成都機(jī)場(chǎng)2019～2020年初輻射霧過(guò)程中微波輻射計(jì)應(yīng)用

伍 一，趙瑞達(dá)，胡 壯

(民航西南空中交通管理局，成都 610202)

引言

霧是指近地面大氣中懸浮的小水滴或冰晶使得水平能見(jiàn)到低于1000m的天氣現(xiàn)象，通常可分為輻射霧、平流霧、鋒面霧等。霧的氣象條件得到了較多研究[1-4]，輻射霧常出現(xiàn)在晴空微風(fēng)的夜間或清晨，近地面中有充沛的水汽，以及有較穩(wěn)定的大氣層結(jié)或逆溫層的條件下。四川盆地水汽充沛，受地形影響，冬季風(fēng)力弱，易形成穩(wěn)定的大氣層結(jié)，使其成為我國(guó)多霧的地區(qū)。成都雙流國(guó)際機(jī)場(chǎng)地處四川盆地西部，成都市西南，在機(jī)場(chǎng)的日常運(yùn)行中，輻射霧是冬季影響運(yùn)行的主要天氣。它的出現(xiàn)往往對(duì)航班安全運(yùn)行產(chǎn)生重大影響，特別在早上06時(shí)后，是航班出港的早高峰，此時(shí)出現(xiàn)輻射霧可造成航班大面積延誤。因此，研究和準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)輻射霧出現(xiàn)和消散的時(shí)間，對(duì)機(jī)場(chǎng)的正常起降和航班安全效率的運(yùn)行十分必要。

近年來(lái)，微波輻射計(jì)在降水[5-6]、強(qiáng)對(duì)流[7]等天氣得到了較多應(yīng)用。它通過(guò)被動(dòng)遙感探測(cè)大氣微波輻射，可以反演地面至10km高度的大氣溫濕特征，具有較高的時(shí)空連續(xù)性。國(guó)內(nèi)許多專(zhuān)家學(xué)者都對(duì)微波輻射計(jì)資料進(jìn)行過(guò)驗(yàn)證和分析，如：劉紅燕[8]通過(guò)插值探空資料，對(duì)比0m、100m、200m、300m等高度上的微波輻射計(jì)反演溫度，發(fā)現(xiàn)兩者偏差絕對(duì)值的最小值出現(xiàn)在100m高度。孫鴻娉等[9]通過(guò)對(duì)比兩種資料在50～8000m的幾個(gè)特定高度上的溫度，發(fā)現(xiàn)各垂直高度層中相關(guān)系數(shù)都在0.97以上，反演溫度在200m以下偏低，200m以上偏高。張文剛等[10]發(fā)現(xiàn)，微波輻射計(jì)反演溫度與探空溫度一致性較好，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.997以上，但反演誤差有日變化特征，大值區(qū)在午后，主要由于午后溫度高，對(duì)流旺盛，溫度波動(dòng)較大。以上研究也說(shuō)明微波輻射計(jì)反演溫度總體可信，但在近地層的偏差較大。本文中主要分析了成都雙流國(guó)際機(jī)場(chǎng)2019～2020年初的幾次輻射霧過(guò)程中的微波輻射計(jì)資料與自動(dòng)觀測(cè)資料，以期對(duì)以后輻射霧過(guò)程的預(yù)報(bào)服務(wù)能提供更好的參考。

1 資料與方法

成都雙流國(guó)際機(jī)場(chǎng)2019～2020年初出現(xiàn)了4次輻射霧過(guò)程，時(shí)間為2019年4月13日、11月21日、12月9日及2020年1月29日。本文主要選取了過(guò)程當(dāng)天和前一天連續(xù)2天的自動(dòng)觀測(cè)資料、微波輻射計(jì)資料。

相比人工觀測(cè)的主導(dǎo)能見(jiàn)度，跑道視程(RVR)對(duì)航班起降的影響更為直接。跑道視程(RVR)是跑道中線(xiàn)上，航空器駕駛員可看到的跑道中線(xiàn)燈或邊線(xiàn)燈的最大距離。它是經(jīng)大氣透射儀測(cè)量后考慮大氣消光系數(shù)、視覺(jué)閾值和跑道燈強(qiáng)度而計(jì)算的數(shù)值。因此，對(duì)于相同的能見(jiàn)度，不同等級(jí)的跑道燈光，RVR值也不同。成都雙流機(jī)場(chǎng)跑道燈光分三級(jí)：10%、30%、100%，霧天氣條件下，跑道燈光等級(jí)均為100%。因此，霧過(guò)程中的RVR值比能見(jiàn)度值更客觀，且RVR值的變化也能反映霧的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和濃度特征。RVR值的變化情況直接影響機(jī)場(chǎng)運(yùn)行及航班能否起降，成都雙流機(jī)場(chǎng)Ⅱ類(lèi)運(yùn)行降落標(biāo)準(zhǔn)為550m≥RVR≥300m，預(yù)報(bào)中重點(diǎn)關(guān)注RVR變化經(jīng)過(guò)550m臨界值的時(shí)間。本文重點(diǎn)使用了自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)10min平均的RVR資料，它每分鐘滑動(dòng)平均一次，相對(duì)運(yùn)行中使用的1min平均RVR更穩(wěn)定。選取的兩條跑道南北共4端RVR，分別為西跑道北端(20R)和南端(02L)、東跑道北端(20L)和南端(02R)。機(jī)場(chǎng)的微波輻射計(jì)為Arida HGT-4型，位于02R附近。本文使用的復(fù)合對(duì)流層溫度(綜合邊界層模式和自由大氣模式兩種模式的結(jié)果)和濕度(相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度)資料垂直分辨率為0～10km共93層，時(shí)間分辨率約1～2min；氣象站數(shù)據(jù)包含儀器自帶傳感器探測(cè)的觀測(cè)場(chǎng)氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、風(fēng)向風(fēng)速等。文中垂直高度取0～1500m共42層，時(shí)間統(tǒng)一取10min平均，并通過(guò)溫濕廓線(xiàn)計(jì)算虛位溫分析。位溫是干空氣絕熱上升或下降到1000hPa時(shí)的溫度，對(duì)于未飽和濕空氣，由于密度比相同條件下的干空氣密度低，往往以虛位溫代替。根據(jù)靜力平衡方程、虛位溫公式和水汽壓公式，通過(guò)計(jì)算比濕，可計(jì)算觀測(cè)場(chǎng)和各高度的虛位溫。

2 輻散霧中RVR變化特征

根據(jù)圖1，4月13日各端RVR同時(shí)低于550m的時(shí)段基本沒(méi)有，多表現(xiàn)為部分霧的特征；其他3次過(guò)程均有較長(zhǎng)一段時(shí)間各端RVR同時(shí)低于550m，霧的濃度相對(duì)更均勻。在霧出現(xiàn)時(shí)，各端RVR下降至550m以下的時(shí)間點(diǎn)有較大差別，4月13日和12月9日差別較大。另外，歷次過(guò)程，RVR最先都從02R開(kāi)始降低，低于550m的時(shí)間在各跑道端中也都是最長(zhǎng)的，20R最后開(kāi)始下降，低于550m的時(shí)間也最短。這與地表植被有關(guān)，雙流機(jī)場(chǎng)位于成都市西南，02R在機(jī)場(chǎng)最南側(cè)，植被條件較最北側(cè)的20R更好，水汽更充足。RVR回升穩(wěn)定在550m以上的時(shí)間，4月13日各端RVR回升情況差異較大，其他3次過(guò)程各端RVR回升的時(shí)間和趨勢(shì)比較一致，大致可用02R端RVR回升的時(shí)間表示。

通過(guò)表1可見(jiàn)，能見(jiàn)度與RVR有一定的相關(guān)性，但也有差別。不同輻射霧過(guò)程的最低RVR可能出現(xiàn)在任一端跑道。12月9日RVR低于550m的時(shí)間最長(zhǎng)，達(dá)10h，RVR也最低；1月29日的時(shí)長(zhǎng)次之，最低RVR也較12月9日高；4月13日和11月21日持續(xù)時(shí)間約6h，最低RVR也最好。可見(jiàn)霧的濃度越濃，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。

表1 輻散霧過(guò)程中能見(jiàn)度值及RVR值的情況

3 微波輻射計(jì)資料分析

3.1 微波輻射計(jì)探測(cè)誤差討論

通過(guò)對(duì)比微波輻射計(jì)反演的0m處溫度與其自帶傳感器探測(cè)的氣象站溫度，發(fā)現(xiàn)反演溫度午后往往存在較大偏差，最大時(shí)偏低達(dá)到5℃；而在凌晨反演溫度反而偏高，最大時(shí)偏高2℃左右。分析微波輻射計(jì)資料的溫度廓線(xiàn)可發(fā)現(xiàn)，即使在晴天午后近地層中也常存在一層逆溫。如圖2(a)，Tmax表示垂直方向上最高氣溫所在高度，可反映出逆溫層頂高度，圖中可見(jiàn)，12月8日12～16時(shí)、12月9日14～16時(shí)，300m以下存在暖中心，但最高氣溫在50m高度左右，50m以下氣層溫度反而更低。同時(shí)，根據(jù)邊界層理論，晴朗的白天邊界層內(nèi)熱力湍流發(fā)展，氣層不穩(wěn)定，上下交換強(qiáng)烈，近地層之上，位溫垂直分布趨于均勻，此時(shí)邊界層為對(duì)流邊界層。圖2(b)中，12月8日14時(shí)，900m以下虛位溫隨高度基本不變，存在對(duì)流邊界層；但在近地層約50m以下，虛位溫隨高度升高。造成上述原因，考慮是微波輻射計(jì)在近地層的反演偏差較大所導(dǎo)致，特別是午后對(duì)流強(qiáng)，溫濕波動(dòng)大，偏差也大。由于較大偏差主要在近地層，特別在50m以下，因此后續(xù)分析未參考微波輻射計(jì)反演的10m、25m、50m、75m層的資料，0m資料則以氣象站數(shù)據(jù)代替。

3.2 溫度廓線(xiàn)分析

輻射霧過(guò)程中，常能觀測(cè)到在地面至200～300m高度處存在近地面逆溫層，它限制了湍流向上層的輸送，使水汽、凝結(jié)核在近地面積累。日出后，隨著地面升溫，湍流加強(qiáng)，逆溫層減弱消失，霧也逐漸消散。因此，逆溫層破壞消散的時(shí)間是預(yù)報(bào)霧消散的重要依據(jù)。

圖3中，Tmax標(biāo)注了垂直方向上最高氣溫所在高度(若在0m處則未標(biāo)注)，可見(jiàn)4次過(guò)程均存在逆溫層。4月13日過(guò)程，逆溫層于12日20時(shí)出現(xiàn)，13日03～04時(shí)逆溫層達(dá)到最高220m，最強(qiáng)強(qiáng)度約3.4K，08時(shí)后地面溫度開(kāi)始高于逆溫層頂溫度。11月21日逆溫層約00時(shí)前出現(xiàn)，逆溫層最強(qiáng)時(shí)約1.5K，最厚時(shí)為250m，地面溫度在09:00開(kāi)始高于逆溫層頂溫度。12月9日過(guò)程中，逆溫層在8日18:30開(kāi)始出現(xiàn)，最大厚度達(dá)到370m，強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)達(dá)3.9K，在9日11:10地面溫度才開(kāi)始高于逆溫層頂溫度。1月29日過(guò)程，逆溫層在前一日19:30出現(xiàn)，最厚280m，最強(qiáng)時(shí)達(dá)2.6K，地面溫度高于逆溫層頂?shù)臅r(shí)間為10:20?？梢?jiàn)，除了4月13日過(guò)程外，逆溫層的最大強(qiáng)度、最大厚度和持續(xù)時(shí)間都是對(duì)應(yīng)的：12月9日均為最大值，1月29日次之，11月21日均為最小值。4月13日逆溫頂層高度雖然低，但強(qiáng)度卻是4次過(guò)程中偏強(qiáng)的，逆溫層內(nèi)的溫度梯度大，進(jìn)而造成霧的濃度不均勻，各端RVR值差別大。

對(duì)比RVR變化情況，11月21日過(guò)程的逆溫層出現(xiàn)時(shí)間最晚，RVR出現(xiàn)低于550m的時(shí)間也最晚。結(jié)合衛(wèi)星云圖及人工觀測(cè)記錄，逆溫層出現(xiàn)較晚的原因是天空云層拉開(kāi)時(shí)間較晚，影響地表輻射降溫。所有過(guò)程逆溫層出現(xiàn)的時(shí)間均早于RVR開(kāi)始低于550m的時(shí)間，雖然具體時(shí)間差有差別，但都達(dá)到4h以上。對(duì)于輻射霧的消散，4月13日地面氣溫高于逆溫層頂溫度的時(shí)間，較各端RVR都高于550m的時(shí)間，出現(xiàn)得更晚。而其他3次過(guò)程相反，若結(jié)合儀器安裝位置，只取02R端RVR高于550m的時(shí)間，上述時(shí)間差具體為：11月21日約60min，12月9日約50min，1月29日約70min。

綜合以上分析，逆溫層出現(xiàn)4h以上，RVR才出現(xiàn)低于550m。對(duì)于濃度不均勻的輻射霧，各端RVR差別大，它的逆溫層表現(xiàn)為厚度薄，但強(qiáng)度偏強(qiáng)，逆溫層內(nèi)溫度梯度大，RVR整體>550m的時(shí)間可出現(xiàn)在逆溫層消失前。濃度較均勻的輻射霧，逆溫層與RVR對(duì)應(yīng)關(guān)系較好：逆溫層越厚，強(qiáng)度越強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間也越長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)RVR最低值越低，低于550m的時(shí)長(zhǎng)也越長(zhǎng)；并且地面溫度開(kāi)始高于逆溫層頂溫度約1h后，RVR整體回升到550m以上。

3.3 虛位溫廓線(xiàn)分析

大氣中，氣層多是穩(wěn)定的，虛位溫的分布一般隨高度而增大；而不穩(wěn)定層結(jié)，虛位溫隨高度降低。未飽和濕空氣絕熱抬升，虛位溫不變。圖4中，θvmin標(biāo)注了垂直方向上最低虛位溫所在高度(若在0m處則未標(biāo)注)，可以反映氣層穩(wěn)定與不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變的時(shí)間。4月13日、11月21日、1月29日午后都可發(fā)現(xiàn)近地層之上虛位溫隨高度基本不變，為對(duì)流邊界層；但12月9日午后近地層之上虛位溫隨高度仍有一定梯度，氣層更穩(wěn)定，不利于湍流發(fā)展，使霧持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。對(duì)比各次霧中RVR下降的時(shí)間，4月13日和12月9日的02時(shí)，近地層虛位溫梯度明顯比11月21日的04時(shí)和1月29日的02時(shí)更大，等值線(xiàn)更密集，這也說(shuō)明這兩次過(guò)程近地層中的湍流擾動(dòng)更弱，霧滴顆粒更難因擾動(dòng)而混合均勻，造成各端RVR下降時(shí)的差別比后兩次更明顯。而從近地層空氣轉(zhuǎn)成不穩(wěn)定的時(shí)間上看，4月13日是09:50，RVR高于550m的時(shí)間在這之前，偏離達(dá)到2h；其他三次過(guò)程的時(shí)間分別是：11月21日09:10,12月9日11:10，1月29日10:50,RVR整體高于550m的時(shí)間在這50min之后。

4 結(jié)論

利用成都雙流機(jī)場(chǎng)微波輻射計(jì)資料和自動(dòng)觀測(cè)資料分析2019～2020年初共4次輻射霧的逆溫、虛位溫和RVR的變化特征，表明：(1)輻射霧中不同端的跑道視程(RVR)差別明顯，02R出現(xiàn)低于550m的時(shí)間最早，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，20R則出現(xiàn)得最晚，持續(xù)時(shí)間最短，這與地表植被情況有關(guān)；但RVR的過(guò)程最低值可能出現(xiàn)在任何一端。(2)微波輻射計(jì)反演溫度在近地面存在較大偏差，午后偏低，凌晨偏高，且午后偏差絕對(duì)值高于凌晨，用它來(lái)分析低層的天氣時(shí)需要訂正。(3)濃度均勻的輻射霧，近地層逆溫越強(qiáng)，厚度越厚，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，RVR值越低，低于550m的時(shí)間也越長(zhǎng)；而濃度不均勻的輻射霧，逆溫層強(qiáng)度大，但厚度更薄，表現(xiàn)為逆溫層內(nèi)的溫度梯度更大。(4)輻射霧出現(xiàn)時(shí)，逆溫出現(xiàn)的時(shí)間比RVR低于550m的時(shí)間早4小時(shí)以上，但不同過(guò)程的時(shí)間差有較大差別；另外，RVR下降時(shí)，近地層虛位溫梯度大，湍流擾動(dòng)的混合作用弱，使得霧滴濃度相對(duì)不均勻，各端RVR的差別也大。(5)對(duì)于部分霧性質(zhì)明顯，濃度不均勻的輻射霧，RVR高于550m的時(shí)間可出現(xiàn)在地面溫度高于逆溫層頂溫度或近地面層空氣轉(zhuǎn)成不穩(wěn)定之前；濃度均勻的輻射霧，RVR高于550m的時(shí)間出現(xiàn)在地面溫度高于逆溫層頂溫度之后約1h，或者在近地層空氣轉(zhuǎn)成不穩(wěn)定之后50min。

文中的分析與結(jié)論仍有局限：首先分析的輻射霧過(guò)程只有4次，樣本少，2018年雖出現(xiàn)了輻射霧，但缺少微波輻射計(jì)資料；其次，微波輻射計(jì)誤差訂正簡(jiǎn)單，只將0m處反演溫度和濕度替換為傳感器測(cè)量的溫度和濕度，忽略10m、25m、50m、75m層的數(shù)據(jù)，100m及以上層次則認(rèn)為反演溫度是真實(shí)的。而這兩個(gè)方向，也是后續(xù)工作中不斷研究驗(yàn)證的重點(diǎn)方向。