成都机场2019～2020年初辐射雾过程中微波辐射计应用

伍 一，赵瑞达，胡 壮

(民航西南空中交通管理局，成都 610202)

引言

雾是指近地面大气中悬浮的小水滴或冰晶使得水平能见到低于1000m的天气现象，通常可分为辐射雾、平流雾、锋面雾等。雾的气象条件得到了较多研究[1-4]，辐射雾常出现在晴空微风的夜间或清晨，近地面中有充沛的水汽，以及有较稳定的大气层结或逆温层的条件下。四川盆地水汽充沛，受地形影响，冬季风力弱，易形成稳定的大气层结，使其成为我国多雾的地区。成都双流国际机场地处四川盆地西部，成都市西南，在机场的日常运行中，辐射雾是冬季影响运行的主要天气。它的出现往往对航班安全运行产生重大影响，特别在早上06时后，是航班出港的早高峰，此时出现辐射雾可造成航班大面积延误。因此，研究和准确地预报辐射雾出现和消散的时间，对机场的正常起降和航班安全效率的运行十分必要。

近年来，微波辐射计在降水[5-6]、强对流[7]等天气得到了较多应用。它通过被动遥感探测大气微波辐射，可以反演地面至10km高度的大气温湿特征，具有较高的时空连续性。国内许多专家学者都对微波辐射计资料进行过验证和分析，如：刘红燕[8]通过插值探空资料，对比0m、100m、200m、300m等高度上的微波辐射计反演温度，发现两者偏差绝对值的最小值出现在100m高度。孙鸿娉等[9]通过对比两种资料在50～8000m的几个特定高度上的温度，发现各垂直高度层中相关系数都在0.97以上，反演温度在200m以下偏低，200m以上偏高。张文刚等[10]发现，微波辐射计反演温度与探空温度一致性较好，相关系数达0.997以上，但反演误差有日变化特征，大值区在午后，主要由于午后温度高，对流旺盛，温度波动较大。以上研究也说明微波辐射计反演温度总体可信，但在近地层的偏差较大。本文中主要分析了成都双流国际机场2019～2020年初的几次辐射雾过程中的微波辐射计资料与自动观测资料，以期对以后辐射雾过程的预报服务能提供更好的参考。

1 资料与方法

成都双流国际机场2019～2020年初出现了4次辐射雾过程，时间为2019年4月13日、11月21日、12月9日及2020年1月29日。本文主要选取了过程当天和前一天连续2天的自动观测资料、微波辐射计资料。

相比人工观测的主导能见度，跑道视程(RVR)对航班起降的影响更为直接。跑道视程(RVR)是跑道中线上，航空器驾驶员可看到的跑道中线灯或边线灯的最大距离。它是经大气透射仪测量后考虑大气消光系数、视觉阈值和跑道灯强度而计算的数值。因此，对于相同的能见度，不同等级的跑道灯光，RVR值也不同。成都双流机场跑道灯光分三级：10%、30%、100%，雾天气条件下，跑道灯光等级均为100%。因此，雾过程中的RVR值比能见度值更客观，且RVR值的变化也能反映雾的强度、持续时间和浓度特征。RVR值的变化情况直接影响机场运行及航班能否起降，成都双流机场Ⅱ类运行降落标准为550m≥RVR≥300m，预报中重点关注RVR变化经过550m临界值的时间。本文重点使用了自动观测系统10min平均的RVR资料，它每分钟滑动平均一次，相对运行中使用的1min平均RVR更稳定。选取的两条跑道南北共4端RVR，分别为西跑道北端(20R)和南端(02L)、东跑道北端(20L)和南端(02R)。机场的微波辐射计为Arida HGT-4型，位于02R附近。本文使用的复合对流层温度(综合边界层模式和自由大气模式两种模式的结果)和湿度(相对湿度和绝对湿度)资料垂直分辨率为0～10km共93层，时间分辨率约1～2min；气象站数据包含仪器自带传感器探测的观测场气温、气压、相对湿度、风向风速等。文中垂直高度取0～1500m共42层，时间统一取10min平均，并通过温湿廓线计算虚位温分析。位温是干空气绝热上升或下降到1000hPa时的温度，对于未饱和湿空气，由于密度比相同条件下的干空气密度低，往往以虚位温代替。根据静力平衡方程、虚位温公式和水汽压公式，通过计算比湿，可计算观测场和各高度的虚位温。

2 辐散雾中RVR变化特征

根据图1，4月13日各端RVR同时低于550m的时段基本没有，多表现为部分雾的特征；其他3次过程均有较长一段时间各端RVR同时低于550m，雾的浓度相对更均匀。在雾出现时，各端RVR下降至550m以下的时间点有较大差别，4月13日和12月9日差别较大。另外，历次过程，RVR最先都从02R开始降低，低于550m的时间在各跑道端中也都是最长的，20R最后开始下降，低于550m的时间也最短。这与地表植被有关，双流机场位于成都市西南，02R在机场最南侧，植被条件较最北侧的20R更好，水汽更充足。RVR回升稳定在550m以上的时间，4月13日各端RVR回升情况差异较大，其他3次过程各端RVR回升的时间和趋势比较一致，大致可用02R端RVR回升的时间表示。

通过表1可见，能见度与RVR有一定的相关性，但也有差别。不同辐射雾过程的最低RVR可能出现在任一端跑道。12月9日RVR低于550m的时间最长，达10h，RVR也最低；1月29日的时长次之，最低RVR也较12月9日高；4月13日和11月21日持续时间约6h，最低RVR也最好。可见雾的浓度越浓，持续时间越长。

表1 辐散雾过程中能见度值及RVR值的情况

3 微波辐射计资料分析

3.1 微波辐射计探测误差讨论

通过对比微波辐射计反演的0m处温度与其自带传感器探测的气象站温度，发现反演温度午后往往存在较大偏差，最大时偏低达到5℃；而在凌晨反演温度反而偏高，最大时偏高2℃左右。分析微波辐射计资料的温度廓线可发现，即使在晴天午后近地层中也常存在一层逆温。如图2(a)，Tmax表示垂直方向上最高气温所在高度，可反映出逆温层顶高度，图中可见，12月8日12～16时、12月9日14～16时，300m以下存在暖中心，但最高气温在50m高度左右，50m以下气层温度反而更低。同时，根据边界层理论，晴朗的白天边界层内热力湍流发展，气层不稳定，上下交换强烈，近地层之上，位温垂直分布趋于均匀，此时边界层为对流边界层。图2(b)中，12月8日14时，900m以下虚位温随高度基本不变，存在对流边界层；但在近地层约50m以下，虚位温随高度升高。造成上述原因，考虑是微波辐射计在近地层的反演偏差较大所导致，特别是午后对流强，温湿波动大，偏差也大。由于较大偏差主要在近地层，特别在50m以下，因此后续分析未参考微波辐射计反演的10m、25m、50m、75m层的资料，0m资料则以气象站数据代替。

3.2 温度廓线分析

辐射雾过程中，常能观测到在地面至200～300m高度处存在近地面逆温层，它限制了湍流向上层的输送，使水汽、凝结核在近地面积累。日出后，随着地面升温，湍流加强，逆温层减弱消失，雾也逐渐消散。因此，逆温层破坏消散的时间是预报雾消散的重要依据。

图3中，Tmax标注了垂直方向上最高气温所在高度(若在0m处则未标注)，可见4次过程均存在逆温层。4月13日过程，逆温层于12日20时出现，13日03～04时逆温层达到最高220m，最强强度约3.4K，08时后地面温度开始高于逆温层顶温度。11月21日逆温层约00时前出现，逆温层最强时约1.5K，最厚时为250m，地面温度在09:00开始高于逆温层顶温度。12月9日过程中，逆温层在8日18:30开始出现，最大厚度达到370m，强度最强时达3.9K，在9日11:10地面温度才开始高于逆温层顶温度。1月29日过程，逆温层在前一日19:30出现，最厚280m，最强时达2.6K，地面温度高于逆温层顶的时间为10:20。可见，除了4月13日过程外，逆温层的最大强度、最大厚度和持续时间都是对应的：12月9日均为最大值，1月29日次之，11月21日均为最小值。4月13日逆温顶层高度虽然低，但强度却是4次过程中偏强的，逆温层内的温度梯度大，进而造成雾的浓度不均匀，各端RVR值差别大。

对比RVR变化情况，11月21日过程的逆温层出现时间最晚，RVR出现低于550m的时间也最晚。结合卫星云图及人工观测记录，逆温层出现较晚的原因是天空云层拉开时间较晚，影响地表辐射降温。所有过程逆温层出现的时间均早于RVR开始低于550m的时间，虽然具体时间差有差别，但都达到4h以上。对于辐射雾的消散，4月13日地面气温高于逆温层顶温度的时间，较各端RVR都高于550m的时间，出现得更晚。而其他3次过程相反，若结合仪器安装位置，只取02R端RVR高于550m的时间，上述时间差具体为：11月21日约60min，12月9日约50min，1月29日约70min。

综合以上分析，逆温层出现4h以上，RVR才出现低于550m。对于浓度不均匀的辐射雾，各端RVR差别大，它的逆温层表现为厚度薄，但强度偏强，逆温层内温度梯度大，RVR整体>550m的时间可出现在逆温层消失前。浓度较均匀的辐射雾，逆温层与RVR对应关系较好：逆温层越厚，强度越强，持续时间也越长，对应RVR最低值越低，低于550m的时长也越长；并且地面温度开始高于逆温层顶温度约1h后，RVR整体回升到550m以上。

3.3 虚位温廓线分析

大气中，气层多是稳定的，虚位温的分布一般随高度而增大；而不稳定层结，虚位温随高度降低。未饱和湿空气绝热抬升，虚位温不变。图4中，θvmin标注了垂直方向上最低虚位温所在高度(若在0m处则未标注)，可以反映气层稳定与不稳定状态转变的时间。4月13日、11月21日、1月29日午后都可发现近地层之上虚位温随高度基本不变，为对流边界层；但12月9日午后近地层之上虚位温随高度仍有一定梯度，气层更稳定，不利于湍流发展，使雾持续时间更长。对比各次雾中RVR下降的时间，4月13日和12月9日的02时，近地层虚位温梯度明显比11月21日的04时和1月29日的02时更大，等值线更密集，这也说明这两次过程近地层中的湍流扰动更弱，雾滴颗粒更难因扰动而混合均匀，造成各端RVR下降时的差别比后两次更明显。而从近地层空气转成不稳定的时间上看，4月13日是09:50，RVR高于550m的时间在这之前，偏离达到2h；其他三次过程的时间分别是：11月21日09:10,12月9日11:10，1月29日10:50,RVR整体高于550m的时间在这50min之后。

4 结论

利用成都双流机场微波辐射计资料和自动观测资料分析2019～2020年初共4次辐射雾的逆温、虚位温和RVR的变化特征，表明：(1)辐射雾中不同端的跑道视程(RVR)差别明显，02R出现低于550m的时间最早，持续时间最长，20R则出现得最晚，持续时间最短，这与地表植被情况有关；但RVR的过程最低值可能出现在任何一端。(2)微波辐射计反演温度在近地面存在较大偏差，午后偏低，凌晨偏高，且午后偏差绝对值高于凌晨，用它来分析低层的天气时需要订正。(3)浓度均匀的辐射雾，近地层逆温越强，厚度越厚，持续时间越长，RVR值越低，低于550m的时间也越长；而浓度不均匀的辐射雾，逆温层强度大，但厚度更薄，表现为逆温层内的温度梯度更大。(4)辐射雾出现时，逆温出现的时间比RVR低于550m的时间早4小时以上，但不同过程的时间差有较大差别；另外，RVR下降时，近地层虚位温梯度大，湍流扰动的混合作用弱，使得雾滴浓度相对不均匀，各端RVR的差别也大。(5)对于部分雾性质明显，浓度不均匀的辐射雾，RVR高于550m的时间可出现在地面温度高于逆温层顶温度或近地面层空气转成不稳定之前；浓度均匀的辐射雾，RVR高于550m的时间出现在地面温度高于逆温层顶温度之后约1h，或者在近地层空气转成不稳定之后50min。

文中的分析与结论仍有局限：首先分析的辐射雾过程只有4次，样本少，2018年虽出现了辐射雾，但缺少微波辐射计资料；其次，微波辐射计误差订正简单，只将0m处反演温度和湿度替换为传感器测量的温度和湿度，忽略10m、25m、50m、75m层的数据，100m及以上层次则认为反演温度是真实的。而这两个方向，也是后续工作中不断研究验证的重点方向。