冬季烏魯木齊城區(qū)和機場霧的特征及地面氣象條件對比分析

劉 超，譚艷梅，陳陽權(quán)，王 健，王春紅，阿來依·艾丁，霍 達(dá)，郎旭婷

（1.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；2.國家氣象中心，北京 100081；3.民航新疆空管局氣象中心，新疆烏魯木齊 830016；4.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002）

大霧是一種大量水滴或冰晶懸浮于近地面，從而使能見距離降低至1 km 以下的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象[1-2]。大霧對人體健康、社會活動、經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生重要的影響，特別是對道路交通、航空運輸?shù)恼＿\行帶來嚴(yán)重影響[3-5]。2019 年12 月9—14 日烏魯木齊地窩堡國際機場（以下簡稱“機場”）受極端性大霧天氣影響，低能見度天氣累計長達(dá)100 余小時，造成航班延誤、備降、取消逾1 000 架次，受影響旅客逾15萬余人次 ；2012 年1 月14 日早晨，受大霧彌漫影響，烏魯木齊周邊的吐烏大高速、烏奎高速、米東區(qū)至阜康等公路部分路段交通受阻，最小能見度不足200 m。由此可見，隨著社會的發(fā)展，大霧天氣已成為重要災(zāi)害性天氣之一。因此，開展霧的研究對道路交通、民航運輸和人民身心健康、美好生活等方面具有十分重要的現(xiàn)實意義。

新疆北疆沿天山一帶作為我國主要霧區(qū)之一[6-8]，冬季（11 月—次年3 月）是大霧頻發(fā)的季節(jié)。烏魯木齊地處中天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地形整體呈現(xiàn)“東南高、西北低”的狹長帶狀分布，特殊的地理地勢導(dǎo)致大霧在該地區(qū)冬季易發(fā)、頻發(fā)。目前，許多學(xué)者在上述地區(qū)的研究主要集中在霧的分類特征、氣候特征、天氣型分析、天氣個例分析以及數(shù)值模擬等方面[9-10]，并取得了一定成果。朱雯娜等[11]利用微波輻射計資料分析了烏魯木齊機場冬季濃霧天氣變化情況，表明90%濃霧過程出現(xiàn)在綜合水汽含量持續(xù)下降階段。鄭玉萍等[12]統(tǒng)計分析了1976—2006 年烏魯木齊大霧天氣的氣候特征，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣溫為-10～0 ℃、相對濕度為85%～95%、風(fēng)速為0～3 m·s-1以及氣壓為910～925 hPa 時，出現(xiàn)大霧的頻率最高。萬瑜等[13]對2011 年12 月25 日白天烏魯木齊城區(qū)一次大范圍大霧天氣地面氣象條件進(jìn)行分析，指出濃霧時城區(qū)偏北風(fēng)在城南近地層形成強輻合面，且大霧也多發(fā)生在地面輻合面偏向冷空氣的一側(cè)。綜上所述，（1）已有研究僅局限于某一地點或某次過程分析，針對不同地點霧的特征研究非常少[14-15]。（2）我國氣象觀測規(guī)范與民航觀測規(guī)范作為兩個獨立行業(yè)的業(yè)務(wù)規(guī)范，存在較多差異，觀測資料的聯(lián)合使用和對比分析較少。（3）準(zhǔn)噶爾盆地西南緣到北疆沿天山一帶是新疆陰霧天氣的高發(fā)區(qū)[14]，霧極易通過平流經(jīng)盆地南緣向烏魯木齊方向擴散，而烏魯木齊機場處于城區(qū)的上游區(qū)域，在實際業(yè)務(wù)中對城區(qū)大霧的發(fā)生發(fā)展具有一定的指示意義。（4）作為我國連接中亞及歐洲的重要交通樞紐地帶，烏魯木齊地窩堡國際機場2016 年旅客吞吐量已超過2 000 萬人，對能見度和跑道視程的精細(xì)化預(yù)報和服務(wù)提出了越來越迫切的航空氣象需求。因此，本文基于冬季烏魯木齊城區(qū)和機場的數(shù)據(jù)，對上述兩地冬季霧的特征及地面氣象條件對比分析，以期為烏魯木齊城區(qū)和機場霧的精細(xì)化預(yù)報提供重要參考依據(jù)，為研發(fā)大霧客觀預(yù)報奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)和統(tǒng)計方法

1.1 站點概況

選取烏魯木齊國家基本氣象站（海拔高度為935.0 m）作為城區(qū)代表站，該站地處天山北坡西段與東段結(jié)合部，東、南、北面地勢較高，東半部地形為壟網(wǎng)狀低丘與丘間洼地，西半部地形為烏魯木齊河右岸狹長的階地與河漫灘。機場地處東、西天山之間東南—西北向峽谷的西北端開口處的戈壁綠洲之中，觀測場海拔高度為644.3 m。從機場到市區(qū)，地形坡度約為1/7，距離約25 km。烏魯木齊地形和城區(qū)氣象站、機場站點分布如圖1 所示。

圖1 烏魯木齊地形和城區(qū)、機場站點分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

選取2016—2021 年冬季（11 月—次年3 月）烏魯木齊城區(qū)逐小時地面常規(guī)觀測數(shù)據(jù)，以及同時段機場例行或特殊觀測的地面主導(dǎo)能見度、天氣現(xiàn)象、風(fēng)、溫、壓、濕等數(shù)據(jù)。機場例行觀測每30 min 一次，特殊觀測在天氣達(dá)到機場特殊天氣標(biāo)準(zhǔn)情況下隨時進(jìn)行。風(fēng)、溫、壓、濕等由機場地面自動氣象觀測系統(tǒng)（AWOS）器測。主導(dǎo)能見度和天氣現(xiàn)象為人工觀測。主導(dǎo)能見度是指觀測到的達(dá)到或超過四周一半或機場地面一半的范圍所具有的能見度值。

1.3 統(tǒng)計方法

2016 年起，全國氣象臺站能見度觀測由人工觀測改為自動器測，同時對霧的等級判定也做出修改。為便于與機場觀測資料進(jìn)行平行對比分析，根據(jù)《地面氣象觀測業(yè)務(wù)技術(shù)規(guī)定實用手冊》和《民航地面氣象觀測規(guī)范》，各等級霧界定如表1 所示。

表1 各等級霧界定標(biāo)準(zhǔn)

按照上述不同霧的等級界定標(biāo)準(zhǔn)，定義對應(yīng)的大霧、濃霧以及強濃霧過程。以烏魯木齊城區(qū)為例，當(dāng)出現(xiàn)能見度<750 m 的時刻則定義為霧過程的起始時間，當(dāng)能見度＞750 m 出現(xiàn)的持續(xù)時間＞2 h（含）則視為霧過程的結(jié)束，第一次出現(xiàn)能見度＞750 m 的前一時次則定義為霧過程的結(jié)束時間。霧過程的持續(xù)時間是指開始時間到結(jié)束時間的累計小時數(shù)，霧過程的持續(xù)時間必須滿足2 h（含）以上的條件。此外，選取每次霧過程中的最小能見度作為評價該次霧過程強度的指標(biāo)。

2 烏魯木齊城區(qū)和機場霧的統(tǒng)計分析

2.1 霧日數(shù)及過程的對比

雖然城區(qū)站和機場距離僅有25 km，但兩站的海拔高度相差近300 m，導(dǎo)致霧在兩地存在時空不連續(xù)性。本文對城區(qū)和機場冬季不同月不同強度霧進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表2 所示。每年12 月—次年2 月是不同強度霧出現(xiàn)次數(shù)較多的月份，城區(qū)和機場大霧日數(shù)占每個月的三分之一以上，其中機場在12 和1 月大霧日數(shù)分別達(dá)到13.2 和13.3 d。相較而言，不同等級霧日在11 月較少，城區(qū)和機場的大霧日數(shù)均≤5 d，分別為4.3 和3.8 d。

表2 城區(qū)和機場不同月各等級霧日數(shù) d

本文按照3 種情況統(tǒng)計機場、城區(qū)霧的差異，即“兩地同時出現(xiàn)霧”、“城區(qū)有機場無”、“城區(qū)無機場有”分別統(tǒng)計霧的出現(xiàn)頻次（表3）。冬季霧日這3 種情況出現(xiàn)的頻次接近，在32.1%～34.5%。但是不同級別霧日的出現(xiàn)概率有一定的差別，其中兩地同時出現(xiàn)大霧日的情景最高達(dá)到19.6%，而強濃霧日出現(xiàn)頻次最高（9.6%）的情景是城區(qū)有機場無，為兩地同時出現(xiàn)的情景的2.7 倍。

表3 2016—2021 年冬季不同情景下城區(qū)和機場的年均霧日分布頻次 %

由近6 年大霧日3 種情景出現(xiàn)概率逐年變化趨勢（圖2）可知，“兩地同時出現(xiàn)”的概率呈逐年波動下降的趨勢，由55.8%（2016 年）下降至25.6%（2021 年），降幅＞30%。而“城區(qū)無機場有”的情景在近3 年增長明顯，平均出現(xiàn)概率達(dá)到41.0%，是2016—2018 年平均水平（26.3%）的1.6 倍。

圖2 2016—2021 年冬季城區(qū)和機場不同情景下大霧日數(shù)逐年對比

由2016—2021 年冬季烏魯木齊城區(qū)和機場各等級霧的日數(shù)（圖3）可知，城區(qū)和機場不同等級的霧日數(shù)均呈明顯下降趨勢，其中兩地均是2016 年冬季大霧日數(shù)最多，分別達(dá)到70 和78 d，2021 年冬季分別下降至25 和29 d。雖然近6 年冬季機場（45.3 d）和城區(qū)（41.3 d）的平均大霧日數(shù)均明顯高于1976—2006 年的氣候特征（29.5 d）[12]，但兩地2021 年冬季統(tǒng)計結(jié)果已接近上述氣候平均態(tài)。另外，烏魯木齊城區(qū)的濃霧和強濃霧日數(shù)均多于機場，其中城區(qū)分別為27.0 和17.3 d，機場分別為25.3 和16.0 d。

圖3 2016—2021 年冬季城區(qū)（a）和機場（b）不同等級霧日數(shù)對比

近6 年烏魯木齊城區(qū)和機場不同等級霧的過程頻次同樣出現(xiàn)下降的特點，兩地大霧過程最多的是2016 年冬季，過程數(shù)分別為63 和70 次，而2021年冬季則是兩地近6 年大霧過程最少的，過程數(shù)分別為16 和21 次。兩地在不同等級霧過程的頻次也有區(qū)別：其中機場平均次數(shù)為34.3 次、略高于烏魯木齊城區(qū)的31.1 次；而在濃霧和強濃霧等級過程上，烏魯木齊城區(qū)分別為21.1 和11.1 次，明顯多于機場的16.5 和7.0 次。機場在大霧日數(shù)和過程次數(shù)上略高于城區(qū)，而烏魯木齊城區(qū)在濃霧、強濃霧上明顯高于機場，即城區(qū)霧強于機場霧。

2.2 霧的起止和持續(xù)時間對比

對近6 年冬季烏魯木齊城區(qū)和機場大霧過程的起止時間統(tǒng)計分析（圖4），烏魯木齊城區(qū)和機場大霧過程一天任意時段都會開始或結(jié)束，但兩地不同時刻大霧過程開始和結(jié)束的頻次卻截然不同。開始時刻，城區(qū)主要集中在01—04 時，累計出現(xiàn)頻率較高，達(dá)33.3%，其中03 時出現(xiàn)頻率最高，達(dá)到10.2%，11—14 時出現(xiàn)大霧的頻率最小，上述時段每個時刻出現(xiàn)頻率均低于2%。機場在08—10 時的出現(xiàn)頻率達(dá)25.2%，并在09 時達(dá)到峰值（9.2%），相較于城區(qū)滯后6 h。機場出現(xiàn)大霧概率較低的時段是12—21 時，概率均不足2%。有研究表明[16-18]，烏魯木齊特殊的地理地形易形成焚風(fēng)，焚風(fēng)易導(dǎo)致逆溫增強且長時間維持，有利于大霧天氣發(fā)生發(fā)展，并在夜間山風(fēng)的作用下，風(fēng)速從山脈到谷底逐漸減小，城區(qū)為風(fēng)速輻合區(qū)，導(dǎo)致城區(qū)容易在夜間形成大霧天氣。盡管機場出現(xiàn)大霧的峰值頻率略低于城區(qū)，但其在夜間至早晨（22 時—次日11 時）整個時段均有可能出現(xiàn)大霧，且影響時間較長。城區(qū)與機場結(jié)束時大霧均呈現(xiàn)“單峰型”的分布特征，分別在09 和14 時大霧結(jié)束的頻率最高，達(dá)到9.1%和14.6%。此外，通過對烏魯木齊城區(qū)和機場不同等級霧過程的平均持續(xù)時間統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示近6 年機場在不同等級霧過程的平均持續(xù)時間均明顯長于城區(qū)，其中大霧、濃霧和強濃霧過程的平均持續(xù)時間分別為7.9、6.5 和5.5 h，城區(qū)大霧、濃霧和強濃霧過程時長分別是5.9、5.4 以及5.0 h。

圖4 2016—2021 年冬季烏魯木齊城區(qū)（a）和機場（b）霧過程起止時間分布

2.3 霧的強度對比

霧過程中出現(xiàn)的最小能見度是霧過程強度的重要指標(biāo)，直接反映霧過程的影響程度。本文對烏魯木齊城區(qū)和機場近6 年每次大霧過程的最小能見度進(jìn)行統(tǒng)計分析，機場近6 年最小能見度平均值為412.9 m，明顯高于城區(qū)（360.8 m），其中機場大部分年份（2016、2018、2019 及2021 年）均超過城區(qū)的平均最小能見度，由此可以看出，相較于機場，烏魯木齊城區(qū)霧過程的強度較強，這與上文中濃霧和強濃霧級別主要發(fā)生在城區(qū)為主的結(jié)論較為一致。

3 影響霧的地面氣象要素

研究表明[19-20]，霧的發(fā)生發(fā)展往往伴隨著近地面高相對濕度、小風(fēng)或微風(fēng)等地面氣象條件的維持。因此，本文對烏魯木齊城區(qū)和機場不同等級霧的地面氣象條件進(jìn)行對比分析，討論霧的地面氣象條件分布特征。

3.1 氣溫

對烏魯木齊城區(qū)和機場大霧的溫度區(qū)間統(tǒng)計（圖5）分析可知，城區(qū)和機場分別在-12～-4 ℃和-16～-8 ℃出現(xiàn)大霧的頻率較高，比例分別高達(dá)57.4%和50.1%。其中兩地均在-12～-8 ℃最高，分別達(dá)32.3%和27.3%，說明在此溫度范圍內(nèi)最容易出現(xiàn)大霧天氣。當(dāng)溫度＞0 ℃或<-20 ℃時，出現(xiàn)大霧的概率只有1%左右，因為溫度過高不利于輻射冷卻或冷卻不到水汽凝結(jié)的溫度而影響大霧的形成，而當(dāng)溫度過低時水汽直接凝華成冰晶，同樣不利于大霧形成[12]。

圖5 烏魯木齊城區(qū)和機場不同溫度區(qū)間大霧出現(xiàn)頻率

圖6 為不同等級的霧在不同溫度區(qū)間出現(xiàn)的概率分布情況，城區(qū)當(dāng)溫度＞-8 ℃時，均以強濃霧為主，分別為39.4%（＞-4 ℃）和40.2%（-8～-4 ℃），當(dāng)溫度<-8 ℃時，大霧成為主要天氣。機場當(dāng)溫度＞-4 ℃時，濃霧成為主要天氣類型，<-4 ℃時則以大霧天氣為主。

圖6 烏魯木齊城區(qū)（a）和機場（b）不同溫度區(qū)間不同霧類型出現(xiàn)頻率

3.2 相對濕度

對城區(qū)和機場不同相對濕度區(qū)間大霧的出現(xiàn)頻率（圖7）進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)頻率最高的相對濕度區(qū)間在90%～95%，分別為36.7%（城區(qū)）和46.4%（機場），而超過95%以上的出現(xiàn)大霧的概率分別只有25.1%和11.7%。圖8 為不同等級的霧在不同相對濕度區(qū)間出現(xiàn)的概率分布。當(dāng)相對濕度<90%時城區(qū)以大霧為主，而當(dāng)相對濕度在90%～95%時，大霧、濃霧以及強濃霧出現(xiàn)的概率較為接近，分別為30.4%、33.2%以及36.4%，說明3 種等級的霧均有可能出現(xiàn)。當(dāng)相對濕度＞95%時，強濃霧出現(xiàn)的概率較高，達(dá)到46.8%，其次為濃霧（31.6%）和大霧（21.6%），表明城區(qū)濕度越大出現(xiàn)能見度更低的強濃霧的概率越高。對于機場，當(dāng)相對濕度<95%時，大霧出現(xiàn)的頻率均＞50%；當(dāng)相對濕度＞95%時，濃霧成為主要天氣，出現(xiàn)的概率最高達(dá)到40.4%，明顯高于大霧（35.1%）和強濃霧（24.5%），這一特點與城區(qū)存在明顯差異。

圖7 烏魯木齊城區(qū)和機場不同相對濕度區(qū)間大霧出現(xiàn)頻率

圖8 烏魯木齊城區(qū)（a）和機場（b）不同相對濕度區(qū)間不同等級霧出現(xiàn)頻率

3.3 風(fēng)場

一般而言，小風(fēng)或靜風(fēng)條件下有助于大霧天氣的維持和發(fā)展[19-20]。因此，對逐時10 min 平均風(fēng)速區(qū)間大霧的出現(xiàn)頻率進(jìn)行統(tǒng)計（表4），城區(qū)和機場大部分大霧天氣均在2.0 m·s-1以內(nèi)出現(xiàn)，出現(xiàn)頻率分別為86.7%和95.8%，其次為2.0～4.0 m·s-1，分別為12.7%和4.1%。當(dāng)風(fēng)速＞4.0 m·s-1時，兩地出現(xiàn)大霧的概率最低，均不足1%。

表4 烏魯木齊城區(qū)與機場不同風(fēng)速區(qū)間大霧出現(xiàn)頻率%

除風(fēng)速外，大霧的形成也需要有利的風(fēng)向條件。對烏魯木齊城區(qū)和機場大霧發(fā)生時的主導(dǎo)風(fēng)向進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，大霧發(fā)生期間城區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向以東北偏東為主，其次為偏東風(fēng)，而機場則以西北偏北和偏北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向。有研究表明[21]，在冬季準(zhǔn)噶爾盆地的“冷池效應(yīng)”和山谷風(fēng)的共同作用下，機場一帶盛行的偏北風(fēng)相對溫度較低，有利于降溫形成大霧天氣。此外，烏魯木齊轄區(qū)下墊面多山脈和丘陵，天山山脈對風(fēng)向的影響顯著。

4 結(jié)論和討論

利用2016—2021 年冬季烏魯木齊城區(qū)和機場冬季地面逐小時氣象觀測資料，對城區(qū)和機場冬季霧的分布特征、平均持續(xù)時間、起止時間、強度等進(jìn)行分析，并對兩地不同等級霧的地面氣象要素進(jìn)行對比分析，得到如下主要結(jié)論：

（1）冬季烏魯木齊城區(qū)和城北機場的大霧日數(shù)主要以兩地同時出現(xiàn)的情景為主，出現(xiàn)概率最高達(dá)19.6%，但其概率呈逐年波動下降的趨勢，由2016年的55.8%下降至2021 年的25.6%。

（2）機場在大霧日數(shù)和過程次數(shù)上略高于城區(qū)，而城區(qū)在濃霧、強濃霧上明顯高于機場。

（3）城區(qū)主要在01—04 時累計出現(xiàn)大霧頻率較高，達(dá)到33.3%；機場在08—10 時出現(xiàn)大霧頻率達(dá)到25.2%。城區(qū)和機場分別在09 和14 時大霧結(jié)束的頻率最高。機場最小能見度平均值（412.9 m）明顯高于城區(qū)（360.8 m）。

（4）在冬季準(zhǔn)噶爾盆地的“冷湖效應(yīng)”和山谷風(fēng)的共同作用下，機場一帶盛行的西北偏北和偏北風(fēng)導(dǎo)致溫度相對較低，有利于降溫形成大霧天氣，城區(qū)和機場分別在-12～-4 ℃和-16～-8 ℃出現(xiàn)大霧的頻率最高，比例分別高達(dá)57.4%和50.1%。兩地大霧日相對濕度均集中在90%～95%，超過95%時，兩地霧的強度均顯著增強。