乌鲁木齐国际机场“持续双低浓雾”天气特征分析

韩 磊，王春红，王 勇，陈阳权，谭艳梅

（1.新疆空管局气象中心，新疆 乌鲁木齐830016；2.中亚遥感应用中心乌鲁木齐气象卫星地面站，新疆 乌鲁木齐830000）

雾是影响社会经济发展及人民健康的重要灾害性天气之一。 长时间维持的雾天不仅严重影响交通运输活动，导致高速公路封闭、水上航道停运、机场航班延误， 还会诱发各类运输安全事故与不安全事件。 雾的研究越来越受重视[1-4]。

新疆准噶尔盆地南缘是我国冬季雾比较集中的区域之一， 经常出现范围较大、 时间较长的阴雾天气， 是特殊的地形特点与有利天气形势的共同产物[5-10]。 乌鲁木齐国际机场位于乌鲁木齐市西北方向，年平均大雾日数44 d，年际变化显著[11]。近年来，机场大雾明显增多，2016 年出现80 个雾日， 突破了30 a 极值。 2015—2016 年和2016—2017 年冬季雾日数均远远超出30 a 均值。大雾是影响机场运行的首要因素[12-13]。 以2019 年1 月25 日为例，受大雾影响，当天航班共取消317 班，延误93 班，备降62 班，返航3 班，上万名旅客出行受阻。开展乌鲁木齐国际机场低能见度、 低跑道视程大雾的天气特点及预报技术研究十分必要。

1 术语定义、数据和方法

《中华人民共和国国家标准—雾的预报等级》（简称《国标》）中，依据能见度（VIS）将雾划分为轻雾（1000 m≤VIS＜10 000 m）、大雾（500 m≤VIS＜1000 m）、浓雾（200 m≤VIS＜500 m）、强浓雾（50 m≤VIS＜200 m）、特强浓雾（VIS＜50 m）5 个等级。

《民用航空地面气象观测规范》（AP-117-TM-02R1）（简称《规范》）中将轻雾定义为：“近地面空气中水汽凝结或凝华而使主导能见度降低到1000 m（含）至小于10 000 m 的现象”，指出轻雾时相对湿度通常在75%以上。 将雾定义为：“近地面空气中水汽凝结或凝华而使主导能见度降低到小于1000 m的现象”，并未给出相对湿度的参考判定值。 在乌鲁木齐国际机场地面气象观测的实践中， 当有雾出现时一般来说相对湿度在80%以上。 轻雾与雾的定义中的主导能见度（Prevailing Visibility），是指“观测到的达到或超过四周一半或机场地面一半的范围所具有的能见度值”，是由观测人员在观测平台或观测场上参照目标物或目标灯人工目测得到， 例行观测每半小时一次，天气变化达到一定条件时，随时进行特殊观测。 跑道视程（Runway Visibility Range， 简称RVR）是指“在跑道中心线上，航空器上的驾驶员能看到跑道道面上的标志或跑道边灯或中线灯的距离”，在安装有跑道自动气象观测系统的机场，是由跑道视程（RVR）探测设备器测得到，每15 s 一次实时探测数据，在管制指挥中使用1 min 平均的RVR数据， 在天气报告中则使用10 min 平均的RVR 数据。

由于《规范》没有对雾的等级进行类似《国标》划分，在民航气象观测和预报的各类研究中，常会使用“浓雾”，“低能见度大雾”等说法，但具体的能见度数值范围则是根据研究需要进行主观定义[14-16]，没有统一的标准。

乌鲁木齐国际机场在低能见度条件下， 可实施盲降I 类和II 类运行，以及使用平视显示器（HUD）的特殊II 类运行。 对运行有显著影响的主要是低能见度大雾，尤其是跑道视程（RVR）持续低于550 m的情况。 因此，本文在前人研究[17-20]的基础上，借鉴《国标》中有关雾的等级规定，结合机场低能见度运行标准，将乌鲁木齐国际机场持续2 h（含）以上出现主导能见度≤500 m，且跑道主降方向RVR≤550 m 的大雾定义为“持续双低浓雾”。

个例挑选的时间段为2014 年1 月—2017 年3月， 主要依据每半小时一次的乌鲁木齐国际机场地面观测例行天气报告中的主导能见度和主降方向RVR 数值，同时参考了特殊天气报告资料。 从主导能见度和RVR 同时低于标准的时间开始，且维持2 h 以上， 到二者中有任何一个开始不满足标准时间截止，即记为一次“持续双低浓雾”过程。所使用的资料主要包括： 常规地面、 高空观测资料， 新疆区域104 个地面自动站每小时资料， 乌鲁木齐国际机场自动气象观测系统实时观测的跑道视程及风温压湿资料，24 h 连续人工观测的整点、半点主导能见度、天气现象资料及观测纪要栏每日积雪深度、 降水量资料等。 所使用时间如无特别说明， 均为世界时（UTC）。

分析方法为统计学和天气学方法。按照《中华人民共和国民用航空行业标准——民用航空气象第7部分：气候资料整编与分析》（MH/T 4016.7-2008）中的统计要求，时次频数统计时，每个时段自前一整点的01 分至该整点00 分止，如08 时段是自07 时01分至08 时00 分止。 风向统计使用16 方位风向。

2 “持续双低浓雾”的总体特征

2.1 与大雾过程的关系

“持续双低浓雾”和大雾过程的关系主要有以下几种情况：一是“持续双低浓雾”时段基本就是雾生雾消时段，共4 例；二是在大雾过程中出现一个“持续双低浓雾”时段，共26 例；三是在连续的大雾过程中，出现多个有时间间隔的“持续双低浓雾”时段，共17 例，包含在7 个连续大雾过程中。

2.2 能见度特征

大多数情形下， 主导能见度和跑道视程低于400 m，尤以主导能见度低于200 m，跑道视程低于400 m 为甚（图1）。 主导能见度和跑道视程的高频区间有显著差别。 主导能见度在50～100 m 区间频数最高，为40%，以下依次为＜50 m、100～200 m、200～300 m，300～400 m 和400～500 m 区间， 频数分别为25%、19.5%、10.5%、4%和1%。 跑道视程在200～300 m 区间频数最高， 为26.4%， 以下依次为300～400 m、400～500 m、＜150 m 和150～200 m 区间，频数分别为22.6%、20.5%、19.8%、和10.7%（表1）。

2.3 气候背景

图1 乌鲁木齐机场持续双低浓雾天气主导能见度（VIS）与跑道视程（RVR）的关系

表1 乌鲁木齐机场持续双低浓雾天气主导能见度（VIS）与跑道视程（RVR）分段频数

统计2014—2017 年冬季（11 月—次年3 月）乌鲁木齐机场气温、降水情况，并与30 a 气候平均值（表2） 比较分析可知：3 个冬季气温均偏暖， 除了2015—2016 年冬季降水量偏多之外，其他两个冬季降水量均偏少。2014—2015 年冬季雾的日数较正常略偏多， 其它两个冬季则显著偏多， 尤以2015—2016 年冬季为甚。雾日距平基本与月平均气温距平呈正相关，但雾日正距平在降水量正、负距平的情况下都有出现，“持续双低浓雾” 频繁出现与冬季气温偏暖有关。

分析“持续双低浓雾”与气温、降水过程和积雪的关系可以发现：一是“持续双低浓雾”一般在当年冬季初雪之后半个月左右开始出现， 初雪的出现说明有利的温度湿度条件开始逐渐具备；二是“持续双低浓雾” 大都在先期有降水或者地面有积雪的情况下出现，有积雪情况约占84%，无积雪但先期有明显降水天气过程的约占16%。

3 典型环流形势特点

从成雾的两个必要条件，即层结和水汽的角度，对“持续双低浓雾”的高低空形势进行分类（图2）。高空形势可分为高压脊前型、高压脊区型、西风波动型3 类。 地面形势，在隆冬季节，以蒙古冷高压后部型为主， 个别西风带波动型对应的地面形势为带状高压型，除了上述两种形势外，在初冬和初春，还有冷高压前部型。

高压脊前型： 前期有低槽入侵北疆造成一次降水天气，高空槽刚过，乌鲁木齐机场正处于脊前西北气流的形势下，水汽条件好，但稳定性条件并不好，“持续双低浓雾”一般维持时间不长。此型数量不多，共7 例，占14.9%。

西风带波动型： 西风带上不断有弱波动东移影响北疆地区， 有时为北疆北部或沿天山带来降水增湿，水汽条件得到一定程度的加强，稳定性条件或是短暂破坏后恢复， 或是有所削弱，“持续双低浓雾”一般维持时间不长，但有时会间隔一段时间后，再度出现。 此型共18 例，占38.3%。

高压脊区型： 北疆地区为稳定和显著的暖高压脊控制。具体又有两种情况：一是前期有低槽或西风带波动影响北疆，带来降水天气，在槽或波动东移过程中，北疆地区迅速演变为暖脊形势，水汽条件和稳定性条件同时具备，“持续双低浓雾”维持时间较长；二是中亚—新疆—贝加尔湖暖脊脊区宽广强盛，稳定度条件较好。如果前期没有降水增湿，水汽条件主要由地面积雪提供，“持续双低浓雾” 维持时间视水汽条件好坏而或长或短。“高压脊区型”共22 例，占46.8%。

表2 2014—2017 年冬季乌鲁木齐机场气温、降水量与30 a 气候平均值比较

图2 乌鲁木齐机场持续双低浓雾天气典型高空和地面形势

4 “持续双低浓雾”的时间特征

“持续双低浓雾” 与雾日的月际分布特征较一致，在12 月出现最多，共21 例，占44.7%，1 月和11月其次，分别为13 例和7 例，占比27.6%和14.9%，2 月和3 月相对较少， 分别为5 例和1 例， 占比10.6%和2.1%。

4.1 起止时间特征

“持续双低浓雾” 在一天中的各时段都会出现，但以后半夜和上午为多， 中午到前半夜出现次数相对较少， 即03—04 时UTC 最多，10—12 时UTC 最少（图3a）。“持续双低浓雾”的起始和结束时间，在全天之中各时刻几乎都有。开始于后半夜的最多，约占50%；上午其次，约占24%；前半夜再次，约占21%；起始于中午和下午的最少，约占5%，（图3b）。结束于上午—中午的最多，约占50%；其次是后半夜，约占31%；结束于下午和前半夜的相对较少，约占19%，大部分持续浓雾延续不到下午即减弱或消散了（图3c）。

4.2 维持时间特征

持续浓雾天气维持时间的特点与雾和浓雾的维持时间特点基本一致，都是较短时间的占多数，随着维持时间的增长，其占比越来越少[8，16，18]。 虽然没有出现持续时间≥24 h 的情况（图3d），但也不乏长时间维持的情况，维持时间≥10 h 以上的占了总数的21%，最长的维持了18.5 h。 长时间维持的持续浓雾天气主要出现在11 月—次年1 月。

图3 乌鲁木齐机场持续双低浓雾的生消维持时间特点

分析不同起始时间的“持续双低浓雾”的维持时间特点（表3）可以发现：起始于上午时段的虽多，但大多数维持时间小于4 h，在中午前后结束，个别的能持续到前半夜；起始于夜间（前半夜和后半夜）的数量多，维持时间长短不一，约有1/3 的个例维持时间在2～4 h， 长时间维持的个例也不少， 特点较复杂。 有的在后半夜结束， 有的持续到次日凌晨或上午，个别的可持续到次日下午。起始于中午和下午时段的最少，仅各1 例，但其维持时间均较长。 一例中午开始，前半夜结束，维持7 h，一例下午开始，持续到次日中午，维持18.5 h。

表3 不同起始时间段的持续双低浓雾维持时间统计（个例数）

由以上分析可知，“持续双低浓雾”生消、维持不仅具有与局地风、 温日变化有密切关联的日变化特点，也具有其他因素导致的复杂性特点。 具体而言，气温的日变化体现的是热力作用，决定了“持续双低浓雾”大多在后半夜到早上的显著降温段形成，在上午到中午这一升温段结束。而风的日变化则在热力、动力两方面均有作用。天气形势的演变会带来层结、水汽条件以及其他气象要素的变化， 打破或改变基本的日变化特征，如中午或下午形成的持续浓雾，就无法仅用气温与风场的日变化来做解释； 系统性天气的到来以及局地东南来向焚风的作用也常常使“持续双低浓雾”迅即消散。

5 “持续双低浓雾”的地面气象要素特点

5.1 温湿条件

47 例“持续双低浓雾”均为冻雾，温度范围-0～-21 ℃。 从各温度段的出现时次频数来看， -0～-15 ℃占总数的95%以上， -5～-10 ℃出现频数最多，其次是-10～-15 ℃和-0～-5 ℃。-15 ℃以下甚至-20 ℃仍有出现（图4a）。 温度露点差（T-Td）范围为0～3 ℃，99%的持续浓雾T-Td在0～2 ℃， 其中1～2 ℃出现最多。相对湿度（RH）范围为74%～98%，99%的持续浓雾RH≥80%，85%～90%出现频数最多（图4b）。

将温湿条件结合起来分析，在0～-5 ℃的“持续双低浓雾”， 相对湿度＞95%，T-Td为0～1 ℃；-5～-10 ℃时，相对湿85%～95%，温度露点差0～2 ℃；-10～-15 ℃时，相对湿度80%～95%，温度露点差1～3 ℃； 在≤-15 ℃出现时， 相对湿度80%～90%，温度露点在1～3 ℃。

总体而言，温度-5～-15 ℃，相对湿度≥85%，温度露点差≤2 ℃， 是持续浓雾最易出现的温湿条件范围。气温越低，“持续双低浓雾”所要求的相对湿度也相对要低，但温度露点差均在3 ℃以下。监测预测低温条件下的雾，不仅要看相对湿度条件，还应同时关注温度露点差大小。

5.2 风向风速

47 例“持续双低浓雾”风速范围为0～5 m/s。 ≤2 m/s 的占到了绝大多数（频数98.12%），其中0～1 m/s的频数最高，为64.2%，其次是1～2 m/s，为26.1%，再次是静风，为8.2%（图5a）。 风向范围为0～360°，超过一半的情况为风向不定（VRB）和静风（C），除此之外，西北风、西风和偏北风占多数，偏南风较少（图5b）。

乌鲁木齐机场局地风向与雾的生消维持有密切关联。乌鲁木齐机场如出现偏北风，从北边准噶尔盆地带来冷平流，有利于雾的出现和维持。冬季静稳天气情形下，乌鲁木齐经常出现的东南风，具有焚风性质，是一股干燥、温暖的下沉气流，不利于雾的出现和维持[21]。

6 结论

综合上述，乌鲁木齐国际机场“持续双低浓雾天气”的特征总结如下：

（1）12 月出现最多，占比44.7%，1 月和11 月其次，占比27.6%和14.9%，2 月和3 月相对较少，占比10.6%和2.1%。“持续双低浓雾”的频繁出现与冬季气温偏暖有关，一般前期有降水或是地面有积雪。

图4 乌鲁木齐机场“持续双低浓雾”的温湿条件特点

图5 “持续双低浓雾”风向风速特征

（2）大多数情形下，主导能见度和跑道视程低于400 m，尤以主导能见度低于200 m，且跑道视程低于400 m 为甚，严重影响机场运行。 主导能见度和跑道视程的高频区间有显著差别，分别为50～100 m和200～300 m，频数分别为40%和26.4%。

（3） 高空环流形势以高压脊区型最多，占46.8%，西风波动型次之，占38.3%，占高压脊前型最少， 占14.9%。 地面形势则以蒙古冷高压后部型为主，北疆沿天山多为均压或弱气压场。

（4） 生消演变与局地风温的日变化密切相关，有基本的日变化特点。 多在夜间—上午出现，在中午—下午结束。起始于上午的，维持时间大多数小于4 h；起始于夜间的，维持时间长短均有，但长时间维持的较多；起始于中午或下午的，数量少，维持时间长。 长时间维持的情况主要出现在11 月—次年1月，天气形势以高压脊区型为多。

（5）最易在气温-5～-15 ℃，相对湿度≥85%，温度露点差≤2 ℃，0～1 m/s 的风向不定和静风条件下出现。

（6）乌鲁木齐机场局地风向与雾的生消、维持有密切关联。偏北风有利于雾的出现和维持，东南风常使雾消散。