南昌昌北機場霧的分類特征與統計分析*

梁 衛 吳俊杰 鄒海波

1 中國民用航空華東地區空中交通管理局江西分局氣象臺，南昌 330114

2 中國民用航空飛行學院，四川廣漢 618307

3 江西省氣象科學研究所，南昌 330046

提 要： 利用南昌昌北機場人工和自動觀測數據、中國氣象局提供的常規地面觀測和探空資料以及中國環境監測總站提供的南昌市9個站的逐小時空氣質量指數(AQI)數據，對2013年9月至2017年9月南昌昌北機場的76次霧過程進行分類統計，結果表明：昌北機場的霧主要出現在11—5月，多生成于04—10時，消散于06—14時，持續時間多在4 h以內，以雨霧居多，其次是輻射霧，再次是平流輻射霧，而平流霧最少。昌北機場的霧與空氣質量密切相關，霧生成前AQI大都有上升趨勢，多數為54～100，雨霧時AQI最大，常有輕度到重度污染。雨霧多發于秋、冬、春季的低空暖濕切變線與地面倒槽之間，多在連續小雨或毛毛雨后出現，生成前地面能見度長時間維持低位,生成后波動不大，能見度多為600～800 m。輻射霧多發于深秋至次年初春的弱高壓中，常在雨后云層打開后的早間生成，日出后逐漸消散，逆溫層底越高持續時間越長；霧生成前地面濕度遞增，生成后能見度多在200～600 m。平流輻射霧多發于早冬和春季的入海高壓后部弱暖平流中，生成前地面濕度突增，生成后能見度多在200～700 m。平流霧多發于春、夏季低空切變線以南地面鞍型場中，常在切變線北抬、雨停后出現，能見度多在400～600 m。

引 言

天氣原因是引起航班延誤的重要因素，據中國民用航空局2016年和2017年的統計分析，中國因天氣因素導致的航班不正常率高居首位，分別為56.52%和51.28%，在影響飛行的天氣現象中，秋、冬季節的低能見度天氣是導致航班延誤的主要原因之一。而據美國交通部交通統計局的統計結果，2004—2014年，65%～75%的航班延誤或取消與天氣有直接關系，其中31%是由低云造成的低能見度，其次是雷雨造成的(占24%)；而在低能見度天氣中霧最為常見。對于航空業而言，霧天會造成運輸成本的顯著增加，Valdez(2000)通過大量計算分析總結發現，如果能提前30 min預報霧，相應的航班延誤量能減少20%～35%，美國每年能因此減少5億～8.75億美金的經濟損失。

霧通常是局地或者區域范圍出現的天氣現象，不同地區出現的不同類型的霧，其生消機制都不相同，天氣要素等也表現出不同的變化特征。在霧的分類診斷研究方面，Willett(1928)從霧的形成機理和表現特征方面將霧分為氣塊霧和鋒面霧，其中氣塊霧又分為平流霧、輻射霧和海霧。Middleton(1941)認為非飽和空氣主要通過三種方式(水汽蒸發、冷卻以及空氣團混合)達到飽和而形成霧，其中水汽蒸發形成的霧有雨霧、鋒面霧和蒸汽霧，冷卻作用形成的霧有上坡霧、輻射霧、平流霧等，空氣團混合霧主要是由空氣水平混合所造成，此類霧較少出現。之后國內外相關研究大都在上述兩種分類方法上進行擴展，主要集中在輻射霧、平流霧、平流輻射霧和鋒面霧(包括雨霧)(向波等，2003；Tardif and Rasmussen，2007；嚴文蓮等，2010；沈澄等，2013；袁嫻和陳志豪，2013；許愛華等，2016；田小毅等，2018；朱承瑛等，2018；宗晨等，2019)。在霧的影響因子研究方面，學者們普遍認為地面風、相對濕度、氣溫、氣壓等常規氣象要素對霧的形成和維持有重要影響(李秀連等，2008；謝清霞等，2016；魯燕等，2016；胡伯彥等，2017)。也有學者(閆敬華和徐建平，2001；康志明等，2005；沈澄等，2013；Zhang et al，2014；曾婷等，2017；嚴文蓮等，2018；崔馳瀟等，2018；張濤等，2019；周述學等，2020)從環流異常、物理量參數、邊界層結構、前期降水情況等入手，分析它們與霧的關系。近年來，有學者(黃玉仁等，2000；吳兌等，2008；田心如等，2012；2014)認為氣象因素不能完全解釋霧的變化特征，生態環境特別是大氣成分(各種顆粒物)對霧的形成和維持有重大影響，但是他們的研究多集中于氣候上的顯現，對具體霧的形成過程中氣溶膠的演變特征研究較少。

我國霧的研究具有明顯的地域特點，主要針對北方和西南地區的輻射霧、沿海的海霧以及華南的污染霧展開。關于江西省霧的研究相對較少，李玉芳等(1999)指出江西的霧大部分是冷卻霧(輻射霧、平流霧和平流輻射霧)，許彬等(2001)分析了這三種霧的形成和落區存在明顯差異，與它們相關最好的氣象要素是地面風速、云量以及淺層濕度條件。楊華等(2015)統計了53年的江西省霧日數分布指出，霧日數的空間分布與江西地形地貌密切相關，出現最多的季節為冬季，其次為春季和秋季。許愛華等(2016)分析了江西省區域性平流霧的天氣形勢和氣象要素，給出了平流霧逆溫層、溫濕條件、低層風場及影響系統的統計特征和判識指標及概念模型。上述研究主要關注省內大范圍的霧，且以個例研究為主，缺乏對不同類型霧的對比探討，同時還缺乏對霧及其影響因子(特別是污染物濃度)的定量統計分析。

2017年，南昌昌北機場年旅客吞吐量突破1 000 萬人次，是江西省聯動各地的重要交通樞紐。昌北機場位于南昌市區以北,東面緊鄰鄱陽湖水系，西面有梅嶺國家森林公園和九嶺山脈(圖1)，水汽豐沛，出現霧的頻率較大，近年來，昌北機場航班量激增，霧對飛行的影響也顯著加劇，一定時間的霧過程會造成大量航班積壓，等能見度好轉至起降標準以上后，航班密度空前增大，給飛行、空中交通管制以及機場地面服務等都會帶來極大的壓力與挑戰。因此，做好霧的預警預報工作具有十分重要的現實意義。本文旨在一定程度上彌補以往工作的一些不足，將霧進行分類和對比統計分析，找出昌北機場各類霧的表現特征，尋求相應的預報思路和預報著眼點，以期為今后的霧預報積累一定的參考資料。

圖1 南昌昌北機場地理位置示意圖(ZSCN：昌北機場，陰影：山區海拔高度，線條區域：水系)

1 資料與方法

1.1 資料簡介

目前，國家基本氣象站取消了能見度的人工觀測，以自動觀測儀測定代替人工觀測，探測環境及儀器觀測原理的變化等對觀測結果影響較大，而機場的主導能見度觀測采用人工觀測方式，該數據被航空公司作為飛機能否放行的主要依據，同時人工觀測的項目還包括云況和天氣現象。昌北機場自2013年9月1日開始采用人工觀測結合民航氣象自動觀測系統(AWDS)進行24 h有人值守的觀測，根據相關規定，逐小時發布例行天氣報告(包括地面風、主導能見度、天氣現象、云、氣溫、露點溫度、修正海平面氣壓等要素)，當兩次例行觀測之間各氣象要素中的一種或幾種達到規定標準時，增加特殊天氣報告的發布，同時還需在觀測簿紀要欄中實時記錄主導能見度、天氣現象和云況等的演變情況。本文使用昌北機場2013年9月1日至2017年9月30日發布的例行和特殊天氣報告數據、紀要欄記錄數據，中國氣象局提供的常規地面觀測資料及探空資料，以及2014年5月13日至2017年9月30日中國環境監測總站提供的南昌市9個站的逐時空氣質量指數(AQI)數據；全文均為北京時，同時將9個站的AQI數據做平均，定義為南昌市的AQI。

1.2 霧的分類

本文根據日常分類方法，參考Tardif and Rasmussen(2007)、許愛華等(2016)的研究結果，將南昌市昌北機場24 h內出現能見度低于1 km(其中間斷不超過12 h)的霧記錄為一次霧過程。由降水造成的霧，定義為雨霧；高空圖上925 hPa有暖平流(偏南風和等溫線有夾角)，且地面觀測圖上顯示前12 h內為陰天(總云量在7成以上)，除去雨霧過程，定義為平流霧；高空圖上925 hPa和850 hPa均無明顯暖平流，且前12 h內地面觀測晴天、陰晴相間或非滿天云天氣，定義為輻射霧；高空圖上925 hPa 有暖平流，且前12 h內地面觀測晴天、陰晴相間或非滿天云天氣，定義為平流輻射霧。

2 霧特征分析

2.1 年變化特征

通過分析統計得到了76次霧過程，主要出現在11—5月，3月是峰值月(圖2)。其中雨霧出現最多，共有35次，在一年四季均有可能發生，這和雨霧受影響因素(靜穩環流形勢、下雨開始時間、雨滴大小、雨滴密度、污染物濃度等)極為復雜有一定關系，雨霧的發生主要集中在10—11月和1—5月，而夏季氣溫較高，此時的雨霧大多受短時的密集型大雨滴影響形成；輻射霧24次，只發生在秋、冬、春季，主要集中在11—1月和3月；平流輻射霧14次，發生在11—1月及3—6月；平流霧僅3次，發生在暖濕平流旺盛的春、夏季。

圖2 2013年9月至2017年9月南昌昌北機場各月四類霧的頻次分布

2.2 日變化特征

結合圖3、表1和表2可以看出，總體而言，霧開始時間大多發生在04:00—10:00，集中在06:00—14:00消散，持續時間主要在4 h以內(占比為69.7%)，且開始時間越早，持續時間越長，特別是前一日夜間開始的霧，常于第二天08:00以后消散，大多數過程在04:00—10:00霧最濃。雨霧一天中任何時段均有可能發生，總體而言，主要在06:00—09:30生成，在08:40—12:15消散，持續時間最短為5 min，最長為10 h 14 min，大多在4 h以內(占比為85.7%)，其中又以0～2 h最多，而最濃時間集中在06:00—10:00，大多數(22次)雨霧過程最濃時間與開始時間相同，且過程能見度變化不大。輻射霧具有明顯的日變化，主要在04:00—08:00生成，于08:00—10:30消散，持續時間最短為33 min，最長為10 h 20 min，持續時間大多在4 h以內，多數過程在04:00—08:00霧最濃。平流輻射霧與輻射霧類似，日變化也十分明顯，主要生成于04:30—07:30，消散于08:15—09:40，最濃時間集中在06:00—08:00，持續時間最短為19 min，最長為12 h 37 min，持續時間以6 h以內居多，大于8 h的過程在四類霧中占比最大，對飛行影響較大。3次平流霧均發生在08:00前，在10:15前結束，其中有2次過程持續在5.5 h以上，05:00前后霧最濃。

圖3 2013年9月至2017年9月南昌昌北機場四類霧開始時間和結束時間散點圖

表1 2013年9月至2017年9月南昌昌北機場四類霧持續時間(單位：次)

表2 同表1，但為最濃時間

2.3 能見度特征

統計發現，昌北機場能見度<400 m(注：根據國際民航組織評估的跑道視程和能見度轉換關系，昌北機場起飛能見度標準為400 m，降落的能見度標準為800 m)的霧基本出現在春季(3—5月)、深秋(11月)和冬季(1—2月)，夏季和早秋均大于400 m，特別是夏季，能見度多在800 m以上，主要是突發強降水(雨滴大且密)造成的霧。

從各類霧發生期間能見度箱線圖(圖4)可以看出：全部霧能見度基本集中在200～700 m，中位數為500 m。四類霧的能見度分布存在明顯差異，雨霧集中在600～800 m，中位數為700 m；輻射霧能見度主要集中在200～600 m，中位數為300 m；平流輻射霧能見度集中在200～700 m，中位數為300 m；平流霧能見度集中在400～600 m，中位數為500 m。對比四類霧的過程最低能見度(表3)可以看到，四類霧對飛機起降均有不同程度影響，雨霧最低能見度在400～800 m最多，800 m以下次之，主要影響飛機降落，有較大比例的雨霧對飛機起降無影響；輻射霧和平流輻射霧最低能見度大多在400 m以下，對飛機起降有較大影響；平流霧最低能見度多在400～800 m，主要影響飛機降落。

圖4 2013年9月至2017年9月南昌昌北機場各類霧發生期間能見度箱線圖(上、下短橫線分別為最大和最小值，上、下×分別為第99%和第1%分位數，空心圓表示平均值；下同)

表3 2013年9月至2017年9月南昌昌北機場四類霧過程最低能見度(V)分布(單位：次)

相比其他霧，雨霧需要一定時間的積累，統計發現，除突發強降水造成的雨霧外，其他雨霧發生前能見度均長時間(≥5 h)維持在4 km以下，發生前2 h能見度均降至3 km以下。雨霧的最低能見度與維持時間呈顯著負相關(R=-0.7，通過0.001顯著性水平檢驗)，即雨霧維持時間越長，最低能見度越差。

3 霧發生時要素場特征

選取與多年逐時能見度(21 761個樣本)相關性通過0.01顯著性水平檢驗的風速(相關系數R=0.23)、氣溫(R=0.23)、相對濕度(R=-0.48)、AQI指數(R=-0.32)、前期降水情況(前3 d內出現降水占比為87%)、前一日露點溫度與當日最低氣溫差以及逆溫層等經驗因子開展具體分析。

3.1 地面風特征

從地面風玫瑰圖(圖5)可見，雨霧(圖5a)的風向以北風(28.0%)最多，對應風速以2～4 m·s-1居多(約占15.0%)，4～10 m·s-1次之(約占12%)；其次風向為北西北風(16.0%)，主要對應風速包括0～2 m·s-1(8.5%)和2～4 m·s-1(6.5%)，統計發現，有8次雨霧過程出現了地面強風(風速>4 m·s-1)，均出現在冷鋒臨近冷空氣擴散階段。輻射霧(圖5b)的風向以北風和北東北風居多，各占15.0%以上，相應的風速以0～2 m·s-1為主，2～4 m·s-1次之，而當風向為西西北—北西北風時，風速以2～4 m·s-1為主。平流輻射霧(圖5c)以西西北風最多(16.5%)，對應風速主要在2 m·s-1以內，其次是靜風(15.0%)，再次是南東南風(10.0%)，對應風速多為2～4 m·s-1。詳細分析發現，4次持續時間>8 h的平流輻射霧過程中風向均有明顯轉變(偏南風轉偏北風或偏北風轉偏南風，轉向后風速多為2～4 m·s-1)，造成霧來回飄移而長時間影響機場。平流霧(圖5d)以靜風居多(15.4%)，其次以西北風和北西北風為主(各占15.0%)，相應風速均在2 m·s-1以內，而在偏東北風(風速為2～4 m·s-1)和偏西南風(風速<2 m·s-1)上出現概率較均勻，未出現偏東南風的情況。

圖5 2013年9月至2017年9月南昌昌北機場四類霧發生期間逐小時風向和風速玫瑰圖(a)雨霧，(b)輻射霧，(c)平流輻射霧，(d)平流霧

3.2 溫濕特征

全部霧氣溫(圖6)主要分布在6.5～17.4℃，中位數為12.1℃，最高氣溫為27.6℃，最低氣溫為-0.5℃，平均氣溫為12.3℃。雨霧氣溫主要分布在11.6～17.5℃，中位數為14.9℃,平均氣溫為14.5℃；輻射霧氣溫主要在4.0～9.9℃，中位數為6.5℃，平均氣溫為7.2℃；平流輻射霧氣溫主要分布在7.1～19.3℃，中位數為16.0℃，平均氣溫為13.7℃；平流霧氣溫主要在24.9～25.6℃，中位數為25.4℃，平均氣溫為25.0℃。

圖6 同圖4，但為氣溫

全部霧相對濕度(圖略)主要分布在96%～100%，四類霧相對濕度差異不大。輻射霧主要由輻射降溫致使水汽趨于飽和所造成，統計發現，輻射霧發生前一日22時相對濕度全部達80%以上，之后不斷遞增，至少提前2 h達90%或以上，多數(占比為83.3%)提前5 h達90%或以上。平流輻射霧在生成前濕度較輻射霧要小(多為80%～85%)，但生成時相對濕度常突增至90%以上。

統計霧前期(3 d內)降水情況發現，大多數霧發生前期均有降水出現，雨霧除了5次過程外前期均有降水(占比為85.7%)，輻射霧占比為83.3%，平流輻射霧占比為92.9%，平流霧占比為100%，且基本雨停后不久即出現霧。大多數雨霧都在降水持續一段時間后出現，整個過程以小雨或毛毛雨為主(占比為77.1%，雨量多在1 mm以內)，雨停、雨滴加大或風力加大后霧消散，而突發性的強降水會立即引發雨霧，雨勢減弱后迅速消散。

對比分析霧發生當日最低溫度與前一日14時的露點溫度時發現，本文分析的76次霧過程中有56次過程霧當日最低溫度均低于前一日14時的露點溫度，其中輻射霧為21次，雨霧為23次，平流輻射霧為10次，平流霧為2次，該指標對各類霧(特別是輻射霧)的預報有較好的指示意義。

3.3 空氣質量特征

空氣質量指數(AQI)反映了空氣中污染物濃度狀況，田心如等(2014)指出，污染物顆粒一方面可以作為凝結核，在具備霧形成的條件下有利于霧的形成，同時使霧滴密度增大，大霧增濃，使霧的持續時間增長；另一方面過多的污染物顆粒能降低地面輻射降溫，同時作為霧滴凝結核爭食有限的水分，使霧難以形成。實際上污染物對霧的影響機制十分復雜，本文對其不做過多探討，僅期望在有限的數據中尋求到可能的預報指標。

根據昌北機場的觀測預報經驗，當空氣凈化條件較好時(AQI<50)，即使后期天氣形勢和其他各氣象要素變化等滿足霧的形成條件，出現霧的概率也很小，而當南昌及周邊地區污染濃度不斷增大時，則較容易出現霧。整體而言，全部霧過程AQI主要分布在54～100，雨霧過程中AQI比其他三類霧要大，主要在52～110，10次過程達輕度以上污染，1次達重度污染(2015年1月26日)。統計了58次霧過程前期24 h內AQI演變情況發現，在AQI呈上升趨勢的過程中雨霧比例為17/29(在未遞增的12次雨霧中有3次過程主要是由短時強降水引發的霧，9次過程因污染顆粒在前期24 h內受到了明顯的降水沖刷與沉降而導致AQI下降)，輻射霧比例為11/16，平流輻射霧比例為8/10，平流霧比例則為3/3。因此在機場實際霧預報中有必要加入AQI的演變分析。

3.4 逆溫結構特征

逆溫對霧的形成具有非常重要的作用。分析南昌站逆溫情況發現，雨霧過程中出現逆溫層的占比達71.4%，以單層逆溫為主，近地層逆溫層底集中在1 005～960 hPa，逆溫差多在0～3℃；輻射霧過程中出現逆溫層的占比達91.6%，以多層逆溫為主，首層逆溫層頂底集中在1 020～1 003 hPa，逆溫差多在1～3℃；平流輻射霧過程中出現逆溫層的占比達100%，以多層逆溫為主，近地層逆溫層底集中在1 011～1 004 hPa，逆溫差在1～5℃；平流霧過程中出現逆溫層的占比達66.7%，均為單層逆溫，逆溫層頂和層底高度分別為969 hPa和905 hPa。

研究發現，雨霧維持時間與近地層逆溫差呈顯著負相關(R=-0.3，通過0.10的顯著性水平檢驗)，即逆溫差越大，維持時間越短。而輻射霧持續時間和近地層逆溫層底高、頂高均呈顯著正相關(R均為0.33，通過0.10的顯著性水平檢驗)，說明逆溫層底高和頂高越高，越不利于霧的消散。

4 各類霧的環流特征

4.1 地面環流形勢

對四類霧的地面氣壓場合成圖(圖7)進行分析，雨霧主要位于弱地面倒槽中(比例為20/36,圖7a)，據統計有17次過程位于倒槽冷區一側偏北氣流中，另外值得注意的是，有8次雨霧過程為較強冷高壓控制，雖風力較大(風速>4 m·s-1)，但此時南昌上空925 hPa及以上仍為暖濕平流控制，小雨滴在空中飛舞致使能見度保持低位。輻射霧主要位于弱高壓中的均壓場(圖7b)，統計發現，除了3次弱高壓后部和2次冷鋒前部弱氣壓場外，均處于弱高壓底部或弱高壓脊中。平流輻射霧主要位于入海高壓后部弱氣壓場中(圖7c)，除了4次過程為冷鋒前部弱低壓倒槽，其他均處于高壓后部或弱高壓脊中。平流霧主要出現在高壓后部鞍型場中(圖7d)。

圖7 2013年9月至2017年9月南昌昌北機場四類霧過程08時地面氣壓場(單位：hPa)(a)雨霧，(b)輻射霧，(c)平流輻射霧，(d)平流霧(★：昌北機場位置)

4.2 低層環流形勢

對四類霧的低層形勢場合成圖(850 hPa圖略，925 hPa如圖8所示)進行分析，南昌均處偏南氣流中。雨霧出現時，在850 hPa和925 hPa(圖8a)分別以西南風和東南風為主，風速在四類霧中最大，同時兩層均有暖式切變線位于湘北—贛北—皖南一帶，風向與等溫線近乎垂直，暖濕平流十分明顯，主要的降水區沿切變線分布，機場多處邊緣弱降水中。輻射霧(圖8b)處于東西帶狀的弱高壓脊中，贛北地區在850 hPa和925 hPa上均以偏東南風為主且與溫度線平行，風速在四類霧中最小，無明顯鋒區和冷暖平流，濕度較小(平均溫露點差分別為19℃和8℃)。平流輻射霧(圖8c)處于高壓后部寬廣偏南風中，南昌在暖脊線上，南昌站以及周邊站濕度比輻射霧要大(平均溫度露點差分別為6℃和3℃)，有一定的暖濕平流，詳細分析發現，有些霧以輻射為主，有些以平流霧為主，暖平流明顯的霧逆溫層結構明顯，逆溫強度高達5～7℃，一般較晚消散。平流霧在850 hPa、925 hPa(圖8d)均為西南風，平均風速為6～7 m·s-1，蘇皖一帶有暖濕切變線存在，該地區有大片雨區，機場處于雨區南緣，前期有少量降水，當切變北抬、降水結束后霧即出現。

圖8 同圖7，但為925 hPa(黑色實線：位勢高度，單位：dagpm;黑色虛線：溫度,單位：℃;站點數值：溫度露點差，單位：℃;風羽，單位：m·s-1；陰影：高度超925 hPa等壓面區域)

5 結 論

通過對昌北機場四類霧的分布特征以及對相應的氣象要素和淺層環流形勢場進行了統計和合成分析，給出了昌北機場霧的分類特征和預報著眼點：

(1)南昌昌北機場的霧主要出現在11—5月，以雨霧居多，其次是輻射霧，再次是平流輻射霧，平流霧最少。

(2)昌北機場的霧開始時間大多發生在04—10時，集中在06—14時消散，而持續時間主要在4 h以內。霧發生前AQI大都有上升趨勢，多數為54～100，雨霧時AQI最大，常有輕度到重度污染，因此預報雨霧時應著重分析AQI的變化。

(3)雨霧多發于秋、冬、春季的低空暖濕切變南側較強偏南風和地面倒槽北側偏北風中，常處于大片降水區南緣，多在連續小雨或毛毛雨后出現。生成前能見度長時間(≥5 h)維持低位(4 km以下)，生成后波動不大，能見度多為600～800 m，主要影響飛機降落。

(4)輻射霧多發于深秋至次年初春的弱高壓中，冷暖平流不明顯，低層風力偏小(<4 m·s-1)，近地面多逆溫層，且逆溫層底越高霧持續時間越長。輻射霧常在雨后云層打開后的早間生成，日出后逐漸消散，早間最低氣溫一般低于前一日最低露點溫度，同時生成前相對濕度遞增，至少前2 h達90%以上，生成后能見度多在200～600 m，影響飛機起降。

(5)平流輻射霧多發于早冬和春季的入海高壓后部弱暖平流中，生消特征與輻射霧相似，出現前濕度突增，能見度多在200～700 m，持續時間大于8 h的過程在四類霧中占比最大，對飛機起降影響較大。暖平流明顯的霧一般較晚消散，特別是霧過程中地面風向出現逆轉時，應考慮延后解除霧的警報。

(6)平流霧出現在暖濕平流明顯的春、夏季，多生成于低空切變線以南地面鞍型場中，常在切變線北抬、雨停后出現，能見度多在400～600 m，主要影響飛機降落。