淺析首都機場近10年輻射霧的特征論文
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(nèi)的一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，是近地面空氣由于降溫或水汽含量增加而達到飽和，水汽凝結(jié)或凝華而形成的。霧不僅對正常的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活以及城市環(huán)境有很大的影響，對交通運輸?shù)呢撁嬗绊懸灿葹橥怀觯访嫔闲旭偟钠囈约八嫔虾叫械拇笆鹿拭黠@增多。在民航方面，航空飛行安全和民航經(jīng)濟效益受大霧這類天氣現(xiàn)象影響非常大。受大霧影響，能見度接近機場最低天氣標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)，就很難避免飛行事故。針對霧的探測和研究，對于認清霧的形成機制，提高霧的預(yù)報準(zhǔn)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。輻射霧指由于地表輻射冷卻作用使地面氣層水汽凝結(jié)而形成的霧。主要發(fā)生在晴朗、微風(fēng)、近地面、水汽比較充沛的夜間或早晨。輻射霧在秋冬季節(jié)比較多見。輻射霧多生自午夜前后，日出前最濃，日出后隨著太陽輻射加強，近地面層的氣溫很快升高，空氣又恢復(fù)到不飽和狀態(tài)，霧滴也就很快蒸發(fā)，逐漸變薄，直到消散。
國內(nèi)外研究學(xué)者對于輻射霧的形成機理和成因進行了大量研究。一是進行統(tǒng)計分析，找出不同類型霧發(fā)生的形勢背景和氣候特征，陳露等依據(jù) 1998‐20XX 年首都機場大霧觀測資料和 NCEP 再分析資料，統(tǒng)計分析了首都機場地區(qū)霧生成、持續(xù)和消散的氣候特征。毛冬艷等根據(jù) 1995‐20XX 年全國基本氣象觀測站等資料，統(tǒng)計了華北平原 12 月霧發(fā)生前或發(fā)生時大氣低層部分氣象要素的特征。另一方面是通過中尺度數(shù)值模擬，找出霧發(fā)生前、發(fā)生中和結(jié)束時的溫度、濕度、層結(jié)等要素分布特征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(shù)也只是簡單地取為高度的函數(shù)。Zdunkowski對輻射冷卻過程及湍流交換系數(shù)穩(wěn)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(qū)輻射霧的形成過程進行了數(shù)值模擬研究。樊琦等和劉開宇分別利用 MM5 模式對不同地區(qū)的輻射霧進行數(shù)值模擬研究后得出，恰當(dāng)?shù)剡x取模式中微物理過程參數(shù)化方案和模式分辨率能較好地模擬出霧形成、發(fā)展和消散的物理演變過程。此外，也有輻射霧預(yù)報應(yīng)用方面的研究，梅玨應(yīng)用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對 76 個輻射霧個例和 84 個形勢相似的非霧個例進行訓(xùn)練擬合，建立了 BP 網(wǎng)絡(luò)預(yù)報系統(tǒng)，取得了很好的預(yù)報效果。
本文通過利用首都機場 20XX 年 1 月到 20XX 年 3 月氣象觀測站資料，根據(jù)輻射霧的特征，對近 10 年的發(fā)生在首都機場地區(qū)的輻射霧進行統(tǒng)計分析。選取個例，結(jié)合美國 NCEP再分析資料對環(huán)境場的分析，研究其特點與發(fā)生發(fā)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征。
2.資料與方法
2.1 輻射霧特征
有明顯的季節(jié)性和日變化：秋冬多；多在下半夜至清晨，日出前后最濃，白天輻射升溫后逐漸消散。與地理環(huán)境有密切的`關(guān)系：潮濕的山谷、洼地、盆地；輻射霧的垂直、水平尺度：厚度幾十米到幾百米，分布不均，平原可連成大片霧區(qū)。
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(xiàn)象，經(jīng)過長時間，水汽與凝結(jié)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(fā)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：晴朗少云的夜間或清晨，地面散熱迅速，使近地面氣層降溫多，有利于水汽凝結(jié)。當(dāng)?shù)涂沼休椛淠鏈匦纬蓵r，有利于近地面層大量霧滴聚積于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(jié)。濕度越大、濕層越厚，就越有利于形成霧。當(dāng)空氣被雨和潮濕的地面增濕以后，對形成輻射霧特別有利。
層結(jié)條件：近地面氣層比較穩(wěn)定或有逆溫存在時，就有利于水汽和塵埃雜質(zhì)的聚集，如又有輻射冷卻作用便易于水汽凝結(jié)形成霧。當(dāng)氣層不穩(wěn)定時，就有利于上下層熱量的交換和水汽擴散，而不利于霧的形成。
風(fēng)力條件：靜風(fēng)有利于形成露、霜或淺霧，但不利于形成霧；微風(fēng)（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�？諝忪o穩(wěn)時，垂直混合太弱，不利于形成輻射霧，而風(fēng)速過大（大于 3 米/秒）及溫度層結(jié)不很穩(wěn)定時，垂直混合又太強，也不利于形成輻射霧。
2.2 資料處理
利用首都機場每小時一次的氣象觀測資料，初步篩選出小于 1 公里的能見度天氣。通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。通過分析表明，由于大霧過程與多種因素有關(guān)，輻射霧多與平流霧共同產(chǎn)生。輻射霧每年單獨發(fā)生的次數(shù)較少，其具有明顯的季節(jié)特征，且能見度一般不會低于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(fēng)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(fēng)速較小。高空無明顯濕區(qū)。12 日夜間晴到少云伴有微風(fēng)的情況均有利輻射霧的發(fā)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，由于地面輻射降溫幅度較大，地面能見度出現(xiàn)了短時低于 1 公里的天氣現(xiàn)象，之后維持在 1 公里，到后半夜溫度為持續(xù)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(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。12 日 0850UTC 能見度開始低于一公里，當(dāng)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，相對濕度從 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、能見度和相對濕度分別為‐4.4攝氏度、900 米和 89%，這組數(shù)據(jù)與霧生成時大小相當(dāng)。2250UTC 能見度上升到 1 公里，溫度上升到‐3.5 攝氏度，相對濕度為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(fēng)速較小為 1‐2 米/秒。高層 500hPa 在 29 日 00‐06UTC 有槽劃過，槽前有濕區(qū)存在，700hPa 與 850hPa 為偏西氣流，低空風(fēng)速較小。28 日夜間為晴間少云天氣。
20XX年1月28日夜間 2050UTC 觀測出現(xiàn)輻射霧 900 米，之后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于 1 公里前，輻射降溫已經(jīng)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(huán)境溫度為‐8.1 攝氏度，相對濕度為 95%。之后能見度受平流霧的影響呈現(xiàn)出繼續(xù)下降的態(tài)勢。伴隨著平流霧的發(fā)生，溫度并沒有繼續(xù)下降，反而有增加趨勢，增溫幅度較為明顯。
4.結(jié)論
通過對 20XX 年到 20XX 年 3 月首都機場氣象觀測資料的分析，輻射霧發(fā)生的環(huán)境場多在晴朗少云微風(fēng)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于 700 米。輻射霧每年單獨造成能見度低于 1 公里的次數(shù)較少，基本在 1‐2 次。輻射霧具有明顯的季節(jié)特征，一般秋冬季節(jié)多發(fā)，日出前最濃，日出后隨著溫度升高，霧氣逐漸消散。輻射霧多伴隨平流霧發(fā)生，由于受平流霧的影響霧氣消散時間更長。輻射霧發(fā)生時，風(fēng)速多為 1‐2 米/秒的微風(fēng)狀態(tài)。
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