大興機場一次低能見度天氣分析和決策服務初探

王 躍，谷思雨，徐 暢

（民航氣象中心，北京100020）

北京位于太行山和燕山山脈腳下的華北平原北端，平原地區西、北和東北向環山，山脊連成平均海拔一千米左右的弧形屏障，地形呈簸箕狀，這種獨特的地形使大氣流動受到阻擋，常處于靜穩天氣，造成持續的低能見度天氣[1]。北京的特殊地形對風向風速的變化相當顯著，早晨以偏北或偏西北的風向占多數，午后則比較零亂，但西南方向風的頻率較大，這主要是因為地形變化而引起的山風谷風，早晨的山風來自西北，下午的谷風來自東南[2]。冬春季節的大氣環流在北京的主要風向是西北，壓制了地方性的谷風，所以大多數都是西北風，而早晨近地面因夜間輻射降低，穩定度增加，高空氣流的影響小，地方性的西風山風也特別明顯[3]。

北京大興國際機場位于北京市大興區和河北省廊坊市交界處，北距天安門46千米、北京首都國際機場67千米，處于太行山、燕山山坳的半盆地之中，大氣自然環境同時受山系地形、山坳半盆地及西風帶天氣的影響。2019年9月25日大興機場正式通航，在全國第一個實現開航即具備儀表著陸（也稱盲降）三類B運行標準，即在跑道視程（RVR）低至75米的情況下，滿足ILS CATIIIB運行能力的飛機可以正常著陸；也是第一個實現HUD（平視顯示器）RVR（跑道視程）75米起飛，即裝有平視顯示器的飛機在跑道視程低至75米的情況下就可以起飛[4]。目前大興機場共有四條跑道，其中僅01L號跑道設IIIB類精密進近燈光系統，35L號跑道設II類精密進近燈光系統，17R、19R、29R、17L/35R號跑道均設I類精密進近燈光系統，11L號跑道為起飛跑道。而隨著大興機場航班量的逐漸增加，因此當遇到持續的低能見度天氣時仍會導致大面積航班的延誤和返航備降。

1 天氣實況

2020年12月12日凌晨至中午大興機場出現了一次持續的低能見度天氣。如圖1所示，12日00：36開始，01L跑道端RVR開始出現下降趨勢，隨后其他跑道端RVR也開始降低。01L跑道端RVR在01：07降低到1000米以下。01：18RVR從800米迅速降到450米，01：32RVR降低到225米，僅14分鐘的時間從一類降低到不滿足二類運行。10：30RVR一直維持在150-225米之間，所有跑道端RVR在10：34左右回升至375米，10：44左右上升至600米以上，滿足一類運行。除01L跑道端外，其他跑道端RVR均在10：38左右逐漸恢復至運行標準之上。01L跑道端在10：55又下降至550米以下，出現短暫波動，12：40以后才穩定在550米以上，這次低能見度天氣過程才完全結束。

這次低能見度天氣過程有三個特點，其一RVR值在短時間內迅速降低，在12日01：02至01：32的半個小時內，RVR從1100米降低至225米；其二持續時間較長，長達11個小時；其三RVR最小值偏低且穩定，最低RVR值150米的水平維持了5個小時。

2 氣象條件分析

2.1 地面氣象要素分析

地面的氣象要素特征對能見度變化有著非常重要的影響，圖1是利用大興機場跑道自觀數據分析了12月11日00：00-14：00相關氣象要素的變化情況。如圖所示，在RVR降低之前大興機場持續吹偏南風，并且風速持續增大，最大可達3.6米/秒。從而使得大興機場南側的霧區（由圖2可見）向北輸送，并伴隨暖濕氣流在大興機場區域匯聚。從溫度和相對濕度的變化曲線也可以看出，隨著暖濕氣流的輸送，大興機場的溫度和相對濕度都有所增高。當相對濕度達到98%時，RVR也達到了最低值150米，而在整個過程中相對濕度都保持在95%左右，為這次低能見度天氣的長時間維持提供了有利的水汽條件[5]。

圖1 大興機場相對濕度和溫度、風向和風速及RVR變化曲線

圖2 2020年12月12日00時全國能見度實況圖

從風向風速變化曲線可以看出，當大興機場出現低能見度后，風速開始逐漸減小。整個低能見度持續過程中，風速一直小于2米/秒，風向也由持續的偏南風變為風向不定。這種持續的微風條件，是導致此次低能見度天氣長時間持續的最直接氣象因素[6]。而整個過程結束的關鍵點也是由于風向和風速的變化，09：10大興機場的風向轉為西北風，由于風速仍然較小，所以能見度并沒有明顯的轉好，但RVR已經出現上升趨勢。11：00之后隨著風速增大，持續的偏北風使得RVR迅速轉好，并穩定在550米以上。

2.2 環流形勢分析

如圖3所示，從11日20時500hPa的高空圖上可以看出，華北南部處于槽后的西北氣帶控制，大氣運動在垂直方向上是輻散下沉的；700hPa天氣圖中，華北南部也主要以冷平流為主，前期的冷平流使得地面持續降溫從而形成冷的下墊面，為平流霧的生成提供了有利的溫度條件；同時在850hPa的天氣圖中，華北南部處于氣壓梯度很小的均壓地區，等壓線比較稀疏，風速較小。而從地面形勢場中可以看出，華北南部存在一個弱的輻合區，大量的水汽在此匯集，為后面平流霧的生成提供了充足的水汽條件，是此次低能見度天氣產生和維持的一個主要原因[7]。

綜上所述，在大興機場低能見度天氣爆發之前，我國中東部地區高層處于槽后的下沉氣流區，地面維持弱氣壓場形勢。華北南部整體處于靜穩結構，沒有系統波動，天氣條件不利于大氣擴散，區域性低能見度天氣易發生并且維持[8]。

圖3 11日20時（a）500hPa、（b）700hPa、（c）850hPa和（d）地面形勢場

3 數值預報產品分析

如圖4所示，由11日08時起報的EC預報資料可以看出，12日02時和08時大興機場均處于低濕度區，并且地面風向以東北風為主，按照一般預報大霧的經驗，較難有持續性濃霧產生[9]。但實際上次日凌晨，地面風向短時間內迅速轉為持續性偏南風，所以數值預報對于大興本場風向的預測存在嚴重偏差，這也是導致此次大霧前期預報樂觀的一個主要原因。

通常來說，平流霧的發生往往很突然，需綜合考慮霧區的相對位置和風向，抓住風向的突變[10]。此次過程大興機場位于霧區的北邊界，風向轉變為偏南風后，能見度迅速降低。分析本次預報失誤原因，一方面由于目前平流霧的探測資料遠遠不足，對于平流霧的移動缺乏足夠的實時監測手段；另一方面，相關技術人員經驗不足，對平流霧產生和消散的時間考慮過于樂觀，而過度依賴于水汽或相對濕度的觀測和預報是本次預報失敗的根本原因。因此，在平流霧過程中，近地層風向和水汽變化迅猛，技術上很難把握，預報平流霧是否會發生，必須綜合考慮包括風場在內的近地層各物理量場的環流形勢、變化規律以及輻合輻散等演變特征。

4 服務保障情況

此次大興機場低能見度天氣過程前期預報樂觀，11日夜間民航氣象部門的預報沒有考慮大興機場次日的低能見度天氣，僅考慮12日凌晨01-09時有霜，大興機場早間能見度維持在3公里以上。11日20時大興運管委聯合會商結論也是大興機場出現低能見度風險較小。12日00：45大興機場氣象人員觀測到跑道RVR開始下降后立即發布大霧警報：目前大興機場主導能見度4000米，呈下降趨勢，預計02時后主導能見度下降至1-2公里，04時后主導能見度下降至600-800米，部分跑道RVR最低125米，09時后主導能見度上升至800米以上；12日04時氣象預報員考慮07時能見度回升至600米，09時后主導能見度上升至800米以上，所有跑道RVR上升至550米以上；08時氣象預報員根據最新資料預計大興機場10時后能見度好轉至300-600米，RVR300-550米，12時后能見度回升至800米以上，RVR回升至550米以上。

圖4 11日08時起報（a）12日02時和（b）12日08時的2米風場和相對濕度

12日凌晨大興機場出現低能見度天氣后，民航氣象部門及時發布重要天氣提示并啟動大霧天氣黃色預警，立即通知管制、機場和航空公司等用戶目前華北區域的大范圍低能見度天氣，并預測大興機場于10時后RVR將上升至550米以上。上午9：30民航氣象系統會商時，華北氣象中心給出最新結論：大興機場13時前維持大霧天氣，能見度500-800米；在隨后的10時民航系統視頻協調會上，民航氣象中心通報了大興機場最新的低能見度天氣趨勢，并提醒管制用戶大興機場的部分跑道RVR目前已有上升趨勢。

華北管制中心通報目前大興機場的運行情況，由于低能見度天氣，大興機場的出港航班均采取調時和取消措施，目前空中盤旋的飛機架次已超過管制運行最大容量，不能再接收盤旋等待。空管局運行中心根據氣象的預報結論和華北管制中心通報的大興機場目前的運行情況，及時進行跨區域航班備降調控，將華東、中南和西南等區域飛往大興機場的航班進行提前跨區域備降，以緩解大興機場的運行壓力。10：31民航氣象中心及時通報大興機場最新天氣情況和趨勢，并告知管制部門11時后大興機場的RVR將整體恢復至I類運行標準。運行中心確定最新的轉好天氣結論后，根據之前的戰略部署進行再一次調控配置，此時大興機場通報第一架飛機成功著陸，大興機場逐漸恢復正常運行。

在大興機場出現低能見度天氣后的更新預報中，民航氣象部門的預測整體較為準確，但預測好轉時間偏早，導致出現航班備降，預測影響時間為02-10時，實際影響時間為01：30-10：30。在整個大霧過程中，值班人員利用多源氣象預警平臺，做到對天氣實況和趨勢的及時監控，及時發布和調整預報結論。

總體而言，本次低能見度天氣過程發生突然，RVR下降迅速，超出了民航氣象部門的預計。但當低能見度天氣發生時，民航氣象部門及時發布機場警報、機場預報修訂報、重要天氣提示和啟動大霧天氣黃色預警，并通過電話和視頻會的方式通知管制用戶，確保了氣象預報結論的實時更新和溝通順暢。各運行管制部門根據氣象部門最新的實況和預報結論及時安排部署、運行調控，最大程度上保證了航班的安全運行和經濟效益。因此，對于航空氣象部門，當有大范圍危險天氣發生、發展或結論改變時，應及時通知管制用戶并發布氣象預警產品，為航班提前決策調整提供有力的支持。

5 結束語

本文對2020年12月12日大興機場一次低能見度天氣進行了分析，闡述了低能見度天氣發生的整個過程，通過對地面氣象要素變化、大氣環流形勢和數值預報的深入研究，揭示了此次低能見度天氣的成因、持續和消散機制，并對這次低能見度天氣的氣象服務保障和管制運行決策過程進行了描述，其結果表明：

（1）本次低能見度天氣發生主要是由于12日凌晨至白天持續偏南風，將南部的霧區向北輸送，并伴隨暖濕氣流在大興機場區域匯聚。

（2）低能見度天氣發生后地面的弱氣壓場和持續的微風條件，是導致此次低能見度天氣長時間持續最直接的氣象因素。

（3）數值預報對于大興本場風向預測存在的偏差，是導致此次低能見度天氣前期沒有預報出來的一個重要原因。

（4）民航氣象部門密切監視天氣變化，及時通知運行管制部門和發布預警信息，管制部門根據最新的天氣結論調控部署。氣象與管制部門的緊密協調聯動，為航班提前決策調整提供了有力的支持和幫助。