荊門市大霧特征分析及預(yù)報(bào)方法研究

王露 侯曌 朱浪 王佳麗 李康麗 王培

（1 湖北省荊門市氣象局，荊門 448000；2 湖北省武漢市氣象局，武漢 430040；3 湖北省荊州市氣象局，荊州 434000）

0 引言

霧是一種能見度小于1000 m的天氣現(xiàn)象，是懸浮在近地面大氣中的大量細(xì)微水滴（或冰晶）的“可視”氣溶膠聚合體。大霧的形成是自然界中各種因子共同作用的結(jié)果，受天氣系統(tǒng)、地形、大氣成分等影響。大霧和濃霧主要對(duì)公路、水路、航空影響較大，霧造成能見度降低，很容易引發(fā)交通事故、空難和海難以及延遲航班的起飛。大霧也不利于城市空氣中污染顆粒物的擴(kuò)散，加重空氣的污染程度[1-2]。因此進(jìn)行大霧的研究與預(yù)報(bào)，對(duì)減少經(jīng)濟(jì)損失、保障人民的健康和生命安全，提高人們生活質(zhì)量具有極其重要的意義。大霧災(zāi)害早已引起了人們的廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外有關(guān)大霧的研究不少[3-9]，或診斷分析典型大霧天氣形成過程和維持的原因，或從天氣學(xué)方面對(duì)大霧天氣的形成及動(dòng)力、熱力條件做深入研究。近些年由于人為因素對(duì)環(huán)境影響較大，使得大霧的發(fā)生條件越來越復(fù)雜，因此有必要對(duì)荊門市大霧形成的環(huán)流背景、水汽、風(fēng)速等氣象條件進(jìn)行分析。本文結(jié)合荊門市實(shí)際情況，分析荊門市大霧對(duì)應(yīng)的天氣形勢(shì)和各氣象要素特征，建立荊門市大霧的綜合預(yù)報(bào)指標(biāo)。

1 資料與方法

本文使用荊門站2006—2015年的大霧觀測(cè)資料，從年際到月際、日際分別給出了該站點(diǎn)大霧發(fā)生的頻次分布規(guī)律，并統(tǒng)計(jì)出大霧發(fā)生時(shí)及之前各氣象要素場(chǎng)的特征，結(jié)合天氣形勢(shì)建立大霧的綜合預(yù)報(bào)指標(biāo)。

2 大霧的分布規(guī)律

2.1 大霧的年際變化特征

2006—2015 年，荊門站共出現(xiàn)大霧188次，年平均霧日約19 d。根據(jù)地面觀測(cè)站的霧實(shí)際觀測(cè)資料，觀測(cè)記錄中出現(xiàn)霧現(xiàn)象，即記為一個(gè)霧日[10]。出現(xiàn)大霧最多的年份在2010年，全年出現(xiàn)31次；最少的年份是2015 年，全年僅出現(xiàn)8次。從圖1可以看出，2008—2011年是大霧發(fā)生的高峰年，平均峰值為28次；2015年是大霧發(fā)生的低谷年；2006—2007、2012—2014年大霧的年際變化較為平穩(wěn)，平均值為13次左右。2008—2011年之所以為高峰年，是因?yàn)檫@4年中連續(xù)的霧日比較多，通常是連續(xù)兩三日，多則四日，環(huán)流形勢(shì)比較穩(wěn)定且非常相似，這樣，在這連續(xù)的幾日時(shí)間里每日清晨都會(huì)出現(xiàn)幾小時(shí)霧；而2015年之所以為低谷年，主要是因?yàn)檫@一年荊門的霾日較多，大多數(shù)能見度較差的日子被當(dāng)做霾日處理。總體上大霧的年際發(fā)生次數(shù)為先上升后下降，成拋物線變化，2006—2010年為上升趨勢(shì)，2010—2015年大致為下降趨勢(shì)。

圖1 2006—2015年荊門站大霧年分布特征 Fig. 1 The variations J i inngamnennu aSl t naut imo n ber of fog days in the

2.2 大霧的月際變化特征

荊門市大霧有明顯的季節(jié)變化特征。由圖2可知，最高值出現(xiàn)在1月，10年共發(fā)生31次大霧天氣；最低值出現(xiàn)在7月，10年共發(fā)生6次大霧天氣；12月—次年4月大霧的發(fā)生率最高，累計(jì)各月分別為21、31、23、23和 20 d；5—6月和8—11月次之，累計(jì)各月分別為12、11、9、10、11和 11 d?？傮w來看，荊門市大霧發(fā)生次數(shù)冬季最多，春季次之，秋季居中，夏季最少。

圖2 2006—2015年荊門站大霧月分布特征 Fig. 2 The variations in monthly average number of fog days in the Jingmen Station

2.3 大霧的日際變化特征

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2006—2015年荊門站出現(xiàn)的188次大霧均發(fā)生在夜間至上午。因?yàn)闅鉁厝兆兓瘺Q定了飽和水汽壓的日變化，白天氣溫高使飽和水汽壓很高，因而空氣不易凝結(jié)成霧，而在夜間氣溫低，飽和水汽壓迅速降低，使空氣飽和凝結(jié)成霧，清晨氣溫降至最低所以霧最濃。日出后，由于地面氣溫上升，多在10時(shí)左右霧逐漸變淡消散。由圖3可知，08時(shí)之后，大霧持續(xù)出現(xiàn)1～3 h的情況居多，在188個(gè)大霧日中共有147次（約占總數(shù)的78%）大霧持續(xù)時(shí)間不超過3 h；持續(xù)時(shí)間在 3～5 h的有 31次（約占總數(shù)的16%）；超過5 h的僅有10 次（約占總數(shù)的5%）。

圖3 2006—2015年荊門站大霧日持續(xù)時(shí)間 Fig. 3 The duration of the foggy day at the Jingmen Station from 2006 to 2015

3 大霧與氣象要素的關(guān)系

從國(guó)內(nèi)一些文獻(xiàn)可知在有些站點(diǎn)的日溫差或氣壓差或風(fēng)向在大霧發(fā)生前的變化很有規(guī)律[11-12]；而本文結(jié)合荊門本地的實(shí)際情況，對(duì)大霧發(fā)生前本站各氣象要素特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)濕度、風(fēng)速和云量這三個(gè)要素對(duì)即將發(fā)生的大霧的反映最有規(guī)律，而日溫差和氣壓差則無明顯規(guī)律。

3.1 大霧與濕度場(chǎng)的關(guān)系

濕度是形成霧的必要條件之一。近地面層水汽充沛時(shí)，氣溫稍有下降就會(huì)使水汽凝結(jié)。濕度越大和濕層越厚，就越有利于形成霧。當(dāng)空氣干燥而濕度較小時(shí)，就不利于形成霧。低層空氣濕度部分來源于前期的降水，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在188個(gè)大霧日中有48次大霧前一日有降水，有51次大霧前兩日有降水，有43次大霧前三日有降水，有7次大霧當(dāng)日有降水，即有76%的大霧發(fā)生前期有降水，降水有利于濕度的增加。一般在出現(xiàn)霧之前低層大氣的水汽含量增加，相對(duì)濕度較大。經(jīng)統(tǒng)計(jì)（圖4），大霧發(fā)生前一日14時(shí)相對(duì)濕度≥50%占總樣本的89%，而相對(duì)濕度≤40%的占總樣本不足4%。

圖4 出霧前一日14時(shí)相對(duì)濕度 Fig. 4 The relative humidity at 14:00 BT on the day before the fog occurred

3.2 大霧與風(fēng)場(chǎng)的關(guān)系

微風(fēng)（1～3 m/s）對(duì)霧的形成最為有利，原因是地面輻散冷卻所及氣層的厚度與湍流強(qiáng)度有關(guān)。當(dāng)近地面層無風(fēng)時(shí)，地面輻射冷卻作用只影響貼近地面很薄的氣層，而在微風(fēng)的情況下，就能使輻射冷卻作用擴(kuò)散到適當(dāng)?shù)母叨?，使水汽垂直輸送到一定高度，有利于形成一定厚度的霧。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全年大霧日以西南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，其次為偏東風(fēng)，出現(xiàn)大霧時(shí)風(fēng)速≤3 m/s的占99%以上；就大霧出現(xiàn)前一日02、08、14、20時(shí)與大霧出現(xiàn)當(dāng)日02時(shí)這5個(gè)時(shí)次的風(fēng)速來看，如圖5，風(fēng)速≤3 m/s的占65%，94%的風(fēng)速≤5 m/s。風(fēng)速過大時(shí)（≥5 m/s），亂流混合層過厚，使近地面氣層降溫緩慢，同時(shí)也使水汽大量上傳，不利于霧的形成。值得注意的是，即使出現(xiàn)大霧的前一日有風(fēng)速較大的情況出現(xiàn)，風(fēng)速也是隨著時(shí)次越接近出霧時(shí)逐漸減小的。

圖5 出霧前一日02時(shí)—當(dāng)日02時(shí)各發(fā)報(bào)時(shí)次風(fēng)速 Fig. 5 The wind speed from 02:00 BT on the day before the fog to 02:00 BT on the foggy day

3.3 大霧與低云量的關(guān)系

晴朗少云的夜間或清晨，地面有效輻射強(qiáng)、散熱迅速，使近地面氣層降溫多，有利于水汽凝結(jié)。如果夜間是陰天或多云，就不利于輻射冷卻，而難以形成輻射霧，云量越少，就越有利于輻射霧形成。因此在水汽較充沛的季節(jié)，可以用低云量作為一個(gè)預(yù)報(bào)指標(biāo)。如圖6，通過對(duì)大霧前一日20時(shí)天空低云量的統(tǒng)計(jì)，無低云的概率為92%。當(dāng)?shù)涂沼休椛淠鏈匦纬蓵r(shí)，有利于近地面層大量霧滴聚積于逆溫層下而形成輻射霧。

圖6 低云量分布 Fig. 6 The distribution of low cloud

4 大霧發(fā)生的天氣形勢(shì)分類

為了研究大霧發(fā)生的天氣形勢(shì)特征，分析了2006—2015年這10年中出現(xiàn)的大霧（以荊門本站出現(xiàn)的188次大霧為標(biāo)本）前一日20時(shí)與大霧當(dāng)日08時(shí)的高空和地面實(shí)況圖，將大霧分為3種類型。

4.1 持續(xù)偏西氣流型

如圖7，大霧前一日20時(shí)與當(dāng)日08時(shí)高空500和700 hPa均為偏西氣流，850 hPa為弱的偏南風(fēng)，前一日20時(shí)925 hPa為弱的反氣旋，地面為均壓或弱高壓控制。此種類型高空濕度相對(duì)較小，但近地面濕度會(huì)迅速增大，大霧持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

4.2 弱脊過境型

如圖8，大霧前一日20時(shí)500 hPa為脊前西北氣流，大霧當(dāng)日08時(shí)500 hPa為弱脊控制；700hPa在大霧前一日20時(shí)和當(dāng)日08時(shí)均為弱脊控制；850 hPa在大霧前一日20時(shí)和當(dāng)日08時(shí)均為西南風(fēng)；925 hPa在大霧前一日20時(shí)和當(dāng)日08時(shí)均有弱切變，且濕度條件較好，宜昌站和武漢站在這一層的溫度露點(diǎn)差都在1 ℃左右；大霧前一日20時(shí)地面圖上荊門本站的濕度已迅速增大，溫度露點(diǎn)差在2 ℃左右，地面為均壓或弱高壓控制。此種類型為，高空有脊過境，槽的位置離荊門還有一段距離，降水形勢(shì)還不明顯，說明此種大霧發(fā)生在明顯的降水過程來臨之前。

圖7 2010年1月16日20時(shí)和17日08時(shí)的500、850 hPa高空?qǐng)D和地面圖 Fig. 7 Spatial maps of 500 hPa, 850 hPa and the surface air temperature at 20:00 BT 16 January and at 08:00 BT 17 January 2010

圖8 2009年2月6日20時(shí)和7日08時(shí)的500、850和925 hPa高空?qǐng)D Fig. 8 Spatial maps of 500 hPa,850 hPa and 925 hPa at 20:00 BT 6 February and at 08:00 BT 7 February 2009

4.3 槽后西北氣流型

如圖9，大霧前一日20時(shí)與當(dāng)日08時(shí)高空500、700和850 hPa均為槽后西北氣流控制，屬于晴好天氣，也可發(fā)生在雨后轉(zhuǎn)晴的天氣。此類天氣的特點(diǎn)是在925 hPa以下、1000 hPa附近有特別明顯的逆溫存在，逆溫幅度較前兩種類型都大，地面為均壓場(chǎng)。

在天氣形勢(shì)方面，與國(guó)內(nèi)很多文獻(xiàn)的研究比較一致的是，槽后偏北氣流型發(fā)生的頻率最高[13]；而持續(xù)偏西氣流型和弱脊過境型則是荊門本地發(fā)生頻率相對(duì)較低的天氣形勢(shì)。

5 結(jié)論

1）荊門市大霧主要為輻射霧，發(fā)生次數(shù)冬季最多，春季次之，秋季居中，夏季最少；輻射霧多生成于夜間，日出前最濃，日出后隨地面氣溫上升，多在10時(shí)左右逐漸變淡消散；08時(shí)之后持續(xù)出現(xiàn)1～3 h的情況居多，超過5 h的較少。

2）前一日14時(shí)相對(duì)濕度≥50%，濕度越大，當(dāng)日出霧可能性越大；若相對(duì)濕度≤40%，可以不考慮霧的發(fā)生。

圖9 2013年3月17日20時(shí)和18日08時(shí)的500、850 hPa和T-lnp圖 Fig. 9 Spatial maps of 500 hPa, 850 hPa and T-lnp at 20:00 BT 17 March and at 08:00 BT 18 March 2013

3）前一日02、08、14、20時(shí)與預(yù)報(bào)日當(dāng)日02時(shí)這5個(gè)時(shí)次的風(fēng)速均≤3m/s，當(dāng)日出霧可能性較大；若其中有一個(gè)或幾個(gè)時(shí)次的風(fēng)速＞3 m/s且≤5 m/s，有一定的出霧可能性；若有一個(gè)以上的時(shí)次＞5 m/s，但風(fēng)速隨時(shí)次推移呈減小趨勢(shì)，不完全排除出霧可能性，但可能性極小。

4）前幾日內(nèi)有降水發(fā)生，可增大預(yù)報(bào)日當(dāng)日出霧概率；前一日20時(shí)天空無低云，對(duì)次日出霧有利。

5）通過對(duì)大霧日的高空地面天氣形勢(shì)歸類，將大霧發(fā)生時(shí)的天氣形勢(shì)分為3種類型，即持續(xù)偏西氣流型、弱脊過境型、槽后西北氣流型。其中以槽后西北氣流型出現(xiàn)最多，前兩種類型發(fā)生的頻率大致相等。