長春龍嘉國際機場8·22輻射平流霧分析

李源

（吉林空管分局）

摘 要：利用2015年8月21日-22日長春龍嘉國際機場（以下簡稱機場）自動觀測、中央氣象臺天氣圖分析、GRAPES_MESO數值預報模式及機場多普勒天氣雷達（C波段）資料，綜合分析機場一次大霧過程。經分析，此次過程為輻射平流霧。高空低渦，地面弱低壓是其背景條件。大霧生成以輻射冷卻條件為主，濕度大，微風，低空逆溫層等是其誘因，生成后雷達探測霧區隨風向移動，表現出平流霧特征。多普勒天氣雷達在此次過程中探測效果顯著。對機場夏季大霧天氣探測和預報，有一定借鑒意義。

關鍵詞：龍嘉機場；輻射平流霧；多普勒天氣雷達

1 引言

1.1 研究意義

霧是由懸浮于近地面層中大量水滴或冰晶組成的，使水平能見度小于1千米的天氣現象。據統計，高速公路上因霧等惡劣天氣造成的交通事故占總事故25%；航海船舶因濃霧而發生碰撞的事故占70%；某些農作物在生長期若遇上持續霧天，可造成1-3成的減產[1]。陸瀛洲[2]曾對1978-1990年國際民航事故氣象原因進行了分類統計。結果表明：低能見度在所有因素中所占比例最高，達到49%。因此，霧的探測和研究對于認清霧的形成機制、提高霧的預報準確率、保障飛行和交通安全都有十分重要的意義。

1.2 地理概況

據長春龍嘉國際機場（以下簡稱機場）氣候志，機場（43°59′N，125°41′E）位于吉林省長春市九臺區機場路3500號。機場地處丘陵地帶，地勢較平坦，高障礙物很少，總體凈空條件良好，最近的山地障礙物位于機場南向8km以外。

1.3 資料與方法

從霧生到霧散，在多普勒雷達的回波圖像上是可以看出霧的回波變化的[2]。本文在利用中央氣象臺天氣圖分析資料及GRAPES_MESO模式產品對大霧天氣環流背景及垂直條件，做診斷分析和模式預報驗證。利用常規氣象資料對此次大霧過程做出實況分析的同時引入多普勒天氣雷達資料，探究雷達探測霧的能力，及力求為大霧生消過程提供更直觀的探測結果。

2 實況資料診斷分析

選用機場跑道24端自動觀測數據，記錄時間為北京時，對機場從21日晚20時到22日早8時風向風速、修正海平面氣壓、云底高、RVR、MOR及器測能見度VIS分析，見圖1。

2.1 器測能見度變化

21日夜間機場有輕霧和大霧生成，在大霧生成前期能見度有明顯的大幅波動，其中0：24VIS為5000m、0：38VIS為900m、0：40VIS為3300m、0：55VIS為400m、1：08VIS為4000m，1：36后VIS保持在1000m及以下，最低達到200m，MOR和RVR在能見度低于1000m期間也比較穩定，說明霧區均勻，面積較大，5：32VIS為300m，而5：38后VIS迅速上升至1000m，5：51上升至2000m以上，22日日出時間約在4：35左右，能見度迅速上升在日出一小時后。

2.2 云和溫度變化

在前半夜均有云存在，云底高3000m左右，后半夜出現晴夜提供輻射冷卻條件，隨后溫度迅速降低，大霧期間溫度在17℃以下，溫度變化曲線和能見度變化曲線較為一致，符合輻射霧的特征，大霧消散階段，探測有低云存在。

2.3 地面風速變化

整個過程中，機場主導風向為東北風，大多時間維持在0°-60°，在能見度最低期間，短時風向不定。風速保持在6m/s以下，能見度最低期間2m/s以下，但無靜風時段，說明本場有一定平流和湍流存在，但強度較弱。

2.4 小結

根據探測資料，21日下午14時左右到4：30左右機場出現降水，總降水量達9.2mm，而相對濕度在18：34后達到100%，并一直維持到大霧消散。夜間晴朗微風，低空溫度場穩定，地面輻射冷卻，逆溫層明顯，利于大霧的發生和維持。本場氣壓值一直處于上升狀態，但變化范圍僅約2hPa，無較強系統過境。（圖1）

3 環流背景及高低空形勢分析

3.1 環流背景

500hPa中國地區及上下游為兩槽夾一脊的環流形勢，如圖2（a）。其中在我國上游有一強度很強的橫槽，有轉豎可能；貝加爾湖地區為弱的高度脊；在中國東北地區存在一低值中心，高度場環流中心在黑龍江南部、吉林中部及遼寧北部，中國東部沿海地區大槽分裂為多個短波槽；在南海有發展中的臺風隨副高西撤而北上。整個區域等高線表現為南高北低、南稀北密的分布形式。

3.2 水汽條件

高空低空形勢場利于水汽由海上向東北地區輸送，高空低渦有一定輻合抬升，機場位于低渦頂部，導致白天有降水產生（約兩個半小時），且地面弱的輻合場不利于氣溶膠等的擴散，為大霧形成提供凝結核。降水后太陽輻射和湍流的共同作用，導致地面水份大量蒸發，風速微弱，水汽大量停留在降水區上空，近地面相對濕度一直維持在98%以上，且上層有水汽輸送，925hPa上吉林省南部地區低空為偏東氣流從日本北部海域輸送水汽，如圖2（b），導致水份累積區較高。根據GRAPES_MESO數值模式，22日05時北緯45°緯向和東經105°徑向垂直剖面圖，如圖3，也可以驗證上述診斷結果并定量分析，機場850hPa以下比濕q達到5g/kg以上，邊界層水汽充足，濕區很高，長春地區上空濕區一直延伸到450hPa。

3.3 層結條件

整個東北地區低空925hPa無等溫線穿過，溫度場無明顯變化，處于16℃到20℃之間；且為偏東風，長春地區上空有非常微弱的暖濕平流，如圖2（b）。根據圖3，位勢溫度曲線在底層處于平直狀態，表明大氣底層層結穩定，熱量水平分布均勻；從低到高，表現為上下層風向一致的偏東氣流，無垂直w分量，證明氣層穩定。垂直場要素分布均有利于大霧生成和維持。

3.4 湍流條件endprint

地面氣壓場較弱，40°N-50°N及120°E-130°E之間只有三條等壓線穿過，如圖2（c），長春及東北地區處于入海低壓的后部，在蒙古及西伯利亞地區為高壓場控制，吉林地區北部等壓線沿緯線呈東西走向，而在吉林地區南部至遼寧，等壓線表現為和大興安嶺等山脈平行的走向，即東北平原無等壓線穿過，氣壓場較弱，風速小，無強烈湍流，利于水汽累積和逆溫層的形成和維持。

4 雷達探測資料分析

4.1 多普勒天氣雷達探測霧能力的理論探究

雷達回波是由雷達發射的、并從目標物閃射或反射回來的無線電波。把這些電波轉換成信號在雷達顯示屏上顯示出圖像，這種圖稱為雷達回波圖。

根據雷達氣象學的分類，雷達回波大致可分為兩大類，氣象回波和非氣象回波。氣象回波包括大氣中云、雨降水中的水汽凝結物（水滴、冰晶、雪花等）對電磁波的后向散射，以及由于大氣中溫、壓、濕等氣象要素劇烈變化而引起的對電磁波的后向散射。按地面是否有降水，又分為降水回波和非降水回波。非氣象回波則是由于地物、飛機、鳥類等非氣象目標物對電磁波的反射，以及海浪、同波長雷達干擾的回波等造成的[4]。

根據表1霧的回波屬于氣象回波中的非降水回波。霧滴粒子非常小，直徑大約只有3到50微米，但實際上大霧形成到消散期間，從雷達強度回波圖像上是可以看出霧的回波變化的，其主要原因有以下幾點：第一，可把霧看成是小水滴或冰晶構成的氣溶膠系統，近地面層空氣中水汽凝結（或凝華）再與空氣中的各種粒子如塵埃、微生物、酸、胺、酚、重金屬微粒等相結合，使霧滴的直徑大大增加，則雷達反射率因子Z隨之增大，從而增強了雷達對霧滴的探測能力[5]。第二，霧的形成條件一是冷卻，二是水汽含量增大，近地面水汽比較充沛，霧區的相對濕度接近100%，水汽含量越大越易凝結，使分子在空氣中碰撞的幾率增加，霧滴半徑增大，增大到一定程度，空氣浮力無法支撐時便會成為雨滴下降的地面[6]。所以，水汽含量大，也增強了雷達探測霧的能力。第三，反射率因子，與直徑D的6次方成正比，霧滴直徑雖然小，但單位直徑間隔內的霧滴數目很大，即霧滴的空間數密度很大，因而彌補了霧滴直徑小。

4.2 8月22日機場多普勒天氣雷達大霧探測

根據雷達探測0.5°仰角VOL資料，見圖4，3：27在機場東北50公里左右有0-10dBZ的較模糊的絮狀回波生成并逐漸加強擴大，同時機場東北25公里左右也有回波發展；4：19距離機場20公里以內的部分回波達到30-35dBZ的強度，說明單位直徑間隔內的霧滴數目很大，即水汽和凝結核充沛；回波影響機場的輻射平流霧主要在機場東北50公里以內形成，強度0-35dBZ，回波頂高部分達500米以上，呈帶狀隨風向西南移動，4：59，較強回波已移動到機場西側；5：16回波已明顯移出機場，且面積也逐漸變小，距離雷達6-7公里左右，而此時機場能見度大幅上升，從200米瞬間到達2000米。

顯然，對于霧的移動及加強和減弱，雷達有很好的指示作用。通過回波可以看到，霧區雷達回波強度并不一致，說明其中水汽密度不均勻，由于雷達有一定仰角，未探測到回波的地區也不能說明無霧存在，但可說明霧濃度或霧頂高較低。受雷達仰角影響，距離越遠，高度越低的霧回波越難被探測，如圖5。

5 結論

通過分析機場8月22日大霧天氣資料，結果表明：

（1）本次大霧在高空低渦，地面弱低壓場天氣形勢下形成，低空為偏東風，白天有降水，長春地區近地面相對濕度接近100%，是本次大霧發生和能見度很低的一個非常重要的因素。大霧持續時間共約4小時左右，能見度最低200米左右。

（2）通過形勢及要素分析，大霧在輻射冷卻條件下形成，不斷加強，機場出現在日出前最濃的輻射霧特征，但其間雷達回波表明，霧區隨風向西南移動，且強回波遠離本場后，機場能見度迅速上升的平流霧特征的現象，故定義為輻射平流霧，且以輻射條件為主。

（3）水汽含量大，即間隔內的霧滴數目很大，霧頂高度高，導致本次大霧在雷達回波上有所體現。多普勒天氣雷達在此次大霧過程中探測效果明顯，對霧區的生成及移動均有一定探測效果。

參考文獻

[1]李子華.中國近40年來霧的研究[J].氣象學報，2001，59（5）：616-624.

[2]陸瀛洲.高空高速飛行氣象條件[M].北京：氣象出版社，1994：153-155.

[3]劉玉雅.顧松山.徐芬等.多普勒天氣雷達對霧的探測能力研究[J].氣象科技.

[4]耿建軍.天氣雷達晴空回波特征分析及其應用初步研究[D].南京信息工程大學.2007.06.

[5]劉玉雅.多普勒天氣雷達對霧及其能見度探測潛力的研究[J].氣象科學，2003，23（4）：26-27.

[6]顧震潮等.云霧降水微物理的一些理論問題[M].科學出版社，1963.02：57-59.endprint