榆林市輻射型濃霧天氣成因及維持機制個例分析

蔣伊蓉

(1.榆林市氣象局，陜西榆林 719000；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點實驗室，西安 710016)

霧是指懸浮在近地層空氣中的大量小水滴或冰晶使水平能見度降到1 km以下的天氣現(xiàn)象。春、冬季是陜北大霧高發(fā)季節(jié)，大霧對交通運輸?shù)仍斐刹焕绊?，對人民生命財產(chǎn)安全也有嚴重危險。目前專家學(xué)者對我國很多地方大霧的生消機制、邊界層特征以及微物理過程等進行了大量的研究[1-8]。劉熙明等[4]指出北京地區(qū)大霧是在較大濕度、較小風(fēng)速和風(fēng)速垂直切變、穩(wěn)定層結(jié)以及較低氣溫的邊界層特征下形成的。李美琪等[5]研究冀中南一次持續(xù)性大霧過程發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定緯向環(huán)流背景下，弱短波槽快速東移是促使大霧形成、霧區(qū)范圍擴大及強度增強的主要原因之一。高宇等[6]指出暖濕空氣輸送和逆溫層穩(wěn)定是內(nèi)蒙古興安盟大霧維持的有利條件，而冷渦前部強上升區(qū)使近地面濕度條件減弱是大霧消散的主要原因。王慶等[7]對濟南一次平流輻射霧的微物理結(jié)構(gòu)及演變特征進行了研究討論。對陜西大霧也有不少研究[8-15]，且近幾年氣象工作者更關(guān)注霧霾天氣的研究[16-18]，如賀皓等[9]、潘留杰等[10]和王雯燕等[11]對陜西大霧的氣候特征及可能的成因進行了分析研究，段桂蘭等[12]、林楊等[13]和劉瑞芳等[14]分別對陜西一次大霧天氣的生消機制和天氣特征進行分析。這些工作都側(cè)重于全省或是關(guān)中、陜南地區(qū)的大霧天氣；而陜北由于它特有的地理位置和地形，大霧天氣多半并不與其他地區(qū)同時出現(xiàn)，其形成、發(fā)展和維持機制或也不同于其他地區(qū)，故需要進一步的研究以解決此類困惑。

本文利用逐5 min地面觀測資料、探空資料、風(fēng)云四號衛(wèi)星云圖以及NCEP 1°×1°再分析資料，對2020年2月1—2日出現(xiàn)在陜北榆林市的一次濃霧天氣過程的天氣尺度環(huán)流背景，地面溫、壓、濕、風(fēng)等特征以及邊界層熱力、動力和水汽條件等方面進行了分析，探討了本次濃霧形成原因及維持機制，以期為陜北地區(qū)的大霧預(yù)報提供一些思路和方法。

1 大霧實況

2020年2月1日夜間至2日上午，位于陜北的榆林市除西部3站未出現(xiàn)大霧天氣外，其余地區(qū)均出現(xiàn)了能見度小于500 m的大霧(圖1)，其中有6站出現(xiàn)能見度小于200 m的濃霧，子洲能見度最小僅有55 m，濃霧持續(xù)了12 h。

圖1 2020-02-01T08—02T20 榆林市最小能見度(單位為m)分布

2 環(huán)流背景

2月1日08:00(圖略)，500 hPa亞洲中高緯度呈一脊一槽型，烏拉爾山以東為一高脊，貝加爾湖至東北為一低槽，我國中低緯度處于緯向氣流中，河套西部有一淺槽，700 hPa和850 hPa與之配合有切變線，地面圖上西南地區(qū)至陜北有倒槽發(fā)展，受系統(tǒng)東移影響，1日14:00—20:00陜北地區(qū)出現(xiàn)降雪天氣。1日20:00，500 hPa低槽移出陜北，新疆東部至河套地區(qū)轉(zhuǎn)為西西北氣流控制(圖2a)，850 hPa轉(zhuǎn)為弱偏北風(fēng)(圖2b)，并有暖溫度脊配合。海平面氣壓場上陜北轉(zhuǎn)為均壓場控制(圖2a)，地面風(fēng)速較小。在這樣的環(huán)流背景下，沒有強冷空氣活動，加之降雪過后近地層空氣濕度近于飽和，夜間輻射降溫水汽凝結(jié)，故而出現(xiàn)濃霧天氣。2日08:00(圖略)，500 hPa上貝加爾湖冷渦東移南壓，陜北上空環(huán)流經(jīng)向度加大，引導(dǎo)地面冷高壓東移南下，陜北位于冷高壓前部梯度大值區(qū)內(nèi)，地面風(fēng)速加大，濃霧隨之消散。

圖2 2020-02-01T20 500 hPa位勢高度(實線，單位為dagpm)和海平面氣壓(虛線，單位為hPa；a)、850 hPa風(fēng)場(風(fēng)向桿，單位為m/s)和溫度場(實線，單位為℃；b)空間分布

3 地面氣象要素特征

以子洲為例，分析此次大霧過程地面氣象要素逐5 min變化特征(圖3)。根據(jù)此次大霧過程的演變，將其分為4個階段來討論。第1階段為降雪前(1日08:00—14:00)。此時陜北地面受低壓控制，盛行偏東偏南氣流，輸送暖濕空氣，氣溫逐步上升，能見度在10 000 m以上。第2階段為降雪時段(1日14:00—22:00)。隨著低槽東移陜北降雪，地面氣象要素也隨之變化，氣溫下降，濕度近于飽和，風(fēng)向由偏東偏南轉(zhuǎn)為偏西偏北，風(fēng)速維持較小，能見度下降至1 000 m左右。第3階段為大霧發(fā)展階段(1日22:00—2日10:00)。1日22:00，降雪結(jié)束，地面空氣濕度達到飽和，地面盛行偏西偏北風(fēng)，風(fēng)速小于3 m/s。從衛(wèi)星云圖上看(圖略)，此時天氣基本放晴，非常有利于地面輻射降溫。氣溫降低至-2 ℃以下，達到露點溫度， 能見度由1 000 m左右迅速降至200 m以下，隨后氣溫仍在不斷下降，能見度維持在200 m以下直至次日10:00，長達12 h。由此可見，飽和濕空氣、較小的風(fēng)速是濃霧形成的必要條件，而氣溫下降至凝結(jié)點是濃霧發(fā)展的觸發(fā)條件。第4階段為大霧消散階段(2日10:00—14:00)。日出后(09:00)，氣溫迅速回升，而能見度對氣溫的響應(yīng)時間有所滯后，10:00能見度才明顯上升，11:00上升至3 000多米；11:00后，氣溫上升速度變緩，但能見度卻急劇上升至20 000 m以上。對照此時的地面風(fēng)速發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速從1 m/s迅速增加至6 m/s，說明此時地面冷高壓前部到達陜北，冷空氣入侵，地面氣壓升高，風(fēng)速增大，濕度降低是能見度迅速升高的主要原因。

圖3 2020-02-01T12—02T14子洲站逐5 min氣象要素演變(a 能見度和氣溫，b 相對濕度和氣壓，c風(fēng)速和風(fēng)向)

4 邊界層特征

4.1 溫度層結(jié)

圖4為1日08:00至3日02:00過子洲站(110.05°N，37.6°E)的風(fēng)、濕度、溫度和溫度平流的時間-高度剖面圖。從圖4a可以看出大霧出現(xiàn)前(第1和第2階段)，大氣整層接近飽和，中高層(850～500 hPa)為西南風(fēng)，低層(850 hPa以下)為偏東風(fēng)，整層為暖平流，陜北出現(xiàn)降雪。進入第3階段，隨著低槽東移，降雪結(jié)束，中高層轉(zhuǎn)為偏西偏北風(fēng)，風(fēng)速有所增加，濕度明顯降低，冷平流明顯，配合衛(wèi)星云圖(圖略)看高空云量顯著減少；低層也轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，但風(fēng)速較小(2～4 m/s)，濕度維持在60%以上。分析溫度平流(圖4b)，850 hPa的強度(-2 ×10-5℃/s)較其上下層(分別為-10 ×10-5、-6 ×10-5℃/s)要弱得多，說明850 hPa的降溫沒有其上下層的強，這樣就在850 hPa上形成了逆溫層“暖蓋”，抑制了動量、熱量的垂直交換，從而保證近地面水汽的集聚和弱風(fēng)速的維持。從圖4c可以看出，2日02:00前后，850 hPa上有逆溫層形成，分析2日08:00位于榆林市以南的延安站探空圖也發(fā)現(xiàn)(圖略)，850 hPa以下仍有淺薄逆溫層存在。第4階段，2日08:00后，高層風(fēng)速再次增大(圖4a)，因動量下傳，850 hPa風(fēng)速增至14 m/s。圖4b中冷平流中心隨時間也向低層移動，850 hPa冷平流增強至-16×10-5℃/s，冷平流降低了逆溫層層頂?shù)臏囟?；而日出后地面升溫快，暖蓋逐漸被破壞，850 hPa以下風(fēng)速隨動量下傳增加至8 m/s，熱量通過湍流向大氣輸送，霧滴開始蒸發(fā)，近地層濕度下降。結(jié)合圖3地面氣象要素變化可知，11:00動量下傳至地面，地面風(fēng)速增加，濃霧減弱并趨于消散。綜上可以看出，逆溫層的穩(wěn)定存在是濃霧維持的主要機制。

圖4 2020-02-01T08—03T02過子洲站的風(fēng)(風(fēng)向桿，單位為m/s)和濕度(%，陰影；a)、溫度平流(單位為10-5 ℃/s，b)、氣溫(單位為℃，c)的時間-高度剖面

4.2 動力條件

圖5為1日08:00至3日02:00過子洲站(110.05°N，37.6°E)的垂直速度、散度和渦度的時間-高度剖面圖。可以看出，第1和第2階段，整層基本為輻合上升運動，將低層暖濕氣流輸送至高空，濕層增厚。第3階段開始時(1日20:00),700 hPa上下各有一垂直速度正負大值中心，其值分別為-0.4 Pa/s和0.3 Pa/s(圖5a)，而負值中心位置對應(yīng)散度圖上的弱輻散(圖5b)和渦度圖上的正渦度中心 (中心值為9×10-5s-1， 圖5c)， 說明700 hPa以上空氣上升冷卻，以下下沉增溫，加之日落后地面輻射降溫，有利于近地層逆溫的形成。2日08:00，700 hPa以上均為弱上升運動，以下為弱下沉運動，垂直速度為-0.1～0.1 Pa/s，散度上700 hPa以下基本為弱輻合區(qū)，值為(-2～0)×10-5s-1，渦度上整層基本為負渦度小值區(qū)，值為(-3～0)×10-5s-1。說明此時大氣穩(wěn)定度增加，有效阻止了中低層大氣的垂直交換，使得逆溫層得以穩(wěn)定維持，有利于低層水汽累積至飽和狀態(tài)，也有利于濃霧的長時間維持，這與實況能見度在此期間維持在200 m以下有很好的對應(yīng)。第4階段(2日08:00后)，受中高層冷平流影響，600 hPa下沉運動增加至0.6 Pa/s,800 hPa以上轉(zhuǎn)為輻合上升運動，以下轉(zhuǎn)為輻散下沉運動，穩(wěn)定層結(jié)被破壞，加之日出后太陽短波輻射使地面增溫等共同作用，使得逆溫層減弱直至消失，不利于濃霧的維持。

圖5 2020-02-01T08—03T02 過子洲站的垂直速度(單位為Pa/s，a)、散度(單位為10-5 s-1，b)和渦度(單位為10-5 s-1，c)時間-高度剖面

4.3 水汽條件

由圖3b氣壓演變可知，濃霧過程期間地面氣壓為902～912 hPa，說明900 hPa氣壓層可代表近地面，其水汽變化代表近地面水汽變化。圖6為濃霧過程中900 hPa水汽通量散度分布。從圖6a可看出，大霧出現(xiàn)前陜北地區(qū)處于水汽輻合區(qū)，且輻合區(qū)隨時間自西向東伸展(圖略)，中心值達(-0.15～-0.12)×10-7g/(cm2·hPa·s)，為大霧天氣的形成提供了良好的水汽條件。濃霧發(fā)展和維持階段，霧區(qū)無明顯的水汽輻合和輻散，水汽聚集停滯，夜間氣溫降至露點溫度時，水汽凝結(jié)，出現(xiàn)濃霧。濃霧減弱和消散階段，霧區(qū)逐漸轉(zhuǎn)為水汽輻散區(qū)，近地層水汽減少使得濃霧無法維持。由此可見，近地層水汽輻合是大霧形成的必要條件，而水汽輻散是大霧消散的主要原因之一。

圖6 2020-02-01—02水汽通量散度場(單位為10-7 g/( cm2·hPa·s)；a 1日14時，b 2日02時，c 2日08時)

5 結(jié)論

(1)陜北2020年2月1—2日的濃霧為輻射霧。此次大霧發(fā)生在500 hPa為較平直緯向氣流，700 hPa和850 hPa盛行弱偏北風(fēng)，地面位于均壓場中的大尺度環(huán)流背景下。

(2)大霧出現(xiàn)前霧區(qū)有降雪，降雪后空氣濕度達到飽和，地面維持3 m/s以下的弱偏北風(fēng)，夜間輻射降溫，氣溫下降至露點溫度，飽和水汽凝結(jié)成小水珠，濃霧得以發(fā)展并維持；日出后氣溫回升，熱量通過湍流向大氣輸送，致使霧滴蒸發(fā)，加上冷空氣入侵，地面風(fēng)速增大，垂直擴散增強，有利于濃霧快速消散。

(3)霧區(qū)上空850 hPa上逆溫層穩(wěn)定存在，影響了動量的垂直交換，使得水汽在近地面層長時間集聚，近地面為微風(fēng)，濃霧持續(xù)12 h。逆溫層破壞后，濃霧也隨之消散。

(4)濃霧出現(xiàn)前，水汽在霧區(qū)上空輻合，為大霧的形成提供了水汽條件；大霧維持階段，霧區(qū)上空層結(jié)穩(wěn)定，近地面有逆溫層存在；大霧消散階段，主要受動量下傳和冷平流共同影響，致使逆溫層被破壞，低層轉(zhuǎn)為輻散氣流，大霧很快被吹散。