1. 引言
低能见度天气是冬季影响民航飞行安全的重要灾害性天气，可对一定距离内观察目标的清晰度造成影响，影响正常飞行，在这种天气条件下飞行员的目视距离大大缩短，由于无法清晰辨认地面标志与障碍物而增加了飞行的复杂性与不确定性。国内学者对冻雾等低能见度天气有一定的研究[1]-[4]，黄继雄等[5]对影响首都机场的浓雾过程进行分析发现，浓雾的形成、发展和消散过程都不是一个缓慢的线性过程，其从一种平衡态向另一平衡态的跃变具有突发性和振荡性的特征。以及雾的消散与太阳辐射、气温升高、逆温层消失、强梯度风有关[6] [7]。
冬季，北疆沿天山一带常由于特殊天气条件与地形相结合，出现雾与层云交替的阴雾天气。这种天气与一般的辐射雾和平流雾有很大不同，又称为“阴雪天气”或“低云雾”天气，它是准噶尔盆地地形、地面积雪和特有天气条件下的共同产物。阴雾天气下，通常伴有小雪、米雪或雾凇等天气现象，但雪量通常为微量，一般出现在11月至次年3月[8]-[10]。乌鲁木齐机场冬季大雾常与准噶尔盆地阴雾天气相伴出现，维持时间短则数小时，长则2~5天，受日变化的影响，午后能见度较好，但常出现能见度时好时坏的反复现象，表现为有时雾抬升为层云，有时层云降至地面成雾，并伴有很低的碎层云，严重影响飞行安全。2023年12月30日~2024年1月2日乌鲁木齐机场出现2023年冬季以来累计持续时间最长、影响较大的一次低云、低能见度天气，对航班运行造成较大的影响。本文利用常规高空地面、FNL 1˚ × 1˚再分析资料、新疆区域加密自动气象站及微波辐射计对低云低能见度天气的大尺度环流背景、环境场条件进行分析，以期望提高乌鲁木齐机场冬季低云低能见度天气的预报、服务能力，保障冬季复杂天气期间飞行安全。
2. 天气概况
2023年12月30日~2024年1月2日，北疆盆地出现了大范围的冻雾低云天气。冻雾发生前期，乌鲁木齐机场气温较常年同期偏高，冻雾出现时间较往年偏晚、持续时间较短、冻雾日数偏少。乌鲁木齐机场12月30日22:39~31日03:00、31日07:42~12:00、31日20:00~1日07:00、1日21:09~2日09:30、2日10:10~13:30出现冻雾，主导能见度100~900米，跑道视程175~2000米，期间伴有低云，云底高30~60米，由于连续4日出现低云低能见度天气，且低能见度天气的发生与早晚航班量较大时间重合度高，对航班运行造成较大影响，此次间歇性冻雾天气过程共造成进出港航班209架次延误，返航备降航班11架次。此次北疆沿天山一带阴雾天气形成和维持的天气形势是暖脊型，是冬季北疆沿天山一带形成阴雾天气的主要形势。在阴雾天气出现前有低槽侵入北疆，造成一次降水天气后，随后新疆被槽后暖脊控制，地面蒙古高压稳定增强时，最有利于阴雾天气的形成。
2023年12月30日，受北支槽东移影响，北疆大部、伊犁河谷以及北疆沿天山一带多云小雪，主要降水落区集中在伊犁河谷及北疆北部，24小时降水量最大达4.2 mm，整个过程降水强度不大。乌鲁木齐机场30日08:30~20:30小雪，过程降水量2 mm，新增积雪深度3 cm。低槽入侵使低层增湿，后续快速转为暖脊使得中层增温有利于逆温形成。30日夜间20时，北疆沿天山一带出现阴雾天气后持续维持并加强，30日夜间至1日上午，北疆沿天山一带出现大范围冻雾天气，主导能见度100~800米，各站点主导能见度均呈现出明显的日变化。
3. 环流形势
500 hPa上，12月28日~29日，亚欧区域中高纬度环流形势呈现“两脊一槽”，乌拉尔山–西西伯利亚地区为低涡槽控制，里海–咸海和新疆地区为高空浅脊控制，脊后西南风较强，西南风最大风速达50 m∙s−1，脊区北部等温线与等高线近乎垂直，暖平流较强，致使脊不断向东北方向伸展。29日20时，低涡进一步加深发展东移至乌拉尔山，槽后强盛的西北气流不断引导冷空气南下。由图1(a)，30日08时，北疆地区已处于低涡底部偏西及西南气流控制，上游伊宁偏西风风速达28 m∙s−1，乌鲁木齐上空为西南风，天山山区及北疆沿天山一带有一定的风向风速辐合，有利于本场降雪。31日14时，高空槽已逐渐移出新疆区域，全疆大部为偏西气流控制，12月31日~1月1日，北疆地区由低涡底部偏西气流逐渐转为暖脊控制，为北疆沿天山一带断续出现冻雾天气提供稳定的天气形势，1月2日14:00后受高空槽影响北疆地区逐渐转为偏西气流，稳定的天气形势逐渐被打破。
(a) (b)
Figure 1. Weather situation field; (a) 500 hPa at 08:00 on December 30, 2023; (b) 850 hPa at 20:00 on December 31, 2023
图1. 天气形势场；(a) 2023年12月30日08:00 500 hPa；(b) 2023年12月31日20:00 850 hPa
700 hPa大尺度环流形势与500 hPa较匹配，30日02时，高空槽位于北疆西部国境线，槽后有明显的冷平流，且在槽东移过程中有湿度与动力配合，北疆大部、天山山区均为高湿区，与降水落区基本吻合。在本场冻雾期间700 hPa风场较弱，700 hPa形势和500 hPa相似，12月31日~1月1日偏西气流逐渐转为暖脊控制，北疆地区有明显暖平流。1月2日08:00后受高空槽影响北疆地区逐渐转为偏西气流。
850 hPa上，30日08时，北疆区域为偏西、西北气流控制，风速较大，冷中心位于国境线以西达−16℃，北疆区域有明显的冷平流与700 hPa较匹配。由图1(b)，30日20时，北疆区域冷平流减弱，伊犁河谷、北疆沿天山一带转为弱的偏西、偏北气流控制，为北疆沿天山一带夜间冻雾天气提供较为稳定的层结条件，31日14时，本场上空逐渐转为东南风，后续东南风层建立并加强，1日08时，有弱冷空气进入北疆，打破稳定层结，本场转为西北风，1日20时开始中亚地区有暖舌逐渐向东北伸展至北疆西部，为北疆沿天山一带低层提供暖平流，建立稳定的逆温层，2日08时，本场上空东南风层加强，2日20时，北疆区域逐渐转为西北气流，稳定层结被彻底打破。
地面图上，29~30日，地面高压逐渐东移，后与蒙古高压合并，30日17:00~31日02:00北疆大部位于带状高压下，虽然没有很强的气压梯度，但也不是最有利于出雾的地面形势。31日~2日北疆盆地处于均压场控制，有利于稳定层结的形成。
4. 间歇性冻雾成因分析
4.1. 地面气象要素特征
Figure 2. The evolution of RVR (Runway Visual Range) (a); wind direction (b); temperature (c); and wind speed (d) during the period of intermittent freezing fog at Urumqi Airport from December 30 to 31, 2023
图2. 2023年12月30~31日乌鲁木齐机场间歇性冻雾期间RVR (跑道视程) (a)；风向(b)；温度(c)；风速(d)的演变
2023年12月30日~2024年1月2日，乌鲁木齐机场先后出现间歇性冻雾、低云、小雪(小米雪)等多种复杂天气。冻雾的生消演变与地面要素的变化关系密切，为分析间歇性冻雾过程中地面要素的变化情况，故本文分析了冻雾期间乌鲁木齐机场RVR (跑道视程)、温度、风向、风速演变，绘制了12月30日~1月2日气象要素的逐小时变化图。
由图2中可以看到，12月30日白天，乌鲁木齐机场白天降雪期间受降雪影响RVR短时波动，温度逐渐上升至0℃，期间乌鲁木齐机场风向以西北、东北为主，风速相较于冻雾期间偏大。30日夜间，降雪逐渐停止，随着本场温度略有下降，乌鲁木齐机场RVR出现波动，间歇性冻雾天气开始影响乌鲁木齐机场，但波动期间RVR大多数时间维持在600米以上对运行影响有限，随后本场转南风后RVR快速上升至2000米以上，温度略有上升。直至31日早晨开始，由于乌鲁木齐机场温度下降约3℃，风向由南风转为偏北风，有利于近地层水汽凝结成雾及北部雾区扩散影响乌鲁木齐机场，本场RVR快速跌至200米并维持，直至31日中午受日变化影响逐渐升温，RVR才逐渐缓慢上升至2000米以上。31日夜间，温度下降4℃乌鲁木齐机场RVR快速跌至400米以下并维持，期间风速一直较小。
Figure 3. The evolution of RVR (Runway Visual Range) (a); wind direction (b); temperature (c) and wind speed (d) during the period of intermittent freezing fog at Urumqi Airport from January 1 to 2, 2024
图3. 2024年1月1~2日乌鲁木齐机场间歇性冻雾期间RVR (跑道视程) (a)；风向(b)；温度(c)；风速(d)的演变
由图3中可以看到，31日后夜间，乌鲁木齐机场RVR虽略有波动，但仍长时间维持在600米以下，凌晨风向逐渐转为南风，合并日变化影响温度缓慢上升至0℃，RVR逐渐上升至2000米以上并维持。1日夜间，温度快速下降至−9℃，RVR下降至400米左右。其后，除短时RVR随温度升高短时波动上升至2000米后，RVR多数时间在600米以下，乌鲁木齐机场维持冻雾天气，直至2日中午。
综上所述，乌鲁木齐机场温度的日变化是乌鲁木齐机场12月30日~1月2日冻雾天气有间歇性的重要原因之一。发生在夜间的降温往往既有辐射降温亦有平流降温的贡献，地面风向、风速也会影响冻雾天气的维持与发展。在早上、上午、下午发生的降温主要为风向变化带来的平流降温。地面降温与气温日变化和局地风场的变化息息相关，日变化降温因素相对容易把握，而平流降温多与偏北风的出现或加强有关，因此预报冻雾的生消对于局地风场变化的预测至关重要，而这也是目前预报工作的难点所在。
4.2. 近地层和地面高湿
冻雾天气的形成需要有高湿条件，北疆沿天山冻雾天气的水汽来源，一是前期低值系统入侵带来的湿度增加，二是稳定积雪形成的雪面升华。此次冻雾前期，乌鲁木齐机场受高空槽东移影响30日08:30~20:30出现小雪，过程降水量2毫米，弱的降水天气使得北疆沿天山一带及北疆盆地相对湿度逐渐增大，由图4(a)可知，至30日22:00北疆沿天山一带及北疆盆地国家自动站相对湿度达90%以上，空气进一步饱和，为冻雾天气形成提供了极好的湿度条件。且在30日白天降雪过程中，北疆沿天山一带持续升温，由图4(b)，30日17:00北疆沿天山一带国家自动站24小时变温均为6~10℃，乌鲁木齐机场30日最高温度0℃，相较于29日升温6℃。北疆沿天山一带均处于升温高湿环境下，夜间微弱的降温都会使得主导能见度快速下降。
Figure 4. Automatic ground meteorological station; (a) 22:00, Dec. 30, 2023 relative humidity; (b) 17:00, Dec. 30, 2023 temperature change in 24 hours
图4. 地面气象自动站；(a) 2023年12月30日22:00相对湿度；(b) 2023年12月30日17:00 24小时变温
Figure 5. Humidity profiles of the microwave radiometer at Urumqi Airport: (a) relative humidity; (b) absolute humidity
图5. 乌鲁木齐机场微波辐射计湿度廓线：(a) 相对湿度；(b) 绝对湿度
分析微波辐射计探测的相对湿度、绝对湿度，由图5(a)，降雪期间乌鲁木齐机场整层湿度增大，6000米以下处于高湿区，相对湿度达到90%以上接近饱和。降雪结束后，中高层相对湿度逐渐下降，但机场上空1000米以下仍处于高湿区。由图5(b)，水汽主要集中在低空至地面，降雪开始底层绝对湿度增加至 ≥ 4 g/m3，逆湿特征显著，绝对湿度大值基本都出现在500米以下甚至地面附近。从绝对湿度的连续演变可以看出，前期的降雪过程会给近地面带来明显的水汽增加，在近地层形成稳定的高湿环境，在冻雾发展阶段，绝对湿度条件较稳定，为乌鲁木齐机场后续的冻雾天气提供充沛的水汽条件。
4.3. 层结条件及边界层风场特征
由于新疆区域探空站相隔较远，北疆地区仅乌鲁木齐和克拉玛依站有探空资料，且乌鲁木齐探空站位于市区，市区海拔高度较机场高300 m，无法代表此次大雾期间边界层特征，本文使用机场微波辐射计探测的温度廓线来分析逆温层变化情况，激光测风雷达分析边界层风场特征。
(a) (b)
Figure 6. During the period of intermittent freezing fog at Urumqi Airport from December 30 to 31, 2023; (a) temperature profile of the microwave radiometer; (b) wind profile diagram of the wind lidar
图6. 2023年12月30~31日乌鲁木齐机场间歇性冻雾期间；(a) 微波辐射计温度廓线；(b) 激光测风雷达风廓线图
由图6(a)，30日白天乌鲁木齐机场地面逐渐升温，上空减温，30日夜间此次间歇性冻雾天气开始时上空仍为减温，没有逆温层提供稳定的层结条件，故30日夜间冻雾期间RVR整体在600米以上。31日早晨地面减温，500米以下形成弱逆温层但持续时间较短，与31日早晨冻雾开始时间基本一致。31日白天，机场上空仍为减温，直至31日夜间机场上空500~1000米高度逐渐升温，逆温建立，温度上升至−2℃以上，为31日夜间冻雾天气维持创造了稳定的层结条件。
(a) (b)
Figure 7. During the period of intermittent freezing fog at Urumqi Airport from January 1 to 2, 2024; (a) temperature profile of the microwave radiometer; (b) wind profile diagram of the wind lidar
图7. 2024年1月1~2日乌鲁木齐机场间歇性冻雾期间；(a) 微波辐射计温度廓线；(b) 激光测风雷达风廓线图
由图6(b)，机场上空在集中降雪期间风向一直稳定为偏西风，30日夜间，风向转为偏东–东北风，31日凌晨转为偏南风，与31日凌晨RVR好转时间一致。31日早晨转为东北风，其中机场上空为偏东–东北风的时段均与机场冻雾时段接近。
由图7(a)，1日凌晨受弱扰动影响，逆温层被短暂打破，RVR短时波动上升至200米，1日白天近地面1000米以下逐渐升温，温度上升至0℃以上，逆温层逐渐建立。1日夜间，近地面迅速降温，逆温强度增强，高度不断抬升，23时逆温层顶抬升至1500米附近并维持，2日上午逆温增强，冻雾维持，中午逆温层明显减弱，RVR好转，午后逆温层继续增强，逆温层底短时接地。3日凌晨受短波活动影响，乌鲁木齐机场上空逆温层被彻底打破，彻底结束此次间歇性冻雾天气。
由图7(b)，机场上空1日凌晨风向一直稳定为偏西风，1日早晨转为偏南风，本场转为轻雾天气，1日夜间风向转为稳定为偏西风，2日凌晨转为偏东–东北风，其中机场上空为南风的时段与RVR在200米以上时段接近。且12月30日~1月2日间歇性冻雾时段，激光雷达数据均在300米以下。
5. 结论
通过对此次雪后间歇性冻雾天气过程的环流形势、水汽条件、层结及地面风场、微波辐射计资料的分析，得出以下结论：
(1) 此次间歇性冻雾天气过程是在在500 hPa、700 hPa偏西气流或暖脊控制配合850 hPa较强的暖平流天气环流背景下产生的。
(2) 地面温度变化是乌鲁木齐机场12月30日~1月2日冻雾天气有间歇性的重要原因之一。温度降低，地面转偏北风均有利于乌鲁木齐机场冻雾的维持与发展。
(3) 前期受北支槽东移影响，北疆大部、天山山区有一次小雪天气过程，为间歇性冻雾天气提供较好的水汽补充。
(4) 稳定层结是冻雾维持、发展的必要条件。但在乌鲁木齐机场水汽条件达到一定程度时，即使机场上空没有逆温层，随着夜间降温乌鲁木齐机场仍会出现冻雾天气。