遼寧地區(qū)一次罕見大霧天氣成因分析

王賽頔 閻琦 王曉麗 騰方達

(1.遼寧省氣象服務(wù)中心,遼寧 沈陽 110166; 2.遼寧省氣象臺,遼寧 沈陽 110166)

引言

大霧是遼寧省較頻發(fā)的災(zāi)害性天氣之一，四季均可出現(xiàn)，給海、陸、空交通造成較大影響。近年來，大霧天氣常伴隨空氣污染出現(xiàn)，對人民健康產(chǎn)生不同程度的危害，大霧天氣的社會關(guān)注度也越來越高，因此加強對其成因的分析，為大霧預(yù)報提供參考，具有一定的業(yè)務(wù)應(yīng)用價值。

冷卻、水汽飽和是大霧形成的重要前提條件，近年來許多學(xué)者對大霧成因進行研究。從氣候和天氣學(xué)角度出發(fā)，大多研究分析各地大霧時空分布特征和天氣學(xué)成因，一般對輻射霧研究較多，其共性特點是微風(fēng)、逆溫、相對濕度大[1-5]。從統(tǒng)計學(xué)角度出發(fā)，一些研究對大霧影響因子和客觀預(yù)報方法進行了分析[6-8]。通過對典型大霧過程進行數(shù)值模擬，調(diào)整不同參數(shù)化方案，能夠較好的模擬出大霧范圍、強度、生消時間，同時使用液態(tài)水含量和相對濕度指標(biāo)共同診斷，能有效提高大霧判識準(zhǔn)確率[9-11]。近年來，利用高時空分辨率新資料對大霧過程進行分析，得到大霧過程氣象要素精細(xì)的變化特征：大霧發(fā)生前近地層大氣中的相對濕度、水汽密度一般會穩(wěn)定增加，大霧發(fā)生時兩者會極劇增加，大霧維持階段在近地層多伴有逆溫，輻射霧逆溫層明顯；大霧期間霧層高度有穩(wěn)定型也有波動型，霧層高度下降時大霧會迅速加強；大霧消散時近地層大濕區(qū)減小抬升，水汽密度迅速減小[12-13]。根據(jù)大霧頻率、強度、致災(zāi)范圍、霧日數(shù)和持續(xù)時間等對大霧風(fēng)險評價，楊軍等[14]做了有益嘗試，該研究對預(yù)報服務(wù)工作具有較好的參考價值。

遼寧地區(qū)2000—2019年24次典型大霧過程統(tǒng)計表明，大霧多出現(xiàn)在夜間，太陽升起后通常會消散，連續(xù)2 d出現(xiàn)大霧的僅5次；白天出現(xiàn)大霧的多為夜間大霧的延續(xù)，上午基本消散，極少過程持續(xù)到午后14時。而2014年11月20—22日遼寧地區(qū)出現(xiàn)的大范圍、長時間強濃霧，在21日14—16時再次發(fā)展，且特強濃霧持續(xù)12 h，這在遼寧近20 a比較罕見。因此，從天氣學(xué)角度對大霧(各個階段)形成的潛勢進行分析，通過物理診斷對形成大霧的熱動力、水汽條件進行定量分析，尋找大霧預(yù)報著眼點，不斷積累大霧預(yù)報經(jīng)驗。

諸多研究為大霧天氣預(yù)報和科研奠定了良好基礎(chǔ)，但大霧預(yù)報仍然是預(yù)報業(yè)務(wù)的難點，且大霧成因存在地域差別，因此加強不同區(qū)域典型大霧天氣的精細(xì)分析，有利于提高大霧預(yù)報水平，減輕或避免大霧造成的災(zāi)害。

1 資料與方法

國家標(biāo)準(zhǔn)《霧的預(yù)報等級》(GB/T 27964—2011)中規(guī)定，霧是懸浮在近地層大氣中的大量微細(xì)乳白色水滴或冰晶的可見集合體，輕霧、大霧、濃霧、強濃度、特強濃度的能見度(vis)標(biāo)準(zhǔn)分別為1000 m≤vis<10000 m、500 m≤vis<1000 m、200 m≤vis<500 m、50 m≤vis<200 m、vis<50 m。

資料時間段為2014年11月20—22日。通過對比美國環(huán)境預(yù)報中心業(yè)務(wù)化全球再分析格點資料(NCEP FNL 1°×1°)與實況環(huán)流場表明，2014年11月20—22日遼寧地區(qū)大霧過程中，NCEP再分析資料的環(huán)流場與實況吻合，而NCEP 再分析資料可以提供多要素高時空分辨率(水平方向空間格距為1°×1°，垂直方向900 hPa以下等壓面間距為25 hPa，900 hPa以上為50 hPa，時間步長6 h)資料。因此本文采用NCEP FNL分析環(huán)流場。常規(guī)資料為中國氣象局的常規(guī)高空、地面觀測資料。非常規(guī)資料為全國加密自動站、營口站分鐘級能見度觀測資料和衛(wèi)星資料。

2 結(jié)果分析

2.1 大霧實況

2014年11月20—22日遼寧各站最小能見度表明遼寧中東部地區(qū)出現(xiàn)大霧(圖1a)，其中強濃霧、特強濃霧站點數(shù)范圍分別占52%、22.6%，大范圍濃霧在遼寧較為罕見。從營口站10 min平均能見度演變可以看到(圖1b)，大霧分為兩個階段，11月20日20—23時(北京時，下同)大霧第一次發(fā)展，21日00—08時大霧維持，21日09—13時大霧逐漸減弱到1 km以上的輕霧，第一階段大霧結(jié)束。第二階段大霧，從21日14時開始快速發(fā)展，21日16時至22日03時特強濃霧持續(xù)，22日04—08時大霧消散。

圖1 2014年11月20—22日最小能見度空間分布(a)和營口站10 min平均能見度變化(b)Fig.1 Spatial distribution of minimum visibility (a) and 10 minute average visibility time evolution at Yingkou station (b) on November 20 to 22,2014

2.2 大霧成因分析

2.2.1 500 hPa環(huán)流及影響系統(tǒng)

2014年11月20日和21日20時500 hPa高度場見圖2，中高緯度地區(qū)為緯向環(huán)流，偏西氣流中不斷有短波槽東移。11月20日14時至21日02時(圖2a)，短波槽過境后弱冷平流影響時對應(yīng)大霧加強階段。21日14—20時受第二個短波槽影響，在暖平流轉(zhuǎn)為冷平流期間遼寧大霧再次發(fā)展。21日20時至22日03時(圖2b)，短波槽后弱冷平流影響時能見度維持偏低。雖然兩個階段都有短波槽活動，但第一階段大霧發(fā)展出現(xiàn)在槽后弱西北氣流中；第二階段大霧發(fā)展出現(xiàn)在西南轉(zhuǎn)西北氣流期間，而維持階段出現(xiàn)在弱西北氣流控制下。

等值線為等高線,單位為 dagpm；填色區(qū)域為溫度平流,單位為10-5℃·s-1圖2 2014年11月20日(a)和21日(b)20時500 hPa位勢高度場和溫度平流Fig.2 500 hPa potential height field and temperature advection at 20:00 on November 20 (a) and 21 (b),2014

2.2.2 850 hPa環(huán)流及影響系統(tǒng)

2014年11月20日08時(圖略)中高緯地區(qū)有切斷低渦形成，中心位于蒙古國東部與內(nèi)蒙古交界處，20日20時(圖3a)低渦緩慢東移強度維持，中國東北地區(qū)受低渦前部西南氣流影響。21日(圖3b)低渦東北方向移動過程中強度減弱，遼寧受低渦底部西偏北氣流影響。

等值線為等高線,單位為dagpm；填色區(qū)域為溫度平流,單位為10-5℃·s-1圖3 2014年11月20日(a)和21日(b)14時850 hPa位勢高度場和溫度平流Fig.3 850 hPa potential height field and temperature advection at 14:00 on November 20 (a) and 21 (b),2014

從溫度平流變化看，11月20日08時(圖略)至14時(圖3a)，850 hPa高度整個遼寧地區(qū)受暖平流控制，20日14時至21日08時(圖略)暖平流區(qū)向東南方向移動，期間遼寧中東部地區(qū)受暖平流影響，暖平流利于中低層升溫或減緩夜間輻射降溫作用，利于夜間時段形成低層逆溫條件。21日08時至22日02時隨著低渦東移，低渦底部短波槽移過遼寧，遼寧轉(zhuǎn)為弱冷平流影響(圖3b)。由此可見，兩個階段大霧850 hPa高度分別受暖、冷平流影響，存在明顯不同。因此，兩個階段大霧成因可能存在差異。

2.2.3 動力熱力條件演變

利用2014年11月20—22日營口站附近格點所做水平風(fēng)、垂直速度和θse時間垂直剖面(圖4)和溫度、溫度平流垂直廓線(圖5)，分析大霧過程的動力熱力演變特征。

黑實線為θse,單位為K;一個風(fēng)羽為4 m·s-1;填色區(qū)域為垂直速度,單位為Pa·s-1圖4 2014年11月20—22日營口站垂直速度、θse和風(fēng)的時空剖面Fig 4 Vertical-time sections of wind，θse and vertical velocity at Yingkou station on November 20-22,2014

大霧第一階段：霧前(20日14—20時)，等θse線的剖面顯示，干冷空氣20日14時從中層侵入，20時到達近地面附近，850 hPa高度以下西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)或西北風(fēng)，說明有鋒區(qū)過境，500 hPa以下出現(xiàn)較強的上升運動，在遼寧中部及其以東地區(qū)出現(xiàn)弱降水(圖略)。大霧第一次爆發(fā)性發(fā)展階段(20日20時至21日02時)，850 hPa高度以下為弱西北風(fēng)，850 hPa高度以上為偏西風(fēng)，因此該階段在低層鋒區(qū)后的下沉氣流控制下，形成夜間晴空條件(云圖略)，大霧發(fā)展。21日02—08時，低層弱偏北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，大霧維持。21日上午，900 hPa以下低層偏南風(fēng)控制下，大霧減弱為輕霧。大霧第二階段：21日14—20時850 hPa高度以下，出現(xiàn)西南風(fēng)轉(zhuǎn)西北風(fēng)過程，冷鋒過境，沒有等θse線的密集區(qū)，說明鋒區(qū)強度弱，在鋒區(qū)上升氣流中大霧開始發(fā)展。21日20時至22日02時鋒區(qū)過境、弱北風(fēng)控制時大霧維持。22日02—08時低層北風(fēng)逐漸加大時大霧消散。

大霧第一階段：霧前(20日14—20時)，850 hPa受弱暖平流控制(圖5b)，低層溫度略升高，地面氣溫由于日變化作用略下降，沒有出現(xiàn)逆溫。20日20時至21日02時大霧形成階段，低層受鋒后西北氣流影響(圖4)，有弱冷平流侵入，與晴空輻射降溫作用疊加，近地面溫度迅速下降，形成逆溫(圖5c)，大霧發(fā)展。21日02—08時近地面層轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)(圖4)，近地面層無明顯溫度平流(圖5d)，850 hPa高度以下暖平流與近地面無溫度平流共同作用，逆溫條件維持，另外溫度達到夜間時段最低，大霧快速發(fā)展。大霧第二階段：21日14—20時大霧發(fā)展階段，低層 900—750 hPa有冷平流侵入(圖5e和圖5f)，近地面仍為弱暖平流，沒有逆溫條件；21日20時至22日02時強濃霧維持階段(圖5f和圖5g)整層均為冷平流，仍未形成逆溫；22日02—08時(圖4h)逆溫形成時霧開始消散。

溫度平流單位為10-5℃·s-1圖5 2014年11月20日14時(a)、20時(b),21日02時(c)、08時(d)、14時(e)、20時(f)時,22日02時(g)、08時(h)經(jīng)過122°E,41°N點的溫度、溫度平流垂直廓線Fig.5 Vertical profile along 122°E,41°N of temperature and temperature advection at 14:00 (a),20:00 (b) on November20，02:00 (c),08:00 (d) ,14:00 (e),20:00 (f) on November 21 and 02:00 (g),08:00 (h) on November 22,2014

綜上，大霧兩個階段熱力、動力條件存在明顯不同。大霧第一階段，出現(xiàn)在鋒后，逆溫形成階段大霧發(fā)展，逆溫維持階段大霧維持。大霧第二發(fā)展階段，伴隨弱冷鋒過境，上升運動情況下，大霧發(fā)展，無逆溫條件，冷鋒后弱冷空氣控制階段大霧維持，冷空氣加強后大霧消散。

2.2.4 大霧成因定量精細(xì)化分析

大霧第一次發(fā)展階段(2014年11月20日14時至21日06時)：營口站為偏南風(fēng)(圖7d)，風(fēng)力由3—4級轉(zhuǎn)為1—2級；期間氣壓場弱，變壓基本在±0.5 hPa之間(圖7a)；基本維持小時1 ℃以內(nèi)的降溫狀態(tài)(圖7b)，氣溫下降使得溫度露點差減小，20日23時至21日02時小時變濕增大(圖7c)，相對濕度達到90%以上(圖6a)，大霧發(fā)展。21日02—06時變溫、變壓、變濕均較小(圖7)，風(fēng)小、濕度大、逆溫條件利于大霧維持。而21日07—08時氣溫下降2 ℃左右(圖7b)，導(dǎo)致逆溫加強，濕度加大，大霧出現(xiàn)短暫加強階段(圖1b)。21日09—14時，負(fù)變壓(圖7a)、弱的偏南風(fēng)(圖7d)，小時正變溫1 ℃以上(圖7b)，小時負(fù)變濕10%以上(圖8c)，逆溫條件消失，濕度條件變差，大霧減弱成輕霧。由此可見，該階段大霧主要成因是，20日午后到傍晚連續(xù)性弱降水，近地面水汽條件好，夜間晴空輻射降溫配合弱冷平流降溫作用，導(dǎo)致逆溫和相對濕度增大，近地面微風(fēng)導(dǎo)致水汽不易從水平方向上流出，逆溫作用使得水汽不易向高層擴散，近地面層水汽濃度加大，導(dǎo)致第一階段大霧快速發(fā)展，該階段主要為輻射霧。

一個風(fēng)羽為4 m·s-1；填色區(qū)域為相對濕度,單位為%圖6 2014年11月21日02時(a)和15時(b)加密風(fēng)場和相對濕度場 Fig 6 Intensive wind field and relative humidity field at 02:00 (a) and 15:00 (b) on November 21,2014

圖7 2014年11月20—22日營口站小時變壓(a)、小時變溫(b)、小時變濕(c)和 10 m風(fēng)速(d)變化Fig 7 Variation of differences of hourly pressure (a),temperature (b),relative humidity (c) and 10 m wind speed (d) at Yingkou station on November 20 to 22,2014

大霧第二階段，遼寧大部分地區(qū)相對濕度在70%以下(圖6b)，無逆溫(圖5e至圖5g)，21日14—16時快速發(fā)展，由前面動力條件分析得到，該階段有鋒區(qū)過境，從21日14時、17時常規(guī)地面天氣圖可以看到(圖略)，地面弱冷鋒經(jīng)過期間，大霧快速發(fā)展，下面詳細(xì)分析該階段大霧成因。21日14—16時營口地面相對濕度開始增加(圖7c)，尤其是14—15時增加了10%，渤海北部、黃海北部沿海相對濕度達到70%以上(圖6b)，營口站出現(xiàn)南風(fēng)轉(zhuǎn)北風(fēng)(圖7d)過程，鋒面附近弱輻合上升運動(圖4)，水汽上升冷卻凝結(jié)，鋒面上低云降下雨滴在干冷空氣中蒸發(fā)(圖略)，有利于近地面附近水汽飽和、冷凝形成霧，負(fù)變溫、正變濕，即降溫增濕(圖7)，是該階段霧快速發(fā)展的原因。21日17時至22日04時，低層變溫、變濕、變壓非常小，弱冷空氣影響下強濃霧維持。22日05時后，冷空氣東移北風(fēng)增大，下沉運動增強，盡管出現(xiàn)逆溫，但負(fù)變濕明顯(圖7c)，大霧消散。綜上，第二階段為鋒面霧，特點是大霧在弱冷鋒附近，渤海北部、黃海北部沿海水汽條件較好的區(qū)域大霧強烈發(fā)展，霧區(qū)隨鋒面移動，出現(xiàn)時間與鋒面影響時間關(guān)系密切，此種情況在遼寧比較少見。

3 結(jié)論

(1)2014年11月20—22日遼寧出現(xiàn)大范圍、長時間強濃霧，尤其是21日14—16時大霧快速發(fā)展后，特強濃霧持續(xù)12 h，此種情況在遼寧近20 a是罕見的。

(2)大霧第一階段為輻射霧，霧前低層弱暖平流、霧期間中層弱冷平流利于出現(xiàn)晴空輻射條件，夜間輻射降溫作用下，975 hPa高度以下形成逆溫；地面氣溫下降、溫度露點差減小、相對濕度增大；近地面微風(fēng)有利于降溫，同時水汽不易流出，逆溫作用使得水汽不利于向高層擴散，使得近地面層水汽濃度加大，導(dǎo)致第一階段大霧快速發(fā)展。

(3)大霧第二階段為鋒面霧，鋒面附近輻合、上升運動導(dǎo)致水汽上升冷卻凝結(jié)，同時鋒上低云降下雨滴在干冷空氣中蒸發(fā)，利于近地面附近水汽飽和、冷凝，是該階段大霧快速發(fā)展的原因。鋒后弱冷空氣影響下強濃霧維持，當(dāng)較強冷空氣東移時，大霧消散。