2011年秋冬我國中東部大霧結構特征分析

袁　方，王雯燕，翟　園，唐文哲，徐軍昶，鞏在武*.南京信息工程大學，江蘇南京0044.西安市氣象局，陜西西安7006

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2011年秋冬我國中東部大霧結構特征分析

袁方1，王雯燕2，翟園2，唐文哲2，徐軍昶2，鞏在武1*
1.南京信息工程大學，江蘇南京210044
2.西安市氣象局，陜西西安710016

摘要:對霧區相對濕度垂直結構分布變化的監測一直缺乏直觀有效的方法，探空觀測能夠填補觀測不足并提供可靠的氣象資料。本文利用2011年秋冬我國六時次高空氣象觀測資料，通過與衛星監測、地面觀測霧區對比的方式，分析中東部霧區垂直方向氣象要素的變化情況。結果表明，（1）霧區溫度變化有等溫、貼地逆溫和低層逆溫三種類型，其中貼地逆溫出現次數最多，約占記錄總數的52%；（2）霧區相對濕度變化有兩種類型：等濕和相對濕度增大，其中等濕記錄出現次數最多，約占記錄總數的88%，統計數據說明霧區水汽接近均勻分布；（3）霧區風向隨高度變化方式主要有順時針偏轉、相對靜穩（風向不變、風速為零）和先順后逆轉等變化，其中順時針偏轉和相對靜穩出現次數約占記錄總數的71%；霧區風速變化低于1 m·s-1的記錄約占總數的77%，研究時段內的霧區多為在暖平流控制的天氣形勢下生成，層結穩定。霧區不同方式觀測的存在差異的原因，一是衛星監測的霧區容易受低云干擾造成誤判，二是高空氣象探測無法剔除降水天氣干擾，霧區范圍較大。

關鍵詞:大霧；結構特征；2011年

霧是一種常見的天氣現象，全國各地都有出現，水平能見度小于1.0 km[1]，強濃霧時能見度只有幾米。近年來隨著城市化的快速進展，大氣氣溶膠粒子增多，霧與霾時常結合，對城市交通、高速公路、鐵路、船運、航空等安全及人體健康帶來了很大危害，成為一種嚴重的、頻發的災害性天氣。吳兌等[2]總結了我國大陸霧日地理分布基本氣候特征和霧天氣出現的季節特點，王麗萍等[3]分析了我國霧的地理分布，討論了不同地區霧的月、年變化特征，劉小寧[4]等分析了我國大霧的空間、時間分布；各地也紛紛開展霧的時空變化、趨勢研究，龍先菊等[5]分析了黔東南州大霧日數的分布特點、長期變化趨勢、年代際變化特征，賀浩[6]等分析了陜西大霧的氣候特征和地域特征，鄭玉萍等[7]分析了烏魯木齊大霧天氣的氣候特征，上述研究所用數據主要是地面臺站氣象觀測資料，這些資料在研究霧的日、月、年氣候特征、地域分布、趨勢變化方面具有無可比擬的優越性，但利用這些數據很難深入分析霧的生消和垂直結構變化；近幾年隨著遙感技術發展，國家衛星氣象中心利用紅外云圖、可見光云圖和中紅外云圖等實現了對霧監測的業務化產品，蔣璐璐[8]等依據FY-3A衛星的VIRR數據，探討衛星數據檢測霧的可行性；張樹譽等[9]運用EOS-MODIS資料，根據云霧的反射及輻射特征差異采用域值法監測霧區，在霧的形成、發展、消散監測上有一定特色，但在霧區垂直結構特征研究方面又有一定的局限性；我國新一代L波段雷達-電子探空儀觀測系統獲取的秒數據探測資料，時間分辨率、垂直分辨率都很高，可直接觀測霧區垂直結構氣象要素的分布變化[10-12]，數據客觀真實，因此利用霧過程中的高空氣象觀測資料，研究霧區溫度、相對濕度、風等要素隨高度的變化情況，是對霧特征研究的有效補充手段，具有重要的理論和現實意義。

國內諸多研究結果表明：秋冬季節霧多在夜間發生持續到次日上午[13-15]。2011年11月23日、25日、28日，12月3日、4日、5日中國中東部地區出現多次連續性、大范圍的大霧天氣。根據NOAA、FY-2、FY-3衛星遙感的圖像和地面實況監測資料，對這六次大霧天氣過程逐一分析，可以看出這幾日的霧多產生于凌晨1時，消散于9時以后，大霧持續時段集中在6～8時之間。本文基于霧過程發生時，高空臺站07:15觀測的相對濕度資料分析霧區垂直方向溫度、相對濕度、風場的變化特征，并對不同方式監測的差異霧區進行分析。

1　資料與方法

1.1資料來源

2011年11月23日～12月5日全國探空溫度、相對濕度、風向、風速等觀測資料和地面相對濕度、能見度、天氣資料源于中國氣象局信息中心，衛星監測霧區分布圖例源于國家衛星氣象中心網站。

1.2探空資料確定霧區的方法

霧是在大氣中、地面上產生的水汽凝結現象[1]，是近地層相對濕度飽和區域，用探空數據可以表示為距地某高度范圍內具有一定厚度的相對濕度最大值。首先需要確定高度區間，探空相對濕度觀測是從地面開始的，經過對上述六次探空觀測資料多個高度層次（距地20 m、30 m、40 m、50 m）相對濕度的統計分析，確定距地30 m是本文研究讀取相對濕度最大值的合理高度（過程略）；其次，由于較薄的飽和水汽層不可能形成霧區，區間相對濕度最大值讀取時增加了濕層厚度條件，即秒數據必須連續兩組（5～8 m/組）以上，持續厚度＞10 m。以此為標準分別提取六次霧過程探空資料距地30 m高度內、持續厚度＞10 m的相對濕度最大值，以5%為間隔，繪制全國相對濕度分布圖，通過與衛星監測霧區和地面觀測有霧的站點區域對比的方法，最后確定探空資料研究霧的相對濕度指標。圖1為11月23日三種方式監測的霧區對比圖（由于衛星監測霧區分布圖例取自網站文檔，只有大霧分布局地圖，而地面和探空為人工制作，故為全國圖，探空圖例較多，取吻合程度較好的距地30 m等值線圖）。圖1（a）中霧區主要分布在云南中東部、四川東部、陜西南部、貴州、重慶，及長江中下游地區；圖1（b）中，華北及相鄰區域相對濕度≤65%，江淮、華南地區均≥75%，相對濕度≥80%區域覆蓋了西南及長江中下游地區的所有地區，相對濕度≥85%的區域較為集中，主要分布在云南中東部、四川東部、重慶、湖南北部、貴州、及長江中下游地區，相對濕度≥90%的區域分布在重慶南部、貴州北部、及云南南部地區；圖1（c）霧區主要集中在四川東部、重慶、湖南北部、云南、貴州部分地區，及長江中下游地區，福建北部也有少量分布。

圖1　2011年11月23日中國中東部不同方式監測的霧區（a）氣象衛星監測；（b）探空相對濕度等值線圖；（c）地面觀測霧區Fig.1　Monitored patterns of fog areas in middle and eastern China on 23 Nov 2011（a）Fog area monitored by satellite；（b）Relative humidity distribution monitored by sounding；（c）Fog area monitored by ground observation

11月25日（圖略），衛星監測顯示霧區主要分布在云南中東部、四川東部、貴州大部、重慶、河南北部、山東南部、安徽及江蘇北部等地區；探空相對濕度等值線顯示相對濕度≥75%的區域覆蓋了我國中東部的大部分地區，相對濕度≥80%的區域分布在中部和長江中下游大部分地區，相對濕度≥85%落區在云南中南部、四川東部、貴州大部、重慶、湖北西部、湖南南部部分地區，及江西東南部、安徽、浙江、福建等四省交界區域；相對濕度≥90%的臺站區域較小，分布在重慶南部、及云南南部地區；地面觀測霧區主要集中在云南中南部、湖南西部，四川東部、及安徽、浙江、福建、江西等四省交界區域。

其余四個霧日分析結果近乎一致（圖略），對比后發現探空相對濕度等值線≥85%的區域與氣象衛星監測、地面觀測霧區有較好的一致性，因此，本文研究的探空霧區指標為30 m高度內、持續厚度＞10 m的相對濕度秒數據觀測最大值繪制的≥85%等值線區域。

2　結果分析

2.1霧區氣象要素隨高度的分布

2.1.1溫度廓線由表1可知，霧區溫度有相等（簡稱等溫，波動范圍±0.1℃）、貼地逆溫、低層逆溫三種類型。其中，等溫約占記錄總數的33%，貼地逆溫約占記錄總數的57%，其余為低層逆溫。圖2 （a）給出了溫度廓線變化的三種典型類型：1205-58238（左邊四位為月份日期，右邊五位為臺站號）為貼地表等溫46 m，其上溫度隨高度升高而減小；1203-57494為貼地逆溫，離地后溫度隨高度升高而升高，逆溫厚度268 m，強度較大；1205～57083離地后溫度隨著高度升高而減小，距地340 m高度有低層逆溫；1128～58457為貼地等溫79 m，該高度以上再出現逆溫。霧區中低層逆溫較少單獨出現，統計資料表明低層逆溫多與等溫同時出現。

表1　2011年11月23日～12月25日中國中東部霧區溫度、相對濕度廓線隨高度變化的不同類型及其臺站數Table 1 Different types of temperature and correlative humidity profile changing with height in fog area of middle and eastern China and stations from 23 Nov to 25 Dec 2011

圖2　2011年11月23日～12月25日中國中東部霧區邊界層氣象要素隨高度變化的廓線類型（a）溫度（b）相對濕度Fig.2　Different types of meteorological elements profiles changing with height in fog areas of middle and eastern China from 23 Nov to 25 Dec 2011（a）Temperature profiles；（b）Relative humidity profiles

2.1.2相對濕度廓線霧區相對濕度垂直方向變化有兩種類型：等濕和相對濕度增大。等濕指離地后相對濕度在一定高度內保持不變或者有±2%的波動，約占記錄總數的88%，如圖2（b）中1125～57516站；相對濕度增加型表現為離地后相對濕度隨高度升高逐漸增大，如1125～57328站；少數臺站地面相對濕度較大，但濕層厚度較薄，離地后相對濕度很快減小如1123～58457站；也有一些臺站霧與低云連接起來，表現為邊界層相對濕度保持不變或微小變化，如1203～57127站。

數據統計結果說明發生霧區內部水汽分布接近均勻。

2.1.3風廓線風場變化是研究霧形成、發展、持續、消亡的關鍵性因子[16，17]，統計探空霧區風向頻率可知，11月23日到12月5日中東部霧區主導風為NE、E、ENE，次主導風為N、S、SW。隨著高度升高，風向有：順時針偏轉、相對靜穩（風向不變、風速為零）、先順后逆偏轉等變化，其中順時針偏轉的記錄最多，為38%，保持相對靜穩的記錄為33%；統計時段內風速隨高度變化較小，風速≤1 m·s-1的記錄約占總數77%，也有個別記錄風速隨高度持續增大，如11月23日的57494站，霧區厚度290 m，地面風向45o、風速為2 m·s-1，隨著高度升高風向逆時針偏轉，風速持續增大，到達霧頂時風向32o，風速為7 m·s-1。

根據高空風變化規律[18]可知，研究時段內的霧多為在暖平流控制的天氣形勢下生成，風向、風速變化較小，層結穩定。

2.2不同方式觀測的部分差異霧區相對濕度垂直分布的對比

衛星監測、地面觀測霧區與探空霧區有較好的一致性，但也存在部分差異，利用探空邊界層資料統計，分析不同方式監測的部分差異霧區相對濕度隨高度的垂直分布。

2.2.1衛星監測衛星和探空同時觀測的霧區其對應臺站相對濕度垂直分布變化特征基本相同，差異部分則略有區別。

2011年11月23日云南北部、陜西、河南南部和11月25日河南中北部、江蘇北部等地衛星監測有霧，選取對應探空臺站的邊界層相對濕度資料進行分析，如圖3（a）所示。57083、58027站地面相對濕度分別為65%、61%，56651站地面相對濕度稍大，為85%，離地后，58027站相對濕度沒有太大變化，57083站相對濕度雖有增大趨勢但距地200 m范圍內也還是≤70%，56651站離地后相對濕度很快減??；隨著高度變化在距地較高位置處，三站都有相對濕度較大的濕層存在，56651站在1700 m高度上有厚度為150 m、相對濕度＞95%的濕空氣層，58027站在1500 m高度上，有厚度＞500 m、相對濕度≥89%的濕空氣層；57083站在950 m高度上有厚度大于1020 m，相對濕度≥90%的濕空氣層。圖3 中3個臺站相對濕度廓線表現出共同特征，即近地層相對濕度較小，在邊界層中上層存在濕層，由此可知，這些臺站近地面相對濕度小，水汽含量少，不可能達到飽和狀態凝結成霧，衛星監測的霧區受到距地一定高度的低云干擾。

圖3　2011年11月23日～12月25日中國中東部不同方式觀測的部分差異霧區邊界層相對濕度垂直分布（a）衛星監測；（b）地面觀測Fig.3　The vertical distribution of relative humidity in the boundary layer of partial differences in fog area of middle and eastern China from 23 Nov to 25 Dec 2011（a）Monitored by satellite；（b）Monitored by ground observation

2.2.2地面觀測對比六次過程探空和地面霧區發現，探空相對濕度等值線≥85%范圍略大于地面觀測霧區，詳細分析超出區域對應臺站的觀測資料，如11月23日的云南東部、四川南部、貴州西部地區和11月25日的重慶、貴州西部等地，探空相對濕度等值線≥85%，但是對應的地面觀測站點沒有大霧現象，查看記錄的地面相對濕度、能見度、天氣現象等，典型情況如表2所示，56691站及周邊（貴州西部地區）有降水過程，56492（四川東部）與57516（重慶）有輕霧現象，都會導致近地面空氣層相對濕度較大。如長江上游重慶段記錄輕霧現象的站點較多，統計其不同能見度范圍的臺站數，69%的站點能見度≤3.0 km，而探空邊界層相對濕度廓線數據顯示此三站距地500 m高度內相對濕度均≥85%。

上述分析可知，霧過程監測方式各有優缺點，衛星監測易受低云干擾造成誤判，高空氣象探測無法剔除降水等天氣干擾，霧區范圍較大。

表2　2011年11月23日～12月25日中國中東部地面觀測差異霧區部分站點相對濕度、能見度、天氣現象Table 2 Humidity, visibility and weather phenomena observed by partial stations in fog area of middle and eastern China from 23 Nov to 25 Dec 2011

3　結論與討論

利用霧過程中的高空氣象觀測資料，分析霧區垂直方向氣象要素的變化情況，結論如下：

（1）霧區溫度變化有等溫、貼地逆溫和低層逆溫三種類型，其中貼地逆溫出現次數最多，約占記錄總數的52%。

（2）霧區相對濕度變化有兩種類型：等濕和相對濕度增大，其中等濕記錄出現次數最多，約占記錄總數的88%，統計數據說明出現霧區水汽接近均勻分布。

（3）霧區風向隨高度變化的方式主要有順時針偏轉、相對靜穩（風向不變、風速為零）和先順后逆轉變化，其中順時針偏轉和相對靜穩出現次數約占記錄總數的71%；霧區風速變化低于1 m·s-1的記錄約占總數的77%，說明研究時段內的霧區多為在暖平流控制的天氣形勢下生成，層結穩定。

（4）造成不同方式觀測的霧區存在差異的原因：一是衛星監測的霧區容易受低云干擾造成誤判，二是高空氣象探測無法剔除降水等天氣干擾，霧區范圍過大。

文章用距地30 m的探空秒數據資料作為讀取相對濕度最大值的高度范圍，是在綜合考慮霧區基本定義、做了大量對比分析工作的基礎上用比較方法確定的，結論客觀，但是否有普遍性，還有待于進一步的驗證和深入研究。

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Analysison Structural Featuresof Heavy Fog in Middle and Eastern China during Winter2011

YUANFang1，WANGWen-yan2，ZHAIYuan2，TANGWen-zhe2，XUJun-chang2，GONGZai-wu1*
1. Nanjing University of information Science＆Technology, Nanjing 210044，China
2. Xi’an Meteorological Bureau, Xi’an 710016，China

Abstract:There was lacking of an intuitive and effective monitoring method for a vertical structure change of relative humidity in the heavy fog area，however the radiosonde observation could make up to provide some reliable data for it. This paper analyzed the changes of meteorological elements in the vertical direction in the heavy fog area of the middle and eastern China in Autumn and Winter of 2011 through the contrast of data from the satellite monitoring and ground observation at six times. The results showed there were three types of temperature changes，including isotherm，surface inversion and low-level inversion，most of them was surface inversion accounting for 52%of the total number of records. There were two types of relative humidity changes in fog area，including constant humidity，which was observed most frequently accounting for 88%in all and relative humidity increased. This statistical data showed that a nearly uniform distribution of the water vapor mist existed. The types of wind direction changes with height included mainly clockwise deflection，relatively static stability（constant wind direction and wind speed is zero）and firstly clockwise and then reverse etc. Clockwise deflection and appear relatively stable accounted for nearly 71%of total；wind speed less than 1 m·s-1accounts for about 77%. A stable stratification of fog was achieved by weather situation under the control of the warm advection in study period. Moreover，the reasons of differences among observation methods was analyzed in this paper. There was erroneous judgement caused by interference of satellite monitoring fog zone due to low clouds and large fog area due to altitude meteorological detection could not reject interference of precipitation.

Keywords:Heavy fog；structural feature；2011

*通訊作者：Author for correspondence. E-mail:zwgong26@163.com

作者簡介：袁方（1975-），男，陜西西安人，高級工程師，從事氣象服務工作. E-mail:305298939@qq.com

基金項目：國家自然科學基金（71171115）

收稿日期：2015-09-17修回日期：2015-12-07

中圖法分類號:P412.23

文獻標識碼:A

文章編號：1000-2324（2016）01-0072-05