衢州市霧天氣的成因分析和預(yù)報(bào)研究

毛程燕，潘 欣，龔理卿，李浩文

(1.浙江省衢州市氣象局，浙江 衢州 324000；2.廣東省廣州市氣象臺(tái)，廣東 廣州 511430)

0 引言

霧引起的低能見度天氣對(duì)道路交通影響很大，尤其是濃霧、強(qiáng)濃霧的持續(xù)，對(duì)航空、航海、交通運(yùn)輸都帶來重大影響，給人們的出行和人身安全帶來諸多不利。近年來，越來越多的專家致力于研究霧出現(xiàn)的成因和預(yù)報(bào)方法[1,2]。霧一年四季均可發(fā)生，但較多出現(xiàn)在冬春季，有顯著的空間差異、月際演變和日變化[3,4]。研究認(rèn)為，出現(xiàn)霧時(shí)500 hPa一般以緯向環(huán)流為主，有時(shí)有弱脊或弱槽，沒有顯著的系統(tǒng)影響[5]；一般850 hPa以下偏東風(fēng)和偏南風(fēng)為主[6]，而地面圖上以均壓場(chǎng)為主；地面氣壓梯度小，邊界層較穩(wěn)定、有逆溫或等溫[7]、風(fēng)速較小[8]、水汽飽和程度較高[9]。目前，很多氣象工作者對(duì)霧發(fā)生形勢(shì)特征、形成機(jī)制和預(yù)報(bào)方法等都開展了相當(dāng)多的研究[10]，提出了相應(yīng)的預(yù)報(bào)方法和預(yù)報(bào)思路[11]。許愛華等[12]在分析江西省區(qū)域性平流霧天氣時(shí)利用氣象要素變化特征建立平流霧的天氣學(xué)概念模型，作為南方地區(qū)平流霧預(yù)報(bào)的參考指標(biāo)；王博妮等[13]在分析江蘇沿海高速公路低能見度成因和氣象條件時(shí)發(fā)現(xiàn)，霧出現(xiàn)時(shí)主要?dú)庀笠乩缦鄬?duì)濕度、風(fēng)速等都有一定的閾值；霧預(yù)報(bào)在業(yè)務(wù)上主要有天氣學(xué)方法、統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法和數(shù)值預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)釋用方法等[14-16]。天氣學(xué)方法主要是依靠前期天氣實(shí)況、霧出現(xiàn)時(shí)的主要背景形勢(shì)和物理?xiàng)l件建立天氣學(xué)概念模型[17]，一般是將霧出現(xiàn)的高空環(huán)流場(chǎng)或地面形勢(shì)場(chǎng)建立概念模型[18]。

然而，霧天氣的出現(xiàn)不僅需要穩(wěn)定的環(huán)流形勢(shì)，還與當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境有重要關(guān)系[19]。衢州市開化縣觀測(cè)站在2000年以前四面環(huán)山，一面有湖，所以常年風(fēng)力很小，水汽又充足，一年中有近1/3的日數(shù)會(huì)出現(xiàn)霧，2003年之后周邊部分山地挖平，霧日開始減少。衢州地區(qū)平均每年有30 d左右霧，多集中在冬春季。目前衢州沒有適合本地的霧預(yù)報(bào)工具，對(duì)于霧的天氣分析也缺乏清晰的預(yù)報(bào)思路、技術(shù)方法和系統(tǒng)的預(yù)報(bào)指標(biāo)。本文基于前人的研究，根據(jù)衢州市5個(gè)氣象站記錄的霧資料，以20—20時(shí)(北京時(shí)，下同)為一個(gè)霧日，研究衢州地區(qū)出現(xiàn)霧的典型環(huán)流特征，并對(duì)霧發(fā)生前和發(fā)生時(shí)出現(xiàn)的物理結(jié)果進(jìn)行深入分析，選取相應(yīng)的閾值和消空指標(biāo)，探究未來衢州的霧預(yù)報(bào)方法。

1 霧特征分析

1.1 霧空間分布特征

文中將水平能見度<1 km、相對(duì)濕度>90%的天氣現(xiàn)象定義為霧。霧的空間分布受地理環(huán)境的影響較大，一般來說山谷或背風(fēng)坡更易出現(xiàn)霧。衢州市地形分布呈南北山脈、中間平原地區(qū)，其中開化縣觀測(cè)站四面環(huán)山，常年風(fēng)速較小，復(fù)雜的地形導(dǎo)致了相同天氣形勢(shì)下空間分布有明顯差異。由圖1可見，衢州市1980年以來每年平均出現(xiàn)霧29.6 d，中部霧分布差異較小，北部霧日數(shù)較多，呈現(xiàn)北部多、中南部少的典型特征。出現(xiàn)霧最多的地區(qū)為開化縣，年平均霧日為65.1 d，其中20世紀(jì)80—90年代年平均霧日為86.6 d，2000年以后顯著減少，年平均霧日有39.8 d(圖略)；最少的是江山，年平均只有16.4 d，僅占全市霧總次數(shù)的11.1%。

圖1 1980—2017年衢州市年平均霧日的空間分布Fig.1 The distribution of annual mean fog days in Quzhou city of Zhejiang Province from 1980 to 2017

1.2 霧時(shí)間變化特征

衢州市一年四季均有霧出現(xiàn)。由1980—2017年霧總次數(shù)可知(圖2a)，衢州市霧日數(shù)有顯著的月際變化特征，11月—次年4月是出現(xiàn)霧的主要時(shí)段，占霧總?cè)諗?shù)的68.4%；而7—9月平均霧日則最少，僅占12.0%。開化站出現(xiàn)霧的頻次明顯高于其他各站，尤其是11月，累積頻次高達(dá)380次。衢州市霧出現(xiàn)最多的月份是12月，累計(jì)頻次有155.2次，最少的是8月，只有30.4次。除了2月份霧出現(xiàn)頻次最多的龍游站外，其他月份出現(xiàn)頻次最多的全是開化站；最少的是8月份的衢州站，只出現(xiàn)過8次霧。總體來看，衢州深秋到冬春季最易出現(xiàn)霧。

衢州市一日內(nèi)各時(shí)次均可出現(xiàn)霧天氣，但霧出現(xiàn)呈現(xiàn)明顯的日變化特征，后半夜到早晨易出現(xiàn)低能見度天氣。由圖2b可見，霧出現(xiàn)多發(fā)時(shí)段是23時(shí)—次日09時(shí)，占全體發(fā)生幾率的83.2%。由圖可見，霧出現(xiàn)高峰時(shí)段是06—07時(shí)，發(fā)生的頻率占22.5%。

圖2 1980—2017年衢州各縣霧頻次的月際變化(a) 和2010—2017年霧頻次日變化(b)特征Fig.2 Monthly distribution features (a) of fogs from 1980 to 2017and daliy variation (b) from 2010 to 2017

2 衢州市霧形成的天氣學(xué)分型

2.1 地面天氣形勢(shì)分型識(shí)別和對(duì)應(yīng)的探空特征

霧的發(fā)生與地面和高空天氣形勢(shì)密切相關(guān)，本文對(duì)2010—2017年冬半年(11月—次年4月)霧的人工和自動(dòng)觀測(cè)資料進(jìn)行分析，將衢州市3個(gè)站以上出現(xiàn)霧作為一個(gè)霧日，共統(tǒng)計(jì)出80次霧日過程。借鑒了李云泉等[18]對(duì)嘉興市霧日天氣形勢(shì)分型，本文將衢州冬半年的霧出現(xiàn)的地面天氣形勢(shì)大致劃分為4種天氣類型：大陸高壓型(36 d，36.7%)、冷鋒前暖區(qū)型(17 d，17.3%)、入海高壓后部型(14 d，14.3%)和低槽型(31 d，31.7%)。

為了更清晰地研究衢州市霧日環(huán)流特征，本文分別對(duì)4種形勢(shì)下選擇的典型個(gè)例進(jìn)行重點(diǎn)分析。一般霧出現(xiàn)在地面氣流較微弱的環(huán)流場(chǎng)或均壓場(chǎng)中，等值線稀疏、風(fēng)力較小。

2011年11月11—14日為冷鋒后出現(xiàn)的地面低氣壓梯度場(chǎng)，天氣形勢(shì)屬于典型的大陸高壓型。13日08時(shí)冷高壓中心位于貝加爾湖以東的蒙古一帶(圖3a)，中國(guó)大部分地區(qū)都處于大陸高壓控制下。8—10日浙江省有一次冷空氣影響，10日后期冷鋒基本已經(jīng)推進(jìn)到華南一帶，11日開始長(zhǎng)江中下游處于地面弱高壓控制之下，靜穩(wěn)條件下風(fēng)力很小，夜間天氣晴好輻射降溫明顯，衢州市連續(xù)3 d出現(xiàn)霧，14日又有一次較強(qiáng)冷空氣影響，霧消散。

2013年4月17—19日為影響衢州的另一次霧過程，天氣形勢(shì)屬于典型的冷鋒前暖區(qū)型。圖3b為18日08時(shí)地面環(huán)流形勢(shì)，此時(shí)冷高壓中心位于河套附近，冷鋒位于30～40°N，此時(shí)衢州市地面處于鞍型場(chǎng)中，氣壓梯度小，微弱的偏南氣流的暖區(qū)中，有利于衢州出現(xiàn)霧。

2015年3月2日的霧日，地面氣壓場(chǎng)是典型的入海高壓后部型。2日08時(shí)貝加爾湖以西有一個(gè)較強(qiáng)的冷中心(圖3c)，地面氣壓最大為1 045.0 hPa，冷鋒前沿位于45°N左右，西南地區(qū)有低壓環(huán)流，長(zhǎng)江下游處于弱的冷高壓后部的西南氣流中，次日有冷鋒影響，霧僅出現(xiàn)了1 d。

2015年3月15—18日衢州連續(xù)數(shù)日出現(xiàn)霧，經(jīng)分析，地面環(huán)流形勢(shì)屬于低槽型。17日08時(shí)冷高壓中心位于貝加爾湖以北(圖3d)，冷鋒位置在40°N以北，華西到長(zhǎng)江流域?yàn)榈蛪涵h(huán)流影響下，衢州處于低壓場(chǎng)中，弱的偏南風(fēng)，從南海帶來的高溫、高濕水汽，有利于霧出現(xiàn)。

根據(jù)以上選擇的4次霧過程，分別繪制了霧日前1 d的斜溫圖進(jìn)行分析。由于2011年11月11—14日衢州連續(xù)數(shù)日出現(xiàn)霧，因此選擇首個(gè)霧日的前1 d，即10日08時(shí)的探空進(jìn)行分析(圖4a)。本次過程地面環(huán)流為大陸高壓型，此時(shí)600 hPa以下溫度露點(diǎn)差較小，水汽幾乎達(dá)到飽和，800 hPa以下有逆溫層，近地層輕風(fēng)(風(fēng)速<3.3 m/s)。據(jù)實(shí)況，9日衢州出現(xiàn)明顯降水，10日開始對(duì)流層中低層相對(duì)濕度較高；霧出現(xiàn)時(shí)，對(duì)流層低層以弱下沉運(yùn)動(dòng)為主。在穩(wěn)定環(huán)流條件下，高濕、小風(fēng)并伴有下沉逆溫，11日開始出現(xiàn)大范圍的霧。冷鋒前暖區(qū)型霧發(fā)生前1 d(圖4b)，對(duì)流層整層溫度露點(diǎn)差都很小，有降水天氣現(xiàn)象；對(duì)流層低層風(fēng)速小，但近地層逆溫不明顯；18日冷鋒到達(dá)前，地面氣壓場(chǎng)微弱，穩(wěn)定形勢(shì)維持，連續(xù)數(shù)日出現(xiàn)霧。入海高壓后部型霧發(fā)生的前1 d(圖4c)，逆溫或等溫層最深厚(900～700 hPa)，近地層風(fēng)速微弱，但飽和水汽只在900 hPa以下，濕層較淺薄，這類霧一般維持時(shí)間不長(zhǎng)，太陽輻射升溫后往往能很快消散；在地面高壓環(huán)流控制下，有大范圍均壓場(chǎng)，出現(xiàn)霧的站次也相對(duì)更多。低槽型霧發(fā)生前(圖4d)，700 hPa以下水汽飽和程度高，逆溫只出現(xiàn)在900 hPa以下，近地層偏南風(fēng)，暖濕環(huán)境有利于起霧。大陸高壓型霧、入海高壓后部型霧發(fā)生前，大氣逆溫層均抬離地面，出現(xiàn)在900～700 hPa，低槽型逆溫層在近地層，且低壓中是弱的偏南風(fēng)，其他對(duì)流層低層均為弱北風(fēng)為主。

2.2 500 hPa天氣形勢(shì)

根據(jù)篩選的80個(gè)霧日進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，衢州市霧的出現(xiàn)高空往往形成3種典型環(huán)流特征：緯向氣流型(64 d，65.4%)、高壓脊型(17 d，17.3%)和低槽型(17 d，17.3%)。圖5為挑選的3次典型霧過程的500 hPa環(huán)流特征。2012年11月21日08時(shí)出現(xiàn)的霧天氣形勢(shì)(圖5a)，也是最常出現(xiàn)的高空環(huán)流特征，此時(shí)貝加爾湖附近有淺槽，中國(guó)大部分地區(qū)無明顯槽脊，長(zhǎng)江中下游以緯向環(huán)流為主，浙江省上空為平直的偏西風(fēng)，地面弱倒槽，長(zhǎng)江中下游氣壓梯度較小，對(duì)流層中低層靜穩(wěn)形勢(shì)，沒有明顯的系統(tǒng)影響。圖5b為2014年3月30日08時(shí)500 hPa高度場(chǎng)，此時(shí)高空為高壓脊形勢(shì)，貝加爾湖到蒙古一帶為弱脊控制，長(zhǎng)江中下游處東亞大槽槽后、高壓脊前的西北氣流中，以弱下沉運(yùn)動(dòng)為主，高空氣流輻合低層輻散，下沉增溫作用，對(duì)流層低層大氣溫度上升；而此時(shí)地面處于大陸高壓控制下，夜間晴朗少云輻射降溫顯著，近地層易出現(xiàn)淺薄的逆溫，這種情況下最易出現(xiàn)在冬季寒冷的晴天夜間，以輻射霧居多。圖5c為2016年3月29日08時(shí)低槽型天氣特征，此時(shí)貝加爾湖以東有橫槽，長(zhǎng)江中下游處于南支西風(fēng)槽的槽前西南引導(dǎo)氣流中，高空氣流輻散減壓升溫、氣流輻合上升，易出現(xiàn)較深厚的逆溫；此時(shí)衢州處于地面倒槽影響下，低緯輸送來的暖濕空氣由于深厚層阻擋積聚在近地層，夜間地面降溫至一定程度就可出現(xiàn)水汽凝結(jié)，一般為平流霧。

圖3 地面天氣形勢(shì)(實(shí)線為等壓線，單位：dagpm)(a)大陸高壓型(2011年11月13日08時(shí))、(b)冷鋒前暖區(qū)型(2013年4月18日08時(shí))、(c)入海高壓后部型(2015年3月2日08時(shí))、(d)低槽型(2015年3月17日08時(shí))Fig.3 Surface synoptic situation(Solid lines are isobars, unit: dagpm)(a) continental high pattern at 8∶00 on 13 November, 2011, (b) the warming zone in front of the Cold front pattern at 8∶00 on 18 April, 2013, (c) the back of the high over sea pattern at 8∶00 on 2 March, 2015, (d) trough pattern at 8∶00 on 17 March, 2015

圖4 衢州站T-lnP圖(a)2011年11月10日08時(shí)，(b)2013年4月17日08時(shí)，(c)2015年3月1日08時(shí)，(d)2015年3月16日08時(shí)Fig.4 T-lnP diagram at Quzhou station(a) At 8∶00 on 10 November, 2011, (b) at 8∶00 on 17 April, 2013, (c) at 8∶00 on 1 March, 2015, (d) at 8∶00 on 16 March, 2015

圖5 高空500 hPa天氣形勢(shì)(實(shí)線為等高線，單位：dagpm)Fig.5 Geopotential height at 500 hPa (Solid lines are potential height contours, unit: dagpm)

2.3 霧預(yù)報(bào)指標(biāo)

為了更好地對(duì)霧進(jìn)行預(yù)報(bào)，本文提取了霧出現(xiàn)的主要定量指標(biāo)。不同季節(jié)出現(xiàn)霧的條件有差異的，霧發(fā)生時(shí)各物理量的累積頻率分布也有明顯特征。如表1所示。

春季和冬季80%以上霧出現(xiàn)時(shí)，地面相對(duì)濕度分別為≥97%、≥95%，1 000 hPa相對(duì)濕度分別為≥93%、≥91%；而相對(duì)閾值0.2分位時(shí)，500 hPa相對(duì)濕度分別≤52%、≤62%。霧出現(xiàn)時(shí)邊界層往往會(huì)出現(xiàn)逆溫，根據(jù)霧出現(xiàn)時(shí)地面與1 000 hPa累積頻率可見，逆溫閾值設(shè)置0.5分位，春季和冬季地面與1 000 hPa溫差分別為≤-0.3 ℃、≤-0.8 ℃。霧出現(xiàn)時(shí)近地層風(fēng)速往往較小，春季和冬季80%以上霧出現(xiàn)時(shí)風(fēng)速≤2.2 m/s、≤2.9 m/s。霧的消空指標(biāo)：春季是地面相對(duì)濕度≤81%、500 hPa相對(duì)濕度≥87%、地面風(fēng)速≥2.7 m/s；冬季是地面相對(duì)濕度≤75%、500 hPa相對(duì)濕度≥62%、地面風(fēng)速≥2.9 m/s。

綜合所見，霧發(fā)生時(shí)地面相對(duì)濕度基本都在95%以上，1 000 hPa、925 hPa相對(duì)濕度在90%～95%；500 hPa大氣層上相對(duì)濕度過高，則可能出現(xiàn)降水，而夏季500 hPa相對(duì)濕度不適合作為消空指標(biāo)。地面與1 000 hPa不同季節(jié)的溫差閾值在-1～1 ℃、溫差均要求≤2.8 ℃(0.2分位)，而地面與925 hPa四季的溫差閾值在-1～1 ℃、溫差均要求≤2.0 ℃(0.2分位)；地面風(fēng)速閾值為2.0～4.0 m/s，1 000 hPa閾值為2.5～3.5 m/s。消空指標(biāo)為地面相對(duì)濕度、地面風(fēng)速和500 hPa相對(duì)濕度超出閾值范圍。

2.4 預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

從2018年1月1日起，該預(yù)報(bào)模型投入業(yè)務(wù)使用。經(jīng)2018年(1—4月、11—12月)、2019年(1—4月)的運(yùn)用，共預(yù)報(bào)59次霧日過程，正確42次，空?qǐng)?bào)13次，漏報(bào)4次，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為71.2%，空?qǐng)?bào)率為22.0%，漏報(bào)率為6.8%。證明對(duì)大霧具有較強(qiáng)的預(yù)報(bào)能力，可以作為衢州本地化的霧預(yù)報(bào)工具。

表1 2010—2017年霧發(fā)生時(shí)各預(yù)報(bào)因子累積頻率Tab.1 The cumulative frequency of prediction factors during fog appearance from 2010 to 2017

3 結(jié)論

①衢州市霧的空間分布呈現(xiàn)山區(qū)多于平原、北部多于南部，霧有顯著的月際和日變化，集中出現(xiàn)在11月—次年4月；83.2%的霧出現(xiàn)在23時(shí)—次日09時(shí)，峰值在06—07時(shí)。

②衢州市出現(xiàn)霧的地面天氣類型有4類：冷鋒前暖區(qū)型、大陸高壓型、入海高壓后部型和低槽型，其中68.4%的霧出現(xiàn)在大陸高壓型和低槽型下，對(duì)應(yīng)的500 hPa高度場(chǎng)以緯向環(huán)流居多，在偏西氣流中也可有弱脊或低槽活動(dòng)特征。

③發(fā)生霧的前1 d斜溫圖上有明顯特征，對(duì)流層低層風(fēng)速較小、水汽飽和程度較高并伴有底層逆溫；低槽型霧逆溫層接近地面，其他3種類型天氣下逆溫層抬離地面。

④基于霧出現(xiàn)的基本條件，給定不同季節(jié)霧預(yù)報(bào)基本方法，地面與1 000 hPa和925 hPa的溫差閾值均在-1～1 ℃；地面風(fēng)速閾值為2.0～4.0 m/s，又根據(jù)近地層相對(duì)濕度、風(fēng)速和逆溫設(shè)定消空指標(biāo)。

⑤衢州大霧分型預(yù)報(bào)工具預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有71.2%，具有較好的預(yù)報(bào)水平和業(yè)務(wù)價(jià)值，為衢州霧預(yù)報(bào)提供良好的參考依據(jù)。