京津冀夏季霧的特征與預(yù)報(bào)*

許 敏 李江波 田曉飛 黃浩杰

1 河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050021 2 河北省廊坊市氣象局，廊坊 065000 3 河北省氣象臺(tái)，石家莊 050021

提 要：綜合運(yùn)用氣象地面和高空觀測(cè)資料、自動(dòng)站資料、衛(wèi)星云圖及ERA5資料，分析了2000—2019年京津冀地區(qū)夏季霧的時(shí)空分布、邊界層，以及高空地面氣象要素特征，建立了夏季霧天氣概念模型，并進(jìn)行了典型個(gè)例分析。結(jié)果表明：京津冀大部分地區(qū)平均每年出現(xiàn)夏季霧1～4 d，西北部、東北部和東南部出霧時(shí)最小能見(jiàn)度相對(duì)偏低，張家口中部至保定西北部、保定東南部至滄州中部和衡水一帶平均最小能見(jiàn)度可低至300 m以下；平原地區(qū)夏季霧持續(xù)日數(shù)空間差異小，普遍為1～1.4 d，山區(qū)持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)；霧的生消有明顯日變化，夜間至日出前后高發(fā)，日出后3 h內(nèi)消散。夏季霧出現(xiàn)時(shí)通常逆溫層底高、厚度薄、溫差小、強(qiáng)度弱，地面氣溫日較差在7℃以上，風(fēng)速為1～2.4 m·s-1是有利于霧形成的重要條件，霧發(fā)生時(shí)風(fēng)向以偏南風(fēng)或偏北風(fēng)為主。京津冀夏季霧的三種典型概念模型為高空槽后或高壓脊控制下的輻射霧、高空槽前西南氣流控制下的平流霧或平流輻射霧、副熱帶高壓控制下的雨霧。

引 言

霧是大量氣溶膠粒子、微小水滴或冰晶懸浮于空中,使近地面水平能見(jiàn)度降到1 km以?xún)?nèi)的天氣現(xiàn)象。霧中的水滴或冰晶，直徑一般在5～50 μm，典型的霧滴直徑多為10～20 μm。從氣象角度看，云和霧實(shí)質(zhì)是一樣的，如果云底降到地面就是霧,因此也可以說(shuō)，霧是接地的層云(Roach,1994)。濃霧會(huì)對(duì)航空、海洋和陸地運(yùn)輸產(chǎn)生重大影響，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，直接或間接地影響著人們的日常生活，一直被氣象學(xué)、環(huán)保學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域研究人員所關(guān)注。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外氣象學(xué)者對(duì)霧過(guò)程所涉及到的霧滴微物理學(xué)(Pruppacher and Klett, 1997)、氣溶膠化學(xué)(Bott，1991)、輻射(Brown and Roach,1976)、湍流(Roach,1976)、大/中小尺度動(dòng)力學(xué)(Byers,1959；Petterssen,1969)和地表?xiàng)l件(Duynkerke，1991)等方面進(jìn)行了研究。通過(guò)觀測(cè)試驗(yàn)(Gultepe et al,2006；2007)、氣候統(tǒng)計(jì)(Tardif and Rasmussen,2007)、數(shù)值模擬(Müller,2006；郭麗君，2019)等手段來(lái)研究霧的形成、發(fā)展和消散機(jī)制。

近些年，城市群規(guī)模在不斷擴(kuò)大，大霧作為一種災(zāi)害性天氣，引起了各界的普遍關(guān)注。京津冀作為中國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的三大城市群之一，是我國(guó)秋、冬季大霧的高發(fā)區(qū)，而京津冀的平原地區(qū)尤其突出。統(tǒng)計(jì)表明，華北平原是我國(guó)北方秋、冬季大霧發(fā)生頻次較高地區(qū)，且多連續(xù)性大霧天氣，最長(zhǎng)可連續(xù)14 d(吳兌等，2009；李江波等，2010)。其主要原因?yàn)椋阂皇歉呖站曄颦h(huán)流長(zhǎng)時(shí)間維持導(dǎo)致的冷空氣活動(dòng)偏弱，加上太行山、燕山對(duì)冷空氣的阻擋和消弱造成的華北平原長(zhǎng)期靜穩(wěn)天氣形勢(shì)；二是緯向環(huán)流背景下多個(gè)“干性短波槽”活動(dòng)、大尺度下沉運(yùn)動(dòng)、太行山地形造成的地形輻合線(xiàn)及偏西氣流越過(guò)太行山下沉增溫導(dǎo)致的層結(jié)更加穩(wěn)定(趙玉廣等，2015)。霧作為邊界層內(nèi)一種特殊的天氣現(xiàn)象，與邊界層結(jié)構(gòu)有著密切聯(lián)系。蔡子穎等(2012)利用天津邊界層梯度觀測(cè)平臺(tái)，分析了2010年11月28日至12月2日一次霧過(guò)程的邊界層結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果表明：此次過(guò)程霧階段水汽最先在離地面80～100 m的高度凝結(jié)，平流霧階段水汽由上往下傳輸，霧發(fā)生前大氣屬于不穩(wěn)定層結(jié)，隨著霧的發(fā)生，霧內(nèi)部呈中性大氣層結(jié)，直至霧消散，中性層結(jié)瓦解，霧層變薄，觀測(cè)到霧頂上部出現(xiàn)逆溫層，當(dāng)霧消散以后，大氣重新處于不穩(wěn)定狀態(tài)。另有許多學(xué)者分別從統(tǒng)計(jì)特征和大霧發(fā)生氣象條件(田華和王亞偉，2008；毛冬艷和楊貴名，2006)、動(dòng)力熱力及水汽特征(康志明等，2005；何立富等，2006)、大霧類(lèi)型(許愛(ài)華等，2016)等方面進(jìn)行了分析和研究。

雖然針對(duì)霧的研究成果較多，但基本上是針對(duì)秋、冬季大霧的，對(duì)夏季霧的研究甚少。宗晨等(2019)對(duì)江蘇省夏季濃霧的時(shí)空分布特征及影響因子進(jìn)行分析研究，認(rèn)為夏季濃霧易在氣溫小于29℃、風(fēng)速低于3 m·s-1，且盛行偏東風(fēng)的條件下形成；成霧前6～24 h出現(xiàn)的弱降水為近地層提供水汽，此后天氣轉(zhuǎn)晴，靜穩(wěn)的大氣層結(jié)下有利于夏季濃霧的出現(xiàn)；低溫高濕的梅雨期是夏季濃霧在6月高發(fā)的可能原因。廖曉農(nóng)等(2014)通過(guò)對(duì)比分析揭示了冬、夏季持續(xù)6 d的2個(gè)霧-霾過(guò)程形成和維持機(jī)制的異同，認(rèn)為氣溶膠區(qū)域輸送、環(huán)境大氣保持對(duì)流性穩(wěn)定、空氣的高飽和度是夏季持續(xù)性霧-霾天氣發(fā)生的重要條件；夏季霧-霾過(guò)程低層沒(méi)有逆溫,但是北京上空一直維持超過(guò)200 J·kg-1的對(duì)流抑制能量,它同樣限制了污染物的垂直擴(kuò)散。

在夏季，由于晝長(zhǎng)夜短，夜間有效長(zhǎng)波輻射降溫較秋、冬季明顯減弱，同時(shí)大氣層結(jié)多為不穩(wěn)定層結(jié)，使得夏季霧的發(fā)生概率相對(duì)較小，連續(xù)性大霧更少，因此預(yù)報(bào)難度較大，容易出現(xiàn)漏報(bào)。而大霧一旦出現(xiàn)，會(huì)對(duì)交通造成重大影響，危害生命安全。可見(jiàn)，加強(qiáng)夏季霧的研究工作，掌握其特征、規(guī)律及發(fā)生機(jī)制，對(duì)提高夏季霧的預(yù)報(bào)水平有重要意義。本文將應(yīng)用2000—2019年高時(shí)空分辨率的地面、高空觀測(cè)資料及ERA5再分析資料，分析京津冀地區(qū)夏季霧的主要特征并建立預(yù)報(bào)概念模型。

1 資料和方法

本文資料的統(tǒng)計(jì)時(shí)段為2000—2019年逐年6—8月，地面要素分析使用京津冀國(guó)家氣象站觀測(cè)資料，其中因2016年起河北全省實(shí)現(xiàn)了能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)，晚于北京和天津，故能見(jiàn)度統(tǒng)一使用2016—2019年京津冀國(guó)家地面氣象站逐小時(shí)能見(jiàn)度觀測(cè)資料。形勢(shì)分析選取中國(guó)氣象局下發(fā)的MICAPS資料，以及歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心第五代大氣再分析資料(ERA5)，垂直物理量來(lái)源于邢臺(tái)L波段探空雷達(dá)資料。

霧日的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：日最小能見(jiàn)度低于1 000 m記為1個(gè)霧日；霧持續(xù)日數(shù)的計(jì)算方法為從霧出現(xiàn)第一天算起到最后出現(xiàn)霧的日期截止，期間日數(shù)即為一次連續(xù)霧的持續(xù)日數(shù)，其與霧過(guò)程數(shù)的比值為霧的平均持續(xù)日數(shù)；霧的持續(xù)時(shí)數(shù)為1日內(nèi)最小能見(jiàn)度低于1 000 m的小時(shí)數(shù)合計(jì)，平均持續(xù)時(shí)間為持續(xù)時(shí)數(shù)與霧過(guò)程數(shù)的比值。

2 夏季霧的時(shí)空分布特征

2.1 空間分布特征

2.1.1 年平均日數(shù)空間分布

京津冀夏季霧年平均出現(xiàn)日數(shù)為3.3 d，空間分布存在一定差異，具體特征為(圖1a)：大部分地區(qū)夏季霧的年發(fā)生日數(shù)為1～4 d，北京北部和東部、承德南部、唐山中南部、保定東部、滄州西部，以及邢臺(tái)和邯鄲的中東部地區(qū)為霧的相對(duì)高發(fā)區(qū)，普遍可達(dá)5～8 d，其中北京懷柔湯河口、密云上甸子，以及通州區(qū)霧日可增至12～18 d，最為特殊的是北京西北部延慶的佛爺頂，該氣象站位于海拔1 224 m的兩山之間坡面上，低能見(jiàn)度現(xiàn)象發(fā)生頻率異常高，常年有霧(趙習(xí)方等，2002)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，該站夏季霧的年均發(fā)生日數(shù)高達(dá)50.7 d。

從京津冀夏季霧出現(xiàn)時(shí)的平均最小能見(jiàn)度分布來(lái)看(圖1b)，能見(jiàn)度較低的區(qū)域集中在張家口中部至保定西北部地區(qū)，以及保定東南部至滄州中部和衡水一帶，上述地區(qū)最小能見(jiàn)度可低至300 m以下，北京、天津、承德南部至唐山西北部和石家莊及以南地區(qū)相對(duì)較高，多在400～600 m，其余地區(qū)普遍為300～400 m。對(duì)比圖1a和1b，可以發(fā)現(xiàn)除西北部的張家口地區(qū)外，霧的高發(fā)區(qū)所對(duì)應(yīng)的區(qū)域能見(jiàn)度較低。那么為什么霧發(fā)生頻次較低的張家口，霧的能見(jiàn)度較低呢？圖1c給出了霧日前一天出現(xiàn)降水的百分比空間分布，其中張家口中部，以及西南部與保定接壤的山區(qū)，在霧的前一天降雨概率普遍高達(dá)90%～100%，說(shuō)明該區(qū)域夏季所出現(xiàn)的霧基本是雨后霧，降雨過(guò)后大氣具有較高的相對(duì)濕度，同時(shí)山區(qū)有較大的氣溫日較差，夜間天空轉(zhuǎn)晴后氣溫下降，大氣中的水汽快速凝結(jié)直至過(guò)飽和狀態(tài)，有較多的霧滴生成，這可能是造成該地能見(jiàn)度較低的原因。

圖1 2000—2019年京津冀夏季霧(a)年平均日數(shù),(b)年平均最小能見(jiàn)度和(c)霧日前一天出現(xiàn)降雨概率的空間分布

2.1.2 持續(xù)時(shí)間空間分布

夏季，京津冀大多地區(qū)均有持續(xù)2 d及以上的霧出現(xiàn)，但連續(xù)霧出現(xiàn)次數(shù)相對(duì)較少，北京佛爺頂因其特殊的地理位置最長(zhǎng)持續(xù)出霧日數(shù)達(dá)到10 d。從霧過(guò)程年平均持續(xù)日數(shù)的分布可以看出(圖2a)，除佛爺頂年均持續(xù)日數(shù)可達(dá)到2.5 d，其余地區(qū)日數(shù)均為1～1.4 d。從持續(xù)的平均時(shí)長(zhǎng)來(lái)看(圖2b)，北京西北部、北京西南部至廊坊南部、唐山北部，以及邢臺(tái)和邯鄲西部出霧時(shí)普遍可持續(xù)4～6 h，其余地區(qū)多在3 h及以下，其中佛爺頂平均可持續(xù)9.8 h。可見(jiàn)，夏季霧持續(xù)時(shí)間受一定地形因素影響，平原地區(qū)差異較小，山區(qū)持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

圖2 2000—2019年京津冀夏季霧平均持續(xù)(a)日數(shù)和(b)時(shí)數(shù)

2.2 夏季霧的生消時(shí)間特征

河北省霧通常具有明顯的季節(jié)變化和日變化(宋善允等，2017)，就夏季而言(圖3)，霧的生成時(shí)間集中于23時(shí)至次日05時(shí)，發(fā)生頻率占所有夏季霧的88.2%；其中23時(shí)生成的霧最多，占16.6%，07—15時(shí)較少有霧生成，尤其是中午至傍晚前，發(fā)生頻率共計(jì)僅0.2%。相比生成，霧的消散時(shí)間更加集中，05—07時(shí)的三個(gè)時(shí)次占到了68.3%，總體特點(diǎn)為20時(shí)后消散開(kāi)始逐漸增多，06時(shí)達(dá)到峰值(28.5%)，08時(shí)迅速降至4.3%。可見(jiàn)，京津冀夏季霧的生成和消散均有明顯的日變化，生成高發(fā)時(shí)段在夜間至日出前后，消散集中于日出后3 h內(nèi)。

圖3 2000—2019年京津冀夏季霧生成和消散時(shí)間

3 夏季霧的邊界層氣象要素特征

大霧發(fā)生在近地層，其高度為幾十至幾百米，輻射霧高度通常為70～300 m，少數(shù)強(qiáng)輻射霧可達(dá)400 m；平流霧的高度略高,有時(shí)霧頂可達(dá)943～1 050 m(陸春松等，2008；濮梅娟等，2008；嚴(yán)文蓮等，2009)。成熟期霧頂一般位于逆溫層以下；夏季與冬半年大霧日低空逆溫層及濕層特征值相比較,夏季霧日逆溫層具有底高、厚度薄、溫差小、強(qiáng)度弱的特點(diǎn)，濕層具有頂高低、厚度薄、濕度大、比濕大的特點(diǎn)。這樣的特點(diǎn)使得夏季大霧維持時(shí)間較短。

邢臺(tái)地處河北南部，是夏季霧的高發(fā)區(qū)之一，并且邢臺(tái)作為河北三個(gè)高空站之一，有著更高時(shí)間分辨率的垂直觀測(cè)資料，因此將其作為代表站分析邊界層氣象要素特征。需要注意的是，由于夏季日出時(shí)間早、升溫快，08時(shí)霧大多已減弱或消散，因此08時(shí)的探空數(shù)據(jù)不能完全表征當(dāng)日的霧特征。表1給出了16次邢臺(tái)夏季大霧逆溫及濕層厚度等統(tǒng)計(jì)特征值。京津冀夏季大霧逆溫層層底和層頂在1 011～768 hPa，逆溫值在0～6℃，逆溫強(qiáng)度(用高度每增加10 hPa溫度所升高的值表示，下同)絕大部分在0.5℃以下。溫度露點(diǎn)差≤3℃的濕層厚度在1 011 hPa 至地面，但絕大多數(shù)在975 hPa至地面，濕層相對(duì)濕度的變化范圍為79%～100%，比濕的變化范圍為2.3～21.3 g·kg-1。

表1 2003—2009年邢臺(tái)夏季大霧過(guò)程邊界層逆溫及濕度等統(tǒng)計(jì)特征值

2017年7月30日早晨，河北省中南部地區(qū)出現(xiàn)了區(qū)域性大霧天氣，最低能見(jiàn)度降至50 m左右，為了深入了解出霧前后溫濕風(fēng)的情況，利用邢臺(tái)站的L波段秒級(jí)探空資料分析了垂直方向氣象要素的分布特征(圖4),結(jié)果發(fā)現(xiàn)：29日20時(shí)，在1 000～1 200 m高度出現(xiàn)了逆溫現(xiàn)象，逆溫值為1.7℃，此時(shí)相對(duì)濕度超過(guò)90%的濕層高度由500 m伸至1 000 m，而逆溫的維持及夜間近地面氣溫的逐漸下降，使得能見(jiàn)度持續(xù)降低，到30日06時(shí)多地能見(jiàn)度降至200 m以下，08時(shí)后明顯好轉(zhuǎn)(圖略)，此時(shí)逆溫層高度降至250～330 m的淺薄一層，280 m以上濕度均降至90%以下。

圖4 2017年7月典型夏季霧(a)出現(xiàn)前(29日20時(shí))和(b)結(jié)束時(shí)(30日08時(shí))邢臺(tái)站L波段溫濕廓線(xiàn)

4 夏季霧的地面氣象要素特征

4.1 氣溫與氣溫日較差

霧是近地面層水汽凝結(jié)現(xiàn)象，使未飽和空氣達(dá)到飽和狀態(tài)，可通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)：增加水汽(增濕)，使空氣冷卻(降溫)。氣溫日較差代表了某地在一天之內(nèi)氣溫降幅(或升幅)的大小，而露點(diǎn)溫度通常不像溫度那樣日變化明顯，對(duì)平原地區(qū)而言，在同一氣團(tuán)控制下，白天最高氣溫相差不大，露點(diǎn)溫度也比較接近，因此氣溫日較差越大的站點(diǎn)，越容易降至露點(diǎn)溫度達(dá)到飽和，越有利于大霧生成。圖5a反映了京津冀夏季霧發(fā)生時(shí)，氣溫日較差的分布，從整個(gè)夏季來(lái)看，氣溫日較差的中位數(shù)為8.0℃，其中上下四分位間50%的樣本氣溫日較差為6.2～9.8℃，最大可達(dá)19.5℃；從6—8月逐月分布可以看出，7月的氣溫日較差相對(duì)較小，范圍多在5.7～9.1℃，6月，上下四分位間的個(gè)例分布范圍更廣，為7.0～10.9℃，夏季三個(gè)月霧日的氣溫日較差中位數(shù)分別為8.9、7.3和8.2℃，即6月的日較差最大，7月最小。可見(jiàn)，京津冀夏季出現(xiàn)大霧時(shí)，氣溫日較差一般在8℃上下。從京津冀夏季平均日較差空間分布(圖5b)可以看出，在平原地區(qū)，廊坊、保定東部、滄州、邢臺(tái)北部日較差為8～11℃，明顯高于其他地區(qū)，對(duì)比霧區(qū)分布圖2，這幾個(gè)區(qū)域恰好是夏季霧高發(fā)區(qū)。圖5c給出了霧發(fā)生時(shí)氣溫的分布情況，進(jìn)一步分析可知，在出霧時(shí)段，6月氣溫相比最低，中位數(shù)為17.2℃，氣溫在15.2～18.7℃時(shí)是夏季霧形成的氣溫條件之一，到了7月和8月，出現(xiàn)霧時(shí)氣溫需達(dá)到18.6～23.9℃，中位數(shù)在22℃左右。

圖5 2000—2019年京津冀夏季霧日(a)氣溫日較差分布箱形圖,(b)平均氣溫日較差空間分布,(c)氣溫分布箱形圖

霧日前期露點(diǎn)溫度越高，相對(duì)濕度越高，氣溫降至露點(diǎn)溫度的幅度就越小。圖6給出了夏季霧日氣溫日較差與霧發(fā)生前一天14時(shí)相對(duì)濕度的關(guān)系，從中可見(jiàn)，氣溫日較差與相對(duì)濕度呈明顯的反相關(guān)關(guān)系，即霧日的前一天14時(shí)相對(duì)濕度越大，達(dá)到飽和需要降溫的幅度就越小，14時(shí)相對(duì)濕度越小，需要降至露點(diǎn)溫度的幅度就越大，才能形成霧。霧日的前一天的相對(duì)濕度多為50%～80%，相應(yīng)的氣溫日較差需5～10℃。通過(guò)擬合曲線(xiàn)，可以預(yù)估在一定的濕度條件下，形成霧所需下降的溫度。例如，如果14時(shí)相對(duì)濕度為70%，則降溫幅度至少為7℃，可使得空氣達(dá)到飽和。

圖6 2000—2019年京津冀夏季霧日氣溫日較差與前一天14時(shí)相對(duì)濕度的相關(guān)關(guān)系

4.2 地面風(fēng)

為了了解京津冀復(fù)雜地形下夏季霧的風(fēng)向特征，對(duì)不同區(qū)域風(fēng)向頻率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示(圖7)：東北、中東部和南部地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向以北風(fēng)為主，尤以北京南部至廊坊的平原地區(qū)和東南位置的衡水北風(fēng)占比達(dá)到30%～50%，其中秦皇島、唐山和石家莊西北風(fēng)的出現(xiàn)頻次僅此于北風(fēng)，即風(fēng)向偏西的分量明顯高于其他地區(qū)。西北部壩上高原的張家口和太行山東麓的保定地區(qū)南至西南方向的風(fēng)更加突出，張家口南至西西南方向的風(fēng)向頻率共占到了59%，而東臨渤海的滄州則偏東風(fēng)為北風(fēng)以外的次高風(fēng)向。由此可見(jiàn)，夏季京津冀在出現(xiàn)霧的時(shí)段內(nèi)，除張家口和保定以南風(fēng)或西南風(fēng)為主外，其余地區(qū)主要風(fēng)向均為北風(fēng)，風(fēng)向的多樣性與地形的復(fù)雜程度有著密切關(guān)系。

圖7 2000—2019年京津冀夏季霧出現(xiàn)時(shí)段地面風(fēng)向頻率的空間分布

圖8為夏季霧出現(xiàn)時(shí)各風(fēng)向?qū)?yīng)的平均風(fēng)速。由圖可見(jiàn)雖然京津冀出現(xiàn)霧時(shí)以偏北風(fēng)為主，但偏北風(fēng)的風(fēng)速較其他方向風(fēng)明顯偏小，平均風(fēng)速最大的為東南偏南風(fēng)，風(fēng)速可以達(dá)到1.5 m·s-1，以其為中心，沿順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较蛳虮保L(fēng)速基本呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，結(jié)合圖7可以看出，雖然夏季霧多數(shù)出現(xiàn)在偏北風(fēng)的地面環(huán)境中，但其風(fēng)速卻明顯小于其他方向的風(fēng)，僅為0.3～0.7 m·s-1。

圖8 2000—2019年京津冀夏季霧出現(xiàn)時(shí)段內(nèi)不同風(fēng)向的平均風(fēng)速

5 京津冀夏季區(qū)域性大霧的概念模型及預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)

定義京津冀范圍，日霧站數(shù)≥30站次(共178個(gè)站)為一次區(qū)域性大霧過(guò)程，2000—2019年夏季一共出現(xiàn)39次區(qū)域性大霧過(guò)程，而同時(shí)段冬季區(qū)域性大霧共有230次，可見(jiàn)夏季區(qū)域性大霧的出現(xiàn)概率比冬季要低很多。在夏季39次區(qū)域性大霧中，6月有2次，7月有12次，8月有25次，可見(jiàn)夏季區(qū)域性大霧主要出現(xiàn)在7月和8月，其中8月最多，占64%，6月最少，僅占5%。39次大霧過(guò)程輻射霧有26次，占67%；平流霧或以平流性質(zhì)為主的平流輻射霧有9次，占23%；雨霧4次，占10%。和冬季霧主要出現(xiàn)在緯向環(huán)流背景下、多連續(xù)性大霧不同，夏季霧主要發(fā)生在經(jīng)向環(huán)流背景下，很少出現(xiàn)區(qū)域性連續(xù)2 d以上的大霧。和冬季大霧具有較強(qiáng)的逆溫相比，夏季霧的逆溫較弱，不少大霧過(guò)程發(fā)生在近地層等溫或弱逆溫的條件下，因此能見(jiàn)度低于200 m的情況不多。通過(guò)分析39次過(guò)程，歸納出以下三種類(lèi)型的夏季區(qū)域性大霧：高空槽后或高壓脊控制下的輻射霧、高空槽前西南氣流控制下的平流霧或平流輻射霧、副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱(chēng)副高)控制下的雨霧。

5.1 高空槽后或高壓脊控制下的輻射霧

5.1.1 概念模型

這是夏季區(qū)域性大霧最常見(jiàn)的一種，以雨后輻射霧最多，即降水過(guò)后天氣迅速轉(zhuǎn)晴，強(qiáng)烈的地表長(zhǎng)波輻射冷卻,使地面溫度迅速降低，近地層空氣中水汽達(dá)到飽和。即降水增濕后輻射降溫，從而形成雨后輻射霧。主要特征如下：

(1)產(chǎn)生降水的高空槽移速較快，一般在白天或前半夜過(guò)境，后半夜轉(zhuǎn)受槽后西北氣流的控制，天氣迅速轉(zhuǎn)晴，紅外云圖表現(xiàn)為高空槽云系后邊界清晰(圖9a)。

(2)與高空槽配合的冷空氣勢(shì)力較弱，地面形勢(shì)場(chǎng)表現(xiàn)為京津冀處于低壓帶或均壓場(chǎng)中(圖9a)。

(3)探空曲線(xiàn)為典型的“上干下濕”結(jié)構(gòu)，霧層(飽和層)基本在1 000 hPa(約130 m)以下(圖9b)。

圖9 高空槽后或高壓脊控制下的輻射霧概念模型(a)環(huán)流形勢(shì)，(b)典型探空曲線(xiàn)(圖9a中自上而下分別為500 hPa、850 hPa高度場(chǎng)和溫度場(chǎng)及地面形勢(shì)，綠色陰影為霧區(qū)，下同)

(4)值得注意的是，白天或前半夜快速過(guò)境的高空槽有時(shí)盡管沒(méi)有產(chǎn)生降水，如果前期地面有一定的濕度條件，次日早晨仍有輻射霧發(fā)生，因?yàn)檫@種高空槽往往具有“上干下濕”特征，槽前的西南氣流會(huì)導(dǎo)致近地層濕度增加，從而有利于大霧的出現(xiàn)。這點(diǎn)在實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中容易被忽視。

5.1.2 典型個(gè)例

2019年7月20日白天，受高空槽過(guò)境影響，京津冀中南部地區(qū)出現(xiàn)小雨天氣，累計(jì)降水量普遍不足5 mm，當(dāng)日夜間天氣轉(zhuǎn)晴，雨區(qū)逐漸演變?yōu)殪F區(qū)，有66個(gè)站出現(xiàn)大霧天氣，最小能見(jiàn)度降至43 m(圖略)。選取衡水饒陽(yáng)作為此次輻射霧過(guò)程的代表站點(diǎn)進(jìn)行分析，從氣溫、露點(diǎn)溫度、能見(jiàn)度、風(fēng)向風(fēng)速和相對(duì)濕度等地面和高空氣象要素變化特征上可以看出(圖10)，20日中午出現(xiàn)弱降水，850 hPa到地面維持1～4 m·s-1的偏南風(fēng)(圖10a)，氣溫從31℃下降到26℃，露點(diǎn)溫度從23℃升高到25℃，地面溫度露點(diǎn)差基本維持在1℃以?xún)?nèi)，20時(shí)后在持續(xù)増濕、天氣轉(zhuǎn)晴后地面輻射降溫，以及下沉氣流中低空增溫的共同作用下，960～900 hPa形成明顯逆溫(圖10b)，21時(shí)空氣迅速達(dá)到飽和，能見(jiàn)度持續(xù)降低，20日21時(shí)能見(jiàn)度已降至1 000 m以下，21日05—07時(shí)能見(jiàn)度降至50 m以下；在霧形成的整個(gè)過(guò)程中，90%的相對(duì)濕度僅存在于1 000 hPa以下，85%的相對(duì)濕度也僅伸展到980 hPa，即呈現(xiàn)濕層淺薄，濕度“上干下濕”的垂直分布特點(diǎn)。

圖10 2019年7月20—21日饒陽(yáng)逐時(shí)(a)地面和(b)沿38.23°N、115.73°E的高度-時(shí)間剖面(紅實(shí)線(xiàn)：氣溫，單位：℃；紫虛線(xiàn)：垂直速度，單位：Pa·s-1；陰影：相對(duì)濕度;風(fēng)羽)氣象要素變化特征

5.2 高空槽前西南氣流下的平流霧或平流輻射霧

5.2.1 概念模型

暖空氣移動(dòng)到冷的下墊面所形成的霧叫平流霧。平流霧可在一天的任何時(shí)間出現(xiàn)，可以和低云相伴，陸地上出現(xiàn)平流霧時(shí)常伴有層云、碎雨云和毛毛雨等天氣現(xiàn)象。京津冀夏季也會(huì)出現(xiàn)平流霧或以平流性質(zhì)為主的平流輻射霧，但出現(xiàn)的頻次并不大。其特點(diǎn)如下：

(1)京津冀處于500 hPa槽前的西南氣流里，或者處于500 hPa西北偏西氣流里(圖11a)。

(2)低層700 hPa和850 hPa吹西南或偏南風(fēng)，有弱的暖平流，但近地層950 hPa以下有時(shí)是偏東風(fēng)(圖11a)。

(3)本地溫濕廓線(xiàn)呈“上干下濕”結(jié)構(gòu)，飽和層高度較高，有的有逆溫，有的沒(méi)逆溫(圖11b、11c)。

(4)地面圖上，京津冀地區(qū)一般處于入海高壓后部的均壓場(chǎng)或地面倒槽中，大霧發(fā)生前一般為弱的偏南風(fēng)，有時(shí)沿京珠高速公路及其右側(cè)常有地形輻合線(xiàn)生成維持，有利于水汽輸送及輻合(圖11a)。

圖11 高空槽前西南氣流下的平流霧或平流輻射霧概念模型(a)環(huán)流形勢(shì)，(b)2009年8月27日08時(shí)大港有逆溫探空曲線(xiàn)，(c)2019年8月5日08時(shí)邢臺(tái)無(wú)逆溫探空曲線(xiàn)

5.2.2 典型個(gè)例

2019年8月4日后半夜至5日清晨，受高空槽前西南氣流影響，保定、廊坊及以南地區(qū)出現(xiàn)了一次38個(gè)站的平流霧天氣過(guò)程，最小能見(jiàn)度為106 m(圖略)。大霧前期，受高空槽和副高的共同影響，京津冀大部分地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)降水雨區(qū)自西南向東北移動(dòng)，上午雨區(qū)在河北南部，午后到夜間移至東部東北部。由于受東側(cè)穩(wěn)定的副高阻擋，高空槽東移緩慢，京津冀地區(qū)925 hPa以上一直處于高空槽前的暖濕西南氣流控制(圖略)。4日午后，盡管南部降水停止，但低層濕度仍較大，河北南部地面露點(diǎn)溫度并沒(méi)有隨溫度升高而下降，而是緩慢上升。以新河站為例，露點(diǎn)溫度從11時(shí)的24℃升高到20時(shí)的26℃(圖12a)。與此同時(shí)，午后到前夜移動(dòng)至河北中部到東北部的強(qiáng)降水形成的冷池，向河北南部擴(kuò)散，地面表現(xiàn)為東北風(fēng)(圖12b)，從新河的風(fēng)場(chǎng)高度剖面也可以看出950 hPa以下為東到東北風(fēng)，950 hPa以上為4～10 m·s-1的南到西南風(fēng)(圖12c)，于是暖濕的南到西南風(fēng)在淺薄的近地層?xùn)|風(fēng)冷池上平流，平流霧逐漸形成。在此過(guò)程中，可以發(fā)現(xiàn)半夜前后在960 hPa以下形成弱逆溫，同時(shí)上升運(yùn)動(dòng)有所加強(qiáng)，在5日03時(shí)前后上升速度加大為-0.5～-0.4 Pa·s-1，飽和層向上擴(kuò)展到950 hPa(圖12d)。從地面要素時(shí)序圖也可以看出(圖12a),在冷池向南擴(kuò)散過(guò)程中，地面溫度從16時(shí)的28℃下降到21時(shí)的26℃，達(dá)到飽和，此后氣溫和露點(diǎn)溫度同步下降，冷卻持續(xù)，水汽處于飽和到過(guò)飽和狀態(tài)，能見(jiàn)度在5日04—09時(shí)減小至100 m。從上面的分析可以看出，本次平流霧是高空槽前西南氣流沿著中部到東北部降水形成向南擴(kuò)散的冷池(冷的下墊面)平流進(jìn)而形成。

圖12 2019年8月4—5日新河地面和高空氣象要素變化特征(a)地面要素逐小時(shí)變化,(b)4日14—20時(shí)累計(jì)降水量(陰影)和20時(shí)地面風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)，(c,d)沿37.52°N、115.23°E(c)各要素的高度-時(shí)間剖面(紅實(shí)線(xiàn)：氣溫，單位：℃；陰影：垂直速度；風(fēng)羽)，(d)相對(duì)濕度高度-時(shí)間剖面

5.3 副高控制下的雨霧

5.3.1 概念模型

一般認(rèn)為，雨霧是由于降水在地表附近較冷的空氣中蒸發(fā)冷卻凝結(jié)而形成，常發(fā)生在對(duì)流層低層以大規(guī)模抬升運(yùn)動(dòng)為特征的地區(qū)(Tardif and Rasmussen，2008；2010)。雨霧通常發(fā)生在暖鋒前，冷鋒后或靜止鋒附近(George，1940;Byers，1959;Pet-terssen,1938)，或以降水相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樘卣鞯臏貛庑齾^(qū)域(Stewart,1992;Stewart and Yiu,1993)。Tardif and Rasmussen(2008)在研究紐約雨霧時(shí)這樣確定：在霧開(kāi)始時(shí)或前一小時(shí)有任何類(lèi)型的降水，就定義為雨霧事件。王博妮等(2020)研究了江蘇的雨霧，認(rèn)為低氣壓、高濕度、低風(fēng)速、風(fēng)向由偏東風(fēng)或東南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)等是雨霧形成重要?dú)庀髼l件，而925 hPa上負(fù)變溫的出現(xiàn)為霧的形成提供了降溫條件。

當(dāng)副高588 dagpm線(xiàn)控制河北中南部時(shí)，在高溫高濕氣團(tuán)控制下也會(huì)出現(xiàn)伴隨弱降水的區(qū)域性雨霧，但發(fā)生概率比較少，霧區(qū)常位于河北東南部，可發(fā)生在一天的任意時(shí)間，但能見(jiàn)度不會(huì)很低，一般在400 m以上。如圖13所示其特點(diǎn):(1)霧形成前期及大霧期間，在500 hPa高空?qǐng)D上，副高588 dagpm線(xiàn)北緣到達(dá)京津地區(qū)，京津南部受副高內(nèi)部弱的西南到偏南氣流控制；在地面圖上，京津冀地區(qū)處于入海高壓后部的弱氣壓場(chǎng)。(2)溫濕廓線(xiàn)的典型特征是沒(méi)有逆溫層，飽和層高度較高，可達(dá)850 hPa甚至700 hPa，1 000 hPa溫度和地面溫度近似等溫，有弱降水相伴。這和嚴(yán)文蓮等(2010)對(duì)南京冬季雨霧溫度廓線(xiàn)有明顯逆溫的統(tǒng)計(jì)結(jié)果不同。

5.3.2 典型個(gè)例

2018年7月14日副高中心穩(wěn)定維持在朝鮮半島與日本南部海域一帶，其脊線(xiàn)584 dagpm西伸至冀北至河套地區(qū)，在暖濕氣團(tuán)控制下，15日凌晨開(kāi)始冀東南出現(xiàn)大霧天氣(圖略)。圖14給出了唐山豐南站氣象要素的變化特征，由圖可見(jiàn)，在14日入夜后，垂直方向上≥90%的濕層延伸至700 hPa以上，且低層的増濕更為顯著，飽和層在900 hPa以下，邊界層內(nèi)伴隨大范圍的上升運(yùn)動(dòng)，上升速度為-0.2～-0.1 Pa·s-1(圖14b)，降雨開(kāi)始前后能見(jiàn)度下降，霧持續(xù)了3 h，最小能見(jiàn)度為500～700 m(圖14a)，明顯高于其他類(lèi)型的夏季霧，霧出現(xiàn)前后地面以偏東風(fēng)為主，700 hPa以下偏南風(fēng)風(fēng)速<4 m·s-1，未出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，綜上可見(jiàn)，這是在弱天氣系統(tǒng)下，伴隨降水出現(xiàn)的雨霧。

圖14 2018年7月14—15日豐南逐時(shí)(a)地面和(b)沿39.58°N、118.1°E的高度-時(shí)間剖面(紅實(shí)線(xiàn)：氣溫，單位：℃；紫虛線(xiàn)：垂直速度，單位：Pa·s-1；陰影：相對(duì)濕度;風(fēng)羽)氣象要素變化特征

5.4 京津冀夏季霧預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)

以上分析了京津冀夏季主要的大霧類(lèi)型和概念模型，在預(yù)報(bào)夏季霧時(shí)，可從以下幾方面考慮：

(1)從天氣形勢(shì)入手，分析大尺度環(huán)流背景，與冬季霧大多發(fā)生在緯向環(huán)流背景下有所不同，夏季霧絕大部分發(fā)生在經(jīng)向環(huán)流背景下，地面形勢(shì)表現(xiàn)為弱氣壓場(chǎng)。

(2)分析大氣層結(jié)是否穩(wěn)定。分析河北省探空站的探空曲線(xiàn)，看看是否有逆溫層存在。有時(shí)探空曲線(xiàn)上不存在逆溫，還應(yīng)注意1 000 hPa和地面氣溫，如果1 000 hPa的溫度大于地面溫度，說(shuō)明逆溫存在于1 000 hPa以下。如果850 hPa或925 hPa有暖中心、溫度脊存在，則更有利于近地層逆溫的生成與維持。需要指出的是，夏季有相當(dāng)一部分霧在沒(méi)有逆溫的情況下也可出現(xiàn)，比如高溫高濕的副高控制下的霧。

(3)在未來(lái)不發(fā)生降水的情況下，如果地面露點(diǎn)溫度在14時(shí)之前穩(wěn)定少變，甚至緩慢升高，說(shuō)明近地層在增濕，有利于次日出現(xiàn)大霧。因?yàn)榇蟛糠智闆r下，白天隨著溫度升高，露點(diǎn)溫度是下降的。

(4)關(guān)注大霧發(fā)生前一天地面氣象要素閾值。由于探空資料的時(shí)間和空間分辨率較低，而數(shù)值預(yù)報(bào)對(duì)邊界層諸要素的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低，所以地面氣象要素具有更好的指示作用，比如當(dāng)前的相對(duì)濕度和露點(diǎn)溫度，這兩個(gè)要素的值越高，次日就越容易出霧。

(5)京津冀夏季霧有一半以上是雨后霧，即形成于白天或前半夜高空槽快速過(guò)境，降雨增濕，后半夜轉(zhuǎn)西北氣流控制后天氣轉(zhuǎn)晴輻射降溫的形勢(shì)下，因此當(dāng)有降水過(guò)程出現(xiàn)在白天至前半夜，且有快速轉(zhuǎn)晴的可能時(shí)，要特別關(guān)注后半夜至次日清晨可能出現(xiàn)的大霧。

(6)夏季霧消散的主要原因是日出后的快速升溫，溫度露點(diǎn)差增大，相對(duì)濕度下降，即所謂的“霧怕曬”，因此夏季霧通常消散于日出后3 h內(nèi)。

6 結(jié)論與討論

應(yīng)用高時(shí)空分辨率的地面和高空觀測(cè)資料，分析京津冀地區(qū)夏季霧的主要特征并建立預(yù)報(bào)概念模型，主要結(jié)論如下：

(1)京津冀地區(qū)夏季霧的年發(fā)生次數(shù)普遍為1～4站次，局地為5～8站次，西北部、東北部和東南部出霧時(shí)最小能見(jiàn)度相對(duì)偏低，可降至300 m以下，北京、天津、承德南部至唐山西北部和石家莊及其以南地區(qū)相對(duì)較高，多在400～600 m。

(2)持續(xù)2 d以上的霧較少出現(xiàn)，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)多在3 h以下，受地形因素影響，北京西北部、北京西南至廊坊南部、唐山北部，以及邢臺(tái)和邯鄲西部可達(dá)4～6 h，且霧的生成和消散均有明顯的日變化，高發(fā)時(shí)段在夜間至日出前后，消散集中于日出后3 h內(nèi)。

(3)京津冀夏季輻射霧，一般要求氣溫日較差在8℃上下。霧日的前一天14時(shí)相對(duì)濕度越大，形成霧需要降溫的幅度(日較差)就越小；反之，要求日較差就越大。夏季霧發(fā)生時(shí)氣溫在15.2～23.9℃。

(4)夏季霧多發(fā)生在偏北風(fēng)的地面風(fēng)場(chǎng)環(huán)境中，但出現(xiàn)偏北風(fēng)時(shí)平均風(fēng)速最小，僅為0.3～0.7 m·s-1，吹偏南風(fēng)時(shí)風(fēng)速較大，最大的東南偏南風(fēng)平均風(fēng)速可達(dá)到1.5 m·s-1。

(5)京津冀夏季區(qū)域性大霧的出現(xiàn)概率比冬季要低很多，多發(fā)生在經(jīng)向環(huán)流背景下，歸納總結(jié)了三種形式的夏季區(qū)域性大霧天氣概念模型：高空槽后或高壓脊控制下的輻射霧、高空槽前西南氣流控制下的平流霧或平流輻射霧、副高控制下的雨霧。同時(shí)也給出了夏季霧預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。

本文主要研究了京津冀夏季霧的時(shí)空分布特征、大霧發(fā)生的地面氣象要素特征、邊界層特征，建立了區(qū)域性大霧概念模型，并給出了預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。上述分析雖得出了一些結(jié)論，但受到觀測(cè)資料時(shí)空密度和分析方法的限制，對(duì)夏季霧某些方面的了解仍存在著一定局限性，比如副高控制下的大霧，其生消及發(fā)展機(jī)制還不是十分明確，尚需進(jìn)一步研究，此外，夏季霧和冬季霧的對(duì)比分析也是今后的探索方向之一。