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摘 要：本文选取了长沙黄花机场一次辐射雾天气过程，采用边界层风廓线雷达风场数据，跑道RVR、MOR值，温度、露点等实时数据，分析了底层风场与能见度下降的相关性。分析后发现：稳定较小的风速（4 m/s以下）以及稳定少变的风向有利于辐射雾的形成，同时500 m高度有弱的风向切变比500 m以下一致风向更有利于大雾发展。500～600 m高度以下风场结构对于辐射雾的形成有着较大影响。当中空（1～2 km）风廓线上显示有反气旋高压环流时，往往反映着逆温层的存在，而高压环流底部位置与逆温层的底部有着相关性。
关键词：风廓线雷达;辐射雾;低层风场;逆温层;弱风切变
中图分类号：P412.25 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）24-0019-04
Application of Wind Profiler Radar in Radiation Fog Process
YU Jia
（Meteorological Office of Hunan ATM Sub-bureau， Changsha Hunan 410000）
Abstract： In this paper， a process of the radiation fog weather was selected at Changsha Huanghua Airport， and the boundary layer wind profile radar wind field data， runway RVR， MOR value， temperature， dew point and other real-time data were used to analysis the correlation between the wind field on the bottom of stratosphere and visibility decrease. It found that the stable and small wind speed （below 4m/s） and the stable with less variable wind direction are conducive to the formation of radiation fog， the weak wind shear at 500 m height is more conducive to the development of fog than the uniform wind direction below 500 m. The wind field structure below the height of 500-600 m has a great influence on the formation of radiation fog. When the wind profile in the mid-air （1-2 km） shows an anticyclonic high pressure circulation， it usually reflects the existence of an inversion layer， and the bottom position of the high pressure circulation is correlated with the bottom of the inversion layer.
Keywords： wind profile radar;radiation fog;low level wind field;inversion layer;weak wind shear
近些年来，随着中国经济的持续稳定增长，中国民航运输业发展迅速，与之相配套的气象设施、设备的规模也逐年增加。风廓线雷达便是其中非常重要也非常实用的一种。它可以连续获得大气垂直分布的水平风廓线，是加强对灾害天气监测能力和提高短时数值预报模式质量的重要手段。它能做到传统测风方法不能做到的。空中交通管制人员和航空气象预报员可以更加直观地掌握近地层风向风速及温度随高度变化的情况，为飞机的安全起降提供更加精准与细致的服务，从而提高飞行安全保障能力。
Strauch等利用冬天风廓线雷达探测的资料分析了晴空大气条件下风廓线雷达探测的准确性[1];胡明宝等也对风廓线雷达探测性能进行了分析[2];杨迪则是指出了咸阳机场边界层风温廓线雷达的应用现状及存在问题[3]。根据学者们的大量研究可知，边界层风温廓线的风场资料与L波段雷达探空测风有着很好的一致性，数据可信可用，而温廓线由于大气虚温测量存在着数据跳变问题[3]，尚未能很好地应用于临近预报以及同化进数值模式中。因此，本文只选取风廓线资料做分析。
风廓线雷达可以连续提供大气水平风场资料，现民航气象更多是将其用于风切变天气的预警和预报中。然而风廓线雷达的应用还有更多，例如在强对流天气过程中，风廓线雷达可以提供空中环境风场的变化，找到本场的引导气流高度，从而预测强回波中心未来移动方向的改变。本文则是将风廓线资料应用于辐射雾天气过程中，来发现风场资料对于能见度数值的具体影响，以期更好地将风廓線资料用于短临预报以及未来的大雾客观预报模式系统中。
1 数据选取
本文选取2020年4月1日凌晨长沙黄花机场一次辐射雾天气过程，采用中国航天科工集团第二研究院二十三所生产的边界层风廓线雷达风场数据;Vaisala自动观测系统提供的跑道RVR、MOR值，温度、露点等实时数据。
2 研究意义 大雾天气是雷雨天气以外对于航班安全及正点率影响最大最频繁的天气。了解大雾的气候特点对于防止因大雾引起的灾害意义重大。目前对于雾的探测方式只有常规观测、自动气象站监测、卫星监测3种途径，然而对于雾的内部结构及生成原理认识仍然不足。徐姝等也试过用多普勒雷达回波来分析南京地区的大雾[4]，王茂书等在巴中地区大雾预报模型建立中提出用低层涡度作为预报大雾天气逆温层的因子[5]。
与地方气象不同，民航气象对于能见度的具体数值要求更加严格。比如一类标准RVR550M，HUD特殊二类标准RVR350M就够了。风以及近地面层结究竟对能见度的具体数值影响有多大，如今有了边界层风廓线雷达风场实时资料及Vaisala自动观测实时能见度等数据以后，能够更加详细地对比能见度与空中层结以及风向风速的具体相关性。
3 能见度演变过程
2020年4月1日大雾是非常典型的一次辐射雾天气过程。3月31日白天雨停，晚上开始晴空无云，从18：30（世界时，后文中时间均为世界时）开始逐渐转为能见度200 m，RVR最低400 m的大雾一直持续至次日00：22。本文选取大雾开始及能见度最差阶段的数据，重点分析风廓线资料与能见度下降的相关性，找出容易形成辐射雾天气过程的风场特征。
从图1中实线可以看出此次过程中RVR的变化曲线，在大雾的发生阶段主要经历了以下几个阶段：18：40—9：30 RVR波动下降，数值在1 000 m附近。19：30—20：40 RVR较为稳定为低值，数值为400～600 m，其中19：40、19：50两个时次附近出现了短时波动;20：40—22：10再次出现了500～2 000 m的上下波动。而在22：10之后，RVR逐渐稳定在500 m。
图1中虚线为自动观测气象光学视程（MOR值）18：00—24：00 UTC的变化曲线。MOR值是指色温为2 700 K白炽灯发出的平行光束被大气吸收和散射后，光束衰减到5%时所通过的距离。这个数值就是能见度的物理学表达方式。从图2可以看出，能见度的变化曲线与RVR较为接近，但又不是完全一致。18：40—19：30主导能见度开始上下波动逐渐跌至200 m，19：30—20：40主导能见度基本维持在200 m的低值，19：40及19：50与RVR一样出现了两个波峰;20：40—22：10主导能见度再次出现波动，而从22：10之后主导能见度稳定在200 m附近。
跑道视程（RVR）只计算跑道上的能见度。经常遇到能见度很好，但RVR却很差;或者RVR很好，但能见度却很差的情况。这是因为跑道上雾团与周边雾团存在浓度差别或散片雾是否在跑道上空导致的。对比RVR和MOR发现，此次过程中两者变化曲线较为类似，而且几次波动的曲线也基本一致，这说明了主导能见度和RVR的相关性很好。同时发现，此次过程中主导能见度全程低于RVR，当最低主导能见度为200 m时，RVR最低为400 m左右。
通过分析Vaisala自动观测的温度湿度曲线可以得知，18：30—21：30，温度一直比较稳定，湿度也一直是饱和状态，因此，考虑空中风场对于波动阶段的能见度变化有着重要影响。本文重点需要分析这4个波动阶段空中风廓的特点，以及几个向上波动时刻风场有何不同。
4 边界层风廓线演变过程
18：40之前，虽然黄花机场湿度已经达到了100%饱和，但是能见度一直维持在2 000 m左右没有继续变差。从风廓线数据可以看出，1 000 m以上为偏北风下沉气流，但是1 000 m以下為一致的南风，而且风速达到了6～8 m/s，较大的风速导致水汽无法在本场上空维持，刚饱和的雾滴也会迅速被风吹走。
4.1 能见度波动下降阶段（18：40开始）
从18：40开始，与之前相比，500 m以上风场变化不大，但是500 m高度及以下逐渐由南风转为偏西风，风速依然有6～8 m/s，但是能见度还是开始波动转差，可见500 m处风向也对能见度有着重要影响。1 000 m以下一致偏南风不利于黄花机场辐射雾发展，但是近地面层为南风有利于水汽对本区的输送，而在500 m附近风向转变则有利于雾层在近地面层堆积。
4.2 能见度稳定低值阶段（19：30—20：40）
在这个稳定低值的阶段，将空中风场以1 200 m为分界线，可以明显看见在20：15上空2 500 m处出现了一个反气旋性高压环流。反气旋高压环流的底部便是1 200 m高度。这个反气旋高压环流自19：30开始前部影响测站上空，一直到20：40转为高压后部并逐渐移出，与本场能见度低值时间段非常吻合。湖南处于高压控制下的晴空区有利于地表在夜间的辐射冷却，其冷却作用导致近地层空气很快达到饱和，为辐射雾的形成提供必要的触发条件。而且由于反气旋高压环流主要为下沉和向下辐散，造成的下沉逆温也有利于形成逆温层。该逆温层的底部位置推测就位于反气旋高压环流的底部（1 200 m附近）。
再分析1 200 m以下，可以看到500 m以下为偏南风，而500～1 000 m为偏西风，且风速逐渐由6 m/s减小到2～4 m/s。如前文已经提过，1 000 m以下风向一致并不有利于雾滴在测站上空堆积合并，而在500 m或更低位置出现弱风向的切变对雾滴堆积有利。这与传统观念辐射雾需要较小的风向风速切变略有出入。而在19：40和19：50附近RVR和MOR均出现了短时向上波动，仔细观察500 m以下风场，在这两个时次的500 m以下，尤其是200 m附近出现了风速的短时增大至6～8 m/s。正是这风速的短时增大，导致了能见度的短时向上波动。
4.3 能见度再次波动阶段（20：40—22：10）
在20：40以后，可以看到中层已经转为反气旋高压后部形式，且反气旋的范围和强度明显减弱，仅仅在2 000 m高度附近有浅浅的一层。这也反映了测站上空逆温层的减弱。而在1 000 m以下再次转变为不利于辐射雾发展的一致偏南风。正是因为逆温层的减弱加上一致的偏南风的上升气流，导致了原先在500～1 000 m高度的暖干盖消失，从而水汽抬升得更高或吹离测站，无法在近地面层继续堆积。 4.4 能见度再次稳定低值阶段（22：10以后）
在22：10以后可以看到在2 000～2 500 m高度重新有一个反气旋高压移了过来，中层测站上空又转为了反气旋高压的前部，这说明在上空重新有逆温层发展并长期稳定。同时，观察1 000 m以下风场廓线，可以发现风速开始稳定在2～4 m/s，风向也开始稳定，500 m以下为偏南风，500～1 000 m为偏东风。因此，稳定较小的风速（4m/s以下）以及稳定的风向有利于辐射雾的形成，同时500 m高度有弱的风向切变比1 000 m以下一致风向更有利于水汽和雾滴在近地面层堆积。
5 结语
风廓线资料与主导能见度的下降有着很好的相关性，具体体现在4个方面。
①稳定较小的风速（4 m/s以下）以及稳定的风向有利于辐射雾的形成，同时500 m高度有弱的风向切变比500 m以下一致风向更为有利于水汽和雾滴在近地面层堆积。
②风廓线中显示的500～600 m高度以下风场结构对于辐射雾的生消有着较大影响，当500 m以下风速突然增大时，能见度会有向上的波动。
③当中空（1～2 km）风廓线上显示有反气旋高压环流时，往往反映着逆温层的存在，而高压环流底部位置与逆温层的底部有着相关性。高压环流底部越低，越有利于近地面层水汽和雾滴的累积。
④从风廓线资料来看，近地面层为弱的偏南风，500 m附近有弱的风向切变，500 m以上逐渐转为下沉气流（最好有反气旋高压环流）。同时，风向风速保持稳定是最有利于辐射雾发展的风廓线曲线。
参考文献：
[1] STRAUCH R G，WEBER B L，FRISCH A S，et al.The precision and relative accuracy of profiler wind measurements[J].Atmos Oceanic Technol，1987（4）：563-571.
[2]胡明寶，张鹏.风廓线雷达测量性能分析[J].气象科技，2011（3）：316-319.
[3]杨迪.机场边界层风廓线雷达应用及优化研究[J].信息通信，2019（3）：172-173.
[4]徐姝，魏鸣.南京地区1次大雾过程中的多普勒雷达回波研究[J].安徽农业科学，2009（30）：14794-14799.
[5]王茂书，张勇，贾贵兰.雾的特征分析、预报方法及预报模型建立[J].高原山地气象研究，2012（3）：28-31.
关键词：风廓线雷达;辐射雾;低层风场;逆温层;弱风切变
中图分类号：P412.25 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）24-0019-04
Application of Wind Profiler Radar in Radiation Fog Process
YU Jia
（Meteorological Office of Hunan ATM Sub-bureau， Changsha Hunan 410000）
Abstract： In this paper， a process of the radiation fog weather was selected at Changsha Huanghua Airport， and the boundary layer wind profile radar wind field data， runway RVR， MOR value， temperature， dew point and other real-time data were used to analysis the correlation between the wind field on the bottom of stratosphere and visibility decrease. It found that the stable and small wind speed （below 4m/s） and the stable with less variable wind direction are conducive to the formation of radiation fog， the weak wind shear at 500 m height is more conducive to the development of fog than the uniform wind direction below 500 m. The wind field structure below the height of 500-600 m has a great influence on the formation of radiation fog. When the wind profile in the mid-air （1-2 km） shows an anticyclonic high pressure circulation， it usually reflects the existence of an inversion layer， and the bottom position of the high pressure circulation is correlated with the bottom of the inversion layer.
Keywords： wind profile radar;radiation fog;low level wind field;inversion layer;weak wind shear
近些年来，随着中国经济的持续稳定增长，中国民航运输业发展迅速，与之相配套的气象设施、设备的规模也逐年增加。风廓线雷达便是其中非常重要也非常实用的一种。它可以连续获得大气垂直分布的水平风廓线，是加强对灾害天气监测能力和提高短时数值预报模式质量的重要手段。它能做到传统测风方法不能做到的。空中交通管制人员和航空气象预报员可以更加直观地掌握近地层风向风速及温度随高度变化的情况，为飞机的安全起降提供更加精准与细致的服务，从而提高飞行安全保障能力。
Strauch等利用冬天风廓线雷达探测的资料分析了晴空大气条件下风廓线雷达探测的准确性[1];胡明宝等也对风廓线雷达探测性能进行了分析[2];杨迪则是指出了咸阳机场边界层风温廓线雷达的应用现状及存在问题[3]。根据学者们的大量研究可知，边界层风温廓线的风场资料与L波段雷达探空测风有着很好的一致性，数据可信可用，而温廓线由于大气虚温测量存在着数据跳变问题[3]，尚未能很好地应用于临近预报以及同化进数值模式中。因此，本文只选取风廓线资料做分析。
风廓线雷达可以连续提供大气水平风场资料，现民航气象更多是将其用于风切变天气的预警和预报中。然而风廓线雷达的应用还有更多，例如在强对流天气过程中，风廓线雷达可以提供空中环境风场的变化，找到本场的引导气流高度，从而预测强回波中心未来移动方向的改变。本文则是将风廓线资料应用于辐射雾天气过程中，来发现风场资料对于能见度数值的具体影响，以期更好地将风廓線资料用于短临预报以及未来的大雾客观预报模式系统中。
1 数据选取
本文选取2020年4月1日凌晨长沙黄花机场一次辐射雾天气过程，采用中国航天科工集团第二研究院二十三所生产的边界层风廓线雷达风场数据;Vaisala自动观测系统提供的跑道RVR、MOR值，温度、露点等实时数据。
2 研究意义 大雾天气是雷雨天气以外对于航班安全及正点率影响最大最频繁的天气。了解大雾的气候特点对于防止因大雾引起的灾害意义重大。目前对于雾的探测方式只有常规观测、自动气象站监测、卫星监测3种途径，然而对于雾的内部结构及生成原理认识仍然不足。徐姝等也试过用多普勒雷达回波来分析南京地区的大雾[4]，王茂书等在巴中地区大雾预报模型建立中提出用低层涡度作为预报大雾天气逆温层的因子[5]。
与地方气象不同，民航气象对于能见度的具体数值要求更加严格。比如一类标准RVR550M，HUD特殊二类标准RVR350M就够了。风以及近地面层结究竟对能见度的具体数值影响有多大，如今有了边界层风廓线雷达风场实时资料及Vaisala自动观测实时能见度等数据以后，能够更加详细地对比能见度与空中层结以及风向风速的具体相关性。
3 能见度演变过程
2020年4月1日大雾是非常典型的一次辐射雾天气过程。3月31日白天雨停，晚上开始晴空无云，从18：30（世界时，后文中时间均为世界时）开始逐渐转为能见度200 m，RVR最低400 m的大雾一直持续至次日00：22。本文选取大雾开始及能见度最差阶段的数据，重点分析风廓线资料与能见度下降的相关性，找出容易形成辐射雾天气过程的风场特征。
从图1中实线可以看出此次过程中RVR的变化曲线，在大雾的发生阶段主要经历了以下几个阶段：18：40—9：30 RVR波动下降，数值在1 000 m附近。19：30—20：40 RVR较为稳定为低值，数值为400～600 m，其中19：40、19：50两个时次附近出现了短时波动;20：40—22：10再次出现了500～2 000 m的上下波动。而在22：10之后，RVR逐渐稳定在500 m。
图1中虚线为自动观测气象光学视程（MOR值）18：00—24：00 UTC的变化曲线。MOR值是指色温为2 700 K白炽灯发出的平行光束被大气吸收和散射后，光束衰减到5%时所通过的距离。这个数值就是能见度的物理学表达方式。从图2可以看出，能见度的变化曲线与RVR较为接近，但又不是完全一致。18：40—19：30主导能见度开始上下波动逐渐跌至200 m，19：30—20：40主导能见度基本维持在200 m的低值，19：40及19：50与RVR一样出现了两个波峰;20：40—22：10主导能见度再次出现波动，而从22：10之后主导能见度稳定在200 m附近。
跑道视程（RVR）只计算跑道上的能见度。经常遇到能见度很好，但RVR却很差;或者RVR很好，但能见度却很差的情况。这是因为跑道上雾团与周边雾团存在浓度差别或散片雾是否在跑道上空导致的。对比RVR和MOR发现，此次过程中两者变化曲线较为类似，而且几次波动的曲线也基本一致，这说明了主导能见度和RVR的相关性很好。同时发现，此次过程中主导能见度全程低于RVR，当最低主导能见度为200 m时，RVR最低为400 m左右。
通过分析Vaisala自动观测的温度湿度曲线可以得知，18：30—21：30，温度一直比较稳定，湿度也一直是饱和状态，因此，考虑空中风场对于波动阶段的能见度变化有着重要影响。本文重点需要分析这4个波动阶段空中风廓的特点，以及几个向上波动时刻风场有何不同。
4 边界层风廓线演变过程
18：40之前，虽然黄花机场湿度已经达到了100%饱和，但是能见度一直维持在2 000 m左右没有继续变差。从风廓线数据可以看出，1 000 m以上为偏北风下沉气流，但是1 000 m以下為一致的南风，而且风速达到了6～8 m/s，较大的风速导致水汽无法在本场上空维持，刚饱和的雾滴也会迅速被风吹走。
4.1 能见度波动下降阶段（18：40开始）
从18：40开始，与之前相比，500 m以上风场变化不大，但是500 m高度及以下逐渐由南风转为偏西风，风速依然有6～8 m/s，但是能见度还是开始波动转差，可见500 m处风向也对能见度有着重要影响。1 000 m以下一致偏南风不利于黄花机场辐射雾发展，但是近地面层为南风有利于水汽对本区的输送，而在500 m附近风向转变则有利于雾层在近地面层堆积。
4.2 能见度稳定低值阶段（19：30—20：40）
在这个稳定低值的阶段，将空中风场以1 200 m为分界线，可以明显看见在20：15上空2 500 m处出现了一个反气旋性高压环流。反气旋高压环流的底部便是1 200 m高度。这个反气旋高压环流自19：30开始前部影响测站上空，一直到20：40转为高压后部并逐渐移出，与本场能见度低值时间段非常吻合。湖南处于高压控制下的晴空区有利于地表在夜间的辐射冷却，其冷却作用导致近地层空气很快达到饱和，为辐射雾的形成提供必要的触发条件。而且由于反气旋高压环流主要为下沉和向下辐散，造成的下沉逆温也有利于形成逆温层。该逆温层的底部位置推测就位于反气旋高压环流的底部（1 200 m附近）。
再分析1 200 m以下，可以看到500 m以下为偏南风，而500～1 000 m为偏西风，且风速逐渐由6 m/s减小到2～4 m/s。如前文已经提过，1 000 m以下风向一致并不有利于雾滴在测站上空堆积合并，而在500 m或更低位置出现弱风向的切变对雾滴堆积有利。这与传统观念辐射雾需要较小的风向风速切变略有出入。而在19：40和19：50附近RVR和MOR均出现了短时向上波动，仔细观察500 m以下风场，在这两个时次的500 m以下，尤其是200 m附近出现了风速的短时增大至6～8 m/s。正是这风速的短时增大，导致了能见度的短时向上波动。
4.3 能见度再次波动阶段（20：40—22：10）
在20：40以后，可以看到中层已经转为反气旋高压后部形式，且反气旋的范围和强度明显减弱，仅仅在2 000 m高度附近有浅浅的一层。这也反映了测站上空逆温层的减弱。而在1 000 m以下再次转变为不利于辐射雾发展的一致偏南风。正是因为逆温层的减弱加上一致的偏南风的上升气流，导致了原先在500～1 000 m高度的暖干盖消失，从而水汽抬升得更高或吹离测站，无法在近地面层继续堆积。 4.4 能见度再次稳定低值阶段（22：10以后）
在22：10以后可以看到在2 000～2 500 m高度重新有一个反气旋高压移了过来，中层测站上空又转为了反气旋高压的前部，这说明在上空重新有逆温层发展并长期稳定。同时，观察1 000 m以下风场廓线，可以发现风速开始稳定在2～4 m/s，风向也开始稳定，500 m以下为偏南风，500～1 000 m为偏东风。因此，稳定较小的风速（4m/s以下）以及稳定的风向有利于辐射雾的形成，同时500 m高度有弱的风向切变比1 000 m以下一致风向更有利于水汽和雾滴在近地面层堆积。
5 结语
风廓线资料与主导能见度的下降有着很好的相关性，具体体现在4个方面。
①稳定较小的风速（4 m/s以下）以及稳定的风向有利于辐射雾的形成，同时500 m高度有弱的风向切变比500 m以下一致风向更为有利于水汽和雾滴在近地面层堆积。
②风廓线中显示的500～600 m高度以下风场结构对于辐射雾的生消有着较大影响，当500 m以下风速突然增大时，能见度会有向上的波动。
③当中空（1～2 km）风廓线上显示有反气旋高压环流时，往往反映着逆温层的存在，而高压环流底部位置与逆温层的底部有着相关性。高压环流底部越低，越有利于近地面层水汽和雾滴的累积。
④从风廓线资料来看，近地面层为弱的偏南风，500 m附近有弱的风向切变，500 m以上逐渐转为下沉气流（最好有反气旋高压环流）。同时，风向风速保持稳定是最有利于辐射雾发展的风廓线曲线。
参考文献：
[1] STRAUCH R G，WEBER B L，FRISCH A S，et al.The precision and relative accuracy of profiler wind measurements[J].Atmos Oceanic Technol，1987（4）：563-571.
[2]胡明寶，张鹏.风廓线雷达测量性能分析[J].气象科技，2011（3）：316-319.
[3]杨迪.机场边界层风廓线雷达应用及优化研究[J].信息通信，2019（3）：172-173.
[4]徐姝，魏鸣.南京地区1次大雾过程中的多普勒雷达回波研究[J].安徽农业科学，2009（30）：14794-14799.
[5]王茂书，张勇，贾贵兰.雾的特征分析、预报方法及预报模型建立[J].高原山地气象研究，2012（3）：28-31.