江蘇南部一次暖區(qū)降水誘發(fā)的大霧過程分析

孫 明，王博妮，2，艾文文，夏敏潔

（1.江蘇省氣象服務中心，江蘇 南京 210008；2.中國氣象局交通氣象重點開放實驗室，江蘇 南京 210008；3.江蘇省南京市氣象局，江蘇 南京 210008）

引 言

霧是大氣邊界層常見的天氣現(xiàn)象之一，是近地層飽和空氣中水汽在氣溶膠粒子上凝結(jié) （或凝華）為水滴或冰晶時使水平能見度小于1 km的天氣現(xiàn)象，其對能見度有直接影響，給交通運輸、民眾身體健康、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等帶來嚴重危害［1］。在過去的幾十年，針對輻射霧、平流霧等從天氣學成因、氣象要素變 化［2－4］、邊 界 層 條 件［3－8］、湍 流 和 輻 射 機制［9－10］以及微物理結(jié)構［11－12］等方面開展了大量研究，取得了豐碩成果，研究區(qū)域由西南山地［12］、華北平原［13－14］和近海［15－18］等區(qū)域尺度逐步延伸到高速公路［19］、機場［20－21］等特殊重要區(qū)域。然而，在實際觀測中發(fā)現(xiàn)，在山區(qū)常有雨、霧共存現(xiàn)象，霧的底部與地面相接，且發(fā)生時近地面靜穩(wěn)，而雨則發(fā)生在距地面一定高度的云層中，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，兩種天氣現(xiàn)象截然不同，但霧和雨均能引起能見度下降，雨水還會造成路面濕滑，易引發(fā)交通事故，雨、霧同時出現(xiàn)會增大交通事故的發(fā)生概率。研究發(fā)現(xiàn)，降水與暖鋒生相伴時，一般在鋒生作用減弱時會引起能見度下降［22－23］；弱降水過程中如果貼地層存在強逆溫，有利于霧的形成和發(fā)展［24－25］，逆溫最強時段對應的能見度最低［26］。根據(jù)雨、霧出現(xiàn)時間，雨霧共存可分為先霧后雨、先雨后霧和雨霧同步三種情況。

江蘇是我國地勢最低的一個省區(qū)，絕大部分地區(qū)在海拔50 m以下，河湖眾多，平原、水面占比居全國首位，近年來雨霧共存現(xiàn)象常有發(fā)生［25］，給交通出行和運輸安全帶來嚴重影響。如2016年4月2日正值清明假期，江蘇沿江及以南地區(qū)出現(xiàn)小到中雨、局部大雨天氣，并伴有大霧、局部濃霧，滬寧高速公路常州境內(nèi)玉祁段因降水引起路面濕滑和能見度下降，釀成56輛車連環(huán)相撞、31人受傷、3人死亡的重大交通事故，同時降水導致長江南京段能見度下降到1000 m以下，南京海事局緊急關閉長江大橋、二橋等上下行航道，禁止任何船只通過水域。那么，地勢低平環(huán)境下雨霧共存期間主要物理量、氣象要素變化特征及形成機制與山區(qū)有何不同？為此，本文以此次過程為例，探討降水前后能見度下降過程的成因及特征，以期為江蘇省此類天氣的預報預警及交通事故的預防提供科學依據(jù)。

1 資 料

使用2016年4月2—3日江蘇省72個地面氣象觀測站的能見度和降雨量觀測資料，滬寧高速公路和長江航道62個自動氣象站風速、氣溫、相對濕度和能見度等逐分鐘觀測資料以及NCEP／NCAR 1°×1°再分析數(shù)據(jù)，南京和常州站風廓線雷達數(shù)據(jù)，氣象站點和交通站點分布見圖1。

圖1 氣象站點和交通站點空間分布Fig.1 Spatial distribution of meteorological observation stations and traffic stations

2 實況概述

2016年4月2 —3日，江蘇沿江及蘇南地區(qū)出現(xiàn)小到中雨、局部大雨天氣，在降雨過程中伴有大霧、局部濃霧發(fā)生。2日08：00（北京時，下同），降水率先在沿江西部的南京、儀征、句容等地開始，09：00左右能見度開始下降，隨后雨區(qū)自西向東移動覆蓋了沿江地區(qū)，霧也開始彌漫。其中，沿江地區(qū)大部分站點最大小時雨量出現(xiàn)在2日12：00—13：00，此時僅無錫站能見度達到最低220 m，表明無錫站能見度下降主要由降水引起，其他地區(qū)最低能見度出現(xiàn)在2日傍晚或夜間，句容站最低能見度出現(xiàn)在22：00左右，能見度僅106 m，對應的小時雨量僅0.7 mm，而南通、蘇州等地受雨區(qū)移動影響較晚，最低能見度出現(xiàn)在23：00左右。可見，白天能見度下降主要由降水引起，而夜間能見度短暫下降與冷空氣入侵后水汽凝結(jié)形成的冷卻霧有關，多數(shù)站點最大雨強時段與能見度最低時段不吻合。

3 天氣形勢

3.1 高空和地面形勢

2016年4月1 日20：00，500 hPa我國江蘇地區(qū)受弱高壓脊控制，850 hPa江蘇處在南支槽前西南氣流中，地面升溫明顯（圖略）。2日08：00［圖2（a）］，500 hPa歐亞中高緯地區(qū)仍為“兩脊一槽”形勢，在貝加爾湖東部地區(qū)有一切斷冷渦，冷渦后部有冷空氣東移南下，中緯度地區(qū)鋒區(qū)較弱，受短波槽影響江蘇出現(xiàn)降水天氣，且在98°E附近有南支槽東移，該槽在20：00與冷渦低槽合并，影響我國華南和江南地區(qū)；850 hPa在江蘇江淮北部存在一暖式切變線，而925 hPa江蘇地區(qū)為4～6 m·s－1的東南風（圖略）。2日 20：00［圖2（b）］，850 hPa切變線南壓到蘇南地區(qū)，沿江地區(qū)降水減弱。

圖2 2016年4月2日08：00（a）、20：00（b）500 hPa位勢高度場（黑色線，單位：dagpm）和850 hPa風場（風羽，單位：m·s－1）分布（黑色粗實線為西太副高，紅色實線為500 hPa槽線，藍色實線為850 hPa切變線）Fig.2 Distribution of 500 hPa geopotential height field（black lines，Unit：dagpm）and 850 hPa wind field（wind shafts，Unit：m·s－1）at 08：00 BST（a）and 20：00 BST（b）on 2 April 2016（the black thick solid line for the western Pacific subtropical high，the red solid line for trough line on 500 hPa，and the blue solid line for shear line on 850 hPa）

4月2日08 ：00［圖3（a）］，海平面氣壓場上蒙古西部有一冷高壓，我國江蘇地區(qū)受倒槽前部偏東風控制，冷鋒位于山東中部、河南北部、陜西關中一帶。地面實況（圖略）顯示，2日09：00左右霧區(qū)率先出現(xiàn)在江蘇沿江西部地區(qū)。14：00［圖3（b）］，隨著冷鋒南下，江蘇淮北地區(qū)轉(zhuǎn)為東北風，沿江和蘇南地區(qū)大霧仍持續(xù)存在。3日08：00（圖略），江蘇地區(qū)徹底轉(zhuǎn)為東北風，降水逐漸停止?？梢姡芮凶兙€和短波槽影響，此次降水和霧均發(fā)生在鋒前暖區(qū)內(nèi)。

圖3 2016年4月 2日08：00（a）、14：00（b）海平面氣壓場（黑實線，單位：hPa）Fig.3 The sea level pressure field（black lines，Unit：hPa）at 08：00 BST（a）and 14：00 BST（b）on 2 April 2016

3.2 地面氣象要素變化

由切變線和倒槽引起的降水在江蘇地區(qū)很常見，但降水過程中出現(xiàn)的大霧、最大小時雨量與最低能見度出現(xiàn)時間不匹配等問題較為罕見，下面將從氣象要素變化特征來探討分析。

圖4是距離事故發(fā)生點最近的常州西站氣象要素變化曲線。可以看出，4月1日常州西站日平均氣壓為1012 hPa，日平均氣溫、最高氣溫分別為17.2、24.6℃，夜間相對濕度開始增大，表明暖濕氣流開始活躍，水汽條件充足。2日，受弱冷空氣影響，氣壓小幅上升，氣壓梯度變化較小，風速有所減弱，平均為1.2 m·s－1，較小的風速可以存留住空氣中的水汽。其中，2日06：00左右開始出現(xiàn)降水，10：00—11：00雨量最大，最大小時雨量為 4.7 mm，對應能見度平均為629 m，至18：50能見度降至最低327 m，但小時雨量僅0.2 mm，雨強與能見度對應關系較弱。受降水影響，氣溫略有下降，日平均氣溫下降1℃，而相對濕度持續(xù)增大至飽和狀態(tài)?？梢姡邓l(fā)生前較高的氣溫使得降落到地面的雨水被大量蒸發(fā)，促使空氣濕度持續(xù)增大，加速了能見度的下降。此外，在降雨過程中地面由東南風轉(zhuǎn)為偏北風，待降水減弱后風向再次轉(zhuǎn)為東南風，能見度穩(wěn)定維持在400 m左右。2日22：00左右，受冷鋒過境影響，風向再次轉(zhuǎn)為偏北風，降水再次增強，能見度上升。3日，冷空氣過境，氣壓升高、風速增大、氣溫下降，降水結(jié)束。

綜上所述，降水發(fā)生前氣溫高有利于水汽蒸發(fā)，促使能見度下降，且成霧期間氣象要素日變化較小；降水過程中地面存在偏東風或東南風轉(zhuǎn)為偏北風的現(xiàn)象，但成霧后風向一直維持著偏東風；成霧后期，隨著降水的減弱，在弱冷空氣影響下水汽凝結(jié)，能見度再次下降至最低。

4 大氣熱、動力條件

4.1 熱力條件

用低層925 hPa 24 h變溫來表征此次過程中冷暖空氣變化情況。從圖5看出，4月2日08：00［圖5（a）］，江蘇地區(qū) 925 hPa 24 h變溫均為正，變溫在0～4℃之間，降水率先發(fā)生的西南部區(qū)域內(nèi)正變溫高達4℃，且長江以南地區(qū)都處在正變溫區(qū)域內(nèi)。正變溫與暖平流相對應，高溫有助于水汽蒸發(fā)，促使能見度下降。14：00為降水最強時段［圖5（b）］，江蘇淮河以南地區(qū)仍為正變溫，低層暖氣團加速雨滴的蒸發(fā)，使得能見度進一步惡化。此外，在江蘇西部有冷平流東伸，冷平流影響區(qū)域與強降水區(qū)基本一致。20：00［圖5（c）］，除東南部外，江蘇其他地區(qū)轉(zhuǎn)為負變溫，表明冷空氣已影響江蘇大部，先前降水區(qū)域內(nèi)空氣濕度大，冷、暖空氣匯合導致局部區(qū)域能見度下降到最低。因此，此次降水開始前的增溫以及降水減弱后期的降溫對能見度變化均有很好的指示意義。

圖4 2016年4月1—3日江蘇常州西站氣象要素逐10 min變化Fig.4 The ten－minute changes of meteorological elements at Changzhou West station of Jiangsu Province from 1 to 3 April 2016

圖5 2016年 4月2日08：00（a）、14：00（b）、20：00（c）925 hPa 24 h變溫場（單位：℃）Fig.5 The 24－h(huán)our variable temperature on 925 hPa at 08：00 BST（a），14：00 BST（b）and 20：00 BST（c）on 2 April 2016（Unit：℃）

圖6是南京站4月2日08：00和20：00的溫度和相對濕度垂直廓線?？梢钥闯?，2日08：00［圖6（a）］，逆溫高度為65 m，逆溫強度為7.7℃·（100 m）－1，弱降水導致地面溫度下降，與上層暖平流形成逆溫，且逆溫層內(nèi)相對濕度隨高度迅速減小，相對濕度自逆溫層頂向上快速增加到 92%；20：00［圖6（b）］，降水抑制了穩(wěn)定層結(jié)的發(fā)展，逆溫消失，600 m以下相對濕度保持在94%左右，受水汽平流輸送和夜間降溫作用，南京周邊地區(qū)能見度出現(xiàn)短暫的下降。

綜上所述，降水過程中逆溫層的存在使得雨滴降落到較冷氣層時，通過蒸凝作用促使能見度下降，逆溫層是此次降水過程中能見度下降的一個重要條件。降水結(jié)束后，逆溫消失，但受夜間降溫導致的水汽冷凝作用，能見度出現(xiàn)短暫下降。

4.2 動力條件

圖7是4月2日11：00—16：00常州站風速、風向的垂直廓線。可以看出，2日11：00，風速隨高度變化不明顯，表明大氣層結(jié)相對穩(wěn)定，水汽垂直交換不明顯，有利于能見度下降，與實況能見度下降時間基本吻合。從12：00開始，邊界層低層風速突然增大，在13：30風速增大到7.6 m·s－1，約在340 m高度處達到極大值8.0 m·s－1。低層風速的突增，說明大氣穩(wěn)定度變?nèi)?，有利于湍流運動增強和空氣垂直混合，致使?jié)駥雍穸仍龃?，常州站出現(xiàn)最大小時雨量。16：00左右降水減弱，邊界層低層的風速明顯減小，風向轉(zhuǎn)為東北風。由此可見，能見度下降過程中，風速整體隨高度升高而減小，其中在小時雨量最大時段300 m左右風速有所增大，風向以偏東風或東南風為主，風急、雨強造成了交通事故的發(fā)生。降水過程結(jié)束時，低層風速減小，風向轉(zhuǎn)為東北風。

圖6 2016年4月2日 08：00（a）、20：00（b）南京站溫度和相對濕度垂直廓線Fig.6 The vertical profiles of temperature and relative humidity at Nanjing station at 08：00 BST（a）and 20：00 BST（b）on 2 April 2016

圖7 2016年4月2日11：00—16：00常州雷達站風廓線（a）風速，（b）風向Fig.7 The wind profiles at Changzhou radar station from 11：00 BST to 16：00 BST on 2 April 2016（a）wind speed，（b）wind direction

研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的霧在近地層垂直方向上下沉和上升運動均可能存在，但垂直速度均較?。?，13］。沿南京站（118°E，32°N）的垂直速度和相對濕度的時間 －高度剖面［圖8（a）］顯示，2日08：00，南京上空700 hPa以下為弱下沉氣流，下沉增溫有利于層結(jié)穩(wěn)定；在降水最強階段（14：00），800 hPa以下轉(zhuǎn)為弱上升運動，并持續(xù)到20：00，其上為弱的下沉運動，下沉運動抑制了水汽向上擴展，動力抬升條件整體較弱，致使能見度下降；3日02：00，900 hPa以下轉(zhuǎn)為弱下沉運動，下沉運動有利于水汽積聚在低層，同時該高度內(nèi)弱的西北風有利于水汽冷卻凝結(jié)成霧，這是降水減弱后能見度短暫下降的主要原因之一。后期，隨著中高層上升運動加強，降水再次增強，能見度上升。2日 14：00，850 hPa沿江和蘇南地區(qū)表現(xiàn)為輻合，且輻合大值中心和降水中心區(qū)一致［圖8（b）］。

綜上分析可見，降水過程中低層垂直速度較小，能見度下降時850 hPa以下均為弱上升運動，雨勢減弱后低層轉(zhuǎn)為弱下沉運動，同時風向轉(zhuǎn)為西北風，水汽凝結(jié)促使冷卻霧形成，使得能見度出現(xiàn)短暫下降。

圖8 2016年4月1—3日沿南京站（118°E，32°N）的垂直速度（線條，單位：Pa·s－1）、相對濕度（陰影，單位：%）、風場（風羽，單位：m·s－1）時間 －高度剖面（a）和2日14：00 850 hPa散度（b，單位：10－5 s－1）Fig.8 The time－h(huán)eight section of vertical velocity（lines，Unit：Pa·s－1），relative humidity（shadows，Unit：%）and wind field（wind shafts，Unit：m·s－1）along Nanjing station（118°E，32°N）from 1 to 3 April（a）and 850 hPa divergence at 14：00 BST on 2 April（b，Unit：10－5 s－1），2016

5 結(jié) 論

（1）降水開始時地面氣溫高、濕度大、風速小、氣壓低導致能見度下降，同時近地面由偏東風或東南風轉(zhuǎn)為偏北風；降水減弱后，風向再次轉(zhuǎn)為偏東風，夜間受降溫作用，水汽凝結(jié)形成冷卻霧，能見度出現(xiàn)短暫下降并降到最低，這是最低能見度與最大雨強出現(xiàn)時間不一致的主要原因。

（2）降水發(fā)生前低層較強的暖平流、正變溫為降水的發(fā)生提供暖濕條件，降水過程前期低層弱冷平流和上層暖平流有助于逆溫結(jié)構形成，較強的逆溫是能見度下降的重要條件。

（3）降水過程中能見度下降時，風速隨高度增加而減??；雨強最大時，低層風速突增，風向以偏東風或東南風為主，風急、雨強導致此次交通事故的發(fā)生。