湖北省雨霧天氣特征及影響因素研究

陳英英，成丹，譚靜，何明瓊，王麗娟，付志康

（1.湖北省氣象服務中心，武漢 430205；2.中國氣象局武漢暴雨研究所，武漢 430205）

低能見度是影響交通運輸安全的主要氣象災害之一，通常由濃霧、降水（降雨和降雪）、沙塵暴等天氣引起［1，2］，就湖北省而言，由降雨造成的低能見度事件時有發生［3］。通常對能見度影響較大的有兩種，一是短時強降雨，二是持續的弱降雨。對流性強降雨，短時間內雨強達到高值，使能見度急速降低；而持續性弱降雨容易造成較大范圍、長時間的低能見度天氣，其出現的概率、持續時間、影響范圍明顯高于對流性強降雨，發生時的能見度雖不及強盛期的輻射霧、平流霧那么低，但仍可以對民航、高速公路等交通運輸的暢通和安全產生影響，甚至由于能見度未達到交通管制級別，其產生危害的可能性更大。同時，除低能見度引起的交通受阻外，它所帶來的路面濕滑也會給交通帶來不良影響。

國內外許多學者對這類由持續弱降水導致的低能見度天氣現象定義為“雨霧”過程，并對其發生時的氣象要素及宏微觀特性進行分析研究［4-7］，了解到雨霧多形成于穩定性的弱降雨中，雨滴下落過程中的蒸發是雨霧形成的主要原因［8］。因此，雨霧的預報除了考慮環流背景、地形地貌、大氣層結、發展機制等宏觀特性外，還需要考慮降水粒子譜分布等微觀特征，甚至與氣溶膠粒子的濃度也有關系，不同地區存在明顯差異。

為研究湖北省由雨霧造成低能見度事件的共性特征，基于較長時間序列的大樣本觀測資料，首先，統計不同強度降水和能見度的相關關系，提取本研究雨霧定義中關于降水和能見度的特征閾值；其次，分析雨霧形成的氣象和環境要素背景，然后繪制湖北雨霧的時空分布圖，并分析規律；最后，研究典型雨霧個例的滴譜特征，為低能見度降雨預報提供技術支撐，以提升湖北省針對公路、航運、航空等領域的交通氣象服務能力。

1 數據來源

2016—2019年湖北省81個國家基本站逐小時降雨量、相對濕度、風向風速、最小能見度、天氣現象等觀測資料；2016—2019年武漢市環境監測資料；2016—2019年咸寧市典型雨霧過程雨滴譜資料。

2 低能見度事件的天氣現象特征及雨霧的定義

2.1 低能見度事件的天氣現象特征

以小時最低能見度≤1 000 m為閾值，分析2016—2019年湖北省81個基本氣象站水平低能見度事件發生時對應的天氣現象，判定依據如表1所示。

表1 各類天氣現象的判定指標

從圖1a可知，由降水造成的低能見度事件占比33.7%，是湖北省低能見度事件的一種重要類型，降水對能見度的影響客觀存在且不容忽視，而目前氣象部門所發布的大霧預警信號中并未對此類天氣現象做出區分。進一步分析發現（圖1b），在所有因降水引起的低能見度事件中，小雨量級占比最大，達到61.8%，毛毛雨次之，為19.7%，2類合計超過80.0%。

圖1 低能見度事件與降水現象的關系

2.2 低能見度事件中不同雨強的占比

對上述能見度≤1 000 m的區間再次分檔為0? 50 m、50?100 m、100?200 m、200?500 m、500?1 000 m，繪制每檔所對應的不同小時降雨量所占的比率分布，從圖2可以看出，在所有低能見度分檔中，0 mm/h＜雨強≤1 mm/h所占的比率都是最大的，均超過60%，在0?50 m的能見度區間，占比甚至超過80%；排名第二的為1 mm/h＜雨強≤2 mm/h的等級。說明湖北省因短時強降水引起的低能見度事件較少發生，與其他省份不同［9］，而由雨強微弱的降水導致的低能見度事件占主導。

圖2 不同能見度區間對應的不同等級雨強比率分布

2.3 雨霧樣本的定義

由于雨強在0?1 mm/h時導致的低能見度天氣在湖北省占絕對多數，因此，本研究的雨霧個例定義為小時最小能見度≤1 000 m且小時降雨量在（0，1］mm的樣本，數量按逐小時、逐站點統計。

3 結果與分析

3.1 雨霧樣本的氣象及環境要素分析

3.1.1 雨霧樣本的氣象要素特征2016—2019年湖北省81個國家基本站的雨霧樣本共計17 079個，由圖3a可以看出，雨霧過程的最低能見度主要分布在500?1 000 m區間內（61.08%），小于200 m的樣本占15.08%；相對濕度在95%?100%占比達85.09%，存在1個明顯的峰值，說明雨霧過程中的水蒸氣大多處于近飽和狀態（圖3b）；圖3c顯示雨霧過程風速在1?2 m/s的區間占比最大（36.64%），0?1 m/s區間次之（28.72%），可見即使有微風，降雨仍然能夠對能見度產生有效影響。

圖3 雨霧過程氣象要素分布特征

圖4顯示雨霧過程風向基本為偏北風，北偏西出現的概率大于北偏東，正北風的風向占比最大，達到15.32%，說明雨霧過程多伴隨著冷空氣的入侵。風向為偏北風時，風力顯著大于其他風向的風速等級，另外，風速在0?0.2 m/s的靜風頻率為0。

圖4 雨霧過程的風向風速

3.1.2 雨霧樣本的環境要素特征 武漢市作為中部地區高濕度代表城市，大氣污染相對嚴重，有研究表明［10］，細顆粒物濃度與相對濕度共同影響和制約大氣能見度變化，高濕高濃度時能見度顯著下降，當相對濕度大于90%時，能見度隨濕度升高呈線性遞減。在此分析2016—2019年武漢市逐月的平均AQI指數和雨霧出現頻次的分布規律，由圖5可以看出，AQI指數呈明顯的季節特征，秋冬季高、春夏季低，雨霧出現的頻次與AQI指數均值具有較好的一致性，其中2016年1月、2018年1月和2019年1月的同步峰值特征明顯，證實環境污染是雨霧預報中需要考慮的因素之一。

圖5 2016—2019年武漢市逐月雨霧出現頻數與月平均AQI指數的對應關系

3.2 雨霧樣本的時空分布特征

3.2.1 雨霧的時間分布規律圖6為所有由雨霧引起的低能見度事件的頻率、小時降雨量、小時最低能見度的月平均和逐時平均的變化，可以看出，頻率的季節分布特征明顯（圖6a），冬季所占比率最大，這可能與冬季靜穩天氣下污染物濃度較高有關，極值出現在1月；由雨霧引起的逐月低能見度均值為460?620 m，6月最低。從圖6b時刻分布來看，全天各時段均可能出現雨霧，但22時—次日09時是高發時段，06時出現的概率最大，白天出現的頻率相對較低；由雨霧引起的逐時低能見度均值在540? 620 m的范圍區間，03時最低。

圖6 雨霧過程頻率、小時降雨量和小時最低能見度月平均（a）、逐時平均（b）的變化規律

3.2.2 雨霧的空間分布規律從圖7空間分布來看，由雨霧引起的低能見度事件空間差異顯著，在宜昌市和咸寧市有明顯的高頻中心，2016—2019年發生比率（單站的雨霧頻數與湖北全省所有站的雨霧頻數的比值）為6%?7%，顯著高于其他站點，這可能與地形特征有關，雨霧多發區均處于山地或丘陵的邊緣，受地形的抬升作用影響，易出現細雨天氣。

圖7 雨霧發生頻數的空間分布

3.3 典型雨霧個例的雨滴譜特征

雨霧發生時影響能見度的要素主要是小雨滴和小霧滴，因此，分析雨霧過程中的滴譜分布特征可以更好地理解雨霧產生低能見度的原因。利用德國OTT Parsivel2激光雨滴譜儀進行研究，其可探測的液滴直徑范圍為0.2?8.0 mm、固態粒子直徑為0.2? 25.0 mm，可探測的下落速度范圍為0.2?20.0 m/s，其中直徑和下落速度均分32檔，具體分檔如下。

雨滴譜儀中值直徑分檔為0.062、0.187、0.312、0.437、0.562、0.687、0.812、0.937、1.062、1.187、1.375、1.625、1.875、2.125、2.375、2.750、3.250、3.750、4.250、4.750、5.500、6.500、7.500、8.500、9.500、11.000、13.000、15.000、17.000、19.000、21.500、24.500 mm；速度也分32檔，中值速度分檔為0.05、0.15、0.25、0.35、0.45、0.55、0.65、0.75、0.85、0.96、1.10、1.30、1.50、1.70、1.90、2.20、2.60、3.00、3.40、3.80、4.40、5.20、6.00、6.80、7.60、8.80、10.40、12.00、13.60、15.20、17.60、20.80 m/s。

雨霧多發的咸寧市2016年10月19日1次典型雨霧過程的微物理參量特征，當日08時至次日02時最小水平能見度基本穩定在1 km以下，下面以08：00—12：00、13：00—17：00共8個時次為例進行分析（表2），小時雨量為0.1?0.5 mm。每小時的雨滴數量差別很大，為1 574?25 456個，雨滴的譜寬雖然分布較廣、但峰值直徑大多在2?3 mm，而雨滴的下落速度相對穩定、峰值速度均在0.35?0.75 m/s。

表2 咸寧市秋季雨霧天氣的微物理參量

從圖8、圖9的譜分布可以看出，在這8個能見度低于1 km的雨霧時段，直徑與速度曲線基本呈冪函數分布特征，雨滴個數較多的滴譜分布區間較窄、雨滴速度較小，有利于蒸發作用。另外，在能見度低于500 m的前2個時段，雨滴的數量明顯高于其他幾個時段，雨滴數密度高可能是造成雨霧低能見度的主要因素。

圖8 2016年10月19日上午觀測雨霧過程的譜分布

圖9 2016年10月19日下午觀測雨霧過程的譜分布

4 小結與討論

本研究基于2016—2019年湖北省81個國家站逐小時降雨量、相對濕度、風向風速、最小能見度等觀測資料，結合武漢市環境監測和激光雨滴譜儀資料，對降水造成的低能見度事件，尤其是雨霧過程進行統計分析，在雨霧的影響因素、分布特征、微觀參量等方面得到以下結論：①降水是除霧以外造成湖北省低能見度天氣的主要原因，根據不同小時雨強所占的比率分析，湖北省影響能見度的主要降雨強度為0?1 mm/h，定義為雨霧。②造成低能見度的原因不是雨強，而是持續降水及雨滴的蒸發，對應的能見度區間主要是500?1 000 m，風向多為偏北風，風速60%以上在0?2 m/s的區間。③冬季是雨霧的高發季節，夜間發生頻次高于白天，宜昌市和咸寧市是湖北省內明顯的高發中心，可能與山地丘陵等地形的影響有關。④雨霧頻次與AQI指數具有一定的相關性，高濕背景下空氣污染物濃度的增加有利于雨霧的發生。⑤雨霧滴譜圖中直徑與速度曲線基本呈冪函數分布特征，雨滴數密度高、下落速度小可能是造成雨霧低能見度的主要因素。

綜上，雨霧的預報可從以下幾個方面考慮：①有利的環境背景。500 hPa低槽東移、700 hPa有切變、850 hPa水汽輸送，地面冷高壓主體偏北，缺乏明顯的冷空氣配合，降雨效率有限；②氣象因子診斷。中低層處于近飽和狀態，地面以弱風為主（靜風少見），0℃層位于500?700 hPa間，層結穩定，可能有逆溫結構特征，但不是必要條件；③環境影響因子。冬季高污染物濃度對雨霧的發生有促進作用；④基于實況的臨近預警。當湖北省區域內出現持續時間≥3 h的小雨，且預計降水仍將持續，可考慮發布雨霧預警預報。