河北平原冬季連續(xù)兩次特強(qiáng)濃霧天氣特征及成因分析

索春男 閆春旺 張敏

摘要 利用2019年2月18—23日河北省國(guó)家站地面、高空觀測(cè)資料以及NCEP再分析資料，從環(huán)流形勢(shì)、溫濕場(chǎng)、動(dòng)力場(chǎng)及邊界層特征等方面對(duì)2019年2月20日和2月21日清晨河北平原局地出現(xiàn)能見(jiàn)度不足50 m的特強(qiáng)濃霧天氣進(jìn)行特征和成因分析。結(jié)果表明：本次過(guò)程霧強(qiáng)度大，能見(jiàn)度低，持續(xù)時(shí)間短，午后能見(jiàn)度回升明顯，主要以輻射霧為主;兩次大霧發(fā)生在大尺度下沉運(yùn)動(dòng)背景下，高空環(huán)流形勢(shì)穩(wěn)定，中層風(fēng)速小，地面處于高壓前部，有利于冷空氣南下造成河北平原大霧天氣;大霧發(fā)生時(shí)溫度場(chǎng)1 000 hPa以上具有弱逆溫或等溫特性，1 000 hPa與地面氣溫之差為3℃～6℃，表明200 m以下近地面存在強(qiáng)逆溫，大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，邊界層高度低，有利于大霧的形成和維持;濕度場(chǎng)具有“下濕上干”特點(diǎn)，“上干”高空無(wú)云，有利于晴空輻射降溫，“下濕”有利于近地面空氣達(dá)到飽和;雪后充足的水汽和輻射冷卻造成了20日強(qiáng)濃霧的形成;而由于近地面強(qiáng)降溫使空氣達(dá)到飽和形成了21日清晨的強(qiáng)濃霧過(guò)程。

關(guān)鍵詞 河北平原;特強(qiáng)濃霧;環(huán)流形勢(shì);溫濕場(chǎng)特征

中圖分類(lèi)號(hào)：P458 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2020）04-0-04

DOI：10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.04.031

大霧是懸浮于近地層中的大量小水滴或冰晶使水平能見(jiàn)度小于1 000 m的自然現(xiàn)象。大霧是一種災(zāi)害性天氣，攜帶大量的污染物，對(duì)人體健康不利[1-2]。有研究表明，大霧天氣條件下，北京、天津和石家莊3市出現(xiàn)重污染的比率呈增加趨勢(shì)，因此對(duì)大霧天氣的研究有較為重要的意義[3]。此外，大霧天氣對(duì)農(nóng)作物的萌芽、生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量、質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響[4]。連續(xù)性大霧發(fā)生時(shí)，日照時(shí)長(zhǎng)和日照質(zhì)量明顯不足，導(dǎo)致作物生長(zhǎng)受阻，因此大霧研究對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展也有重要意義[5]。目前已有一些關(guān)于大霧天氣預(yù)報(bào)的研究，陳東輝等[6]利用多年觀測(cè)資料分析了環(huán)渤海地區(qū)大霧時(shí)空分布特征及大霧發(fā)生的影響因素，給出了大霧發(fā)生的天氣形勢(shì)和地面氣象要素指標(biāo)，為環(huán)渤海大霧預(yù)報(bào)提供了一定依據(jù);鄭寶枝等[7]利用當(dāng)?shù)囟嗄曩Y料給出了山東省濱州市大霧天氣預(yù)報(bào)地面要素指標(biāo);蔣大凱等[8]對(duì)遼寧省進(jìn)行區(qū)域性大霧天氣分型，分析遼寧省各種區(qū)域性大霧的成因及要素演變特征，從中提取預(yù)報(bào)指標(biāo)，建立了預(yù)報(bào)流程。

河北省霧出現(xiàn)頻率較高的地帶是河北平原，這與河北省的地形有密切聯(lián)系。以往有許多學(xué)者對(duì)河北平原大霧天氣進(jìn)行了分析，并取得了一定的研究成果。例如，侯瑞欽等[9]、呂淑琳等[10]、王麗榮等[11]分別分析河北平原的大霧過(guò)程，總結(jié)了大霧發(fā)生時(shí)的環(huán)流形勢(shì)和溫濕場(chǎng)特征;李江波等[12]揭示了緯向環(huán)流背景下，河北平原易形成連續(xù)性大霧的成因分析，并進(jìn)一步給出了河北平原秋冬季霧區(qū)分布的幾種天氣模型。雖然已有的研究成果已經(jīng)總結(jié)了一些河北大霧形成規(guī)律，但以往研究多側(cè)重于連續(xù)性大霧分析，對(duì)于突然出現(xiàn)的強(qiáng)濃霧天氣預(yù)報(bào)目前仍存在一定的難度。

1 資料介紹

選用河北省2019年2月18日00∶00到2019年2月23日23∶00逐小時(shí)地面站點(diǎn)觀測(cè)的最小能見(jiàn)度、溫度和露點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)以及NCEP再分析資料（水平分辨率2.5°×2.5°），所用的混合層高度和地表通風(fēng)系數(shù)數(shù)據(jù)下載于河北省環(huán)境氣象業(yè)務(wù)平臺(tái)（http：//10.48.36.29：8088/HJJC/ShiKuang_Hour.aspx）。根據(jù)地面氣象觀測(cè)規(guī)范，依據(jù)能見(jiàn)度的大小，定義能見(jiàn)度大于500 m且不足1 000 m為大霧天氣，大于200 m不足500 m為濃霧天氣，大于50 m小于200 m為強(qiáng)濃霧天氣，能見(jiàn)度小于50 m的天氣為特強(qiáng)濃霧天氣。

2 強(qiáng)濃霧特征及成因分析

2.1 天氣概況

2019年2月19日受高空冷渦和高空槽影響，河北平原大部分地區(qū)產(chǎn)生弱降雪，20日02∶00起包括滄州地區(qū)在內(nèi)的河北平原大部分區(qū)域出現(xiàn)能見(jiàn)度不足500 m的濃霧天氣，且大霧逐漸加強(qiáng)，局地出現(xiàn)能見(jiàn)度不足50 m的特強(qiáng)濃霧天氣，濃霧在20日11∶00逐漸消散，到21日清晨又出現(xiàn)特強(qiáng)濃霧天氣（圖1），且霧區(qū)范圍較20日進(jìn)一步擴(kuò)大，兩次過(guò)程河北平原東部和南部都出現(xiàn)了能見(jiàn)度不足50 m的特強(qiáng)濃霧，21日午后大霧天氣逐漸消散結(jié)束。

2.2 環(huán)流形勢(shì)分析

從500 hPa環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)可以看出，19日河北平原上空受高空冷渦和高空槽控制，受高空槽的影響在河北地區(qū)產(chǎn)生弱降雪，高空槽快速移過(guò)，到20日08∶00高空轉(zhuǎn)為偏西氣流，21日08∶00高空受弱脊控制，大霧發(fā)生時(shí)段高空環(huán)流形勢(shì)穩(wěn)定。天氣晴好，有利于輻射冷卻降溫，有利于大霧天氣的形成（圖2）。

19日凌晨河北平原上空有一短波槽過(guò)境，對(duì)比1 h降水量可知在河北地區(qū)產(chǎn)生弱降水。20日和21日清晨，850 hPa河北平原（35°～40°N）地區(qū)風(fēng)速較小，風(fēng)速不大于4 m/s，中層風(fēng)速較小有利于靜穩(wěn)天氣的出現(xiàn)。同時(shí)可以注意到大霧發(fā)生時(shí)段河北平原地區(qū)中層相對(duì)濕度小，中層相對(duì)濕度小意味著空中云量較少，少云或無(wú)云有利于晴空輻射降溫，有利于河北地區(qū)大霧天氣的形成和維持。且由于19日的弱降水過(guò)程，地面濕度條件較好，在20日清晨易形成大霧天氣。

平均風(fēng)場(chǎng)和相對(duì)濕度時(shí)間剖面圖（上）及滄州站點(diǎn)1小時(shí)降水量（下）（圖3）。

分析海平面氣壓的演變情況可知（圖4），河北平原一開(kāi)始處于西高東低的弱氣壓場(chǎng)控制區(qū)，隨后逐漸轉(zhuǎn)為高壓前部，高壓中心位于蒙古國(guó)東部，河北平原處于高壓前部，且等壓線分布稀疏，河北平原處于這種高壓前部地面形勢(shì)下且有北部燕山山脈和西部太行山脈的阻擋，有利于冷空氣擴(kuò)散南下，造成河北平原近地面的降溫，形成平原地區(qū)的大霧天氣。

從高低空環(huán)流形勢(shì)可以看出，在20日和21日清晨，高空環(huán)流形勢(shì)穩(wěn)定，中層風(fēng)小，近地面處于高壓前部，有利于靜穩(wěn)天氣的出現(xiàn)和大霧的生成。但有靜穩(wěn)條件時(shí)空氣不達(dá)到飽和狀態(tài)，霧也無(wú)法形成。霧的形成與溫度和濕度的變化有至關(guān)重要的聯(lián)系，地面相對(duì)濕度大達(dá)到飽和或有效降溫到露點(diǎn)溫度達(dá)到飽和都會(huì)導(dǎo)致霧的形成，因此，接下來(lái)將對(duì)這兩次大霧過(guò)程的溫濕場(chǎng)進(jìn)行分析。

2.3 溫濕場(chǎng)特征

NCEP再分析資料的2019年2月21日08∶00 850 hPa和1 000 hPa氣溫分布圖（圖5），21日08∶00，850 hPa上河北平原受暖溫脊控制，暖脊溫度變化在-2℃～-3℃，而1 000 hPa上河北平原溫度場(chǎng)表現(xiàn)為冷溫槽，低層的冷溫槽表明有冷空氣影響，這種上暖下冷的配置有利于低層逆溫的形成。

2月21日08∶00 1 000 hPa與地面氣溫之差（圖6），觀察1 000 hPa與地面的溫度差可知，大霧發(fā)生時(shí)河北平原1 000 hPa溫度高于地面3℃～5℃，近地面也存在較強(qiáng)的逆溫，近地面的強(qiáng)逆溫表明近地層大氣層結(jié)的穩(wěn)定，有利于大霧天氣的形成和維持。

從溫度場(chǎng)分析可知，在大霧發(fā)生時(shí)河北平原近地面存在較強(qiáng)的逆溫，且1 000 hPa溫度場(chǎng)表現(xiàn)為冷溫槽，近地面有降溫存在。進(jìn)一步給出了河北平原（35°～39°N，115～117°E）上空平均相對(duì)濕度的變化情況（圖7），19日08∶00 850 hPa以上整層相對(duì)濕度大于90%，由前面的分析已知整層較濕為河北平原帶來(lái)了弱降雪天氣，隨后到20日08∶00高層迅速轉(zhuǎn)干，850 hPa以上相對(duì)濕度小于30%，而925 hPa以下相對(duì)濕度達(dá)到70%～80%，有“上干下濕”特性，這種高低空濕度配置有利于高層輻射降溫和低層濕度增加， 因而，20日的強(qiáng)濃霧過(guò)程主要是由于雪后迅速轉(zhuǎn)晴，低層相對(duì)濕度較大，高層云量較少，強(qiáng)輻射降溫使近地面空氣達(dá)到飽和，形成雪后輻射霧。對(duì)比21日08∶00濕度場(chǎng)特征可知，21日08∶00也存在上干下濕的結(jié)構(gòu)，但925 hPa以下相對(duì)濕度約為50%，相對(duì)濕度較小，因此，低層水汽含量不是形成21日清晨強(qiáng)濃霧的主要原因。

2.4 動(dòng)力場(chǎng)和邊界層特征

已有研究表明，大尺度下沉運(yùn)動(dòng)一方面有利于夜間晴空的存在，另一方面其導(dǎo)致的下沉逆溫限制了邊界層之上的混合作用，從而有利于大霧的出現(xiàn)。18—23日河北平原平均垂直速度的高度—時(shí)間剖面圖（圖8），20日及21日700 hPa以上以下沉運(yùn)動(dòng)為主，850 hPa以下垂直運(yùn)動(dòng)較弱，可以認(rèn)為20日和21日兩次強(qiáng)濃霧過(guò)程均發(fā)生在大尺度下沉運(yùn)動(dòng)背景下。

以滄州站作為河北平原代表站，對(duì)比分析滄州站混合層高度和地表通風(fēng)系數(shù)變化可知（圖9），大霧發(fā)生時(shí)邊界層高度不超過(guò)400 m，地表通風(fēng)系數(shù)較小，大尺度下沉運(yùn)動(dòng)背景限制了混合層高度，較低的混合層高度不利于垂直方向的混合作用，有利于靜穩(wěn)天氣的出現(xiàn)，這也是有利于大霧維持的重要因素。

進(jìn)一步分析滄州站地面溫度和露點(diǎn)溫度的變化情況可以得知，大霧發(fā)生時(shí)露點(diǎn)溫度差較小，近地面空氣達(dá)到飽和，19日—20日露點(diǎn)溫度穩(wěn)定維持在-1℃左右，變化幅度較小，地面水汽條件較好，有利于空氣達(dá)到飽和形成大霧天氣。但20日午后露點(diǎn)溫度下降，氣溫升高，濕度條件轉(zhuǎn)差，能見(jiàn)度隨之變高，不利于大霧天氣的形成，但由于20日夜間發(fā)生強(qiáng)降溫，氣溫迅速下降到露點(diǎn)溫度，并在21日清晨達(dá)到飽和，形成了21日強(qiáng)濃霧天氣，由此可知，21日強(qiáng)濃霧過(guò)程主要形成原因并不在于地面的水汽條件，而是由于1 000 hPa冷溫槽帶來(lái)的強(qiáng)降溫使地面氣溫下降到露點(diǎn)溫度，地面空氣達(dá)到飽和，導(dǎo)致了21日清晨的強(qiáng)濃霧天氣。

對(duì)于河北平原大霧天氣的預(yù)報(bào)，以往已有研究統(tǒng)計(jì)了一些判斷能否形成大范圍大霧天氣的指標(biāo)，對(duì)于20日和21日連續(xù)兩次強(qiáng)濃霧天氣過(guò)程是否符合以往總結(jié)的預(yù)報(bào)指標(biāo)，或者說(shuō)以往大霧判斷指標(biāo)對(duì)這兩次大霧過(guò)程的適用性如何是值得關(guān)注的，因此，進(jìn)一步分析了以往對(duì)于河北平原大霧的判斷指標(biāo)與這兩次大霧過(guò)程的要素關(guān)系。

3 以往大霧指標(biāo)對(duì)本次過(guò)程的適用性分析

《河北省天氣預(yù)報(bào)手冊(cè)》對(duì)河北平原以往出現(xiàn)大霧天氣前期氣象要素進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：出現(xiàn)大霧前一日14∶00地面氣象要素當(dāng)符合一定閾值時(shí)對(duì)第二日是否產(chǎn)生以及產(chǎn)生多大范圍的大霧天氣有較好的指示意義，以往統(tǒng)計(jì)的閾值結(jié)果與20日和21日強(qiáng)濃霧發(fā)生前一天14∶00地面要素的實(shí)況對(duì)比（表1），20日發(fā)生強(qiáng)濃霧前地面氣象要素的數(shù)值完全符合河北平原出現(xiàn)大范圍大霧天氣的閾值范圍，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)對(duì)20日大霧天氣的指示意義較好;對(duì)比分析21日強(qiáng)濃霧前地面氣象要素與閾值可以發(fā)現(xiàn)，在21日前地面相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度及露點(diǎn)溫度差等項(xiàng)均不符合河北平原出現(xiàn)大霧的閾值，甚至不滿足出現(xiàn)零星站大霧的條件，但實(shí)際上21日清晨局地甚至出現(xiàn)了能見(jiàn)度不足50 m的特強(qiáng)濃霧。因此，以往大霧判斷指標(biāo)對(duì)于21日大霧的指示性是較差的。由于21日08∶00 1 000 hPa冷溫槽的存在，地面日氣溫下降幅度達(dá)到15℃—16℃，強(qiáng)降溫使21日清晨近地面空氣達(dá)到飽和，導(dǎo)致了大霧的產(chǎn)生。因此在未來(lái)的大霧預(yù)報(bào)中，除了要考慮前期地面氣象要素情況外，也要考慮1 000 hPa溫度場(chǎng)特征對(duì)大霧是否能形成具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

4 小結(jié)

（1）20日與21日清晨河北平原發(fā)生的特強(qiáng)濃霧（能見(jiàn)度<50 m）與以往連續(xù)性大霧天氣不同，具有能見(jiàn)度日變化明顯，強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間短等特征，大霧類(lèi)別以輻射霧為主。

（2）從環(huán)流形勢(shì)、溫濕場(chǎng)和動(dòng)力場(chǎng)等角度分析，這兩次大霧的形成原因表明兩次大霧發(fā)生在大尺度下沉運(yùn)動(dòng)背景下，高空環(huán)流形勢(shì)穩(wěn)定，中層風(fēng)速小，地面處于高壓前部，有利于冷空氣南下造成河北平原大霧天氣，兩次大霧發(fā)生時(shí)近地面和低層大氣均存在一定的逆溫。不同的是，21日1 000 hPa溫度場(chǎng)有冷溫槽存在，表明21日近地面有降溫，這一降溫是形成21日清晨強(qiáng)濃霧的主要原因。濕度場(chǎng)均具有“下濕上干”特點(diǎn)，“上干”高空無(wú)云，有利于晴空輻射降溫，“下濕”有利于近地面空氣達(dá)到飽和。20日清晨近地面相對(duì)濕度較大，雪后充足水汽和輻射冷卻造成了20日強(qiáng)濃霧的形成;而21日近地面相對(duì)濕度相對(duì)較小，大霧的形成主要由于近地面強(qiáng)降溫使空氣達(dá)到飽和。

（3）分析這兩次強(qiáng)濃霧天氣前期地面氣象要素與以往河北平原大霧判斷閾值的對(duì)比可知，統(tǒng)計(jì)大霧判斷指標(biāo)具有一定的指示意義，但當(dāng)濕度條件不符合閾值時(shí)，1 000 hPa存在冷溫槽，地面有效降溫也會(huì)造成空氣的飽和形成大霧天氣，這給未來(lái)大霧天氣的預(yù)報(bào)提供了一定參考。

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責(zé)任編輯：黃艷飛