王春紅，譚艷梅，王清平，陳陽權(quán)

(民航新疆空管局氣象中心，新疆 烏魯木齊 830016)

引 言

濃霧是重要的災害性天氣之一，是誘發(fā)各類運輸安全事故的重要因素[1-6]。霧的形成、發(fā)展、維持和消散過程非常復雜，與天氣形勢、地理環(huán)境、邊界層條件等多種因素有關(guān)，其局地性特點顯著，預報難度較大[7-10]。研究表明，大氣邊界層較高的相對濕度和穩(wěn)定的溫度層結(jié)，是持續(xù)大霧天氣形成的必備條件[11-14]；風場主要通過動力、熱力作用以及水汽輸送等直接或間接影響霧的生消[12]，邊界層內(nèi)較小的風速和風的垂直切變，微弱的上升和下沉運動有利于霧的形成和維持[15-17]；強梯度風是霧快速消散的重要動力因子[18]，局地湖陸風或山谷風環(huán)流會導致霧的爆發(fā)性增長，影響霧的生消[12-13,17-19]。華北平流霧的穩(wěn)定維持與偏北大風帶來的下沉逆溫關(guān)系密切[13]。

烏魯木齊位于亞歐大陸腹地，地處天山北麓、準噶爾盆地南緣，同時又處在中天山峽谷的北端，冬季中低空風場有其自身特點，即600～800 m以下以西北風為主，風速小于4 m·s-1，600 m以上東南風逐漸成為主風向，1000 m以上東南風為主，最大風速接近10 m·s-1[20]。低空型東南風在冬季發(fā)生頻率很高，具有焚風性質(zhì)，可使逆溫層加強、增厚[21-22]。烏魯木齊機場冬季常出現(xiàn)嚴重影響航班運行的持續(xù)濃霧天氣，航空氣象預報和服務難度較大。目前針對烏魯木齊機場霧的分析研究大多集中在天氣形勢、地面要素、邊界層溫濕條件等方面[23-26]，對于空中風場在持續(xù)濃霧生消演變中的作用關(guān)注較少。2014—2016年，烏魯木齊機場大霧天氣頻繁出現(xiàn)，其中2016年共出現(xiàn)80個霧日，突破近30 a大霧日數(shù)極值，本文選取其中的持續(xù)濃霧天氣過程，分析中低空垂直風場特征，以期能提高預報員在這方面的認知，并在監(jiān)測與短臨預報等方面提供一些參考。

1 資料與方法

烏魯木齊機場(簡稱“機場”)海拔高度647 m，位于市區(qū)西北方向，烏魯木齊市氣象局觀測站(簡稱“烏魯木齊站”)位于市區(qū)，海拔高度935 m，兩站水平距離約20 km，海拔高度相差約300 m。

機場持續(xù)濃霧過程定義為：持續(xù)2 h及以上、主導能見度小于等于500 m且跑道主降方向跑道視程(runway visibility range,簡稱RVR)小于等于550 m的霧[25]。按此定義，選取2014年1月至2016年12月烏魯木齊機場持續(xù)濃霧過程46例(表1)。

表1 2014—2016年烏魯木齊機場持續(xù)濃霧天氣個例統(tǒng)計Tab.1 Statistics of persistent heavy fog processes at Urumqi airport from 2014 to 2016

所用資料包括：2014年1月至2016年12月的常規(guī)氣象資料、機場跑道自動觀測系統(tǒng)實時觀測資料、機場逐時人工地面氣象觀測資料、機場LAP-3000型邊界層風廓線雷達資料、烏魯木齊站L波段探空風場資料和烏魯木齊站CFL-03型邊界層風廓線雷達資料等。分析持續(xù)濃霧時垂直風場的總體結(jié)構(gòu)特征時，主要利用同期每日00:00(世界時，下同)和12:00烏魯木齊L波段探空站風場資料(垂直空間分辨率為50 m)；分析持續(xù)濃霧過程中不同階段中低空垂直風場的演變特征時，主要利用同期烏魯木齊站和機場兩部邊界層風廓線雷達資料。圖1為烏魯木齊L波段探空站及兩部風廓線雷達站地理位置示意圖。

圖1 烏魯木齊地形(陰影，單位：m)及L波段探空站、風廓線雷達站位置Fig.1 The terrain (the shade, Unit: m) of Urumqi and the locations of L-band sounding station and wind profile radar stations

2 持續(xù)濃霧的天氣形勢

2014—2016年烏魯木齊機場持續(xù)濃霧天氣過程的地面形勢以蒙古冷高壓后部型為主，500 hPa高空形勢主要有脊前型、脊區(qū)型、西風波動型和橫槽型,其中脊區(qū)型16例，脊前型和西風波動型各14例，橫槽型僅2例。脊前型時機場中高空甚至到低層均為西西北氣流，穩(wěn)定層結(jié)貼近地面，濕度條件較好時有利于持續(xù)濃霧的出現(xiàn)。具體可表現(xiàn)為兩種情形：一是給北疆帶來一次降水天氣的高空槽剛過烏魯木齊，烏魯木齊受槽后脊前西北氣流控制，如2016年11月27日22:00至28日00:30的持續(xù)濃霧[圖2(a)]；二是中亞到新疆為寬廣脊區(qū)，脊線在巴爾喀什湖附近，烏魯木齊受寬廣脊前部的西西北氣流控制。脊區(qū)型時機場層結(jié)穩(wěn)定度好，午間地面升溫會使雪面升華或融雪增濕，較有利于持續(xù)濃霧出現(xiàn)。具體也表現(xiàn)為兩種情形：一是北疆地區(qū)在低槽過境后，迅速演變?yōu)榕箙^(qū)控制；二是中亞—新疆—貝加爾湖為寬廣強盛的暖脊控制，如2016年12月9日07:00—14:00的持續(xù)濃霧[圖2(b)]。西風波動型時北疆地區(qū)受平直西風氣流控制，不斷有弱波動東移，但無法破壞低層前期存在的穩(wěn)定層結(jié)，濕度條件較好時有利于持續(xù)濃霧的出現(xiàn)，如2015年12月7日13:00—15:00的持續(xù)濃霧[圖2(c)]。橫槽型時，烏魯木齊中低空受橫槽后的東北風控制，穩(wěn)定度和濕度條件具備時會出現(xiàn)持續(xù)濃霧，如2015年12月13日13:00至14日01:30的持續(xù)濃霧[圖2(d)]。

圖2 2014—2016年烏魯木齊機場持續(xù)濃霧天氣典型個例的500 hPa位勢高度場(藍色等值線，單位：dagpm)、溫度場(紅色為溫度等值線，單位：℃)及風場(風矢量，單位：m·s-1)(a)2016年11月28日00:00，(b)2016年12月9日00:00，(c)2015年12月7日12:00，(d)2015年12月13日12:00(黑色圓點為烏魯木齊機場位置)Fig.2 The geopotential height field (the blue lines, Unit: dagpm), temperature field (the red lines, Unit: ℃) and wind field (vectors, Unit: m·s-1) on 500 hPa during persistent heavy fog processes at Urumqi airport from 2014 to 2016(a) 00:00 UTC on 28 November 2016, (b) 00:00 UTC on 9 December 2016,(c) 12:00 UTC on 7 December 2015, (d) 12:00 UTC on 13 December 2015(the black dot for the location of Urumqi airport)

3 L波段探空垂直風場廓線特征

普查所有持續(xù)濃霧個例的L波段探空垂直風場，基本可歸納為兩種結(jié)構(gòu)(表2)：一是自上而下由西西北風層和邊界層風場組成(簡稱“Ⅰ型風場”)，以脊前型和橫槽型為主；另一種是自上而下由西西北風層、空中東南風層和邊界層風場組成(簡稱“Ⅱ型風場”)，以脊區(qū)型和西風波動型多見。Ⅰ型風場和Ⅱ型風場個例總數(shù)分別為19例和27例，二者風場結(jié)構(gòu)最主要的區(qū)別在于是否存在空中東南風層。

表2 2014—2016年烏魯木齊機場持續(xù)濃霧天氣時垂直風場結(jié)構(gòu)分型Tab.2 The classification of vertical wind field structure during persistent heavy fog processes at Urumqi airport from 2014 to 2016

圖3為2014—2016年烏魯木齊機場持續(xù)濃霧天氣時烏魯木齊L波段探空站00:00及12:00 Ⅰ型風場、Ⅱ型風場的風向、風速垂直廓線。Ⅰ型風場的主要特點是：00:00，600 m以上為西西北風層，平均風速3～11 m·s-1，且隨高度增大。12:00，600～1300 m為東東北風，平均風速3～4 m·s-1(主要為橫槽型個例，鑒于橫槽型個例極少，可忽略不計)，1300 m以上為西西北風層，平均風速3～10 m·s-1，且隨高度增大。600 m以下的邊界層風場，00:00以東南風為主，12:00以西北風和北風為主，平均風速小于4 m·s-1。Ⅱ型風場的主要特點是：自2000 m向上為西西北風層，平均風速為8～11 m·s-1，且隨高度增大；空中東南風層00:00位于300～1800 m高度，平均風速2～8 m·s-1，12:00位于400～1900 m，平均風速3～10 m·s-1，最大風速層基本在800～1000 m左右，且12:00風層厚度和平均風速均大于00:00；邊界層風場00:00位于300 m以下，以偏東風為主，平均風速2～4 m·s-1，12:00位于400 m以下，以北、東北風為主，平均風速2～4 m·s-1。Ⅰ型風場和Ⅱ型風場的邊界層風場高度、風向等的晝夜差異體現(xiàn)了烏魯木齊地區(qū)局地山谷風環(huán)流的日變化特點[27]，即00：00為夜間盛行的山風(偏南風)，12:00為晝間盛行的谷風(偏北風)。

圖3 2014—2016年烏魯木齊機場持續(xù)濃霧天氣時烏魯木齊L波段探空站00:00(a、b)及12:00(c、d)Ⅰ型風場、Ⅱ型風場的風向(a、c)、風速(b、d)垂直廓線Fig.3 The vertical profiles of wind direction (a, c) and wind speed (b, d) at 00:00 UTC (a, b) and 12:00 UTC (c, d) at Urumqi L-band sounding station for the Ⅰ & Ⅱ type vertical wind pattern during persistent heavy fog processes at Urumqi airport from 2014 to 2016

圖4為2014—2016年烏魯木齊機場持續(xù)濃霧時各天氣型的烏魯木齊L波段探空站00:00及12:00風向、風速垂直廓線。可以看出，西西北風層的下界高度各天氣型之間差異較大，西風波動型最高，為2500 m左右，脊前型和脊區(qū)型在1500～2000 m左右，橫槽型最低為600 m左右?？罩袞|南風層的下界高度各型基本相同，00:00為300～400 m，12:00為500m，風速大小和風層厚度各天氣型有一定差異，平均風速西風波動型最大，為4～10 m·s-1，脊區(qū)型、脊前型分別為3～6 m·s-1、3～5 m·s-1，風層厚度西風波動型>脊區(qū)型>脊前型，00：00這3種天氣型的風層厚度分別為1300、900、500 m，12:00分別為1700、1100、800 m。西風波動型和脊區(qū)型的空中東南風層具有厚度厚、風速大的特點。邊界層風場各天氣型之間沒有明顯差異，高度均在500～600 m以下，平均風速≤4 m·s-1，風向受局地山谷風環(huán)流的影響，00：00多為偏南風，12:00多為偏北、偏西風。

圖4 2014—2016年烏魯木齊機場持續(xù)濃霧時各天氣型烏魯木齊L波段探空站00:00(a、b)及12:00(c、d)風向(a、c)、風速(b、d)垂直廓線Fig.4 The vertical profiles of wind direction (a, c) and wind speed (b, d) at 00:00 UTC (a, b) and 12:00 UTC (c, d) at Urumqi L-band sounding station for different weather types during persistent heavy fog processes at Urumqi airport from 2014 to 2016

4 風廓線雷達垂直風場演變

綜合分析烏魯木齊機場持續(xù)濃霧時機場、市區(qū)風廓線雷達資料發(fā)現(xiàn)：在持續(xù)濃霧發(fā)生和維持階段，西西北風層的演變主要表現(xiàn)為風速減小和下界高度上抬，空中東南風層的演變主要表現(xiàn)為新建立形成空中東南風層或是原有的空中東南風層加強(風層變厚、風速加大)、最大風速層和下界向地面下壓。邊界層風場在持續(xù)濃霧發(fā)生階段常表現(xiàn)為偏北風的出現(xiàn)或加大(風速約為2～4 m·s-1)，維持階段常表現(xiàn)為偏北風維持、風向不定、市區(qū)到機場的弱風場輻合“對峙”(市區(qū)上空為偏西、偏南風，機場上空為偏北風)等。在持續(xù)濃霧結(jié)束階段，西西北風層的風速有時會有不同程度增大，空中東南風層整體或大風層上抬，風速減小，邊界層風場常表現(xiàn)為一致的偏西風或西北風加大，風速可達2～8 m·s-1，或出現(xiàn)風速約2～4 m·s-1的東風層。

以烏魯木齊機場2015年1月14日16:30至15日03:00出現(xiàn)的脊區(qū)型持續(xù)濃霧過程為例(圖5)，在整個濃霧過程中，風速小于2 m·s-1，風向以西北、東北風為主，氣壓為正常的日變化，地面氣溫在濃霧出現(xiàn)階段下降(下降幅度小于1 ℃)，其后略有波動但基本保持平穩(wěn)，在濃霧結(jié)束階段，氣溫逐漸緩慢上升。

圖5 2015年1月14日16:30至15日03:00烏魯木齊機場持續(xù)濃霧過程地面氣象要素演變(a)跑道視程RVR，(b)溫度，(c)風速，(d)露點溫度，(e)風向，(f)氣壓Fig.5 The variations of surface meteorological elements during the persistent heavy fog processes at Urumqi airport from 16:30 UTC on 14 to 03:00 UTC on 15 January 2015(a) runway visibility range, (b) temperature, (c) wind speed,(d) dew-point temperature, (e) wind direction, (f) pressure

圖6為2015年1月14日16:30至15日03:00烏魯木齊機場持續(xù)濃霧過程邊界層風廓線雷達風場演變。可以看出，在持續(xù)濃霧開始前約1.5 h(14日15:00前后)：空中東南風層開始出現(xiàn)明顯的發(fā)展加強趨勢，烏魯木齊站東南風層下界由之前的500 m左右下壓到300 m以下，風速大于12 m·s-1的大風層由之前的1000～1200 m下壓至400～600 m，烏魯木齊機場的東南風層下界下壓到600 m左右，在700～900 m高度開始出現(xiàn)風速大于12 m·s-1的大風層；邊界層風場上烏魯木齊站和機場站之間的風場輻合趨勢加強，烏魯木齊站300 m以下的邊界層維持2～4 m·s-1的弱東南風，機場400 m以下的邊界層由之前2 m·s-1左右的偏西風逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)? m·s-1的西北風。在持續(xù)濃霧維持階段(14日16:30至15日01:00)：空中東南風層繼續(xù)變厚變強，烏魯木齊站東南風層向上發(fā)展至2700 m左右，下界基本保持在300～500 m，風速明顯增大，500～2000 m均為風速大于等于12 m·s-1的大風層，且在20:00之后，800～1700 m高度風速增大至20 m·s-1以上，烏魯木齊機場東南風層向上發(fā)展至2000 m以上，下界高度抬高至750 m左右，風速明顯增大，800 m以上均為風速大于等于12 m·s-1的大風層，且在20:00之后，1100 m以上風速開始增大至20 m·s-1；邊界層風場烏魯木齊站400 m以下由之前的弱東南風逐漸轉(zhuǎn)為風速小于等于2 m·s-1的偏北風，烏魯木齊機場750 m以下由2～4 m·s-1的西北風轉(zhuǎn)為2 m·s-1左右的北東北風。在持續(xù)濃霧結(jié)束階段(15日02:00—03:00)：空中東南風層呈上抬趨勢，烏魯木齊站東南風層下界逐漸抬高至800 m左右，風速大于等于12 m·s-1的大風層也整體抬高至1000 m以上；烏魯木齊機場東南風層下界逐漸抬高至900 m左右，風速大于等于12 m·s-1的大風層也整體逐漸抬高至1100 m以上；隨著空中東南風層的抬高，邊界層風場逐漸向上擴展，至03:00，烏魯木齊站700 m以下、機場900 m以下基本為2 m·s-1的東北風和北風。

圖6 2015年1月14日16:30至15日03:00烏魯木齊機場持續(xù)濃霧過程邊界層風廓線雷達風場演變(a)烏魯木齊站，(b)烏魯木齊機場Fig.6 The evolution of the vertical wind profiles from the boundary layer wind profile radars during the persistent heavy fog process at Urumqi airport from 16:30 UTC on 14 to 03:00 UTC on 15 January 2015(a) Urumqi station, (b) Urumqi airport

在此次持續(xù)濃霧的生消演變過程中，僅從地面要素變化來看，除了氣溫升降，很難找到其他關(guān)鍵預報因子，但中低空風場的變化具有1～2 h提前量，可為短臨預報提供一定參考。

5 垂直風場在持續(xù)濃霧天氣中的作用簡析

在有利的天氣形勢下，霧的出現(xiàn)、維持以及能見度的惡劣程度主要受近地面水汽條件、溫度層結(jié)以及湍流條件制約，而這三者的演變又與垂直風場結(jié)構(gòu)及其演變關(guān)系密切。西西北風層、空中東南風層的動力和熱力作用主要體現(xiàn)在對溫濕條件的影響上，邊界層風場的動力和熱力作用則直接影響邊界層的溫濕條件和湍流條件。

冬季北疆盆地及沿天山存在穩(wěn)定的中低空逆溫[14]，這種逆溫的形成與空中偏西、偏北氣流的整體下沉作用關(guān)系密切。西西北風層的高度、風力大小及風向變化，可以反映天氣形勢的變化及其對低層溫濕層結(jié)的影響，其下界高度基本上是穩(wěn)定層所能達到的上限高度。當高空天氣形勢為脊前型時，西北風的下界一般較低，有時距地面僅150 m左右，導致逆溫層頂很低，水汽貼近地面，霧中能見度往往也較低。

空中東南風層,即低空型東南風[21-22]，是烏魯木齊地區(qū)特有的區(qū)域性垂直風場，在冬季尤其多見。冬季地面冷高壓多穩(wěn)定盤踞在蒙古高原西部，其底后部的偏東氣流流經(jīng)中天山峽谷，3000 m以下易形成空中東南風，其強度、高度及下界位置變化對中低空逆溫層的高低強弱變化有顯著影響[21]。空中東南風層的存在有利于空中增溫，常使逆溫層頂降低，逆溫強度增大，或者使逆溫層頂之上的等溫層變厚?？罩袞|南風層向下發(fā)展或大風層向下壓低時，會導致穩(wěn)定層結(jié)壓低和加強，并使低層水汽向地面聚集，有利于濃霧的形成、維持或加強。反之空中東南風層風速減小或大風層上抬會使逆溫層頂抬高，逆溫強度減弱，對霧的減弱和消散有利。

冬季準噶爾盆地有較強的“冷湖效應”，因此盆地氣溫往往低于北疆沿天山各站的氣溫，南北向溫度梯度較大，致使烏魯木齊地區(qū)的山風和谷風熱力差異明顯。邊界層風場對于持續(xù)濃霧生消演變的影響主要體現(xiàn)在，當邊界層由偏南風轉(zhuǎn)為偏北風或偏北風加強時，會帶來盆地冷平流，導致地近地面降溫冷卻，有利于霧的出現(xiàn)和維持；烏魯木齊站邊界層的偏南風有利于機場上空逆溫的加強和維持，當邊界層弱風場在市區(qū)和機場間形成偏南風和偏北風的輻合對峙時，也有利于霧的持續(xù)和加強；當有西風帶天氣系統(tǒng)臨近，中低層開始出現(xiàn)一致西北風時，往往預示擾動即將來臨，有利于霧的減弱和消散。

6 結(jié) 論

(1)機場持續(xù)濃霧的地面形勢以蒙古冷高壓后部型為主，500 hPa高空天氣形勢主要有脊前型、脊區(qū)型、西風波動型和橫槽型4種類型。

(2)機場持續(xù)濃霧垂直風場結(jié)構(gòu)自上而下主要有兩種結(jié)構(gòu)，Ⅰ型風場自上而下由西西北風層和邊界層風場組成，Ⅱ型風場自上而下由西西北風層、空中東南風層和邊界層風場組成，二者風場結(jié)構(gòu)最主要的區(qū)別在于是否存在空中東南風層。

(3)西西北風層的下界高度在橫槽型時最低、西風波動型時最高；空中東南風層，西風波動型和脊區(qū)型時具有厚度厚、風速大的特點，邊界層風場各天氣型近似。

(4)在機場持續(xù)濃霧的發(fā)生和維持階段，西西北風層風速減小，下界高度上抬，新建立形成空中東南風層或是原有的空中東南風層加強、最大風速層和下界向近地面下壓，邊界層多為偏北風。在持續(xù)濃霧結(jié)束階段，西西北風層加強，空中東南風層減弱或上抬，低空出現(xiàn)一致的西或西北風。風廓線雷達監(jiān)測的中低空風場變化具有一定的時間提前量，可在濃霧的監(jiān)測和預報中發(fā)揮一定作用。

(5)西西北風層的變化是中高空天氣形勢調(diào)整和演變的體現(xiàn)；空中東南風層的強度、高度及下界位置變化對中低空逆溫層的高低、強弱有明顯影響，間接影響霧的生消及霧中能見度變化。邊界層風速較小，風向受山谷風等局地環(huán)流影響大，對持續(xù)濃霧的生消演變有最直接的影響。

霧的形成及維持是許多因素共同作用的結(jié)果，由于探測資料和能力所限，本文對于垂直風場在持續(xù)濃霧生消演變中的作用僅做了初步分析，今后希望能通過更多的量化指標指導實際預報工作。