1. 引言
贵阳龙洞堡国际机场(以下简称贵阳机场)地处贵州省会贵阳市东部，作为区域重要的枢纽机场，机场标高1138.9 m，属民用4E级机场，承担着我国西部地区大量的航空运输任务。贵阳地处云贵高原东麓，地形条件复杂山脉河流纵横，充沛的水汽以及山脉的阻挡作用，在降水过后转为晴夜时，常因辐射降温导致近地面水汽饱和凝结，产生低能见度现象，当能见度低于1 km时，即为雾[1]。根据《民用航空气象地面观测规范》等相关规定，冻雾包括冻结的和过冷却的两种。冻结的是指这种雾与物体接触时会发生冻结，从而在物体表面产生一层雾凇；过冷却的是指由过冷却水滴组成的雾，即温度虽在0℃以下，仍未冻结的雾。此时，不论是否有雾凇形成，都应当视为冻雾[2]。冻雾天气往往伴随霜冻、雾凇等现象出现，且维持时间较长[3]，根据民航贵州空管分局运行管理中心数据统计，近15年来冻雾天气共造成贵阳机场456架次航班延误，36架次航班返航备降，对民航安全正常运行影响极大。
近年来对于机场因雾造成的低能见度天气的研究取得显著进展。方春刚等[4]对华北地区雾的研究表明，静稳形势的天气条件不利于水汽的扩散，易造成区域性持续冻雾天气。罗忠红等[5]对厦门机场的一次爆发性浓雾天气过程的研究表明，海风和地面长波辐射提供主要热力冷却条件，风速的突增促使了雾的生成和爆发性增长。朱虹等[6]对昭通机场两次辐射雾过程的对比分析，表明水汽含量和动力条件对雾的浓度、持续时间有正相关性。严文莲等[7]对江苏雾爆发性增长的研究指出，辐射雾发生时，近地面低层存在贴地强逆温现象。裴昭昭等[8]对沈阳机场持续冻雾天气的分析发现，地面的弱气压场和稳定的垂直结构，是产生冻雾天气的主要原因。陈义义等[9]对贵阳机场辐射雾的研究表明，相对较高的空气质量污染指数，为雾的产生提供了必需的凝结核。张茜等[10]对乌鲁木齐机场一次冻雾冻降水天气过程的研究发现，弱扰动使得空中过冷却水凝结形成冻毛毛雨和冻雾，同时较为稳定的层结使得冻雾维持。罗娅等[11]对贵阳机场霜天气的研究表明，冻雾是霜的主要伴随天气现象之一。各类研究主要集中于对雾的特征、机制进行深入探讨，此外，针对高原或复杂地形下机场雾的研究也逐步深入[12] [13]，但针对冻雾天气，尤其是贵阳机场的冻雾天气特征的分析研究较少。因此，本文将通过对近15年贵阳机场的冻雾天气特征和要素变化规律进行深入分析，并结合一次典型冻雾天气过程，讨论冻雾天气出现的原因和机制，为贵阳机场冻雾预报提供参考依据。
2. 资料
本文所用资料包括贵阳机场AWOS自动观测系统资料、历史地面观测资料、贵阳机场微波辐射计资料、欧洲中心ERA5逐小时再分析资料(空间分辨率为0.25˚ × 0.25˚)。本文所用时间均为北京时间。本文采用Python、Origin及雷达软件对数据资料进行处理并制图。
3. 贵阳机场近15年冻雾天气特征分析
表1给出了贵阳机场近15年冻雾天气的开始时间、消散时间、持续时间、最低能见度及出现时间、伴随天气、日最高温度、日最低温度和类型等信息。
Table 1. Statistics of freezing fog weather at Guiyang Airport from 2010 to 2024
表1. 2010年~2024年贵阳机场冻雾天气统计
序号 |
开始 时间 |
消散 时间 |
持续 时间 |
最低能见度 (米) |
出现 时间 |
伴随 天气 |
日最高 气温℃ |
日最低 气温℃ |
备注 |
2010-01-03 |
5:58 |
6:45 |
00:47 |
900 |
5:58 |
|
16.2 |
−1.9 |
|
2010-01-08 |
7:29 |
10:10 |
02:41 |
100 |
8:12 |
HZ |
16.6 |
−1.6 |
|
2010-01-16 |
5:52 |
9:51 |
03:59 |
50 |
9:10 |
HZ FR |
14.5 |
−2.4 |
|
2010-02-22 |
4:51 |
10:20 |
05:29 |
100 |
7:48 |
|
19.5 |
−1.1 |
|
2011-01-08 |
5:51 |
11:28 |
05:37 |
500 |
7:30 |
RA |
2.0 |
−2.1 |
锋面冻雾 |
2011-01-22 |
1:52 |
6:45 |
04:53 |
500 |
1:58 |
RA VG |
0.1 |
−1.7 |
锋面冻雾 |
2013-01-13 |
7:51 |
10:20 |
02:29 |
400 |
7:57 |
FR |
15.2 |
−4.6 |
|
2013-12-18 |
2:51 |
10:08 |
07:17 |
300 |
9:23 |
FR |
8.5 |
−4.5 |
|
2014-01-14 |
1:52 |
11:20 |
09:28 |
150 |
8:20 |
FR |
10.0 |
−4.0 |
|
2014-01-15 |
1:55 |
8:45 |
06:50 |
200 |
2:20 |
FR |
7.9 |
−4.5 |
|
2014-01-18 |
9:12 |
9:42 |
00:30 |
500 |
9:13 |
FR |
16.8 |
−3.6 |
|
2014-02-20 |
1:57 |
9:43 |
07:46 |
400 |
7:48 |
FR |
16.9 |
−2.2 |
|
2014-12-20 |
0:42 |
10:50 |
10:08 |
150 |
9:20 |
|
16.0 |
−1.3 |
|
2014-12-22 |
2:18 |
9:18 |
07:00 |
200 |
6:25 |
|
12.3 |
−2.6 |
|
2015-01-13 |
2:54 |
11:42 |
08:48 |
200 |
7:51 |
FR |
12.7 |
−2.3 |
|
2015-01-21 |
5:20 |
10:41 |
05:21 |
200 |
8:21 |
|
14.6 |
−0.9 |
|
2016-01-18 |
7:58 |
8:30 |
00:32 |
900 |
7:58 |
|
6.1 |
−2.6 |
锋面冻雾 |
2016-11-27 |
5:55 |
10:02 |
04:07 |
50 |
7:58 |
FR |
17.7 |
−3.3 |
|
2019-12-06 |
4:58 |
10:45 |
05:47 |
200 |
7:46 |
FR |
12.7 |
−2.2 |
|
2019-12-07 |
7:50 |
8:53 |
01:03 |
300 |
8:08 |
FR |
15.3 |
−4.1 |
|
2021-01-23 |
5:40 |
9:42 |
04:02 |
200 |
7:49 |
|
17.2 |
−0.1 |
|
2022-01-18 |
2:40 |
11:41 |
09:01 |
100 |
8:52 |
|
14.8 |
−0.6 |
|
2024-02-10 |
3:56 |
11:05 |
07:09 |
150 |
9:28 |
FR |
18.2 |
−2.8 |
|
平均情况 |
4:40 |
9:55 |
5:15 |
293 |
7:37 |
|
13.12 |
−2.48 |
|
3.1. 冻雾天气年际变化特征和年变化特征
如表1所示，贵阳机场近15年共出现冻雾天气23次，平均每年1.53次，近15年来，冻雾发生频率呈下降趋势，近5年仅出现5次，低于15年平均，但随着贵阳机场航班量快速增长，冻雾对民航运行产生的影响更为突出，对民航正常运行和旅客出行造成较大影响。
从冻雾天气的年变化来看，冻雾天气均发生在11月~2月期间，其中11月1次，12月5次，1月14次，2月3次，绝大多数发生在冬季期间，最早冻雾出现在2016年11月27日，最晚冻雾出现在2010年2月22日。
3.2. 冻雾天气日变化特征
从表1可知，贵阳机场冻雾天气均发生在凌晨至早晨时段，平均发生时间为04:40，平均消散时间为09:55，平均持续时间为5小时15分钟。最早发生时间为0:42，最晚发生时间为9:12，最早消散时间为6:45，最晚消散时间为11:42。最短持续时间为30分钟，最长持续时间为10小时8分钟。
3.3. 冻雾天气要素特征
从表1可知，贵阳机场冻雾天气平均最低能见度293米，冻雾天气时的能见度最低50米，最高900米；冻雾出现当日平均日最高气温为13.12℃，平均日最低气温−2.48℃，可以看出雾消散之后气温的快速回升，从侧面反映了雾消散之后天空状况较好，云量少，地面快速增温。从伴随的天气现象可以看出，有12次冻雾天气伴随有霜(FR)，占比52%，有2次冻雾天气伴随有雨(RA)，其中1次为冻雨并出现了雨凇(VG)，有2次冻雾天气伴随霾(HZ)。
3.4. 冻雾天气类型特征
根据刘开宇等[14]对贵阳机场雾的气候学统计分析结果，按雾的成因将贵阳机场出现的雾分为锋面雾和辐射雾两类。锋面雾为云贵准静止锋造成的能见度小于1公里的雾，往往伴随降水天气，低云以碎雨云为主；辐射雾则是夜间近地面的大气受晴空辐射降温所致的能见度小于1公里的雾。根据上述分类方法，将近15年出现的23次冻雾天气过程进行分类，其中锋面冻雾有3次，辐射冻雾有20次。
表2对两类冻雾的特征进行了统计分析，可以看出辐射冻雾相较于锋面冻雾，具有发生频次高、开始时间早、消散时间晚、持续时间长、能见度低等特点，并常伴随霜出现，停场飞机往往需要进行除霜作业，从运行影响数据来看，辐射冻雾对航班运行影响的占比最高，超过98%，而3次锋面冻雾仅伴随冻雨发生的冻雾对航班运行造成了7架次延误，其余2次对航班运行影响有限。
Table 2. Average climatic characteristics of different types of freezing fog
表2. 不同类型冻雾的平均气候特征
类型 |
出现次数 |
平均
开始时间 |
平均
消散时间 |
平均
持续时间 |
平均最低能见度(米) |
平均日
最高气温℃ |
平均日
最低气温℃ |
伴随天气 |
锋面冻雾 |
3 |
5:13 |
8:54 |
3:41 |
633 |
2.73 |
−2.13 |
RA VG |
辐射冻雾 |
20 |
4:36 |
10:05 |
5:29 |
243 |
14.68 |
−2.53 |
FR HZ |
3.5. 冻雾特征与前期气象条件的关联
进一步分析表明(表3)，辐射冻雾发生前24小时具备“显著降温、高湿静稳”的鲜明特征，平均降温幅度达4.2℃，起雾前相对湿度高于85%、风速小于2.0 m/s，且前期天气晴好(能见度 > 10 km)；而锋面冻雾前期则表现为小幅降温、高湿和较大风速。这些前期气象条件为辐射冻雾的形成提供了必要的冷却速率、水汽条件和静稳环境。基于此，“前一日天晴、显著降温(ΔT-24 ≥ 3.0℃)、夜间高湿(RH > 0%)及静风(WS < 2.0 m/s)”可作为预报贵阳机场辐射冻雾的关键量化指标。
Table 3. Statistical characteristics of key meteorological elements 24 hours prior to freezing fog occurrence
表3. 冻雾发生前24小时关键气象要素统计特征
要素指标 |
辐射冻雾过程(20次) |
锋面冻雾过程(3次) |
24小时变温(ΔT-24, ℃) |
−4.2 |
−1.5 |
起始前相对湿度(RH, %) |
>85 |
>90 |
起始前地面风速(WS, m/s) |
<2.0 |
3.5 |
20时能见度(VIS, km) |
>10.0 |
4.0~6.0 |
4. 典型冻雾过程分析
4.1. 天气过程概况
2024年2月10日03:56~11:05贵阳机场出现一次辐射雾天气过程，其中03:56~10:15辐射冻雾，夜间最低温度−2.8℃，贵阳机场当日因天气原因有57架航班延误，2架航班备降，此外起雾期间伴随霜，共有23架航班除霜。该过程在发生时间、持续时长、能见度最小值及温湿配置上均与统计特征高度吻合，具有良好的代表性。
4.2. 气象要素演变情况
图1给出了2024年2月10日00:00~12:00间贵阳机场位于基准观测点(19R跑道)的AWOS自动观测系统探测到的温度、相对湿度、跑道视程、云底高和地面风的变化情况。可以看出，贵阳机场气温在01:00以后缓慢波动下降并持续低于0℃，08:00开始缓慢上升，10:15气温突破0℃并快速上升；相对湿度在03:30后逐渐接近100%并维持至11:00，之后快速降低至60%左右；RVR在01:00后开始出现波动，最低降低至800米左右，在03:30后降低至500以下并维持在200米上下，最低下降至25米，10:30后迅速上升至1000米以上；云高同RVR变化情况类似，03:30开始由NCD (无云状态)转为低云，云底高维持在30~50米之间，11:15后低云迅速消散，恢复为NCD状态；在此期间，地面风以静风为主，风速维持在0~2米/秒间，风向前期以东北风为主，07:30后出现少量偏南风。整体要素演变情况符合晴夜微风的起雾天气形势，当温度突破0℃以后，雾迅速消散。
Figure 1. Temperature trends (unit: ˚C), relative humidity (unit: %), RVR (unit: meters), cloud base height (unit: meters), and surface wind variations at the reference point of Guiyang Airport from 00:00 to 12:00 on 2024.2.10
图1. 2024年2月10日00:00~12:00贵阳机场基准点气温(单位：℃)相对湿度(单位：%) RVR (单位：米)云底高(单位：米)和地面风变化趋势
4.3. 天气形势分析
4.3.1. 环流形势分析
2月9日20时的环流形势(图2)进行分析可知，高空500 hPa上低涡已东移入海，我国大部地区受槽后偏西至西北气流，我国西南地区夜间逐渐由偏西气流转为脊前西北气来控制；700 hPa贵州地区以偏西北气流为主，水汽条件差；850 hPa有一高压环流位于川黔交界处，贵州以偏北气流为主，夜间水汽条件逐渐转差。地面受锋后高压控制，高压中心位于重庆与贵州交界处，夜间高压逐渐填塞，转为均压场控制。
(a) (b)
(c) (d)
Figure 2. Weather map at 20:00 on 2024.2.9: 500 hPa (a) 700 hPa (b) 850 hPa (c) (contour: geopotential height, unit: dagpm, shading: relative humidity, unit: %, wind field: wind barbs), surface (d) (contour: sea level pressure, unit: hPa, wind field: wind barbs)
图2. 2024年2月9日20时天气图：500 hPa (a) 700 hPa (b) 850 hPa (c) (等值线：位势高度，单位：dagpm，填色：相对湿度，单位：%，风场：风杆)、地面 (d) (等值线：海平面气压，单位：hPa，风场：风杆)
4.3.2. 大气层结分析
从贵阳市探空站(站号：57816)的探空图(图3)可以看出，在9日20时(图3(a))呈现出较为稳定的层结特征，低层有冷平流，850 hPa有浅薄的湿层，700 hPa附近有浅薄的逆温层，总体看来天空状况较为晴朗，有利于夜间辐射降温。10日08时(图3(b))，探空图呈现出典型的辐射雾形势，近地面有浅薄湿层，同时近地面至800 hPa为深厚的逆温层，逆温达5℃，500 hPa有浅薄湿层，空中云层阻挡了太阳辐射增温，低层深厚逆温造就了静稳层结，不利于雾的快速消散。
(a)
(a)
Figure 3. Guiyang temperature log-pressure diagram at 20:00 on 2024.2.9 (a) and 08:00 (b) on 2024.2.10
图3. 2024年2月9日20时(a)和10日08时(b)贵阳温度对数压力图
4.4. 物理量场分析
4.4.1. 层结条件
图4展示了贵阳机场上空(106.8˚E, 26.5˚N)在2月9日20:00至2月10日08:00的风、湿度和温度的时间–高度剖面，最低一层采用地面2米气温、露点和10米风。温度场中，近地面在21:00后出现显著降温，逆温层稳定建立，在10月05:00逆温达到5℃，并延伸到850 hPa，0℃线位于800 hPa附近，中高层温度分布平稳符合对流层特性。湿度方面，近地面在9日21:00后开始增湿，10日05:00接近100%，水汽达到饱和，850 hPa~700 hPa的湿层在9日20:00后快速降低，低云逐渐消散，辐射降温条件建立，550 hPa附近在10日02:00后出现一浅薄湿层，厚度50 hPa，云层较薄。从风场来看，近地面多为弱北风至静风，850 hPa~700 hPa以偏北气流为主，风随高度逆转有冷平流，500 hPa以上以偏西平直气流为主，高空风向一致、风速稳定。综合而言，夜间高空干燥无云，近地面辐射降温形成逆温层，冷却降温高湿水汽饱和凝结，微风有利于稳定层结保持。利用贵阳机场微波辐射计数据(图略)进一步分析边界层逆温的精细演变过程发现，自9日21时起，地表以上50~200 m高度内降温速率显著大于上层，至10日04时形成强度超过3℃/100 m的强贴地逆温层，逆温层顶高度约300 m，与雾的发展时段高度吻合。
Figure 4. Vertical profiles of wind, humidity, and temperature over Guiyang Airport from 20:00 on February 9 to 08:00 on February 10, 2024 (contours: temperature, unit: ˚C; shading: relative humidity, unit: %; wind field: wind barbs)
图4. 2024年2月9日20:00~10日08:00贵阳机场上空风、湿度、温度剖面图(等值线：温度，单位：℃，填色：相对湿度，单位：%，风场：风杆)
4.4.2. 动力条件
图5给出了贵阳机场上空垂直速度和散度时间高度剖面。从中可以看出，2月9日20:00~10日06:00，近地面呈现弱下沉运动与弱辐合的耦合结构：弱下沉通过抑制垂直湍流，阻碍近地面热量与水汽向上扩散；弱辐合则驱动水汽向边界层汇聚，显著提升近地面湿度。叠加夜间地表辐射冷却，近地面气温快速下降，而850 hPa降温滞后，易形成逆温的稳定层结。该逆温层如同“封盖”，进一步锁定近地面的水汽与冷量，使水汽持续聚集并冷却至露点以下。这种“弱下沉、弱辐合、逆温层”的静稳动力–热力耦合，构成辐射雾生成与维持的典型有利形势。进一步计算了该过程中涡度场和水汽通量散度(图略)。结果表明，850 hPa以下为负涡度区配合水汽通量辐合，这种配置有利于近地面冷空气堆积和水汽聚集，为冻雾形成提供了动力和水汽条件。
Figure 5. Vertical velocity (contours, unit: Pa/s) and divergence (color-filled, unit: 10−5 s−1) cross-section over Guiyang Airport from 20:00 on February 9 to 08:00 on February 10, 2024
图5. 2024年2月9日20:00~10日08:00贵阳机场上空垂直速度(等值线，单位：Pa/s)和散度(填色，单位10−5 s−1)剖面图
5. 讨论
本研究结果表明，贵阳机场辐射冻雾的发生频率、日变化特征及形成机制与云贵高原其他机场有一定相似性，如均集中于冬季、多发生于凌晨、与辐射降温及逆温层发展密切相关等。然而，贵阳机场冻雾过程持续时间相对较长(平均5.5小时)，且伴随霜的出现频率较高(52%)，这可能与当地冬季较高的空气湿度及特定的地形导致的冷湖效应有关。与东部平原机场相比，贵阳机场冻雾过程受地形影响更为显著，动力机制中“弱下沉 + 弱辐合”的耦合作用尤为关键。
6. 结论
本文基于2010年~2024年贵阳龙洞堡国际机场观测资料及ERA5再分析数据，分析了冻雾天气的气候特征、形成机制及对民航运行的影响，并对一次典型天气过程进行了分析。结论如下：
(1) 冻雾气候特征：贵阳机场冻雾年均发生1.53次，集中于11月~次年2月，以辐射雾为主；辐射冻雾平均持续5.5小时，最低能见度243米，显著低于锋面雾633米。
(2) 辐射冻雾形成条件：晴夜辐射降温形成强贴地逆温，配合弱下沉气流、低层辐合及静风，促使近地面水汽饱和凝结；地面弱气压场、高空干燥层结是典型环流背景。
(3) 消散机制：日出后气温升至0℃以上，逆温层破坏导致雾快速消散。
(4) 运行影响：辐射冻雾多伴随霜，引发航班除霜需求，是导致航班延误的主因。
基金项目
中国民用航空西南地区空中交通管理局创新类项目“基于重要天气案例库的辐射雾预报系统研究”(SWGZATMB2024002)资助。