南充市霧的特征分析及輻射霧預警技術方法

劉書慧,李 夢,劉原江

(1.四川省南充市氣象局，四川 南充 637000;2.四川省南部縣氣象局，四川 南部 637200)

1 引言

霧是常見災害性天氣，由于霧天能見度較低，進而影響交通安全[1]；另外，霧天空氣流動性差，影響空氣質(zhì)量狀況，容易導致疾病傳播[2]。隨著經(jīng)濟的增長，交通運輸產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,環(huán)境保護力度也在逐漸加大，霧成為公眾關注的焦點。陳朝平等[3]研究得出利于霧霾形成的有利氣象條件：青藏高原到四川盆地的西風氣流、地面高壓內(nèi)的均壓場、近地面風速?。粡埲撕痰萚4]研究得出：熱力和動力因子對霧霾天氣過程具有大致相同的作用；賀皓等[5]采用支持向量機的方法，應用徑向基函數(shù)，建立陜西公路24 h預報模型。不少學者還在空氣質(zhì)量狀況、氣象要素與霧的關系方面做了大量的研究工作[6-7]。雖然有大量對霧霾的研究，但其預報與預警仍然是現(xiàn)代天氣預報業(yè)務的重要內(nèi)容，但預報主觀性較大、準確率不高，成為了實際預報服務工作中的難點。

南充位于四川盆地東北部，高速公路網(wǎng)絡發(fā)達、航空航運全覆蓋，交通運輸往來密集。南充屬于丘陵地貌，水系較為發(fā)達，空氣溫暖濕潤，地面風速小，靜風頻率高，易形成霧，準確及時預報好霧的發(fā)生，將為社會經(jīng)濟及民生服務做出重大貢獻。但南充地區(qū)尚未有系統(tǒng)性的霧的成因及預報機制方面相關成果，研究及技術人員對其預報方法的開發(fā)和研究還處于探索階段。因此本文利用觀測資料對南充市大霧特征進行研究分析，結(jié)合實況和預報數(shù)據(jù)建立了南充市輻射霧回歸模型，對社會經(jīng)濟及民生服務均有著重大意義。

2 資料及方法

根據(jù)《中華人民共和國霧的預報等級指標(GB/T27964-2011)》：大霧(500 m≤水平能見度<1 000 m)、濃霧(200 m≤水平能見度<500 m)、強濃霧(50 m≤水平能見度<200 m)、特強濃霧(水平能見度<50 m)，選取南充7個國家級觀測站35 a(1980—2014年)逐日地面觀測資料,利用14∶00實測值法(14∶00人工觀測有霧，天氣現(xiàn)象代碼為42，且水平能見度<1 km、相對濕度>90%，則記為霧日)，統(tǒng)計總結(jié)南充霧的基本氣候特點。南充2012—2017年霧的高空、地面填圖資料和ECMWF再分析資料(分辨率1.0°×1.0°)，統(tǒng)計得出南充大霧類型以輻射、平流霧兩大類型居多，并找到適用于南充的輻射霧和平流霧的劃分標準。利用2015—2017年地面高空觀測站點資料及ECMWF細網(wǎng)格預報資料(分辨率0.125°×0.125°)格點數(shù)據(jù)，提取相關影響因子，確定消空項，運用MATLAB軟件分析計算線性回歸方程。

3 南充霧的氣候特征

①南充霧日總體呈波動下降趨勢(表1)。1996年霧日最多(全市平均8.3 d)，2012 年和2014年霧

表1 1980—2014年南充各站霧日數(shù)統(tǒng)計(單位：次數(shù))Tab.1 Statistics of fog days in Nanchong stations in 1980—2014 year(unit: times)

日最少(全市平均1 d)，20世紀80 年代中期為霧日較少時段(1985年霧日數(shù)達到低值)，90年代為霧日最多時段(1996年霧日數(shù)達到峰值)，2000年后霧日呈明顯的下降趨勢。南充全市四季各站平均霧日數(shù)冬季(32.9 d)>秋季(6.3 d)>春季(1.7 d)>夏季(1.4 d)，其中霧主要出現(xiàn)在11月—次年1月，特別是1月(全市各站平均15.9 d)和12月(全市各站平均15.7 d)最多霧日數(shù)明顯多于其他月份。

②近35 a南充霧主要分布在儀隴(63.37%)、高坪(22.36%)、南部(7.08%)，而在閬中(2.47%)、西充(1.80%)、營山(1.80%)、蓬安(1.12%)霧日較少。高坪站為南充市區(qū)代表站，其西側(cè)為寬廣的嘉陵江江面，水汽蒸發(fā)量大，東南側(cè)為鶴鳴山，在這種地形下暖濕空氣移動到較冷的水面時，空氣易冷卻形成霧。儀隴站是南充市境內(nèi)海拔最高的站，海拔高度655.7 m，一年四季均會發(fā)生霧，秋冬季霧日數(shù)較多；其中儀隴站濃霧(20 m≤水平能見度<500 m)日數(shù)占全市的82.9%，全市的強濃霧強濃霧(50 m≤水平能見度<200 m)天氣也均出現(xiàn)在儀隴。

③從2015年1月起地面觀測使用能見度自動觀測儀后，能見度觀測資料精確到逐小時，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，霧始發(fā)階段主要集中在02—05時，霧結(jié)束時間主要集中在09—11時(儀隴站有全天被霧籠罩情況)，霧持續(xù)時間大多在1～7 h。霧過程起止點的把握對高速公路等交通氣象服務有著重要意義，也為本文利用數(shù)值預報產(chǎn)品做氣象要素分析，提供了有利的辨別基礎。

表2 2015—2017年霧終止時間統(tǒng)計(單位：次數(shù))Tab.2 Statistics of ending time of fog from 2015 to 2017 (unit: times)

4 南充霧的成因機制

4.1 南充輻射霧和平流霧的劃分標準

統(tǒng)計分析2012—2017年南充大霧天氣高空探空資料和地面觀測資料發(fā)現(xiàn)，南充地區(qū)大霧以輻射霧(85.7%)、平流霧(13%)兩大類型為主，平流—輻射混合霧僅占1.3%。

輻射霧是由下墊面輻射冷卻作用使近地面氣層水汽凝結(jié)而形成的霧，多形成于晴朗微風、近地面潮濕的夜間至日出前，通過資料綜合分析出現(xiàn)大霧的08時氣溫T08低于前一日20時的地面露點溫度Td前20，即Δt=T08-Td前20≤0。平流霧是當暖濕空氣平流遇到較冷的下墊面時，表面逐漸冷卻而形成的霧，通過資料綜合分析平流霧在大霧形成時的08時氣溫T08高于前一日20時的地面露點溫度Td前20，即Δt=T08-Td前20≥0。此外參考大霧發(fā)生時的天空狀況和總云量N，當伴有層云或空中有8成以上云時(N≥0)可判定為平流霧。

4.2 輻射霧和平流霧天氣成因分析

將輻射霧和平流霧個例天氣形勢進行分析：總結(jié)提煉大霧過程出現(xiàn)時(08時)天氣形勢(分為高空天氣圖和地面圖)。

①高空形勢場：輻射霧在中高層500 hPa南充上游地區(qū)(西北方向甘肅一帶)為西北氣流或偏西氣流；700 hPa 南充附近以西風為主，偏南風情況下風速較小，700 hPa及以下的風速<16 m/s；850 hPa通常為弱的暖性結(jié)構，流場為反氣旋流出口區(qū)； 925 hPa以下層面為弱上升運動，以西南風為主。這種天氣背景下，霧區(qū)通常出現(xiàn)在大范圍晴空區(qū)或少云區(qū)。

平流霧在500 hPa南充上游地區(qū)(西北方向甘肅一帶)以穩(wěn)定西風帶氣流為主或有淺槽，南充本地多西南氣流，風速普遍大于20 m/s；700 hPa、850 hPa南充附近以偏南風為主，上空一般存在弱的暖平流；925 hPa南風分量加強。地面的靜止鋒、冷鋒前面或低壓槽中的偏南氣流場有利于暖濕空氣的輸送，往往會有平流霧出現(xiàn)。

②水汽條件：輻射霧及平流霧在925 hPa以下的層結(jié)濕度越大越有利于形成霧，南充臨近的達州站08時925 hPa Td≤4 ℃，近地面水汽接近飽和狀態(tài)。南充各站地面08時Td<2 ℃，地面濕度極大。

③層結(jié)條件：近地面層較穩(wěn)定或存在逆溫層時，有利于霧的形成，而這些條件的形成與天氣形勢分布是密不可分的。達州站700 hPa與925 hPa的 θse差值為正，大氣低層處于穩(wěn)定狀態(tài)。通過激光雷達探測，南充逆溫層一般在800～900 m高空，即925 hPa高空附近。

圖1 南充輻射霧(左)和平流霧概念模型(右)Fig.1 Conceptual model of radiation fog (left) and advection fog (right) in Nanchong

④地面風速：微風有利于霧的形成，風力過大，會將霧吹散。輻射霧通常地面風速≤2 m/s，以靜風為主；平流霧地面風速≤4 m/s。

⑤海平面氣壓場：南充地區(qū)霧的出現(xiàn)主要受均值場影響，川東地區(qū)當日無較強高、低壓中心，南充最北端閬中站與最南端高坪站海平面氣壓差(△p)<3 hPa。

圖2 2017年12月22—25日每日08時500 hPa 平均高度場與地面氣壓平均場Fig.2 Daily mean height field and mean surface pressure field at 8∶00 from December 22 to 25, 2017 at 500 hPa

圖3 2017年1月3—5日每日08時500 hPa 平均高度場與地面氣壓平均場Fig.3 Daily mean height field and mean surface pressure field at 8∶00 from January 3 to 5, 2017 at EC500 hPa

5 南充輻射霧預警技術方法

中國氣象局業(yè)務規(guī)定，大霧預警信號最低等級為大霧黃色預警信號，發(fā)布標準為霧的水平能見度<500 m，發(fā)布時效在大霧發(fā)生前12 h內(nèi)。大霧的預報預警發(fā)布時間若能有效提前，可協(xié)助交管部門提前做好調(diào)度工作和會務人員合理調(diào)整安排大型活動，并且對秋冬季環(huán)保部門發(fā)布重污染天氣預警提供決策服務及公眾做好污染天氣相關防御措施有著重要意義。由于南充出現(xiàn)的霧主要以輻射霧為主，本文主要研究南充本地輻射霧預報模型。

5.1 建立南充本地輻射霧天氣預報模型

選取南充2015—2017年1月、11月、12月逐日ECMWF細網(wǎng)格預報資料(分辨率0.125°×0.125°)格點數(shù)據(jù)及實況數(shù)據(jù)，提取與發(fā)生輻射霧相關的預報因子，通過相關性檢驗得到溫度露點差、晝夜溫差、EC0.125數(shù)值預報1 000 hPa相對濕度及云量格點值等與大霧有較好的相關性，進一步確定6個因子，預報時效大霧發(fā)生前24 h，并在計算前進行消空，得出南充本地24 h輻射霧預報模型。多元線性回歸方程如下：

Y=0.669-1.142X1-0.326X21+0.129X22+0.383X23+0.109X31-0.835X32+0.353X33-2.237X41+1.858X42-0.084X43+0.115X51-0.278X52-0.114X53+0.288X6

X1：預計輻射霧發(fā)生當日的高坪站08時氣溫T08與前一日20時實況的地面露點溫度Td前20差，即計算X1=T08-Td前20，氣溫T08選取EC數(shù)值模式(106.04°N，30.771°E)格點值。

X2：預計輻射霧發(fā)生前日20時1 000 hPa相對濕度為，X21輻射霧發(fā)生當日02時1 000 hPa相對濕度為X22，大霧發(fā)生當日08時1 000 hPa為X23，1 000 hPa相對濕度選取EC數(shù)值模式(106.01°N，30.763°E)格點值。

X3：EC數(shù)值模式預計輻射霧發(fā)生前日20時700 hPa相對濕度為X31，輻射霧發(fā)生當日02時700 hPa相對濕度為X32，大霧發(fā)生當日08時700 hPa為X33，700 hPa相對濕度選取EC數(shù)值模式(106.01°N，30.763°E)格點值。

X4：EC數(shù)值模式預報總云量，輻射霧發(fā)生前日20時總云量值為X41，輻射霧發(fā)生當日02時和08時總云量值為X42和X43，總云量選取EC數(shù)值模式(106.04°N，30.771°E)格點值。

X5：EC數(shù)值模式預報低云量，輻射霧發(fā)生前日20時低云量值為X51，輻射霧發(fā)生當日02時低云量值為X52，輻射霧發(fā)生當日08時低云量值為X53，低云量選取EC數(shù)值模式(106.04°N，30.771°E)格點值。

X6：預計輻射霧發(fā)生當日00時到08時的區(qū)間內(nèi)氣溫變化值，即X6=Tmax-Tmin。

消空項：預計當天02—08時地面風速>2 m/s，風速值取(106.04°N，30.771°E)10 m風速數(shù)值格點值。

預報因子格點值說明：選取預報值均為南充市區(qū)(高坪站)最接近的格點值，經(jīng)過前文研究高坪站霧日數(shù)較多，加之市區(qū)交通樞紐密集，涵蓋機場、碼頭及多條高速公路站點，交通往來頻繁，經(jīng)濟效益更受大霧制約，加之南充區(qū)域內(nèi)冬季天氣要素預報值空間變化較小，故選取最為接近高坪站的數(shù)值格點值為預報模型因子值。

當計算結(jié)果時Y≥0.5，預報結(jié)論為有霧產(chǎn)生；當時Y<0.5，預報結(jié)論為沒有霧產(chǎn)生。

5.2 預報效果檢驗

通過2017年11月—2018年1月90 d實際預報檢驗，正確14次，空報3次，漏報2次，消空1次，正確率為73.8%。

6 小結(jié)

本文建立的南充大霧預警預報模型，提高了大霧預報的可信度，為交通部門和環(huán)境決策提供了更準確的預警與信息，使氣象產(chǎn)品在交通安全、生態(tài)環(huán)境等國民經(jīng)濟相關部門產(chǎn)生更大的社會、經(jīng)濟效益。

①采用14∶00大霧實測值法得出，南充市1980—2014年南充大霧總體呈波動下降趨勢，1996年為霧日數(shù)達峰值(全市平均8.3 d)，2012年和2014年為霧日數(shù)達谷值(全市平均1 d)，20 世紀80年代中期為霧日較少時段，90年代為霧日最多時段，2000年后霧日呈明顯的下降趨勢。南充大霧日數(shù)最多的月份依次是11月、12月、1月，全市四季各站平均霧日數(shù)冬季(32.9 d)>秋季(6.3 d)>春季(1.7 d)>夏季(1.4 d)。

②通過5 a資料分析統(tǒng)計得出南充本地大霧以輻射霧(85.7%)、平流霧(13%)兩大類型為主，平流—輻射混合霧僅占1.3%。并得出區(qū)分輻射霧和平流霧的量化指標。此外參考大霧發(fā)生時的天空狀況和總云量(N)，當伴有層云或空中有8成以上云時(N≥0)可判定為平流霧。

③基于南充大霧發(fā)生的天氣特征分析，以溫度露點差、晝夜溫差、EC0.125數(shù)值預報1 000 hPa、700 hPa相對濕度及云量格點值等作為預報因子，建立南充本地24 h輻射霧預報模型多元線性回歸方程，通過檢驗正確率73.8%。

④本文對于提煉的指標主要基于ECMWF細網(wǎng)格0.125°×0.125°數(shù)值格點值，但應用準確率及模式算法更新是否會影響霧做出預報指標判定，需要后期多做訂正分析。本文多從氣象學對霧的成因發(fā)生探討，霧的發(fā)生除了與天氣要素密切相關，還有地形、本地小氣候及近地面大氣成分相關，需要在后期預報應用后適當加入相關因子對模型進行完善。