山東區(qū)域性輻射霧時空分布及地面氣象要素特征分析

郭俊建， 韓永清，趙勇

(1. 山東省氣象臺，山東 濟南 250031；2. 棗莊市氣象局，山東 棗莊 277100)

引言

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，大霧天氣嚴重影響人類的正常生活生產(chǎn)活動，低能見度天氣經(jīng)常造成高速公路封閉、航班取消，經(jīng)濟損失巨大。大霧對空氣質(zhì)量存在不利影響，給人民生活和身體健康帶來損害。山東主要以輻射霧和平流霧為主，是出現(xiàn)霧比較多的地區(qū)之一。輻射霧主要是由于下墊面夜間輻射冷卻，使空氣中水汽凝結(jié)而形成[1]。在預報業(yè)務(wù)中，由于輻射霧發(fā)生時環(huán)境氣象要素因子的復雜性，輻射霧的預報一直是個難點問題，對夜間到凌晨出現(xiàn)的輻射霧往往容易漏報，當凌晨輻射霧發(fā)生后再發(fā)布大霧預警信號而使預警效果大大降低。

近年來，國內(nèi)外已有不少學者利用多種觀測資料對各地霧的環(huán)流特征、持續(xù)性大霧的維持機制等進行了研究[2-8]，指出靜穩(wěn)天氣形勢、“上干下濕”、短波槽等機制在大霧生成和維持中的關(guān)鍵作用。還有許多學者對大霧的時空分布和要素特征進行了詳細的分析[9-14]。劉暢等[15]對山東地區(qū)霧的季節(jié)特征和空間分布特征進行了統(tǒng)計分析。呂博等[16]、孫穎等[17]對山東典型的持續(xù)性大霧進行了分析，指出大霧的復雜演變過程，水汽輸送、弱冷空氣等在大霧生消階段的關(guān)鍵作用。對于山東霧的研究總體較少，且研究主要基于人工觀測的能見度資料進行統(tǒng)計分析，大多數(shù)臺站僅有08、14、20時觀測數(shù)據(jù)，難以準確描述持續(xù)時間較短的輻射霧。2013年以后，山東各地陸續(xù)實現(xiàn)了能見度的自動觀測，能見度觀測時間精度大大提高。因此，利用近幾年高時間精度的能見度觀測資料開展相關(guān)研究，對提高山東輻射霧的預報預警服務(wù)能力很有必要。

1 資料說明

本文使用的資料為2016—2019年山東122個國家級氣象觀測站能見度、降水量、溫度、風場逐時觀測資料。山東能見度自動觀測設(shè)備的建設(shè)始于2013年，此后通過陸續(xù)建設(shè)，2016年4月底，全省123個國家級氣象觀測站全部建設(shè)完成。因此，從觀測站點范圍和資料都比較完整的角度考慮，采用2016—2019年的資料進行分析。為消除強降雨可能造成的低能見度天氣，剔除了小時降水量R>5 mm且能見度V<1 000 m的站點和時次，剔除海拔較高的泰山站，全省共有122個國家級氣象觀測站參與統(tǒng)計。

個例選取標準參照《山東災(zāi)害天氣預報技術(shù)手冊》[18]中關(guān)于霧的分類規(guī)定，每日出現(xiàn)霧站數(shù)小于總站數(shù)的10%為局地性霧，超過10%而小于等于1/4站數(shù)出現(xiàn)的霧為小范圍霧，超過1/4站數(shù)出現(xiàn)的霧為大范圍霧。區(qū)域性輻射霧(以下簡稱“輻射霧”)定義為：結(jié)合天氣形勢分析判定為輻射霧過程，且過程中不少于20站(約占山東總站數(shù)的16.3%)的能見度低于1 000 m。2016—2019年山東分別出現(xiàn)了16、6、19、20次區(qū)域性輻射霧過程，合計61次。其中，連續(xù)幾天出現(xiàn)的持續(xù)性輻射霧過程中包含有短時間平流霧，一并進行統(tǒng)計。根據(jù)GB/T 27964-2011《霧的預報等級》[19]規(guī)定，霧分為五個等級：輕霧(1 000 m≤V<10 000 m)、大霧(500 m≤V<1 000 m)、濃霧(200 m≤V<500 m)、強濃霧(50 m≤V<200 m)和特強濃霧(V<50 m)。按照該等級劃分標準，本文主要分析能見度在1 000 m以下的山東輻射霧特征。

基于以上資料處理規(guī)則，2016—2019年全省61次輻射霧過程各站累計有大霧24 093時次，濃霧9 877時次，強濃霧12 840時次，特強濃霧2 530時次。

2 山東輻射霧時空分布特征

2.1 時間變化

圖1給出了山東區(qū)域性輻射霧過程次數(shù)和時次數(shù)的月分布。由圖1a可以看出，2016—2019年，3月、6月、7月山東均未出現(xiàn)區(qū)域性輻射霧過程，其他各月均有發(fā)生，但多發(fā)生在秋、冬季，輻射霧過程從10月開始顯著增多，11月最多，10月—次年1月的過程占全年的87%。進一步普查了2010年以來的區(qū)域性輻射霧過程，結(jié)果也表明在春、夏季幾乎無區(qū)域性輻射霧過程。由大霧的時次(圖1b)來看，1月和12月霧的時次數(shù)最多，占比分別為32%和33%，合計占全年總數(shù)的65%，表明1月、12月更容易出現(xiàn)大范圍和持續(xù)性的輻射霧過程；濃霧、強濃霧和特強濃霧的時次數(shù)也表現(xiàn)出上述特征。輻射霧天氣具有顯著的季節(jié)特征，主要集中在秋、冬季的原因是期間山東靜穩(wěn)天氣多，多短波槽活動，輻射降溫明顯。

圖1 2016—2019年山東區(qū)域性輻射霧過程頻次和占比(a)及分等級霧的占比(b)月分布Fig.1 Monthly variation of frequency and percentage of regional radiation fog processes in Shandong from 2016 to 2019 (a) and monthly percentage of all levels of radiation fog processes (b)

由日變化(圖2)來看，山東輻射霧存在顯著的夜間和上午多、下午少的日變化特征。傍晚前后隨著輻射降溫，大霧時次逐步增加，02—08時為霧時次集中的時段，早晨07時前后大霧時次達到峰值，此后時次逐漸減小。濃霧和強濃霧表現(xiàn)出和大霧相似的日變化特征，下午幾乎無超強濃霧存在。霧的日變化與太陽輻射密切相關(guān)，與氣溫的日變化較為一致，日落后氣溫開始下降，到日出前溫度降到一天中最低，日出前相對較低的氣溫使得地面空氣很容易達到飽和，從而形成輻射霧。日出以后溫度逐漸升高，霧開始慢慢消散直至中午前后大部分霧消散。進一步分析發(fā)現(xiàn)，下午大霧仍沒有消散的主要原因為：一是因為能見度越低消散的時間越晚；另一方面主要是短波槽經(jīng)過前，西南向的暖濕氣流輸送到冷的下墊面，性質(zhì)轉(zhuǎn)為平流霧，導致整個白天都存在能見度低于1 000 m的大霧，個別時次能見度甚至不足200 m。

圖2 2016—2019年山東區(qū)域性輻射霧時次日變化特征Fig.2 Diurnal variation of cumulative number of regional radiation fog processes in Shandong from 2016 to 2019

2.2 空間分布

山東地處華北平原的南部，地形復雜，西北部為平坦的黃河沖積平原，中部為隆起的山地，東部和南部為和緩起伏的丘陵區(qū)，山東半島向東伸向大海，半島地區(qū)三面環(huán)海，特殊的地形對輻射霧空間分布有很大影響。

由2016年以來山東發(fā)生的區(qū)域性輻射霧過程各國家級氣象觀測站各等級霧出現(xiàn)頻次(圖3)看，各等級大霧的空間分布特征基本相同，空間分布極不均勻，總體呈現(xiàn)“西多東少”的格局，最高值出現(xiàn)在魯西北和魯西南地區(qū)，最低值出現(xiàn)在魯中山區(qū)和半島沿海，具有非常明顯的地域性特點。聊城、德州、濱州西北部、菏澤、濟寧和泰安西部地區(qū)是山東各級輻射霧出現(xiàn)最頻繁的區(qū)域，單站出現(xiàn)大霧時次在300次以上，尤其是特強濃霧，一般只出現(xiàn)在這些地區(qū)；淄博北部、濰坊北部、臨沂南部和半島內(nèi)陸地區(qū)也是山東大霧天氣易發(fā)區(qū)，單站出現(xiàn)大霧時次多在200次以上；濟南南部、淄博南部、泰安東部、棗莊等地的山區(qū)及山東半島的沿海地區(qū)為各等級輻射霧的低值區(qū)，明顯少于周邊地區(qū)。

圖3 2016—2019年山東區(qū)域輻射霧時次空間分布(a.大霧，b.濃霧，c.強濃霧，d.特強濃霧；填色，單位：時次；黑點位置為濟南)Fig.3 Spatial patterns of cumulative number of regional radiation fog processes in Shandong from 2016 to 2019 (a. normal fog, 500 m≤V<1 000 m; b. moderate fog, 200 m≤V<500 m; c. thick fog, 50 m≤V<200 m; d. dense heavy fog, V<50 m; shaded, units: times; black point for location of Jinan)

3 山東輻射霧氣象要素特征分析

以下主要通過與輻射霧密切相關(guān)的3個氣象條件對山東61次區(qū)域性輻射霧進行分析，以獲取山東區(qū)域性輻射霧的地面氣象要素特征。

3.1 水汽特征

近地面層充沛的水汽是形成大霧的必要條件，濕度越大，越有利于大霧的形成。由圖4a可以看出，當出現(xiàn)大霧時，溫度露點差(t-td)小于0.5 ℃的比例為35%，0.5～1 ℃之間的比例達38%，t-td≤1 ℃的比例達到73%；大霧在2 ℃以上的溫度露點差占比為6%。濃霧、強濃霧和特強濃霧的溫度露點差類似，尤其強濃霧和特強濃霧基本相同，表現(xiàn)為0.5 ℃以下的比例最大，分別為64%、83%、83%，其次是0.5～1 ℃，占比分別為32%、17%、17%，t-td≤1 ℃的比例分別達到96%、99%、99%，三者的占比均高于大霧。由此可見，霧的強度越大，溫度露點差越小。

圖4b顯示，輻射霧發(fā)生時相對濕度和溫度露點差的變化規(guī)律基本一致。各等級霧的相對濕度(HR)在97%以上的占比均最高，大霧、濃霧、強濃霧和特強濃霧分別為大于等于34%、62%、79%和76%，相對濕度在95%～97%之間的占比分別為24%、26%、18%和20%；相對濕度HR≥95%的占比各達到了58%、88%、97%和96%。相對濕度在90%以下的占比，只有大霧達到了12%，濃霧、強濃霧和特強濃度的占比均不足1%。

圖4 2016—2019年山東區(qū)域不同等級輻射霧的溫度露點差分布(a)和相對濕度分布(b)Fig.4 Distribution of depression of the dew point (a) and relative humidity (b) of different levels of radiation fog processes in Shandong from 2016 to 2019

由此可見，隨著輻射霧強度的增強，對溫度露點差和地面相對濕度的要求越來越高。出現(xiàn)大霧時的溫度露點差主要在2 ℃以下，相對濕度大于90%；出現(xiàn)濃霧、強濃霧和特強濃霧時的溫度露點差小于1 ℃，相對濕度大于95%。

3.2 溫度特征

夜間輻射霧發(fā)生時，往往晴空少云，地面有效輻射強、散熱迅速，近地面氣溫逐漸下降，有利于水汽凝結(jié)成霧。為了定量刻畫夜間降溫情況，計算了不同能見度等級條件下20時氣溫與次日最低氣溫的差(圖5)。結(jié)果顯示，降溫幅度在2～6 ℃時最有利于大霧、濃霧、強濃霧和特強濃霧發(fā)生，占比70%左右；其次是降溫幅度在2 ℃以下，占比在18%～22%之間；降溫幅度6～8 ℃占比最小，在13%左右。各等級霧的最有利降溫幅度略有差異，大霧、濃霧、強濃霧占比排在前3位的氣溫差在2～5 ℃之間，特強濃霧在3～6 ℃之間，表明霧的強度越強降溫幅度越大。

圖5 2016—2019年山東區(qū)域不同等級輻射霧20時氣溫與次日最低氣溫溫度差Fig.5 Difference between the air temperature at 20:00 and the minimum air temperature of the following day for different levels of radiation fog processes in Shandong from 2016 to 2019

露點溫度從下午到夜間的變化對于霧的形成影響較大，故實際預報業(yè)務(wù)中，預報員常將14時的露點溫度作為次日大霧預報的參考指標之一。統(tǒng)計分析14時露點溫度與次日最低能見度時露點溫度的溫差(圖6)，發(fā)現(xiàn)大霧和濃霧發(fā)生比例最高的露點溫度溫差均為1～2 ℃，占比為18%～19%，0～1 ℃溫差次之，占比16%～18%，0～4 ℃溫差累加比例為59%～61%；強濃霧發(fā)生比例最高的溫差也是1～2 ℃，占比為18%，占比排在第2、3位的分別是2～3 ℃、3～4 ℃，各為17%和16%，0～4 ℃溫差間隔1 ℃占比超過10%，累加比例為63%；與前3個等級霧不同的是，特強濃霧發(fā)生比例最高的露點溫度溫差為2～3 ℃，占比達21%，其次是3～4 ℃，占比為19%，0～5 ℃溫差累加占比為77%。除此以外，各等級霧的露點溫度溫差在5 ℃以上的占比在5%～9%之間，占比較?。恍∮? ℃的累加占比中，大霧、濃霧、強濃霧和特強濃霧分別為31%、27%、19%和13%，其中大霧和濃霧在-1～0 ℃之間的占比分別達到了12%和11%，說明大霧和濃霧在露點溫度升高1～2 ℃的情況下也可以出現(xiàn)。

圖6 2016—2019年山東區(qū)域不同等級輻射霧14時地面露點溫度與次日最低能見度時刻露點溫度的溫差Fig.6 Difference between the dew point at 14:00 and that of the instant the minimum visibility of the following day occurs for different levels of radiation fog processes in Shandong from 2016 to 2019

以上分析表明，輻射霧形成前氣溫和露點溫度均存在不同程度的下降，霧的強度越強降溫幅度越大。20時氣溫與次日最低氣溫溫差在2～6 ℃時、14時地面露點與最低能見度時刻地面露點的溫差在1～5 ℃最有利于輻射霧的發(fā)生。

3.3 風場特征

3.3.1 風向

圖7a給出不同等級輻射霧的8方位風向玫瑰圖。分等級來看，各等級的最大風向頻率均為北風，頻率在17%以上，其他方位風頻率略有差異。其中，大霧和濃霧的風向頻率規(guī)律基本類似，風頻排在前3位的依次為北風、西北風和東北風，3個風向的總頻率在46%～47%之間，接近所有風向的半數(shù)，頻率最小的是西南風，占9%；強濃霧和特強濃霧的風向頻率較為接近，最大風向頻率均為北風17%，除了特強濃霧的次風向頻率為東南風16%以外，其他的風向頻率均在10%～13%之間。總體來說，輻射霧發(fā)生時，各風向均可出現(xiàn)，以北風的風向頻率最大，略占優(yōu)勢，西南風頻率最小，其他6個方位風向頻率在10%～13%之間，差異不大。以上輻射霧的風向分布規(guī)律與天氣形勢有關(guān)，山東出現(xiàn)大霧天氣多維持靜穩(wěn)形勢，地面處在高壓前部或底部，為弱氣壓場，各地風向以本地地形風為主，無突出風向。

圖7 2016—2019年山東區(qū)域不同等級輻射霧風場特征(a.風向，數(shù)字表示占比，單位：%；b.風速)Fig.7 Characteristics of wind direction (a, the number for percentage, units: %) and speed (b) of different levels of radiation fog processes in Shandong from 2016 to 2019

3.3.2 風速

風速(v)的統(tǒng)計結(jié)果(圖7b)顯示，各等級霧的風速特征基本類似。地面風速在1～2 m·s-1的占比最高，在42%～58%之間，霧濃度越大，該占比越高；其次是v≤1 m·s-1的風速，占比在22%～26%之間；各等級霧風速為2～3 m·s-1的占比在14%～22%之間，累計3 m·s-1以下的風速比例在88%～98%之間；風速在5 m·s-1以上的占比不超過1%。通過對各等級霧的風速大小進行比較，可以發(fā)現(xiàn)基本上霧的等級越高，風速越小。大霧和濃霧的風速基本相同，有96%的時次出現(xiàn)在4 m·s-1以下；出現(xiàn)特強濃霧時，98%的時次風速v≤3 m·s-1，當風速大于6 m·s-1時不再出現(xiàn)特強濃度。

綜上，山東輻射霧發(fā)生時，地面各種風向均可出現(xiàn)，北風略占優(yōu)勢，西南風出現(xiàn)概率最?。伙L速一般小于3 m·s-1，1～2 m·s-1最有利，能見度越低風速越小。

4 結(jié)論

本文利用逐時自動氣象站觀測資料，對山東2016—2019年61次區(qū)域性輻射霧天氣過程的霧時空分布及氣象要素特征進行了統(tǒng)計分析，總結(jié)出山東區(qū)域性輻射霧的主要特征和預報著眼點：

1)山東區(qū)域性輻射霧具有顯著的季節(jié)和日變化特征。輻射霧主要出現(xiàn)在秋冬季，12月—次年1月是山東區(qū)域輻射霧最頻發(fā)時段； 02—08時為霧最集中的時段，07時前后達到峰值，下午一般無強濃霧出現(xiàn)。

2)空間分布上，山東區(qū)域性輻射霧呈現(xiàn)“西多東少”的格局，主要出現(xiàn)在魯西北和魯西南地區(qū)，山區(qū)和半島沿海地區(qū)較少，強濃霧和特強濃霧主要分布在德州、聊城及菏澤等地。

3)區(qū)域性輻射霧發(fā)生時，地面氣象要素場表現(xiàn)為以下特征：地面無突出風向，北風略占優(yōu)勢，風速多在3 m·s-1以下；各等級霧形成前氣溫和露點溫度均存在不同程度的下降，20時氣溫與次日最低氣溫溫差在2～6 ℃時，14時地面露點與最低能見度時刻地面露點的溫差在1～5 ℃最有利于輻射霧的發(fā)生；隨著輻射霧強度的增強，對溫度露點差和地面相對濕度的要求越來越高，出現(xiàn)大霧時的溫度露點差主要在2 ℃以下，相對濕度大于90%；出現(xiàn)濃霧、強濃霧和特強濃霧時的溫度露點差小于1 ℃，相對濕度大于95%。

值得注意的是，在冬季持續(xù)靜穩(wěn)形勢下，山東有的輻射霧天氣過程會伴隨平流霧出現(xiàn)，導致霧的范圍和強度增大、持續(xù)時間長。這種霧同樣具有明顯的日變化特征，可持續(xù)幾天，但每天霧的落區(qū)、強度和起止時間會有不同，給霧的精細化預報和預警信號發(fā)布帶來難度。