2020年泰州一次持續(xù)性大霧過程的診斷分析

夏雨晨　楊夢兮　孫誠

關(guān)鍵詞： 輻射霧 持續(xù)性大霧 逆溫層 微波輻射計

中圖分類號： P458 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）15-0174-05

霧是指近地面層空氣中懸浮的大量小水滴和冰晶使得水平能見度降到1 km 以內(nèi)的一種天氣現(xiàn)象。大霧都是一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害現(xiàn)象，會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。濃霧對飛機(jī)的起飛和降落、公路交通安全都有嚴(yán)重的影響；空氣污染產(chǎn)生的酸霧會對人類健康產(chǎn)生危害，也是建筑物和各類設(shè)施腐蝕的重要原因。另外，霧還會導(dǎo)致電線之間的放電，損壞電力設(shè)備，造成電力事故。隨著中國城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，大霧事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度都呈明顯的上升趨勢，引起了極為廣泛的關(guān)注。因此，研究大霧的形成與維持機(jī)制對經(jīng)濟(jì)和人民生命財產(chǎn)安全都有著重要意義。

近年來，由于大霧天氣引發(fā)的交通事故不斷出現(xiàn)，使人們對大霧天氣的關(guān)注程度越來越高。國內(nèi)外很多學(xué)者都對大霧天氣的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行深入研究與探討，并獲得了一系列成果。方莎莎等人[1]利用多種探測資料對武漢地區(qū)不同降水情況下大霧天氣的氣溫、液水含量和相對濕度層結(jié)特征進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了大霧天氣時微波輻射計資料的可用性，分析了垂直要素變化對大霧生消的影響。結(jié)果表明：降水對霧的生消有雙重影響，降水的蒸發(fā)可為霧的形成提供水汽，同時降水的形成會消耗空氣中的水汽，加速霧的消散。王賽頔等人[2]使用多種觀測手段對2014 年遼寧地區(qū)一次長時間大范圍強(qiáng)濃霧天氣成因進(jìn)行了診斷。結(jié)果表明：在輻射霧階段，975 hPa 高度以下形成逆溫，氣溫下降、溫度露點(diǎn)差減小、相對濕度增大；近地面微風(fēng)利于降溫，同時水汽不易流出，逆溫作用使水汽不易向高層擴(kuò)散。在鋒面霧階段，鋒面附近輻合導(dǎo)致水汽上升冷卻凝結(jié)，同時鋒面附近低云降下雨滴在干冷空氣中蒸發(fā)，利于近地面附近水汽飽和、冷凝。王明等人[3]利用FY-4A衛(wèi)星對夜間大霧進(jìn)行識別，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星對夜間大霧的識別命中率普遍在70% 以上，不考慮地形影響，識別命中率可提高5%～8%；不考慮云影響，識別命中率可提高3%～4%。與高速公路交通管制信息對比，F(xiàn)Y-4A 衛(wèi)星對收費(fèi)站點(diǎn)大霧識別命中率均高于70%，并在部分國家氣象站未觀測到大霧而因霧封路的區(qū)域可實(shí)現(xiàn)對大霧天氣的有效識別。朱麗等人[4]對泰州一次持續(xù)性強(qiáng)霧-霾過程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：風(fēng)力較小，弱的垂直交換為霧的形成提供了較好的熱、動力條件，對氣團(tuán)的后向軌跡特征分析發(fā)現(xiàn)，霾天氣期間500 ｍ以下氣團(tuán)穩(wěn)定少動。500 m 以上清潔氣團(tuán)向低空補(bǔ)充，利于污染物的擴(kuò)散，霾減輕。TIAN M 等人[5]對渤海灣大霧天氣的水汽輸送進(jìn)行了觀測和模擬研究，發(fā)現(xiàn)大霧出現(xiàn)前，925 hPa 出現(xiàn)了西南低空急流，有利于大霧的產(chǎn)生；弱冷空氣未能破壞底層逆溫結(jié)構(gòu)，大霧持續(xù)存在，隨著鋒面移動，大霧持續(xù)覆蓋海面。李美琪等人[6]對河北一次持續(xù)大霧過程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，大霧產(chǎn)生于穩(wěn)定的緯向環(huán)流背景下，高空有弱短波槽快速東移，干性短波槽分別促成了大霧的形成、霧區(qū)范圍擴(kuò)大及強(qiáng)度增強(qiáng)。

本文針對2020 年2 月11—15 日江蘇泰州地區(qū)的一次持續(xù)性大霧天氣過程，利用ERA5 再分析資料、地面觀測資料和微波輻射計資料對此次大霧天氣過程進(jìn)行診斷分析，從大尺度天氣背景、水汽條件、動力條件等多方面進(jìn)行分析，探討該次持續(xù)性大霧天氣的成因和維持機(jī)制，為持續(xù)性大霧預(yù)報思路提供參考，提供大霧預(yù)報準(zhǔn)確率。

1 天氣實(shí)況

2020 年2 月11—15 日，江蘇泰州地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)4天的區(qū)域性大霧天氣，2 月11 日22∶00 泰州開始出現(xiàn)能見度小于500 m 的霧，12 日0∶00 開始出現(xiàn)能見度小于200 m 濃霧。從泰州站能見度的演變趨勢來看，此次大霧天氣過程可分為以下3 個階段：

第一個階段為2月11日夜間至12日凌晨，11日22∶00 前后泰州站出現(xiàn)能見度小于500 m 的霧，到了12 日02∶00 能見度降到200 m 以下；第二個階段為13 日凌晨和14 日早晨，泰州站出現(xiàn)了能見度200～500 m 之間的霧，持續(xù)時間較短；第三個階段為15 日凌晨，出現(xiàn)了能見度低于200 m的濃霧。

此次大霧天氣最嚴(yán)重的時段為12 日凌晨和15 日凌晨，能見度均小于200 m，且持續(xù)時間較長。12日，泰州站能見度最低僅76 m，出現(xiàn)在04∶19。15 日凌晨，全市大部分地區(qū)能見度在200 m以下，泰州站最低能見度僅126 m，出現(xiàn)在02∶58。15 日08∶00 以后，隨著北方冷空氣南下，泰州地區(qū)西北風(fēng)力增大，大氣穩(wěn)定層結(jié)遭到破壞，能見度迅速上升，大霧消散。

2 環(huán)流背景

本文采用歐洲中期天氣預(yù)報中心再分析資料第5版（簡稱ERA5）逐6 h 再分析資料，對此次持續(xù)性大霧天氣過程的天氣形勢進(jìn)行分析。圖2 是2 月11—14 日500 hPa 高空天氣形勢圖。從500 hPa 環(huán)流形勢上看，11—12 日泰州地區(qū)主要受中緯度偏西氣流的影響，高空有短波槽過境，高空有濕區(qū)東移，水汽條件較好，多陰雨天氣，為大霧天氣的形成提高了較好的天氣尺度背景。13—14 日高緯度有東北冷渦生成，泰州地區(qū)主要受冷渦底部的偏西氣流影響，隨著東北冷渦東移南落，泰州地區(qū)逐漸轉(zhuǎn)為冷高壓控制，冷空氣南下，大氣擴(kuò)散條件逐漸轉(zhuǎn)好，對大霧天氣的消散有著重要作用。

圖3 是11—14 日海平面氣壓場形勢，從地面形勢圖上可以看出，11—13 日泰州地區(qū)受到均壓場的控制，地面等壓線較稀疏，以靜穩(wěn)大氣為主，地面風(fēng)場為南到西南風(fēng)，且風(fēng)力條件一般，不利于本地污染物的擴(kuò)散，有利于大霧天氣的產(chǎn)生。13 日起阿爾泰山至薩彥嶺一帶有冷空氣堆積，形成冷高壓，冷高壓前部不斷有弱冷空氣向東北、華北地區(qū)擴(kuò)散，至14 日后半夜冷空氣波動南下影響泰州地區(qū)，地面等壓線密集，風(fēng)場逐漸由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，風(fēng)力明顯增大，有利于大霧的消散，因此14 日后半夜至15 日早晨此次持續(xù)性大霧天氣逐漸消散。

3 大霧生成和維持機(jī)制

圖4 為2020 年2 月11 日08∶00—15 日08∶00 過點(diǎn)（32.5°N，120°N）的風(fēng)、溫度和濕度的時間-高度剖面。從數(shù)據(jù)可以看出：11 日夜里和14 日夜里地面相對濕度均接近飽和狀態(tài)，濕度條件明顯好于13—14日，與強(qiáng)濃霧的爆發(fā)時間段相吻合；12 日凌晨起850 hPa 相對濕度由80% 以上逐漸減弱，至14 日下午重新增強(qiáng)至80% 以上。從風(fēng)向的變化可以看出：13日08∶00和14日08∶00有短波槽過境，兩次均為干性短波槽，短波槽過境后高空濕度開始下降，天空云量減少，有利于輻射降溫；而900 hPa 溫度開始上升，有利于近地面逆溫層的形成和維持，因此13—14 日大霧屬于輻射霧。14 日夜里泰州地區(qū)處于冷鋒前部，但冷鋒前的地面水汽接近飽和，大霧轉(zhuǎn)為鋒面霧。

圖5 為11 日08∶00—15 日08∶00 過點(diǎn)（32.5°N，120°N）的渦度、散度、垂直速度時間-高度剖面。可以看出，11 日夜里和14 日夜里850 hPa 均有較強(qiáng)的正渦度，表明底層有暖濕氣流，12—13 日低層有負(fù)渦度，大霧減弱，15 日早晨受冷空氣南下影響，低層轉(zhuǎn)為負(fù)渦度，大霧消散，與此次持續(xù)性大霧天氣過程的生成和消散時間對應(yīng)較好。從散度場的分布來看，此次大霧過程低層輻射輻合相間，11 日20∶00—13 日08∶00 低層有弱的輻合上升運(yùn)動，13 日白天有弱的輻散下沉運(yùn)動，弱的輻合上升運(yùn)動可以使近地面的水汽向上輸送，使?jié)駥拥竭_(dá)一定的高度，有利于大霧的維持，弱的輻散下沉運(yùn)動有利于逆溫層的形成，阻止中低層水汽交換，使得低層濕度條件達(dá)到飽和。從散度場的時間變化情況來看，與圖5 的濕度隨時間變化有較好的吻合，可以對應(yīng)上此次大霧天氣的發(fā)展過程。從垂直速度隨時間的變化來看，11 日20∶00—14 日08∶00 和14 日20∶00 之后均以下沉氣流為主，垂直運(yùn)動較弱，有利于大氣穩(wěn)定層結(jié)的形成，下沉氣流的增強(qiáng)會導(dǎo)致水汽向近地面的堆積，使得近地面濕度增大，對應(yīng)大霧的發(fā)展。

由于微波輻射計的缺測，11—12 日數(shù)據(jù)無效，因此對13—15 日的微波輻射計觀測資料進(jìn)行分析。圖6為基于微波輻射計資料的13—15 日泰州站溫度和相對濕度的時間-高度剖面。由數(shù)據(jù)可以看出，泰州站在13 日16∶00 之后，1 km 以下相對濕度接近100%，14 日08∶00 之后2 km 以下相對濕度接近100%，水汽達(dá)到飽和狀態(tài)，濕層深厚，有利于大霧的生成。從氣溫的變化情況來看，13 日和14 日夜間低層均有逆溫層存在，13日夜間逆溫層較明顯，15 日早晨隨著冷空氣南下，氣溫迅速降低，逆溫層遭到破壞，大霧逐漸消散。

4 結(jié)論與討論

本文針對泰州一次持續(xù)性大霧天氣過程，利用ERA5 再分析資料、地面觀測資料和微波輻射計資料進(jìn)行診斷分析，從大尺度天氣背景、動力條件、水汽條件等多方面進(jìn)行分析，探討此次持續(xù)性大霧天氣的成因和維持機(jī)制，結(jié)論如下。

（1）此次持續(xù)性大霧天氣500 hPa 前期受緯向偏西氣流控制，后期東北冷渦東移南落，多短波槽過境活動，濕度條件較好。該次過程前期地面受均壓場控制，氣壓梯度小，風(fēng)力較弱，為大霧天氣的形成提供了有利的天氣背景條件。短波槽過境后高空濕度開始下降，天空云量減少，有利于輻射降溫，低層溫度升高，為近地面逆溫層的形成和維持提高有利條件，13—14 日形成輻射霧，14 日夜里泰州地區(qū)處于冷鋒前部，冷鋒前的地面水汽接近飽和，大霧轉(zhuǎn)為鋒面霧，15 日早晨冷空氣開始影響泰州，大霧消散。

（2）此次大霧持續(xù)階段，低層有暖濕氣流，輻合輻散過程相間，低層弱輻合上升運(yùn)動使?jié)駥涌梢赃_(dá)到一定的高度并維持，提供了有利的水汽條件，弱輻散下沉運(yùn)動為逆溫層的形成提供了有利的動力條件。從微波輻射計觀測資料來看，13 日16 時之后近地面相對濕度接近飽和，13 日和14 日夜間低層均有逆溫層存在，為大霧的爆發(fā)提供了有利條件。最終大霧消散主要是由于冷空氣的入侵，逆溫層遭到破壞。