2018年8月22日寧夏北部局地濃霧天氣形成機(jī)制分析

李婷 譚志強(qiáng) 葛森 李強(qiáng) 晁瑗

(1.中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750000； 2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750000； 3.寧夏回族自治區(qū)氣象臺(tái)，寧夏 銀川 750000)

引言

霧是指懸浮于近地面大氣中的水滴、冰晶或兩者的混合物，并能使水平能見(jiàn)度小于1 km 的一種天氣現(xiàn)象。隨著社會(huì)的發(fā)展，霧造成的經(jīng)濟(jì)損失以及誘發(fā)的交通事故等越來(lái)越頻繁。鑒于霧的危害性，近年來(lái)氣象學(xué)者對(duì)其加強(qiáng)了研究，在霧的氣候特征[1-3]、天氣學(xué)診斷[4-9]、邊界層特征[10-12]以及數(shù)值模擬[13]等方面取得了較大進(jìn)展。研究表明[14-16]濃霧有顯著的氣候變化特征，可以從溫度、水汽、風(fēng)等要素著手，研究動(dòng)力、熱力等因子變化對(duì)濃霧天氣的影響。對(duì)水平能見(jiàn)度≤200 m濃霧的研究表明，弱高壓脊和地面冷高壓的高低空配置為濃霧的形成提供了有利的逆溫層結(jié)[17-19]，高層輻合下沉增溫和低層弱上升運(yùn)動(dòng)[19-21]、低層平流[22-23]和夜間地面晴空輻射[24]等促進(jìn)了逆溫層的發(fā)展，中低層暖濕氣流[18-23]和前期的降水過(guò)程[24]為強(qiáng)霧天氣過(guò)程的發(fā)生提供濃霧形成所必須的水汽條件，而冷空氣的入侵[17,22]和地面增溫[17,22,24]對(duì)逆溫層的破壞是霧消散的重要機(jī)制。

霧作為寧夏災(zāi)害性天氣之一，也引起了當(dāng)?shù)貧庀蠊ぷ髡叩年P(guān)注。周翠芳等[25]分析寧夏大霧天氣環(huán)流背景和主要影響系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)多數(shù)大霧前出現(xiàn)降水，近地面層有逆溫存在。張智等[26-27]對(duì)寧夏霧霾的時(shí)間變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)寧夏霧日呈南北多中間少的空間格局，且近52 a來(lái)北部灌區(qū)霧日呈增多趨勢(shì)。李艷春等[28]建立了銀川市霧霾天氣的氣象條件概念模型，發(fā)現(xiàn)銀川市的霧主要出現(xiàn)在秋冬季傍晚至次日上午12時(shí)之前，特別是夜間出現(xiàn)濃霧和強(qiáng)濃霧時(shí)，對(duì)應(yīng)混合層高度小于150 m。鄧敏君等[29]的研究表明，低空逆溫是影響銀川市霧、霾天氣的主要污染氣象條件之一。上述工作雖然對(duì)寧夏本地霧的研究取得一定進(jìn)展，但都是從空氣污染角度進(jìn)行分析，且對(duì)寧夏霧、霾天氣的統(tǒng)計(jì)分析局限于秋冬季，從天氣學(xué)方向?qū)幭谋镜貪忪F過(guò)程的診斷分析尚未完全展開(kāi)，尤其是對(duì)于寧夏夏季突發(fā)性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大、影響范圍廣的平流霧的研究尚未涉及。因此，本文在已有研究基礎(chǔ)上，利用銀川、大武口、平羅和賀蘭等4個(gè)常規(guī)地面觀測(cè)站的能見(jiàn)度地面逐時(shí)資料和ECMWF ERA-Interim 逐 6 h的0.125°×0.125°高分辨率再分析資料，對(duì)發(fā)生在2018年8月寧夏北部大武口市的一次局地濃霧天氣進(jìn)行天氣學(xué)診斷分析，研究寧夏北部地區(qū)濃霧發(fā)生、發(fā)展和維持過(guò)程的機(jī)理，為寧夏北部濃霧的預(yù)報(bào)預(yù)警提供技術(shù)支撐。

1 資料與方法

利用寧夏972個(gè)地面自動(dòng)站的10 m風(fēng)場(chǎng)、2 m溫度和2 m露點(diǎn)溫度，以及銀川、大武口、平羅、賀蘭等4個(gè)常規(guī)地面觀測(cè)站的能見(jiàn)度、溫度和相對(duì)濕度逐時(shí)觀測(cè)資料、ECMWF ERA-Interim 逐 6 h的0.125°×0.125°高分辨率再分析資料。

2 結(jié)果分析

2.1 天氣實(shí)況

2018年8月22日(圖1a和圖1b)，寧夏大部分地區(qū)地面2 m溫度露點(diǎn)差大于5 ℃，銀川站以北地面風(fēng)場(chǎng)輻合，石嘴山市大武口站溫度露點(diǎn)差2.3 ℃，能見(jiàn)度為1808 m，08時(shí)(圖1b)寧夏相對(duì)濕度明顯增大，地面輻合區(qū)北移至大武口站附近，大武口站溫度露點(diǎn)差增大到4.1 ℃，但能見(jiàn)度出現(xiàn)本次過(guò)程的最低值68 m(圖1d)，達(dá)強(qiáng)濃霧標(biāo)準(zhǔn)(50 m≤vis<200 m)。從05—08時(shí)(圖1c)，2 m溫度從15.1 ℃升高到16.7 ℃，相對(duì)濕度從95%增加大98%，表明空氣中水蒸汽含量明顯增大，受氣溫升高影響，大武口站溫度露點(diǎn)差亦有所增大，相應(yīng)地該站能見(jiàn)度從1808 m驟降到68 m。09時(shí)氣溫升高，逆溫層被破壞，觀測(cè)站能見(jiàn)度迅速躍升至967 m，10時(shí)達(dá)3 km以上，大霧過(guò)程結(jié)束。從2 m溫度、相對(duì)濕度時(shí)間序列可以看出(圖1c)，01—11時(shí)，銀川、大武口、賀蘭和平羅4站溫度和相對(duì)濕度呈明顯負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.95以上，表明溫度升高引起的相對(duì)濕度減小是強(qiáng)濃霧消散的重要原因，在09時(shí)以后尤為顯著，相應(yīng)的是各站能見(jiàn)度在此后迅速增大，可見(jiàn)本次過(guò)程有一定的輻射霧特征。值得注意的是過(guò)程前期(8月20日08時(shí)至21日20時(shí))，除最北部的石嘴山市，寧夏其他地區(qū)均出現(xiàn)明顯降水天氣，與大武口站相距50 km內(nèi)的銀川站48 h累計(jì)降水為23.6 mm，其最低能見(jiàn)度出現(xiàn)在22日05時(shí)，為2293 m(圖1d)，僅為輕霧。從圖1d可以看出，21日夜間銀川站和大武口站能見(jiàn)度變化趨勢(shì)基本一致，但前者明顯好于后者，無(wú)濃霧出現(xiàn)。可見(jiàn)，本次濃霧過(guò)程具有局地性、突發(fā)性的特點(diǎn)，且發(fā)生在夏季。因此，本文選取大武口站和銀川站進(jìn)行對(duì)比分析，探討本次過(guò)程的發(fā)生發(fā)展機(jī)制。

圖c中紅色折線為2 m溫度；綠色相對(duì)濕度圖1 2018年8月22日05時(shí)(a)和08時(shí)(b)寧夏地面10 m風(fēng)場(chǎng)和2 m溫度露點(diǎn)差分布、01—11時(shí)銀川、大武口、賀蘭和平羅站地面2 m溫度、相對(duì)濕度(c)和最低能見(jiàn)度(d)變化Fig.1 Distributions of 10 m wind and the difference between 2 m temperature and dew-point at 05:00 (a) and 08:00 (b),and variations of 2 m air temperature,relative humidity (c) and visibility (d) evolution of Yinchuan,Helan,Dawukou,and Pingluo stations from 01:00 to 11:00 on August 22,2018

2.2 環(huán)流形勢(shì)

從8月22日08時(shí)500 hPa形勢(shì)場(chǎng)可以看出(圖2a)，影響寧夏出現(xiàn)降水天氣的冷槽已移出，寧夏處于500 hPa弱暖脊前西北氣流控制，溫度場(chǎng)和高度場(chǎng)位相基本一致，無(wú)明顯冷空氣活動(dòng)；地面場(chǎng)上(圖2b),處于地面高壓帶中等值線比較稀疏、氣壓梯度比較小的均壓場(chǎng)，地面冷高壓和高空暖脊形成的上暖下冷的配置，有利于穩(wěn)定層結(jié)的形成。同時(shí)，寧夏北部地面附近為微風(fēng)，風(fēng)速為2—4 m·s-1，而近地面的微風(fēng)是霧生成和發(fā)展的必要條件[26]?？梢?jiàn)，高低空環(huán)流配置和近地面的微風(fēng)均有利于此次濃霧天氣的形成。

圖a實(shí)線為等高線，單位為dagpm，虛線為等溫線，單位為℃；圖b實(shí)線為海平面氣壓，單位為hPa圖2 2018年8月22日08時(shí)500 hPa位勢(shì)高度和溫度(a)及海平面氣壓和地面10 m風(fēng)場(chǎng)(b)分布Fig.2 Distributions of geopotential height,temperature (a) at 500 hPa and sea level pressure and 10 m wind (b) at 08:00 on August 22,2018

2.3 逆溫層

從22日02時(shí)T-lnp圖(圖略)可見(jiàn)，大武口站和銀川站近地面為弱偏西氣流，800 hPa附近風(fēng)向均隨高度順轉(zhuǎn)，表明兩站上空有暖平流，此時(shí)尚無(wú)明顯逆溫形成。08時(shí)(圖3)，兩站均出現(xiàn)明顯逆溫，逆溫層在850—825 hPa之間，厚度均為25 hPa，但兩站的高空風(fēng)切變有所不同，大武口站(圖3a)上空風(fēng)向從西風(fēng)順轉(zhuǎn)為東北風(fēng)是在825—775 hPa之間，而銀川站(圖3b)上空風(fēng)向順轉(zhuǎn)僅發(fā)生在825—800 hPa之間，這表明大武口站上空暖平流較銀川站更深厚，更有利于其逆溫層的形成與維持，促使水汽在近地面層凝聚，是大霧形成的重要因素，同時(shí)也表明大武口站濃霧過(guò)程具有顯著的平流霧特征。

圖3 2018年8月22日08時(shí)大武口站(圖a)和銀川站(圖b)模式探空?qǐng)DFig.3 T-lnp diagrams at Dawukou (a) and Yinchuan (b) stations at 08:00 on August 22,2018

2.4 溫度平流

21日08—20時(shí)，大武口(圖4a)和銀川(圖4b)兩站上空為深厚的暖平流，銀川站暖平流中心強(qiáng)度達(dá)13×10-5℃·s-1以上，而大武口站較弱，這和銀川站21日白天的降水過(guò)程是吻合的。20時(shí)后，銀川站上空中心位于800 hPa附近暖平流迅速減弱，至22日08時(shí)，暖平流已近乎消失，大武口站上空暖平流約在820—750 hPa之間，厚度維持在70 hPa左右，且持續(xù)到22日上午14時(shí)。同時(shí)，兩站近地層在21日夜間都有明顯的冷平流侵入，從圖2b和圖4c可知，該冷平流來(lái)自于偏西氣流的輸送，是由于西路冷鋒后的冷空氣侵入所致。這種下冷上暖的平流配置有利于逆溫層的發(fā)展，21日08時(shí)兩站均形成了厚度25 hPa的逆溫(圖3)，但由于銀川站暖平流較淺薄(僅存在825—800 hPa之間)且08時(shí)后迅速減弱消失，冷平流亦明顯減弱，不利于逆溫層的維持，而大武口站深厚的暖平流和較強(qiáng)的冷平流(中心強(qiáng)度為-3×10-5℃·s-1)均持續(xù)至近14時(shí)，逆溫層長(zhǎng)時(shí)間得以穩(wěn)定維持，使低層水汽不斷累積至飽和狀態(tài)，促進(jìn)了濃霧的形成和發(fā)展。

圖a和圖b實(shí)線為溫度平流，單位為×10-5 ℃·s-1，陰影為垂直速度，單位為Pa·s-1；圖c實(shí)線為2 m溫度，單位為℃圖4 2018年8月21日08時(shí)至23日02時(shí)大武口站(a)和銀川站(b)溫度平流和垂直速度ω高度—時(shí)間演變圖及22日08時(shí)地面10 m風(fēng)場(chǎng)和2 m溫度場(chǎng)(c)分布Fig.4 Time-height cross-sections of temperature advection and vertical velocity at Dawukou (a) and Yinchuan (b) from 08:00 on August 21 to 02:00 on August 23,10 m wind and 2 m temperature (c) at 08:00 on August 22,2018

另外，從圖4a和圖4b的垂直速度對(duì)比可知，兩站近地層均存在弱上升運(yùn)動(dòng)(≤0.1 Pa·s-1),弱上升運(yùn)動(dòng)有利于低層的水汽抬升凝結(jié)成霧[4,7,12,22],同時(shí)大武口站垂直上升區(qū)往上擴(kuò)展較銀川站更顯著，在22日08時(shí)達(dá)到825 hPa，混合層厚度為75 hPa，而銀川站垂直上升區(qū)僅擴(kuò)展至840 hPa，混合層厚度為60 hPa，表明大武口站近地面混合層較銀川站深厚，是該地區(qū)霧的形成和發(fā)展的重要原因。

2.5 水汽條件

霧是在近地面中由于大氣的水汽發(fā)生凝結(jié)而形成的天氣現(xiàn)象，低空大氣中具有充足的水汽條件是形成大霧天氣的主要原因。從銀川站到大武口站(圖5)，由于前期降水的影響，溫度露點(diǎn)差自南向北逐步增加，水汽通量(圖5b)從弱輻散轉(zhuǎn)為弱輻合，這與圖4垂直速度分析結(jié)果是一致的，即大武口站水汽的輻合上升可以達(dá)到850 hPa以上。從圖5e可知，銀川站750 hPa以下均為正散度區(qū)，雖存在弱上升運(yùn)動(dòng)(圖4)，輻散卻不利于近地層飽和水汽的累積和向上輸送，從而使霧的濃度降低和霧層變薄，受其影響，雖銀川站850 hPa以下的溫度露點(diǎn)差和比濕(圖5c和5d)和近地面處于水汽飽和區(qū)(溫度露點(diǎn)差≤2 ℃)邊緣，均較大武口站更有利于霧的形成，但輻散抑制了霧的發(fā)展；與銀川站相比，大武口站近地層(圖5a，溫度露點(diǎn)差3.5 ℃)及其上空(圖5d)濕度條件均不利于霧的形成，但其850 hPa及以下均處于負(fù)散度區(qū)(圖5e)，輻合加強(qiáng)了低層水汽向上的輸送，使水汽凝結(jié)、濕層增厚，同時(shí)逆溫層的穩(wěn)定維持(圖3a和圖4a)有利于水汽匯聚，則出現(xiàn)了濃霧天氣。以上分析表明，雖在水汽不飽和區(qū)，當(dāng)850 hPa以下存在弱的水汽輻合時(shí)，抬升可使水汽由不飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，并使飽和水汽向上擴(kuò)散，從而促進(jìn)了大霧天氣的形成和維持；在水汽輻散區(qū)，即使水汽處于飽和狀態(tài)，下沉增溫亦抑制了霧的生成。因此，在本次過(guò)程中，850 hPa以下的弱水汽輻合較水汽自身的飽和與否更為重要，是大武口站濃霧形成的關(guān)鍵性因素。此外，從圖5b水汽通量輸送可以看出，寧夏北部存在西南方向的水汽輸送，大武口站濃霧具有一定的平流霧特征。

圖a實(shí)線為溫度露點(diǎn)差，單位為℃；圖b實(shí)線為水汽通量，單位為g·cm-1·hPa-1·s-1，箭頭為散度，單位為10-9 g·cm-2·hPa-1·s-1；圖c為比濕，單位為kg·kg-1;圖d為溫度露點(diǎn)差，單位為℃；圖e為散度，單位為105s-1圖5 2018年8月22日08時(shí)寧夏地面2 m溫度露點(diǎn)差(a)、850 hPa水汽通量及其散度分布(b)、溫度露點(diǎn)差(c)及比濕垂直廓線(d)和散度垂直廓線(e)Fig.5 Distributions of the difference between 2 m temperature and dew-point (a),vapor flux and divergence at 850 hPa (b),vertical profiles of the difference between 2 m temperature and dew-point (c) and specific humidity (d),and divergence (e) at 08:00 on August 22,2018

2.6 地面熱通量

對(duì)于霧的形成來(lái)說(shuō)，近地面空氣受到下墊面的冷卻是空氣飽和與水汽凝結(jié)的重要因素，這種冷卻機(jī)制從地氣熱量交換的角度分析，通?？捎酶袩嵬亢蜐摕嵬縼?lái)描述。感熱通量是由于存在溫差通過(guò)湍流運(yùn)動(dòng)在地氣間發(fā)生的熱量通量，潛熱通量是由于水汽相變?cè)诘貧忾g發(fā)生的熱量通量。22日05時(shí)(圖6a)，寧夏北部?jī)烧揪幱诟袩嵬空笾祬^(qū)(≥6 W·m-2，正值表示地面吸收熱量)，表明地面對(duì)近地層空氣有明顯冷卻作用，有利于大氣中水汽的凝結(jié)，潛熱通量北部處于弱的負(fù)值區(qū)，表明地表存在弱水汽凝結(jié)，其釋放熱量對(duì)近地層空氣起到加熱的作用，抑制了霧的形成，二者的共同作用(定義為熱量?jī)敉?兩站在3—6 W·m-2之間，冷卻了近地層空氣，有利于霧的產(chǎn)生。08時(shí)(圖6b)，寧夏北部潛熱通量減小到-5 W·m-2以下，感熱通量亦減小到-3 W·m-2以下，熱量?jī)敉砍尸F(xiàn)對(duì)近地層空氣的較顯著增溫效應(yīng)。

實(shí)線為地面感熱通量，單位為W·m-2；虛線為潛熱通量，單位為W·m-2；陰影為熱量?jī)敉?，單位為W·m-2圖6 2018年8月22日05時(shí)(a)和08時(shí)(b)寧夏地面感熱通量和潛熱通量及熱量?jī)敉糠植糉ig.6 Distributions of sensible heat flux,latent heat flux and net heat flux at 05:00 (a) and 08:00 (b) on August 22,2018

通過(guò)上述分析可以看出，過(guò)程前期由于兩站均存在地面輻射降溫和冷平流因素，兩站均具備平流—輻射霧發(fā)生的有利條件，但08時(shí)銀川站由于地面增溫效應(yīng)及隨后逆溫層的迅速被破壞，銀川站無(wú)大霧發(fā)生，大武口站雖然亦存在地面增溫效應(yīng)，但由于水汽的輻合，冷平流和逆溫層的穩(wěn)定維持，大武口站出現(xiàn)了濃霧。09時(shí)以后，隨著地面增溫的加強(qiáng)，逆溫層被破壞，過(guò)程結(jié)束。整個(gè)過(guò)程中，平流對(duì)濃霧的形成和維持及地面輻射對(duì)濃霧的形成和消散均起到關(guān)鍵作用，過(guò)程整體呈現(xiàn)出平流—輻射霧特征。

3 結(jié)論

(1)地面冷高壓、高空暖脊及近地面微風(fēng)是本次過(guò)程發(fā)生的重要條件(靜穩(wěn)條件)；大武口站上空70 hPa厚度的暖平流和近地面冷空氣侵入所形成的穩(wěn)定大氣層結(jié)，是大霧形成的必要條件。弱上升運(yùn)動(dòng)使大武口站上空混合層擴(kuò)展到840 hPa左右，是該地區(qū)霧的發(fā)展和維持的重要原因。

(2)在本次過(guò)程中，850 hPa以下弱水汽輻合較水汽自身的飽和與否更為重要，是大武口站濃霧形成的關(guān)鍵性因素；地面熱通量在過(guò)程前期促進(jìn)濃霧的發(fā)生，后期對(duì)濃霧起到抑制作用，過(guò)程呈現(xiàn)平流—輻射霧特征。