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浅析首都机场近10年辐射雾的特征

作者:2014-11-07 17:24文章来源:未知
1 引言
       雾是近地面大气中悬浮有大量小水滴或冰晶微粒而使水平能见距离降到 1 公里以内的一种灾害性天气现象,是近地面空气由于降温或水汽含量增加而达到饱和,水汽凝结或凝华而形成的。雾不仅对正常的工农业生产、人民生活以及城市环境有很大的影响,对交通运输的负面影响也尤为突出,路面上行驶的汽车以及水面上航行的船舶事故明显增多。在民航方面,航空飞行安全和民航经济效益受大雾这类天气现象影响非常大。受大雾影响,能见度接近机场最低天气标准时,起飞或进近着陆过程中的飞行员就会看不清跑道,此时如果操作不当,就很难避免飞行事故。针对雾的探测和研究,对于认清雾的形成机制,提高雾的预报准确率,保障飞行和交通安全,都有十分重要的意义。
       雾按照其成因一般分为辐射雾、平流雾、锋面雾等。辐射雾指由于地表辐射冷却作用使地面气层水汽凝结而形成的雾。主要发生在晴朗、微风、近地面、水汽比较充沛的夜间或早晨。辐射雾在秋冬季节比较多见。辐射雾多生自午夜前后,日出前最浓,日出后随着太阳辐射加强,近地面层的气温很快升高,空气又恢复到不饱和状态,雾滴也就很快蒸发,逐渐变薄,直到消散。
       国内外研究学者对于辐射雾的形成机理和成因进行了大量研究。一是进行统计分析,找出不同类型雾发生的形势背景和气候特征,陈露等依据 1998‐2005 年首都机场大雾观测资料和 NCEP 再分析资料,统计分析了首都机场地区雾生成、持续和消散的气候特征。毛冬艳等根据 1995‐2000 年全国基本气象观测站等资料,统计了华北平原 12 月雾发生前或发生时大气低层部分气象要素的特征。另一方面是通过中尺度数值模拟,找出雾发生前、发生中和结束时的温度、湿度、层结等要素分布特征和大雾的成因及维持机制。Fisher 等,在不考虑辐射的直接影响,对湍流交换系数也只是简单地取为高度的函数。Zdunkowski对辐射冷却过程及湍流交换系数稳定度的变化作了较为合理的处理。钱敏伟、张利民以及石春娥等分别利用一维、二维或三维雾模式对长江上空以及重庆地区辐射雾的形成过程进行了数值模拟研究。樊琦等和刘开宇分别利用 MM5 模式对不同地区的辐射雾进行数值模拟研究后得出,恰当地选取模式中微物理过程参数化方案和模式分辨率能较好地模拟出雾形成、发展和消散的物理演变过程。此外,也有辐射雾预报应用方面的研究,梅珏应用人工神经元网络对 76 个辐射雾个例和 84 个形势相似的非雾个例进行训练拟合,建立了 BP 网络预报系统,取得了很好的预报效果。
       本文通过利用首都机场 2000 年 1 月到 2013 年 3 月气象观测站资料,根据辐射雾的特征,对近 10 年的发生在首都机场地区的辐射雾进行统计分析。选取个例,结合美国 NCEP再分析资料对环境场的分析,研究其特点与发生发展条件以及辐射雾的生消时间。旨在揭示辐射雾的边界层特征。
2.资料与方法
2.1 辐射雾特征
       有明显的季节性和日变化:秋冬多;多在下半夜至清晨,日出前后最浓,白天辐射升温后逐渐消散。与地理环境有密切的关系:潮湿的山谷、洼地、盆地;辐射雾的垂直、水平尺度:厚度几十米到几百米,分布不均,平原可连成大片雾区。
2.1.1 辐射雾成因
       辐射雾主要是因为夜间地面辐射冷却,从而靠近地表的空气温度低,形成逆温现象,经过长时间,水汽与凝结核下沉至地表附近,使空气中的水汽达到饱和所致,因此雾多发生在夜最长、气温最低的冬季或比较寒冷的冬半年。
2.1.2 辐射雾形成有力条件
       冷却条件:晴朗少云的夜间或清晨,地面散热迅速,使近地面气层降温多,有利于水汽凝结。当低空有辐射逆温形成时,有利于近地面层大量雾滴聚积于逆温层下而形成辐射雾。
       水汽条件:近地面层水汽充沛时,气温稍有下降就会使水汽凝结。湿度越大、湿层越厚,就越有利于形成雾。当空气被雨和潮湿的地面增湿以后,对形成辐射雾特别有利。
       层结条件:近地面气层比较稳定或有逆温存在时,就有利于水汽和尘埃杂质的聚集,如又有辐射冷却作用便易于水汽凝结形成雾。当气层不稳定时,就有利于上下层热量的交换和水汽扩散,而不利于雾的形成。
       风力条件:静风有利于形成露、霜或浅雾,但不利于形成雾;微风(1‐3 米/秒)对雾的形成最有利。要形成一定强度及一定厚度的辐射雾,仅有辐射冷却还不够,还必须有适度的垂直混合作用相配合,以便形成较厚的冷却层。空气静稳时,垂直混合太弱,不利于形成辐射雾,而风速过大(大于 3 米/秒)及温度层结不很稳定时,垂直混合又太强,也不利于形成辐射雾。
2.2 资料处理
       利用首都机场每小时一次的气象观测资料,初步筛选出小于 1 公里的能见度天气。通过以上辐射雾的特点,进而对大雾天气从雾的类别上进行分类。通过分析表明,由于大雾过程与多种因素有关,辐射雾多与平流雾共同产生。辐射雾每年单独发生的次数较少,其具有明显的季节特征,且能见度一般不会低于700米。
3个例分析
3.1 2013年1月12日
       2013 年 1 月 12 日为典型的一次辐射雾过程,从地面形势来看(见图 5),北京处在弱的高压控制中,地面风速较小为1‐2米/秒。高层为一致的偏西气流控制,低层1000hPa到850hPa东南偏东气流,且低空风速较小。高空无明显湿区。12 日夜间晴到少云伴有微风的情况均有利辐射雾的发生。
       1 月 12 日能见度与温度的时间序列图,可以得出在 12 日傍晚,由于地面辐射降温幅度较大,地面能见度出现了短时低于 1 公里的天气现象,之后维持在 1 公里,到后半夜温度为持续下降的过程,能见度再次降到 1 公里以下,维持在 800 米。整体来看,能见度与温度呈现正相关关系。12 日 0850UTC 能见度开始低于一公里,当时温度是‐4.5 摄氏度,比上一个时次(‐2.3 摄氏度)降低了 2.2 摄氏度,相对湿度从 71%增加到 81%,0850UC 的能见度为 900 米;对比雾消散前一个时次 (2150UTC)的温度、能见度和相对湿度分别为‐4.4摄氏度、900 米和 89%,这组数据与雾生成时大小相当。2250UTC 能见度上升到 1 公里,温度上升到‐3.5 摄氏度,相对湿度为83%。
3.2 2013年1月29日
       2013年1月29日为一次辐射雾伴平流雾过程,从地面形势来看,北京处在弱高压形势场控制,地面风速较小为 1‐2 米/秒。高层 500hPa 在 29 日 00‐06UTC 有槽划过,槽前有湿区存在,700hPa 与 850hPa 为偏西气流,低空风速较小。28 日夜间为晴间少云天气。
       2013年1月28日夜间 2050UTC 观测出现辐射雾 900 米,之后随着平流雾影响能见度突然下降到 100 米(2250UTC)。从图 13 可以看出在能见度低于 1 公里前,辐射降温已经非常明显,随着温度的降低,能见度从 1.4 公里降到 900 米,2050UTC 环境温度为‐8.1 摄氏度,相对湿度为 95%。之后能见度受平流雾的影响呈现出继续下降的态势。伴随着平流雾的发生,温度并没有继续下降,反而有增加趋势,增温幅度较为明显。
4.结论
       通过对 2001 年到 2013 年 3 月首都机场气象观测资料的分析,辐射雾发生的环境场多在晴朗少云微风的天气中,随着温度的降低,能见度逐渐降低,其造成的低能见度一般不会低于 700 米。辐射雾每年单独造成能见度低于 1 公里的次数较少,基本在 1‐2 次。辐射雾具有明显的季节特征,一般秋冬季节多发,日出前最浓,日出后随着温度升高,雾气逐渐消散。辐射雾多伴随平流雾发生,由于受平流雾的影响雾气消散时间更长。辐射雾发生时,风速多为 1‐2 米/秒的微风状态。

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