降溫與弱冷空氣共同影響所致，所以應(yīng)考慮為輻射平流霧。

圖3 溫度平流沿37 °N剖面（單位：×10-5 ℃·S-1）, (a) 8日20時(shí)、(b) 9日20時(shí)

由上分析可知，地表的輻射冷卻和低層的冷暖平流均有利于大霧的形成和維持。此次大霧性質(zhì)復(fù)雜，由輻射霧、輻射平流霧、平流霧組合而成。

5.2 散度分析

從散度的垂直分布來(lái)看（圖4），大霧出現(xiàn)時(shí)段，低層925 hPa以下基本對(duì)應(yīng)著負(fù)散度，最大負(fù)散度中心值達(dá)到1×10-5s-1，表明低層有弱輻合上升運(yùn)動(dòng)。在水汽條件有利的情況下，這種弱輻合上升運(yùn)動(dòng)有利于近地層暖濕空氣向上輸送，從而增加濕層的厚度，進(jìn)而使霧層也達(dá)到一定高度。另外與低層弱輻合相對(duì)應(yīng)是中層存在弱輻散，中層弱下沉運(yùn)動(dòng)與低層的弱上升運(yùn)動(dòng)相疊加，下沉運(yùn)動(dòng)使空氣增溫，上升運(yùn)動(dòng)使空氣冷卻，兩者的相互作用持續(xù)到一定程度后，在它們之間會(huì)形成逆溫層，該逆溫層會(huì)阻止低層水汽向上層輸送，從而有利于低層水汽的積累和濕度的增加，進(jìn)而有利于大霧的發(fā)生和維持。大霧后期受冷空氣影響，低層弱輻合逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿踺椛ⅲ箪F隨之減弱消散。

圖4 2019年12月7—11日濟(jì)南機(jī)場(chǎng)(117 °E ,37 °N)的散度時(shí)間—垂直剖面圖（單位：10-5 s-1）

5.3 水汽條件

低層豐富的水汽是形成霧的重要條件，以往對(duì)水汽輸送的研究多是基于歐拉方法，近年來(lái)隨著氣流軌跡模式的發(fā)展，應(yīng)用拉格朗日方法診斷水汽輸送的研究明顯增多，相比于傳統(tǒng)的歐拉方法，拉格朗日方法不僅可以定量分析不同水汽來(lái)源的水汽貢獻(xiàn)，還可以展示水汽輸送過(guò)程中氣團(tuán)的空間位置和物理量隨時(shí)間的變化。因此本文引入軌跡模式HYSPLIT分析本次大霧過(guò)程的水汽條件，關(guān)于HYSPLIT模式的更多詳細(xì)信息請(qǐng)參考相關(guān)文獻(xiàn)[13-14]。

由于霧多是近地面產(chǎn)生，霧頂高度一般不超過(guò)1 km，因此我們?cè)跐?jì)南機(jī)場(chǎng)上空選取250,500,750，1 km作為氣流后向軌跡模擬的起始高度。對(duì)大霧持續(xù)期間的氣流軌跡進(jìn)行后向48 h的追蹤，并對(duì)軌跡進(jìn)行聚類(lèi)分析，我們可以清晰的看到大霧期間低層水汽的輸送路徑。圖5為大霧過(guò)程中，濟(jì)南機(jī)場(chǎng)上空兩條低層水汽輸送通道。通道1為西北氣流輸送通道，該通道軌跡數(shù)占總軌跡數(shù)的43%，從軌跡輸送過(guò)程中氣團(tuán)的物理屬性來(lái)看(圖6)，西北氣流輸送通道的軌跡主要來(lái)自距地2 km左右的高空，氣團(tuán)的起始濕度小，溫度偏低，在輸送過(guò)程高度有明顯的下降，并且在下降的過(guò)程中有明顯的增溫、增濕，從前面的散度分析可知，這條通道可能對(duì)應(yīng)著925 hPa以上干冷的弱輻散下沉氣流。通道2為偏南氣流輸送通道，該通道軌跡數(shù)占總軌跡數(shù)的57%，由于大霧期間，濟(jì)南地區(qū)地面受弱氣壓場(chǎng)影響，偏南風(fēng)風(fēng)速較小，因此通道2的輸送距離明顯要小于通道1，是一支弱南風(fēng)輸送氣流，從氣團(tuán)的物理屬性來(lái)看，偏南氣流輸送通道的軌跡主要來(lái)自距地不足1 km的低空，由于低空溫度高、蒸發(fā)旺盛，氣團(tuán)的初始溫度和攜帶的水汽要明顯多于西北氣流，并且在輸送過(guò)程中各要素變化相對(duì)平緩，對(duì)應(yīng)著低層的暖濕氣流。分析逐日的氣流軌跡可以發(fā)現(xiàn)，偏南氣流軌跡貫穿大霧的每個(gè)階段，而西北氣流軌跡主要出現(xiàn)在兩次短波槽過(guò)境期間和10 日夜間，分別表征著槽后的冷平流和高壓前沿的弱冷空氣。進(jìn)一步定量計(jì)算兩條通道對(duì)大霧的水汽貢獻(xiàn)可以看到(圖6d)，偏南氣流對(duì)大霧的水汽貢獻(xiàn)最大，其輸送的水汽占整個(gè)輸送氣流的61%，而西北氣流輸送的水汽相對(duì)較少，只有39%。由此可見(jiàn)，本次大霧的水汽主要來(lái)自底層的偏南氣流輸送，西北氣流輸送的水汽較少，其主要表征短波槽后的冷平流和高壓前部的弱冷空氣。

圖5 水汽通道空間分布

圖6 氣塊輸送過(guò)程中高度變化(a)、比濕變化(b)、溫度變化(c)及水汽輸送貢獻(xiàn)(d)

6 結(jié)論

（1）高層穩(wěn)定少變的偏西氣流，低空短波槽前的暖平流以及地面長(zhǎng)時(shí)間維持的均壓場(chǎng)等良好的高、低空環(huán)流配置是持續(xù)性大霧發(fā)生和發(fā)展的重要原因。

（2）近地層逆溫是大霧形成的必要條件，連續(xù)出現(xiàn)的逆溫結(jié)構(gòu)是形成持續(xù)性大霧的重要原因。

（3）地面輻射冷卻和低層的冷暖平流對(duì)大霧的形成和維持有重要作用，本次大霧性質(zhì)復(fù)雜，由輻射霧、輻射平流霧、平流霧組合而成。

（4）低層的弱輻合配合中層的弱輻散，有利于水汽在低層積累，有利于低空逆溫結(jié)構(gòu)的形成，進(jìn)而有利于大霧的發(fā)生和發(fā)展。

（5）HYSPLIT后向軌跡追蹤表明：此次大霧的水汽主要來(lái)自低層偏南氣流的輸送，其對(duì)大霧的水汽貢獻(xiàn)為61%，西北氣流輸送的水汽相對(duì)較少，其主要表征短波槽后的冷平流及高壓前部的弱冷空氣，是一支干冷的輻散下沉氣流。