冬季持續(xù)性大霧診斷分析

盧緒蘭，盧培玉

(1.成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610225； 2.山東省人工影響天氣辦公室，山東 濟(jì)南 250031)

霧是指空氣中懸浮著大量的微小水滴，使大氣水平能見度小于1 000 m的天氣現(xiàn)象[1]。霧不僅會(huì)對(duì)能見度有嚴(yán)重影響，還會(huì)給人們的日常生活及農(nóng)作物生長(zhǎng)帶來諸多不利的影響。山東的大霧天氣在秋冬季出現(xiàn)最多，主要類型是由地面長(zhǎng)波輻射降溫使近地層空氣飽和而形成輻射霧[2]。冬季是反季農(nóng)事活動(dòng)最活躍的時(shí)期，冬季大霧對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)活動(dòng)影響很大。大霧使溫室接受的日照減少，影響了農(nóng)作物葉片的光合作用。另外發(fā)生大霧天氣時(shí)濕度增加，影響植物蒸騰作用，不利于根系水分吸收，影響農(nóng)作物發(fā)育。對(duì)霧的形成與發(fā)展機(jī)制進(jìn)行研究、合理應(yīng)用氣象資源、趨利避害，是設(shè)施農(nóng)業(yè)活動(dòng)穩(wěn)產(chǎn)的重要前提與關(guān)鍵[3]。提高對(duì)霧生成、消散機(jī)制和發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識(shí)水平，不僅能保障農(nóng)業(yè)活動(dòng)的順利進(jìn)行，還可盡量減輕霧對(duì)人們的生活影響。

近年來，許多學(xué)者對(duì)霧的生消過程、物理特征、時(shí)空分布、形成機(jī)制等研究已取得大量成果[4-5]。趙衍斌等[6]從大氣環(huán)流背景、大氣層結(jié)條件、近地面水汽條件等方面進(jìn)行分析，揭示霧的產(chǎn)生和消散所需要的條件。徐義國(guó)等[7]利用國(guó)家觀測(cè)站數(shù)據(jù)分析了2018年河北一次持續(xù)大霧天氣的成因。葛良玉等[8]分析了產(chǎn)生霧的天氣形勢(shì)，研究了霧區(qū)重要物理量分布特征，討論了霧的形成和長(zhǎng)時(shí)間維持的原因。李子華等[9]的研究表明，輻射霧形成后釋放的大量潛熱是霧爆發(fā)性增厚的特征，逆溫層隨高度分層，常有水汽積累。本研究使用天氣學(xué)診斷分析的方法對(duì)大氣環(huán)流形勢(shì)和物理量變化進(jìn)行分析，剖析此次冬季持續(xù)性大霧的演變特征，討論了影響本次大霧生消物理過程中的逆溫結(jié)構(gòu)和湍流混合問題，總結(jié)連續(xù)性大霧天氣的成因，旨在為今后的預(yù)報(bào)提供參考。

1 資料與方法

選取2019年12月8—10日山東發(fā)生的持續(xù)3 d的一場(chǎng)冬季大霧，采用NECP/NCAR 1°×1°再分析資料、濟(jì)南站(36.36°N，117°E)的探空資料、常規(guī)氣象觀測(cè)資料、自動(dòng)站觀測(cè)資料進(jìn)行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 大霧形成環(huán)流背景及其形成條件

在500 hPa上，大霧發(fā)生前，烏拉爾山以東為一槽一脊型，從烏拉爾山到東亞整個(gè)地區(qū)被烏拉爾高壓脊前的西北氣流控制，高空環(huán)流形勢(shì)穩(wěn)定，沒有大的天氣系統(tǒng)過境。大霧發(fā)生前期，高空西北氣流中有中支槽產(chǎn)生，南支槽發(fā)展加深，華北和華東偏南氣流增強(qiáng)，有利于帶來南方暖濕氣流，為霧的形成提供了準(zhǔn)備條件。后期有弱冷空氣影響，9—10日東亞地區(qū)高空鋒區(qū)有所加強(qiáng)，冷空氣入侵山東。

在850 hPa，7日山東位于輻高邊緣的北側(cè)，并且沿著輻高邊緣不斷有西風(fēng)短波槽經(jīng)過，受副高的影響，有利于使地面的氣團(tuán)變暖；8—9日副高減弱南退，南支槽開始發(fā)展。山東位于副高西側(cè)南支槽前的西南氣流中，并且在山東境內(nèi)有弱的溫度脊配合。豐富的暖濕氣流和冷的下墊面相遇，為大范圍霧的形成提供了有利條件[10]。

從地面形勢(shì)來看，霧主要發(fā)生在地面至200～400 m高的近地面層內(nèi)，其形成與地面天氣形勢(shì)有密切關(guān)系。5日20：00在山東和河北的南部產(chǎn)生倒槽，至6日2：00，倒槽在原地形成地面氣旋，控制了整個(gè)山東的西部地區(qū)。隨著蒙古高壓加強(qiáng)東移，鋒區(qū)也逐漸東移，從6日夜間到7日中午以前，2次弱冷鋒依次影響山東并迅速移出；8—9日山東被大陸冷高壓控制，由于高壓不強(qiáng)，等壓線稀疏，有利于均壓區(qū)的形成，且風(fēng)速不強(qiáng)，平均風(fēng)速基本約3 m·s-1。如果風(fēng)速太大，湍流太強(qiáng)，則霧易抬升成為低云或消散；如果靜風(fēng)，空氣流動(dòng)緩慢，湍流太弱，則水汽不易向上擴(kuò)散。因此小風(fēng)、弱風(fēng)能使輻射冷卻作用和水汽擴(kuò)展到一定高度，是形成一定厚度霧的先決條件，也是大霧形成和維持的一個(gè)基本條件[8]。9日夜間天氣晴朗，使地面長(zhǎng)波輻射冷卻作用達(dá)到最強(qiáng)，且近地層中的水汽接近飽和達(dá)到凝結(jié)成霧的條件。在這種情況下，霧維持并且加強(qiáng)[11]。從10日8：00地面圖(圖1中b)上可知，山東又被低壓系統(tǒng)控制，水汽條件變好，同時(shí)湍流交換有所加強(qiáng)，有利于霧的增厚、發(fā)展和維持。此后不斷有弱冷鋒過境，11日凌晨山東被冷高壓控制，大霧過程結(jié)束。

a—2019年12月10日8：00高空500 hPa形勢(shì)圖(細(xì)實(shí)線為等高線；虛線為等溫線；粗實(shí)線為槽線)；b—2019年12月10日8：00地面形勢(shì)圖。圖1 大霧形成的環(huán)流背景形勢(shì)

2.2 霧區(qū)物理量分布特征

2.2.1 溫度對(duì)數(shù)壓力圖

8日夜間近地層的湍流運(yùn)動(dòng)在垂直、水平方向上都很微弱，上下層動(dòng)量交換受到抑制，有利于輻射逆溫的形成、維持，水汽的凝結(jié)在低空積聚凝聚結(jié)成霧。強(qiáng)長(zhǎng)波輻射使地表冷卻迅速降溫，地面失去熱量后使近地面層的空氣也隨之冷卻，湍流作用不強(qiáng)。熱量上下交換較弱，在近地層處形成穩(wěn)定的逆溫層[12]。逆溫層使得大氣上下層的湍流和動(dòng)量交換減弱，不利于上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展，使近地層氣溶膠微粒和水汽不斷積聚，促使大霧天氣的發(fā)生。

輻射霧常發(fā)生在夜間無云或少云、無風(fēng)或風(fēng)速很小而相對(duì)濕度又較大時(shí)。隨著逆溫層的加厚，空氣相對(duì)濕度增加近乎飽和，氣溫穩(wěn)定下降至一定程度時(shí)，就會(huì)有大量的水汽凝結(jié)成霧滴積聚在逆溫層下而形成輻射霧。此后輻射逆溫在低層一直維持，至10日，925～800 hPa形成明顯的逆溫層(圖2)。逆溫層增強(qiáng)，夜間地表和大氣的溫差絕對(duì)值減小，加上高空環(huán)流形勢(shì)穩(wěn)定少動(dòng)，近地層飽和濕層長(zhǎng)時(shí)間維持，使霧得以維持。11日冷空氣東移使逆溫層消失，地面風(fēng)速增大，能見度轉(zhuǎn)好，大霧過程結(jié)束。

圖2 2019年12月10日8：00濟(jì)南站的溫度對(duì)數(shù)壓力圖

2.2.2 霧區(qū)散度場(chǎng)

圖3是2019年12月10日濟(jì)南14：00地面散度圖。圖中最大輻合中心由8日8：00河套西部東移到河南的東北部。0線東移到120 °E的西部，霧的大值區(qū)分布在輻合中心。地面弱的輻合，低層氣流的輻合促進(jìn)霧區(qū)內(nèi)湍流混合運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，霧向上、向下發(fā)展。霧頂增高，同時(shí)地面霧迅速向上增長(zhǎng)，空中霧迅速向下發(fā)展。霧形成后，潛熱釋放會(huì)使局地溫度升高，湍流交換加強(qiáng)，霧層爆發(fā)性增厚。湍流交換一方面使逆溫層的熱量下傳，另一方面使低層水汽上傳。當(dāng)上傳水汽過程占優(yōu)勢(shì)時(shí)，凝結(jié)增加，液態(tài)水含量增加，霧層變濃[13]。輻射冷卻是輻射霧形成的前提，而湍流則對(duì)霧形成的后發(fā)展有非常重要的影響。

圖3 2019年12月10日濟(jì)南14：00地面散度圖

2.3 霧與溫濕度關(guān)系

8—10日山東大部分地區(qū)地面氣壓偏低，溫度接近露點(diǎn)溫度，空氣濕度接近飽和或已經(jīng)飽和。由圖4可知，從9日8：00至10日14：00溫度曲線和露點(diǎn)曲線幾乎重合，空氣濕度達(dá)到或幾乎接近飽和，這段時(shí)間濟(jì)南大霧最為嚴(yán)重。同時(shí)這段時(shí)間濟(jì)南氣壓值較低，被低值系統(tǒng)控制，提供了較好的水汽條件。

圖4 濟(jì)南8—12日的地面三線圖

3 小結(jié)

大霧過程的背景條件為高空有弱冷空氣，低層有逆溫，地面上有變性冷高壓配合，或處于冷高壓的底部或后部，是大霧發(fā)生的有利天氣條件。溫度、露點(diǎn)溫度、氣壓、風(fēng)場(chǎng)對(duì)大霧的形成均有不同程度的影響。弱輻合場(chǎng)和較高的溫濕度條件是這次大霧天氣持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的原因。地面風(fēng)速微弱，大氣層結(jié)穩(wěn)定，有逆溫層存在，特別是降雪、降雨后地面增濕更有利于霧的形成。