湛江吴川机场一次大雾天气过程诊断分析

Diagnosis and Analysis of a Heavy Fog Weather Process at Zhanjiang Wuchuan Airport

摘要: 本文使用湛江吴川机场自动气象观测系统(AWOS)数据、ERA5再分析资料(水平分辨率为0.25˚ × 0.25˚) 对2023年1月13日湛江吴川机场一次大雾天气过程进行诊断分析，结果表明：大雾前期连续性小雨轻雾天气使近地面层水汽充沛，地面湿度基本达到饱和状态。大雾前后较弱的风速条件与低云的覆盖，使近地面层水汽得以聚集。大雾发生前低层的水汽辐合区与弱上升运动促进了湿层厚度的增加。起雾阶段冷平流的侵入使近地面层水汽凝结达到饱和，低层偏南风到西南风风向的转变与风速的增大也有利于北部湾的水汽输送至机场上空。大雾期间的下沉运动抑制了低层水汽向上扩散，大雾中期低层水汽辐合区的出现促进大雾的发展与维持。在层结结构上，大雾发生前近地面层存在浅薄的弱逆温层，大雾发生时转为等温层结构，相比于逆温层较不利于大雾的长时间维持。此次大雾的消散主要是由于日出之后地面温度的升高使近地面层的垂直温度梯度增大，中低层的水汽逐渐向上扩散，地面相对湿度降低导致。

Abstract: This article uses data from the Zhanjiang Wuchuan Airport Automatic Meteorological Observation System (AWOS) and ERA5 reanalysis data (horizontal resolution of 0.25˚ × 0.25˚) to diagnose and analyze a heavy fog weather process at Zhanjiang Wuchuan Airport on January 13, 2023. The results show that the continuous light rain and fog weather in the early stage of the heavy fog caused abundant water vapor in the near surface layer, and the ground humidity basically reached saturation. The weak wind speed conditions and low cloud coverage before and after heavy fog allow water vapor to accumulate in the near surface layer. The low-level water vapor convergence zone and weak upward motion before the occurrence of heavy fog promote the increase of wet layer thickness. The intrusion of cold advection during the fogging stage causes the condensation of water vapor in the near surface layer to reach saturation. The change in wind direction from southerly to southwesterly in the lower layer and the increase in wind speed are also conducive to the transport of water vapor from the Beibu Gulf to the airspace above Zhanjiang Airport. The sinking motion during heavy fog suppresses the upward diffusion of low-level water vapor, and the emergence of low-level water vapor convergence zones in the middle of heavy fog promotes the development and maintenance of heavy fog. In terms of layered structure, there is a shallow weak inversion layer near the ground before the occurrence of heavy fog. When heavy fog occurs, it transforms into an isothermal layer structure, which is less conducive to the long-term maintenance of heavy fog compared to the inversion layer. The dissipation of this heavy fog is mainly due to the increase in ground temperature after sunrise, which leads to an increase in the vertical temperature gradient near the ground layer, and the gradual upward diffusion of water vapor in the middle and lower layers, resulting in a decrease in relative humidity on the ground.

1. 引言

雾是指近地面空气中水汽凝结或凝华使主导能见度降低到小于1000米的现象[1]。在航空交通运输中，大雾易造成航班延误与备降，影响航班正常运行。一些气象工作者[2]-[4]对大雾的层结与动力条件开展深入分析与研究，结果均表明逆温层的存在有利于大雾的形成与维持。章元直、杨超锋[5]利用中尺度数值模式模拟两次大雾天气过程，分析结果显示倒槽发展导致的东南气流辐合与高压底部的偏东气流对水汽输送具有重要作用。张礼春等[6]的研究表明，大雾过程中持续的水汽辐合使平流辐射雾维持较长时间。王桂娟等[7]分析粤东一次持续性大雾天气过程，发现持续的暖湿气流输送与弱冷空气的入侵使华南沿海的雾雨天气维持较长时间。杨杰颜，郭浩鑫[8]对湛江市春季一次持续性大雾过程进行分析发现，暖湿水汽的输入与近地层的弱辐合上升运动有利于湿层厚度的增加。

根据徐峰等[9]的统计分析，湛江春季雾的种类主要为平流雾、锋面雾和辐射雾，形成雷州半岛雾的天气形势有5类，分别是低压前型、高压入海型、冷锋前型、静止锋前型、均压场或鞍形场型。此前对湛江机场大雾的研究主要基于旧机场的数据和分析[10]-[12]，2022年3月湛江机场迁建至吴川后，由于地理位置、局地地形和下垫面条件的改变，大雾的形成原因与发展机制与旧机场相比存在明显差异。因此，本文使用湛江吴川机场自动气象观测系统(AWOS)数据、ERA5再分析资料(水平分辨率为0.25˚ × 0.25˚)对2023年1月13日湛江吴川机场(以下简称湛江机场)一次大雾天气过程进行分析，从天气形势、水汽条件、冷却机制、层结与动力条件进行分析，研究本次大雾的形成原因与维持机制，为今后机场大雾的预报预警提供依据与参考。

2. 天气实况

2023年1月8日~12日湛江机场受低层东南气流辐合与弱冷空气影响，连续5天出现小雨轻雾低云天气。1月12日16:00~23:00湛江机场小雨轻雾天气期间，主导能见度3000~6000米，累积降水量9.3 mm。1月13日01:00~03:00再次出现弱降水，累积降水量1.1 mm。13日04:00与05:00湛江机场主导能见度为3000米，06:00降至1200米，06:15~09:16下降至1000米以下，其中06:23~08:52主导能见度在600米以下，期间最低能见度为300米。

跑道视程(Runway Visual Range，以下简称RVR)指在跑道中心线上，飞行员能够看清跑道标志或跑道边灯或跑道中线灯的距离[13]，湛江机场跑道两端盲降进近落地最低RVR标准为550米。由图1可知，跑道北端RVR的变化曲线在大雾前期与大雾后期有短时浮动，大雾期间较为平滑；跑道南端RVR在大雾前期中期有小幅波动，后期波动较大。跑道北端RVR < 550米的时间段为06:20~08:20，最低值出现07:50；跑道南端RVR < 550米的时间段为06:30~08:00，最低值出现在07:20。总体来看，跑道北端RVR值比南端RVR偏低，在550米以下的持续时间较久。

Figure 1. Variation curve of RVR at the north and south ends of Zhanjiang airport runway from 05:00 to 09:00 on January 13, 2023

图1. 2023年1月13日05:00~09:00湛江机场跑道南北端RVR的变化曲线图

3. 环流形势特征

分析2023年1月12日20:00、1月13日08:00天气图(图略)可知，湛江机场500 hPa由高空槽前西南气流转为南支槽过境。850 hPa的西南低压向东南方向移动，机场上空的西南风场有所增强，出现12 m/s的西南急流区，雷州半岛上空温度线与等高线相交呈90度，说明暖平流输送明显。在西南风场的引导下，北部湾的暖湿气流源源不断地输送至雷州半岛地区，为大雾的形成提供了充足的水汽条件。地面图上西南低压由云南省东北部移至贵州西部，太平洋上有一高压中心位于日本岛南部，湛江地区为均压场形势。

4. 物理机制分析

4.1. 水汽条件

4.1.1. 湿度条件

图2显示了湛江机场地面相对湿度随时间变化特征。从图中可知12日16:00小雨轻雾天气出现后，地面相对湿度上升至98%，13日05:00地面相对湿度上升至99%，可见大雾前期受稳定性降水影响，地面相对湿度接近饱和状态。从1000~700 hPa相对湿度与风场时间剖面图(图3(a))可以看出，95%以上的相对湿度区主要集中在800 hPa以下的低层，03:00下降至950 hPa以下，06:00回升至850 hPa后又逐渐下降。13日00:00~02:00、05:00~07:00近地面层出现明显的水汽饱和区，说明大雾前期的降水使近地面水汽充沛，起雾前后近地面层相对湿度有所增加达到过饱和状态。

Figure 2. Characteristics of ground relative humidity changes over time at Zhanjiang airport from 08:00 on January 12, 2023 to 10:00 on January 13, 2023

图2. 湛江机场2023年1月12日08:00~13日10:00地面相对湿度随时间变化特征

Figure 3. Vertical time profile of relative humidity (green shaded, unit: %) and wind at Zhanjiang Airport from 00:00 to 12:00 on January 13, 2023 (a), Vertical time profile of water vapor flux divergence (unit: 10⁻⁵ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹) (b)

图3. 湛江机场2023年1月13日00:00~12:00 1000~700 hPa相对湿度(绿色阴影，单位：%)与风场时间剖面图(a)，水汽通量散度时间剖面图(单位：10⁻⁵ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹) (b)

4.1.2. 水汽输送条件

当水汽通量散度小于0时表明水汽水平辐合[14]。由水汽通量散度时间剖面图(图3(b))可知，13日00:00近地面层的水汽辐合中心与后半夜弱降水的出现时间相对应。结合图3(a)可知，13日的水汽辐合区与95%以上的相对湿度区存在一定的正相关性。02:00~03:00位于925 hPa的水汽辐散中心对应03:00~05:00相对湿度区的下降。03:00~05:30在900 hPa以下有弱水汽辐合区，水汽得以在湛江机场低层聚集，对应06:00之后95%以上的相对湿度区高度的回升。07:00后湛江机场上空975 hPa出现水汽辐合区，随着时间辐合区范围有所扩大，在09:00下降至1000 hPa附近后逐渐向上抬升。10:00~11:00在1000~975 hPa存在水汽辐散区，此时对应高度的相对湿度明显降低。以上分析表明，大雾发生前低层的水汽辐合区使近地面层水汽达到饱和，大雾中期975 hPa水汽辐合区的出现促进大雾的发展与维持。

根据925 hPa水汽通量图(图4)可以看出，水汽通量高值区位于湛江机场西部，02:00到06:00，湛江机场上游的风速由6 m/s增加至8 m/s，风向由偏南风转为西南风，风速增大与风向的转变更有利于北部湾的水汽输送至湛江机场上空。

Figure 4. Water vapor flux and wind field map at 925 hPa on January 13, 2023 at 02:00 (a) and 06:00 (b) (unit: g∙cm⁻¹∙hPa⁻¹∙s⁻¹) (☆ represents the location of Zhanjiang Airport)

图4. 2023年1月13日02:00 (a)、06:00 (b) 925 hPa水汽通量图(单位：g∙cm⁻¹∙hPa⁻¹∙s⁻¹)与风场图(☆代表湛江机场位置)

4.2. 冷却条件

4.2.1. 气象要素分析

根据风向、风速变化特征(图5(a)、图5(b))与云况的人工观测记录，12日08:00~15:00即降水前期，风向为110˚~140˚，风速为2~6 m/s，最低一层云底高为180~270米。12日16:00~23:00风向由西南风转偏东风，云底高由120~180米下降至60米。13日00:00~08:00风向以西北风到偏北风为主，风速在0~2 m/s之间，云底高为60~90米。根据湛江机场人工观测实况，1月12日~13日总云量基本为满天云，较弱的风速与低云的覆盖不利于大气扩散，促使近地面水汽聚集。13日01:00~08:00由于地面相对湿度基本达到饱和(图2)，地面温度变化较小，整体下降了0.3℃(图5(c))。

4.2.2. 温度平流

根据图6(a)可知，13日02:00在1000 hPa上雷州半岛中部存在西北风与西南风的辐合线，冷平流区位于湛江机场西南部，湛江机场上空为偏南风暖平流区。06:00冷平流区与辐合线范围扩大至雷州半岛东部沿海一带(图6(b))，雷州半岛大部分区域包括湛江机场上空转为冷平流区。辐合线的形成有利于水汽的聚集[15]，此外西北风带来的冷平流促进近地面漂浮的水汽降温达到饱和。

4.3. 层结条件与动力条件分析

4.3.1. 层结条件

由1月13日02:00、04:00与06:00湛江机场850 hPa以下温度与露点层结曲线(图7)可知，02:00大雾发生前，1000~975 hPa有弱逆温层的存在，温度线与露点线随着高度的上升逐渐分离(图7(a))，到了04:00逆温层略有增强，1000~975 hPa之间的温差增加了0.25℃，相对湿度有所减小(图7(b))。到06:00即起雾阶段(图7(c))，1000 hPa温度对比02:00时下降了0.75℃，结合图6(b)可知是由于西北风带来的冷平流影响。1000~975 hPa之间的温度线呈垂直状态，975~950 hPa的温度线倾斜率也较小，因此1000~950 hPa可视为等温层结构。

Figure 5. Characteristics of 10 minutes varying average wind direction (a), average wind speed (b), temperature, and dew point temperature (c) at Zhanjiang airport from 08:00 on January 12, 2023 to 10:00 on January 13, 2023

图5. 湛江机场2023年1月12日08:00~13日10:00地面10分钟平均风向(a)、10分钟平均风速(b)、气温和露点温度(c)随时间变化特征

4.3.2. 动力条件

根据散度剖面图(图8(a))可知，13日02:00~03:00在925 hPa存在明显的辐散，中心值达2~4 × 10⁻⁵ s⁻¹，04:00~05:30近地面层900 hPa以下为水平辐合区，05:30之后转为水平辐散区。结合图8(b)可以看出，900 hPa以下的散度变化趋势与垂直运动相对应，水平辐散区对应下沉运动，水平辐合区对应上升运动。

在垂直速度剖面图(图8(b))上，与图8(a)中925 hPa水平辐散中心相对应的下沉运动中心位于925~800 hPa，中心值为0.1~0.2 Pa·s⁻¹，02:00之后1000 hPa附近开始有弱上升运动，且随着时间范围逐渐向上扩展。04:00~05:00范围延伸至800 hPa附近。马翠平等[16]的分析指出逆温层下的弱上升运动有利于雾层厚度的增大，湛江机场13日02:00、04:00逆温层主要位于975 hPa以下(图7(a)，图7(b))，06:00之后95%以上的相对湿度区高度有所回升(图3(a))，因此13日02:00~05:00湛江机场上空的弱上升运动对湿层厚度的增加具有一定贡献。06:00后低层至中层均转为一致的下沉运动，下沉运动中心位于700 hPa附近，随着时间逐渐加强上升至550 hPa高度层。下沉气流抑制低层水汽的扩散，有利于低层水汽聚集。08:30之后在950~800 hPa形成一个弱上升运动中心，而近地面层950 hPa以下仍维持下沉运动，此时间点对应能见度上升阶段，说明日出之后地面温度的升高破坏大气层的稳定度，中低层的水汽逐渐扩散，使空气相对湿度降低大雾消散。

Figure 6. Zhanjiang Airport January 13, 2023 02:00 (a), January 13, 2023 06:00 (b) 1000 hPa temperature advection (unit: 10⁻⁵˚C/S) and horizontal wind field (☆ represents the location of Zhanjiang Airport)

图6. 湛江机场2023年1月13日02:00 (a)，2023年1月13日06:00 (b) 1000 hPa温度平流(单位：10⁻⁵˚C/S)与水平风场(☆代表湛江机场位置)

Figure 7. Stratification curves of dew point and temperature below 850 hPa at Zhanjiang Airport on January 13, 2023 at 02:00 (a), 04:00 (b), 06:00 (c) (black solid line: temperature, green solid line: dew point temperature, unit: ˚C)

图7. 2023年1月13日02:00 (a)，04:00 (b), 06:00 (c) 湛江机场850 hPa以下露点与温度层结曲线(黑色实线：气温，绿色实线：露点温度，单位：℃)

Figure 8. Divergence (Unit: 10⁻⁵ s⁻¹) time profile (a), vertical velocity (Unit: Pa·s⁻¹, negative values indicate upward motion) time profile (b) at Zhanjiang airport from 00:00 to 12:00 on January 13, 2023

图8. 湛江机场2023年1月13日00:00~12:00散度(单位：10⁻⁵ s⁻¹)时间剖面图(a)、垂直速度(单位：Pa·s⁻¹，负值表示上升运动)时间剖面图(b)

5. 结论

通过分析湛江吴川机场2023年1月13日一次大雾天气过程，得出以下结论：受中低空西南暖湿气流影响，本次大雾前期出现连续性小雨轻雾天气，近地面层积累充沛的水汽，湿度条件较好。大雾前后较弱的风速条件与低云的覆盖，使近地面层水汽得以聚集。

大雾发生前低层的水汽辐合区与弱上升运动促进了湿层厚度的增加。起雾阶段冷平流的侵入使近地面层水汽凝结达到饱和，925 hPa偏南风转西南风风向的转变与风速的增大更有利于北部湾的水汽输送至湛江机场上空。大雾期间低层至中层一致的下沉运动，抑制了低层水汽向上扩散，大雾中期975 hPa水汽辐合区的出现促进大雾的发展与维持。

在层结结构上，大雾发生前1000~975 hPa存在浅薄的弱逆温层，大雾发生时1000~950 hPa为等温层结构，相比于逆温层较不利于大雾的长时间维持。此次大雾的消散主要是由于日出之后地面温度的升高使近地面层的垂直温度梯度增大，中低层的水汽逐渐向上扩散，地面相对湿度降低导致。