沈阳桃仙机场一次罕见辐射雾天气分析

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沈阳桃仙机场一次罕见辐射雾天气分析 - 1 - 沈阳桃仙机场一次罕见辐射雾天气分析 刘伟朱东升 (民航东北空管局沈阳空管运行中心气象中心，沈阳，高工，110169) 提要2004 年1 月5 日至6 日，沈阳桃仙机场出现了一次历 史罕见的辐射雾和烟共同影响的低能见度天气。这次低能见度 天气过程是桃仙机场自1989 年有气象观测资料以来持续时间 最长、强度也相当强的一次过程，对航班正常有很大影响。通 过对这次大雾的天气分析，从天气形势及气压场、温度场、流 场、水汽通量散度、涡度、逆温敏感温度和相对湿度等气象要 素方面，找寻这次罕见大雾天气的特点，为提高今后的辐射雾 预报准确性积累预报经验。 关键词罕见辐射雾天气分析气象要素 1 引言 据有关统计,在国际民航事故原因分类中,气象原因造成的飞 行事故占20%,仅次于机组差错;其中因低能见度造成的事故占气象原 因的16%,高于雷暴。而在国内低能见度造成的事故占气象原因的 29.2%。可见能见度对飞行安全的影响,特别是低能见度对飞机起降危 害极大。因此,对机场低能见度的气象要素特征和变化规律做深入分 析,为进一步改善机场能见度的预报,确保飞行安全以及充分利用气 象条件合理安排生产等都有着重要的意义。 大雾是产生低能见度的最主要的天气现象，它也是民航预报的难 点。类型不同的雾的产生，其天气条件和形势特征也不同。根据孙奕 沈阳桃仙机场一次罕见辐射雾天气分析 - 2 - 敏的分类方法，把雾分成气团雾和锋面雾两大类。气团雾包括冷却 雾、蒸发雾和地方性雾三种。锋面雾包括锋前雾和锋后雾两种。冷却 雾包括辐射雾、平流雾和平流辐射雾。产生雾的原因是大气中水汽增 加和温度降低。 传统天气学认为辐射雾的天气条件和形势特征为晴朗风小的夜 晚，当空气因辐射冷却到露点温度时相对湿度便达到饱和，空气继续 冷却，水汽便凝结成小水滴而成雾，就形成辐射雾。辐射雾一般形成 在晴夜、微风、温度露点差小、层结稳定的天气条件下。 黄建平等认为逆温层对雾的形成和维持起着重要的作用，而雾 又对大气边界层中的温、湿、风结构产生重要影响。近年来，人们越 来越多地利用各种方法，特别是通过数值模式来研究辐射雾。但由于 对雾中各物理过程缺乏更深刻的认识，模拟时缺乏比较完善的物理基 础。因而模拟结果并不十分理想。刘昌泽等应用逐步回归的统计 方法，建立了大雾的最优预报方程，选取了有关风、云、湿、温的 13 个预报因子来预报大雾。 本文一切从辐射雾的预报出发，根据沈阳桃仙机场现在业务所能 得到的天气资料，来探讨辐射雾的预报着眼点，判断出了2004 年1 月5 日至6 日桃仙机场的大雾为辐射雾，并总结出了成雾区于正涡度 区的对应关系和成雾后温度返升等特点，对今后辐射雾的预报和飞行 保障提供了宝贵的经验。 2 辐射雾天气过程简介 沈阳桃仙机场一次罕见辐射雾天气分析 - 3 - 2004 年1 月5 日至6 日，沈阳桃仙机场出现了一次历史罕见的 大雾和烟共同影响的低能见度天气。这次低能见度天气过程是桃仙机 场有气象资料以来持续时间最长、强度也相对较强的一次过程，仅在 5 日一天就造成1 架次返航，5 个航班备降长春，12 个航班取消。自 5 日下午16：10 至6 日中午11：46 能见度低于700 m。且绝大多数 时间低于300 m。6 日午后能见好转在1000 m 到2000 m 之间。晚19： 15 以后又转为1000 m，19：50 为700 m，并继续缓慢下降到21：25 又下降到300 m。23：17 以后转为1000 m，以后逐渐好转。 归纳这次天气过程，有这样五个特点。一是形成因素比较复杂： 有辐射因素，同时还有烟；二是能见度降低速度快：5 日15:52 能见 度还在1000 m，16:19 能见度仅有500 m，随后即低于300 m；三是 持续时间长：自5 日16:19 至6 日23:17 近31 个小时时间内，有23 个小时能见度低于1000 m，且有21 小时49 分钟能见度低于500 m； 四是变化无常：能见度多次在500 m 上下变化，时好时坏；五是范围 大：辽宁大部地区都出现了大雾天气。这些，都给预报带来了很大难 度。 3 天气要素特点 3．1 均压场 从气压场形势看，5 日0000 UTC 在东北地区西部，贝加尔湖地 区以东地区为一个大陆冷高压，在加强发展并缓慢东移，其南部发展 到青藏高原，东部延伸到华北地区。东北地区东部在库页岛以东的太 沈阳桃仙机场一次罕见辐射雾天气分析 - 4 - 平洋东部洋面上为一加深发展的低压中心。从2004 年1 月5 日 0000UTC 地面图（图1）看到，沈阳东部有长白山小高维持，其中心 在长白山，中心值为1032 hPa。西部为华北地区的弱高压，其中心 在蒙古中部，中心值为1036 hPa。而沈阳桃仙机场就处于这两个高 压的中间地带，周围200～300 km 范围内的气压差值不足2 hPa，属 于均压场特征，周围各站风速较小，在2～3 m s-1 左右。5 日白天沈 阳基本处于晴空状态，6 日午后也只有4 个量的高云，这样的晴空少 云天气，有利于地面的辐射降温。其实，雾就是地面的云，云的形成 有3 个条件：水汽、凝结核、降温。地面雾的形成同样也需要这3 个 条件，只是不同在降温的机制上，云需要通过气团抬升到温度更低的 高度来达到降温的目的，而地面的降温机制是靠地表辐射降温来完成 的。 3．2 弱暖脊 从预报业务上可用到的两张地面图1 月5 日0000UTC 地面图（图 1）和0600UTC 地面图（略）上可见，辽沈地区的温度线比较平直， 呈东西走向。 从5 日0000UTC 925hPa 高空图（图2）可见，辽沈地区处于一 个弱暖脊的控制之下，－4 C 等温度线横亘在沈阳上空，0 C 等温 度位于大连上空。整个东北地区的等温度均呈东西平直走向。可见东 北地区位于均一气团的控制之下，只有南北地域的温度差异，没有明 显的冷暖空气活动。 图1 2004 年1 月5 日0000UTC 地面等压线（间隔2 hPa）和等温度线（间隔4 C） 沈阳桃仙机场一次罕见辐射雾天气分析 - 5 - 图2 5 日0000UTC 925hPa 等高线（间隔为20 gpm）、等温度线（间隔4 C）和涡度（间隔为0.810-5 s-1） 蓝色区域代表水汽通量散度负值区域，代表水汽的辐合区域。 由于弱暖脊形状与东北平原的分布有相似性，考虑此暖脊的形成 可能跟地形对辐射有影响有关。而在5 日0000UTC 850 hPa 高空图（略） 上则温度线基本呈平直分布。 3．3 水汽来源 从5 日0000UTC 925hPa 高空图（图2）可见，水汽通量散度的 大值区位于黄海西部和黄、渤海交界处，而并不在内陆地区，辽宁区 域上空的流线分析（图略）来看，925hPa 高空盛行西北风。因此可 以判定，此次大雾的水汽来源于本地，而不是其他地域的水汽输送。 这也就说明了，本次大雾属于辐射雾，而不是平流雾。而通过分析大 雾的生成区域发现，大雾的生成区和上一次辽沈地区的降雪区域有很 好的对应，考虑应该是积雪融化对水汽的作用很大。而且在5 日的白 天有近2 个小时的时间温度在0 C 以上（见图3），这有利于积雪的 融化。另外，在成雾阶段的相对湿度在88～91 之间。 3．4 涡度正值区 从5 日0000UTC 925hPa 高空图（图2）还可以看到，东北平原 处于一个浅槽的影响之下，特别辽宁境内位于一个涡度的正值区域， 涡度大值中心位于辽宁中东部地区，中心值为2.410-5 s-1。这种正 涡度区域不利于水汽的辐散和流失，确保了大雾的水汽供应，是形成 大雾不可或缺的机制。我们分析5 日1200UTC、6 日0000UTC 和6 日 1200UTC 的925hPa 高空图都可以看到辽宁境内的这种正涡度区的存 沈阳桃仙机场一次罕见辐射雾天气分析 - 6 - 在，5 日1200UTC 中心值为1.210-5 s-1，6 日1200UTC 中心值为3.210-5 s-1。也就是说在整个大雾发展过程中，大雾发生区域和涡度正值区对 应，但不是所有的涡度正值区都出现大雾。 3．5 温度返升、起伏现象 我们记录了此次大雾过程中从5 日0000UTC 到6 日1600UTC 的 40 个小时的温度变化，并将其做成温度曲线图（图3）。其中的横坐 标为以世界时标识的自5 日0000UTC 开始的时间步，第二个“00”表 示6 日的0000UTC。纵坐标为相应时刻桃仙机场的地表干球温度，单 位为C。图3 中的两个黑色椭圆圈出了两次成雾以后的紧接着的温 度回升现象，一次是在5 日的08：30UTC，当能见度由08：00UTC 的 1000 m 变化到08：30UTC 的700 m 时，温度回升了0.2 C；另一次 是在6 日的12：00UTC 到12：30UTC，温度由－7.0 C 升到－5.9 C。 而6 日的大雾也是在12:00UTC 出现。这说明，成雾后有温度回升的 现象，而此时从天气形势分析又找不到明显的温度平流，因此这些热 量应该来源于本地的水汽形成雾滴后的凝结潜热的释放。辐射雾的形 成需要逆温，而大雾形成后，对这种温度层结又会产生改变。 图3 2004 年1 月5 日0000UTC 到6 日1600UTC 的温度变化 另外，在成雾以后的温度记录中（图3）还可以看到，成雾以后 温度并不是一味下降的而是又起伏现象，图3 中用3 个蓝色椭圆来标 识。说明在大雾的发展过程中，仍然不断的有潜热释放。 3．6 逆温敏感温度 稳定的层结不利于边界层大气的垂直辐散，从而使水汽不在垂直 沈阳桃仙机场一次罕见辐射雾天气分析 - 7 - 方向辐散，和相应的正涡度区使水汽在水平方向聚集一样，有利于辐 射雾的生成。而稳定层结的生成的关键在于逆温层的生成。从预报的 角度就是预报最低温度能否低于近地面层的温度。近地面层的温度我 们往往取离地面最近的925 hPa 的温度。从天气图上看，5 日和6 日 沈阳上空925 hPa 的温度均为－4 C。在这里我们称这个温度为逆温 敏感温度。 关于最低气温的预报这里介绍一个无云无风时计算最低气温的 公式即兹维列夫公式。 M=0.5*(T+τ)-b 式中M 为最低气温，T 为0600UTC 温度，τ是0600UTC 露点，b 为经验系数。通过对沈阳桃仙机场单点进行一段时间的观测资料计 算，则b 在4 到6 之间，我们取4.5，最低气温的预报有一定的可靠 性。有风有云时要进行风速云量订正。5 日的0600UTC 温度为0 C， 露点为－5.2 C，如此计算得5 日夜间到6 日凌晨的最低温度将达到 －7.7 C（实际为－7.1 C）。6 日也同样可以计算得出。 辐射雾的预报在某种程度上是预报晴天的最低气温，最低气温如 果低于逆温敏感温度就易形成逆温层，就有利于成雾。而从上面的计 算来看，5 日、6 日都可以形成逆温层，有利于辐射雾的生成。 通过图3 我们也可以看到，5、6 日这两天的大雾都是温度下降 到逆温敏感温度－4 C 以后形成的。从预报角度考虑，可以说形成逆 温层的温度是一个关键指标，当温度降低到它以下时，对我们判断辐 射雾是否形成是敏感的，这也是我们称之为逆温敏感温度的原因。 沈阳桃仙机场一次罕见辐射雾天气分析 - 8 - 3．7 风是影响大雾形成和消散的关键 在大雾的生成和发展过程中风速一般不大在2～3 m s-1 左右，一 般不会超过5 m s-1。而大雾的消散往往是风向和风速发生较大变化， 风速达到4～5 m s-1以上。而关于风速的预报就要看对天气形势的预 报，现今的数值预报产品对天气形势的预报已经到了公认的相当准确 的地步，我们应用专业网站的数值预报，来判断天气形势的变化。 图4 数值预报产品中的天气形势预报 图4 中是来源于KMA（韩国气象局）的数值预报产品，是基于4 日1200UTC 的48 和54 小时预报，即对6 日1200UTC（左）和1800UTC （右）的气压场和6 小时降水量预报。从图中可见，在6 日1200UTC 和1800UTC 之间冷锋通过沈阳，天气形势发生较大变化，风向转为偏 北风，风速在5 m s-1 以上。冷锋过沈阳的时间应该在1500UTC 偏后 一点的时间。实际上，也是在6 日的15：17 风向逐渐转变，大雾逐 渐消散。 4 结论 通过对2004 年1 月5 日至6 日的发生在沈阳桃仙机场的一次罕 见的辐射雾和烟共同影响的低能见度天气分析，总结出有关辐射雾的 预报要点如下： （1）辐射雾往往形成在晴夜、微风、层结稳定和相对湿度大的 大气边界层内。 （2）风是影响辐射雾的关键因子，而准确的预报风需要依据数 沈阳桃仙机场一次罕见辐射雾天气分析 - 9 - 值预报产品。 （3）水汽来源在冬季需要有积雪或降水与之配合，通过水汽通 量的分析有利于分析水汽来源。 （4）水平的涡度正值区和垂直的逆温层的形成有利于水汽的堆 积，是形成辐射雾的有利条件。 （5）通过对最低温度的计算，可以判断是否能形成逆温层。 （6）辐射雾都是形成在降温阶段，并在通过逆温敏感温度以后。 （7）辐射雾形成后有温度反升和起伏现象，这可能是因为水汽 成雾滴的潜热释放作用。 另外，我们想通过一个个例的研究就想得到辐射雾的系统的预报 方法是不可能的，它只能给我们一些启示，今后还需要总结更多的个 例来提取共性的东西。这次低能见度过程是辐射雾和烟共同影响的， 我们对烟的影响还缺乏探讨和研究，还有潜热释放等问题，这些都是 需要应用大气物理的知识来研究和探讨的。现在，已经有人总结出了 一些大雾的经验预报因子和统计公式，我们是可以在业务中参考并尝 试应用的。 参考文献 1 陈廷良.现代运输机航空气象学.北京气象出版社,1992.140-141.162-171.488-490. 2 孙奕敏灾害性浓雾（专著）北京气象出版社1994 3 黄建平朱诗武朱斌辐射雾的大气边界层特征南京气象学院学报1998.6 第21 卷第2 期258－265 4 刘昌泽黄红兵哈尔滨机场冬雾预报黑龙江气象1999.1 35-38 沈阳桃仙机场一次罕见辐射雾天气分析 - 10 - THE ANALYSIS OF A INFREQUENT RADIATION FOG OCCURRED IN SHENYANG TAOXIAN AIRPORT LIU Wei Zhu Dongsheng (Weather Centre, Northeast Air Traffic Administration Bureau, Shenyang, 110169) Abstract An infrequent low visibility weather caused by both radiation fog and smoke occurred in Shenyang Taoxian Airport during 5-6 Jan. 2004. It is the longest duration and strongest case since 1998 when the observation data began to be noted, it had bad influence on scheduled flights. Through analyze this heavy fog, we found many characters from the weather factors such as: weather position, pressure, temperature, stream lines, divergence of vapor flux, vorticity, sensitivity temperature and relative humidity, to look for the characters of the case, in order to accumulate the experience to improve the veracity in forecast the fog weather. Key words: infrequent, radiation fog, analyze, weather factors

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