微波辐射计在乌鲁木齐机场浓雾监测中的应用

朱雯娜，王清平，王春红，陈阳权

（1.南京大学大气科学学院，江苏 南京210093；2.民航新疆空管局气象中心，新疆 乌鲁木齐830016）

低云、低能见度天气严重影响航班的正常运行，其中机场浓雾天气是造成大面积航班延误的首要原因，对于浓雾探测与监测，气象卫星资料对北疆沿天山一带阴雾[1-2]天气的雾区分布与变化有一定的监测能力，但无法有效监测乌鲁木齐机场附近局地小范围的雾，且卫星资料时空分辨率相对偏低。乌鲁木齐机场的风廓线雷达，探测范围为3000 m以下，可提供边界层虚温资料，对于监测近地面风场以及温度层结与变化有一定的作用，特别是监测东南风层强弱变化对浓雾监测非常有帮助[2-3]，但是风廓线雷达0～200 m高度为其探测盲区。新疆区域内自动气象站对周边环境监测起到重要作用，但是站点空间分布较为稀疏，部分站点要素不全（如缺少能见度），资料获取的及时性也受限于传输条件有较大延迟。总之，就目前的探测监测能力而言，尚无法满足航空气象服务对浓雾天气的监测与预警需求。

微波辐射计通过被动遥感测量大气中氧气、水汽和液态水的多通道微波辐射强度，可获取高达10 km的大气温度、湿度和液态水含量廓线分布，分钟级分辨率的数据可全天候实时监测天气过程的演变，有其独特优势和较高的应用价值。随着微波辐射计技术的不断进步，近些年来微波辐射计观测数据已经越来越多地应用于人工影响天气，强对流、雾、霾等研究及实际业务应用[3-11]。微波辐射计在遥感监测雾的形成与发展过程方面更具优势，Guo等[12]在对中国华北一次持续性雾、霾天气的研究中发现，微波辐射计相对湿度廓线的变化可以反映辐射雾向平流雾的转化过程。赵金霞[13]利用MP-3000A微波辐射计观测资料，对16次天津大雾典型个例的发生、维持及消散时近地层温湿结构特点进行了分析。

微波辐射计的探测优势在航空气象危险复杂天气监测与预报预警方面的应用前景也开始引起关注。2016年10月起，北京爱尔达电子设备有限公司的Airda-HTG3型微波辐射计开始在乌鲁木齐机场试用。本文选取2016—2017年乌鲁木齐机场冬季浓雾个例，分类总结微波辐射计监测探空气象要素的特点，对微波辐射计在乌鲁木齐机场冬季浓雾监测方面进行评估，也为乌鲁木齐机场浓雾预报预警提供支持。

1 资料与方法

使用2016年11月—2017年1月乌鲁木齐机场Airda-HTG3型地基多通道微波辐射计资料，对流层温度垂直分辨率在1000 m以下为100 m，1000～2000 m 为 200 m，2000～10 000 m 为 400 m；对流层湿度垂直分辨率在500 m以下为50 m，500～2000 m 为 150 m，2000～10 000 m 为 250 m；共14个通道，时间间隔约3 min，输出产品包括探空温度、相对湿度、绝对湿度、液态水等。另外还包括乌鲁木齐机场逐小时主导能见度、跑道视程、降水量资料和 NCEP 0.25°×0.25°的 FNL 分析资料。

2 浓雾个例选取与分类

按照《中华人民共和国国家标准-雾的预报等级》中的术语和定义，将雾的等级依据当时的能见度，划分为5个等级。而航空气象多使用主导能见度和跑道视程（Runway Visual Range，简称 RVR），主导能见度指观测到的超过机场四周一半或以上范围内所具有的能见度值，跑道视程指在跑道中线，航空器上的飞行员能看到跑道面上的标志或跑道边界灯或中线灯的距离。

本文借鉴国家标准，兼顾影响航空运行的天气标准，将所选个例标准确定为乌鲁木齐机场天气实况（Meteorological Aerodrome Report，简称 METAR/Special Meteorological Aerodrome Report，简称SPECI）持续2 h（含）以上出现主导能见度≤500 m，且跑道主降方向跑道视程≤550 m，所选出个例则称为“浓雾”。由此共选出10个浓雾个例，并根据浓雾出现时环流形势将浓雾个例分为两类：Ⅰ类为槽后脊前；Ⅱ类为偏西气流弱短波（表1）。

2.1 Ⅰ类浓雾个例（6例）

Ⅰ类浓雾个例（图1），环流形势与《新疆短期天气预报指导手册》[1]中对阴雾天气的暖脊型经典分类类似。其形势演变特点为浓雾天气出现前一天左右有一个低槽入侵北疆，造成一次降水天气过程，使低层增湿，在浓雾持续阶段，500 hPa高空图上低槽已经经过乌鲁木齐东移至哈密附近，北疆地区处于槽后—脊前西北气流控制中，脊线在国境线附近，并配合有温度脊。地面图上，蒙古冷高压位置偏西，乌鲁木齐位于冷高压底后部，易形成逆温，形势趋于稳定。雾区覆盖北疆沿天山一带，北疆沿天山一带相对湿度>80%，乌鲁木齐机场相对湿度80%～85%。Ⅰ类浓雾个例在浓雾结束后主导能见度1～2 h以内上升至1000 m的个例占比70%。

2.2 Ⅱ类浓雾个例（4例）

Ⅱ类浓雾个例（图2），环流形势与《新疆短期天气预报指导手册》[1]中对阴雾天气的槽前型经典分类类似。其形势演变特点为西风带上弱波动影响北疆地区，为北疆北部或沿天山一带增湿（有时会在北疆北部西部，或者北疆沿天山一带出现微雪），却又不能彻底破坏北疆沿天山一带的稳定层结，使得波动过后，浓雾再次出现。500 hPa高空图上低槽位于里咸海附近，北疆偏西偏北地区处于槽前西南气流控制，地面图上，乌鲁木齐处于带状高压底部，伊犁河谷有低压倒槽东伸。雾区覆盖北疆盆地大部，北疆盆地大部相对湿度>80%，乌鲁木齐机场相对湿度80%～85%。Ⅱ类浓雾个例浓雾结束后仍然维持较低的主导能见度，主导能见度500～1000 m持续4 h以上的个例占比75%。

表1 浓雾个例出现时间、持续时间和类型

图1 6例浓雾个例合成分析500 hPa高空图（a）、地面图（b）和相对湿度图（c）

3 个例分析

图2 4例浓雾个例合成分析500 hPa高空图（a）、地面图（b）和相对湿度（c）

对上述浓雾个例，在浓雾出现和结束前后、维持阶段，微波辐射计监测到的综合水汽含量（垂直积分水汽总量即大气整层水汽含量，单位为kg/m2）、绝对湿度、相对湿度、液态水、探空气温等变化进行深入分析，其要素变化值如表2所示。由此可得10个浓雾个例全部为冻雾，气温在0℃以下，浓雾持续期间主导风向为西北风或者风向不定，风速变化范围0～3 m/s，相对湿度≥85%。选取有代表性的三次浓雾个例进行详细描述，包括2个Ⅰ类浓雾个例（编号2、编号9），1个Ⅱ类浓雾个例（编号7）。

表2 微波辐射计观测的最大绝对湿度、最大逆温温差和人工观测的主导能见度、气温、风

3.1 2016年11月28日—29日（Ⅰ类浓雾）

乌鲁木齐机场2016年11月28日18：00（北京时，下同）—29日13：00出现浓雾，浓雾持续18.5 h（图 3），主导能见度 100～250 m，跑道视程大多维持在125～325 m，造成311架次航班延误、401架次航班取消，29日 11：45—30日 20：50小雪，过程降水量0.3 mm。

图3 2016年11月28—29日主导能见度和跑道视程

在浓雾持续阶段2016年11月28日20时500 hPa高空图上低槽经过乌鲁木齐东移至甘肃省内，北疆地区处于槽后西北气流控制中，中亚至新疆西部为宽广的高压脊控制，形势趋于稳定。同时次地面图上，乌鲁木齐位于冷高压底部，有利于近地面降温，形成逆温（图 4）。

图4 2016年11月28日20时500 hPa高空图（a）和地面图（b）

3.1.1 水汽条件分析

11月28—29日综合水汽含量持续缓慢减少，浓雾出现时综合水汽含量为6 kg/m2降至浓雾结束时4.5 kg/m2。浓雾出现前近地面绝度湿度从3.2 g/m3增至3.6 g/m3，浓雾持续阶段缓慢减少，至浓雾结束时降至3.0 g/m3。

浓雾出现前（28日11：00）8000 m高度出现相对湿度50%以上的湿区，至浓雾出现（17：30）50%以上的湿区高度降至2000 m，随后下降至（22：00）1100 m并维持；浓雾出现前（16：00）近地面相对湿度不断增大，相对湿度（16：00）为75%的湿区，浓雾出现时（17：30），200 m高度出现相对湿度为90%～95%的湿区；浓雾持续阶段（23：30时）近地面高度125 m出现相对湿度为95%～100%的湿区，高度250 m相对湿度为90%～95%的湿区；浓雾结束时（13：40—14：40）近地面相对湿度短暂下降，近地面相对湿度为95%～100%湿区消失，随后近地面相对湿度为95%～100%湿区再次出现，整体变化不大，此时主导能见度大于1 km，伴随小雪（图5）。

浓雾属于冻雾时，液态水含量较少，即便探测到液态水，也不是雾层中的液态水。在此例中，浓雾出现前没有液态水，浓雾出现3 h后（28日20：30）出现液态水，逐渐增多，29日03：00达到峰值120 g/m2，而液态水廓线显示液态水存在于1800～2700 m，对应相对湿度小于50%区域，显然不是雾层中的液态水。

3.1.2 层结条件分析

图5 2016年11月28—29日相对湿度廓线

图6 2016年11月28—29日20：00时探空气温廓线

由探空温度廓线（图6）可见，浓雾出现前（28日08：00）高度 5000 m 以下探空气温增温；17：00 起近地面探空气温持续降温出现贴地逆温，逆温层高度位于250 m，逆温温差2℃，随后逆温逐渐加强，浓雾出现并持续；至29日07：00，逆温层高度位于1100 m，逆温温差11℃；08：00近地面出现等温层，逆温层脱离地面形成脱地逆温；浓雾结束（13：40）等温层高度增至320 m，脱地逆温层高度位于1200 m，逆温温差14℃。

3.2 2016年12月31日—2017年1月1日（Ⅰ类浓雾）乌鲁木齐机场2016年12月31日21时—

2017年1月1日10时出现浓雾（图7），主导能见度100～300 m，RVR 大多维持在 225～450 m，造成75架次航班延误、38架次航班取消，1日02：40—12：50伴随凝结飘雪，过程降水量0.0 mm。

图7 2016年12月31日—2017年1月1日主导能见度和跑道视程

在浓雾持续阶段（图8），2017年1月500 hPa高空图上低槽经过乌鲁木齐东移至蒙古境内，北疆地区处于槽后浅脊控制，形势趋于稳定。同时次的地面图上，乌鲁木齐位于冷高压底部，有利于近地面降温，形成逆温。

3.2.1 水汽条件分析

浓雾出现阶段综合水汽含量呈现先增后减的趋势，变化范围在5～6 kg/m2之间。浓雾出现前（1日19：00）近地面绝度湿度为3.2g/m3增至浓雾出现时（22：00）3.4 g/m3，浓雾持续阶段绝对湿度缓慢减少，至浓雾结束时绝对湿度降至2.8 g/m3。

浓雾出现前（12月31日16：00）8000 m高度出现相对湿度50%以上的湿区，至浓雾出现（21：00）50%以上的湿区高度降至2000 m；浓雾出现时近地面相对湿度明显增大，250 m高度出现相对湿度为90%～95%的湿区；浓雾持续阶段（1月 1日 02：00）近地面高度700 m出现相对湿度为95%～100%的湿区，并维持；浓雾结束时近地面相对湿度为95%～100%的湿区消失，300 m高度相对湿度为90%～95%的湿区（图9）。

图8 2017年1月1日02时500 hPa高空图（a）和地面图（b）

图9 2016年12月31日（a）—2017年1月1日（b）相对湿度廓线

浓雾出现前没有液态水，浓雾出现后40 min出现液态水并迅速增大，有数个波峰，最大峰值250 g/m2；07：00起液态水迅速减少，浓雾结束后（11：30）液态水消失。液态水廓线高度1300～2100 m，对应相对湿度＜85%区域，同样不是雾层中的液态水。

3.2.2 层结条件分析

浓雾出现前（31日20：00）等温层高度位于200 m，探空气温为-8℃，200 m以上为减温层，随后近地面降温；21：00贴地逆温层建立浓雾出现，随后逆温层加厚抬升，22：00达到最强，逆温层高度位于330 m，逆温温差6℃；02：00近地面出现减温层，减温层高度位于300 m，减温温差1℃，高度300～1000 m为脱地逆温层；浓雾结束前，09：00近地面出现等温层-12℃，高度位于400 m，随后近地面缓慢升温，-12 ℃（10：00）升至-9 ℃（17：00）（图 10）。

3.3 2016年12月12日（Ⅱ类浓雾）

乌鲁木齐机场2016年12月12日05：00—14：30出现浓雾，主导能见度100～200 m。RVR大多维持在175～550 m，造成85架次航班延误、49架次航班取消。

2016年12月9—12日乌鲁木齐冻雾和小雪多次交替出现，12日08时 500 hPa图上低槽位于里咸海附近，北疆偏西偏北地区处于槽前西南气流控制之下。同时次地面图上，北疆处于蒙古冷高压底后部，伊犁河谷有低压倒槽东伸（图11）。

3.3.1 水汽条件分析

浓雾持续期间综合水汽含量、绝对湿度持续降低，综合水汽含量从10 kg/m2降至8 kg/m2。绝对湿度从5.8 g/m3降至5.0 g/m3。

浓雾出现前（12 日 02：00—05：00）1000 m 高度出现相对湿度为90%～95%的湿区，200～300 m高度层出现95%～100%的湿区；浓雾出现时相对湿度为90%～95%的湿区高度骤升至2000 m，相对湿度为95%～100%的湿区接地，高度骤升至1300 m；浓雾持续阶段（06：30—10：20）相对湿度为 90%～95%的湿区高度1000 m左右，相对湿度为95%～100%的湿区间断出现，11：30相对湿度为90%～95%的湿区高度1200 m，相对湿度为95%～100%的湿区高度1500 m；浓雾结束时（14：30）相对湿度为90%～95%的湿区下降至800 m，相对湿度为95%～100%的湿区高度下降至500 m（图 12）。

图10 2016年12月31日（a）—2017年1月1日（b）探空气温廓线

此例是唯一探测到雾层中的液态水，浓雾出现前（12 日 02：40—04：10）没有液态水；04：10—05：30冻雾出现液态水迅速增至200 g/m2，随后降低为50 g/m2（08：00），11：30 时再次出现波峰，达到300 g/m2；浓雾结束时液态水在100～200 g/m2波动。12日04：30—12日11：00液态水廓线浓雾持续，高度 500～1400 m，未接地。

3.3.2 层结条件分析

由探空气温廓线（图13）可见，浓雾出现前（12日03：00）近地面持续降温，形成贴地逆温，03：00逆温层高度位于300 m，逆温温差2℃；浓雾持续阶段逆温温差1℃；浓雾结束时减温层高度位于200 m，减温温差2℃，脱地逆温层高度350～750 m。3.4 不同类型浓雾个例对比分析

3.4.1 水汽条件

除了个例9（Ⅰ类），浓雾均出现在综合水汽含量持续下降阶段，浓雾出现前1 h降幅0.1～1.5 kg/m2；综合水汽含量Ⅱ类浓雾比Ⅰ类浓雾略大，Ⅰ类浓雾综合水汽含量4～7 kg/m2，Ⅱ类浓雾综合水汽含量8～11 kg/m2。绝对湿度从地面向上递减，集中在1000 m以下；浓雾存续期间近地面绝对湿度在1 g/m3范围内小幅波动；近地面绝对湿度Ⅱ类浓雾比Ⅰ类浓雾略大，Ⅰ类浓雾绝对湿度多数为2～4 g/m3，Ⅱ类浓雾绝对湿度多数为5～7 g/m3。

相对湿度为50%以上的湿区高度在Ⅰ类浓雾出现前持续下降，4～6 h之间高度从5000 m甚至更高，降至2000 m以下；浓雾出现前1 h近地面相对湿度增幅5%～15%，近地面出现相对湿度为90%以上的湿区，并在垂直方向扩展、接地，高度1000 m以下；如果近地面出现相对湿度为95%以上的湿区，主导能见度多数小于300 m；浓雾结束，近地面相对湿度下降5%～15%。Ⅱ类浓雾出现前1 h近地面相对湿度增幅5%～15%，近地面出现相对湿度为95%以上的湿区，并在垂直方向扩展、接地，高度500～1500 m，相对湿度为90%以上的湿区高度超过3500 m；浓雾结束时，相对湿度减少5%左右。

图12 2016年12月11—12日相对湿度廓线

图13 2016年12月11—12日探空气温廓线

虽然微波辐射计探测到的液态水和液态水廓线大多数并不是在雾层当中，但是也有其规律，Ⅰ类浓雾液态水与液态水廓线多伴随持续3 h以上浓雾出现，浓雾出现时或持续1 h之后出现，随后液态水迅速增大，最大值不超过300 g/m2；浓雾结束前1 h液态水明显下降，多数在浓雾结束时降至0 g/m2，高度1500～3000 m。Ⅱ类浓雾液态水与液态水廓线与浓雾同时出现或早于浓雾出现，随后液态水迅速增大，最大值达到400 g/m2；浓雾结束前1 h液态水明显下降，在浓雾结束时下降至100～200 g/m2，高度500～3000 m；浓雾结束时多数液态水廓线高度下降并接地。

3.4.2 层结条件

近地面探空气温持续降温同时出现贴地逆温层30～60 min，Ⅰ类浓雾出现，500～1500 m 高度探空气温增温出现更早；浓雾持续阶段多数逆温层加强或维持，逆温层高度位于400 m左右，逆温温差2℃以上，多数逆温层高度持续抬升，浓雾结束前形成脱地逆温；浓雾结束时近地面探空气温增温，或脱地逆温层高度抬升至1000 m左右，同时高度300 m或更高以下为等温层。与Ⅰ类浓雾相同，Ⅱ类浓雾近地面降温也是主导能见度转差的关键点；与Ⅰ类浓雾不同，Ⅱ类浓雾持续阶段逆温层高度抬升并略有减弱，浓雾结束前多数形成脱地逆温，近地面出现等温层或减温层，并且高度抬升至500 m或以上，浓雾结束。

4 结论

选取2016—2017年乌鲁木齐机场冬季10个浓雾个例，首先根据浓雾出现时环流形势将浓雾个例分为两类：Ⅰ类为槽后—脊前；Ⅱ类为偏西气流弱短波。其次通过分析机场实况得出浓雾个例全部为冻雾，气温在0℃以下，浓雾持续期间主导风向为西北风或者风向不定，风速变化范围0～3 m/s，相对湿度≥85%。最后通过分析浓雾个例总结出微波辐射计监测浓雾在出现、持续、结束等不同阶段的气象要素变化特点有：

（1）90%浓雾出现在综合水汽含量持续下降阶段，浓雾出现前1 h降幅0.1～1.5 kg/m2。绝对湿度从地面向上递减，集中在1000 m以下，浓雾存续期间近地面绝对湿度在1 g/m3范围内小幅波动。

（2）浓雾出现前1 h近地面相对湿度增幅5%～15%；浓雾出现时近地面空气相对湿度出现90%以上的湿区，多数出现相对湿度为95%以上的湿区，并向垂直方向扩展、接地；近地面相对湿度为95%以上的湿区消失，主导能见度好转。

（3）微波辐射计探测到的液态水和液态水廓线大多数并不是在雾层当中。液态水出现即迅速增大，最大值可达400 g/m2，浓雾结束前1 h液态水明显下降。

（4）浓雾出现前30～60 min近地面探空气温持续降温，同时出现贴地逆温层，500～1500 m高度增温出现更早；浓雾结束前形成脱地逆温层，近地面出现等温层或减温层；浓雾结束时近地面增温，或近地面等温层或减温层高度达到300 m以上。

因此利用微波辐射计探测资料可辅助乌鲁木齐机场冬季浓雾的监测和预警，并有助于预报员向相关部门提供更及时、准确的气象信息，保障航班正常安全运行。