2022年1—2月份南寧吳圩國際機場極端低云天氣分析

摘" 要：利用南寧吳圩國際機場風廓線雷達風場和自動觀測系統云高儀資料，結合ERA5逐小時再分析資料，對機場2022年1—2月極端低云及低層風場的時空分布特征進行統計分析，研究結果如下。①極端低云多出現在日出前后，當伴隨弱降水天氣現象出現時，其持續時間顯著增加。②夜間近地面層逆溫層的存在和深厚的濕層有利于極端低云的維持。③極端低云多出現在地表高濕條件（RH≥98%）穩定維持一段時間后，溫度曲線與相對濕度曲線的交點時間可指征極端低云的消失。④低空水平風速適量增加有利于云底高的降低，冷暖交匯型極端低云的云底高升降與垂直速度的方向呈正相關關系。⑤極端低云的云底高變化趨勢與南風特征值關系緊密。

關鍵詞：低云；風廓線雷達；風場特征；升降速度；激光雷達

中圖分類號：X16" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）33-0082-05

Abstract： Using the wind profile radar wind field and automatic observation system cloud altimeter data from Nanning Wuwei International Airport， combined with ERA5 hourly reanalysis data， a statistical analysis was conducted on the spatiotemporal distribution characteristics of extreme low clouds and low-level wind fields at the airport in January and February 2022. The research results showed that： ① Extreme low clouds mostly occur around sunrise， and their duration significantly increases when accompanied by weak precipitation weather phenomena. ② The presence of a near surface inversion layer and a deep wet layer at night are beneficial for maintaining extreme low clouds. ③ Extreme low clouds often occur when the surface high humidity conditions （RH≥98%） remain stable for a period of time， and the intersection time between the temperature curve and the relative humidity curve can indicate the disappearance of extreme low clouds. ④ An appropriate increase in low-level horizontal wind speed is beneficial for reducing cloud base height， and there is a positive correlation between the vertical velocity direction and the rise and fall of cloud base height in extreme low clouds with cold and warm intersections. ⑤ The trend of cloud base height variation in extremely low clouds is closely related to the characteristic values of southern winds.

Keywords： low cloud; wind profile radar; wind field characteristics; landing speed; LiDAR

《民用航空氣象地面觀測規范》規定，低云為云高一般在2 500 m以下的云。在南寧吳圩國際機場的實際工作中，將云底高不超過60 m的云稱為極端低云。低云與民用航空運輸飛行的安全運行有著密切的聯系，尤其是機場跑道周邊的天氣狀況，關系著航空器起降的安全與否[1]。低云會影響空中能見度，在低云云中或者云上飛行時無法看清地標，影響目視地標飛行、航空攝影、空投等任務的執行，造成航空器復飛、返航、備降，甚至發生飛行事故。此外，在低云中飛行易在航空器表面產生積冰，影響航空器動力性能。

國內外對云底高的預報已有較長歷史，20世紀70年代，Bocchieri等[2]運用回歸技術的MOS方法對云底高進行預報；熊興隆等[3]利用直接探測多普勒測風激光雷達，通過探測大氣后向散射信號的多普勒頻移來反演大氣能見度或計算云底高度；嚴衛等[4]基于相對濕度廓線進入云層時的突變實現云底高的反演；楊昳等[5]基于雙目成像原理的可見光成像測云高和紅外成像測云高相結合方案，很好地解決了白天和夜間云高的測量；王本革等[6]利用合肥新橋機場溫濕度、云高、能見度以及全天空云圖儀等數據資料，分析了機場上空各類云的紅外特征以及云、霧演變規律。

低云的高度有很大一部分與大氣邊界層高度相重合，具有時空變化迅速的特征。風廓線雷達利用大氣折射指數不均勻結構對電磁波散射作用探測大氣風場[7]，可對中小尺度天氣進行監測[8]，也可對云微物理結構進行分析[9]，并且風廓線雷達具有觀測時空分辨率、自動化程度高以及業務運行成本較低等優勢[10]，可在一定區域范圍內滿足低云觀測精度的要求。梁曉京等[11]利用風廓線雷達的風場資料和云高儀資料，根據風場垂直結構對低云進行分類，得出低云條件下的風場概念模型，并分析風場與云底高之間的關系。從微物理角度上看，云霧的形成實際上是大氣中水汽凝結或凝華所形成的一種物理現象，預判冷暖氣團交綏程度是判斷低云現象是否出現的重要方法。日常業務中可以根據地面和低層的風場大致判斷某高度氣團的冷暖屬性，由此推測出低云的發生發展。基于這一思路，通過統計南寧吳圩國際機場低云條件下風廓線雷達風場的時空分布特征，研究其與低云云底高的關系，以期為低云預報提供依據。

1" 研究背景與資料介紹

冬末春初（1—3月）受冷暖氣團交綏影響，在華南沿海或云貴地區易形成準靜止鋒，當低層偏南暖濕氣流增強導致準靜止鋒北抬或擺動時，近地面常伴隨逆溫層生成，此時南寧機場易出現連陰雨天氣，低云亦隨之出現。以風廓線雷達水平風場垂直結構劃分，南寧機場低云分為冷暖交匯型和純回流型2類。冷暖交匯型指低空的水平風場在垂直方向上可分為3層，下層是偏北風，上層是偏南風且風速較大，中間為南、北風過渡層；純回流型指低空水平風場僅存在偏南風，無偏北風分量。統計1986—2022年機場氣候資料可知，年平均低云出現頻率為58%，極端低云出現的平均頻率為5%。

2022年1—2月南寧機場共出現19天極端低云，出現頻率達32%，遠超常年平均值。從風場垂直結構來看，1月6日、1月22日及1月27日為純回流型，其余為冷暖交匯型；其中，1月26—27日極端低云維持時間較長，且為冷暖交匯型漸轉純回流型，具有代表性。因此利用南寧機場風廓線雷達風場和自動觀測系統云高儀、溫度、相對濕度等資料，結合ERA5逐小時再分析資料對1—2月及1月26—27日的極端低云天氣過程進行綜合診斷分析。

2" 分析與討論

2.1" 天氣概況

表1為1—2月極端低云出現時段及伴隨天氣現象。總體而言，極端低云多呈現短時波動的特征。1月極端低云的持續時間為1～8 h不等，且出現時段多集中在日出前后，當伴隨弱毛毛雨或小雨等降水天氣現象出現時，低云的持續時間顯著增加；2月極端低云的出現天數較1月顯著增加，持續時間跨度為1～16 h，出現時段較為分散，全天均可出現，除2月7日08：00—09：00（北京時，下同）外，均伴隨小雨或弱毛毛雨。這可能是由于2月份低層暖施輸送進一步增強，促使極端低云生成的水汽條件更為充分。此外，純回流型極端低云持續時間小于冷暖交匯型，出現時均伴有輕霧。

2.2" 純回流型天氣形勢

1—2月純回流型極端低云天氣形勢平均場如圖1所示。發生純回流型低云時，南寧機場500 hPa受槽前西南風場控制，850 hPa處于低壓系統東南部、副高西部的西南氣流匯合區中，925 hPa受東南氣流影響，機場北部存在鋒區，地面為弱氣壓場形勢，風速5 m/s以下，風向西南。總體而言，純回流型極端低云條件下，南寧機場地面至中低空均為偏南氣流，為低云的發生和維持提供了充足的水汽條件。

2.3" 冷暖交匯型天氣形勢

冷暖交匯型極端低云天氣形勢平均場如圖2所示。發生冷暖交匯型極端低云時，南寧機場500 hPa處于強盛的西南風場中，850 hPa形勢與純回流型類似，但風速較純回流型的風速大（約4 m/s），925 hPa受冷鋒式切線南側東南偏南氣流影響，地面為弱冷高脊形勢，溫度梯度明顯大于純回流型。總體而言，冷暖交匯型極端低云條件下，低空水汽條件較純回流型更好，近地面的冷墊是其重要特征。

此外，逐日分析1—2月南寧機場風廓線雷達風場數據可知，極端低云發生前，500 m及以上高度的水平風速會顯著增大，增長值越高，低云持續時間越長；當有極端低云出現時，垂直速度方向由下沉漸轉為上升，云底高開始抬升時，垂直速度方向又轉變為上升的狀態。

3" 個例分析

3.1" 天氣過程概況

如圖3所示，1月26日極端低云出現時間段為06：00—11：00，且06：00、09：00及10：00出現30 m低云；1月27日極端低云出現時間為06：00—09：00，其中08：00—09：00出現30 m低云。1月26日極端低云時段天氣現象為小雨和輕霧，1月27日極端低云時段僅出現輕霧。

3.2" 層結條件分析

如圖4所示，1月25日和26日夜間，南寧地區近地面層均存在逆溫層，1月25日逆溫層厚度較厚，濕層高度達700 hPa左右，1月26日逆溫層厚度較薄，濕層高度達850 hPa左右。對比1月26日和1月27日早間的極端低云持續時間，逆溫層和濕層的厚度與極端低云的持續時間呈正相關。由此說明近地層充沛的水汽條件及穩定的大氣層結有利于極端低云的維持。

3.3" 近地面溫度、濕度與云底高變化特征

由圖5可以看出，1月26日00：00—05：00，相對濕度呈顯著上升趨勢，當高濕條件維持一段時間（1月26日相對濕度90%以上維持6 h左右），且穩定在高值（1月26、27日濕度最高值均為98%）時，開始出現60 m低云。1月26、27日溫濕曲線在白天的交點時間分別為12：20、10：25，這與低云消失時間基本吻合，之后隨著溫度的上升，相對濕度逐漸下降，云底高也隨之抬升。

3.4" 風廓線雷達風場產品分析

1月26日南寧機場上空200 m以上均為偏南氣流，且風向隨時由低至高呈順時針旋轉，1月26日00：00—12：00底層為東北風場，12：00后底層東北風轉為東南風，風速有所增大，極端低云類型由冷暖交匯型轉為純回流型；00：00—11：00，200～1 000 m高度區間風速從6～8 m/s逐漸增加至10～12 m/s；11：00—16：00，該區間內風速逐漸減小至8 m/s；16：00—24：00，風速再次增加。結合圖3（a）可知，低空水平風速的變化趨勢與云底高的升降有密切關聯，風速適量增加有利于云底高的降低。垂直風場顯示，當下沉運動出現時（弱降水導致），云底高呈下降趨勢，反之則為上升趨勢。

1月27日南寧機場極端低云出現時段對應的風廓線雷達水平風向在1 500 m以下均為偏南風，風速2～8 m/s，符合純回流型低云特征。00：00—09：00，200～1 000 m高度區間風速維持在8～12 m/s；11：00—17：00，風速逐漸減弱至6 m/s；17：00—24：00，風速再次增加至10 m/s以上。結合圖3（b）可知，與1月26日類似，風速的增大對應著云底高的降低。1月27日的垂直風場特征與1月26日有所區別，極端低云時段無明顯的上升或下沉運動，主導云底高下降的因素可能為低空水平風速和相對濕度的增加。

3.5" 風廓線雷達低云特征產品分析

采用梁曉京等[11]的低云指標算法，計算得出1月26—27日風廓線雷達的低云特征值如圖6所示。由圖6（a）可知，1月26日00：00—19：00南風特征值呈波動式上升的趨勢，北風特征值均小于4 m/s，南北風過渡高度（V0H）穩定在250 m以下，12：00后由于全層轉為南風控制，V0H隨之消失。由圖6（b）所示，1月27日00：00—08：00南風特征值波動上升，08：00—12：00南風特征值持續下降，12：00后再次波動上升，20：00后北風特征值重新出現。對比云底高數據可知，云底高變化趨勢與南風特征值關系緊密，當南風特征值增大且不超過10 m/s時，對應云底高降低，南風特征值在10 m/s以上則有利于云底高的抬升。此外，底層北風的出現將導致湍流混合加強，可造成云底高下降。

4" 結論

使用風廓線雷達的風場資料和云高儀資料，結合ERA5逐小時再分析資料，對產生極端低云天氣的天氣現象及低層風場的時空分布特征進行統計分析，主要得出以下結論。

第一，極端低云多呈現短時波動的特征，出現時段多集中在日出前后，當伴隨弱毛毛雨或小雨等降水天氣現象出現時，極端低云的持續時間顯著增加，純回流型極端低云的持續時間小于冷暖交匯型。

第二，極端低云條件下，南寧地區500 hPa多受槽前西南風場控制，850 hPa受強盛的偏南或西南暖濕氣流影響，夜間近地面層逆溫層的存在和深厚的濕層有利于極端低云的維持。

第三，極端低云多出現在地表高濕條件（RH≥98%）穩定維持一段時間后，溫度曲線與相對濕度曲線的交點時間可指征極端低云的消失。

第四，低空水平風速的變化趨勢與云底高的升降相關，風速適量增加有利于云底高的降低，冷暖交匯型極端低云的云底高升降與垂直速度的方向呈正相關關系。

第五，極端低云的云底高變化趨勢與南風特征值關系緊密，當南風特征值增大且不超過10 m/s時，對應云底高降低，南風特征值在10 m/s以上則有利于云底高的抬升，底層北風的出現將導致湍流混合加強，可造成云底高下降。

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