济南机场初冬一次连续性大雾过程分析

任伟

（民航山东空管分局气象台，山东 济南 250107）

引言

雾是由悬浮于近地面空气中微小水滴或冰晶组成的天气现象，能使水平能见度＜1 km。由雾导致的低能见度是影响民航飞行安全的危险天气要素之一。大雾天气下，飞行员视线往往较差，飞机着陆过程中容易偏离跑道或过早、过迟接地[1]。另外,如果机场启动低能见度运行程序，飞机的起降频次会大大减少，容易导致航班的延误、备降或取消。

雾作为一种灾害性天气，已经引起了国内众多学者的关注。很多研究工作从不同层面对大雾的特征进行了分析。马翠平等[2]分析表明：持续性大雾多发生在平直的纬向环流背景下，地面常为弱气压场控制。濮梅娟等[3]认为源源不断的水汽输送是辐射平流雾发展和维持的一个必要条件。张礼春等[4]发现连续的逆温结构是大雾边界层的主要特征，逆温的增强或减弱对大雾的强度和范围有重要影响。马学款等[5]研究指出雾区湿度的垂直分布通常呈“上干下湿”的空间结构。康志明等[6]通过分析连续大雾的热力特征，发现地面的辐射冷却是连续大雾的触发和加强机制，低层持续的弱暖平流输入是大雾长时间维持的重要原因。还有一些学者[7-10]认为持续性浓雾通常不是某一类型的雾，而是多种类型的雾交替出现，浓雾既可以是地表辐射冷却形成的辐射雾，也可以是低层暖湿平流条件下发展起来的平流雾，还可以是两者共同作用而成的辐射平流雾。需要注意的是，虽然前人对大雾天气做了众多的研究，但目前对大雾生消的准确预报仍是民航气象工作者面临的重要难题之一。

2019 年初冬济南机场出现了连续3 d的大雾，受大雾影响，机场多个航班延误、备降或取消，造成了较大的经济损失。本文以确保飞行安全为目的，对此次持续性大雾天气过程，应用机场地面观测资料、NCEP资料、GDAS资料以及HYSPLIT模式，从环流背景、物理量场等方面进行分析，总结了连续性大雾的成因，为今后类似天气的气象预报提供参考。

1 资料和方法

1.1 资料

选用济南机场(117 °E ，37 °N)逐时地面气象观测资料、NCEP的2.5 °×2.5 °再分析资料和GDAS全球1 °×1 °资料。GDAS资料是利用全球资料同化系统将NCEP资料同化计算得到的结果，NOAA的ARL将其处理为HYSPLIT模式可用格式作为模式的主要输入资料。

1.2 方法

HYSPLIT是NOAA和澳大利亚气象局联合开发的一种用于计算和分析气团输送、扩散轨迹的专业模型，该模式分析轨迹的思路是假设空气块随风飘动，那么它的移动轨迹就是其在时间和空间上位置矢量的积分。最终的位置由初始位置（P）和第一猜测位置（P′）的平均速率计算得到。

式中，Δt为时间步长，其时间步长是可变的, 要求Δt应小于0.75 倍Umax，Umax为最大风速，也即一个时间步长内气团的移动长度不超过0.75 个格距。计算不同通道的水汽贡献率[11-12]定义如下：

式中，Q表示某一通道的水汽输送贡献率，qlast表示气团最终位置的比湿，m表示该通道所包含轨迹条数，n表示轨迹的总数。

2 天气实况及地面气象要素

2.1 大雾天气实况

2019 年12 月7—11 日鲁西北地区连续出现大雾，部分地区出现能见度不足500 m的浓雾，局地有能见度不足200 m的强浓雾。济南机场也受到此次大雾天气的影响,最低能见度50 m，有近200 个航班被延误，50 个航班被取消，大量旅客滞留候机楼，机场的正常运行受到严重影响。从能见度的逐时演变来看（图1），机场的大雾自北京时7 日23 时开始，除中间部分时段短暂减弱为轻雾外，一直持续至11日 00 时。大雾共持续60 h，其中能见度＜500 m的浓雾共持续54 h，能见度≤100 m的强浓雾共39 h，能见度为50 m的强浓雾共24 h，雾的浓度大、持续时间长是此次大雾天气的重要特征。

图1 2019年12月7—10日济南机场能见度、气温及温度露点差变化情况

2.2 地面气象要素特征

雾发生期间，济南主要以晴到少云天气为主，地面气温维持在-7.0～8.0 ℃（图1），气温的变化与能见度的变化具有较好的对应关系，能见度存在较为明显的日变化特征，这说明夜间地表的辐射降温对雾的发生和发展有重要影响。湿度条件上，地面温度露点差在0～1 ℃之间，相对湿度在90%以上，反映出近地面大气十分潮湿，雾的发生具有非常有利的水汽条件。地面风场上，由于受弱气压场影响，偏南风风速较小，一般＜4.0 m·s-1，较小的地面风力，减少了水汽向四周扩散，进而大量地聚集在近地面，使底层水汽含量不断增加，有利于大雾天气的发生和发展。

3 环流形势分析

根据2019年12月7—10日500 hPa的平均环流形势场（图2），可以发现，大雾发生和维持期间，东亚大陆主要受宽广的高压脊控制，我国东部沿海有浅槽活动，位于中纬度的济南地区处于槽后脊前的西北偏西气流之中，温度场上，等温线与等高线基本平行，温度槽脊与高度槽脊几乎重合，没有明显的温度平流。高层大尺度环流的稳定少变是此次大雾发生的重要天气背景。低层925 hPa在8 日和9 日分别有短波槽东移，并有暖脊与之相配合，低空有明显的暖平流。暖平流的存在，有利于近地层逆温结构的形成和维持，使大气长时间处于静稳状态。

图2 2019年12月7—10日500 hPa平均位势高度(实线，单位：dagpm)和温度线（虚线，单位：℃)

地面图上（图略），大雾期间，华北地区为一大的低压带影响，济南处于低压底部的均压场中，等压线稀疏，近地面风力较小，大气层结比较稳定。大雾后期，在蒙古西部有冷高压发展加强，并逐渐分裂出冷空气东移南下，10 日夜间冷空气开始向济南地区缓慢渗透，受冷空气的持续影响，大雾于11 日凌晨前后消散。

4 逆温层特征分析

大气层结稳定和低空逆温层的存在是大雾形成的重要条件。大雾形成前（7 日20 时）济南地区近地层上空出现了强度为0.3 ℃·(22 hPa)-1的逆温层结，近地层气温随高度增加，形成了上暖下冷的结构，大气层结稳定，7 日23 时机场能见度由2000 m快速下降至600 m，出现大雾（表1）。8日08时逆温强度进一步增大至2.0 ℃·(44 hPa)-1，机场能见度最低下降至50 m，出现强浓雾。8 日白天受辐射增温影响，逆温层减弱消失，强浓雾逐渐减弱为轻雾，能见度一度上升至2000 m。8 日夜间受近地面的辐射降温和低空的暖平流的影响，大雾天气重新发展，并再次增强为强浓雾，9 日08 时济南上空出现强度分别为4.2 ℃·(12 hPa)-1和1.7 ℃·(9 hPa)-1的双层逆温结构，由于逆温强度大，9日全天持续强浓雾。受强浓雾影响，9日夜间和10日清晨逆温强度有明显减弱，分别为2.4 ℃·(16 hPa)-1和1.7 ℃·(61 hPa)-1。10日夜间，虽然冷空气开始向济南地区渗透影响，但近地层仍有较强的逆温出现，浓雾继续维持，之后随着冷空气的持续影响，近地面逆温层结逐渐减弱消失，浓雾最终消散。综上分析可见，连续出现的低空逆温结构是此次大雾形成和维持的必要条件，逆温强度越大，雾的维持时间越长。如果没有低层逆温，就不会有大雾天气的发生。

表1 持续性大雾逆温层特征统计

5 持续性大雾成因分析

5.1 热力因子

地表的辐射冷却和温度平流是影响大雾形成和发展的两个重要热力因子。由前面的分析可知，能见度的变化与气温的变化比较一致，存在明显的日变化，表明夜间的辐射冷却对大雾的形成和发展有重要影响。为表征大雾过程中的辐射冷却作用，我们需要分析地面气温的变化。7—8 日济南地区为晴到少云天气，7日白天最高气温为8.3 ℃,8日早晨最低气温为-3.9 ℃，昼夜温差为12.2 ℃，说明7日夜间至8日清晨地表存在十分强烈的辐射冷却作用，并且期间低层没有明显的温度平流，因此7日夜间至8日上午的强浓雾应以辐射雾为主。8日白天气温上升至8.4 ℃，强浓雾减弱消散，夜间随着气温的快速下降，强浓雾天气再次发展，从气温变化来看，8日白天至9日早晨的最高、最低气温相差为11.7 ℃，表明夜间地表仍有强烈的辐射冷却作用，从同时段的温度平流来看，由于8日夜间有短波槽过境，低层有明显的暖平流，最大正温度平流达到4×10-5℃·S-1(图3a),暖平流的存在有利于近地层逆温的建立和维持，因此这一阶段的强浓雾是地面辐射冷却和低空的暖平流共同作用造成的，所以应考虑为辐射平流雾。9 日受持续强浓雾的影响，白天气温仅有小幅上升，最高气温为1.8 ℃，10日清晨最低气温为-1.8 ℃，昼夜温差仅为3.6 ℃，表明地面的辐射冷却作用较前期已大幅减弱。而从同期的温度平流来看，由于9日925 hPa再次有短波槽东移，低层有明显的暖平流（图3b），因此低层的暖平流可能对此段强浓雾的维持起主要作用，所以这一阶段的强浓雾应以平流雾为主。10日白天虽然最高气温仅为2.7 ℃，但夜间受地表辐射降温以及高压前部弱冷空气的持续影响，气温快速下降至-6.8 ℃，有利于水汽的凝结，浓雾得以维持，此段浓雾是地表辐射降温与弱冷空气共同影响所致，所以应考虑为辐射平流雾。

图3 温度平流沿37 °N剖面（单位：×10-5 ℃·S-1）, (a) 8日20时、(b) 9日20时

由上分析可知，地表的辐射冷却和低层的冷暖平流均有利于大雾的形成和维持。此次大雾性质复杂，由辐射雾、辐射平流雾、平流雾组合而成。

5.2 散度分析

从散度的垂直分布来看（图4），大雾出现时段，低层925 hPa以下基本对应着负散度，最大负散度中心值达到1×10-5s-1，表明低层有弱辐合上升运动。在水汽条件有利的情况下，这种弱辐合上升运动有利于近地层暖湿空气向上输送，从而增加湿层的厚度，进而使雾层也达到一定高度。另外与低层弱辐合相对应是中层存在弱辐散，中层弱下沉运动与低层的弱上升运动相叠加，下沉运动使空气增温，上升运动使空气冷却，两者的相互作用持续到一定程度后，在它们之间会形成逆温层，该逆温层会阻止低层水汽向上层输送，从而有利于低层水汽的积累和湿度的增加，进而有利于大雾的发生和维持。大雾后期受冷空气影响，低层弱辐合逐渐转变为弱辐散，大雾随之减弱消散。

图4 2019年12月7—11日济南机场(117 °E ,37 °N)的散度时间—垂直剖面图（单位：10-5 s-1）

5.3 水汽条件

低层丰富的水汽是形成雾的重要条件，以往对水汽输送的研究多是基于欧拉方法，近年来随着气流轨迹模式的发展，应用拉格朗日方法诊断水汽输送的研究明显增多，相比于传统的欧拉方法，拉格朗日方法不仅可以定量分析不同水汽来源的水汽贡献，还可以展示水汽输送过程中气团的空间位置和物理量随时间的变化。因此本文引入轨迹模式HYSPLIT分析本次大雾过程的水汽条件，关于HYSPLIT模式的更多详细信息请参考相关文献[13-14]。

由于雾多是近地面产生，雾顶高度一般不超过1 km，因此我们在济南机场上空选取250,500,750，1 km作为气流后向轨迹模拟的起始高度。对大雾持续期间的气流轨迹进行后向48 h的追踪，并对轨迹进行聚类分析，我们可以清晰的看到大雾期间低层水汽的输送路径。图5为大雾过程中，济南机场上空两条低层水汽输送通道。通道1为西北气流输送通道，该通道轨迹数占总轨迹数的43%，从轨迹输送过程中气团的物理属性来看(图6)，西北气流输送通道的轨迹主要来自距地2 km左右的高空，气团的起始湿度小，温度偏低，在输送过程高度有明显的下降，并且在下降的过程中有明显的增温、增湿，从前面的散度分析可知，这条通道可能对应着925 hPa以上干冷的弱辐散下沉气流。通道2为偏南气流输送通道，该通道轨迹数占总轨迹数的57%，由于大雾期间，济南地区地面受弱气压场影响，偏南风风速较小，因此通道2的输送距离明显要小于通道1，是一支弱南风输送气流，从气团的物理属性来看，偏南气流输送通道的轨迹主要来自距地不足1 km的低空，由于低空温度高、蒸发旺盛，气团的初始温度和携带的水汽要明显多于西北气流，并且在输送过程中各要素变化相对平缓，对应着低层的暖湿气流。分析逐日的气流轨迹可以发现，偏南气流轨迹贯穿大雾的每个阶段，而西北气流轨迹主要出现在两次短波槽过境期间和10 日夜间，分别表征着槽后的冷平流和高压前沿的弱冷空气。进一步定量计算两条通道对大雾的水汽贡献可以看到(图6d)，偏南气流对大雾的水汽贡献最大，其输送的水汽占整个输送气流的61%，而西北气流输送的水汽相对较少，只有39%。由此可见，本次大雾的水汽主要来自底层的偏南气流输送，西北气流输送的水汽较少，其主要表征短波槽后的冷平流和高压前部的弱冷空气。

图5 水汽通道空间分布

图6 气块输送过程中高度变化(a)、比湿变化(b)、温度变化(c)及水汽输送贡献(d)

6 结论

（1）高层稳定少变的偏西气流，低空短波槽前的暖平流以及地面长时间维持的均压场等良好的高、低空环流配置是持续性大雾发生和发展的重要原因。

（2）近地层逆温是大雾形成的必要条件，连续出现的逆温结构是形成持续性大雾的重要原因。

（3）地面辐射冷却和低层的冷暖平流对大雾的形成和维持有重要作用，本次大雾性质复杂，由辐射雾、辐射平流雾、平流雾组合而成。

（4）低层的弱辐合配合中层的弱辐散，有利于水汽在低层积累，有利于低空逆温结构的形成，进而有利于大雾的发生和发展。

（5）HYSPLIT后向轨迹追踪表明：此次大雾的水汽主要来自低层偏南气流的输送，其对大雾的水汽贡献为61%，西北气流输送的水汽相对较少，其主要表征短波槽后的冷平流及高压前部的弱冷空气，是一支干冷的辐散下沉气流。