廈門春季大霧演變過程的邊界層特征分析*

黃惠镕 荀愛萍 鄭澤華 孫瓊博 韓 美

(1.海峽氣象開放實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361012；2.廈門市氣象局，福建 廈門 361012；3.福建省氣象臺(tái)，福建 福州 350001)

1 概述

大霧指的是在一定大氣環(huán)流形勢(shì)下，低層大氣中出現(xiàn)水汽凝結(jié)，大氣能見度小于1000 m的天氣現(xiàn)象，使陸地、海上及沿海地區(qū)能見度降低，嚴(yán)重影響海、陸、空交通的安全。

大霧是發(fā)生在大氣邊界層中的天氣現(xiàn)象[1-3]，分析發(fā)現(xiàn)大氣層結(jié)穩(wěn)定、低層水汽充沛、持續(xù)逆溫層、水平風(fēng)速小對(duì)大霧的發(fā)展和維持有重要作用，且逆溫層厚度和強(qiáng)度變化與霧濃度的轉(zhuǎn)換關(guān)系密切[4-5]。大霧發(fā)展過程中還涉及到風(fēng)切變、湍流交換、熱通量等復(fù)雜的邊界層過程。研究表明，湍流交換是大霧中的關(guān)鍵物理過程，湍流熱量交換機(jī)制與霧層的非充分混合結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系[6]，湍流混合作用可以將中上層濕區(qū)水汽和霧滴帶到低層，有利于空氣的降溫，易達(dá)到飽和凝結(jié)而形成大霧[7-9]。低層風(fēng)速增大、風(fēng)切變加大引起機(jī)械湍流增大，會(huì)導(dǎo)致大霧消散[10]。熱通量包括感熱通量和潛熱通量，不同類型大霧的熱量通量存在明顯差異，分析發(fā)現(xiàn)，冷平流霧的感熱通量和潛熱通量是向上的，而暖平流霧中兩者為向下的[11]。

福建沿海及臺(tái)灣海峽是大霧多發(fā)的交通要道[12]，關(guān)于福建沿海大霧的邊界層特征研究目前以個(gè)例分析為主[13-14]，長(zhǎng)時(shí)間較多個(gè)例大霧的邊界層特征統(tǒng)計(jì)還有待進(jìn)一步研究。本文利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、ERA-Interim再分析資料和L波段雷達(dá)探測(cè)資料來分析2007—2016年廈門大霧演變過程的邊界層氣象要素特征，探討大霧的成因和生消機(jī)理，為大霧預(yù)報(bào)、預(yù)警提供一些參考依據(jù)。

2 大霧分類

本文采用資料包括：①2007—2016年廈門站地面氣象要素觀測(cè)資料，包括能見度、氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速、現(xiàn)在天氣現(xiàn)象等要素，時(shí)間間隔為3 h；②2007—2016年廈門L波段雷達(dá)探測(cè)資料，觀測(cè)時(shí)間為每日07∶00和19∶00，垂直分辨率為30 m，探測(cè)溫度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速和濕度等氣象要素；③2007—2016年ERA-Interim再分析資料，水平空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為6 h，垂直方向850～1000 hPa共7個(gè)層次。利用2007—2016年廈門站逐3h能見度觀測(cè)、雨量、天空狀況數(shù)據(jù)，并結(jié)合衛(wèi)星觀測(cè)資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)廈門大霧霧日主要集中在2～5月，共有160個(gè)春季大霧個(gè)例。大霧是在一定條件的大、中尺度環(huán)流場(chǎng)中生成的，通過分析大霧演變過程的高低空形勢(shì)場(chǎng)、物理量場(chǎng)等，將廈門大霧分為4類：鋒前霧、平流霧、雨霧和輻射霧。其中雨霧發(fā)生次數(shù)最多，達(dá)91次，占比56.9%，其次是平流霧，有38次，占23.8%，鋒前霧23次，占14.4%，輻射霧發(fā)生次數(shù)較少，僅有8次，占5.0%。可見廈門大霧類型以雨霧、平流霧、鋒前霧為主，輻射霧占比小，本文主要針對(duì)這三類大霧進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征分析。

3 日變化特征

根據(jù)霧的起止時(shí)間粗略計(jì)算廈門大霧持續(xù)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)雨霧的持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，平均可持續(xù)11.13h，持續(xù)接近4個(gè)觀測(cè)時(shí)次，鋒前霧為5.88h，持續(xù)2個(gè)觀測(cè)時(shí)次，平流霧為5.22h，持續(xù)接近2個(gè)觀測(cè)時(shí)次。

通過分析2007—2016年廈門春季大霧日變化(圖1)，發(fā)現(xiàn)大霧發(fā)生時(shí)刻多集中在凌晨及夜晚，呈現(xiàn)“雙峰型”。鋒前霧在凌晨05∶00～08∶00出現(xiàn)頻率最高；平流霧最多出現(xiàn)在05∶00，此時(shí)氣溫最低，氣海溫差加大，有利于平流霧的形成；雨霧多形成于02∶00～08∶00及20∶00～23∶00。廈門大霧的日變化與氣溫日變化有關(guān)，隨著氣溫升高而消散或減弱，氣溫在夜晨較低，午后氣溫最高，因此午后大霧出現(xiàn)頻率較少，而雨霧同時(shí)受到水汽條件影響，日分布特征較不明顯。

圖1 2007—2016年廈門春季(2～5月)不同類型大霧日分布

4 邊界層特征分析

利用L波段雷達(dá)探測(cè)資料及ERA-interim再分析資料，分析850～1000 hPa廈門鋒前霧、平流霧及雨霧的熱力、水汽、湍流及熱量通量特征。其中邊界層熱力條件采用L波段雷達(dá)探空資料進(jìn)行分析，水汽條件、湍流特征及熱量通量分析采用ERA-interim再分析資料。

將廈門大霧演變過程劃分為3階段：能見度逐漸下降至接近1 km，稱為大霧形成階段(簡(jiǎn)稱霧前階段，下同)；能見度快速下降至1 km以下，大霧發(fā)展維持階段(霧中階段)；能見度迅速增大到1 km 以上，作為霧的消散階段(霧后階段)。通過分析大霧不同階段的邊界層演變特征，來揭示廈門大霧發(fā)展生消的物理機(jī)制。

4.1 邊界層熱力條件

鋒前霧的霧前階段冷空氣未南下，氣溫較高，950～1000 hPa溫度維持在18.1 ℃以上，逆溫層厚度淺薄，逆溫層內(nèi)溫差??；霧中階段冷空氣從地面滲透，近地面層溫度下降明顯，925～1000 hPa氣溫降低至16.5～17 ℃，下降1.5 ℃左右，925～975 hPa形成逆溫層，逆溫層高度抬升且厚度加大，溫差增大；霧后冷空氣進(jìn)一步影響，900～950 hPa溫度下降明顯，1000 hPa氣溫下降至14.4℃，975～990 hPa有逆溫層，逆溫層高度降低，厚度變小，大霧減弱消散(圖2a)。平流霧的霧前階段整體溫度較高，1000 hPa氣溫為22.3 ℃，950～975 hPa為等溫層；霧中階段暖濕空氣與下墊面的溫度差異較大，低層空氣迅速降溫，1000 hPa氣溫下降至17.6 ℃，上層空氣因遠(yuǎn)離地表、降溫少，925～1000 hPa呈逆溫、等溫分布，逆溫層及等溫層增厚；霧后階段氣溫明顯升高，1000 hPa上升至21.9 ℃，逆溫層厚度減小，霧減弱消散(圖2b)。雨霧演變過程溫度差異較小，霧前階段氣溫略低一些，1000 hPa為16.2 ℃；霧中階段由于水汽飽和，1000 hPa氣溫升高至16.6 ℃，925～975 hPa有逆溫-等溫層，逆溫層及等溫層的厚度增加；霧后階段水汽凝結(jié)潛熱釋放減少，氣溫小幅度上升，大霧逐漸消散(圖2c)。

圖2 廈門鋒前霧、平流霧、雨霧850～1000 hPa邊界層溫度垂直分布(單位：℃)

三種類型廈門大霧的霧中階段大氣邊界層內(nèi)均有逆溫或等溫結(jié)構(gòu)，逆溫層及等溫層厚度明顯加大，逆溫層高度抬升，大氣穩(wěn)定度增加，使得大量低層水汽及凝結(jié)核粒子在低層聚集，有利于大霧的形成。

4.2 邊界層水汽條件

相對(duì)濕度直接反映的是大氣的飽和程度，分析邊界層相對(duì)濕度的演變來探討大霧演變過程中水汽條件變化。鋒前霧的霧中階段低層850～1000 hPa相對(duì)濕度增加，鋒前暖濕空氣使空氣中水汽增加，飽和空氣層厚度變大，形成大霧；霧后階段鋒面過境，冷空氣作用下，950～1000 hPa相對(duì)濕度明顯減少至90 %以下，1000 hPa相對(duì)濕度下降至84.5%，大霧層變薄(圖3a)。平流霧的霧中階段近地面空氣接觸到冷地表，空氣冷卻達(dá)到飽和，925～1000 hPa相對(duì)濕度增大，1000 hPa濕度為93.9 %，850～925 hPa遠(yuǎn)離地面無空氣冷卻未達(dá)到飽和；霧后階段950～1000 hPa濕度減小，850～925 hPa濕度加大(圖3b)。雨霧演變過程中相對(duì)濕度變化較小，霧中階段邊界層950～1000 hPa相對(duì)濕度增大至89%以上，達(dá)到水汽飽和；霧后階段，950～1000 hPa相對(duì)濕度增大至90%以上，近地面層相對(duì)濕度減小(圖3c)。

圖3 廈門鋒前霧、平流霧、雨霧850～1000 hPa邊界層相對(duì)濕度垂直分布(單位：%)

從廈門三種類型大霧對(duì)比來看，霧前階段濕層淺薄，霧中階段925～975 hPa相對(duì)濕度增大，空氣濕度近于飽和，飽和空氣層厚度變大是導(dǎo)致大霧持續(xù)發(fā)展的重要因子，霧后階段近地面層相對(duì)濕度減小，大霧減弱消散。

4.3 邊界層湍流特征

鋒前霧的霧前階段875～1000 hPa風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)-偏南風(fēng)，風(fēng)速為0.9～4.9 m/s；霧中階段925～1000 hPa風(fēng)向偏南分量加大，風(fēng)速減小至0.8～2.2 m/s，875 hPa以上轉(zhuǎn)偏西風(fēng)；霧后階段高層轉(zhuǎn)為偏北氣流，925 hPa以下偏南風(fēng)角度分量減小，轉(zhuǎn)為西南氣流，風(fēng)速增大至1.4～2.4 m/s(圖4a)。平流霧的霧前階段975～1000 hPa為東南風(fēng)，950 hPa以上轉(zhuǎn)西南風(fēng)，風(fēng)速為0.8～5.2 m/s；霧中階段整層轉(zhuǎn)為一致偏南風(fēng)，風(fēng)速減小至0.3～5 m/s；霧后階段975 hPa以上風(fēng)速加大至1.2～5.2 m/s，西南風(fēng)角度分量增大(圖4b)。雨霧的霧前階段950～1000 hPa為東南風(fēng)，925 hPa以上轉(zhuǎn)偏南風(fēng)，風(fēng)速減小為0.2～4.2 m/s，霧中階段925 hPa以下為偏南風(fēng)-東南風(fēng)，風(fēng)速減小為0.2～3.2 m/s，霧后階段875～1000 hPa風(fēng)速加大至1.9～5.3 m/s(圖4c)。

廈門三類大霧的霧前階段風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，順時(shí)針暖平流，暖平流對(duì)低層增溫、增濕極為有利；霧中階段900～1000 hPa偏南風(fēng)角度分量加大，風(fēng)速減小，不利于水汽向四周擴(kuò)散，有利于大霧發(fā)展維持；霧后階段875～975 hPa風(fēng)速增大，低層風(fēng)速增大會(huì)引起水汽向四周擴(kuò)散，導(dǎo)致大霧消散。探討廈門三類大霧生消過程中925～1000 hPa垂直風(fēng)切變的變化，鋒前霧、平流霧及雨霧的霧中階段垂直風(fēng)切變?yōu)?、5.2、 4.3 m/s，相比霧前階段減小0.8～1.6 m/s，垂直風(fēng)切變的減小使得低層的暖濕空氣聚集在低層，有利于大霧在逆溫層內(nèi)的維持和發(fā)展，霧后階段鋒前霧和平流霧垂直風(fēng)切變?cè)龃?，霧抬升為低云或減弱消散。

大霧霧層內(nèi)部適度的湍流混合作用，有助于大霧的維持和發(fā)展。利用理查森數(shù)(Ri)來揭示大氣的湍流發(fā)展?fàn)顩r，其計(jì)算公式為：

其中，g為重力加速度，θ表示位溫，T0是地面絕對(duì)溫度，u為風(fēng)速，z為高度。Ri=0.25為臨界理查森數(shù)，01，為層流狀態(tài)，霧開始消散(圖4f)。

圖4 廈門鋒前霧、平流霧、雨霧850～1000 hPa邊界層風(fēng)垂直分布(風(fēng)矢，單位：m/s)及理查森數(shù)Ri分布

4.4 邊界層熱量通量特征

由于廈門地處福建沿海，因此通過計(jì)算海氣界面處的熱通量來分析感熱通量和潛熱通量的變化，其中感熱通量主要是由于海氣溫差引起的海洋大氣之間的熱輸送，潛熱通量則是主要由于海水蒸發(fā)引起的熱輸送。

計(jì)算分析廈門大霧不同階段的熱量通量變化，鋒前霧的霧前階段感熱通量和潛熱通量平均值為17.2、41.22 W/m2，霧中階段為-2.88、-9.86 W/m2，向上通量變?yōu)橄蛳峦浚F后階段向下通量加大為-64.64、-81.55 W/m2。平流霧的霧前階段熱量通量平均值為78.23、139.76 W/m2，霧中階段為11.03、28.03 W/m2，向上通量減小，霧后階段為-50.5、-65.91 W/m2。雨霧的霧前階段為18.58、26.11 W/m2，霧中階段為6.55、9.72 W/m2，向上通量減小，霧后階段為-39.12、-54.3 W/m2。

廈門三類大霧的霧中階段熱量通量絕對(duì)值均為由大到小變化，平流霧、雨霧的感熱通量、潛熱通量平均值為向上，鋒前霧的平均值是向下的，霧后階段的熱量通量絕對(duì)值呈現(xiàn)由小到大變化。熱量通量絕對(duì)值變小，與垂直風(fēng)切變變化一致，說明廈門上空通過湍流交換輸送的熱量由多變少，使得氣溫逐漸下降，水汽凝結(jié)。

圖5 廈門大霧霧前、霧中、霧后階段感熱通量、潛熱通量演變(單位：W/m2)

5 結(jié)論

(1)廈門大霧類型以雨霧、平流霧、鋒前霧為主，大霧發(fā)生時(shí)刻多集中在凌晨及夜晚，而雨霧日分布特征不明顯。

(2)大霧的霧中階段伴有明顯逆溫層或等溫層結(jié)構(gòu)，逆溫層及等溫層厚度加大，逆溫層高度抬升，飽和空氣層厚度變大，是導(dǎo)致大霧持續(xù)發(fā)展的重要因子。

(3)霧中階段偏南風(fēng)角度分量加大，風(fēng)速減小，垂直風(fēng)切變減弱，不利于水汽向四周擴(kuò)散，加上低層合適湍流混合作用，有利于大霧發(fā)展維持；霧后階段低層風(fēng)速加大，垂直風(fēng)切變?cè)龃螅牧髯饔棉D(zhuǎn)層流作用，導(dǎo)致大霧消散。

(4)大霧的霧中階段熱量通量絕對(duì)值均為由大到小變化，平流霧、雨霧的感熱通量、潛熱通量平均值為向上，鋒前霧的平均值是向下的，霧后階段的熱量通量絕對(duì)值呈現(xiàn)由小到大變化。