烏魯木齊城區(qū)冬季霧的分布特征及其影響因素

王 健，萬 瑜，苗運玲*

（1.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002）

近地層空氣中水汽凝結(jié)并懸浮形成了霧，霧會降低能見度，給道路交通、航空運輸、電力通信設施、空氣質(zhì)量和人體健康等帶來嚴重危害[1-2]，導致高速路上交通癱瘓[3]。隨著城市的發(fā)展擴大，霧及其次生災害已成為城市主要氣象災害之一[2]，霧的監(jiān)測、分析研究和預報預警越來越受到廣泛關(guān)注。

不同區(qū)域霧的強度和持續(xù)時間差別顯著[4-9]。中國霧總體呈東南部多，西北部少的分布特征，北方冬春季會出現(xiàn)較嚴重的持續(xù)性濃霧天氣[4]。中國霧區(qū)大都是秋冬季多，春夏季較少[5]。地理環(huán)境和地形對霧的出現(xiàn)和維持有顯著影響[6-7]。中國西部大霧日數(shù)偏少（多）與氣溫偏高（低）、相對濕度偏?。ù螅┐嬖谳^好的對應關(guān)系[8]。霧與生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)，研究霧可為保護生態(tài)環(huán)境提供科學依據(jù)[9-11]。新疆天山山區(qū)和北疆是中國6 個主要霧區(qū)之一，霧日年際變化較大[5]。天山山區(qū)和北疆的霧主要出現(xiàn)在冬季[12-13]。張家寶等[14]指出北疆沿天山一帶冬季陰霧多發(fā)，且陰霧的發(fā)生和維持與地理環(huán)境密切相關(guān)。

烏魯木齊市位于北疆沿天山一帶的中部、天山北坡和準噶爾盆地南緣之間，有降雪或積雪的冬季大霧易發(fā)、多發(fā)[15]，大霧已成為烏魯木齊城區(qū)冬季最常見的高影響災害性天氣之一[16]。已有研究[17-21]較好地揭示了烏魯木齊市不同區(qū)域霧的天氣氣候特征、環(huán)流配置、垂直風場特征和主要成因等。烏魯木齊市年霧日受海拔高度和地形影響較大，城區(qū)冬季霧日最多，且年、季及月的年際變化均呈顯著增加趨勢[18]。但已有研究主要是基于烏魯木齊市氣象站或者烏魯木齊國際機場的資料（據(jù)《民用航空地面氣象觀測規(guī)范》），基本未涉及城北米東氣象站的觀測數(shù)據(jù)。烏魯木齊城區(qū)呈南高北低的準南北向狹長帶狀分布，海拔高度在580～920 m，較大的高度差和復雜的地理環(huán)境造成城南和城北的天氣氣候差異顯著。

自2016 年1 月1 日，全國氣象臺站能見度的觀測由人工目測改為自動器測，實現(xiàn)了能見度值的逐時自動監(jiān)測，為系統(tǒng)研究烏魯木齊城區(qū)霧的分布特征提供了寶貴數(shù)據(jù)。本文分析烏魯木齊城南和城北不同強度霧的發(fā)生概率、霧的發(fā)生時段、起止時間及持續(xù)時間等主要特征，以期為烏魯木齊城區(qū)霧的精細化預報預警提供重要參考指標。

1 資料與方法

1.1 代表站和資料

位于城南的烏魯木齊市氣象站和位于城北的米東氣象站經(jīng)度基本一致，緯度相差11′，直線距離約20 km，海拔高度相差近335 m。根據(jù)兩站在城區(qū)的地理位置，可分別代表城南和城北。烏魯木齊站和米東站都有規(guī)范的霧和能見度觀測資料，據(jù)兩站1981—2010 年的整編資料，城南年平均霧日28.9 d，其中11 月—次年2 月為25.4 d（占88%）；城北年平均霧日40.4 d，其中11 月—次年2 月為37.3 d（占92%）。本文統(tǒng)稱一年中霧日數(shù)最集中的11 月—次年2 月為冬季。兩站的基本參數(shù)見表1。

表1 烏魯木齊城區(qū)站點基本參數(shù)、代表區(qū)域及年平均和冬季霧日數(shù)

資料選取2016—2020 年烏魯木齊站和米東站冬季霧日、霧日最小水平能見度和霧日逐時水平能見度以及風速、靜風頻次和相對濕度等要素的月平均數(shù)據(jù)等，所有資料均通過嚴格質(zhì)量控制。

1.2 方法

《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)定，天氣現(xiàn)象以北京時20 時為日界，當某站20 時至次日20 時出現(xiàn)霧，不論其持續(xù)時間長短、是否有間斷均記為一個霧日，若某次霧跨越20 時日界，則按2 個霧日計算。

能見度是界定有、無霧及其強度的定量指標。2016 年能見度監(jiān)測改為自動器測后，地面氣象觀測業(yè)務中霧的等級劃分為3 級，即：霧（500 m≤水平能見度＜750 m）、濃霧（50 m≤水平能見度＜500 m）、強濃霧（水平能見度＜50 m）。在預報預警業(yè)務中，依據(jù)《中華人民共和國霧的預報等級指標（GB/T27964-2011）》分為4級，即：大霧（500m≤水平能見度＜1 000 m）、濃霧（200 m≤水平能見度＜500 m）、強濃霧（50 m≤水平能見度＜200 m）、特強濃霧（水平能見度＜50 m）。本文旨在為預報預警業(yè)務提供定量參考，故主要依據(jù)《中華人民共和國霧的預報等級指標（GB/T27964-2011）》4 級標準，利用測站霧日的最小能見度值和逐時水平能見度值等表征霧的強度。

為了分析霧的時間和強度分布特征，首先統(tǒng)計近5 a 冬季城南和城北霧日最小能見度的平均值及其在晝（08 時—20 時）、夜（20 時—次日08 時）的出現(xiàn)概率，對比分析城南和城北霧的強度及其晝夜分布特征。分別統(tǒng)計城南和城北5 a 冬季中不同強度霧在1 天24 個時次的累計出現(xiàn)頻次，高頻時段即為對應強度霧的易發(fā)時段。

霧的開始、結(jié)束和持續(xù)時間也是采用測站逐時水平能見度值，即當某時次能見度＜1 000 m 即判定為霧的開始時次，若能見度＜1 000 m 持續(xù)，表示霧持續(xù)并累計小時數(shù)，當霧持續(xù)了若干小時后出現(xiàn)＞2 h的能見度＞1 000 m，則視為霧過程結(jié)束，出現(xiàn)能見度＞1 000 m 的前一時次計為霧的結(jié)束時次；霧從開始時次到結(jié)束時次間的累計小時數(shù)為霧的持續(xù)時間；分別累計霧在1 天24 個時次的開始、結(jié)束時次的頻次，高頻時次即為霧的開始或結(jié)束的高發(fā)時次。

2 霧的時間分布特征

2.1 霧的日數(shù)

圖1 為2016—2020 年冬季及逐月城南和城北霧日數(shù)的分布情況。近5 a 冬季霧日數(shù)城南為223 d，城北為271 d，城北比城南偏多48 d；平均霧日數(shù)城南為44.6 d，城北為54.2 d，分別較多年（1981—2010 年）冬季偏多19.2、16.9 d，即近5 a 冬季城南和城北霧日數(shù)均呈增加趨勢，與文獻[15]結(jié)論一致。

在上述分析中發(fā)現(xiàn)，軌道換乘站客流擁塞風險具有明顯的時變特征，因此可將1 d內(nèi)的各時段作為不同的評價對象，每個時段分別以進站、出站、換乘客流作為評價指標，從而識別1 d內(nèi)客流擁塞風險較高的時段. 根據(jù)北京市地鐵運營時間，確定全天的數(shù)據(jù)采集時段為05:00—23:00，以15 min為最小時間單元，分別基于軌道AFC刷卡數(shù)據(jù)提取進站、出站和換乘客流.

由圖1 可知，近5 a 冬季兩站月平均霧日數(shù)均為1 月最多（城南15.8 d，城北21.6 d），11 月最少（城南5.6 d，城北4.6 d），12 月和2 月平均霧日數(shù)為11.4～14.6 d；除11 月城南（5.6 d）多于城北（4.6 d）外，其余3 個月霧日數(shù)均為城北多于城南。

圖1 2016—2020 年冬季及逐月烏魯木齊城南和城北不同強度霧日數(shù)分布

2.2 霧的晝夜分布

近5 a 冬季霧日中，城南晝夜都出現(xiàn)霧的年平均日數(shù)為19 d（表2），占42.6%，僅白天或僅夜間有霧分別為10.6 和15 d，分別占23.8%和33.6%；城北晝夜都有霧共出現(xiàn)34.2 d，占63.1%，僅白天或僅夜間有霧分別為11.8 和8.2 d、分別占21.8%和15.1%。故城北晝夜都出現(xiàn)霧的概率高于城南。城南霧最小能見度出現(xiàn)在夜間有28.6 d，占64.1%，城南霧夜間強于白天；而城北最小能見度出現(xiàn)在白天和夜間的日數(shù)接近，分別為26.2 和28 d，分別占48.3%和51.7%，即城北霧的強度晝或夜的差別不大。

表2 2016—2020 年冬季烏魯木齊城南和城北晝霧與夜霧平均日數(shù)和最小能見度平均日數(shù) d

2.3 霧的起止時間

分析近5 a 冬季城南309 次霧、城北351 次霧的開始和結(jié)束時間的累計頻次，發(fā)現(xiàn)1 天24 個時次都有霧的開始和結(jié)束，但是在不同時次開始和結(jié)束的概率大不相同，即霧的開始和結(jié)束的多發(fā)和少發(fā)時段是不同的。城南霧開始時間（圖2a）呈單峰單谷，最多出現(xiàn)在17—19 時、占21.0%，11—14 時最少、僅占7.8%；結(jié)束時間（圖2b）呈準雙峰三谷型，最多出現(xiàn)在11 和05 時，分別占8.1%和7.1%。城北霧開始時間（圖2a）為三峰單谷型，20—22 時和09 時最易出霧，分別占17.9%和6.0%；14 時很少開始，僅占0.3%；結(jié)束時間（圖2b）為單峰單谷，集中結(jié)束于14 時前后，占10.8%，極少結(jié)束于20 時，僅占0.9%。

圖2 2016—2020 年冬季烏魯木齊城南和城北霧開始和結(jié)束時間的日變化曲線（a 為開始頻率，b 為結(jié)束頻率）

城南霧常在18 時前后開始，11 時前后結(jié)束。城北霧大都在20—22 時或09 時開始，14 時前后結(jié)束。原因是城南在經(jīng)歷了白天升溫、積雪升華后，在18 時前后氣溫下降、相對濕度增大，導致霧生成；20 時前后受偏北來向的谷風影響[27]，霧從準噶爾盆地蔓延至城北。

2.4 霧的持續(xù)時間

近5 a 冬季城南和城北的霧過程分別是309、351 次，城南少于城北。不同持續(xù)時間霧過程的累計頻次和占比不同（表3），城南和城北持續(xù)3 h 內(nèi)的霧過程占比分別是37.2%、33.3%，都有絕對優(yōu)勢，與許瑋[10]、馮麗莎[11]結(jié)論一致。城南和城北持續(xù)3～12 h的霧過程占比分別是43.4%、37.0%，城南略多于城北，城南和城北持續(xù)12～24 h 的霧過程頻次占比為12.9%和16%，城北略多于城南，而持續(xù)24 h 以上的霧過程，城北（48 次、占比13.7%）遠多于城南（20次，占比6.5%）。統(tǒng)計結(jié)果表明，城北霧的持續(xù)時間總體長于城南，初步認為城北海拔高度低，邊界層更加靜穩(wěn)，為霧的維持提供了條件。

表3 2016—2020 年冬季烏魯木齊城南和城北不同持續(xù)時間霧的累計頻次和占比

城南霧過程最長持續(xù)時間是106 h（2016 年2月21 日02 時—2016 年2 月25 日11 時）城北是153 h（2016 年1 月22 日10 時—2016 年1 月28 日18 時）。

3 霧的強度

3.1 不同強度霧的出現(xiàn)概率

近5 a 冬季，城南各種強度霧共出現(xiàn)2 653 次，大霧、濃霧、強濃霧和特強濃霧出現(xiàn)頻次（圖3）分別為1 676 次（63.2%）、527 次（19.9%）、432 次（16.3%）和18 次（0.68%）；城北共出現(xiàn)4 484 次，其中大霧、濃霧、強濃霧和特強濃霧分別是3 366 次（75.1%）、879 次（19.6%）、236 次（5.3%）和3 次。

圖3 2016—2020 年冬季烏魯木齊城南和城北不同強度霧出現(xiàn)頻率

3.2 不同強度霧的月分布

表4 為近5 a 冬季城南和城北不同強度霧的月平均分布。城南1 月（2.2 d）和12 月（5.4 d）強濃霧最多，2 月濃霧（4.6 d）最多，11 月大霧（1.8 d）、濃霧（1.6 d）和強濃霧（2.2 d）的頻次接近。城北1 月大霧（8.4 d）、濃霧（8.6 d）和12 月大霧（5.4 d）、濃霧（5.2 d）較多，2 月濃霧（6 d）最多，11 月除無特強濃霧外，其余強度霧日數(shù)接近（大霧1.6 d、濃霧1.8 d、強濃霧1.2 d）。冬季城南強濃霧和特強濃霧的發(fā)生概率（41.3%）多于城北（22.5%），這也是城南霧總體強于城北的原因之一。

表4 2016—2020 年冬季及逐月烏魯木齊城南和城北不同強度霧的平均日數(shù)分布 d

3.3 不同強度霧的日變化

城南和城北不同強度霧在1 天的任何時次都可能出現(xiàn)，但是不同時次出現(xiàn)的概率不同。城南大霧（圖4a）在19—20 時出現(xiàn)最多，占11.6%，13—15 時出現(xiàn)次數(shù)最少，均少于3%；濃霧（圖4b）在03—05時出現(xiàn)較多，占18.2%，14—17 時發(fā)生頻率較少，僅為2.5%；強濃霧（圖4c）在21 時—次日06 時逐時遞增，02—06 時為1 天中的高發(fā)時段、每個時次均占8%以上，其后波動式減少，15—19 時為最少時段，各時次僅占1.2%。城北大霧（圖4a）多出現(xiàn)在09—13 時，占22.8%，16—19 時出現(xiàn)較少，僅占3.5%；濃霧（圖4b）最多出現(xiàn)在11—12 時，占13.2%，17—19 時出現(xiàn)最少，僅占2%；強濃霧（圖4c）呈先持續(xù)緩升后快速下降趨勢，即21 時后持續(xù)增加至次日10 時的峰值時刻，占9.3%，然后快速降至15—20 時的谷值時段，僅占1%。城南和城北都極少出現(xiàn)特強濃霧，兩地均短時偶發(fā)于09 時前后。

圖4 2016—2020 年冬季烏魯木齊城南和城北不同強度霧的日變化曲線（a 為大霧，b為濃霧，c為強濃霧）

城南濃霧和強濃霧主要出現(xiàn)在21 時—次日06時，分別占53.1%和60.2%，這與城南霧的強度夜間強于白天是一致的。城北不同強度霧的發(fā)生時段較為分散，與城北霧在晝夜強度接近相對應。

4 影響霧的主要因素

觀測事實和研究都證實，霧的形成和維持離不開穩(wěn)定的大氣層結(jié)、充沛的水汽、有利的溫濕度配置和風場條件[1，15-18]。本文僅從風速、相對濕度和地理環(huán)境等因素對城南和城北做對比分析，初步探討城南和城北霧的部分差異性的主要影響因素。

4.1 風速和相對濕度

微風、靜風和充沛的水汽是霧生成和維持的必要條件[1，12，15]。分析近5 a 冬季城南和城北風速、相對濕度逐月平均值發(fā)現(xiàn)：城北11 月—次年2 月的平均靜風頻次（12、16、16、14 次）均大于城南（5、6、6、4次）（圖5a），同時段城北逐月平均風速（1.1、0.9、0.8、1.0 m/s）明顯小于城南（1.7、1.4、1.5、1.6 m/s）（圖5b），冬季11 月—次年2 月城北的相對濕度（72.1%、81.9%、80.9%、76.8%）大于城南（70.1%、77.6%、77.9%、74.3%）（圖5c）。有利于霧生成和維持的風速及相對濕度是城北霧多于且持續(xù)時間長于城南的重要氣候影響因素[8]。

圖5 2016—2020 年冬季各月烏魯木齊城南和城北靜風頻次（a）、平均風速（b）和相對濕度（c）

4.2 地理環(huán)境因素

很多研究[5-7，13]都表明，獨特而有利的地理環(huán)境也是霧發(fā)生和維持的重要原因之一。北疆在冬季處于地面蒙古冷高壓后部，當穩(wěn)定積雪形成后，準噶爾盆地上空常維持逆溫層，導致準噶爾盆地和北疆沿天山一帶常出現(xiàn)陰霧天氣[14]，盆地形成的陰霧極易蔓延至盆地南緣的烏魯木齊城北一帶[19]，城北海拔高度較低，大氣層結(jié)更靜穩(wěn)，導致霧在城北滯留。與此相反，烏魯木齊南郊至城南冬季出現(xiàn)淺薄型焚風頻率達57.3%[22]，干暖焚風不利于霧的發(fā)生和維持。地理環(huán)境因素也是城北冬季霧多且持續(xù)時間長于城南的重要因素之一。

5 結(jié)論和討論

（1）近5 a 冬季，烏魯木齊城南平均霧日為44.6 d較城北的54.2 d 偏少9.6 d，兩地霧日都是1 月最多、11 月最少；城南霧夜間強于白天，城北霧晝夜強度接近。城南集中在17—19 時開始出現(xiàn)霧，常在11和05 時霧消散；而城北多在09 時和20—22 時開始出現(xiàn)霧，基本都在14 時前后消散。城南和城北霧的持續(xù)時間大部分在24 h 以內(nèi)，其中又以3 h 以內(nèi)為多，但是持續(xù)時間超過24 h 的累計頻次城北多于城南，城北霧持續(xù)時間大于城南。

（2）城南和城北霧日最小能見度分別為335、390 m，城南強濃霧和特強濃霧占41.3%，多于城北的22.5%，城南霧總體強于城北。城南大霧多發(fā)19—20 時，濃霧多發(fā)于03—05 時，強濃霧高發(fā)于02—06 時。城北大霧高發(fā)于09—13 時，濃霧多出現(xiàn)于11—12 時，強濃霧多發(fā)于10 時。

（3）城北位于陰霧多發(fā)的準噶爾盆地南緣，海拔高度較低、層結(jié)更加靜穩(wěn)，冬季各月靜風頻次較多、風速較小、相對濕度較大，而城南常受干暖焚風影響，區(qū)域小氣候和地理環(huán)境是城南和城北霧分布差異的主要影響因素。

由于兩站能見度自動監(jiān)測時間較短，觀測資料年限不長，所得結(jié)論具有一定的局限性。隨著觀測資料的增多，再增加邊界層、局地風場等資料的分析，可以遴選出烏魯木齊城區(qū)冬季霧精細化預報預警的關(guān)鍵因子和指標體系，建立烏魯木齊城南和城北冬季霧的精細化預報預警方法，進一步做好烏魯木齊城區(qū)冬季霧的精細化預報預警和服務。