地面輻合線與華北平原霧空間分布的關(guān)系

張 帆，曾建剛，秦保國，李宗濤

（1.中國氣象局綜合觀測司，北京100081；2.河北省氣象臺，河北 石家莊050021）

霧是近地層空氣中水汽凝結(jié)或凝華而使水平能見度＜1 km 的天氣現(xiàn)象， 霧是在特定天氣背景之下形成的，并具有高度局域性的高影響天氣[1]。 隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的不斷加快，社會需求使得海、陸、空交通運輸業(yè)（特別是航空和高速公路）飛速發(fā)展，霧的影響也越來越突出， 特別是能見度＜200 m 的濃霧，給交通運輸業(yè)造成了頻繁的嚴(yán)重事故和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 此外，霧天氣常伴隨著逆溫的出現(xiàn)，非常不利于污染物的擴(kuò)散， 嚴(yán)重影響人畜健康和安全。 尤其2013 年1 月華北平原出現(xiàn)了多次大范圍霧霾天氣（夜間到上午濕度大，觀測天氣現(xiàn)象為霧，下午濕度有所減小，天氣現(xiàn)象為霾）。據(jù)環(huán)境監(jiān)測顯示，石家莊空氣質(zhì)量達(dá)到良好的日數(shù)僅有2 d， 霧霾天氣引起了社會和公眾的極大關(guān)注。 應(yīng)加強對霧天氣的成因認(rèn)識，提高霧天氣的預(yù)報能力。如何提高霧天氣的預(yù)報預(yù)警能力？ 如何科學(xué)規(guī)劃霧天氣監(jiān)測網(wǎng)等等是需要解決的迫在眉睫的科學(xué)問題。

華北平原是我國北方秋冬季大霧出現(xiàn)頻率較高的地帶，具有發(fā)生范圍廣、強度大、持續(xù)時間長的特點，如2002 年12 月9—19 日和2007 年12 月18—28 日分別出現(xiàn)了連續(xù)11 d 的大范圍大霧天氣，而在1994 年11 月的一次連續(xù)性大霧過程中， 河北南部的廣平縣、景縣連續(xù)15 d 出現(xiàn)大霧[2]。持續(xù)如此長時間的大霧在國內(nèi)外并不多見， 這說明華北平原的大霧有其獨特之處。 有關(guān)華北平原霧形成的氣象條件、成因等做過不少分析研究[2-9]。何立富等[3]分析了華北平原持續(xù)性大霧過程的動力和熱力特征， 發(fā)現(xiàn)大霧期間華北平原大部地區(qū)為弱輻合區(qū)、 微弱的上升運動區(qū)， 這種微弱的上升運動非常有利于大霧向上發(fā)展。 康志明等[4]對2004 年冬季華北平原持續(xù)大霧天氣進(jìn)行了天氣動力學(xué)診斷分析，得出：華北平原近地層900 hPa 以下有冷平流、 弱輻合上升運動引起該層氣溫下降，900～500 hPa 暖溫度平流和輻散下沉運動造成該層氣溫升高， 在上升和下沉運動區(qū)的界面層中形成逆溫層， 逆溫層的高度和強度影響霧的形成和狀況。 梁愛民等[5-6]分析了2007 年2 月21 日北京地區(qū)發(fā)生的一次平流霧過程。發(fā)現(xiàn)平流霧發(fā)生前，北京地區(qū)沒有明顯冷空氣侵入，大氣層結(jié)相對穩(wěn)定，地面觀測到中尺度輻合線，其南側(cè)的東南氣流向北京地區(qū)輸送了水汽， 為夜間霧的形成提供了良好的基礎(chǔ)條件。 趙金霞等[9]發(fā)現(xiàn)天津濱海新區(qū)風(fēng)向、風(fēng)速與不同污染程度有一定的關(guān)系；陸風(fēng)會使污染物迅速增加，而海風(fēng)就會逐漸減少。若濱海新區(qū)北部出現(xiàn)風(fēng)場輻合線時，水汽、污染物會在輻合以南快速積累、混合。 以上研究均認(rèn)為，華北平原的霧天氣出現(xiàn)時近地層有弱輻合（輻合線）、弱上升運動。

近幾年， 京津冀地區(qū)由于地理位置和嚴(yán)重的污染問題， 太行山山谷風(fēng)環(huán)流的特征成為了關(guān)注的重點。 如，曾佩生等[10]使用10 a 的WRF 模式資料研究了京津冀平原地區(qū)局地大氣環(huán)流日變化的氣候特征， 得出京津冀地區(qū)低空風(fēng)場變化是天氣系統(tǒng)與局地環(huán)流共同作用的結(jié)果， 山谷風(fēng)環(huán)流致使太行山沿線平原地區(qū)大氣邊界層內(nèi)常年主導(dǎo)風(fēng)向為偏北和偏南，且存在明顯的日變化特征，夜間至早晨谷風(fēng)轉(zhuǎn)山風(fēng)（偏北風(fēng)），午后至夜間山風(fēng)轉(zhuǎn)谷風(fēng)（偏南風(fēng)）。隨著探測設(shè)備的增加，探測手段的加強，探測資料種類繁多，觀測資料的時空分辨率不斷提高，京津冀有6 要素自動站站317 套（時間頻率逐5 min），本文應(yīng)用探測資料分析太行山與華北平原間的山谷風(fēng)環(huán)流的日變化特征。 在日常業(yè)務(wù)中發(fā)現(xiàn)位于太行山東麓的華北平原由于山谷風(fēng)的原因地面常常出現(xiàn)輻合線，這種輻合線具有明顯的日變化， 夜間到早晨常常穩(wěn)定在山前平原且與山體幾乎平行， 一線業(yè)務(wù)預(yù)報人員稱之為定常輻合線。 這種定常的地面輻合線與霧區(qū)的空間分布是否有關(guān)？ 由于霧霾天氣監(jiān)測站點布局需要考慮氣候及地形等因素， 重點分析華北平原（京津冀平原地區(qū)）霧分布及成因，為科學(xué)布局霧天氣監(jiān)測網(wǎng)提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

華北平原屬于溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候。位置獨特，西倚太行山，南接黃淮平原，東部有渤海灣，北部為燕山和壩上高原。 燕山自西向東、太行山自北向南構(gòu)成半環(huán)狀“弧形山脈” 環(huán)抱著華北平原，形成西北高、東南低逐級下降的地勢（圖1）。 壩上高原系內(nèi)蒙古高原的一部分，地勢南高北低，平均海拔1200～1500 m；北部燕山和西部太行山由中山、低山、盆地、丘陵組成，海拔多在2000 m 以下。

1.2 資料

本文所用資料來源于河北省氣象信息中心，有2 類資料：（1）2000—2011 年京津冀地區(qū)的186 套地面氣象站每天8 次的常規(guī)觀測資料。（2）2009—2012年京津冀317 套自動站的逐小時觀測資料（6 要素氣象站）。

圖1 京津冀地形圖

本文使用的霧日的相關(guān)定義如下： 使用地面8次常規(guī)天氣現(xiàn)象的觀測資料，1 d 內(nèi)（08 時—次日08 時，北京時，下同）某站至少有一次霧觀測記錄計為本站一次霧日，每站分別進(jìn)行統(tǒng)計，得出12 a 中10 月—翌年2 月的各站年平均霧日。

2 京津冀地區(qū)霧的氣候特征

由于霧主要出現(xiàn)在秋冬季， 通過對2000—2011 年10 月—翌年2 月京津冀霧日進(jìn)行統(tǒng)計和篩選，得出10 月—翌年2 月的各站年平均霧日（圖2，陰影為地形高度）。霧日呈現(xiàn)出南多北少，平原多山區(qū)少的特點， 霧日大值區(qū)主要出現(xiàn)在華北平原。北部的張家口、承德年均霧日不足4 d，平原地區(qū)年均霧日10 d 以上。 分析發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)頻率較高的區(qū)域呈帶狀分布，分布在北京西南部、保定、石家莊、邢臺及邯鄲，且與太行山近乎平行（近南北向），距太行山約40～100 km，其中寧晉站（石家莊市）的年平均霧日達(dá)40.1 d（約4 d 就有一霧日）。 燕山南部的唐山市為弱中心?？梢猿醪酵茢嗳A北地區(qū)霧多發(fā)區(qū)與地形有一定的關(guān)系，即特殊地形所造成的動力或熱力強迫會對大霧天氣的發(fā)生及其氣候特征分布產(chǎn)生重要影響。

本文重點討論太行山地形與華北平原霧區(qū)的關(guān)系。

3 太行山附近定常輻合線的分布特征

圖2 2000—2011 年10 月至翌年2 月霧年平均日數(shù)

山谷風(fēng)（mountain valley breeze）是由于山坡與谷地及其附近空氣之間的熱力差異而引起的； 白天風(fēng)從山谷吹向山坡， 這種風(fēng)稱為“谷風(fēng)（valley breeze）”； 到夜晚， 風(fēng)從山坡吹向山谷稱“山風(fēng)（mountain breeze）”。 山風(fēng)和谷風(fēng)總稱為山谷風(fēng)。 華北平原西倚太行、北鄰燕山，曾佩生等[10]使用10 a 的WRF 模式資料分析得出京津冀平原地區(qū)局地大氣環(huán)流日變化的氣候特征，山谷風(fēng)環(huán)流致使太行山沿線平原地區(qū)大氣邊界層內(nèi)常年主導(dǎo)風(fēng)向為偏北和偏南，且存在明顯的日變化特征，夜間至早晨谷風(fēng)轉(zhuǎn)山風(fēng)（偏北風(fēng)）， 午后至夜間山風(fēng)轉(zhuǎn)谷風(fēng)（偏南風(fēng)）。 但此結(jié)論是基于WRF 模式資料得出的，模式地形有別于實際地形。 王麗萊等[11]使用逐時風(fēng)場分析華北中南部的輻合線的演變規(guī)律，但統(tǒng)計資料中包括強天氣系統(tǒng)帶來的系統(tǒng)性大風(fēng)及雷暴大風(fēng)，故統(tǒng)計結(jié)論不完全是太行山地形效應(yīng)產(chǎn)生的， 但業(yè)務(wù)中發(fā)現(xiàn)太行山東麓地面常常存在一定常輻合線，推斷太行山附近的定常輻合線就是由于山谷風(fēng)的存在而形成的。

利用2009—2012 年10 月—翌年2 月京津冀317 套區(qū)域自動站的逐小時觀測資料， 對河北省同時期地面風(fēng)場的日變化規(guī)律進(jìn)行分析。 張人文等[12]根據(jù)廣州從化天湖地區(qū)基于小球觀測資料， 利用矢量法將局地風(fēng)與系統(tǒng)風(fēng)分離， 發(fā)現(xiàn)山谷風(fēng)日一般無明顯天氣過程，系統(tǒng)風(fēng)速＜1.5 m/s，強冷空氣過境時，系統(tǒng)風(fēng)大，不會出現(xiàn)山谷風(fēng)。為篩選出每個站點滿足以上兩條件的資料集（不受明顯天氣系統(tǒng)影響的資料），制定了以下篩選條件：（1）無降水、總云量＜6成（滿足山地、平原因輻射不同存在溫度的變化）；（2）2 min 平均風(fēng)速＜6 m/s（無明顯的天氣系統(tǒng)影響）。分別將該數(shù)據(jù)集中每個站每個時次的風(fēng)向風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計算，得到各站24 個時次的平均風(fēng)向風(fēng)速。 由文獻(xiàn)[10-12]可知，山谷風(fēng)風(fēng)速較小，為突出輻合線的位置，將風(fēng)速放大5 倍。

17 時開始山區(qū)站轉(zhuǎn)山風(fēng)（偏北風(fēng)），偏北風(fēng)與偏南風(fēng)的地面輻合線形成， 然后此輻合線隨時間向東移動，22 時—次日06 時基本在距山體60～90 km 的位置左右擺動。 07—09 時繼續(xù)向東移動，但輻合線的強度減弱，直到11 時輻合線消失。12 時開始在石家莊及以南的太行山東麓常出現(xiàn)偏南風(fēng)與東到東北的輻合線， 一般出現(xiàn)在12—16 時， 穩(wěn)定少動（圖3b）。由于太行山地形存在而產(chǎn)生的輻合線在白天和夜間的位置是準(zhǔn)定常的。

華北平原多霧時段高空常常以平直緯向環(huán)流為主，地面氣壓場較弱，有逆溫存在且維持時間較長。秋冬季連續(xù)性大霧過程一般不是單一類型的霧，一般是幾種類型的霧交替出現(xiàn)，如輻射霧、平流霧、鋒面霧、平流輻射霧，李江波等[13]認(rèn)為華北平原地區(qū)以平流輻射霧居多。 華北平原霧一般出現(xiàn)在后半夜至清晨， 據(jù)首都機(jī)場1976—2008 年的逐時統(tǒng)計得出02—09 時是出現(xiàn)大霧頻次最高的時段，上午至中午

前后消散。 在晴朗、微風(fēng)、近地面水汽比較充沛的夜間或早晨，天空無云阻擋，地面熱量迅速向外輻射，近地面層的空氣溫度迅速下降， 如果空氣中水汽較多，就會很快達(dá)到過飽和而凝結(jié)成霧?？諝饨^熱上升降溫，與輻射降溫共同作用有利于逆溫層的形成，同時地面常有輻合線存在，伴有弱上升運動，這種較弱的上升運動加劇了垂直混合， 可以使近地層的水汽向上輸送，使?jié)駥舆_(dá)到一定的厚度，使水汽在逆溫層高度內(nèi)充分混合，有利于大霧向上發(fā)展[7]。 圖3 與圖2 對比看，河北平原地面輻合線的位置（圖3a 雙實線） 與2000—2011 年10 月—翌年2 月河北平原地區(qū)霧日大值區(qū)的分布基本一致。 這說明霧的形成與太行山附近的定常地面輻合線有一定的關(guān)系，即：在有利于霧生成的其他條件（降溫、增濕、逆溫層等條件）滿足的情況下，地面輻合線的存在增加了霧形成的可能。 在實際業(yè)務(wù)預(yù)報霧天氣時要考慮地形的影響（準(zhǔn)定常輻合線的位置）。

圖3 地面風(fēng)場及地面輻合線

4 2013 年1 月21—22 日華北平原大霧與地面輻合線的關(guān)系

2013 年1 月華北平原地區(qū)出現(xiàn)了長時間的霧霾天氣， 因霧霾天氣石家莊機(jī)場共有119 個航班取消，12 個航班延誤。 河北省有22 條高速公路關(guān)閉，黃驊港和曹妃甸港采取海上交通管制措施。 華北平原持續(xù)時間如此長的霧霾天氣屬少見， 這也引起了社會和公眾的極大關(guān)注。 從京津冀地區(qū)出現(xiàn)霧的站次數(shù)來看（圖4），出現(xiàn)能見度＜1 km 的霧、站次數(shù)超過20 站次的日數(shù)為17 d， 其中3 d 超過100 站次。 22 日霧的范圍最大為152 站次，出現(xiàn)＜0.05 km的強濃霧19 站次，21 日夜間至22 日大范圍濃霧天氣屬于輻射霧。 21 日早晨出現(xiàn)了14 站的能見度＜1 km 的霧，由于白天積雪融化，近地層增濕明顯，華北平原大部分地區(qū)14 時相對濕度在70%以上。21 日前半夜開始到22 日華北平原出現(xiàn)大范圍的霧天氣（圖5），僅河北出現(xiàn)能見度＜500 m 的濃霧為84站次（其中強濃霧19 站次）。

2013 年1 月21—23 日，500 hPa 高空圖上，華北上空為平直緯向環(huán)流（19—20 日受短波槽影響，華北平原地區(qū)普降中雪，西部地區(qū)降大雪）。地面位于高壓前部，氣壓場較弱，屬于無明顯槽脊活動的時段；天空云量少，白天有太陽輻射，夜間有長波輻射，山地、平原因輻射不同存在溫度的變化（山地白天溫度高，夜間溫度低），符合山谷風(fēng)環(huán)流存在的2個條件。

圖4 2013 年1 月京津冀地區(qū)逐日霧、濃霧、強濃霧的站次數(shù)

圖5 1 月22 日01 時地面風(fēng)場與22 日最小能見度（單位：m）

分析1 月22 日夜間地面風(fēng)場與22 日最小能見度可知，20 時山區(qū)與平原交界處有一條輻合線（與圖3 的統(tǒng)計結(jié)果相比，該日南段的輻合線不明顯）并緩慢東移，在距山60～80 km 處穩(wěn)定少動。 22 日01時輻合線位于保定東部到石家莊東部地區(qū)（圖5），從地面濕度分布來看，20 時開始河北中南部地區(qū)相對濕度在90%以上（平原部分站100%），說明中南部地區(qū)的地面濕度條件幾乎相當(dāng)。對應(yīng)圖5 中21 日夜間至22 日的最小能見度觀測值（讀取各站危險報中能見度最小的一次），輻合線附近能見度多在200 m以下，有11 站＜50 m，說明輻合線附近霧的濃度比其它地區(qū)更強。

5 結(jié)論與討論

通過對華北平原地區(qū)地面風(fēng)日變化的演變規(guī)律、霧日的空間分布特征的分析，得出以下結(jié)論：

（1）10 月—翌年2 月華北平原年平均霧日多發(fā)區(qū)對應(yīng)地面定常輻合線的位置， 此結(jié)論為華北地區(qū)霧的業(yè)務(wù)預(yù)報提供了氣候背景， 有一定的實際應(yīng)用價值。

（2）以2013 年1 月21—22 日華北平原霧天氣過程為例，輻合線附近的能見度相對較低，即輻合線附近霧的濃度強。 這說明無論氣候統(tǒng)計規(guī)律還是本次大霧個例，霧區(qū)與輻合線息息相關(guān)。此方法可應(yīng)用到受地形影響地區(qū)的大霧預(yù)報， 如新疆冬季準(zhǔn)噶爾盆地大霧天氣預(yù)報等，因此有一定的推廣應(yīng)用價值。

本文統(tǒng)計得出太行山東部的華北平原在10月—翌年2 月期間， 地面定常輻合線附近是霧多發(fā)區(qū)、且濃度較強的結(jié)論。此成果在河北省的業(yè)務(wù)預(yù)報中應(yīng)用，為霧的精細(xì)化預(yù)報提供了技術(shù)支撐。但偶爾有這種情況發(fā)生，即：在天空晴朗少云、地面濕度較大的情況下， 地面輻合線附近并沒有出現(xiàn)能見度＜1 km 的霧。究其原因，可能與大氣顆粒物質(zhì)量濃度及化學(xué)組成有關(guān)， 而氣象原因應(yīng)與定常輻合線的垂直結(jié)構(gòu)及其在大霧天氣中的作用有關(guān)， 目前華北平原太行山沿山地區(qū)只有邢臺探空站， 垂直探測的時空分辨率不足。 為加強輻合線在霧天氣的成因認(rèn)識，提高霧天氣的預(yù)報能力，在科學(xué)規(guī)劃監(jiān)測網(wǎng)，尤其是制定垂直探測網(wǎng)布局規(guī)劃時應(yīng)充分考慮準(zhǔn)定常輻合線的位置。

致謝：北京大學(xué)物理學(xué)院大氣科學(xué)系的陶祖鈺教授在制定地形輻合線標(biāo)準(zhǔn)時的悉心指導(dǎo)。