北京一次大霧天氣成因分析及模式預(yù)報性能檢驗

尹曉惠，時少英，鄧長菊

(1.北京市氣象臺，北京 100089；2.北京市氣象服務(wù)中心，北京 100089)

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北京一次大霧天氣成因分析及模式預(yù)報性能檢驗

尹曉惠1，時少英1，鄧長菊2

(1.北京市氣象臺，北京 100089；2.北京市氣象服務(wù)中心，北京 100089)

為了研究空氣中水汽層結(jié)變化、大霧天氣發(fā)生發(fā)展的環(huán)境場條件及BJ-RUC模式在大霧期間的預(yù)報性能，對北京2012年3月16～17日大霧天氣個例中能見度變化和地基微波輻射計液態(tài)水含量等資料進(jìn)行分析。結(jié)果表明，霧生消前后液態(tài)水含量的廓線變化明顯，因此通過不同時刻液態(tài)水含量的廓線對比分析，對大霧天氣的預(yù)報還是具有指示意義的；地面高壓底部偏東風(fēng)為大霧維持提供良好的水汽，大霧期間風(fēng)力的加大有利于水汽的輸送，而持續(xù)的偏東風(fēng)則有利于水汽的維持；輻射降溫觸發(fā)了華北霧區(qū)的形成；逆溫層的存在是此次大霧發(fā)生的條件之一；近地面層系統(tǒng)性的偏東風(fēng)、相對濕度和溫度均在BJ-RUC模式中有很好的反映，模式探空的預(yù)報隨著起報時間的臨近，越接近實況，特別是逆溫層和近地面偏東風(fēng)的預(yù)報與實況基本一致，由此導(dǎo)出產(chǎn)品的能見度預(yù)報也能給預(yù)報員很好的指示參考性。

北京大霧；液態(tài)水含量；微波輻射計；數(shù)值模擬

北京由于特殊的地形條件和較大規(guī)模的污染源的存在[1]，在天氣系統(tǒng)穩(wěn)定、較多日沒有明顯的風(fēng)力以及濕度加大的情況下，常造成空氣質(zhì)量出現(xiàn)連續(xù)超標(biāo)，能見度不斷下降，導(dǎo)致霧、霾天氣現(xiàn)象的出現(xiàn)[2-5]。因此，北京也是全國霧、霾天氣較為嚴(yán)重的城市之一[6-7]。霧、霾給人們生活和健康造成的影響甚至超過了沙塵天氣。近幾年來，由于新的探測設(shè)備投入使用，邊界層氣象資料數(shù)據(jù)的獲取更為容易，為開展霧、霾天氣研究提供了便利條件[8-9]。2012年3月16～

17日北京出現(xiàn)了大霧天氣，特別是16日夜間～17日，由于地表輻射降溫及持續(xù)的暖濕空氣輸送，霧區(qū)及濃度快速發(fā)展，17日08：00大霧范圍達(dá)到最大；濃霧區(qū)主要集中在河北中南部、京津地區(qū)；17日08：00包括觀象臺在內(nèi)的10個站出現(xiàn)了不足500 m的大霧天氣，其他各站能見度也在2 000 m以內(nèi)，這是近期出現(xiàn)的范圍大、強(qiáng)度強(qiáng)的大霧天氣(圖1)。筆者利用常規(guī)氣象觀測資料、微波輻射計、風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)與BJ-RUC數(shù)值模擬結(jié)果，對此次大霧天氣進(jìn)行細(xì)致分析。

1 北京大霧成因分析

1.1 環(huán)流形勢及影響系統(tǒng)從2012年3月16日20：00 500和700 hPa高空圖可以看出，亞洲中緯度地區(qū)以緯向環(huán)流為主，多短波槽東移。同時，由于16日20：00中高空有一股弱冷空氣經(jīng)過北京及華北地區(qū)，北京處于西北氣流控制，中高空的這種環(huán)流配置有利于夜間的輻射降溫，是出現(xiàn)大霧的重要天氣背景。另外，低層850 hPa(圖2a)至近地面有暖平流持續(xù)向北京輸送，使水汽條件持續(xù)較好。地面氣壓場很弱，等壓線稀疏，地面風(fēng)速較小，且北京處于高壓底部，弱的偏東風(fēng)或東南風(fēng)使得近地面濕度較大(圖2b)，有利于飽和水汽條件形成，上述條件均有利于大霧的生成和維持。

1.2 地面氣象要素特征及輻射降溫作用分析霧霾出現(xiàn)前，氣壓呈減弱趨勢，霧霾維持階段氣壓變化不明顯，濕度增加，溫度下降，溫度日較差(前一日最高氣溫減去當(dāng)日最低氣溫)的變化可定性地描述地面輻射冷卻對于大霧過程的發(fā)生和維持的作用。17日溫度日較差達(dá)10 ℃，輻射降溫使得近地面層出現(xiàn)了約200 m高度的淺薄逆溫層，觸發(fā)了華北霧區(qū)的形成；18日日較差為6 ℃，說明在大霧形成后，由于懸浮于空中的霧滴的阻擋，到達(dá)地表的太陽輻射明顯減弱，但由于850 hPa持續(xù)的暖平流輸送以及近地層偏東風(fēng)的維持，保證了水汽的充足，所以這次大霧天氣是輻射加平流共同影響，前期平流輻射霧，后期平流霧。3月15日夜間出現(xiàn)過間歇性小雨，16日白天到前半夜一直維持輕霧和霾的天氣，20：00后濕度明顯上升，溫度露點差保持在2 ℃以內(nèi)，能見度下降。17日凌晨到中午能見度均低于1 km，下午稍好轉(zhuǎn)，但仍保持在4 km以下，入夜后又出現(xiàn)了雨夾雪和間歇性小雪天氣，氣溫逐步下降至0 ℃以下，說明冷空氣到來，能見度到18日05：00以后上升至15 km以上(圖3)。

1.3 風(fēng)向及風(fēng)速條件分析從風(fēng)速條件(圖4a)來看，大霧期間地面風(fēng)速一般在1～3 m/s，城區(qū)部分時段在2～4 m/s；觀象臺17日01：00、07：00和19：00的高空風(fēng)(圖4b)顯示，濃霧持續(xù)時段從近地面25～200 m，風(fēng)速由1 m/s左右增加至2～4 m/s，風(fēng)力的加大有利于水汽的輸送，持續(xù)的偏東風(fēng)則有利于水汽的維持。

1.4 水汽條件分析從水汽條件來看，濃霧發(fā)生前對流層中高層相對較干，相對濕度均在20%～40%，濃霧發(fā)生時低層相對濕度卻有一個明顯的增濕過程。16日20：00 0～1 km濕度為60%～70%，17日08：00 0～1 km范圍增加明顯，平均達(dá)60%～80%，17日14：00出現(xiàn)飽和層(0～1 km平均相對濕度卻達(dá)90%，特別是0～200 m內(nèi)平均濕度達(dá)100%)，這種近地層飽和的狀態(tài)為大霧的維持起到了重要的作用(圖5a)。結(jié)合水汽散度時間剖面圖可以看出，16日20：00北京地區(qū)為輻散區(qū)，17日08：00 850 hPa以下為輻合區(qū)(圖6)，對應(yīng)了濕度的垂直分布圖。水汽帶集中在北京地區(qū)，且近地層明顯增濕。通過不同時刻液態(tài)水含量的廓線圖對比分析，發(fā)現(xiàn)它對霧或大霧天氣的預(yù)報還是具有較好的指示意義。在大霧出現(xiàn)前，大氣液態(tài)水主要集中在1～3 km高度層里，在轉(zhuǎn)大霧過程中，隨著能見度的降低，該層的水汽含量變化不大，在能見度最低的時段(17日08：00～14：00)該層次的液態(tài)水含量略有增加，但在1 km以下液態(tài)水含量卻是增加的，尤其是近地層(500 m以下)液態(tài)水含量增加明顯，大霧消散時，近地面層(1 km以下)液態(tài)水含量迅速下降到非常小。可見，在濃霧的生消過程中，大氣液態(tài)水含量的層結(jié)變化明顯(圖5b)。另外，垂直上升運(yùn)動則顯示上升運(yùn)動的高度可從地面伸展至1 000 m上下，表明低層弱的上升運(yùn)動也有利于霧的維持。

1.5 層結(jié)條件分析16日夜間到17日上午時段是濃霧發(fā)生的主要時段，從北京氣象臺站探空曲線(圖7)可以清楚地看出，16日20：00開始在1 km高度上出現(xiàn)了淺薄逆溫，此后逆溫強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，到17日08：00在近地面至850 hPa層次均出現(xiàn)了逆溫，逆溫層內(nèi)最大溫差達(dá)6 ℃，逆溫層厚度達(dá)1 000 m以上。另外隨著低層西南風(fēng)和偏東風(fēng)的加強(qiáng)，近地層濕度明顯增加，基本達(dá)到飽和。由于逆溫層對空氣對流有明顯抑制作用，造成大量水汽等聚集在逆溫層下面，不利于大氣污染物的擴(kuò)散，所以，此次過程中逆溫層的存在是霧發(fā)生的條件之一。

1.6 風(fēng)廓線分析2012年3月16～17日北京海淀風(fēng)廓線圖(圖8)發(fā)現(xiàn)，16日夜間有弱冷空氣過境，時間在02：00～05：00，風(fēng)向由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，之后500 m之下維持偏東風(fēng)或西南風(fēng)，風(fēng)力2～3 m/s，這種弱的水平風(fēng)速伸展至800 m左右。

2 BJ-RUC數(shù)值預(yù)報檢驗分析

從預(yù)報和實況對比(圖9)來看，隨著起報時間的接近，預(yù)報效果也相對好；探空對比來看，實況逆溫層頂至850 hPa，模式預(yù)報的逆溫層頂也均在875～800 hPa，與實況較為接近；近地面層的偏東風(fēng)、低層的偏南風(fēng)和中層的偏北風(fēng)均有著較好的預(yù)報效果，預(yù)報與實況基本一致。

從模式輸出濕度場和能見度預(yù)報場來看，從16日11：00起報的情況看，傍晚到夜間，在偏東風(fēng)的作用下，大濕度區(qū)逐漸影響北京地區(qū)。從渤海灣至北京南部地區(qū)，能見度低；影響北京地區(qū)南部的時間為17日02：00～09：00； 不同起報時間來看，只有16日20：00以后的起報時次預(yù)報的低能見度結(jié)束影響北京地區(qū)的時間偏晚外，其他時次接近實況。 因此，BJ-RUC數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)對3月16～17日的大霧天氣過程預(yù)報效果較好，近地面層系統(tǒng)性的偏東風(fēng)、相對濕度和溫度均在BJ-RUC模式中有很好的反映，模式探空的預(yù)報隨著起報時間的臨近，越接近實況，特別對逆溫層和近地面的偏東風(fēng)的預(yù)報與實況基本一致，具有可預(yù)報性，且由此導(dǎo)出的能見度預(yù)報也具有很好的指示和參考性。

3 小結(jié)

(1)3月17日北京溫度日較差達(dá)10 ℃，輻射降溫觸發(fā)了華北霧區(qū)的形成，中緯度以緯向環(huán)流為主，且850 hPa及以下為西南風(fēng)轉(zhuǎn)東南風(fēng)，地面高壓底部偏東風(fēng)為大霧提供良好的水汽。

(2)近地面層至850 hPa層次上均出現(xiàn)了逆溫，逆溫層內(nèi)最大溫差達(dá)6 ℃，逆溫層厚度超過1 000 m。所以，逆溫層的存在是霧發(fā)生的條件之一。

(3)大霧期間地面風(fēng)向維持偏東風(fēng)，風(fēng)速一般在1～3 m/s，濃霧持續(xù)時段從近地面25～200 m，風(fēng)速由1 m/s左右增加至2～4 m/s，風(fēng)力的加大有利于水汽的輸送，而持續(xù)的偏東風(fēng)則有利于水汽的維持。

(4)霧生消前后液態(tài)水含量的廓線變化明顯，因此通過不同時刻液態(tài)水含量的廓線對比分析，對霧天氣的預(yù)報還是具有指示意義的。

(5)水汽通量散度對應(yīng)了濕度的垂直分布圖，即水汽帶集中在北京地區(qū)，且近地層明顯增濕。風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)計算的水平風(fēng)速顯示1～3 m/s的弱的水平風(fēng)速垂直高度可達(dá)800 m左右；垂直上升運(yùn)動則顯示上升運(yùn)動的高度可從地面伸展至1 000 m上下。

(6)近地面層系統(tǒng)性的偏東風(fēng)、相對濕度和溫度均在BJ-RUC模式中有很好的反映。模式探空的預(yù)報隨著起報時間的臨近，越接近實況，特別對逆溫層和近地面的偏東風(fēng)的預(yù)報與實況基本一致，具有可預(yù)報性，且由此導(dǎo)出的能見度預(yù)報也具有很好的指示和參考性。

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Analysis of Heavy Fog Process and Model Prediction Test in Beijing

YIN Xiao-hui1, SHI Shao-ying1, DENG Chang-ju2

(1. Beijing Meteorological Bureau, Beijing 100089; 2. Beijing Meteorological Service Center, Beijing 100089)

To study the effects of the stratification changes of water vapor, the variation of visibility relative to the liquid water content and relative humidity observed by microwave radiometer and forecast of the visibility by BJ-RUC during fog events from March 16 to 17, 2012 in Beijing was analyzed. The sequence diagram results showed that the various times in the profile diagram of atmospheric liquid water content can indicate the presence of fog because the stratification of liquid water content obviously changes during the generation and dissipation of fog. East wind of high pressure bottom advantage to water vapor to maintain and the increase of wind advantage to water vapour transportation to Beijing, radiation cooling trigger fog in North China Plain, and inversion layer is one of the condition. East wind of the surface layer, relative humidity and temperature have very good response in BJ-RUC. Air sounding forecast close to actually along with the time, especially to temperature inversion and east wind of surface layer. Therefore product visibility can give indication and reference to forecaster.

Beijing fog; Atmospheric liquid water; Microwave radiometer; Numerical simulation

國家自然科學(xué)基金項目(41175014)；北京市自然基金課題(8122022)；國家局小型基建科研專項“華北及周邊地區(qū)霾預(yù)報業(yè)務(wù)建設(shè)項目”。

尹曉惠(1976- )，女，遼寧朝陽人，高級工程師，碩士，從事短期天氣預(yù)報業(yè)務(wù)工作。

2014-09-23

S 161.5

A

0517-6611(2015)01-149-04