近年來(lái)中衛(wèi)市大霧天氣的分析及預(yù)報(bào)方法研究

摘 要：【目的】提升預(yù)報(bào)員對(duì)低能見(jiàn)度天氣“霧”的預(yù)報(bào)水平。【方法】利用2000—2021年中衛(wèi)市4個(gè)氣象站霧日觀測(cè)資料，對(duì)霧的時(shí)空分布特征進(jìn)行分析。結(jié)合同期NCEP/NCAR逐日再分析資料，對(duì)中衛(wèi)市霧產(chǎn)生的環(huán)流背景和物理特征進(jìn)行分析，總結(jié)出中衛(wèi)市霧的預(yù)報(bào)指標(biāo)。【結(jié)果】中衛(wèi)市霧日分布由北自南減少，年霧日在波動(dòng)中基本持平。秋季霧出現(xiàn)站次最多，夏季次之，春季霧出現(xiàn)站次最少。中衛(wèi)市霧天中高層500 hPa上基本為西西北氣流，850～700 hPa為偏南氣流，地面為均壓場(chǎng)。850 hPa相對(duì)濕度較大，地面濕度接近飽和，高空風(fēng)垂直切變也較小。由于高空大氣層結(jié)穩(wěn)定，地面水平運(yùn)動(dòng)不強(qiáng)，高低空能量交換受到抑制，有利于大霧天氣的形成和維持。【結(jié)論】根據(jù)中衛(wèi)市霧日要素場(chǎng)特征，得出以下霧的預(yù)報(bào)指標(biāo)：①預(yù)報(bào)次日08時(shí)各站地面風(fēng)速≤4 m/s；②預(yù)報(bào)次日08時(shí)各站云量≤3成；③預(yù)報(bào)次日08時(shí)各站T地面-T850hPa≤0℃；④預(yù)報(bào)850 hPa次日T-Td≤3℃；⑤預(yù)報(bào)次日清晨最大相對(duì)濕度≥90%；⑥當(dāng)日14時(shí)相對(duì)濕度≥60%；⑦預(yù)報(bào)次日清晨最低氣溫不超過(guò)當(dāng)日14時(shí)的露點(diǎn)溫度；⑧預(yù)報(bào)次日清晨Tmin≤前一天14時(shí)的Td。

關(guān)鍵詞：霧；時(shí)空分布；環(huán)流特征；預(yù)報(bào)方法

中圖分類號(hào)：P426.4" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2024）22-0104-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.022

Analysis and Forecasting Methods of Heavy Fog Weather in Zhongwei City in Recent Years

Abstract： [Purposes] This paper aims to improve the predictive ability of forecasters for low visibility weather \"fog\". [Methods] Using fog day observation data from four meteorological stations in Zhongwei City from 2000 to 2021， the spatiotemporal distribution characteristics of fog were analyzed. In addition， combined with daily reanalysis data from NCEP/NCAR during the same period， the circulation background and physical characteristics of fog in Zhongwei City were analyzed， and the forecast indicators for fog in Zhongwei City were summarized. [Findings] The results showed that the distribution of foggy days in Zhongwei City decreased from north to south， and the annual foggy days remained relatively stable in fluctuations;In the foggy days of Zhongwei City， the upper 500 hPa is basically a west-northwest airflow， 850 ～ 700 hPa is a southerly airflow， and the ground is a uniform pressure field. The relative humidity at 850 hPa is relatively large， the ground humidity is close to saturation， and the vertical wind shear is also relatively small. Due to the stable atmospheric stratification at high altitude， the horizontal movement of the ground is not strong， and the energy exchange between high and low altitude is suppressed， which is conducive to the formation and maintenance of foggy weather. [Conclusions] Based on the characteristics of the fog day element field in Zhongwei City， the following forecast indicators for fog are obtained：①ground wind speed at each station at 08：00 the next day is predicted to be ≤ 4 m/s;②it is predicted that the cloud cover at each station will not exceed 30% at 8 am the next day; ③it is predicted that at 08：00 the next day， the T ground temperature at each station - T 850 hPa ≤ 0 ℃;④it is predicted that the next day with 850 hPa T-Td ≤ 3 ℃; 5. Forecast the maximum relative humidity of the next morning to be ≥ 90%; ⑥At 14：00 on the same day， the relative humidity ≥ 60%;⑦Forecast that the lowest temperature in the morning of the next day will not exceed the dew point temperature at 2 pm on the same day;⑧it is predicted that the Tmin of the next morning ≤ the Td at 2 pm of the previous day.

Keywords： fog; spatiotemporal distribution; circulation characteristics; forecasting methods

0 引言

霧是近地層空氣中懸浮的大量微小液滴或冰晶形成的組合體，是地面水平能見(jiàn)度低于1 km的一種天氣現(xiàn)象［1］。大霧天氣是中衛(wèi)市秋季多發(fā)的災(zāi)害性天氣之一，除可能造成交通事故、班機(jī)延誤、通信線路中斷等影響外，其引起的大氣污染對(duì)人體健康的危害更不可低估。為減輕霧對(duì)人類的危害，除加強(qiáng)交通管制、增強(qiáng)安全意識(shí)、加強(qiáng)大氣污染的治理以外，還需要深入探索大霧發(fā)生的內(nèi)在機(jī)理，研究其預(yù)報(bào)方法，提升對(duì)霧的預(yù)報(bào)預(yù)警能力，為人民群眾合理安排行程和做好大霧天氣的防范應(yīng)對(duì)工作提供科學(xué)參考。

目前已有大量關(guān)于霧的研究，宛濤等［1］對(duì)利于霧發(fā)生的環(huán)流場(chǎng)及要素特征進(jìn)行了分析；王孝慈等［2］對(duì)強(qiáng)濃霧出現(xiàn)時(shí)地面的形勢(shì)進(jìn)行了分類研究；苗開(kāi)超等［3］著眼于分析造成重大交通事故的大霧成因；王賽頔等［4］則對(duì)一次大霧分兩個(gè)階段（輻射霧、鋒面霧）進(jìn)行成因分析；閻琦等［5］對(duì)遼寧發(fā)生的兩次大霧過(guò)程的成因進(jìn)行對(duì)比分析；許敏［6］、顧雨亭等［7］分別對(duì)京津冀夏季霧和茅臺(tái)機(jī)場(chǎng)平流霧的生消與演變機(jī)制進(jìn)行了細(xì)致研究。以上分析結(jié)果均表明大霧天氣的發(fā)生需要具備一定的環(huán)流形勢(shì)以及高濕、微風(fēng)和穩(wěn)定的層結(jié)條件。對(duì)大霧環(huán)流形勢(shì)及成因逐漸明確后，毛程燕等［8］建立了衢州市大霧的預(yù)報(bào)指標(biāo)并通過(guò)了檢驗(yàn)；周翠芳等［9］利用寧夏1961—2009年大霧觀測(cè)資料進(jìn)行分析，建立了寧夏大霧的預(yù)報(bào)模型并通過(guò)了檢驗(yàn)。

本研究利用2000—2021年中衛(wèi)市4個(gè)氣象站大霧天氣觀測(cè)資料，對(duì)霧的時(shí)空分布特征進(jìn)行分析，此外結(jié)合再分析資料，對(duì)中衛(wèi)市霧產(chǎn)生的環(huán)流背景和物理特征進(jìn)行分析，總結(jié)出中衛(wèi)市霧的預(yù)報(bào)指標(biāo)，建立中衛(wèi)市霧的預(yù)報(bào)方法，以期為中衛(wèi)市大霧天氣的深入研究和日常預(yù)報(bào)服務(wù)提供參考。

1 資料和方法

利用2000—2021年中衛(wèi)、中寧、海原、興仁4個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站常規(guī)觀測(cè)資料與NCEP/NCAR 逐日1°×1°的再分析資料，對(duì)中衛(wèi)市霧日時(shí)空分布特征及環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行系統(tǒng)分析。其中，霧日出現(xiàn)最頻繁的中衛(wèi)氣象站的數(shù)據(jù)進(jìn)行了移動(dòng)平均處理。

2 霧的時(shí)空分布特征

2.1 空間分布特征

中衛(wèi)市各觀測(cè)站年平均霧日如圖1所示。由圖1可知，霧日分布自南向北增加，全市霧日分布存在一個(gè)多發(fā)中心，受市區(qū)建設(shè)與發(fā)展的影響，中衛(wèi)國(guó)家站霧出現(xiàn)的頻次顯著高于其他觀測(cè)站，年平均霧日超過(guò)5天，周邊地區(qū)年平均大霧日數(shù)均在3天以內(nèi)。近地層水汽含量與地形對(duì)于大霧天氣有重要影響，南華山地處海原縣西南部，其對(duì)來(lái)自南方的水汽和淺層?xùn)|移冷空氣都具有阻擋作用，因此，一定程度減少了海原縣城霧的發(fā)生頻次，其年均霧日不到2天。

2.2 時(shí)間分布特征

2.2.1 近22年中衛(wèi)市霧的年際變化特征。中衛(wèi)市近22年的霧日年際變化曲線如圖2所示。由圖2可知，中衛(wèi)市年霧日在波動(dòng)中基本持平，但持平趨勢(shì)未經(jīng)過(guò)相關(guān)檢驗(yàn)，其中2015年霧出現(xiàn)的日數(shù)最多，達(dá)16天，而2013年最少，只有2天。2015年，我國(guó)多地多次出現(xiàn)霧霾天氣，污染物排放是造成霧霾的內(nèi)因，氣象條件則是外因。分析天氣條件有以下幾點(diǎn)：①2015年冷空氣整體偏弱，大風(fēng)日較少，不利于污染物水平擴(kuò)散；②大氣穩(wěn)定，不利于污染物的垂直擴(kuò)散；③濕度大的環(huán)境空氣使污染物積聚增長(zhǎng)更加劇烈，氣溶膠粒子濃度增加。

2.2.2 近22年中衛(wèi)霧的月和季節(jié)平均分布特征。中衛(wèi)市霧的月和季節(jié)分布特征如圖3所示。由圖3可知，6月中衛(wèi)市各觀測(cè)站霧日達(dá)一年中的最低值，6月以后，霧日發(fā)生站次開(kāi)始顯著增高，直到秋季10—11月達(dá)最大值后又呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，中衛(wèi)市4個(gè)氣象站在10月和11月霧日出現(xiàn)的站次最多，均達(dá)2.2站次，其中中衛(wèi)城區(qū)10月月均霧日達(dá)1.2天。秋季是中衛(wèi)市一年當(dāng)中霧發(fā)生站次最多的季節(jié)，可達(dá)6.3站次，夏季次之，為2.2站次，春季則低至1.1站次，是霧日發(fā)生站次最低的季節(jié)。秋季空氣濕度隨雨量增加而整體較大，對(duì)霧的形成有利；春冬季節(jié)雨少風(fēng)多，空氣干燥，不利于形成霧。中衛(wèi)市霧的季節(jié)分布特征與我國(guó)其他省市有顯著的差異（冬季大霧多發(fā)）。

3 中衛(wèi)市霧的環(huán)流特征分析

3.1 霧的高空及地面平均形勢(shì)場(chǎng)特征

2016—2021年霧日平均環(huán)流形勢(shì)如圖4所示。500 hPa亞洲中緯度有兩淺槽一弱脊，其中巴爾喀什湖附近和華北一帶各有一淺槽，中間為弱脊區(qū)，中衛(wèi)市位于脊前，受到偏西氣流影響，風(fēng)場(chǎng)流線與等溫線接近平行，冷暖平流很弱。700 hPa西南氣流向中衛(wèi)市輸送一定水汽。弱脊控制下天氣晴好并且地面風(fēng)速小，清晨地面輻射降溫快，對(duì)逆溫層的形成較為有利。850 hPa上中衛(wèi)上游地區(qū)有溫度脊影響。中衛(wèi)市則受高原渦東北象限的東南氣流影響，有弱的冷平流，利于水汽冷凝，從而形成霧。西北地區(qū)東北部地面上為均壓場(chǎng)，等壓線分布非常稀疏，氣壓梯度很小，風(fēng)速低于3 m/s，在低層水汽充沛的晴天，中衛(wèi)市容易形成輻射霧。中衛(wèi)市上空500 hPa水平風(fēng)速小于8 m/s，700 hPa水平風(fēng)速小于4 m/s，850 hPa水平風(fēng)速小于2 m/s，可見(jiàn)，700～500 hPa層結(jié)較為穩(wěn)定，低層受偏南氣流影響濕度條件好，外加地面均壓區(qū)與中低層的溫度脊共同作用，使霧的形成具備良好的環(huán)流條件。

3.2 霧的主要?dú)庀笠貓?chǎng)分析

霧日08時(shí)850 hpa主要?dú)庀笠貓?chǎng)如圖5所示。中衛(wèi)市霧日08時(shí)RH在72%～80%，霧出現(xiàn)時(shí)，地面水汽近飽和，霧發(fā)生前正點(diǎn)最大相對(duì)濕度絕大多數(shù)在96%以上（統(tǒng)計(jì)了2016—2021年52次霧過(guò)程，中衛(wèi)站出現(xiàn)26次，前日最大相對(duì)濕度只有2次低于96%；中寧縣出現(xiàn)8次，有3次低于96%；興仁站出現(xiàn)14次，只有3次低于96%；海原縣出現(xiàn)14次，也只有3次低于96%。），說(shuō)明霧出現(xiàn)在地面與近地層的水汽條件都較好的條件下，如圖5（a）所示。霧日08時(shí)850 hPa上，中衛(wèi)各觀測(cè)站及其上游地區(qū)的垂直速度值都非常小，上游空氣呈下沉運(yùn)動(dòng)，下沉中心在86°E，38°N附近，如圖5（b）所示。中衛(wèi)市整層風(fēng)力及垂直風(fēng)切變均較小（見(jiàn)圖4），大氣層結(jié)穩(wěn)定。850 hPa上為弱的東南風(fēng)，垂直方向的運(yùn)動(dòng)也很弱，如圖5（c）、5（d）所示，整個(gè)風(fēng)場(chǎng)條件非常不利于能量的交換。從中衛(wèi)市霧日08時(shí)地面與850 hPa溫度場(chǎng)對(duì)比情況可以看出，各觀測(cè)站地面溫度在4～12 ℃，850 hpa溫度在8～12℃間，中衛(wèi)市T地面-T850 hPa介于-4～0 ℃，可見(jiàn)出霧時(shí)，近地面層較為穩(wěn)定或?yàn)槟鏈貙訒r(shí)，對(duì)整層熱量與水汽的交換不利，顆粒物與水汽不易向垂直方向擴(kuò)散，其積聚維持有利于霧生成。中衛(wèi)市52次霧過(guò)程中，前日白天或夜間出現(xiàn)降水的就占47次。這說(shuō)明降水對(duì)霧的形成有著積極的影響。降水增強(qiáng)了環(huán)境濕度條件，低層風(fēng)力較小情況下，水汽又難以擴(kuò)散，因此積聚在近地層，為霧的形成提供充沛的水汽條件。

4 中衛(wèi)市霧的預(yù)報(bào)方法

在對(duì)中衛(wèi)市2016—2021年52個(gè)霧日環(huán)流及62個(gè)站次要素場(chǎng)綜合分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)參考文獻(xiàn)，凝練出以下有利于霧形成的環(huán)流條件和氣象要素場(chǎng)特征，得出霧的8個(gè)預(yù)報(bào)指標(biāo)。由于中衛(wèi)市大霧基本為輻射霧［9］，以下分析僅針對(duì)輻射霧。

4.1 有利于霧形成的環(huán)流條件

①08時(shí)500 hPa圖上，中衛(wèi)市及上游地區(qū)處于較為平直的西西北氣流或偏西氣流中，并且高低層等壓線、等溫線都比較稀疏；②地面圖上，中衛(wèi)市處于均壓場(chǎng)中；③地面氣壓梯度小（36°N～38°N、104°N～106°E范圍內(nèi)等壓線不超過(guò)1根——最大差小于2.5 hPa），風(fēng)力小；④中衛(wèi)市出霧時(shí)，81%的情況下地面吹偏東風(fēng)或前12 h內(nèi)吹偏東風(fēng)，有利于地面濕度增加。

4.2 霧日氣象要素場(chǎng)特征

①90%以上的霧發(fā)生前有降水，降水為霧的生成提供了很好的水汽條件；②清晨云量較少，有利于輻射降溫，云量≤3成；③霧發(fā)生前各站整點(diǎn)最大相對(duì)濕度絕大多數(shù)在96%以上，前日14時(shí)相對(duì)濕度基本上在60%以上（統(tǒng)計(jì)62個(gè)大霧站次中有48個(gè)站次gt;60%）④霧日08時(shí)風(fēng)力lt;4 m/s（62站次霧中僅有1站次gt;4m/s）；⑤霧日08時(shí)850 hPa中衛(wèi)市有弱溫度脊配合；⑥霧日08時(shí)探空?qǐng)D中，基本上各站近地層都存在逆溫層（92%的站次出現(xiàn)大霧時(shí)，地面都具有逆溫層，即T地面-T850 hPalt;0℃，其余情況T地面-T850 hPa=0℃）。

4.3 霧的預(yù)報(bào)指標(biāo)

①預(yù)報(bào)次日清晨云量≤3成；②預(yù)報(bào)次日08時(shí)風(fēng)力lt;4m/s；③預(yù)報(bào)次日清晨最大RH在90%以上；④當(dāng)日14時(shí)RH在60%以上；⑤預(yù)報(bào)次日08時(shí)850hPa中衛(wèi)市上游有弱的溫度脊；⑥預(yù)報(bào)次日08時(shí)近地層存在逆溫層；⑦預(yù)報(bào)次日清晨Tmin≤前一天14時(shí)的Td；⑧預(yù)報(bào)850 hPa次日T-Td≤3℃。

4.4 霧的預(yù)報(bào)方法

預(yù)報(bào)次日中衛(wèi)市是否出霧時(shí)，首先應(yīng)判斷中衛(wèi)市是否處于有利于出霧的環(huán)流形勢(shì)中，再分析氣象要素場(chǎng)是否利于出霧：如果當(dāng)日有降水，且①、②、③、⑥、⑦、⑧指標(biāo)同時(shí)滿足，④、⑤指標(biāo)至少有一條滿足時(shí)，預(yù)報(bào)次日有霧；當(dāng)以上指標(biāo)都沒(méi)有達(dá)到，那么預(yù)報(bào)次日無(wú)霧；當(dāng)上述指標(biāo)部分達(dá)到時(shí)，預(yù)報(bào)員需根據(jù)當(dāng)日氣象要素實(shí)況特征（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，就越容易出霧），結(jié)合模式預(yù)報(bào)進(jìn)行主觀判斷是否報(bào)霧。

5 結(jié)論

①中衛(wèi)市霧日分布由北自南減少，市區(qū)是霧日多發(fā)中心，海原縣霧日發(fā)生次數(shù)較少。

②中衛(wèi)市年霧日在波動(dòng)中基本持平，其中2015年霧出現(xiàn)的日數(shù)最多。

③秋季是中衛(wèi)市霧的多發(fā)季節(jié)，夏季次之，春季霧發(fā)生站次最少。

④霧日中衛(wèi)市中高層500 hPa上基本為西西北氣流，850～700 hPa為偏南氣流，地面為均壓場(chǎng)；850 hPa相對(duì)濕度較大，地面濕度近飽和；500～700 hPa為較穩(wěn)定層結(jié)；中衛(wèi)市上空整層風(fēng)力弱，高空風(fēng)垂直切變也較小。

⑤中衛(wèi)市霧日的氣象要素場(chǎng)特征為：近地層以及地面的濕度條件都較好；霧出現(xiàn)當(dāng)日08時(shí)850 hPa上，中衛(wèi)市及上游垂直速度值非常小；霧與降水有密切的關(guān)系；霧日08時(shí)地面風(fēng)力lt;4 m/s；霧日清晨云量較少；霧日08時(shí)T地面-T850hPa為-4～0 ℃，近地面層比較穩(wěn)定或者近地層存在逆溫層。

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