基于探空資料的伊春山區(qū)霧預報方法研究

孫 悅,曲 哲,王愛香,石 磊,初雪迎

(伊春市氣象局,黑龍江 伊春 153000)

1 引言

大霧天氣具有一定的災害性，近年來，大霧天氣頻繁發(fā)生，大霧發(fā)生時，水平能見度<1 km，而濃霧出現(xiàn)時水平能見度要<200 m，大霧及濃霧天氣，均會給城市交通、高速公路、鐵路、船運、航空等安全帶來很大危害，而其一旦與霾結(jié)合形成霧霾，將會對人體健康造成很大危害。伊春市（127°37′—130°46′E，46°28′—49°26′N）位于小興安嶺腹地，地貌特征為“八山半水半草一分田”，境內(nèi)千米以上高峰77 座，林區(qū)面積近400 萬hm2，森林覆被率達83.8%，地形地貌復雜，春秋季節(jié)較易出現(xiàn)大霧及濃霧天氣，且伊春市中部地區(qū)霧的強度明顯強于南北部地區(qū)，原因在于北部嘉蔭地處出山后平原且沿江，風力較大，水平空氣的流動較快；南部鐵力地處平原，相較于中部地區(qū)不利于霧的形成，而受小興安嶺山前地形輻合的影響，中部地區(qū)將低層水汽聚集更易于霧的形成。此外由于伊春地處山區(qū)，植被覆蓋率較高，且素有“天然氧吧”的美稱，出現(xiàn)霧天氣時，常對應近地面出現(xiàn)輻射逆溫層，并且大霧天氣符合“夜間起，清晨濃，白天散”這一典型特征，根據(jù)輻射霧定義及判定條件可定義本研究范圍內(nèi)霧均為純凈的山區(qū)輻射霧。且伊春市眾多交通公路貫穿山區(qū)，大霧天氣會對哈伊高速、伊春市交通干路、省道、國道等交通安全造成極大影響。在實際預報業(yè)務中，由于霧的局地性強、時空分布差異大，其預報存在較大難度，山區(qū)霧的預報難度更大。

對于我國大霧的天氣特點及成因，已有許多氣象工作者進行了研究[1]，如陳傳雷等[2]分析了近53 年遼寧霧的時空分布及成因；童堯青等[3]統(tǒng)計分析了南京地區(qū)霧的氣候特征；陳連友等[4]統(tǒng)計分析秦皇島內(nèi)陸、沿海地區(qū)霧天氣時空分布特征；郭剛等[5]分析了區(qū)域性大霧天氣的氣候統(tǒng)計特征，提出判別大霧出現(xiàn)的預報指標。上述關于霧的研究，均是對一定區(qū)域內(nèi)霧的水平分布規(guī)律的研究，而研究山區(qū)霧的分布規(guī)律較為少見。伊春地區(qū)2021 年8-9 月連續(xù)出現(xiàn)大霧甚至濃霧天氣，對交通影響大，伊春市氣象臺在2021 年的8-9 月大霧的提前預報預警中發(fā)現(xiàn)層結(jié)條件對大霧出現(xiàn)與否、出現(xiàn)的站次、濃霧出現(xiàn)的頻次有較好的指示意義。

本文利用伊春市2021 年8 月13 日—9 月30 日霧日前一日20 時探空觀測資料、Micaps 地面氣壓場資料、常規(guī)氣象自動觀測資料，對山區(qū)輻射霧特征及探空圖所提供的預報指示意義進行總結(jié)分析。

2 研究區(qū)域及資料來源

2.1 資料來源

《地面氣象觀測規(guī)范》（2004 年以前版本）中霧的定義為：大量微小水滴浮游空中，常呈乳白色，使水平能見度<1.0 km。本文根據(jù)能見度（V）及伊春市發(fā)布預警信號指標，將霧分為兩個等級，當0.2 km≤V＜0.5 km 時，為大霧；當V＜0.2 km 時，為濃霧。文中以此為依據(jù)進行定義和分級，本文只對能見度≤0.5 km時的霧加以分析。

本研究使用2021 年8 月13 日—9 月30 日伊春市國家基本氣象站霧日常規(guī)氣象自動觀測資料；Micaps 地面氣壓場資料；前一日20 時探空站資料。

2.2 研究區(qū)域

研究區(qū)域為伊春市全市，南部鐵力地處平原，出現(xiàn)山區(qū)輻射霧次數(shù)較少，而其一旦出現(xiàn)即為大霧或濃霧天氣，其它各站出霧概率高，且等級均約在濃霧級別，故本文針對研究范圍內(nèi)較為典型的兩霧日做著重研究。

3 大霧分布特征

3.1 大霧天氣實況

經(jīng)統(tǒng)計分析，伊春市2021 年8 月13 日—9 月30 日共出現(xiàn)大霧及濃霧天氣24 次，最大連續(xù)天數(shù)12 d，所出現(xiàn)的大霧類型均為山區(qū)輻射霧。伊春市中部較常出現(xiàn)大霧天氣，其中，伊春站出霧率最高為40.9%；而南部鐵力出霧率最低為9.1%。各站受到地形地貌特征影響，出霧條件及特征均有所不同，南部鐵力地處平原，較不易出現(xiàn)山區(qū)輻射霧，北部嘉蔭緯度較高，地處出山后平原且沿江，出霧次數(shù)相對其它各站略少(表1)。

表1 各站出現(xiàn)大霧次數(shù)及所對應大霧等級

3.2 大霧開始時間

從表2 可以看出，輻射大霧的開始時間一般在下半夜到清晨日出前（00-08 時），占該類型大霧總次數(shù)的87.5%，最易生成大霧的時段是在00-02、04-06 時，占該類大霧總次數(shù)的31.3%；02-04 時次之，占該類大霧總次數(shù)的23.4%。一日內(nèi)輻射大霧的起始時間一般不會出現(xiàn)在10-20 時，12-20 時從未出現(xiàn)過。

表2 大霧開始時間統(tǒng)計表

4 成因分析

4.1 環(huán)流背景分析

大霧天氣是在一定的環(huán)流背景下產(chǎn)生的，所以中高緯度環(huán)流的調(diào)整和演變都將影響霧的形成和發(fā)展[6]。

分析伊春市2021 年8 月13 日—9 月30 日出現(xiàn)的大霧天氣過程的環(huán)流背景，具有以下相似點：一是中高緯度地區(qū)高空以緯向環(huán)流為主，多短波槽活動，地面氣壓場來看，等壓線分布稀疏，氣壓梯度小，氣壓值范圍約在1012.5-1017.5 hPa 左右；二是大霧天氣發(fā)生前期，由于暖濕平流不斷輸送水汽，水汽條件充足，而后冷空氣入侵，地面冷高壓底部控制，夜間天空晴好時，輻射降溫明顯，加之高空低層及近地層濕度偏大，達到80%左右及以上時，為輻射霧的產(chǎn)生創(chuàng)造了有利條件。

分析伊春市2021 年8 月13 日—9 月30 日霧日，發(fā)現(xiàn)9 月16 日有降水，空氣濕度大，夜間晴空后輻射降溫明顯，為9 月17 日出現(xiàn)大范圍大霧天氣提供了有利條件。下面對鐵力出現(xiàn)大霧時，對應全市出霧及四個站以上出霧個例(選取9 月16 日、9 月27日地面氣壓場資料及高空圖)進行研究，以期為預報預警業(yè)務提供有力參考依據(jù)。

2021 年9 月17 日清晨及9 月27 日夜間鐵力出現(xiàn)大霧天氣過程，兩次過程均為伊春站能見度最小，分別為93 m、97 m。兩次個例大霧天氣過程各站最小能見度見表3。

表3 個例霧日各站最小能見度(單位:m)

通過分析9 月16 日地面氣壓場資料及27 日20時地面氣壓場資料，得出伊春市處于低渦前，有暖濕平流源源不斷輸送水汽，對應TlnP 圖(圖1-2)及探空層結(jié)資料：近地面相對濕度分別為92%、81%，說明水汽條件較好；此時地面風速分別為1 m/s、1.3 m/s，為微風，說明水汽凝結(jié)成水滴后，能在微風作用下向上擴散；逆溫層分別出現(xiàn)在974-981 hPa、963-981 hPa，逆溫層溫差分別為1.1 ℃、1.7 ℃，為全市大部范圍出現(xiàn)大霧提供了有利條件。而經(jīng)分析逆溫層溫差越大，所對應霧濃度越大，對應9 月27 日霧較9 月16 日霧更濃。

圖1 9 月16 日20 時TlnP 圖

圖2 9 月27 日20 時TlnP 圖

4.2 基于探空資料的大氣層結(jié)分析

選取伊春市2021 年8 月13 日—9 月30 日霧日前一天20 時探空層結(jié)資料部分數(shù)據(jù)進行研究，分析近地面溫度露點差、逆溫層厚度、風速、相對濕度等與大霧是否出現(xiàn)及出現(xiàn)條件，并對預報預警提供有力依據(jù)。

4.2.1 低層濕度分析

結(jié)合圖3-4，空氣的露點溫度也因溫度高而相對較高，空氣濕度較大，一旦有弱冷空氣侵入，空氣中凝結(jié)核較多，易凝結(jié)成水滴。溫度露點差越小，相對濕度越大，在大霧發(fā)生時露點溫度和溫度十分接近，有的達到了與溫度相等，說明在大霧發(fā)生時相對濕度特別大，均達到80%左右及以上，如圖1、2 所示，達到了飽和或接近飽和的程度[7]。在大霧發(fā)生前后溫度露點差在逐漸減小，濃霧發(fā)生區(qū)域的露點差＜1 ℃，這與蔣大凱等人在2007 年的研究結(jié)論相同[8]。

圖3 8 月霧日近地面溫度露點差(單位：℃）

圖4 9 月霧日近地面溫度露點差(單位：℃）

4.2.2 層結(jié)資料分析

通過分析20 時探空資料，伊春市2021 年8 月13 日—9 月30 日常出現(xiàn)明顯逆溫層，即緊貼地面稱為近地面逆溫層[9]。近地面逆溫層對大霧生消具有較大影響。逆溫層從地面起，向上延升數(shù)百米左右，其增大了出現(xiàn)大霧天氣的概率。

經(jīng)統(tǒng)計分析，伊春市2021 年8 月13 日—9 月30 日出現(xiàn)近地面明顯逆溫層次數(shù)共22 次，而當夜間出現(xiàn)明顯逆溫層時，對應第二天00-08 時出現(xiàn)大霧天氣的次數(shù)為20 次，且逆溫層高度在935-992 hPa范圍內(nèi)，這說明夜間存在近地面逆溫層時，第二天出霧比例高達90%以上。而逆溫層溫差也對大霧天氣有所指示(圖5)，逆溫層溫差大小與霧的強度有一定相關性，經(jīng)研究，其呈現(xiàn)正相關關系。逆溫層溫差在2-5 ℃時，出現(xiàn)多站大霧概率大。因此，逆溫層高度在935-992 hPa 之間及逆溫層溫差在2-5 ℃時，對于霧的預報有較好參考性。由此得出，伊春市大霧天氣是否出現(xiàn)可通過參考上一時次TlnP 圖是否存在近地面逆溫層及逆溫層高度、溫差判別。

圖5 8-9 月霧日近地面逆溫層溫差(單位：℃）

由TlnP 層結(jié)資料數(shù)據(jù)統(tǒng)計，分析大霧及濃霧出現(xiàn)時所對應的近地面逆溫層厚度、風速、相對濕度，得出當逆溫層厚度達到125 m 左右及以上，且風為微風，相對濕度達80%左右及以上時，伊春市有兩個站及以上出現(xiàn)大霧天氣；近地面逆溫層厚度低于125 m 時，需配合1-2 m/s 左右風速及較大相對濕度，才會出現(xiàn)兩個站及以上大霧天氣(圖6-7)。

圖6 8-9 月霧日近地面逆溫層厚度(單位：m）

圖7 8-9 月霧日近地面風速(單位：m·s-1）

以伊春9 月23 日20 時TlnP 圖為例(圖8)，近地面有明顯逆溫層，且風為偏東風，風力不大，利于降溫，近地面水汽濃度增大，氣溫下降、溫度露點差減小、相對濕度增大;逆溫作用使得水汽不易向高層擴散，次日出現(xiàn)大霧天氣。

圖8 9 月23 日TlnP 圖

4.2.3 最低溫度分析

通過HIMOS 一體化平臺查詢伊春市2021 年8月13 日—9 月30 日霧日所對應的最低氣溫，并對其進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)伊春市在8-9 月，溫度范圍為0-10 ℃左右時，易出現(xiàn)大霧天氣。

5 結(jié)論

（1）輻射大霧的開始時間一般在下半夜到清晨日出前（00-08 時），伊春市常出現(xiàn)純粹的山區(qū)輻射霧,且伊春市中部較常出現(xiàn)大霧天氣，北部嘉蔭出霧相對較少，南部鐵力較不易出霧，但其一旦出現(xiàn)即大霧或濃霧天氣，其它各站出霧概率高，且等級均約在濃霧級別。

（2）大霧出現(xiàn)常因有短波槽活動，地面氣壓場等壓線分布稀疏，水平氣壓梯度小，氣壓值范圍約在1012.5-1017.5 hPa 左右；且在大霧天氣發(fā)生前期，水汽條件較好，夜間輻射降溫明顯，高空低層及近地層濕度偏大，達到80%左右及以上。

（3）通過層結(jié)資料得出，在大霧發(fā)生時露點溫度和溫度十分接近甚至相等，說明在大霧發(fā)生時相對濕度特別大，均在80%左右及以上，達到了飽和或接近飽和的程度。

（4）夜間存在近地面逆溫層時，第二天出霧比例高達90%以上，逆溫層溫差大小與霧的強度有一定相關性，經(jīng)研究，其呈現(xiàn)正相關關系。因此，逆溫層高度在935-992 hPa 之間及逆溫層溫差在2-5 ℃時，對于霧的預報具有較好參考性，伊春市大霧天氣是否出現(xiàn)可通過參考上一時次TlnP 圖是否存在近地面逆溫層及逆溫層高度、溫差判別。

（5）由TlnP 層結(jié)資料數(shù)據(jù)得出，當逆溫層厚度≥125 m，且風為微風，相對濕度達80%左右及以上時，伊春市有兩個站及以上出現(xiàn)大霧天氣；近地面逆溫層厚度低于125 m 時，需配合1-2 m/s 左右風速、90%左右及以上相對濕度時，才會出現(xiàn)兩個站及以上大霧天氣。

（6）伊春市在8-9 月，溫度范圍為0-10 ℃左右時，易出現(xiàn)大霧天氣。