微波輻射計在烏魯木齊機場濃霧監(jiān)測中的應用

朱雯娜，王清平，王春紅，陳陽權(quán)

（1.南京大學大氣科學學院，江蘇 南京210093；2.民航新疆空管局氣象中心，新疆 烏魯木齊830016）

低云、低能見度天氣嚴重影響航班的正常運行，其中機場濃霧天氣是造成大面積航班延誤的首要原因，對于濃霧探測與監(jiān)測，氣象衛(wèi)星資料對北疆沿天山一帶陰霧[1-2]天氣的霧區(qū)分布與變化有一定的監(jiān)測能力，但無法有效監(jiān)測烏魯木齊機場附近局地小范圍的霧，且衛(wèi)星資料時空分辨率相對偏低。烏魯木齊機場的風廓線雷達，探測范圍為3000 m以下，可提供邊界層虛溫資料，對于監(jiān)測近地面風場以及溫度層結(jié)與變化有一定的作用，特別是監(jiān)測東南風層強弱變化對濃霧監(jiān)測非常有幫助[2-3]，但是風廓線雷達0～200 m高度為其探測盲區(qū)。新疆區(qū)域內(nèi)自動氣象站對周邊環(huán)境監(jiān)測起到重要作用，但是站點空間分布較為稀疏，部分站點要素不全（如缺少能見度），資料獲取的及時性也受限于傳輸條件有較大延遲。總之，就目前的探測監(jiān)測能力而言，尚無法滿足航空氣象服務對濃霧天氣的監(jiān)測與預警需求。

微波輻射計通過被動遙感測量大氣中氧氣、水汽和液態(tài)水的多通道微波輻射強度，可獲取高達10 km的大氣溫度、濕度和液態(tài)水含量廓線分布，分鐘級分辨率的數(shù)據(jù)可全天候?qū)崟r監(jiān)測天氣過程的演變，有其獨特優(yōu)勢和較高的應用價值。隨著微波輻射計技術(shù)的不斷進步，近些年來微波輻射計觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)越來越多地應用于人工影響天氣，強對流、霧、霾等研究及實際業(yè)務應用[3-11]。微波輻射計在遙感監(jiān)測霧的形成與發(fā)展過程方面更具優(yōu)勢，Guo等[12]在對中國華北一次持續(xù)性霧、霾天氣的研究中發(fā)現(xiàn)，微波輻射計相對濕度廓線的變化可以反映輻射霧向平流霧的轉(zhuǎn)化過程。趙金霞[13]利用MP-3000A微波輻射計觀測資料，對16次天津大霧典型個例的發(fā)生、維持及消散時近地層溫濕結(jié)構(gòu)特點進行了分析。

微波輻射計的探測優(yōu)勢在航空氣象危險復雜天氣監(jiān)測與預報預警方面的應用前景也開始引起關注。2016年10月起，北京愛爾達電子設備有限公司的Airda-HTG3型微波輻射計開始在烏魯木齊機場試用。本文選取2016—2017年烏魯木齊機場冬季濃霧個例，分類總結(jié)微波輻射計監(jiān)測探空氣象要素的特點，對微波輻射計在烏魯木齊機場冬季濃霧監(jiān)測方面進行評估，也為烏魯木齊機場濃霧預報預警提供支持。

1 資料與方法

使用2016年11月—2017年1月烏魯木齊機場Airda-HTG3型地基多通道微波輻射計資料，對流層溫度垂直分辨率在1000 m以下為100 m，1000～2000 m 為 200 m，2000～10 000 m 為 400 m；對流層濕度垂直分辨率在500 m以下為50 m，500～2000 m 為 150 m，2000～10 000 m 為 250 m；共14個通道，時間間隔約3 min，輸出產(chǎn)品包括探空溫度、相對濕度、絕對濕度、液態(tài)水等。另外還包括烏魯木齊機場逐小時主導能見度、跑道視程、降水量資料和 NCEP 0.25°×0.25°的 FNL 分析資料。

2 濃霧個例選取與分類

按照《中華人民共和國國家標準-霧的預報等級》中的術(shù)語和定義，將霧的等級依據(jù)當時的能見度，劃分為5個等級。而航空氣象多使用主導能見度和跑道視程（Runway Visual Range，簡稱 RVR），主導能見度指觀測到的超過機場四周一半或以上范圍內(nèi)所具有的能見度值，跑道視程指在跑道中線，航空器上的飛行員能看到跑道面上的標志或跑道邊界燈或中線燈的距離。

本文借鑒國家標準，兼顧影響航空運行的天氣標準，將所選個例標準確定為烏魯木齊機場天氣實況（Meteorological Aerodrome Report，簡稱 METAR/Special Meteorological Aerodrome Report，簡稱SPECI）持續(xù)2 h（含）以上出現(xiàn)主導能見度≤500 m，且跑道主降方向跑道視程≤550 m，所選出個例則稱為“濃霧”。由此共選出10個濃霧個例，并根據(jù)濃霧出現(xiàn)時環(huán)流形勢將濃霧個例分為兩類：Ⅰ類為槽后脊前；Ⅱ類為偏西氣流弱短波（表1）。

2.1 Ⅰ類濃霧個例（6例）

Ⅰ類濃霧個例（圖1），環(huán)流形勢與《新疆短期天氣預報指導手冊》[1]中對陰霧天氣的暖脊型經(jīng)典分類類似。其形勢演變特點為濃霧天氣出現(xiàn)前一天左右有一個低槽入侵北疆，造成一次降水天氣過程，使低層增濕，在濃霧持續(xù)階段，500 hPa高空圖上低槽已經(jīng)經(jīng)過烏魯木齊東移至哈密附近，北疆地區(qū)處于槽后—脊前西北氣流控制中，脊線在國境線附近，并配合有溫度脊。地面圖上，蒙古冷高壓位置偏西，烏魯木齊位于冷高壓底后部，易形成逆溫，形勢趨于穩(wěn)定。霧區(qū)覆蓋北疆沿天山一帶，北疆沿天山一帶相對濕度>80%，烏魯木齊機場相對濕度80%～85%。Ⅰ類濃霧個例在濃霧結(jié)束后主導能見度1～2 h以內(nèi)上升至1000 m的個例占比70%。

2.2 Ⅱ類濃霧個例（4例）

Ⅱ類濃霧個例（圖2），環(huán)流形勢與《新疆短期天氣預報指導手冊》[1]中對陰霧天氣的槽前型經(jīng)典分類類似。其形勢演變特點為西風帶上弱波動影響北疆地區(qū)，為北疆北部或沿天山一帶增濕（有時會在北疆北部西部，或者北疆沿天山一帶出現(xiàn)微雪），卻又不能徹底破壞北疆沿天山一帶的穩(wěn)定層結(jié)，使得波動過后，濃霧再次出現(xiàn)。500 hPa高空圖上低槽位于里咸海附近，北疆偏西偏北地區(qū)處于槽前西南氣流控制，地面圖上，烏魯木齊處于帶狀高壓底部，伊犁河谷有低壓倒槽東伸。霧區(qū)覆蓋北疆盆地大部，北疆盆地大部相對濕度>80%，烏魯木齊機場相對濕度80%～85%。Ⅱ類濃霧個例濃霧結(jié)束后仍然維持較低的主導能見度，主導能見度500～1000 m持續(xù)4 h以上的個例占比75%。

表1 濃霧個例出現(xiàn)時間、持續(xù)時間和類型

圖1 6例濃霧個例合成分析500 hPa高空圖（a）、地面圖（b）和相對濕度圖（c）

3 個例分析

圖2 4例濃霧個例合成分析500 hPa高空圖（a）、地面圖（b）和相對濕度（c）

對上述濃霧個例，在濃霧出現(xiàn)和結(jié)束前后、維持階段，微波輻射計監(jiān)測到的綜合水汽含量（垂直積分水汽總量即大氣整層水汽含量，單位為kg/m2）、絕對濕度、相對濕度、液態(tài)水、探空氣溫等變化進行深入分析，其要素變化值如表2所示。由此可得10個濃霧個例全部為凍霧，氣溫在0℃以下，濃霧持續(xù)期間主導風向為西北風或者風向不定，風速變化范圍0～3 m/s，相對濕度≥85%。選取有代表性的三次濃霧個例進行詳細描述，包括2個Ⅰ類濃霧個例（編號2、編號9），1個Ⅱ類濃霧個例（編號7）。

表2 微波輻射計觀測的最大絕對濕度、最大逆溫溫差和人工觀測的主導能見度、氣溫、風

3.1 2016年11月28日—29日（Ⅰ類濃霧）

烏魯木齊機場2016年11月28日18：00（北京時，下同）—29日13：00出現(xiàn)濃霧，濃霧持續(xù)18.5 h（圖 3），主導能見度 100～250 m，跑道視程大多維持在125～325 m，造成311架次航班延誤、401架次航班取消，29日 11：45—30日 20：50小雪，過程降水量0.3 mm。

圖3 2016年11月28—29日主導能見度和跑道視程

在濃霧持續(xù)階段2016年11月28日20時500 hPa高空圖上低槽經(jīng)過烏魯木齊東移至甘肅省內(nèi)，北疆地區(qū)處于槽后西北氣流控制中，中亞至新疆西部為寬廣的高壓脊控制，形勢趨于穩(wěn)定。同時次地面圖上，烏魯木齊位于冷高壓底部，有利于近地面降溫，形成逆溫（圖 4）。

圖4 2016年11月28日20時500 hPa高空圖（a）和地面圖（b）

3.1.1 水汽條件分析

11月28—29日綜合水汽含量持續(xù)緩慢減少，濃霧出現(xiàn)時綜合水汽含量為6 kg/m2降至濃霧結(jié)束時4.5 kg/m2。濃霧出現(xiàn)前近地面絕度濕度從3.2 g/m3增至3.6 g/m3，濃霧持續(xù)階段緩慢減少，至濃霧結(jié)束時降至3.0 g/m3。

濃霧出現(xiàn)前（28日11：00）8000 m高度出現(xiàn)相對濕度50%以上的濕區(qū)，至濃霧出現(xiàn)（17：30）50%以上的濕區(qū)高度降至2000 m，隨后下降至（22：00）1100 m并維持；濃霧出現(xiàn)前（16：00）近地面相對濕度不斷增大，相對濕度（16：00）為75%的濕區(qū)，濃霧出現(xiàn)時（17：30），200 m高度出現(xiàn)相對濕度為90%～95%的濕區(qū)；濃霧持續(xù)階段（23：30時）近地面高度125 m出現(xiàn)相對濕度為95%～100%的濕區(qū)，高度250 m相對濕度為90%～95%的濕區(qū)；濃霧結(jié)束時（13：40—14：40）近地面相對濕度短暫下降，近地面相對濕度為95%～100%濕區(qū)消失，隨后近地面相對濕度為95%～100%濕區(qū)再次出現(xiàn)，整體變化不大，此時主導能見度大于1 km，伴隨小雪（圖5）。

濃霧屬于凍霧時，液態(tài)水含量較少，即便探測到液態(tài)水，也不是霧層中的液態(tài)水。在此例中，濃霧出現(xiàn)前沒有液態(tài)水，濃霧出現(xiàn)3 h后（28日20：30）出現(xiàn)液態(tài)水，逐漸增多，29日03：00達到峰值120 g/m2，而液態(tài)水廓線顯示液態(tài)水存在于1800～2700 m，對應相對濕度小于50%區(qū)域，顯然不是霧層中的液態(tài)水。

3.1.2 層結(jié)條件分析

圖5 2016年11月28—29日相對濕度廓線

圖6 2016年11月28—29日20：00時探空氣溫廓線

由探空溫度廓線（圖6）可見，濃霧出現(xiàn)前（28日08：00）高度 5000 m 以下探空氣溫增溫；17：00 起近地面探空氣溫持續(xù)降溫出現(xiàn)貼地逆溫，逆溫層高度位于250 m，逆溫溫差2℃，隨后逆溫逐漸加強，濃霧出現(xiàn)并持續(xù)；至29日07：00，逆溫層高度位于1100 m，逆溫溫差11℃；08：00近地面出現(xiàn)等溫層，逆溫層脫離地面形成脫地逆溫；濃霧結(jié)束（13：40）等溫層高度增至320 m，脫地逆溫層高度位于1200 m，逆溫溫差14℃。

3.2 2016年12月31日—2017年1月1日（Ⅰ類濃霧）烏魯木齊機場2016年12月31日21時—

2017年1月1日10時出現(xiàn)濃霧（圖7），主導能見度100～300 m，RVR 大多維持在 225～450 m，造成75架次航班延誤、38架次航班取消，1日02：40—12：50伴隨凝結(jié)飄雪，過程降水量0.0 mm。

圖7 2016年12月31日—2017年1月1日主導能見度和跑道視程

在濃霧持續(xù)階段（圖8），2017年1月500 hPa高空圖上低槽經(jīng)過烏魯木齊東移至蒙古境內(nèi)，北疆地區(qū)處于槽后淺脊控制，形勢趨于穩(wěn)定。同時次的地面圖上，烏魯木齊位于冷高壓底部，有利于近地面降溫，形成逆溫。

3.2.1 水汽條件分析

濃霧出現(xiàn)階段綜合水汽含量呈現(xiàn)先增后減的趨勢，變化范圍在5～6 kg/m2之間。濃霧出現(xiàn)前（1日19：00）近地面絕度濕度為3.2g/m3增至濃霧出現(xiàn)時（22：00）3.4 g/m3，濃霧持續(xù)階段絕對濕度緩慢減少，至濃霧結(jié)束時絕對濕度降至2.8 g/m3。

濃霧出現(xiàn)前（12月31日16：00）8000 m高度出現(xiàn)相對濕度50%以上的濕區(qū)，至濃霧出現(xiàn)（21：00）50%以上的濕區(qū)高度降至2000 m；濃霧出現(xiàn)時近地面相對濕度明顯增大，250 m高度出現(xiàn)相對濕度為90%～95%的濕區(qū)；濃霧持續(xù)階段（1月 1日 02：00）近地面高度700 m出現(xiàn)相對濕度為95%～100%的濕區(qū)，并維持；濃霧結(jié)束時近地面相對濕度為95%～100%的濕區(qū)消失，300 m高度相對濕度為90%～95%的濕區(qū)（圖9）。

圖8 2017年1月1日02時500 hPa高空圖（a）和地面圖（b）

圖9 2016年12月31日（a）—2017年1月1日（b）相對濕度廓線

濃霧出現(xiàn)前沒有液態(tài)水，濃霧出現(xiàn)后40 min出現(xiàn)液態(tài)水并迅速增大，有數(shù)個波峰，最大峰值250 g/m2；07：00起液態(tài)水迅速減少，濃霧結(jié)束后（11：30）液態(tài)水消失。液態(tài)水廓線高度1300～2100 m，對應相對濕度＜85%區(qū)域，同樣不是霧層中的液態(tài)水。

3.2.2 層結(jié)條件分析

濃霧出現(xiàn)前（31日20：00）等溫層高度位于200 m，探空氣溫為-8℃，200 m以上為減溫層，隨后近地面降溫；21：00貼地逆溫層建立濃霧出現(xiàn)，隨后逆溫層加厚抬升，22：00達到最強，逆溫層高度位于330 m，逆溫溫差6℃；02：00近地面出現(xiàn)減溫層，減溫層高度位于300 m，減溫溫差1℃，高度300～1000 m為脫地逆溫層；濃霧結(jié)束前，09：00近地面出現(xiàn)等溫層-12℃，高度位于400 m，隨后近地面緩慢升溫，-12 ℃（10：00）升至-9 ℃（17：00）（圖 10）。

3.3 2016年12月12日（Ⅱ類濃霧）

烏魯木齊機場2016年12月12日05：00—14：30出現(xiàn)濃霧，主導能見度100～200 m。RVR大多維持在175～550 m，造成85架次航班延誤、49架次航班取消。

2016年12月9—12日烏魯木齊凍霧和小雪多次交替出現(xiàn)，12日08時 500 hPa圖上低槽位于里咸海附近，北疆偏西偏北地區(qū)處于槽前西南氣流控制之下。同時次地面圖上，北疆處于蒙古冷高壓底后部，伊犁河谷有低壓倒槽東伸（圖11）。

3.3.1 水汽條件分析

濃霧持續(xù)期間綜合水汽含量、絕對濕度持續(xù)降低，綜合水汽含量從10 kg/m2降至8 kg/m2。絕對濕度從5.8 g/m3降至5.0 g/m3。

濃霧出現(xiàn)前（12 日 02：00—05：00）1000 m 高度出現(xiàn)相對濕度為90%～95%的濕區(qū)，200～300 m高度層出現(xiàn)95%～100%的濕區(qū)；濃霧出現(xiàn)時相對濕度為90%～95%的濕區(qū)高度驟升至2000 m，相對濕度為95%～100%的濕區(qū)接地，高度驟升至1300 m；濃霧持續(xù)階段（06：30—10：20）相對濕度為 90%～95%的濕區(qū)高度1000 m左右，相對濕度為95%～100%的濕區(qū)間斷出現(xiàn)，11：30相對濕度為90%～95%的濕區(qū)高度1200 m，相對濕度為95%～100%的濕區(qū)高度1500 m；濃霧結(jié)束時（14：30）相對濕度為90%～95%的濕區(qū)下降至800 m，相對濕度為95%～100%的濕區(qū)高度下降至500 m（圖 12）。

圖10 2016年12月31日（a）—2017年1月1日（b）探空氣溫廓線

此例是唯一探測到霧層中的液態(tài)水，濃霧出現(xiàn)前（12 日 02：40—04：10）沒有液態(tài)水；04：10—05：30凍霧出現(xiàn)液態(tài)水迅速增至200 g/m2，隨后降低為50 g/m2（08：00），11：30 時再次出現(xiàn)波峰，達到300 g/m2；濃霧結(jié)束時液態(tài)水在100～200 g/m2波動。12日04：30—12日11：00液態(tài)水廓線濃霧持續(xù)，高度 500～1400 m，未接地。

3.3.2 層結(jié)條件分析

由探空氣溫廓線（圖13）可見，濃霧出現(xiàn)前（12日03：00）近地面持續(xù)降溫，形成貼地逆溫，03：00逆溫層高度位于300 m，逆溫溫差2℃；濃霧持續(xù)階段逆溫溫差1℃；濃霧結(jié)束時減溫層高度位于200 m，減溫溫差2℃，脫地逆溫層高度350～750 m。3.4 不同類型濃霧個例對比分析

3.4.1 水汽條件

除了個例9（Ⅰ類），濃霧均出現(xiàn)在綜合水汽含量持續(xù)下降階段，濃霧出現(xiàn)前1 h降幅0.1～1.5 kg/m2；綜合水汽含量Ⅱ類濃霧比Ⅰ類濃霧略大，Ⅰ類濃霧綜合水汽含量4～7 kg/m2，Ⅱ類濃霧綜合水汽含量8～11 kg/m2。絕對濕度從地面向上遞減，集中在1000 m以下；濃霧存續(xù)期間近地面絕對濕度在1 g/m3范圍內(nèi)小幅波動；近地面絕對濕度Ⅱ類濃霧比Ⅰ類濃霧略大，Ⅰ類濃霧絕對濕度多數(shù)為2～4 g/m3，Ⅱ類濃霧絕對濕度多數(shù)為5～7 g/m3。

相對濕度為50%以上的濕區(qū)高度在Ⅰ類濃霧出現(xiàn)前持續(xù)下降，4～6 h之間高度從5000 m甚至更高，降至2000 m以下；濃霧出現(xiàn)前1 h近地面相對濕度增幅5%～15%，近地面出現(xiàn)相對濕度為90%以上的濕區(qū)，并在垂直方向擴展、接地，高度1000 m以下；如果近地面出現(xiàn)相對濕度為95%以上的濕區(qū)，主導能見度多數(shù)小于300 m；濃霧結(jié)束，近地面相對濕度下降5%～15%。Ⅱ類濃霧出現(xiàn)前1 h近地面相對濕度增幅5%～15%，近地面出現(xiàn)相對濕度為95%以上的濕區(qū)，并在垂直方向擴展、接地，高度500～1500 m，相對濕度為90%以上的濕區(qū)高度超過3500 m；濃霧結(jié)束時，相對濕度減少5%左右。

圖12 2016年12月11—12日相對濕度廓線

圖13 2016年12月11—12日探空氣溫廓線

雖然微波輻射計探測到的液態(tài)水和液態(tài)水廓線大多數(shù)并不是在霧層當中，但是也有其規(guī)律，Ⅰ類濃霧液態(tài)水與液態(tài)水廓線多伴隨持續(xù)3 h以上濃霧出現(xiàn)，濃霧出現(xiàn)時或持續(xù)1 h之后出現(xiàn)，隨后液態(tài)水迅速增大，最大值不超過300 g/m2；濃霧結(jié)束前1 h液態(tài)水明顯下降，多數(shù)在濃霧結(jié)束時降至0 g/m2，高度1500～3000 m。Ⅱ類濃霧液態(tài)水與液態(tài)水廓線與濃霧同時出現(xiàn)或早于濃霧出現(xiàn)，隨后液態(tài)水迅速增大，最大值達到400 g/m2；濃霧結(jié)束前1 h液態(tài)水明顯下降，在濃霧結(jié)束時下降至100～200 g/m2，高度500～3000 m；濃霧結(jié)束時多數(shù)液態(tài)水廓線高度下降并接地。

3.4.2 層結(jié)條件

近地面探空氣溫持續(xù)降溫同時出現(xiàn)貼地逆溫層30～60 min，Ⅰ類濃霧出現(xiàn)，500～1500 m 高度探空氣溫增溫出現(xiàn)更早；濃霧持續(xù)階段多數(shù)逆溫層加強或維持，逆溫層高度位于400 m左右，逆溫溫差2℃以上，多數(shù)逆溫層高度持續(xù)抬升，濃霧結(jié)束前形成脫地逆溫；濃霧結(jié)束時近地面探空氣溫增溫，或脫地逆溫層高度抬升至1000 m左右，同時高度300 m或更高以下為等溫層。與Ⅰ類濃霧相同，Ⅱ類濃霧近地面降溫也是主導能見度轉(zhuǎn)差的關鍵點；與Ⅰ類濃霧不同，Ⅱ類濃霧持續(xù)階段逆溫層高度抬升并略有減弱，濃霧結(jié)束前多數(shù)形成脫地逆溫，近地面出現(xiàn)等溫層或減溫層，并且高度抬升至500 m或以上，濃霧結(jié)束。

4 結(jié)論

選取2016—2017年烏魯木齊機場冬季10個濃霧個例，首先根據(jù)濃霧出現(xiàn)時環(huán)流形勢將濃霧個例分為兩類：Ⅰ類為槽后—脊前；Ⅱ類為偏西氣流弱短波。其次通過分析機場實況得出濃霧個例全部為凍霧，氣溫在0℃以下，濃霧持續(xù)期間主導風向為西北風或者風向不定，風速變化范圍0～3 m/s，相對濕度≥85%。最后通過分析濃霧個例總結(jié)出微波輻射計監(jiān)測濃霧在出現(xiàn)、持續(xù)、結(jié)束等不同階段的氣象要素變化特點有：

（1）90%濃霧出現(xiàn)在綜合水汽含量持續(xù)下降階段，濃霧出現(xiàn)前1 h降幅0.1～1.5 kg/m2。絕對濕度從地面向上遞減，集中在1000 m以下，濃霧存續(xù)期間近地面絕對濕度在1 g/m3范圍內(nèi)小幅波動。

（2）濃霧出現(xiàn)前1 h近地面相對濕度增幅5%～15%；濃霧出現(xiàn)時近地面空氣相對濕度出現(xiàn)90%以上的濕區(qū)，多數(shù)出現(xiàn)相對濕度為95%以上的濕區(qū)，并向垂直方向擴展、接地；近地面相對濕度為95%以上的濕區(qū)消失，主導能見度好轉(zhuǎn)。

（3）微波輻射計探測到的液態(tài)水和液態(tài)水廓線大多數(shù)并不是在霧層當中。液態(tài)水出現(xiàn)即迅速增大，最大值可達400 g/m2，濃霧結(jié)束前1 h液態(tài)水明顯下降。

（4）濃霧出現(xiàn)前30～60 min近地面探空氣溫持續(xù)降溫，同時出現(xiàn)貼地逆溫層，500～1500 m高度增溫出現(xiàn)更早；濃霧結(jié)束前形成脫地逆溫層，近地面出現(xiàn)等溫層或減溫層；濃霧結(jié)束時近地面增溫，或近地面等溫層或減溫層高度達到300 m以上。

因此利用微波輻射計探測資料可輔助烏魯木齊機場冬季濃霧的監(jiān)測和預警，并有助于預報員向相關部門提供更及時、準確的氣象信息，保障航班正常安全運行。