2014年11月杭州机场连续两次大雾过程的对比分析

章元直 杨超锋

(民航浙江空管分局气象台,浙江 杭州 311207)

0 引 言

众所周知,气象能见度是指视力正常的人,在当时天气条件下,能够从天空背景中看到和辨认出目标物(黑色、大小适度)的最大水平距离。大气能见度对当前社会高速运行的海陆空交通来说,是极为重要的安全因素之一。根据我国1951—1985年间254次与气象有关的严重飞行事故的统计结果[1]看出,低能见度造成的飞行事故占19.2%,远高于低空风切变、积雨云。低能见度天气出现时,往往出现大面积航班延误或取消,大量旅客滞留机场,对航空运输带来巨大压力。由于大多数机场建立在城市的周边,机场能见度也容易受多种气象条件甚至污染物传播的影响[2-4]。一般来说,较强和持续性的低能见度是由于平流雾、辐射雾等引起。低能见度预报是机场气象预报的重要内容之一。

随着浙江经济社会的全面快速发展和杭州城市国际化的加快,杭州萧山国际机场已是我国重要的空港之一,也是上海等大城市主要的备降机场。机场东临东海、北靠杭州湾,易引起低能见度的发生。根据机场净空条件和导航设施,800 m是萧山机场航空作业重要的阈值标准。据萧山机场气候志统计,2001—2015年萧山机场出现低于800 m低能见度累年平均25.1 d,占全年日数的6.9%,主要出现在秋末到翌年的春初,主要与大气层结稳定度有关。

为了分析杭州萧山机场大雾的形成和快速演变过程,对2014年11月22—23日和24日两例不同类型的典型大雾过程进行比较分析。实况分析基于杭州市气象观测资料和韩国的地面、高空分析场。而杭州萧山机场地处的自然环境和气象条件有时有别于杭州市地面雾,为了更细致地分析大雾的突变过程,本文利用WRF模式对22—23日的大雾过程进行了中尺度数值模拟。

1 过程概况

2014年11月23日00时(北京时间,后同)至23日08:30,杭州机场持续能见度低于1 km的大雾长达8.5 h,最小能见度更是低至300 m,而且,过程发生非常突然,23日00时附近的0.5 h内,能见度从1600 m直接下降至700 m(图1a),然后持续下降至300 m,并保持了数小时,这是非常少见的突变过程。同时从相应的跑道视程的变化来看(图1b),23日00时附近也一致地呈现出突变下降过程,并且低视程持续维持到23日08：30。

图1 22日22时至24日10时机场实况地面气象要素的时间演变(a)能见度(单位:m); (b)跑道视程(单位:m);(c)气温和露点(单位:℃);(d)风向(单位:°)和(e)风速(单位:m/s)

另一场大雾形成于第二天24日07:30—09:30(图1a),相对于前一天(23日)的大雾来说,这次大雾的维持时间较短,仅有2 h左右,但是最低能见度降低至500 m,同样也严重影响了机场正常的起降和飞行,从能见度演变来看,24日这次过程的发生不具有明显突发性。从跑道视程变化来看(图1b),在清晨04时开始就有比较明显的波动下降过程,跑道视程最低值小于200 m,比23日跑道视程最低值还要低100 m左右。

从机场地面风场要素的对比来看(图1d、图1e),23日大雾过程的整体风速较第二天稍强,23日风速基本维持在2—4 m/s左右,风向为东北偏东风;而24日基本处于低于2 m/s的准静风和风向不定的情况;并且图1c中23日整个后半夜地面温度基本维持不变,而24日则有一个明显的先降温后升温的过程。综合机场地面气象观测分析,23日的大雾过程基本属于平流雾过程特征,而24日的大雾过程则偏向于辐射雾的特征。

2 天气形势分析

2.1 地面形势

从前期22日的地面形势(图2a)来看,杭州机场基本处于高压底部,弱冷空气路径偏东,主要集中在沿海一带,但冷空气的扩散太弱,并且快速东移入海,机场以偏东气流的影响为主,从海洋带来的暖湿水汽使得机场的湿度迅速增加,也使得机场后半夜温度一直保持16 ℃的原因之一,22日后半夜23日凌晨开始,西南倒槽迅速发展,机场主要位于倒槽发展的前部,有利于维持较好的湿度条件,较弱的低压场也不利于雾气的消散,从而导致了这次大雾过程的长时间维持。而相比较来说,24日早晨的大雾过程则是由于前一天的倒槽发展东伸,机场位于低压场中心附近弱气压场中(图2b),并且前期水汽条件较好,加之清晨辐射降温的影响,导致能见度的下降,但是从温度曲线来看,日出以后早晨温度的回升迅速,使得大雾得以快速消散。

图2 22日20时、23日20时地面形势和925 hPa高空形势(a)22日20时地面;(b)23日20时地面; (c)22日20时925 hPa;(d)23日20时925 hPa(阴影区为T-Td<2 ℃,来自http://web.kma.go.kr/chn/index.jsp)

2.2 高空形势

925 hPa高空图上,22日(图2c)机场主要受高压脊影响,盛行偏东气流,而从湿区(阴影区)来看,水汽主要集中在沿海一带,为水汽的平流提供了有利的条件。23日20时(图2d)和24日08时(图略)倒槽东伸,湿区的东移,机场处于倒槽暖区一侧,水汽条件较好;同时,伴随着辐射降温及倒槽北侧弱冷空气的扩散,便容易成雾。850 hPa的高空形势(图略)与925 hPa是一致的,而700 hPa和500 hPa的高空形势前后两天的形势变化不大(图略),主要以西南偏西气流的影响为主,比较有利于倒槽的发展东伸。

2.3 探空曲线分析

22日20时及23日08时的探空曲线图中(图略),层结曲线并没有表现出逆温层这种稳定且有利于大雾形成的温度垂直分布,22日20时在700 hPa以下的空气层结中温度露点差也基本维持在4～5℃,水汽条件没有完全达到饱和,23日08时杭州上空中低层温度露点差表现出湿度趋于饱和,此时正处于大雾发生的持续阶段,总体来看,对22—23日的大雾过程的预报意义较小,没有较明确的指示特征,尤其是23日00时大气能见度的突然降低过程。

相比较而言,23日20时及24日08时的探空曲线(图略)则在大气底层能看到一个较为明显的逆温层存在,只是逆温层显得很浅,且从两者的温度露点差来看,也能看出水汽条件要较前一天更好,配合风廓线呈现出来的低层弱风环境,对清晨大雾的预报是具有一定的指示作用。

3 数值模拟分析

从上述常规气象资料的分析来看,22—23日的平流大雾过程的起雾预报,尤其是起雾时间的预报是具有一定难度的,起雾突然且维持时间长的特点,使得这次大雾过程对机场的影响更为明显,而24日清晨的大雾过程相对来说,辐射雾的特征显得更明显,形势更明确一点。因此,为了更详细研究突发性平流雾的形成,利用中尺度数值模式,针对22—23日的大雾过程进行模拟和诊断分析。

3.1 模式设置

本文使用的是WRF(Weather Research Forecast)模式系统。模式初始场资料为美国环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)提供的最终分析(Final Analysis)资料,空间分辨率为1°×1°,时间分辨率为6 h。本次模拟时段为2014年11月22日14时至23日14时。

模式选取Mercator地图投影的网格区域,进行3重嵌套的模拟,具体嵌套区域和格局见表1。区域中心为30°N、120°E,模式顶设为50 hPa,垂直方向取43个不等距的sigma(σ)层。积分步长为150 s,各区域模拟结果每小时输出一次。

表1 模式嵌套网格设置

3.2 模式水汽分析

大雾形成的必要条件之一就是空气的饱和度。由模式输出的2 m高度相对湿度以及10 m高度风的时间演变可以看出(图略),饱和湿区由海上向陆地扩展与风向的转变有着密切的关系。18时,浙北及上海地区基本以东北风为主,饱和湿区分布在东海沿海的洋面上;20时,上海地区的风向开始转为偏东风,饱和湿区迅速由上海地区入侵至苏南,另外浙东沿海也开始转为东南偏东风;22时,嘉兴、湖州开始转为偏东风,饱和湿区开始入侵至浙北,浙东沿海东南偏东风更为明显;随后的23日00时和02时,饱和湿区进一步向西扩展,尤其明显的是31°N附近,饱和湿区沿着偏东风带一直延伸至皖南。由此可见,偏东风在饱和湿区的向西延伸上有着极为直接的作用。

此外,上述的湿区及风场演变中也能看到地形的作用对风向的影响以及对水汽的堆积效应。浙北西面多山,阻挡作用明显,而东面为钱江入海口,地势较为平坦,故水汽容易随着偏东风的快速侵入而迅速堆积。而在入海口两侧,北侧以东北偏东风和偏东风为主,南侧则是东南偏东风和东南风,两股气流也产生了一定的水汽辐合作用,这种现象一方面与地形有关,另一方面也与后期倒槽发展北拱有一定的关系。

选取杭州(30°N,120°E)附近,半径20 km的区域,约为30.0°～30.4°N,120.2°～120.6°E的范围,通过计算该区域内3 km高度以下的平均水汽混合比垂直累积量,来分析该区域水汽含量随时间的变化。可以看到(图略),前半夜(尤其在22时以前)水汽含量急剧上升,随后水汽混合比基本维持在0.087～0.089 kg/kg之间小幅波动。通过量化的计算,也证实了对水汽输送的推断,并且直观地得到了水汽剧增的时段。结合自动站能见度实况,当水汽含量达到高值以后,尤其是22—23时,钱江入海口附近出现了能见度的突降,可见这次平流雾过程中水汽起到了关键作用。然而,水汽的增加只是起雾条件之一,还有很多局地性的复杂条件影响着大雾的形成,从自动站的能见度实况可以看到,并不是水汽多湿度大的地方一定会有大雾的形成,凝结核的多少、城市热岛效应等因素也有很重要的影响,这也成为了大雾突发的一个预报难点的所在。从本例来看,浙北西高东低以及钱塘江入海口的地形作用对水汽的堆积起到重要作用,钱塘江入海口附近的地区普遍能见度较低,另外浙北大部前期霾的等级偏高,空气中的凝结核数量充足,也是原因之一。

3.3 模式探空分析

从模式输出机场位置的3 km高度以下的探空曲线(图3)可以看出,在模式大气中300 m以下存在一个逆温层,但该逆温层结的高度较低,以至于在实况探空图上都难以展示出来。通过比较模拟的温度露点差,自18时开始近地面层1 km以内的温度露点差呈逐渐缩小的趋势,越靠近地面温度露点差越小,即水汽越趋于饱和。这与实况分析一致,22时以前近地面层1 km以内的温度露点差也是呈现一个快速缩小的过程,之后则保持稳定,达到基本饱和态。

图3 模式模拟的机场位置(30.223°N,120.434°E)3 km以下的层结曲线(上曲线为温度,下曲线为露点温度,单位:℃;纵坐标为垂直高度,单位: km);(a)22日18时;(b)22日20时;(c)22日22时; (d)23日00时;(e)23日02时;(f)23日04时;

4 结 语

秋冬季大雾天气易发,严重妨碍航班的起飞与降落,对航班飞行的影响不可估量。而对于大雾天气的预报,仅靠几种经典的起雾条件就做出准确的判断也显得越来越困难,且往往影响比较明显的大雾过程都有着更为复杂的影响要素。本文通过对2014年11月22—23日与24日连续两次大雾过程的对比分析,得到以下结论:

1)22—23日的大雾过程属于平流雾,具有持续时间长和突发性特点,基本处于2～4 m/s的稳定东北偏东气流之中,而24日则属于辐射雾,维持时间较短,基本处于准静风或低于2 m/s风向不定情况下;起雾前后,后者在低层逆温层明显,而前者不明显,且后者比前者水汽条件更好。

2)从实况的形势场来看,在近地面,前者冷空气路径偏北偏东且扩散太弱,偏东气流从海洋带来的暖湿水汽成为起雾的主因,而后者由于倒槽北拱东伸,地面气压场弱,晴朗静风,且前期水汽条件较好。在高空的中高层两者区别不大,皆以西南偏西气流为主,但在低层,前者受弱高亚脊影响,后者则受倒槽切变东伸发展的影响。

3)从22—23日的数值模拟来看,饱和湿区由海上向陆地扩展与偏东风有着密切的关系。水汽含量在前半夜(尤其是22时以前)的急剧增长,是由于倒槽发展带来偏东与东南气流的辐合造成的水汽堆积、钱塘江口的地形条件以及前期浙北空气中颗粒物较多等因素共同形成的。并且在模式的探空曲线中300 m高度以下也存在一个明显的逆温层,但由于高度过低,以至于在常规探空图中不易被察觉。