天津沿岸一次持續(xù)性強(qiáng)濃霧演變特征觀測分析

靳振華，吳彬貴，林 毅，徐靈芝

(1. 天津市濱海新區(qū)氣象局 天津300457；2. 天津市氣象局 天津300074)

0 引 言

霧是貼地層空氣達(dá)到飽和時(shí)，水汽凝結(jié)為水滴或冰晶，使水平能見度降至 1km 以內(nèi)的天氣現(xiàn)象，在水汽豐富的近海及沿岸多發(fā)，具有范圍廣、濃度強(qiáng)和維持時(shí)間長等特點(diǎn)[1]，其造成的低能見度給交通運(yùn)輸、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、海上作業(yè)和船舶航行等帶來隱患[2]，嚴(yán)重影響近海沿岸港口經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，加強(qiáng)霧的發(fā)生特征和成因機(jī)理研究，完善霧的監(jiān)測、預(yù)警和預(yù)報(bào)，已成為十分緊迫的任務(wù)。

Taylor[3]首次用科學(xué)的方法研究輻射霧，之后，國內(nèi)外科學(xué)家開始對霧進(jìn)行系統(tǒng)性觀測研究。Croft等[4]和 Gultepe等[5]均指出，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)預(yù)警霧的困難在于對霧中物理過程的認(rèn)識(shí)還不夠，因此霧的探測研究是非常重要的。近年來大量學(xué)者開展了霧的形成機(jī)理和預(yù)報(bào)研究，分析了不同類型大霧天氣學(xué)、邊界層條件、氣象要素等。陸春松等[6]指出宏觀天氣系統(tǒng)和邊界層結(jié)構(gòu)對霧的生消起主導(dǎo)作用；程相坤等[7]指出大連地區(qū)觀測發(fā)現(xiàn)平流霧的逆溫為弱的逆溫或無逆溫，輻射霧逆溫厚而強(qiáng)；李子華等[8]通過研究南京 27次霧過程，發(fā)現(xiàn)輻射霧由濃霧發(fā)展為強(qiáng)濃霧的過程中，都具有爆發(fā)性增強(qiáng)特征，其本質(zhì)就是霧滴譜爆發(fā)性拓寬，數(shù)密度和含水量驟然增大；濮梅娟等[9]通過分析南京2006年12月24～27日一次平流輻射霧過程的特征指出霧體內(nèi)強(qiáng)逆溫層長期存在是霧長時(shí)間維持的熱力學(xué)條件，最強(qiáng)達(dá) 16.3℃/100m，夜晚長波輻射增強(qiáng)，氣溫急劇下降可使霧爆發(fā)性加強(qiáng)；Shi等[10]基于 MM5模擬了安徽省的一次持續(xù) 36h的輻射平流霧，并指出來自東南方的強(qiáng)暖濕空氣輸送是霧維持的主要原因；郭麗君等[11]通過分析北京地區(qū) 13次大霧天氣過程指出平流霧的平均霧頂高度不超過1.0km，主要是由來自西南和東南的暖濕平流移經(jīng)北京地區(qū)冷下墊面后冷卻降溫過程產(chǎn)生，強(qiáng)逆溫的形成有利于霧的持續(xù)發(fā)展。

多通道微波輻射計(jì)廓線儀可獲得高時(shí)間分辨率的溫濕度廓線數(shù)據(jù)，對揭示霧的結(jié)構(gòu)、演變過程和物理成因非常重要。Ware等[12]研究了發(fā)生在2001年2月16日科羅拉多州Boulder市的一次上坡霧過程，對比了 MM 模式預(yù)報(bào)和微波輻射計(jì)探測的溫濕度和液態(tài)水廓線結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明：微波輻射計(jì)可以清晰反映霧的溫濕結(jié)構(gòu)和液態(tài)水含量的垂直結(jié)構(gòu)。張光智等[13]通過對北京2001年2月21～23日大霧過程的垂直結(jié)構(gòu)特征及其變化進(jìn)行探測分析，發(fā)現(xiàn)大霧期間不同時(shí)段溫度場、濕度場和風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)具有顯著差異。郭麗君等[14]使用微波輻射計(jì)資料分析了 2011年12月1～7日華北地區(qū)長達(dá)一周的霧霾天氣的產(chǎn)生、演變及轉(zhuǎn)變的基本特征，指出微波輻射計(jì)在判別霧的發(fā)展和演變趨勢方面具比較好的可靠性。

2016年12月31日～2017年1月4日天津沿岸發(fā)生一次持續(xù)性濃霧天氣，濃霧(能見距離小于500m)持續(xù) 52h。本文利用常規(guī)地面觀測、Micaps、微波輻射計(jì)、風(fēng)廓線儀等觀測資料，詳細(xì)分析了此次大霧天氣的大尺度環(huán)流形勢，重點(diǎn)分析了2個(gè)濃霧時(shí)段地面氣象要素和邊界層溫濕度及風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)的演變特征，為大霧天氣的識(shí)別和預(yù)報(bào)提供更多的科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

本文所用的資料包括：塘沽站整點(diǎn)逐時(shí)能見度、溫度和相對濕度，Micaps氣象數(shù)據(jù)，微波輻射計(jì)觀測的溫度及相對濕度、風(fēng)廓線儀觀測的風(fēng)場。

2 濃霧天氣實(shí)況

2016年12月31日～2017年1月4日天津沿岸出現(xiàn)大范圍濃霧天氣，圖1給出了塘沽站逐時(shí)最小能見度和相對濕度的時(shí)間演變。從圖中可以看到，濃霧主體集中在2個(gè)階段：31日18時(shí)～19時(shí)，能見度由847m 迅速下降至 171m，1日 06時(shí)最小能見度為71m，2日 05～06時(shí)，能見度由 278m 迅速上升至520m；3日20時(shí)～21時(shí)，能見度由569m迅速下降至85m，4日02時(shí)最小能見度為72m，4日09時(shí)～10時(shí)，能見度由148m迅速上升至602m。以上分析表明，此次強(qiáng)濃霧呈階段性、濃度大等特征。下面運(yùn)用多種觀測資料對濃霧最強(qiáng)時(shí)段的物理機(jī)制和影響因子進(jìn)行分析探討。

圖1 2016年 12月 31日 08時(shí)～2017年 1月 4日 20時(shí)塘沽站逐時(shí)最小能見度和相對濕度的時(shí)間演變Fig.1 Evolution of hourly minimum visibility and relative humidity in Tanggu Station from 08：00 on 31 December 2016 to 20：00 on 4 January 2017

3 天氣形勢

天氣系統(tǒng)是影響霧發(fā)生、發(fā)展的主要因素。2016年12月31日20時(shí)～2017年1月2日08時(shí)，500hPa、700hPa以緯向環(huán)流為主，天津地區(qū)受西北偏西氣流影響，850hPa、925hPa和 1000hPa，1日08時(shí)為暖性結(jié)構(gòu)，1日 20時(shí)有南北向切變線過境，切變線前西南暖濕氣流為濃霧的形成提供水汽條件。

圖 2(a～d)給出了濃霧時(shí)段 1期間地面氣壓場分布，從圖中可以看出，31日 17時(shí)～1日 05時(shí)，天津地區(qū)由兩高之間均壓場轉(zhuǎn)為鞍型場，風(fēng)速較小，有利于霧的形成，1日 23時(shí)，天津處于高壓前部，開始有弱冷空氣不斷滲透下來，受東北風(fēng)及輻射降溫影響，使得水汽更易達(dá)到飽和，能見度仍然維持較低，2日 08時(shí)，天津轉(zhuǎn)為高壓控制，隨著西北風(fēng)的加大，能見度逐漸轉(zhuǎn)好。

2017年 1月 3日 20時(shí)～1月 4日 08時(shí)，500hPa、700hPa、850hPa，天津地區(qū)受西北氣流控制，925hPa西南氣流強(qiáng)盛，1000hPa受偏東氣流影響，為濃霧的形成提供水汽條件，溫度場顯示925hPa、1000hPa伴有暖脊過境。

圖2(e～f)給出了濃霧時(shí)段2期間地面氣壓場分布，可以看出，3日 20時(shí)，天津位于高壓前部，等壓線稀疏，氣壓場較弱，4日 08時(shí)，逐漸轉(zhuǎn)為高壓控制，隨著西北路徑冷空氣的滲透，能見度逐漸轉(zhuǎn)好。

圖2 地面氣壓場分布Fig.2 Distribution of surface pressure field

4 濃霧過程中近地面氣象要素變化

近地面溫、濕、風(fēng)隨時(shí)間的變化對霧的生消有重要作用。

4.1 溫度、相對濕度

圖 3給出了塘沽站最高氣溫和最小相對濕度逐時(shí)的變化，從圖中可以看出，濃霧時(shí)段 1期間，最高氣溫基本維持0℃以下，屬于冷霧，只是在 1日13時(shí)～16時(shí)和1日20時(shí)～23時(shí)溫度有所升高，出現(xiàn)短暫暖霧，之后伴隨冷空氣的入侵，氣溫急劇下降(圖3a)，31日19時(shí)～21時(shí)，最小相對濕度由91%迅速增加至 99%，之后一直維持不變；濃霧時(shí)段 2期間，最高氣溫均維持 0℃以下，屬于冷霧，1日21時(shí)～22時(shí)，最小相對濕度由 97%增加至 99%，之后一直維持不變。

4.2 風(fēng)

圖4給出了塘沽站10min平均風(fēng)速和風(fēng)向逐時(shí)變化，從圖中可以看出，濃霧時(shí)段1期間，31日19時(shí)～1日09時(shí)維持西南風(fēng)，為霧區(qū)提供水汽，1日10時(shí)～19時(shí)，冷空氣逐漸滲透，轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，1日 20時(shí)～2日09時(shí)為西北風(fēng)，最大風(fēng)速出現(xiàn)在2日00時(shí)，為3m/s，弱冷空氣遇到充足的水汽，使得水汽凝結(jié)，霧天氣維持；濃霧時(shí)段 2期間，風(fēng)向多變，風(fēng)速微弱，3日22時(shí)～4日0時(shí)為偏西風(fēng)，4日01時(shí)～07時(shí)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，4日 08時(shí)～09時(shí)為東南風(fēng)，最大風(fēng)速為1.7m/s，弱風(fēng)或靜風(fēng)條件有利于霧天氣發(fā)展和持續(xù)。

圖3 濃霧期間最高氣溫和最小相對濕度逐時(shí)變化Fig.3 Hourly variation of maximum temperature and minimum relative humidity during thick fog

圖4 濃霧期間10 min平均風(fēng)速和風(fēng)向逐時(shí)變化Fig.4 Hourly variation of ten minute average wind speed and wind direction

5 濃霧期間大氣的垂直結(jié)構(gòu)

邊界層內(nèi)的溫度場、風(fēng)場、濕度場相互影響、相互制約，共同導(dǎo)致了霧的生消[15]。逆溫是霧出現(xiàn)和維持的一個(gè)重要條件[16]。選用天津的微波輻射計(jì)及風(fēng)廓線資料分析濃霧期間垂直的溫濕和風(fēng)場結(jié)構(gòu)。

5.1 溫濕結(jié)構(gòu)

圖 5給出了濃霧期間逆溫厚度和最強(qiáng)逆溫強(qiáng)度的逐時(shí)變化，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，濃霧時(shí)段 1期間，逆溫層厚度呈現(xiàn)小波動(dòng)，但一直穩(wěn)定存在，最大厚度為1.0km，維持 4h，最強(qiáng)逆溫極大值為 1.3℃/50m，極小值為0.5℃/50m(圖5a)；濃霧時(shí)段2期間，逆溫層厚度有一次大波動(dòng)，整體看較濃霧時(shí)段 1偏大，最大厚度為 1.1km，1.0km 以上維持 10h，強(qiáng)逆溫極大值為1.6℃/50m，極小值為1.0℃/50m(圖5b)。

圖5 濃霧期間逆溫厚度和最強(qiáng)逆溫強(qiáng)度逐時(shí)變化Fig.5 Hourly variation of inversion thickness and intensity

圖6給出了濃霧期間相對濕度達(dá)到100%的飽和層厚度逐時(shí)變化，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，濃霧時(shí)段 1期間，飽和層一直穩(wěn)定存在，最大厚度 0.35km，2日09時(shí)，飽和層消失，濃霧減弱轉(zhuǎn)為霧(圖 6a)；濃霧時(shí)段2期間的飽和層較濃霧時(shí)段1明顯偏小，最大厚度僅為0.15km(圖6b)。

可見，逆溫層和飽和層的長時(shí)間維持是濃霧持續(xù)的重要條件，濃霧時(shí)段 2逆溫強(qiáng)度偏強(qiáng)，濃霧時(shí)段 1水汽較為充沛。

圖6 濃霧期間飽和層厚度逐時(shí)變化Fig.6 Hourly variation of saturated layer thickness

5.2 風(fēng)場結(jié)構(gòu)

圖7給出了濃霧期間垂直風(fēng)場結(jié)構(gòu)，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，濃霧時(shí)段1期間，12月31日19時(shí)～1月1日10時(shí)，1.5km 以下為西南風(fēng)氣流，最大風(fēng)速 16m/s，達(dá)到了急流的強(qiáng)度，1月 1日 11時(shí)～20時(shí)，1.5km以下轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，1月1日21時(shí)～1月2日09時(shí)，1.5km 以下轉(zhuǎn)為北風(fēng)(圖 7a)；濃霧時(shí)段 2期間近地層風(fēng)速較小，以東南風(fēng)為主(圖7b)。

由以上分析可知，低空西南急流為濃霧時(shí)段1提供了豐富的水汽，呈現(xiàn)平流霧特征，偏北風(fēng)的入侵使得輻射降溫明顯，呈現(xiàn)輻射霧特征，濃霧時(shí)段 2期間東南風(fēng)輸送的水汽使得濃霧天氣維持，風(fēng)速較小，呈現(xiàn)輻射霧特征。

圖7 濃霧期間垂直風(fēng)逐時(shí)變化Fig.7 Hourly variation of vertical wind

6 結(jié) 論

本文對2016年12月31日～2017年1月4日天津沿岸出現(xiàn)的大范圍濃霧天氣進(jìn)行了天氣學(xué)、邊界層垂直結(jié)構(gòu)基本特征分析，得到以下結(jié)論：

①這是一次平流輻射霧過程，呈現(xiàn)階段性、濃度大特征。

②天氣形勢場顯示，濃霧時(shí)段 1期間，500hPa、700hPa以緯向環(huán)流為主，850hPa、925hPa和1000hPa為暖性結(jié)構(gòu)，有南北向切變線過境，地面由均壓場轉(zhuǎn)為高壓前部；濃霧時(shí)段 2期間，500hPa、700hPa、850hPa天津地區(qū)受西北氣流控制，925hPa西南氣流強(qiáng)盛，1000hPa受偏東氣流影響，925hPa、1000hPa伴有暖脊過境，地面為高壓前部。

③近地面氣象要素變化顯示，整個(gè)濃霧期間，最高氣溫基本維持 0℃以下，以冷霧為主，相對濕度迅速增加至飽和。濃霧時(shí)段 1期間，近地面由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為北風(fēng)，最大風(fēng)速為 3m/s；濃霧時(shí)段 2期間，風(fēng)向多變，風(fēng)速微弱。

④溫濕場和風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)顯示，濃霧時(shí)段 1期間，逆溫層一直穩(wěn)定存在，最大厚度為 1.0km，維持4h，最強(qiáng)逆溫極大值為 1.3℃/50m，飽和層最大厚度0.35km，低空急流輸送水汽，偏北風(fēng)的入侵使得輻射降溫明顯；濃霧時(shí)段 2期間，逆溫層最大厚度為1.1km，1.0km 以上維持 10h，強(qiáng)逆溫極大值為1.6℃/50m，飽和層最大厚度僅為 0.15km，東南風(fēng)輸送的水汽使得濃霧天氣維持，風(fēng)速較小。