大興機場一次輻射平流霧過程分析

桑 林，王 博，竇利軍，王 遙

(1.大興空管中心，北京 大興 102600;2.華北空管局氣象中心，北京 順義 101300)

1 引言

大霧對飛行安全與效率有著重要影響。 根據霧的形成過程、物態和影響天氣系統，霧可以分為冷卻霧、混合霧和蒸汽霧。 由于成霧過程時常有幾種物理機制起著共同的作用，因此，有研究提出了輻射平流霧以及平流輻射霧兩類， 其中典型的輻射平流霧是指因夜間輻射冷卻而形成， 又因暖濕空氣平流到冷的下墊面上冷卻而加強的霧， 而平流輻射霧與之相反。 準確把握大霧的成因及性質，是大霧生消以及強度的預報的關鍵。 大量學者對霧的性質進行研究，如嚴文蓮等[1]分析了南京2006 年12 月一場持續4 d 的大霧過程，揭示了此次霧為輻射平流霧，深厚的逆溫層、 穩定的大氣層結以及暖濕氣流的補充是大霧持續時間長的主要原因。 王欽等[2]對廣漢機場一次輻射平流霧進行診斷分析認為天空狀況由晴轉陰是霧得以維持并加強的原因。 本文分析了大興機場2022 年11 月20 日一次輻射平流霧形成、 維持及消散的機制，為大興機場霧的預報提供一定理論依據。

2 霧過程實況

2022 年11 月20 日我國東北地區有冷渦系統控制，華北處于高空槽前偏南氣流影響下，地面為蒙古冷高壓，大霧發生前，氣壓梯度較小，風速小。2022 年11 月20 日01 時56 分-23 時23 分大興機場出現了一次持續21 h 27 min 的大霧過程。 圖1 所示，其中濃霧（主導能見度50-200 m）時段為03 時30 分-07時00 分；大霧（主導能見度200-500 m）時段為07 時00 分-08 時30 分、18 時21 分-20 時47 分；霧（主導能見度500-1000 m） 時段為01 時56 分-03 時30分、08 時30 分-10 時57 分、18 時01 分-18 時21 分和20 時47 分-23 時23 分；輕霧（1000-1200 m）時段為10 時57 分-18 時01 分。持續時間長、主導能見度最小值低、結束迅速是此次大霧過程的主要特點。 從運行角度綜合分析，此次過程中第一次主導能見度＜1 km 的時段從凌晨開始持續至次日中午結束， 晚于大多數霧的消散時間，對進出港早高峰影響較大。 此次過程中第二次主導能見度＜1 km 的時段從傍晚持續至午夜，對進出港晚高峰影響較大。

圖1 2022 年11 月20 日00 時-21 日00 時大興機場主導能見度變化

從極軌衛星NPP 產品華北地區能見度分布圖（圖略）可以看出，此次霧過程霧區范圍較大，由東南向西北擴張，京津冀地區能見度整體較差。20 日白天大興機場東南部仍存在一個范圍較小的大霧區域。

3 霧過程的氣象要素特征

3.1 風的變化

根據大興機場35 L 跑道自動觀測設備探測到的風向風速演變情況可知，此次霧過程發生前，19 日18時主導能見度維持在4 km 左右， 風向偏南1-3 m/s。隨后，主導能見度以約467 m/h 的速度下降，至20 日01 時56 分主導能見度下降至1 km 以下， 達到霧天氣標準，風向轉為東南風。 隨后能見度繼續以相同速度下降，濃霧期間以偏東風為主，風力0-1 m/s。7 時-8 時轉為東北風，風力2 m/s 左右，能見度略有回升，至20 日10 時57 分主導能見度上升至1 km 以上，轉為輕霧。

20 日18 時，大興機場風向為東南風，風速為2-3 m/s，濃霧期間風向為偏東風或東北風，其中19 時、20 時、22 時主導能見度最低為200 m。根據大興機場風廓線數據可知（圖略），23 時以后大興機場上空轉為槽后偏北氣流影響， 大興機場上空風速明顯加大同時地面偏東風增大到4-5 m/s，能見度快速升至10 km 以上，對進出港航班影響基本結束。 可見，大霧發生時，地面風速在2 級以下。 當高空槽攜帶冷空氣過境時，低層風速加大，大霧過程結束。 與高淞[3]研究結論一致， 秋冬季霧散應更多考慮風向轉變帶來的冷空氣補充。

3.2 溫度、濕度特征

從京雄地區逐5 min 溫度分布圖（圖略）看出，在大霧發生前大興機場地區地面處于溫度低值中心，即有利于平流霧發生的冷下墊面。 根據大興機場氣象要素的日變化特點，一般日最高溫度出現在15 時左右，19 日15 時地面氣溫14 ℃，溫度露點差最高達7 ℃，14 時后氣溫開始下降， 溫度露點差也開始下降。 20 日01 時氣溫降低值最低2 ℃，此時溫度露點差為0 ℃，相對濕度達到100%，說明在19 日夜間到20 日凌晨有地面長波輻射冷卻作用存在， 并且空氣中的水汽也達到近地面氣層凝結成霧的條件， 霧逐漸開始形成。 而在霧開始后，地面溫度開始升高，從2 ℃升至4 ℃（圖2）。 濃霧期間，地面溫度維持4 ℃。根據大興機場氣溫日變化特點， 通常日凌晨01 時-05 時為氣溫下降趨勢，日最低氣溫一般出現在05 時左右， 而當天夜間最低氣溫出現在了01 時左右，這說明此次大霧期間氣溫的升高不是日變化的影響，而是由于暖濕平流的作用導致的。 而這一點從京雄地區逐5 min 溫度分布圖（圖略）得到證實。

圖2 2022 年11 月19 日18 時-20 日11 時大興機場溫度變化

霧的維持需要源源不斷的水汽補充，從20 日00時-24 時,925 hPa 上相對濕度和風場可見 （圖略）大興機場上空有水汽輸送。 由微波輻射計的相對濕度和水汽密度數據可知，霧開始后相對濕度和水汽密度迅速提高，并維持至霧結束，且霧結束后相對濕度和水汽密度迅速下降。其中大霧和濃霧階段，400 m 以下相對濕度整層維持80%以上， 水汽密度維持10 g/m3以上。水汽密度和相對濕度這種陡然增加和減小與大霧開始和結束時間相對應， 說明暖濕平流的輸送和維持是此次過程得以維持的原因之一。

有學者認為液態水含量一定程度上可以代表霧層的厚度，霧層越厚持續時間越長[4]。 此次霧過程微波輻射計的液態水大值區出現時間滯后于大霧開始時間約2 h，消失時間與大霧結束時間基本一致。 液態水含量大值區集中在100-800 m，因此可以判定此次過程霧區較厚，也為結束時間較晚的原因之一。

3.3 云量及逆溫

通過毫米波云雷達數據可知，霧發生前大興機場上空無云至少云， 由于高層轉為槽前西南氣流控制，20 日白天天空云量開始增多， 云高為5000-7000 m。天空云量增多導致20 日白天地面氣溫變化緩慢且日變化強度弱，全天的相對濕度較大。 云的存在使大興機場氣溫變化小、相對濕度維持較大，空氣一直維持飽和狀態，可見與王欽等[2]觀點一致，本次霧過程中天空狀況的變化對霧的加強和維持起到了重要作用。 這說明大霧的預報不應只著眼于低層的氣象條件，高層形勢的演變也是霧預報的關鍵。

結合微波輻射計的溫度數據可知， 霧發生時地面附近有一個低溫區域， 而100-700 m 左右則存在一個溫度高值區， 這種高低層溫度配置對應著強烈的輻射逆溫。 逆溫阻止低層水汽向高層輸送，有利于低層濕度增大和水汽累計而凝結形成霧[5]。 01 時56分霧開始后，由于上游暖濕平流的輸送，逆溫層受到一定程度的破壞。 但仍然持續至次日11 時左右。 此后盡管由于午后地表增暖的作用， 逆溫層已經完全不存在，但是能見度仍然維持在1200 m 以下，這一階段， 暖濕平流對霧的維持占據主導地位，925 hPa上水汽輸送有加強趨勢（圖略）。 23 時23 分后霧散去，天空放晴后，近地面輻射逆溫又開始逐漸顯現。

4 結論

利用大興機場自觀數據、微波輻射計、毫米波云雷達和風廓線等資料分析了2022 年11 月20 日01時56 分-23 時23 分北京大興機場持續性大霧過程，結果表明此次霧過程符合典型的輻射平流霧特征，即由于夜間輻射冷卻而形成，又因暖濕空氣平流到冷的下墊面上冷卻而加強的霧[6]。

主要結論為：

（1）地面長波輻射冷卻和水汽輸送是此次大霧形成原因。

（2）高空云量的變化對此次霧的維持和加強起到重要作用，因此霧的預報不應只著眼于低空。

（3）微波輻射計的水汽密度、相對濕度和溫度等數據對大霧的臨近預報有很好的指示作用。