淺析首都機場近10年輻射霧的特徵論文
淺析首都機場近10年輻射霧的特徵論文
1 引言
霧是近地面大氣中懸浮有大量小水滴或冰晶微粒而使水平能見距離降到 1 公里以內的一種災害性天氣現象，是近地面空氣由於降溫或水汽含量增加而達到飽和，水汽凝結或凝華而形成的。霧不僅對正常的工農業生產、人民生活以及城市環境有很大的影響，對交通運輸的負面影響也尤為突出，路面上行駛的汽車以及水面上航行的船舶事故明顯增多。在民航方面，航空飛行安全和民航經濟效益受大霧這類天氣現象影響非常大。受大霧影響，能見度接近機場最低天氣標準時，起飛或進近著陸過程中的飛行員就會看不清跑道，此時如果操作不當，就很難避免飛行事故。針對霧的探測和研究，對於認清霧的形成機制，提高霧的預報準確率，保障飛行和交通安全，都有十分重要的意義。
霧按照其成因一般分為輻射霧、平流霧、鋒面霧等。輻射霧指由於地表輻射冷卻作用使地面氣層水汽凝結而形成的霧。主要發生在晴朗、微風、近地面、水汽比較充沛的夜間或早晨。輻射霧在秋冬季節比較多見。輻射霧多生自午夜前後，日出前最濃，日出後隨著太陽輻射加強，近地面層的氣溫很快升高，空氣又恢復到不飽和狀態，霧滴也就很快蒸發，逐漸變薄，直到消散。
國內外研究學者對於輻射霧的形成機理和成因進行了大量研究。一是進行統計分析，找出不同型別霧發生的形勢背景和氣候特徵，陳露等依據 1998‐20XX 年首都機場大霧觀測資料和 NCEP 再分析資料，統計分析了首都機場地區霧生成、持續和消散的氣候特徵。毛冬豔等根據 1995‐20XX 年全國基本氣象觀測站等資料，統計了華北平原 12 月霧發生前或發生時大氣低層部分氣象要素的特徵。另一方面是透過中尺度數值模擬，找出霧發生前、發生中和結束時的溫度、溼度、層結等要素分佈特徵和大霧的成因及維持機制。Fisher 等，在不考慮輻射的直接影響，對湍流交換系數也只是簡單地取為高度的函式。Zdunkowski對輻射冷卻過程及湍流交換系數穩定度的變化作了較為合理的處理。錢敏偉、張利民以及石春娥等分別利用一維、二維或三維霧模式對長江上空以及重慶地區輻射霧的形成過程進行了數值模擬研究。樊琦等和劉開宇分別利用 MM5 模式對不同地區的輻射霧進行數值模擬研究後得出，恰當地選取模式中微物理過程引數化方案和模式解析度能較好地模擬出霧形成、發展和消散的物理演變過程。此外，也有輻射霧預報應用方面的研究，梅珏應用人工神經元網路對 76 個輻射霧個例和 84 個形勢相似的非霧個例進行訓練擬合，建立了 BP 網路預報系統，取得了很好的預報效果。
本文透過利用首都機場 20XX 年 1 月到 20XX 年 3 月氣象觀測站資料，根據輻射霧的特徵，對近 10 年的發生在首都機場地區的輻射霧進行統計分析。選取個例，結合美國 NCEP再分析資料對環境場的分析，研究其特點與發生發展條件以及輻射霧的生消時間。旨在揭示輻射霧的邊界層特徵。
2.資料與方法
2.1 輻射霧特徵
有明顯的季節性和日變化：秋冬多；多在下半夜至清晨，日出前後最濃，白天輻射升溫後逐漸消散。與地理環境有密切的`關係：潮溼的山谷、窪地、盆地；輻射霧的垂直、水平尺度：厚度幾十米到幾百米，分佈不均，平原可連成大片霧區。
2.1.1 輻射霧成因
輻射霧主要是因為夜間地面輻射冷卻，從而靠近地表的空氣溫度低，形成逆溫現象，經過長時間，水汽與凝結核下沉至地表附近，使空氣中的水汽達到飽和所致，因此霧多發生在夜最長、氣溫最低的冬季或比較寒冷的冬半年。
2.1.2 輻射霧形成有力條件
冷卻條件：晴朗少雲的夜間或清晨，地面散熱迅速，使近地面氣層降溫多，有利於水汽凝結。當低空有輻射逆溫形成時，有利於近地面層大量霧滴聚積於逆溫層下而形成輻射霧。
水汽條件：近地面層水汽充沛時，氣溫稍有下降就會使水汽凝結。溼度越大、溼層越厚，就越有利於形成霧。當空氣被雨和潮溼的地面增溼以後，對形成輻射霧特別有利。
層結條件：近地面氣層比較穩定或有逆溫存在時，就有利於水汽和塵埃雜質的聚集，如又有輻射冷卻作用便易於水汽凝結形成霧。當氣層不穩定時，就有利於上下層熱量的交換和水汽擴散，而不利於霧的形成。
風力條件：靜風有利於形成露、霜或淺霧，但不利於形成霧；微風（1‐3 米/秒）對霧的形成最有利。要形成一定強度及一定厚度的輻射霧，僅有輻射冷卻還不夠，還必須有適度的垂直混合作用相配合，以便形成較厚的冷卻層。空氣靜穩時，垂直混合太弱，不利於形成輻射霧，而風速過大（大於 3 米/秒）及溫度層結不很穩定時，垂直混合又太強，也不利於形成輻射霧。
2.2 資料處理
利用首都機場每小時一次的氣象觀測資料，初步篩選出小於 1 公里的能見度天氣。透過以上輻射霧的特點，進而對大霧天氣從霧的類別上進行分類。透過分析表明，由於大霧過程與多種因素有關，輻射霧多與平流霧共同產生。輻射霧每年單獨發生的次數較少，其具有明顯的季節特徵，且能見度一般不會低於700米。
3個例分析
3.1 20XX年1月12日
20XX 年 1 月 12 日為典型的一次輻射霧過程，從地面形勢來看（見圖 5），北京處在弱的高壓控制中，地面風速較小為1‐2米/秒。高層為一致的偏西氣流控制，低層1000hPa到850hPa東南偏東氣流，且低空風速較小。高空無明顯溼區。12 日夜間晴到少雲伴有微風的情況均有利輻射霧的發生。
1 月 12 日能見度與溫度的時間序列圖，可以得出在 12 日傍晚，由於地面輻射降溫幅度較大，地面能見度出現了短時低於 1 公里的天氣現象，之後維持在 1 公里，到後半夜溫度為持續下降的過程，能見度再次降到 1 公里以下，維持在 800 米。整體來看，能見度與溫度呈現正相關關係。12 日 0850UTC 能見度開始低於一公里，當時溫度是‐4.5 攝氏度，比上一個時次（‐2.3 攝氏度）降低了 2.2 攝氏度，相對溼度從 71%增加到 81%，0850UC 的能見度為 900 米；對比霧消散前一個時次 （2150UTC）的溫度、能見度和相對溼度分別為‐4.4攝氏度、900 米和 89%，這組資料與霧生成時大小相當。2250UTC 能見度上升到 1 公里，溫度上升到‐3.5 攝氏度，相對溼度為83%。
3.2 20XX年1月29日
20XX年1月29日為一次輻射霧伴平流霧過程，從地面形勢來看，北京處在弱高壓形勢場控制，地面風速較小為 1‐2 米/秒。高層 500hPa 在 29 日 00‐06UTC 有槽劃過，槽前有溼區存在，700hPa 與 850hPa 為偏西氣流，低空風速較小。28 日夜間為晴間少雲天氣。
20XX年1月28日夜間 2050UTC 觀測出現輻射霧 900 米，之後隨著平流霧影響能見度突然下降到 100 米（2250UTC）。從圖 13 可以看出在能見度低於 1 公里前，輻射降溫已經非常明顯，隨著溫度的降低，能見度從 1.4 公里降到 900 米，2050UTC 環境溫度為‐8.1 攝氏度，相對溼度為 95%。之後能見度受平流霧的影響呈現出繼續下降的態勢。伴隨著平流霧的發生，溫度並沒有繼續下降，反而有增加趨勢，增溫幅度較為明顯。
4.結論
透過對 20XX 年到 20XX 年 3 月首都機場氣象觀測資料的分析，輻射霧發生的環境場多在晴朗少雲微風的天氣中，隨著溫度的降低，能見度逐漸降低，其造成的低能見度一般不會低於 700 米。輻射霧每年單獨造成能見度低於 1 公里的次數較少，基本在 1‐2 次。輻射霧具有明顯的季節特徵，一般秋冬季節多發，日出前最濃，日出後隨著溫度升高，霧氣逐漸消散。輻射霧多伴隨平流霧發生，由於受平流霧的影響霧氣消散時間更長。輻射霧發生時，風速多為 1‐2 米/秒的微風狀態。