華北地區(qū)一次平流霧過程的特征分析及預(yù)報(bào)

許長(zhǎng)義，王建華，卜清軍

(1. 天津市濱海氣象局 天津 300457；2. 山西省朔州市朔城氣象局 山西朔州 036002)

0 引 言

近年來，隨著交通迅速發(fā)展，大霧天氣對(duì)交通經(jīng)濟(jì)的影響引起了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。它作為一種高影響的災(zāi)害性天氣，與霧雨暴雨、臺(tái)風(fēng)等強(qiáng)天氣一起并列為16種需要重點(diǎn)關(guān)注并及時(shí)發(fā)布預(yù)警信號(hào)的災(zāi)害性天氣之一。[1]由于空氣中懸浮的大量水滴或冰晶微粒使水平能見度降至 1,000,m以下的近地面天氣現(xiàn)象稱為“霧”。[2]霧通常是在穩(wěn)定的天氣背景下形成的，并具有較強(qiáng)的地域性特征，大量學(xué)者[3-5]對(duì)我國(guó)各地大霧的氣候特征和環(huán)流背景進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)大霧過程的氣候規(guī)律及大尺度背景條件有明顯的差異。大霧比其他常見的災(zāi)害性天氣更具有局地性，主要發(fā)生在近地面層，對(duì)人類活動(dòng)有很大影響。孫旭東等[6]模擬了大氣邊界層內(nèi)海陸交界處的平流輻射霧的形成和演變規(guī)律，表明夜間盛行風(fēng)將暖濕空氣帶入陸地，水汽經(jīng)輻射冷卻形成霧，地面陸風(fēng)環(huán)流起了一定作用。宋潤(rùn)田等[7]利用多普勒聲雷達(dá)的實(shí)時(shí)資料對(duì)平流霧時(shí)溫度場(chǎng)和相應(yīng)水平風(fēng)場(chǎng)的分布特征進(jìn)行了分析。

華北西到黃土高原，北靠燕山，東臨渤海、黃海，特定的地理位置使該地區(qū)霧的發(fā)生頻率較高。普查1970—1994年共16年的歷史資料表明，峰值出現(xiàn)在11月至次年 1月份，谷值一般在 4～6月份，3月最低，大霧持續(xù)時(shí)間以 12月和 1月最長(zhǎng)。[8]2012年1月8～10日，華北平原出現(xiàn)了入冬以來最強(qiáng)的一次大霧天氣過程。這場(chǎng)大霧范圍廣、強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。大霧天氣過程成因復(fù)雜，其形成往往受到特定的地理?xiàng)l件、特殊的天氣背景以及大氣邊界層多種熱力和動(dòng)力因子的綜合影響，加之受探空資料不足及時(shí)空分辨率較低的限制，人們對(duì)大霧過程的形成機(jī)理認(rèn)識(shí)和研究乃至在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作中的認(rèn)識(shí)不夠深入。本文采用較高時(shí)空分辨率的實(shí)測(cè)站點(diǎn)資料、NCEP再分析資料，通過對(duì)2012年1月8～10日華北地區(qū)一次持續(xù)性大霧過程的大尺度背景條件、熱動(dòng)力要素的空間結(jié)構(gòu)及其時(shí)間演變特征進(jìn)行分析和計(jì)算，揭示本次過程長(zhǎng)時(shí)間維持的原因，提高平流霧天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警能力，為人工影響霧天氣提供基礎(chǔ)。

1 大霧發(fā)展過程及大尺度天氣背景

1.1 大霧天氣過程

2012年 1月 8～10日，華北平原出現(xiàn)了一次大范圍持續(xù)性大霧過程。圖 1是天津市氣象衛(wèi)星遙感中心根據(jù)連續(xù)3天的NOAA衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)經(jīng)過圖像處理獲得的華北地區(qū)大霧覆蓋范圍的狀況。由圖 1可以看出，8～10日霧區(qū)主要分布在山東南部、河北中南部、北京東部以及天津大部，并且可以清楚地看出天津地區(qū)由輕霧轉(zhuǎn)為大霧的過程。

根據(jù)地面加密觀測(cè)資料顯示(見圖 2)，這次大霧過程于 8日凌晨首先在河北南部及山東中北部的部分地區(qū)產(chǎn)生，之后迅速擴(kuò)展到整個(gè)華北平原。9日08時(shí)天津大部分地區(qū)為晴空區(qū)，地面為弱風(fēng)條件，風(fēng)速一般介于 2～4,m/s之間，能見度在 1.5～2,km 左右。9日夜間(見圖 2b)天津大部分地區(qū)以偏東或偏南風(fēng)為主，表明近地層有來自東部海洋或南方地區(qū)的暖濕氣流輸送。10日清晨為大霧發(fā)展的最強(qiáng)時(shí)段，京津地區(qū)、河北、山東等地大霧彌漫。10日 05時(shí)，天津東部沿海地區(qū)大霧繼續(xù)加濃，塘沽站能見度記為 0，其他大部分地區(qū)能見度均在 1,km 以下，有的甚至不到十幾米。10日凌晨，天津部分地區(qū)還出現(xiàn)了霧雨(即霧與毛毛雨共生的天氣)。10日下午，受西伯利亞一股較強(qiáng)冷空氣東移南下和地面西北大風(fēng)的影響，這場(chǎng)持續(xù)了 3天的大霧過程才趨于結(jié)束，由圖 2(e)的10日 14時(shí)實(shí)況圖可見，地面均轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，能見度逐漸轉(zhuǎn)好。

圖1 2012年1月8日～10日遙感監(jiān)測(cè)圖像Fig.1 Remote sensing images from,Jan. 8～10，2012

圖2 2012年1月9～10日地面實(shí)況圖Fig.2 Surface maps from Jan. 9～10，2012

1.2 霧過程的大尺度環(huán)流背景

圖3采用NCEP 1,°×1,°再分析資料分析霧生消過程的大尺度天氣系統(tǒng)更替。對(duì)流層中層500,hPa位勢(shì)面上，中緯地區(qū)處在極渦底部，呈緯向型分布，8日白天到 10日白天，華北地區(qū)始終處于淺槽前部受西南暖濕氣流影響。10日 20時(shí)，中緯地區(qū)轉(zhuǎn)為橫槽控制，隨著橫槽轉(zhuǎn)豎，冷空氣快速南下進(jìn)入華北地區(qū)，導(dǎo)致大霧天氣的消亡。低層 850,hPa上，西風(fēng)槽處于河套地區(qū)以東，華北地區(qū)受一弱暖脊控制。低層西南暖濕氣流的存在不但有利于地面弱冷氣團(tuán)變性減弱，使系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)速減小，而且也有利于低層逆溫層的形成，并且給華北地區(qū)帶來了源源不斷的水汽。到10日20時(shí)，西風(fēng)槽東移至黃渤海上空，華北受槽后西北氣流控制。結(jié)合大尺度天氣形勢(shì)綜合分析得到，盡管霧前期兼有蒸發(fā)霧的特征，但總體來看，暖濕平流作用顯著，歸為一次平流霧天氣過程更為恰當(dāng)。

圖3 500,hPa(a，b)和850,hPa(c，d)位勢(shì)高度場(chǎng)(實(shí)線，單位：10,gpm)和溫度場(chǎng)(虛線，單位：℃)，海平面氣壓(單位：hPa)和1,000,hPa風(fēng)場(chǎng)(單位：m/s)(e，f)Fig.3 Geopotential height(solid，10 gpm)and temperature(dotted，℃)at 500,hPa(a，b)and 850,hPa(c，d)，sea level pressure(hPa)and wind field at 1,000,hPa(m/s)(e，f)

2 大霧基本特征及其維持原因

圖 4是大霧發(fā)生前后經(jīng)過天津塘沽方向的大氣動(dòng)力和熱力特征隨高度的分布，從渦度的垂直分布來看，大霧發(fā)生時(shí)的 10日 08時(shí)(圖 4a)，850,hPa以下的邊界層均為負(fù)渦度區(qū)，僅在 117.5～119,°E的天津及以東地區(qū)為正渦度區(qū)，該正渦度區(qū)為霧區(qū)西部的對(duì)流層中高層強(qiáng)盛正渦度區(qū)向下伸展的結(jié)果；而大霧消散時(shí)的20時(shí)(圖4b)，整個(gè)華北地區(qū)近地層均為負(fù)渦度控制，負(fù)渦度中心較低，都位于邊界層內(nèi)，天津地區(qū)上空950,hPa均為正渦度區(qū)。散度的垂直分布顯示大霧發(fā)生時(shí)的10日08時(shí)(圖4c)，在850,hPa以下的邊界層，華北地區(qū)正負(fù)散度區(qū)相間分布，表明大氣邊界層存在一定的湍流擴(kuò)散效應(yīng)，從而有利于霧向上發(fā)展；注意到霧區(qū)上空的 950～700,hPa有一大于 1.5×10-5,s-1的正散度區(qū)，表明對(duì)流層中低層存在一支下沉氣流至邊界層，水汽不易向上輸送，從而有利于低層逆溫層結(jié)的建立。相對(duì)濕度的垂直剖面顯示(圖4e)，天津地區(qū)邊界層內(nèi)950,hPa存在一大濕區(qū)，濕層厚度較淺薄，相對(duì)濕度超過60%的高度在925,hPa左右，850,hPa以上則為相對(duì)濕度低于 50%的干層；大霧結(jié)束的 20時(shí)(圖 4f)，包括天津在內(nèi)的整個(gè)華北地區(qū)濕度迅速減小，東部渤海區(qū)域濕度迅速增大，且濕層厚度較高。

圖4 沿 39,°N的渦度(單位：10-5,s-1；a，b)散度(單位：10-5,s-1；c，d)相對(duì)濕度(單位：%；e，f)和垂直環(huán)流(u的單位：m/s；w的單位：10-1,m/s；g，h)的緯向-高度剖面圖Fig.4 The cross sections of vorticity(10-5,s-1；a，b)，divergence(10-5,s-1；c，d)and relative humidity(%；e，f)，vertical circulation(u：m/s；w：10-1,m/s；g，h)along 39,°N

3 結(jié)果與討論

天津及華北地區(qū)此次持續(xù)性大霧的形成是發(fā)生在人口集中、城市高速發(fā)展的大都市環(huán)境下復(fù)雜熱動(dòng)力因素的綜合過程。本文采用較高分辨率的臺(tái)站實(shí)測(cè)資料、FY-2E云圖和NCEP再分析資料對(duì)2012年1月 8～10日華北地區(qū)持續(xù)性大霧天氣過程進(jìn)行了觀測(cè)研究，結(jié)果表明：①高空淺槽及地面弱氣壓場(chǎng)的穩(wěn)定維持為本次大霧過程提供了良好的背景條件。后期橫槽轉(zhuǎn)豎，冷空氣南下，偏北風(fēng)的爆發(fā)是驅(qū)散大霧消散的動(dòng)力因子。②近地面相對(duì)濕度大、逆溫層的存在和大氣穩(wěn)定性層結(jié)等氣象因素是大霧形成的基本特征。③850,hPa以下氣層的暖平流區(qū)，地面弱降水蒸發(fā)以及地面弱風(fēng)的維持，都是造成大霧天氣的重要原因之一。④大霧的生成與特定的天氣形勢(shì)和多種氣象要素有關(guān)，其中低層高濕、弱風(fēng)以及逆溫是形成大霧天氣的必要條件。

霧的發(fā)展、維持和消散，與下墊面熱狀況、低層的湍流條件等有著密切的關(guān)系。因此充分利用邊界層高時(shí)空分辨率資料和數(shù)值模擬研究，以便更加深入研究華北地區(qū)大霧的觸發(fā)機(jī)制是可以繼續(xù)開展的工作。■

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