1. 引言
霜是指贴近地面的空气受地面辐射冷却作用而降温到霜点(指露点低于0℃)以下，在地面或物体上凝华而成的白色冰晶[1]。霜对飞行安全的影响不容忽视，飞机关键表面结霜会干扰通信系统、降低飞机操控性能，严重时会引起飞机失速，甚至发生飞行事故[2]。机场道面结霜会威胁跑道安全，影响飞机滑行和起降。根据中国民用航空局明确规定，航空器在起飞前要求一些关键表面不能带冰冻污染物(冰、雪、霜)起飞[3]。霜一般出现在夜间至早晨，正值机场航班进出港早高峰，飞机除霜会使航班出现不同程度的延误，对旅客的出行及航班运行造成不利影响。
近年来，不少气象工作者对霜进行了大量研究[4]-[8]。黄继雄等[9]研究发现，首都机场霜发生在11月~2月，结霜时风速小、气温低、露点高，相对湿度多大于80%，多伴有雾等天气现象；陈晓龙等[10]发现上海虹桥机场出霜当日往往没有降水，弱降水或明显降水天数较少；廖毅等[11]发现西安咸阳机场结霜时最低温度范围为−8℃~0℃，相对湿度多数大于等于85%，风向为偏西风或静风，风速小于3 m/s；徐海等[12]认为成都双流机场霜日气温在07时左右下降至0.5℃，相对湿度在04时后维持在95%左右，天空状况为多云到少云；王朝斌等[13]发现重庆江北机场霜前日与霜日温差在4℃~8℃，最低温一般降至−2℃~2℃。而针对贵阳机场霜发生的特征及其与气象要素关系方面的研究还比较少。
本文通过分析贵阳机场霜的环流形势及相关气象要素特征，探寻霜的发生及演变规律，以期提高贵阳机场霜天气的预报预警能力，为航空安全运行做好服务，提升航班正常率。
2. 资料与方法
本文主要使用2008~2023年贵阳机场自动观测数据(包含风、温度、露点温度、相对湿度、跑道视程等)、机场天气报告及观测纪要栏数据、ECMWF ERA5再分析资料(时间分辨率为小时，空间分辨率为0.25˚ × 0.25˚)，主要为位势高度及海平面气压资料。
3. 贵阳机场霜的气候特征
3.1. 年际变化
如图1所示，2008~2023年贵阳机场共有44个霜日，年平均为2.8天。年变化特征明显，2009年、2014年、2021年出现最多，为6天(占比13.6)。2011年、2018年、2020年、2022年均无霜出现。初霜日最早出现在2009年11月22日，终霜日最晚出现在2008年2月29日。
Figure 1. The interannual variation of frost at Guiyang airport from 2008 to 2023
图1. 2008~2023年贵阳机场霜的年际变化
3.2. 年变化
如图2所示，贵阳机场霜仅发生在11月至次年2月，其中11月霜日最少，仅4天(占比9.1%)；12月达到峰值，出现20天(占比45.5%)；次年1月开始小幅减少，出现15天(占比34.1%)；2月大幅减少，出现5天(占比11.3%)。
Figure 2. Annual variation of frost at Guiyang airport from 2008 to 2023
图2. 2008~2023年贵阳机场霜的年变化
4. 贵阳机场霜的环流形势分析
如图3(a)~(c)所示，对霜的500 hPa、700 hPa、850 hPa位势高度场进行合成分析，发现500 hPa、700 hPa为弱脊控制，850 hPa为弱高压控制。如图3(d)所示，贵阳机场霜的海平面气压场为均压场控制。
(a) (b)
(c) (d)
Figure 3. The circulation pattern of frost at Guiyang airport (a) 500 hPa, (b) 700 hPa, (c) 850 hPa potential height (unit: dagpm), (d) sea level pressure (unit: hPa)
图3. 贵阳机场霜的环流形势(a) 500 hPa、(b) 700 hPa、(c) 850 hPa位势高度(单位：dagpm)、(d) 海平面气压(单位：hPa)
5. 贵阳机场霜的气象要素特征
霜是由水汽凝华或露水冻结形成的冰晶，它与霜前日最高温、霜日最低温、相对湿度、风向风速、总云量等关系密切，是多种要素共同作用的结果。
5.1. 霜日温度及露点温度
如图4(a)所示，由于辐射降温，霜日01~10时(北京时间，下同)温度中位数呈先降低(01~07时)后升高(07~10时)的分布特征。01时温度中位数为0.35℃，50%的温度集中在−1.6℃~1.65℃；02时温度中位数为−0.3℃，50%温度集中在−1.6℃~1.35℃；03时温度中位数为−0.6℃，50%温度集中在−1.8℃~0.3℃；04时温度中位数为−1.35℃，50%温度集中在−1.9℃~−0.2℃；05时温度中位数为−1.6℃，50%温度集中在−2.25℃~−0.4℃；06时温度中位数为−1.9℃，50%温度集中在−2.8℃~−1.0℃；07时温度一般最低，中位数为−1.95℃，50%温度集中在−3.1℃~−1.4℃；08时开始温度缓慢升高，中位数为−1.8℃，50%温度集中在−2.95℃~−0.95℃；09时温度中位数为−0.4℃，50%温度集中在−1.35℃~−1.35℃；10时温度抬升至0℃以上，中位数为3.2℃，50%温度集中在0.6℃~4.9℃。
(a)
(b)
Figure 4. (a) Temperature, (b) Dew point temperature at 01:00~10:00 on frost days
图4. 霜日1~10时(a) 温度、(b) 露点温度
如图4(b)所示，霜日01~10时露点温度中位数的变化趋势与温度变化趋势比较一致。01~07时露点温度逐渐降低，07~10时露点温度逐渐升高。01时露点温度中位数为−0.8℃，50%露点温度集中在−2.75℃~−0.4℃；02时露点温度中位数为−1.0℃，50%露点温度集中在−2.65℃~−0.35℃；03时露点温度中位数为−1.75℃，50%露点温度集中在−2.85℃~−0.5℃；04时露点温度中位数为−2.1℃，50%露点温度集中在−3.05℃~−0.85℃；05时露点温度中位数为−2.15℃，50%露点温度集中在−3.2℃~−1.1℃；06时露点温度中位数为−2.25℃，50%露点温度集中在−3.5℃~−1.5℃；07时露点温度中位数为−2.5℃，50%露点温度集中在−3.75℃~−1.7℃；08时露点温度中位数为−2.25℃，50%露点温度集中在−3.6℃~−1.55℃；09时露点温度中位数为−1.3℃，50%露点温度集中在−2.45℃~0.3℃；10时露点温度中位数为0.45℃，50%露点温度集中在−0.85℃~−1.6℃。
5.2. 霜前日最高温、霜日最低温、温度差
如图5所示(图中虚线为平均值)，霜前日最高温在2.1℃~17.4℃波动，平均最高温为10.6℃；霜日最低温在−5.8℃~1.2℃波动，平均最低温为−2.8℃。最高温与最低温温差在5.8℃~18.2℃波动，平均温差为13.4℃。
Figure 5. The highest temperature on the day before frost, lowest temperature on frosty days, daily temperature difference
图5. 霜前日最高温、霜日最低温、日温差
不同月份霜前日最高温、霜日最低温及日温差略有差异。如图6(a)所示(图中虚线为平均值)，1月霜前日最高温在2.1℃~16℃波动，平均最高温为11.2℃；霜日最低温在−5.5℃~−1℃波动，平均最低温为−3.0℃；温差在5.8℃~17.2℃波动，平均温差为14.2℃。如图6(b)所示，2月霜前日最高温在6.9℃~13.7℃波动，平均最高温为9.8℃；霜日最低温在−5.4℃~−2.2℃波动，平均最低温为−3.1℃；温差在9.5℃~16.2℃波动，平均温差为12.9℃。如图6(c)所示，11月霜前日最高温在7.2℃~15.6℃波动，平均最高温为11.5℃；霜日最低温在−3.8℃~0.5℃波动，平均最低温为−2.3℃；温差在11.0℃~18.0℃波动，平均温差为13.7℃。如图6(d)所示，12月霜前日最高温在4.0℃~17.4℃波动，平均最高温为10.1℃；霜日最低温在−5.8℃~1.2℃波动，平均最低温为−2.7℃；温差在7.0℃~18.2℃波动，平均温差为12.8℃。
(a) (b)
(c) (d)
Figure 6. Same as Figure 5, (a) January, (b) February, (c) November, (d) December
图6. 同图5，(a) 1月，(b) 2月，(c) 11月，(d) 12月
5.3. 霜日相对湿度分布
如图7所示，霜日01时相对湿度中位数为93%，50%的相对湿度集中在87.5%~95%；02时相对湿度中位数为94%，50%的相对湿度集中在88.5%~96%；03时中位数为95%，50的相对湿度集中在90.5%~97%；04时中位数为95%，50%相对湿度集中在92%~97%；05时中位数为95%，50%相对湿度集中在92.5%~97%；06时中位数达到峰值(96%)，50%相对数湿度集中在93%~97%；07时中位数为95.5%，50%的相对湿度集中在93%~97.5%；08时中位数为95.5%，50%的相对湿度集中在94%~97.5%；09时中位数为95%，50%的相对湿度集中在91%~98%；10时相对湿度整体降低，中位数为85%，50%的相对湿度集中在76%~96%。
Figure 7. Relative humidity at 01:00~10:00 on frost days
图7. 霜日01~10时相对湿度
5.4. 霜日风向风速分布
如图8所示，霜日01~10时风向不定(VRB)占比最多(32.3%)，静风(C)次之(占比24.5%)，偏北风和东北风占比17.9%，偏南风占比15.7%。风速大多小于2 m/s (占比87.9%)。其中，静风(风速0 m/s)占比24.5%，风速[1, 2) m/s占比63.4%，风速[2, 3) m/s占比8.1%，风速 ≥ 3 m/s占比4.0%。
Figure 8. Wind direction and speed at 01:00~10:00 on frost days
图8. 霜日01~10时风向风速
5.5. 霜日总云量分布
如图9所示，霜日01~10时总云量多在5个量以下，天空状况为晴到少云。利于夜间辐射降温，使水汽凝华形成霜。其中，霜日01~06时、09~10时总云量中位数小于等于1个量，07时中位数为3个量，08时中位数为2个量。
Figure 9. Total cloud cover at 01:00~10:00 on frost days
图9. 霜日01~10时总云量
5.6. 霜日夜晨伴随天气现象
如图10所示，霜出现时常伴随视程障碍现象。贵阳机场霜日伴随轻雾(BR)次数最多(占比54.5%)，其次为冻雾(FZFG) (占比29.5%)，霾(HZ) (占比2.3%)、霾伴轻雾(HZ伴BR) (占比4.5%)、雪(SN) (占比2.2%)、无天气现象(占比7%)次数较少。
Figure 10. Accompanying weather phenomena at night and in the morning on frosty days
图10. 霜日夜晨伴随天气现象
5.7. 霜日主导能见度和跑道视程(RVR)分布
如图11(a)所示，霜日01~10时主导能见度整体呈先降低后抬升的趋势，01时主导能见度中位数为6000 m，02~03时小幅下降至5000 m，04时为4500 m，05时为4000 m，06时下降至3750 m，07~08时下降至最低3000 m，09时小幅上升至3250 m，10时明显抬升至4250 m。06~09时出现低能见度的概率较大(冻雾伴霜天气)。如图11(b)所示，霜日01~04时，RVR大多为P2000，05时RVR主要集中在1450~P2000，06时集中在1550~P2000，07时集中在1300~P2000，08时、09时集中在1400~P2000，10时集中在1950~P2000。
(a)
(b)
Figure 11. (a) Lead visibility, (b) Runway visual range at 01:00~10:00 on frost days
图11. 霜日01~10时(a) 主导能见度、(b) 跑道视程RVR
以下挑选冻雾伴霜个例中冻雾时间大于1小时的个例进行分析，图12中折线表示不同冻雾伴霜个例。如图12(a)所示，冻雾伴霜日主导能见度最早在02时可降至1000 m以下。冻雾一般较浓，持续时间较久。09时主导能见度大多小于等于800 m，10时均小于4000 m。冻雾伴霜出现时主导能见度一般较低，大多可低至200 m，最低至50 m。如图12(b)所示，冻雾伴霜日，RVR最早在01时可降至1000 m以下，持续时间较久。冻雾伴霜出现时RVR一般较低，大多可低至250 m，最低至50 m。09时RVR大多在800 m以下。
(a)
(b)
Figure 12. (a) Lead visibility, (b) Runway visual range of frozen fog with frost cases at 01:00~10:00
图12. 冻雾伴霜个例01~10时(a) 主导能见度、(b) RVR
5.8. 霜日海平面气压分布
如图13所示，霜日01~10时海平面气压整体变化不大。中位数在1024.2~1029.3 hPa波动，01时集中在1022.8~1029.3 hPa，02时集中在1022.5~1029.2 hPa，03时集中在1022.3~1028.7 hPa，04时集中在1021.7~1028.6 hPa，05时集中在1021.2~1028.2 hPa，06时集中在1021.1~1028.1 hPa，07时集中在1021.5~1028.5 hPa，08时集中在1021.9~1028.8 hPa，09时集中在1022.1~1029.1 hPa，10时集中在1022.3~1029.0 hPa。
Figure 13. Sea level pressure at 01:00~10:00 on frost days
图13. 霜日01~10时海平面气压
6. 结论
1) 贵阳机场霜日年平均为2.8天，主要发生在11月~次年2月。
2) 霜日平均环流形势：500 hPa、700 hPa均为弱脊控制，850 hPa为弱高压控制，地面为弱均压场控制。
3) 夜间辐射降温明显，04~08时温度及露点温度均在0℃以下，07时降至最低；霜前日平均最高温为10.6℃，霜日平均最低温为−2.8℃，平均温差为13.4℃；霜日03时后相对湿度大于90%；出霜时风向多为风向不定(占比32.3%)或静风(占比24.5%)、风速多小于2 m/s (87.9%)、天空状况多为晴到少云。
4) 霜出现时常伴随视程障碍现象，其中轻雾最多(54.5%)，其次为冻雾(29.5%)；；主导能见度和跑道视程整体呈先降低后抬升的趋势，冻雾伴霜日雾一般较浓，主导能见度和跑道视程较低，可低至50 m，持续时间较久。
5) 霜出现时平均海平面气压范围为1024~1026 hPa。