2021年長沙黃花機場連續兩日輻射霧對比分析

摘 要：本研究選取了2021年1月23日和24日連續兩日的vaisala自動觀測的風、溫度、能見度數據以及探空圖數據，從輻射霧發生和消散的幾大原因對這兩次輻射霧過程進行對比分析，討論了連續兩日出現大霧過程的原因以及第二日過程中能見度在日出后再次轉差的原因。分析發現：空中污染物多，PM2.5數值大的時候容易連續幾日出現早間輻射霧天氣;3 m/s或以上的風速有利于輻射霧的消散;1～2 m/s的風速有利于輻射霧的發展。輻射逆溫層有多層結構，逆溫層內風場和溫度場之間具有相互作用的關系，這正是輻射霧過程中風速、能見度以及溫度等要素有反復的原因。

關鍵詞：輻射霧;PM2.5;風速;逆溫層

中圖分類號：P426.4;V321.222 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-5168（2022）1-0113-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.01.025

Comparative Analysis of Radiation Fog in Changsha Huanghua Airport for Two Consecutive Days in 2021

YU Jia

（Meteorological office of Hunan ATM Sub-bureau， Changsha? 410000，China）

Abstract： This study selects the wind， temperature， visibility data and radiosonde data automatically observed by Vaisala on January 23 and 24， 2021， compares and analyzes the two radiation fog processes from several major reasons for the occurrence and dissipation of radiation fog， and discusses the reasons for the heavy fog process for two consecutive days and the reason for the poor visibility again after sunrise on the second day. After analysis， it is found that there are many air pollutants， and when the PM2.5 value is large， it is easy to have morning fog for several consecutive days. The wind speed of 3 m/s or above is conducive to the dissipation of heavy fog， and the wind speed of 1-2 m/s is conducive to the development of heavy fog. The radiation inversion layer has a multi-layer structure， and there is an interactive relationship between the wind field and temperature field in the inversion layer， which is the reason for the repetition of wind speed， visibility and temperature in the process of radiation fog.

Keywords： radiation fog;PM2.5;wind speed; inversion layer

0 引言

冬季大霧給民航經濟效益和飛行安全造成嚴重影響。據中國民航統計，由于天氣原因導致航班延誤一般占總延誤次數的70%，而天氣原因中又以大霧最為多見。1998年2月16日晚8時，一架客機在臺北中正機場降落時，因大霧影響能見度約200 m，造成飛機失事，死亡200余人。2010年8月24日伊春空難，導致44人死亡，52人受傷。因此，大霧天氣，是民航氣象需要研究的重點。

輻射霧形成是由多種天氣條件、環境因素決定的。從氣候和天氣學角度出發，大多數研究主要分析各地大霧時空分布特征和天氣學成因，其中對輻射霧研究較多，共性特點是微風、逆溫、相對濕度大[1-5]。從統計學角度出發，相關研究對大霧影響因子和客觀預報方法進行了分析[6-8]，為大霧天氣預報和科研奠定了良好基礎，但大霧預報仍然是預報業務的難點，且大霧成因存在地域差別。

2021年1月23日和24日，長沙黃花機場罕見連續兩日出現了輻射霧天氣。尤其是24日，輻射霧在消散過程中出現反復，日出以后出現罕見的再次轉差現象，導致航班大量延誤，光是備降的航班就多達7架次，給航空運行帶來了較大影響以及財產損失。本文選取了兩日的vaisala自動觀測的風、溫度、能見度數據以及探空圖數據，從輻射霧發生和消散的幾大原因對這兩次過程進行對比分析，討論了連續兩日出現輻射霧過程的原因以及第二日過程中能見度反復的原因。

1 兩次過程天氣形勢簡述

23日和24日長沙黃花機場的連續兩次大霧過程都是輻射霧。在華北中南部、黃淮、汾渭平原、江漢等地，空中有著大量的污染物。然而這幾日大氣擴散條件一般，有輕到中度霾天氣在我國中部地區堆積。受地面偏東弱冷空氣影響，這些污染物向南向西擴散影響到兩湖及四川地區，受其影響，長沙22—24日空氣中的PM2.5的數值分別為147、144、132。這些污染物的傳輸為兩日連續大霧天氣過程提供了充分的凝結核。

23日大霧為典型的輻射霧過程，前一日白天黃花機場陰天有零星小雨，夜間空中各層均轉為槽后西北氣流，云系減少，23日凌晨04：00轉為碧空天氣，溫度迅速降低。大霧持續時間為05：14—08：00。

23日長沙黃花機場為晴天，空中漸轉偏南風，近地面仍為弱的偏北風。夜間由于輻射降溫而出現大霧，24日04：40—06：00機場出現部分霧，最低主導能見度900 m，跑道視程（Runway Visual Range，簡稱RVR）125 m。06：00—07：27主導能見度上升至1 500 m，RVR也上升至1 400 m。然而07：27后能見度迅速降低，主導能見度降至500 m，RVR也降至 200 m。后面大霧一直持續至09：41才逐漸好轉。中間能見度的一度好轉給了航空公司錯誤的信號，大量航班開始起飛，等到了長沙機場突然發現能見度再次轉差，只好轉為備降。當日日出時間為07：18，是在日出以后能見度已經好轉的情況下再次形成的輻射霧。

2 兩日輻射霧天氣要素對比分析

2.1 水汽條件對比

23日凌晨的輻射霧前一日白天為陰天有零星小雨，夜間轉為碧空。從黃花機場自動觀測系統數據顯示，22日全天濕度都在80%以上，因此23日凌晨的大霧水汽條件是非常好的。相對而言，23日白天為晴天，最低濕度為60%，但是由于空氣中霾比較嚴重（白天能見度最高4 000 m，多數時間僅為2 000～3 000 m），水汽蒸發并不太多。兩日輻射霧過程的水汽條件比較而言，顯然是前一日更為充分。從兩日湖南區域8時能見度實況對比可以看出，23日凌晨整個湘中以北地區均為200～500 m的濃霧天氣，而24日凌晨僅湘東北角落有200～500 m的濃霧天氣。然而23日更濃的霧卻消散得更加早一些，24日范圍小、濃度小的霧卻消散得更加晚，這說明24日輻射霧消散晚的原因不是水汽原因，也不是因為霧濃度大的原因，需要從其他方向對比分析。

2.2 風速對比

23日凌晨5：00之前風速維持在2 m/s以下，04：00—5：00風速小于1 m/s，而同時間能見度也從800 m迅速下降至100 m附近。6：00開始風速上升至2～3 m/s，同時間能見度從100 m上升至200 m。具體如圖1所示。

24日凌晨03：50—04：40風速一直很小，維持在0～1 m/s，相對應的能見度也從800 m迅速下降至小于50 m。從05：30后風速加大到3 m/s，能見度也從小于50 m向上爬升，在400 ～1 600 m波動。07：20后風速重新降到了1～2 m/s，能見度也再次從400～800 m下跌至小于50 m。具體如圖2所示。

對比兩日輻射霧過程中地面風速的變化曲線可以發現一些規律：在輻射霧徹底穩定之前，兩日都有一個風速的極小值區域維持40 min以上，風速維持在0～1 m/s，然而在風速極小的時候能見度并沒有迅速跌到最低，而是在這個極小值時段之后風速重新回到1～2 m/s的時候才出現能見度的極小值。這說明0～1 m/s的極小風速并不是最有利于輻射霧發展的風速，1～2 m/s的風速才使得大霧得到更好的發展。23日6：00風速維持3 m/s后輻射霧逐漸消散，24日6：00風速維持3 m/s后輻射霧也逐漸消散，但是在07：20之后風速重新下降至1 m/s附近時，輻射霧又重新開始發展。對比兩者可以發現3 m/s或以上的風速有利于輻射霧的消散，1～2 m/s的風速有利于輻射霧的發展。

2.3 空中層結對比

23日08：00探空圖[圖（3a）]顯示長沙站上空的逆溫層已經破壞，在日出以后輻射霧很快就消散。而24日8：00探空圖[圖（3b）]）顯示長沙上空還有著很厚的逆溫層，逆溫層頂的高度達到了將近2 km，深厚的逆溫層使得即使已經到了日出時間，低層的溫度層結很難被破壞，在低層的風速重新變小以后，霧滴重新開始堆積，輻射霧重新發展起來并維持較長時間，一直等到深厚的逆溫層被破壞以后輻射霧才徹底消散。

由于湍流混合作用隨高度是分層的，因而動量、熱量、水汽的輸送也是不連續的，從而出現了逆溫層的多層結構。從圖3（b）中可以明顯看到逆溫層的多層結構。即除了貼地逆溫層外，還有低空和中空逆溫。由于地面的長波輻射冷卻形成輻射逆溫后，隨著逆溫強度的不斷加強，近地面逆溫層附近湍流運動逐漸減弱，近地面風速減小。因此可見圖3中兩日04：00前后風速降低到0～1 m/s，同一時間受逆溫層的影響能見度也降低到最差時刻。而在逆溫層上部動量在逆溫層上部不斷堆積起來，從而使得這里風速逐漸加大，尤其是使該處的風速切變更加迅速地發展起來。然而正是由于這種風速切變的迅速加大，反過來使得該層的梯度里查遜數Ri迅速減小，當Ri減小到臨界值 0.25 （臨界理查遜數）以下時，便滿足了Kelvin-Helmoholtz 切變不穩定條件，使該層內湍流運動急劇地產生和加強，從而湍流混合作用突然增大，便會引起動量和熱量爆發性地向下輸送達到地面，伴隨著這一動力過程的是低層溫度、風速在幾十分鐘內發生劇烈地變化[9]。這就解釋了圖3中兩日06：00—07：00的風速都有一個爆發性增強至3～4 m/s的現象，23日能見度從100 m上升至200 m，24日則從50 m上升至800 m以上。正是因為逆溫層的這種起伏式的結構，導致輻射霧出現能見度的反復情況。之后風速逆溫中心強度迅速削弱，風速和風速切變迅速減小，結果很快使得切變不穩定條件消失從而又重新恢復到該層逆溫開始發展時的情況，于是貼地逆溫強度再次開始逐漸加強。23日由于逆溫層比較薄，導致從07：00風速增大以后逆溫層沒能夠再次形成，加上日出后增溫明顯，霧層沒有逆溫層的阻擋很快抬升消散。而24日由于逆溫層厚度一直到2 km左右，霧層抬升以后并不能很快消散，反而減弱了太陽輻射導致的地面增溫，于是逆溫層再次開始加強，近地面風速再次減小。

3 結語

①空中污染物多，PM2.5數值大的時候容易連續幾日出現早間輻射霧天氣。

②3 m/s或以上的風速有利于輻射霧的消散，1～2 m/s的風速有利于輻射霧的發展。

③輻射逆溫層有多層結構，逆溫層內風場和溫度場之間具有相互作用的關系，這正是輻射霧過程中風速、能見度以及溫度等要素有反復的原因。

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收稿日期：2021-09-17

作者簡介：余佳（1988—），男，本科，工程師，研究方向：氣象短臨預報。

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