2022年1—2月份南寧吳圩國際機(jī)場(chǎng)極端低云天氣分析

摘" 要：利用南寧吳圩國際機(jī)場(chǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)和自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)云高儀資料，結(jié)合ERA5逐小時(shí)再分析資料，對(duì)機(jī)場(chǎng)2022年1—2月極端低云及低層風(fēng)場(chǎng)的時(shí)空分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究結(jié)果如下。①極端低云多出現(xiàn)在日出前后，當(dāng)伴隨弱降水天氣現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，其持續(xù)時(shí)間顯著增加。②夜間近地面層逆溫層的存在和深厚的濕層有利于極端低云的維持。③極端低云多出現(xiàn)在地表高濕條件（RH≥98%）穩(wěn)定維持一段時(shí)間后，溫度曲線與相對(duì)濕度曲線的交點(diǎn)時(shí)間可指征極端低云的消失。④低空水平風(fēng)速適量增加有利于云底高的降低，冷暖交匯型極端低云的云底高升降與垂直速度的方向呈正相關(guān)關(guān)系。⑤極端低云的云底高變化趨勢(shì)與南風(fēng)特征值關(guān)系緊密。

關(guān)鍵詞：低云；風(fēng)廓線雷達(dá)；風(fēng)場(chǎng)特征；升降速度；激光雷達(dá)

中圖分類號(hào)：X16" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）33-0082-05

Abstract： Using the wind profile radar wind field and automatic observation system cloud altimeter data from Nanning Wuwei International Airport， combined with ERA5 hourly reanalysis data， a statistical analysis was conducted on the spatiotemporal distribution characteristics of extreme low clouds and low-level wind fields at the airport in January and February 2022. The research results showed that： ① Extreme low clouds mostly occur around sunrise， and their duration significantly increases when accompanied by weak precipitation weather phenomena. ② The presence of a near surface inversion layer and a deep wet layer at night are beneficial for maintaining extreme low clouds. ③ Extreme low clouds often occur when the surface high humidity conditions （RH≥98%） remain stable for a period of time， and the intersection time between the temperature curve and the relative humidity curve can indicate the disappearance of extreme low clouds. ④ An appropriate increase in low-level horizontal wind speed is beneficial for reducing cloud base height， and there is a positive correlation between the vertical velocity direction and the rise and fall of cloud base height in extreme low clouds with cold and warm intersections. ⑤ The trend of cloud base height variation in extremely low clouds is closely related to the characteristic values of southern winds.

Keywords： low cloud; wind profile radar; wind field characteristics; landing speed; LiDAR

《民用航空氣象地面觀測(cè)規(guī)范》規(guī)定，低云為云高一般在2 500 m以下的云。在南寧吳圩國際機(jī)場(chǎng)的實(shí)際工作中，將云底高不超過60 m的云稱為極端低云。低云與民用航空運(yùn)輸飛行的安全運(yùn)行有著密切的聯(lián)系，尤其是機(jī)場(chǎng)跑道周邊的天氣狀況，關(guān)系著航空器起降的安全與否[1]。低云會(huì)影響空中能見度，在低云云中或者云上飛行時(shí)無法看清地標(biāo)，影響目視地標(biāo)飛行、航空攝影、空投等任務(wù)的執(zhí)行，造成航空器復(fù)飛、返航、備降，甚至發(fā)生飛行事故。此外，在低云中飛行易在航空器表面產(chǎn)生積冰，影響航空器動(dòng)力性能。

國內(nèi)外對(duì)云底高的預(yù)報(bào)已有較長歷史，20世紀(jì)70年代，Bocchieri等[2]運(yùn)用回歸技術(shù)的MOS方法對(duì)云底高進(jìn)行預(yù)報(bào)；熊興隆等[3]利用直接探測(cè)多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，通過探測(cè)大氣后向散射信號(hào)的多普勒頻移來反演大氣能見度或計(jì)算云底高度；嚴(yán)衛(wèi)等[4]基于相對(duì)濕度廓線進(jìn)入云層時(shí)的突變實(shí)現(xiàn)云底高的反演；楊昳等[5]基于雙目成像原理的可見光成像測(cè)云高和紅外成像測(cè)云高相結(jié)合方案，很好地解決了白天和夜間云高的測(cè)量；王本革等[6]利用合肥新橋機(jī)場(chǎng)溫濕度、云高、能見度以及全天空云圖儀等數(shù)據(jù)資料，分析了機(jī)場(chǎng)上空各類云的紅外特征以及云、霧演變規(guī)律。

低云的高度有很大一部分與大氣邊界層高度相重合，具有時(shí)空變化迅速的特征。風(fēng)廓線雷達(dá)利用大氣折射指數(shù)不均勻結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波散射作用探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)[7]，可對(duì)中小尺度天氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)[8]，也可對(duì)云微物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[9]，并且風(fēng)廓線雷達(dá)具有觀測(cè)時(shí)空分辨率、自動(dòng)化程度高以及業(yè)務(wù)運(yùn)行成本較低等優(yōu)勢(shì)[10]，可在一定區(qū)域范圍內(nèi)滿足低云觀測(cè)精度的要求。梁曉京等[11]利用風(fēng)廓線雷達(dá)的風(fēng)場(chǎng)資料和云高儀資料，根據(jù)風(fēng)場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)對(duì)低云進(jìn)行分類，得出低云條件下的風(fēng)場(chǎng)概念模型，并分析風(fēng)場(chǎng)與云底高之間的關(guān)系。從微物理角度上看，云霧的形成實(shí)際上是大氣中水汽凝結(jié)或凝華所形成的一種物理現(xiàn)象，預(yù)判冷暖氣團(tuán)交綏程度是判斷低云現(xiàn)象是否出現(xiàn)的重要方法。日常業(yè)務(wù)中可以根據(jù)地面和低層的風(fēng)場(chǎng)大致判斷某高度氣團(tuán)的冷暖屬性，由此推測(cè)出低云的發(fā)生發(fā)展?；谶@一思路，通過統(tǒng)計(jì)南寧吳圩國際機(jī)場(chǎng)低云條件下風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)的時(shí)空分布特征，研究其與低云云底高的關(guān)系，以期為低云預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

1" 研究背景與資料介紹

冬末春初（1—3月）受冷暖氣團(tuán)交綏影響，在華南沿?；蛟瀑F地區(qū)易形成準(zhǔn)靜止鋒，當(dāng)?shù)蛯悠吓瘽駳饬髟鰪?qiáng)導(dǎo)致準(zhǔn)靜止鋒北抬或擺動(dòng)時(shí)，近地面常伴隨逆溫層生成，此時(shí)南寧機(jī)場(chǎng)易出現(xiàn)連陰雨天氣，低云亦隨之出現(xiàn)。以風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)劃分，南寧機(jī)場(chǎng)低云分為冷暖交匯型和純回流型2類。冷暖交匯型指低空的水平風(fēng)場(chǎng)在垂直方向上可分為3層，下層是偏北風(fēng)，上層是偏南風(fēng)且風(fēng)速較大，中間為南、北風(fēng)過渡層；純回流型指低空水平風(fēng)場(chǎng)僅存在偏南風(fēng)，無偏北風(fēng)分量。統(tǒng)計(jì)1986—2022年機(jī)場(chǎng)氣候資料可知，年平均低云出現(xiàn)頻率為58%，極端低云出現(xiàn)的平均頻率為5%。

2022年1—2月南寧機(jī)場(chǎng)共出現(xiàn)19天極端低云，出現(xiàn)頻率達(dá)32%，遠(yuǎn)超常年平均值。從風(fēng)場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)來看，1月6日、1月22日及1月27日為純回流型，其余為冷暖交匯型；其中，1月26—27日極端低云維持時(shí)間較長，且為冷暖交匯型漸轉(zhuǎn)純回流型，具有代表性。因此利用南寧機(jī)場(chǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)和自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)云高儀、溫度、相對(duì)濕度等資料，結(jié)合ERA5逐小時(shí)再分析資料對(duì)1—2月及1月26—27日的極端低云天氣過程進(jìn)行綜合診斷分析。

2" 分析與討論

2.1" 天氣概況

表1為1—2月極端低云出現(xiàn)時(shí)段及伴隨天氣現(xiàn)象。總體而言，極端低云多呈現(xiàn)短時(shí)波動(dòng)的特征。1月極端低云的持續(xù)時(shí)間為1～8 h不等，且出現(xiàn)時(shí)段多集中在日出前后，當(dāng)伴隨弱毛毛雨或小雨等降水天氣現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，低云的持續(xù)時(shí)間顯著增加；2月極端低云的出現(xiàn)天數(shù)較1月顯著增加，持續(xù)時(shí)間跨度為1～16 h，出現(xiàn)時(shí)段較為分散，全天均可出現(xiàn)，除2月7日08：00—09：00（北京時(shí)，下同）外，均伴隨小雨或弱毛毛雨。這可能是由于2月份低層暖施輸送進(jìn)一步增強(qiáng)，促使極端低云生成的水汽條件更為充分。此外，純回流型極端低云持續(xù)時(shí)間小于冷暖交匯型，出現(xiàn)時(shí)均伴有輕霧。

2.2" 純回流型天氣形勢(shì)

1—2月純回流型極端低云天氣形勢(shì)平均場(chǎng)如圖1所示。發(fā)生純回流型低云時(shí)，南寧機(jī)場(chǎng)500 hPa受槽前西南風(fēng)場(chǎng)控制，850 hPa處于低壓系統(tǒng)東南部、副高西部的西南氣流匯合區(qū)中，925 hPa受東南氣流影響，機(jī)場(chǎng)北部存在鋒區(qū)，地面為弱氣壓場(chǎng)形勢(shì)，風(fēng)速5 m/s以下，風(fēng)向西南?？傮w而言，純回流型極端低云條件下，南寧機(jī)場(chǎng)地面至中低空均為偏南氣流，為低云的發(fā)生和維持提供了充足的水汽條件。

2.3" 冷暖交匯型天氣形勢(shì)

冷暖交匯型極端低云天氣形勢(shì)平均場(chǎng)如圖2所示。發(fā)生冷暖交匯型極端低云時(shí)，南寧機(jī)場(chǎng)500 hPa處于強(qiáng)盛的西南風(fēng)場(chǎng)中，850 hPa形勢(shì)與純回流型類似，但風(fēng)速較純回流型的風(fēng)速大（約4 m/s），925 hPa受冷鋒式切線南側(cè)東南偏南氣流影響，地面為弱冷高脊形勢(shì)，溫度梯度明顯大于純回流型。總體而言，冷暖交匯型極端低云條件下，低空水汽條件較純回流型更好，近地面的冷墊是其重要特征。

此外，逐日分析1—2月南寧機(jī)場(chǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)可知，極端低云發(fā)生前，500 m及以上高度的水平風(fēng)速會(huì)顯著增大，增長值越高，低云持續(xù)時(shí)間越長；當(dāng)有極端低云出現(xiàn)時(shí)，垂直速度方向由下沉漸轉(zhuǎn)為上升，云底高開始抬升時(shí)，垂直速度方向又轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙臓顟B(tài)。

3" 個(gè)例分析

3.1" 天氣過程概況

如圖3所示，1月26日極端低云出現(xiàn)時(shí)間段為06：00—11：00，且06：00、09：00及10：00出現(xiàn)30 m低云；1月27日極端低云出現(xiàn)時(shí)間為06：00—09：00，其中08：00—09：00出現(xiàn)30 m低云。1月26日極端低云時(shí)段天氣現(xiàn)象為小雨和輕霧，1月27日極端低云時(shí)段僅出現(xiàn)輕霧。

3.2" 層結(jié)條件分析

如圖4所示，1月25日和26日夜間，南寧地區(qū)近地面層均存在逆溫層，1月25日逆溫層厚度較厚，濕層高度達(dá)700 hPa左右，1月26日逆溫層厚度較薄，濕層高度達(dá)850 hPa左右。對(duì)比1月26日和1月27日早間的極端低云持續(xù)時(shí)間，逆溫層和濕層的厚度與極端低云的持續(xù)時(shí)間呈正相關(guān)。由此說明近地層充沛的水汽條件及穩(wěn)定的大氣層結(jié)有利于極端低云的維持。

3.3" 近地面溫度、濕度與云底高變化特征

由圖5可以看出，1月26日00：00—05：00，相對(duì)濕度呈顯著上升趨勢(shì)，當(dāng)高濕條件維持一段時(shí)間（1月26日相對(duì)濕度90%以上維持6 h左右），且穩(wěn)定在高值（1月26、27日濕度最高值均為98%）時(shí)，開始出現(xiàn)60 m低云。1月26、27日溫濕曲線在白天的交點(diǎn)時(shí)間分別為12：20、10：25，這與低云消失時(shí)間基本吻合，之后隨著溫度的上升，相對(duì)濕度逐漸下降，云底高也隨之抬升。

3.4" 風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品分析

1月26日南寧機(jī)場(chǎng)上空200 m以上均為偏南氣流，且風(fēng)向隨時(shí)由低至高呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，1月26日00：00—12：00底層為東北風(fēng)場(chǎng)，12：00后底層?xùn)|北風(fēng)轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，風(fēng)速有所增大，極端低云類型由冷暖交匯型轉(zhuǎn)為純回流型；00：00—11：00，200～1 000 m高度區(qū)間風(fēng)速從6～8 m/s逐漸增加至10～12 m/s；11：00—16：00，該區(qū)間內(nèi)風(fēng)速逐漸減小至8 m/s；16：00—24：00，風(fēng)速再次增加。結(jié)合圖3（a）可知，低空水平風(fēng)速的變化趨勢(shì)與云底高的升降有密切關(guān)聯(lián)，風(fēng)速適量增加有利于云底高的降低。垂直風(fēng)場(chǎng)顯示，當(dāng)下沉運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)時(shí)（弱降水導(dǎo)致），云底高呈下降趨勢(shì)，反之則為上升趨勢(shì)。

1月27日南寧機(jī)場(chǎng)極端低云出現(xiàn)時(shí)段對(duì)應(yīng)的風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)向在1 500 m以下均為偏南風(fēng)，風(fēng)速2～8 m/s，符合純回流型低云特征。00：00—09：00，200～1 000 m高度區(qū)間風(fēng)速維持在8～12 m/s；11：00—17：00，風(fēng)速逐漸減弱至6 m/s；17：00—24：00，風(fēng)速再次增加至10 m/s以上。結(jié)合圖3（b）可知，與1月26日類似，風(fēng)速的增大對(duì)應(yīng)著云底高的降低。1月27日的垂直風(fēng)場(chǎng)特征與1月26日有所區(qū)別，極端低云時(shí)段無明顯的上升或下沉運(yùn)動(dòng)，主導(dǎo)云底高下降的因素可能為低空水平風(fēng)速和相對(duì)濕度的增加。

3.5" 風(fēng)廓線雷達(dá)低云特征產(chǎn)品分析

采用梁曉京等[11]的低云指標(biāo)算法，計(jì)算得出1月26—27日風(fēng)廓線雷達(dá)的低云特征值如圖6所示。由圖6（a）可知，1月26日00：00—19：00南風(fēng)特征值呈波動(dòng)式上升的趨勢(shì)，北風(fēng)特征值均小于4 m/s，南北風(fēng)過渡高度（V0H）穩(wěn)定在250 m以下，12：00后由于全層轉(zhuǎn)為南風(fēng)控制，V0H隨之消失。由圖6（b）所示，1月27日00：00—08：00南風(fēng)特征值波動(dòng)上升，08：00—12：00南風(fēng)特征值持續(xù)下降，12：00后再次波動(dòng)上升，20：00后北風(fēng)特征值重新出現(xiàn)。對(duì)比云底高數(shù)據(jù)可知，云底高變化趨勢(shì)與南風(fēng)特征值關(guān)系緊密，當(dāng)南風(fēng)特征值增大且不超過10 m/s時(shí)，對(duì)應(yīng)云底高降低，南風(fēng)特征值在10 m/s以上則有利于云底高的抬升。此外，底層北風(fēng)的出現(xiàn)將導(dǎo)致湍流混合加強(qiáng)，可造成云底高下降。

4" 結(jié)論

使用風(fēng)廓線雷達(dá)的風(fēng)場(chǎng)資料和云高儀資料，結(jié)合ERA5逐小時(shí)再分析資料，對(duì)產(chǎn)生極端低云天氣的天氣現(xiàn)象及低層風(fēng)場(chǎng)的時(shí)空分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要得出以下結(jié)論。

第一，極端低云多呈現(xiàn)短時(shí)波動(dòng)的特征，出現(xiàn)時(shí)段多集中在日出前后，當(dāng)伴隨弱毛毛雨或小雨等降水天氣現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，極端低云的持續(xù)時(shí)間顯著增加，純回流型極端低云的持續(xù)時(shí)間小于冷暖交匯型。

第二，極端低云條件下，南寧地區(qū)500 hPa多受槽前西南風(fēng)場(chǎng)控制，850 hPa受強(qiáng)盛的偏南或西南暖濕氣流影響，夜間近地面層逆溫層的存在和深厚的濕層有利于極端低云的維持。

第三，極端低云多出現(xiàn)在地表高濕條件（RH≥98%）穩(wěn)定維持一段時(shí)間后，溫度曲線與相對(duì)濕度曲線的交點(diǎn)時(shí)間可指征極端低云的消失。

第四，低空水平風(fēng)速的變化趨勢(shì)與云底高的升降相關(guān)，風(fēng)速適量增加有利于云底高的降低，冷暖交匯型極端低云的云底高升降與垂直速度的方向呈正相關(guān)關(guān)系。

第五，極端低云的云底高變化趨勢(shì)與南風(fēng)特征值關(guān)系緊密，當(dāng)南風(fēng)特征值增大且不超過10 m/s時(shí)，對(duì)應(yīng)云底高降低，南風(fēng)特征值在10 m/s以上則有利于云底高的抬升，底層北風(fēng)的出現(xiàn)將導(dǎo)致湍流混合加強(qiáng)，可造成云底高下降。

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