張雯
摘 要:該文結合Micaps系統平臺,NCEP/NCAR的2.5°×2.5°格點的再分析資料及常規資料等對2013年12月28日~2014年1月2日綿陽機場連續濃霧天氣過程的天氣學環流背景、相關物理量、大氣層結和穩定度進行分析,揭示有利于連續濃霧形成和維持的機制及成因。結果表明此次過程發生前700 hPa西南氣流帶來弱暖濕平流為大霧的產生和維持提供了良好的環流背景;中低層充足的水汽及925 hPa以下較強的逆溫層為大霧維持提供了有力條件;濃霧發生前期,對流層低層風向以東南和偏南氣流為主,發生時有弱西北氣流擾動,700 hPa以下至近地面層均為輻合上升區,700~500 hPa為弱輻散下沉區和零輻散區,這種配置使水汽在中低層匯合,有利于穩定性層結的建立與濃霧的維持。
關鍵詞:濃霧 水汽 散度 大氣層結 穩定度
中圖分類號:P457 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2014)04(b)-0104-04
Analysis on Characteristics and Cause of Continuous Heavy Fog in Mianyang Airport
Zhang Wen
By use of MICAPS system data,NCEP/NCAR 2.5°×2.5° grid point reanalysis data and the routine observation data,we analyzed the synoptic circulation,physical quantities,atmospheric stratification and stability in Mianyang airport which occurred from December 28,2013 to January 2,2014.It revealed mechanisms and the cause of the formation and maintenance of the continuous fog.The results showed that the southwesterly flow on 700hPa bring warm and moist advection which provided the favorable circulation background before this process,sufficient supply of water vapor in middle and low level and the apparent inversion layer below 925hPa provided favorable conditions for the fog maintaining.In the earlier stage of the heavy frog the lower troposphere wind direction maitained southwest or south,as the heavy frog happened,weak northwest flow disturbance occurred,and there was an area of weak convergence ascending below 700hPa,and an area of weak of zero divergence and subsidence during 700hPa to 500hPa.This configuration enabled the convergence of water vapor in middle and low level,and is conducived to the establishment of stable stratification,the maintenanceof the continuous heavy frog.
Key words:heavyfog watervapor Divergence atmospheric stratification Stability
大霧的水平能見度<1 km,是比較常見的災害性天氣之一,大霧形成后,能見度有時甚至降至<50 m,給民航運輸、訓練飛行等帶來嚴重影響,因此霧害研究受到越來越多的關注和重視。據綿陽機場氣候志統計,綿陽霧現象主要發生在冬季,其次為秋季,春季和夏季較少,冬季霧平均日數為22.5 d,占全年霧平均日數的47.4%,各月中,12月份霧日數最多,累年平均為10.5 d,其次依次為11月、1月、2月平均日數分別為8.0 d、7.0 d、5.0 d。此次綿陽機場連續大霧過程出現于2013年12月28日—2014年1月2日,持續時間長強度大,其中29~31日均連續出現小于200 m的濃霧,造成綿陽機場多個航班延誤,對航班正常運行造成很大影響。雖現在有不少關于大霧的成因和發生發展機制的研究,但目前連續大霧的預報仍存在一定的困難。
本文利用Micaps系統平臺,NCEP/NCAR的2.5 °×2.5 °格點的再分析資料及常規資料,從高低空環流形勢及物理量場、氣象要素,大氣穩定性參數相關性,大氣層結的穩定性等方面,對此次大霧過程進行分析和探討,為總結出連續大霧的預報思路和方法提供可能,以期得到更多有助于改善大霧預報的新信息。
1 天氣實況演變
2013年12月28~2014年1月2日,綿陽機場出現了連續性的大霧天氣,大霧日連續出現6 d(如圖1),28~2日連續大霧時間分別達約1 h(08:00~09:00)、7 h(06:00~13:00)、14 h(01:00~14:00)、15 h(00:00~15:00)、3 h(00:00~03:00)、2 h(07:00~09:00)。其中29~31日出現小于200 m濃霧,30日06:00~10:00甚至出現能見度≤50 m,且出現濃霧時間合計11h以上,從綿陽機場歷年氣候統計資料來看比較罕見,而連續大霧也造成綿陽機場多個航班延誤、取消。endprint
2 大氣環流形勢
12月28日東亞大槽移出我國大陸,新的大槽重建過程中,28~1日500 hPa上高原、四川盆地西部到華南均以偏西或偏西北氣流為主。700 hPa從29日起本站開始由前日反氣旋前的偏東氣流轉為反氣旋后部西南氣流,隨之盆地西南氣流開始加強(圖2.a),高原東南有暖中心,帶來弱暖濕平流。盆地西南氣流并非來自暖濕海面而是受云貴高原切變影響,處于切變前,使溫度較前幾日有所增加;30日烏山脊前西北氣流引導弱冷平流從河套口地勢低處掠過盆地,使本站處于微弱的偏北下沉氣流控制,使得天空晴朗少云,有利于夜間輻射降溫(圖2.b);31日08時,冷空氣移至盆地東,盆地處于小高壓反氣旋控制下,本站處于高后東南氣流控制下(圖2.c),20時由于弱冷平流逐漸減弱,盆地又轉為切變前西南氣流,暖平流的輸送,使得夜間云量有所增加,雖仍受地表輻射影響,但能見度不至于太低(圖略);2日以后,第二股較強平流入侵盆地,才使連續大霧天有所好轉。850 hPa均為弱氣流控制直至2日08時本站東北風增至6 m/s,霧逐漸消散。
地面形式:大霧前期,貝加爾湖西南側有高壓穩定少動,29日08時高壓中心1047.5 hPa,本站處于高壓后部,由于高壓較弱、穩定,僅對華北一帶造成影響,中等強度的冷空氣受高原、秦嶺阻擋,未大規模侵入盆地(圖2.d),而從2日08時以后,開始有分裂的小高壓南移至高原東北部,使甘肅中部到盆地等壓線梯度加大,有利于大霧消散。
3 物理量診斷分析
3.1 水汽條件
3.1.1 溫度露點差
空氣的溫度越高,它能容納的水汽就越多。當近地層溫度下降時,多余的水汽就會析出形成霧。溫度露點差t-td是反映空氣中水汽飽和程度的一個物理量,當0℃ 3.1.2 比濕 分析本場850 hPa和925 hPa比濕發現,連續大霧發生過程中除去冷平流的影響850 hPa比濕一直維持≤4 g/kg,925hPa比濕維持在5 g/kg。也有利于大霧過程中水汽的維持。 3.2 風場條件 近地層弱風都有利于霧的發生,風速小的時候,系統之間水平方向的能量交換不大,天氣穩定,有利于大霧的維持。風對霧的形成具有一定的促進作用,此次大霧過程地面風前期在高壓后部均壓場控制下以VRB,南和東南風向為主,風速1~2 m/s,有利于暖濕氣流朝本站輸送與停留。到31日06時,地面風受弱冷平流影響開始轉為350~10 °,能見度才較之前濃霧天氣有所好轉。直至2日08時隨著冷空氣南下,低層轉明顯的東北氣流6 m/s,大霧消散。 低空風本站28~31日500 hPa為西北或偏西風,風速大多≥12 m/s(如圖2),高空引導氣流為偏西氣流,沒有較強系統或冷空氣影響;低空1500 m及以下多為偏南風或偏西風,風速比高層迅速減小,大部分風速為2~4 m/s。表明控制本區域的氣團比較穩定,難以移出或被破壞。在此次過程中,濃霧出現在29-30日07-11時,31日01-09時(圖1)。比較三天低空風場時間-高度剖面圖可知,濃霧發生前期低層東南氣流有加強趨勢,帶來充沛水汽,特別是28日18UTC時,700 hPa以下東南風明顯加強為6 m/s,濃霧發生時850 hPa以下整層轉為2~4 m/s偏西或西北風。29日風向變化同前,30日18UTC時左右,風向由偏南風轉為偏西風過程中,濃霧發生。而31日06UTC時后,雖850~1000 hPa均轉為西風氣流控制,但風力微弱且700 hPa為西南氣流控制,證明還無冷平流侵入,濃霧雖較前幾日有所好轉,但穩定層結仍穩定存在。直至2日起850 hPa以下整層為東北氣流控制,冷平流南下,持續大霧消散。 3.3 散度場分析 由于綿陽機場位于北緯31°25'48",東經104°44'22"(跑道中心)。我們選用NECP/NCAR 2.5°*2.5°格點資料,在105°E處,32.5°N(包含機場地理范圍),做28-31日濃霧發生時段散度時間垂直剖面圖(見圖4)。從垂直剖面的散度場來看,29-31日濃霧發生時,700 hPa以下至近地面層均為輻合上升區,尤其在29日凌晨達最大值,剛好對應連續濃霧發生時間。700 hPa以上至500 hPa為弱輻散下沉區和零輻散區,這種配置使近地層像被一蓋子蓋住,使近地層的空氣不易擴散。有利于水汽在中低層匯合,也使得近地面層有充沛的水汽在底層匯集凝結形成大霧。在本站上空濃霧階段700 hPa以下500 hPa以上均為輻合帶,表明有來自偏南方向的暖濕氣流輸送,其中近地層的正渦度帶來了大量水汽,使霧濃度持續加強。500 hPa以上的暖濕氣流輸送在對流層中低層產生穩定層結,近地層霧的熱力結構就不易被天氣系統破壞。而其間有微弱的輻散下沉運動區,有利于建立和維持對流穩定性層結。 4 大氣層結和穩定度 4.1 穩定性參數分析 大氣層結穩定,水平和垂直運動小是形成大霧的重要條件。冬季,四川盆地大部分地區大氣層結都非常穩定。表2的各項參數反映了距離綿陽最近探空地點溫江站大氣層結穩定狀況,從大霧出現前到大霧天氣結束整個過程中,Si指數全為正值,K指數維持在較小范圍,且在29日08時大霧開始時,有從正值轉變為負值的過程。
θse是表征大氣飽和濕空氣層結穩定度的物理量之一。對于2個不同的氣層,定義△θse=θse高層-θse低層,如果△θse>0,則大氣飽和濕空氣呈穩定狀態,反之則呈不穩定狀態。毛冬梅,楊貴石研究表明霧大多發生在飽和濕空氣氣層925 hPa與1000hPa較薄氣層的假相當位溫變化值穩定(△θse>0)或者弱不穩定(-4 <△θse<0)的條件下,由于盆地地勢特殊,我們選取近地面925~960 hPa,對流層中低層500~850 hPa,研究發現△θse均為正值或-1<△θse(925-960)<0,表明大氣層結處于絕對穩定的狀態。
4.2 探空圖分析
由于資料有限,我們選取離綿陽站最近的成都溫江站的探空資料,通過分析溫江29日~31日08時濃霧發生時間段內的探空圖(圖5)發現,29日(圖5.a)925 hPa(1000m高度)以下有明顯的逆溫,逆溫層對于近地面層水汽的積蓄和維持具有重要作用。且925 hPa以下溫度露點差值很小,兩條曲線十分接近,說明下墊面空氣接近飽和,為大霧形成創造良好的水汽條件,30日(圖5.b)925 hPa逆溫仍然存在,但受弱冷平流影響700 hPa轉為6 m/s的東北風近地面逆溫較29日略有減弱,大氣的飽和層厚度減小,弱冷平流并未持續,31日(圖5.c)08時,700 hPa轉為小高壓反氣旋后東南氣流控制下,有利于低層暖濕的持續,也有利于大霧維持。期間大氣的飽和層厚度、霧的厚度明顯增加,達到850 hPa。而從2日08時以后850 hPa開始轉為東北風6 m/s(圖略),同時氣溫升高,維持大霧的層結被破壞,持續大霧結束。
5 結語
(1)此次連續濃霧天氣發生前700 hPa西南氣流帶來弱暖濕平流為大霧的產生和維持提供了良好的環流背景
(2在此次過程中,除開弱冷平流短時擾動情況,近地面普遍t-td≤3 ℃,850、925 hPa比濕分別維持≤4 g/kg,≤5 g/kg利于濃霧持續。
(3)濃霧發生前期,低層東南氣流有加強趨勢,帶來充沛水汽,發生過程中850 hPa以下整層有弱西北氣流擾動,有利于濃霧產生。
(4)濃霧發生階段,700 hPa以下至近地面層均為輻合上升區,700 hPa以上至500 hPa為弱輻散下沉區和零輻散區,這種配置使使近地層的空氣不易擴散,而其間有微弱的輻散下沉運動區,有利于建立和維持對流穩定性層結。
(5)從大霧出現前到大霧天氣結束整個過程中,Si指數全為正值,K指數維持在較小范圍,△θse為正值或-1 <△θse(925-960)<0,表明大氣層結處于絕對穩定的狀態。925 hPa以下空氣接近飽和且有明顯的逆溫,對于近地面層水汽的積蓄和維持具有重要作用,利于濃霧持續。
參考文獻
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[20] 張天鋒,王位泰,李宗■,等.甘肅慶陽市霧的氣候特點及其預報思路初探[J].成都信息工程學院學報,2006(4).endprint
θse是表征大氣飽和濕空氣層結穩定度的物理量之一。對于2個不同的氣層,定義△θse=θse高層-θse低層,如果△θse>0,則大氣飽和濕空氣呈穩定狀態,反之則呈不穩定狀態。毛冬梅,楊貴石研究表明霧大多發生在飽和濕空氣氣層925 hPa與1000hPa較薄氣層的假相當位溫變化值穩定(△θse>0)或者弱不穩定(-4 <△θse<0)的條件下,由于盆地地勢特殊,我們選取近地面925~960 hPa,對流層中低層500~850 hPa,研究發現△θse均為正值或-1<△θse(925-960)<0,表明大氣層結處于絕對穩定的狀態。
4.2 探空圖分析
由于資料有限,我們選取離綿陽站最近的成都溫江站的探空資料,通過分析溫江29日~31日08時濃霧發生時間段內的探空圖(圖5)發現,29日(圖5.a)925 hPa(1000m高度)以下有明顯的逆溫,逆溫層對于近地面層水汽的積蓄和維持具有重要作用。且925 hPa以下溫度露點差值很小,兩條曲線十分接近,說明下墊面空氣接近飽和,為大霧形成創造良好的水汽條件,30日(圖5.b)925 hPa逆溫仍然存在,但受弱冷平流影響700 hPa轉為6 m/s的東北風近地面逆溫較29日略有減弱,大氣的飽和層厚度減小,弱冷平流并未持續,31日(圖5.c)08時,700 hPa轉為小高壓反氣旋后東南氣流控制下,有利于低層暖濕的持續,也有利于大霧維持。期間大氣的飽和層厚度、霧的厚度明顯增加,達到850 hPa。而從2日08時以后850 hPa開始轉為東北風6 m/s(圖略),同時氣溫升高,維持大霧的層結被破壞,持續大霧結束。
5 結語
(1)此次連續濃霧天氣發生前700 hPa西南氣流帶來弱暖濕平流為大霧的產生和維持提供了良好的環流背景
(2在此次過程中,除開弱冷平流短時擾動情況,近地面普遍t-td≤3 ℃,850、925 hPa比濕分別維持≤4 g/kg,≤5 g/kg利于濃霧持續。
(3)濃霧發生前期,低層東南氣流有加強趨勢,帶來充沛水汽,發生過程中850 hPa以下整層有弱西北氣流擾動,有利于濃霧產生。
(4)濃霧發生階段,700 hPa以下至近地面層均為輻合上升區,700 hPa以上至500 hPa為弱輻散下沉區和零輻散區,這種配置使使近地層的空氣不易擴散,而其間有微弱的輻散下沉運動區,有利于建立和維持對流穩定性層結。
(5)從大霧出現前到大霧天氣結束整個過程中,Si指數全為正值,K指數維持在較小范圍,△θse為正值或-1 <△θse(925-960)<0,表明大氣層結處于絕對穩定的狀態。925 hPa以下空氣接近飽和且有明顯的逆溫,對于近地面層水汽的積蓄和維持具有重要作用,利于濃霧持續。
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θse是表征大氣飽和濕空氣層結穩定度的物理量之一。對于2個不同的氣層,定義△θse=θse高層-θse低層,如果△θse>0,則大氣飽和濕空氣呈穩定狀態,反之則呈不穩定狀態。毛冬梅,楊貴石研究表明霧大多發生在飽和濕空氣氣層925 hPa與1000hPa較薄氣層的假相當位溫變化值穩定(△θse>0)或者弱不穩定(-4 <△θse<0)的條件下,由于盆地地勢特殊,我們選取近地面925~960 hPa,對流層中低層500~850 hPa,研究發現△θse均為正值或-1<△θse(925-960)<0,表明大氣層結處于絕對穩定的狀態。
4.2 探空圖分析
由于資料有限,我們選取離綿陽站最近的成都溫江站的探空資料,通過分析溫江29日~31日08時濃霧發生時間段內的探空圖(圖5)發現,29日(圖5.a)925 hPa(1000m高度)以下有明顯的逆溫,逆溫層對于近地面層水汽的積蓄和維持具有重要作用。且925 hPa以下溫度露點差值很小,兩條曲線十分接近,說明下墊面空氣接近飽和,為大霧形成創造良好的水汽條件,30日(圖5.b)925 hPa逆溫仍然存在,但受弱冷平流影響700 hPa轉為6 m/s的東北風近地面逆溫較29日略有減弱,大氣的飽和層厚度減小,弱冷平流并未持續,31日(圖5.c)08時,700 hPa轉為小高壓反氣旋后東南氣流控制下,有利于低層暖濕的持續,也有利于大霧維持。期間大氣的飽和層厚度、霧的厚度明顯增加,達到850 hPa。而從2日08時以后850 hPa開始轉為東北風6 m/s(圖略),同時氣溫升高,維持大霧的層結被破壞,持續大霧結束。
5 結語
(1)此次連續濃霧天氣發生前700 hPa西南氣流帶來弱暖濕平流為大霧的產生和維持提供了良好的環流背景
(2在此次過程中,除開弱冷平流短時擾動情況,近地面普遍t-td≤3 ℃,850、925 hPa比濕分別維持≤4 g/kg,≤5 g/kg利于濃霧持續。
(3)濃霧發生前期,低層東南氣流有加強趨勢,帶來充沛水汽,發生過程中850 hPa以下整層有弱西北氣流擾動,有利于濃霧產生。
(4)濃霧發生階段,700 hPa以下至近地面層均為輻合上升區,700 hPa以上至500 hPa為弱輻散下沉區和零輻散區,這種配置使使近地層的空氣不易擴散,而其間有微弱的輻散下沉運動區,有利于建立和維持對流穩定性層結。
(5)從大霧出現前到大霧天氣結束整個過程中,Si指數全為正值,K指數維持在較小范圍,△θse為正值或-1 <△θse(925-960)<0,表明大氣層結處于絕對穩定的狀態。925 hPa以下空氣接近飽和且有明顯的逆溫,對于近地面層水汽的積蓄和維持具有重要作用,利于濃霧持續。
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