桃仙機場一次突發(fā)性大霧過程生消特征分析

韓冬 張偉

摘 要：利用桃仙機場Vaisala自動觀測系統(tǒng)逐分鐘數(shù)據(jù)，NCEP 1°×1°再分析資料、常規(guī)氣象觀測資料等，通過物理量診斷方法對2014年11月21日發(fā)生在桃仙機場的一次突發(fā)性濃霧過程進行了綜合分析，重點對大霧的生成和消散階段進行分析總結(jié)，并利用WRF模式對大霧過程進行模擬分析。結(jié)果表明，此次大霧天氣過程是一次具有輻射霧接續(xù)鋒面霧性質(zhì)的復(fù)雜過程，兼具2種性質(zhì)的大霧的無縫轉(zhuǎn)換，使得大霧過程有能見度突發(fā)性下降形成濃霧，且能見度有前期振蕩的特征；在大霧的消散階段，日出后大霧的爆發(fā)性發(fā)展和前期升溫緩慢是導(dǎo)致大霧消散時間較晚的主要原因。

關(guān)鍵詞：變性大霧；氣溫突降；前期振蕩；升溫緩慢；MDRS預(yù)警

中圖分類號 P426.4 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2019）07-0135-05

大霧的預(yù)報一直是氣象屆普遍關(guān)注的重點和難點，國內(nèi)外學者為之進行了大量的研究。例如，李子華等[1]通過對輻射霧的爆發(fā)性特征的分析，發(fā)現(xiàn)日出后貼地氣層的增溫，是觸發(fā)霧爆發(fā)性發(fā)展的熱力學條件；包云軒等[2]通過對滬寧高速公路1次復(fù)雜性大霧過程的數(shù)值模擬試驗，發(fā)現(xiàn)底層弱的水汽輻合是大霧維持和發(fā)展的重要原因之一；袁成松等[3]通過對低能見度濃霧監(jiān)測、臨近預(yù)報的實例分析與認識，發(fā)現(xiàn)濃霧過程形成前有1個象鼻形的先期震蕩；黃繼雄等[4]研究發(fā)現(xiàn)，濃霧發(fā)生過程中能見度的變化具有突發(fā)性和振蕩性的特征。大霧在生成和消散階段，對關(guān)鍵點的把握是大霧生成和消散時間預(yù)報成功與否的關(guān)鍵所在。本次大霧過程在生成和消散階段具有非典型性特點，對其生成和消散階段的研究可以為以后的大霧天氣航空保障提供指示意義。

1 天氣實況和形勢場分析

2014年11月21日2052-0212（UTC）桃仙機場出現(xiàn)了大霧天氣，大霧共持續(xù)了5h20min，其間主導(dǎo)能見度最低50m。

在地面形勢場中，整個遼東半島、華北沿海位于低壓底部，冷高壓前部，本場位于冷鋒前的弱氣壓場中。本場位于鋒區(qū)底部，未來可能受鋒區(qū)底部的弱冷空氣影響。入海高壓后部的偏南氣流也是有利于大霧形成的重要天氣形勢。在850hPa高空形勢場上，上述區(qū)域位于高空槽底部，槽后的西偏北氣流控制下，本場上空溫度梯度很弱，受弱的冷平流影響。

2 Vaisala自動觀測系統(tǒng)逐分鐘數(shù)據(jù)分析

2.1 大霧生成階段Vaisala自動觀測系統(tǒng)逐分鐘數(shù)據(jù) 通過對大霧生成階段自動觀測系統(tǒng)能見度、RVR（跑道視程）、相對濕度、溫度及對應(yīng)的當月平均溫度（圖1）逐分鐘數(shù)據(jù)對比分析，發(fā)現(xiàn)本次大霧生成階段有如下特點：（1）3：15左右06跑道方向首先出現(xiàn)輻射霧，維持到4：05左右，出現(xiàn)RVR數(shù)值的震蕩。（2）4：05左右跑道兩端RVR數(shù)值同時開始震蕩，4：30之后06跑道方向RVR數(shù)值穩(wěn)定在較低水平。24跑道方向的RVR數(shù)值持續(xù)震蕩至5：00，之后維持在較低數(shù)值。（3）機場跑道兩端氣溫數(shù)據(jù)曲線與對應(yīng)的當月平均氣溫曲線對比發(fā)現(xiàn)，在大霧生成前期跑道兩端的溫度均高于月平均溫度，溫度下降速度明顯快于平均降溫速度。并且跑道兩端溫度曲線都有2次明顯的氣溫突降過程，06端在03：14—03：29下降2.3℃，04：25—04：45下降2.6℃，24端03：52—04：20下降4.9℃，04：52—05：05下降2.5℃。這次大霧的過程，首先是06方向出現(xiàn)輻射霧，24方向在06方向出現(xiàn)輻射霧的同時，能見度維持在1500m左右，其后的第2次降溫，標著著一個弱鋒面經(jīng)過本場，本場的大霧爆發(fā)性增強，并維持至上午10時。袁成松等研究發(fā)現(xiàn)突發(fā)性發(fā)展的濃霧的前期振蕩具有普遍性且持續(xù)時間短的特點，本次大霧過程出現(xiàn)了符合研究結(jié)論的特征。

2.2 大霧消散階段Vaisala自動觀測系統(tǒng)逐分鐘數(shù)據(jù) 通過對大霧消散階段自動觀測系統(tǒng)能見度、RVR（跑道視程）、相對濕度、溫度及對應(yīng)的當月平均溫度（圖2）逐分鐘數(shù)據(jù)對比分析，發(fā)現(xiàn)本次輻射霧消散階段有如下特點：（1）機場跑道兩端氣溫數(shù)據(jù)曲線與對應(yīng)的當月平均氣溫曲線對比發(fā)現(xiàn)，升溫速度低于當月的平均升溫速度。尤其在上午09：50前，跑道兩端氣溫變化平穩(wěn)，升溫緩慢；10時后，升溫明顯加快，且升溫速度快于當月平均溫度，同時大霧迅速減弱消散；（2）相對濕度在大霧逐漸消散過程中仍長時間處于高濕狀態(tài)，溫度升高，對應(yīng)溫度下的飽和水汽壓增大，相對濕度保持不變。說明實際水汽壓也相應(yīng)增加，這就說明日出升溫后，近地面的水汽是有增加補充的過程，使大霧強度能夠繼續(xù)維持，導(dǎo)致大霧的消散時間較晚。大霧生成階段2次明顯的氣溫突降、能見度以及RVR的先期震蕩和消散階段地面升溫緩慢、日出后水汽的補充過程是本次過程的重要特點，后文中將著重研究分析。夜間每30min1次云的人工觀測顯示，下午降水后至3時前本場上空一直有5～8個量的層積云，云高1000m，3—4時云層消散，導(dǎo)致地面輻射冷卻增強，從時間節(jié)點上分析是造成氣溫第1次突降的主要原因。第2次氣溫突降的幅度大于地面短波輻射降溫幅度，需要從形勢場和數(shù)值模擬結(jié)果中進行詳細分析。

3 物理量診斷分析

3.1 地面常規(guī)觀測站資料 通過對比02時和05時（北京時）氣象局地面常規(guī)觀測站的資料，以及對上下游各站的溫差對比發(fā)現(xiàn)，02時沈陽比上游赤峰、通遼、錦州、四平各站溫度高4～8℃，與下游丹東、寬甸溫度相同，都是6℃；05時沈陽與上游各站溫差為1～4℃，且溫度低于錦州、四平、通遼站，比下游站溫度低4～7℃。02—05時沈陽溫度由6℃下降到-2℃，3h下降8℃，而下游未受冷空氣影響的丹東、大連等站3h只降溫1℃，寬甸下降4℃。在大形勢上下游各站均處于均壓場控制下，說明05時前本場受到這股冷空氣的影響。由于溫差、風向、氣壓等均無明顯的鋒面特征，說明冷空氣的強度較弱，帶來了大霧產(chǎn)生的冷卻條件且并未破壞穩(wěn)定的層結(jié)條件，對大霧的產(chǎn)生起到了關(guān)鍵作用。

3.2 水汽條件 20日下午桃仙機場出現(xiàn)了1h的弱降水，弱降水為本場近地面提供了一定的水汽條件。同時，由圖3（a）顯示，18—03時（UTC）本場上空底層一直維持著弱的水汽的輻合區(qū)，說明有水汽向本場上空輸送，為大霧的產(chǎn)生提供相對高濕環(huán)境條件。由圖3（b）也能看到，早08時低層由渤海灣至遼寧中西部地區(qū)均有弱的水汽輸送，這也為日出增溫后鋒面霧的爆發(fā)性發(fā)展過程創(chuàng)造了有利條件。大霧產(chǎn)生前，本場上空底層有水汽的輻散，但本場近地面已經(jīng)長時間處于高濕狀態(tài)，說明近地面本來就有較充沛的水汽條件。在早8時前后，近地面的水汽輻合增強，即外來水汽輸送增強，外來水汽輸送以及日出后濕地表水分的蒸發(fā)，觸發(fā)大霧有1次爆發(fā)性增強過程，這也是本次大霧過程消散時間較晚的重要原因之一。

3.3 層結(jié)條件 在大霧的形成過程中冷卻作用至關(guān)重要，影響溫度局地變化的主要有：溫度平流、垂直運動、非絕熱作用。圖3（c）顯示，在15—03時（UTC）本場上空無明顯的垂直運動或弱的上升運動，說明垂直運動在本次大霧形成過程中對降溫冷卻作用的影響很小。因此，本次過程的冷卻作用主要以溫度平流和非絕熱輻射冷卻為主。同時，弱的垂直運動說明本場上空存在不穩(wěn)定擾動，這種擾動有利于水汽與凝結(jié)核充分混合凝結(jié)形成霧。由圖3（d）可以看出，本場上空不是大霧天氣常見的存在強逆溫層結(jié)，而是溫度隨高度有緩慢的下降，這種層結(jié)條件不利于大霧的長時間維持，日出升溫后弱的穩(wěn)定的層結(jié)條件會被迅速打破，但本次過程大霧轉(zhuǎn)好較晚，驗證了日出后大霧有先增強再減弱的過程的結(jié)論。圖3（d）顯示，在06—10時近地面氣溫變化較小，即日出后地面升溫緩慢，分析原因主要有2個方面：一方面，反映出了近地面霧層較厚，陽光透過霧層到達地面引起的地面增溫較弱；另一方面，主要由于日照使地表水分蒸發(fā)以及外來水汽的補充，蒸發(fā)吸熱導(dǎo)致增溫緩慢，同時觸發(fā)大霧發(fā)展使霧層進一步增厚。10時后，冷空氣影響逐漸較弱及太陽短波輻射的逐漸增強，伴隨地面溫度的迅速升高，大霧快速消散。

4 WRF模式對大霧過程的模擬分析

WRF模式為完全可壓縮以及非靜力模式，采用Fortran90語言編寫。水平方向采用Arakawa C（荒川C）網(wǎng)格點，垂直方向則采用地形跟隨質(zhì)量坐標。WRF模式在時間積分方面采用四階的Runge-Kutta算法。

本次大霧過程的模式區(qū)域設(shè)定為4層網(wǎng)格嵌套。第一層網(wǎng)格覆蓋全國，分辨率為81×81km；第2層網(wǎng)格覆蓋東北地區(qū)，分辨率為27×27km；第3層網(wǎng)格覆蓋渤海北部、遼寧及吉林，分辨率為9×9km；第4層網(wǎng)格覆蓋遼寧中部，分辨率為3×3km。利用中科院大氣所超級計算機平臺，使用64個節(jié)點并行計算。微物理過程選用Lin et.Scheme；陸面過程選用Monin-Obukhov（Janjic Eta）scheme；邊界層參數(shù)化方案為Mellor-Yamada-Janjic（Eta）TKE scheme。

4.1 大霧生成階段 在大霧的生成階段如圖4，通過觀察地面風場和溫度場，尤其是經(jīng)過加粗處理的0℃等溫線的范圍，發(fā)現(xiàn)遼寧中部地區(qū)在04：15—04：30圖4（a）（b）這段時間0℃等溫線的范圍變化很小，即這個時間段遼寧中部受冷空氣影響很小；在圖4（b）（c）（d）即04：30—05：00這一時間段0℃等溫線南壓且范圍擴大，這說明遼寧中部受冷空氣影響降溫明顯。這一時間與前文Vaisala自觀溫度曲線第2次氣溫突降的時間點一致，驗證了第2次氣溫突降過程為地面弱冷空氣影響的結(jié)論。

4.2 大霧消散階段 在大霧的消散階段如圖5，鋒面位于遼寧南部即將入海，本場受冷空氣的影響逐漸減弱。通過觀察9：30—10：15的地面溫度場資料，尤其是經(jīng)過加粗處理的4℃等溫線，發(fā)現(xiàn)在圖5（a）（b）（c）即9：15—9：45的這段時間中4℃等溫線的位置變化很小，說明在這段時間地面的升溫相對緩慢；在圖5（c）（d）即9：45—10：00的這段時間中4℃等溫線北抬明顯，說明在這段時間內(nèi)氣溫上升明顯，最終導(dǎo)致大霧的迅速消散。由對比結(jié)果說明，WRF模式對本次大霧的消散階段也具有很好的預(yù)報能力，地面溫度快速升高的時間點與大霧的消散時間一致。因此，在本次大霧過程中對升溫速度突然加快的時間節(jié)點的考慮是判斷大霧消散時間的關(guān)鍵點。

5 結(jié)論

本文利用Vaisala自動觀測系統(tǒng)逐分鐘數(shù)據(jù)、NCEP 1°×1°再分析資料、常規(guī)氣象觀測資料、WRF數(shù)值模擬產(chǎn)品等資料，分析了桃仙機場1次非典型大霧過程。結(jié)果表明，此次大霧天氣過程是1次具有輻射霧接續(xù)鋒面霧性質(zhì)的復(fù)雜過程，兼具2種性質(zhì)的大霧的無縫轉(zhuǎn)換，并在生消階段具有如下特點：

（1）在本次濃霧過程的生成階段，低云消散引起的地面輻射冷卻增強和冷鋒過境配合弱冷空氣影響，導(dǎo)致的2次明顯氣溫突降過程是大霧產(chǎn)生且強度較強的重要原因，2次氣溫突降過程缺一不可；同時，此次大霧過程有能見度突發(fā)性下降形成濃霧，且能見度有前期振蕩的特征。

（2）在此次濃霧過程的消散階段，日出后濕地表水分蒸發(fā)及外來水汽補充，觸發(fā)大霧爆發(fā)性發(fā)展增強是大霧消散時間較晚的主要原因之一；近地面霧層較厚導(dǎo)致日出后升溫緩慢是大霧消散時間較晚的另一個重要原因。

（3）在服務(wù)保障過程中，要總結(jié)成功的保障經(jīng)驗；同時，也要發(fā)現(xiàn)在大霧的生成階段，對地面輻射冷卻增強和弱冷空氣引起的2次氣溫突降的忽略，以及濃霧發(fā)生前的前期振蕩的干擾，最終導(dǎo)致大霧生成時間的判斷不理想。

參考文獻

[1]李子華，黃建平.輻射霧發(fā)展的爆發(fā)性特征[J].大氣科學，1999，23（5）：623-631.

[2]寶云軒，丁秋冀，袁成松，等.滬寧高速公路一次復(fù)雜性大霧過程的數(shù)值模擬試驗[J].大氣科學，2013，37（01）：124-136.

[3]袁成松，梁敬東，焦圣明，等.低能見度濃霧監(jiān)測、臨近預(yù)報的實例分析與認識[J].氣象科學，2007，27（6）：661-665.

[4]黃繼雄，張慶紅.首都機場濃霧中的能見度突發(fā)性振蕩及其演變規(guī)律[J].暴雨災(zāi)害，2014，33（3）：208-216. （責編：張宏民）