西安咸陽國際機場專用高速公路霧的特征及影響因子

王 丹，高紅燕，白慶梅，馬 磊

(1.陜西省氣象服務(wù)中心，西安 710014；2.西安市氣象局，西安 710016)

近年來，我國高速公路交通氣象監(jiān)測站的布設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，氣象工作者在高速公路低能見度濃霧的監(jiān)測、預(yù)警和臨近預(yù)報方面已取得了一些有益成果[1-4]，其中江蘇省交通氣象工作已經(jīng)由初始階段步入推廣發(fā)展階段[5]，但是除江蘇、北京和海南的測站分布較為密集外，大部分省份的高速公路沿線交通氣象監(jiān)測空白或者剛剛起步[6]，其交通氣象工作還處于初始階段。2013年7月，陜西省氣象局在西安—漢中高速公路和西安咸陽國際機場專用高速公路(以下簡稱西咸機場高速公路)各建成3個交通氣象監(jiān)測站，填補了陜西省高速公路專業(yè)交通氣象監(jiān)測的空白。王丹等[7-8]對新建交通氣象監(jiān)測站的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了評估，并在此基礎(chǔ)上對影響西咸機場高速公路運營安全的災(zāi)害性天氣進(jìn)行分析。西咸機場高速公路承擔(dān)了約80%的機場陸側(cè)交通，能見度較低時，不僅容易發(fā)生交通事故，而且直接對機場的旅客能否按時到達(dá)機場乘機，以及飛機的起降等產(chǎn)生影響。本文以西咸機場高速公路3個交通氣象站資料為基礎(chǔ)，相鄰區(qū)(縣)氣象站資料為補充，對該高速公路段霧的特征和影響因子進(jìn)行分析，以期為提高機場交通運營的科學(xué)管理和降低道路交通事故提供參考。

1 資料和方法

1.1 資料

所用資料包括：(1)2013年7月2日—2016年4月28日西咸機場高速公路段3個交通氣象站及其10 km范圍內(nèi)區(qū)(縣)氣象站2000年1月1日—2015年12月31日的逐時或者一日4次觀測資料(觀測時間為北京時間02、08、14和20時)，3個交通氣象站指漢城收費站、渭河大橋北橋頭站和咸陽機場收費站，區(qū)(縣)氣象站包括西安站、咸陽站和涇河站，觀測要素包括氣溫、地表溫度、降水、風(fēng)速、相對濕度和能見度等；(2)2013年7月2日—2016年4月28日MICAPS高空和地面資料。3個交通氣象站資料在使用前先進(jìn)行質(zhì)量控制，該套資料完整性較好，錯誤和可疑數(shù)據(jù)少[7]，將錯誤和可疑數(shù)據(jù)記為缺測數(shù)據(jù)，再進(jìn)行相關(guān)研究工作。

1.2 方法

主要研究相對濕度≥80%，能見度V<1 000 m時的霧，由于資料限制，無法識別哪些低能見度天氣(能見度<1 000 m)是由霾引起的，因此，研究對象包括相對濕度介于80%～95%時由于霧霾混合作用形成的低能見度[9]。根據(jù)2012年3月1日我國開始實施的《霧的預(yù)報等級》，分為大霧(500 m≤V<1 000 m)、濃霧(200 m≤V<500 m)、強濃霧(50 m≤V<200 m)和特強濃霧(V<50 m)等4個等級。利用3個交通氣象站的能見度資料對西咸機場高速公路霧的特征進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計規(guī)則為：1)任何一站在某一時刻的能見度達(dá)到霧的標(biāo)準(zhǔn)時定義為該時刻出現(xiàn)霧1次，兩站均達(dá)到某一級別標(biāo)準(zhǔn)定義為該時刻出現(xiàn)霧2次，達(dá)到不同的級別標(biāo)準(zhǔn)則分別計算。2)霧的持續(xù)時間為霧從開始到結(jié)束的實際出現(xiàn)時間，中間允許有1 h的間隔，等級定義為該持續(xù)時間內(nèi)的最低能見度達(dá)到的級別標(biāo)準(zhǔn)。另外，由于3個交通氣象站建站時間短，可用于研究的數(shù)據(jù)樣本少，因此將交通氣象站10 km范圍內(nèi)的區(qū)(縣)氣象站資料作為補充，以增加霧的影響因子分析樣本。

2 霧的特征

圖1是根據(jù)霧的分級統(tǒng)計規(guī)則得出的結(jié)果，從各級霧發(fā)生頻率的日變化(圖1a)來看，一日中，霧主要發(fā)生在夜間至清晨，能見度越小的霧生成的時間越集中。各級霧發(fā)生頻率較高的時段在01—09時，其中06—08時是大霧、濃霧和強濃霧發(fā)生的高峰時段，與王雯燕等[10]和鄧小麗等[11]研究的西安城區(qū)大霧的日變化特征相近。特強濃霧生成有兩個高峰時段，分別是07—09時和01時前后。從各級霧最長持續(xù)時間的逐月變化來看(圖1b)，2月、4月和10—12月出現(xiàn)的霧可持續(xù)較長的時間，特別是冬季出現(xiàn)的霧持續(xù)時間最長，特強濃霧、強濃霧、濃霧和大霧的最長持續(xù)時間分別達(dá)為37、26、60、46 h。比較而言，一日中，渭河大橋北橋頭站霧出現(xiàn)頻次高于其它2站，特別是在夜間段的表現(xiàn)較為明顯，這可能與夜間時段渭河大橋北橋頭站的相對濕度高于其它2站有關(guān)(圖2)。

圖1 西咸機場高速公路霧出現(xiàn)頻率的日變化(a)和最長持續(xù)時間的逐月變化(b)

圖2 西咸機場高速公路3個交通氣象站霧出現(xiàn)頻次(a)和相對濕度(b)的日變化

3 典型霧日的天氣形勢和地面要素特征

將交通氣象站和區(qū)(縣)氣象站連續(xù)3 d有3站以上出現(xiàn)霧時定義為典型霧日。2013年7月以來，西咸機場高速公路段的典型霧日都發(fā)生在冬季，分別為2013年12月17—23日、2014年2月15—18日和2015年11月28日—12月1日。通過對典型霧日的高、低空平均環(huán)流形勢和地面要素平均場的分析，初步給出了西咸機場高速公路段出現(xiàn)典型霧日時的天氣形勢和地面要素特征。

從08時典型霧日的平均環(huán)流形勢來看(圖3)，500 hPa陜西關(guān)中地區(qū)受一致的西北或偏西氣流控制，有利于大氣層結(jié)穩(wěn)定；850 hPa陜西關(guān)中及其以南地區(qū)受弱暖脊控制，且處于反氣旋環(huán)流的底部，有利于產(chǎn)生弱的輻合上升氣流；地面圖上，我國以北的50 °N附近有兩個穩(wěn)定的冷性高壓系統(tǒng)，陜西關(guān)中地區(qū)處于高壓底部的均壓場中，四川和重慶地區(qū)的暖性倒槽(該倒槽水汽充沛)向東北方向伸展，頂端到達(dá)陜西關(guān)中地區(qū)。

從地面要素場來看(圖略)，西咸機場高速公路及其周邊地區(qū)的相對濕度較大；溫度露點差小于3 ℃；風(fēng)力較小，平均風(fēng)速在1 m/s左右，其中咸陽段高速公路以東北風(fēng)為主，西安段高速公路以東南風(fēng)為主。多數(shù)霧是在對流層低層層結(jié)穩(wěn)定、水汽充沛的條件下產(chǎn)生的，基于氣象探空資料繪制的溫度和露點的垂直廓線圖可以用來判定大氣層結(jié)穩(wěn)定度和濕度條件。由于西咸機場高速公路附近僅涇河站有探空資料，以涇河站作為代表站對出現(xiàn)霧時的大氣層結(jié)穩(wěn)定度進(jìn)行分析。2015年11月28日—12月1日涇河站連續(xù)出現(xiàn)霧日，從08時涇河站溫度和露點的垂直廓線來看(圖4)，當(dāng)近地面層有逆溫形成，且溫度廓線和露點廓線接近，相對濕度較大時，有利于霧的形成。

■表示西咸機場高速公路所在位置，陰影區(qū)為溫度(單位：℃)；實線在500 hPa和850 hPa圖上為位勢高度(單位：dagpm)，在地面圖上為海平面氣壓(單位：hPa)圖3 08時典型霧日的500 hPa(a)、850 hPa(b)和地面(c)的平均環(huán)流形勢

圖4 2015年11月28日—12月1日08時涇河站溫度和露點的垂直廓線

4 霧的影響因子

4.1 水汽條件

相對濕度是表征空氣中水汽含量的因子，空氣中的水汽含量越高，越有利于霧的形成。利用227 215組能見度與同時刻相對濕度的有效觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，二者的相關(guān)系數(shù)為-0.52，通過了99%的置信度檢驗，可見，相對濕度越大越有利于較小能見度的發(fā)生。進(jìn)一步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，能見度越小，對相對濕度的要求越高，特強濃霧、強濃霧、濃霧和大霧等發(fā)生在相對濕度大于95%的濕度條件下的頻率分別為97%、93%、76%和58%。

降水會使得近地面層相對濕度迅速增加，有利于霧的形成。將霧發(fā)生時前24 h內(nèi)觀測有效降水的2 047組數(shù)據(jù)作為樣本，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，28%的霧發(fā)生時前24 h內(nèi)有降水。將霧發(fā)生時同時刻降水量> 0 mm的391組數(shù)據(jù)作為樣本，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，16%的霧發(fā)生時有降水；在這16%的數(shù)據(jù)樣本中，89%的霧發(fā)生在1 h降水量≤3 mm的條件下。另外，有降水時沒有出現(xiàn)特強濃霧。以上分析表明，前期降水有利于霧的形成，當(dāng)霧與降水相伴發(fā)生時，霧多發(fā)生在1 h降水量≤3 mm時，但是降水發(fā)生時不利于特強濃霧的形成。

4.2 動力因素

風(fēng)、地表溫度和氣溫的差值(Ts-Ta)都是影響霧形成的動力因素[12]。地面風(fēng)速的大小反映了近地面層亂流混合狀況，霧的形成需要較小的風(fēng)速條件。利用2 908組霧與同時刻風(fēng)速、風(fēng)向的有效觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(表1、圖5)。從表1來看，霧出現(xiàn)在地面風(fēng)速≤3 m/s時，且風(fēng)速≤1.5 m/s時各級霧的發(fā)生頻率明顯偏高，風(fēng)速越小越有利于特強濃霧的發(fā)生，靜風(fēng)時霧出現(xiàn)頻率最大。霧的形成還與風(fēng)向有關(guān)，除靜風(fēng)外，在東北風(fēng)、西北風(fēng)和西南風(fēng)控制下的霧出現(xiàn)頻率明顯高于其它風(fēng)向控制時(圖5)。

地表溫度和氣溫的差值(Ts-Ta)變化是反映近地面溫度和濕度湍流情況的物理量。從表2來看，霧發(fā)生時，一般情況下Ts-Ta≥0 ℃，也有11%左右的霧發(fā)生時Ts-Ta<0 ℃。當(dāng)0 ℃≤Ts-Ta≤4 ℃時霧出現(xiàn)頻率較高，其中，當(dāng)Ts-Ta在1 ℃附近時最有利于大霧、濃霧和特強濃霧的發(fā)生，當(dāng)Ts-Ta在2 ℃附近時最有利于強濃霧的發(fā)生，當(dāng)Ts-Ta<-3 ℃不利于霧的發(fā)生。

表1 不同風(fēng)速下霧的出現(xiàn)頻率 %

圖5 不同風(fēng)向下霧的出現(xiàn)頻率

%

4.3 冷卻條件

白天空氣中的水汽含量越高，夜間與白天的氣溫相差越大，越有利于空氣中的水汽凝結(jié)，有利于低能見度的發(fā)生，以14時相對濕度和氣溫作為表征白天空氣中水汽含量和氣溫的物理量。利用3個交通氣象站及其10 km范圍內(nèi)區(qū)(縣)氣象站的觀測資料，統(tǒng)計了14時相對濕度、14時氣溫與未來時刻(15時—次日14時)氣溫的差(T14-T)和相應(yīng)時刻的能見度之間的關(guān)系(表3)?？梢钥闯?，當(dāng)14時相對濕度大于80%，T14-T≥10 ℃時，霧出現(xiàn)頻率可達(dá)41.7%，而文獻(xiàn)[12]研究發(fā)現(xiàn)北京—石家莊高速公路上T14-T≥10 ℃時100%會出現(xiàn)霧。該研究結(jié)果與本文的差異可能與這兩條高速公路的地域差異有關(guān)，也可能與研究資料的觀測時間密度差異有關(guān)(文獻(xiàn)[12]為分鐘級觀測，而本文為定時觀測)。同時文獻(xiàn)[12]研究指出，在14時相對濕度一定的情況下，T14-T越大，霧出現(xiàn)頻率越高，同樣在T14-T不變的情況下，14時相對濕度越大，越有利于霧的形成，與本文的研究結(jié)果一致。

表3 14時相對濕度、T14-T與霧出現(xiàn)頻率的關(guān)系

注：T14-T表示14時的氣溫和未來時刻(15時—次日14時)氣溫的差值

5 結(jié)論

(1)西咸機場高速公路上，一日中，霧主要發(fā)生在夜間至清晨，能見度越小的霧生成的時間越集中；在2月、4月和10—12月出現(xiàn)的霧可持續(xù)較長的時間，特別是冬季出現(xiàn)的霧持續(xù)時間最長，其中，渭河大橋北橋頭站的霧出現(xiàn)頻次高于其它2站。

(2)典型霧日，500 hPa陜西關(guān)中地區(qū)為一致的西北或偏西氣流，850 hPa陜西關(guān)中及其以南地區(qū)受弱暖脊控制且處于反氣旋環(huán)流的底部，近地面層西咸機場高速公路及其周邊地區(qū)有逆溫形成，風(fēng)速小，濕度大。

(3)霧發(fā)生的基本條件是相對濕度≥80%和地面風(fēng)速≤3 m/s，且在相對濕度≥95%、風(fēng)速≤1.5 m/s時的霧出現(xiàn)頻率明顯偏高。前期降水有利于霧的形成，當(dāng)霧與降水相伴發(fā)生時，霧多發(fā)生在1 h降水量≤3 mm時，但是降水發(fā)生時不利于特強濃霧的形成。有霧發(fā)生時，一般情況下地表溫度和氣溫的差值≥0 ℃，當(dāng)?shù)乇頊囟群蜌鉁氐牟钪?-3 ℃時不利于霧的發(fā)生。14時相對濕度、14時氣溫與未來時刻氣溫的差都與相應(yīng)時刻的能見度密切相關(guān)。

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