黃山霧凇氣候特征及旅游氣象指數(shù)預(yù)報

許劍勇，陳建春，吳永澤

(1.安徽省黃山市氣象局，安徽 黃山 245021；2.安徽省黃山氣象管理處，安徽 黃山 245800)

0 引言

黃山是世界著名的山岳型風(fēng)景區(qū)，隨四季而千變?nèi)f化的美景每年吸引數(shù)百萬的中外游客?！包S山四季皆勝景，唯有冬季景更佳。”黃山奇麗的冬景被世人所推崇，而冬景之一的霧凇景觀也為人們所熟知。晶瑩的霧凇非雪非霜，卻比雪奇，比霜美，裹嵌在草木之上，結(jié)成各式各樣美麗的冰凌花，滿山遍野一片銀裝素裹的世界。霧凇，俗稱樹掛，是低溫時空氣中水汽凝華或過冷霧滴凍結(jié)在細長物體上的由冰?；虮M成的乳白色凝附物。目前國內(nèi)學(xué)者對霧凇的研究并不多，僅對霧凇多見地區(qū)，如大興安嶺、衡山、河北、長白山和浙江等地的霧凇氣候特征和形成氣象條件做了一些分析研究[1-11]；吳有訓(xùn)等對黃山霧凇進行過氣象特征研究[6]，其使用資料截止1996年，但統(tǒng)計有誤，本文利用黃山氣象站1956—2018年氣象資料進行更正更新。目前對霧凇景觀預(yù)報的研究幾乎空白，周麗賢等對平原型和高山型霧凇建立了旅游氣象指數(shù)[7]，經(jīng)實踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)并不適用黃山霧凇預(yù)報，本文依據(jù)本地氣象資料和預(yù)報經(jīng)驗建立了黃山霧凇景觀旅游氣象指數(shù)，有利于開發(fā)黃山旅游氣候資源，并提升旅游氣象服務(wù)質(zhì)量。

1 霧凇的時空分布特征

1.1 霧凇的年際變化

圖1為黃山1956—2018年霧凇日數(shù)的年際變化曲線和趨勢線。黃山年均霧凇日數(shù)63.3 d，對比前人統(tǒng)計值[6](1956—1995年均65.6 d)有所減少，最多年份為82 d(1970年)，最少年份為35 d(1963年)；線性趨勢斜率為負且值很小，說明年霧凇日數(shù)略呈減少趨勢，1958—1973年霧凇日數(shù)總體偏少，1974—1996年偏多，1997—2018年起伏較大，平均偏少。

圖1 1956—2018年黃山年霧凇日數(shù)年際變化Fig.1 The interannual variations of rime days in Huangshan scenic area ,1956—2018

1.2 霧凇的月際變化

表1統(tǒng)計了黃山霧凇月平均日數(shù)及占年平均日數(shù)百分比。黃山霧凇最早出現(xiàn)在10月，最遲在5月；霧凇日數(shù)出現(xiàn)最多的月份為1月(17.4 d)，占全年比為27.4%，其次為2月和12月，以1月為中心，兩邊對應(yīng)月份逐漸減少，呈正態(tài)分布特征，與月平均氣溫分布特征一致，可見氣溫低是霧凇出現(xiàn)的主導(dǎo)因素。冬季(12月—次年2月)霧凇日數(shù)共計44.1 d，約占全年的7成，可見冬季是霧凇出現(xiàn)的主要季節(jié)；3月霧凇日數(shù)也達到10.9 d ，該月冷空氣依然頻繁，氣溫較低；11月、4月氣溫較高，霧凇日數(shù)明顯較少；10月、5月霧凇日數(shù)已較為稀少，尤其是5月，多年才可能出現(xiàn)1 d霧凇日。

表1 黃山霧凇月平均日數(shù)及占年平均百分比Tab.1 The days-distribution of rime in every month in Huangshan

1.3 霧凇的初終期及連續(xù)最長日數(shù)

見表2，黃山霧凇的平均初日為11月7日，平均終日為4月7日，對比前人統(tǒng)計的11月4日和4月8日[6]，初日有所推遲而終日有所提前，對應(yīng)了近20 a年平均氣溫均高于歷史均值，年平均氣溫逐年升高的趨勢。近63 a來黃山霧凇最早初日為10月8日(1981年)，每年初日最多出現(xiàn)在11月，占比62%，其次為10月(35%)，少數(shù)年份出現(xiàn)在12月(3%)；最遲終日為5月12日(1958年)，每年終日最多在4月(68%)，其次為3月(27%)，偶爾出現(xiàn)在5月(5%)。連續(xù)最長霧凇日數(shù)為32 d，出現(xiàn)在1995年1月10日—2月10日。

1.4 霧凇出現(xiàn)的氣溫和風(fēng)向風(fēng)速

統(tǒng)計2000—2018年黃山霧凇出現(xiàn)的氣溫和風(fēng)向風(fēng)速分布情況，見圖2。 從圖2a可以看出，近20 a黃山霧凇出現(xiàn)的氣溫范圍為-18.7～1 ℃，故黃山霧凇出現(xiàn)的氣溫上限為1 ℃；呈向低溫方向階梯式減少的分布特征，平均氣溫在零上次數(shù)占比僅為4.4%，-1.7～0 ℃為峰值區(qū)間，次數(shù)占比最多，達31.6%，其次為-3.4～-1.7 ℃，占比為16.9%。從圖2b可見任何風(fēng)向均能出現(xiàn)霧凇，包括靜風(fēng)；西北(NW)風(fēng)向出現(xiàn)次數(shù)最多(109次)，占統(tǒng)計總數(shù)比為20.8%，其次為西北偏北(NNW)和北(N)風(fēng)，占比分別為15.5%和12.2%，黃山受西風(fēng)槽帶來的冷空氣影響居多，風(fēng)向多為西北和偏北風(fēng)；以西北風(fēng)向為中心，風(fēng)向次數(shù)向兩邊呈明顯下降趨勢，東南(SE)風(fēng)向最少，僅8次，另靜風(fēng)(C)有2次。風(fēng)速范圍為0～20.6 m/s，即0～8級風(fēng)；風(fēng)速主要集中在1.5～9.0 m/s，即2～5級風(fēng)，達399次，占比72.3%。

圖2 2000—2018年黃山霧凇次數(shù)的平均氣溫(a)、風(fēng)向(b)和風(fēng)速(c)Fig.2 The times-distribution of rime in mean temperature and wind in Huangshan,2000—2018

1.5 霧凇的強度分析

按月份統(tǒng)計了1958—2018年黃山霧凇南北向和東西向的平均直徑、厚度和重量，見表2。從表2可見，南北向的霧凇直徑、厚度和重量一般略大于東西向；平均最大直徑和厚度均出現(xiàn)在1月份，最大重量出現(xiàn)在2月份，均呈現(xiàn)向兩邊月份遞減的趨勢；5月份各量值最小，近乎為0，由于5月霧凇出現(xiàn)次數(shù)極少，且強度很弱；南北向和東西向的量值分布特征基本一致，且與霧凇月平均日數(shù)分布特征也基本一致。

表2 1958—2018年各月黃山霧凇平均直徑、厚度和重量Tab.2 The average diameter, thickness and weight of rime in Huangshan,1958—2018

1956—2018年黃山霧凇最大直徑為230 mm(南北向)，出現(xiàn)在2006年1月21日；最大厚度為105 mm(東西向)，出現(xiàn)在1964年12月13日；最大重量為1 138 g/m(南北向)，出現(xiàn)在1988年1月5日。與吳有訓(xùn)統(tǒng)計的霧凇極值有很大出入[6]，其統(tǒng)計的黃山霧凇最大直徑為248 mm(1979年4月2日)，最大厚度為5 600 mm(1956年1月8日)，最大重量4 820 g/m(1979年4月2日)。該統(tǒng)計值錯誤明顯：其厚度遠大于直徑值，而觀測規(guī)范規(guī)定直徑值≥厚度值[12]；厚度值達到5.6 m，觀測用電線積冰架2.2 m高，既容不下也支撐不住。認為其統(tǒng)計時出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯位，將雨凇觀測代碼5600誤做觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)復(fù)查，1956年1月8日和1979年4月2日均無霧凇。

2 霧凇景觀形成的氣象條件

為做出準確的霧凇景觀預(yù)報，需要了解黃山霧凇出現(xiàn)的氣象條件。國內(nèi)各地霧凇相關(guān)研究較為一致認為低溫和充足的水汽條件是霧凇形成的關(guān)鍵條件[1-11]，另外風(fēng)也是一個重要因子。黃山年均霧凇日數(shù)63.3 d，但并非都能達到景觀標準，較多為微量，不易看見且出現(xiàn)范圍小，觀賞性差，故剔除微量霧凇日數(shù)。2000—2018年黃山霧凇日數(shù)共計1 110 d，微量霧凇日數(shù)728 d，剔除后剩余382 d(霧凇直徑均≥4 mm)，年均20.1 d有霧凇景觀。預(yù)報高山型霧凇景觀，第一天的氣象條件最為重要，之后數(shù)日往往處于保持或者消融階段，故連續(xù)出現(xiàn)霧凇景觀的日數(shù)只取首日，篩選之后共計340 d。表3統(tǒng)計了2000—2018年近20 a黃山霧凇景觀出現(xiàn)時的氣象條件及與霧凇強度的相關(guān)分析。

表3可見，日溫差與霧凇強度的相關(guān)系數(shù)為-0.023，沒有通過顯著性水平檢驗，說明黃山霧凇景觀的形成與晝夜溫差的變化關(guān)系不大；最低氣溫、相對濕度和平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)分別為-0.252、0.240和-0.196(n=340,α=0.01)，均與霧凇強度呈極顯著相關(guān)，其中最低氣溫和平均風(fēng)速為負相關(guān)，相對濕度為正相關(guān)，說明最低氣溫越低、風(fēng)速越小、濕度越高，形成的霧凇越厚實。最低氣溫數(shù)值上限為-0.7 ℃，比上文統(tǒng)計的霧凇出現(xiàn)上限氣溫(1 ℃)要低，說明霧凇達到景觀級別需要更低的氣溫；出現(xiàn)霧的概率為99.7%，近乎100%，黃山為高山站，只要有雨雪天氣過程就處在降雨云中，幾乎都會出現(xiàn)大霧；相對濕度范圍為24%～100%，黃山形成霧凇時的相對濕度往往接近100%，然而冷空氣過后濕度下降明顯，計算日平均相對濕度時數(shù)值會降低，但其接近一半霧凇日數(shù)的相對濕度仍≥90%；當(dāng)天有降水的概率為36.7%，前一天有降水的概率為58.1%，前一天有降水的概率明顯高于當(dāng)天，黃山霧凇的形成往往伴隨著降雨過程，降雨停止后氣溫足夠低才能形成霧凇，而氣溫的下降需要滯后一段時間。

綜上所述，黃山霧凇景觀的形成必要條件是足夠低的氣溫和足夠高的濕度條件，在微風(fēng)和強風(fēng)情況下均能形成霧凇，風(fēng)速不是霧凇形成的決定性條件，但對霧凇大小有明顯影響。黃山霧凇景觀形成的天氣形勢大多為冷空氣南下與西南氣流共同影響的降雨天氣，其次為無降雨天氣，僅有冷空氣影響降溫，配合較好的濕度條件，也能形成霧凇，但霧凇強度偏小，觀賞性一般。

表3 黃山霧凇景觀出現(xiàn)時的氣象條件及與霧凇強度的相關(guān)性Tab.3 The meteorological conditions and correlation with rime in Huangshan

3 霧凇旅游氣象指數(shù)

3.1 霧凇旅游指數(shù)的建立

針對黃山霧凇景觀預(yù)報，依據(jù)以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計和預(yù)報經(jīng)驗，選取對黃山霧凇景觀形成影響較大的關(guān)鍵因子，建立黃山霧凇旅游氣象指數(shù)，既為霧凇景觀預(yù)報提供參考指標，也為游客觀景需求起到指導(dǎo)作用。見表4，黃山霧凇景觀旅游氣象指數(shù)分為1～5級，分別表示非常容易形成霧凇、較容易形成霧凇、可以形成霧凇、不易形成霧凇和無霧凇，預(yù)報概率分別代表80%、60%、40%、20%和不預(yù)報概率。霧凇指數(shù)1級對應(yīng)的氣象條件為樣本中最有利出現(xiàn)霧凇景觀的氣象條件中30%的臨界值；霧凇指數(shù)2級對應(yīng)的氣象條件為樣本中最有利出現(xiàn)霧凇景觀的氣象條件中60%的臨界值；霧凇指數(shù)3級對應(yīng)的氣象條件為所有樣本中霧凇景觀出現(xiàn)氣象條件的臨界值；霧凇指數(shù)4級對應(yīng)的氣象條件為不完全滿足霧凇景觀出現(xiàn)的氣象條件；霧凇指數(shù)5級代表最低氣溫不滿足霧凇出現(xiàn)的上限，其他氣象條件則關(guān)聯(lián)不大，無概率預(yù)報，表示無霧凇。

表4 黃山霧凇景觀旅游氣象指數(shù)Tab.4 Tourism meteorological index of rime in Huangshan

預(yù)報黃山霧凇景觀的關(guān)鍵是水汽和最低氣溫，首先水汽條件必須得到滿足，前天有降水可以保證地面濕度較大，或者預(yù)報當(dāng)日濕度較高，接近飽和，之后再確定最低氣溫，氣溫越低，越容易結(jié)晶出更多的冰晶，形成更壯麗的霧凇景觀。3級霧凇指數(shù)的-0.7 ℃是霧凇景觀出現(xiàn)的最低氣溫上限，4級霧凇指數(shù)的1 ℃是保持霧凇的最低氣溫上限，在兩者氣溫之間有可能形成霧凇(多為微量)，大于1 ℃不形成霧凇，水汽和風(fēng)速條件無需考慮。風(fēng)速為非必要條件，只作為影響霧凇強度的參考，在實際應(yīng)用中可加權(quán)霧凇景觀概率的確定。

3.2 霧凇旅游指數(shù)的檢驗

利用黃山氣象站2019年1—3月的霧凇觀測數(shù)據(jù)和相關(guān)氣象資料進行檢驗。見表5，預(yù)報霧凇指數(shù)等級2～5級，因最低氣溫不夠低，1級未出現(xiàn)；2～5級霧凇旅游氣象指數(shù)的預(yù)報準確率分別為100%、65%、80%和97%，呈現(xiàn)中間低、兩頭高的特點，處于中間的3～4級因判定條件處于臨界值，準確率相對偏低，且霧凇保持的氣象條件不在判定條件范圍內(nèi)的情況較多，也會拉低準確率，如出現(xiàn)霧凇的第二天，氣溫升高，濕度降低，判定為無霧凇，但因殘留霧凇還未完全融化，觀測為有霧凇。

樣本數(shù)為3個月共計90 d，綜合準確率為83%，明顯霧凇景觀天數(shù)18 d，預(yù)報指數(shù)等級均在2～3級，壯觀霧凇天數(shù)5 d，預(yù)報指數(shù)等級均在2級，說明黃山霧凇旅游氣象指數(shù)準確性很高，有很好的業(yè)務(wù)實用價值。

表5 2019年1—3月黃山霧凇旅游氣象指數(shù)檢驗表Tab.5 Inspection of tourism meteorological index of rime in Huangshan, January-March 2019

4 結(jié)論

①黃山年均霧凇日數(shù)63.3 d，最多年份為82 d，最少為35 d，年霧凇日數(shù)呈減少趨勢；霧凇出現(xiàn)最早月份在10月，最遲在5月，冬季月份霧凇日數(shù)占全年約為7成，最多為1月，最少為5月；黃山霧凇的平均初日為11月7日，最早初日為10月8日，平均終日為4月7日，最遲終日為5月12日，連續(xù)最長霧凇日數(shù)為32 d；近20 a黃山霧凇出現(xiàn)氣溫范圍為-18.7～1 ℃，風(fēng)速范圍為0～20.6 m/s，任何風(fēng)向均能出現(xiàn)霧??；南北向的霧凇直徑、厚度和重量略大于東西向，最大值出現(xiàn)在1、2月份，最大直徑為230 mm，最大厚度為105 mm，最大重量為1 138 g/m。

②氣溫、濕度和風(fēng)速均與霧凇強度呈現(xiàn)顯著性相關(guān)，最低氣溫和水汽條件是影響黃山霧凇形成的關(guān)鍵氣象因子，風(fēng)速主要影響霧凇大小。占絕大多數(shù)的微量霧凇日數(shù)達不到霧凇景觀標準，能形成霧凇景觀的日數(shù)年均20.1 d。

③利用影響霧凇景觀形成的關(guān)鍵氣象因子建立了黃山霧凇旅游氣象指數(shù)，經(jīng)實踐檢驗準確率良好，可為氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用提供預(yù)報參考指標，豐富黃山旅游氣象服務(wù)產(chǎn)品。

④更新更正了前人對黃山霧凇氣候特征的統(tǒng)計結(jié)果，建立了可實際業(yè)務(wù)應(yīng)用的霧凇旅游氣象指數(shù)預(yù)報模型；未來可對霧凇景觀程度分級和分類做進一步研究，完善霧凇景觀預(yù)報模型。