黃山霧凇氣候特征及旅游氣象指數(shù)預(yù)報(bào)

許劍勇，陳建春，吳永澤

(1.安徽省黃山市氣象局，安徽 黃山 245021；2.安徽省黃山氣象管理處，安徽 黃山 245800)

0 引言

黃山是世界著名的山岳型風(fēng)景區(qū)，隨四季而千變?nèi)f化的美景每年吸引數(shù)百萬(wàn)的中外游客。“黃山四季皆勝景，唯有冬季景更佳。”黃山奇麗的冬景被世人所推崇，而冬景之一的霧凇景觀(guān)也為人們所熟知。晶瑩的霧凇非雪非霜，卻比雪奇，比霜美，裹嵌在草木之上，結(jié)成各式各樣美麗的冰凌花，滿(mǎn)山遍野一片銀裝素裹的世界。霧凇，俗稱(chēng)樹(shù)掛，是低溫時(shí)空氣中水汽凝華或過(guò)冷霧滴凍結(jié)在細(xì)長(zhǎng)物體上的由冰粒或冰晶所組成的乳白色凝附物。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)霧凇的研究并不多，僅對(duì)霧凇多見(jiàn)地區(qū)，如大興安嶺、衡山、河北、長(zhǎng)白山和浙江等地的霧凇氣候特征和形成氣象條件做了一些分析研究[1-11]；吳有訓(xùn)等對(duì)黃山霧凇進(jìn)行過(guò)氣象特征研究[6]，其使用資料截止1996年，但統(tǒng)計(jì)有誤，本文利用黃山氣象站1956—2018年氣象資料進(jìn)行更正更新。目前對(duì)霧凇景觀(guān)預(yù)報(bào)的研究幾乎空白，周麗賢等對(duì)平原型和高山型霧凇建立了旅游氣象指數(shù)[7]，經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)并不適用黃山霧凇預(yù)報(bào)，本文依據(jù)本地氣象資料和預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)建立了黃山霧凇景觀(guān)旅游氣象指數(shù)，有利于開(kāi)發(fā)黃山旅游氣候資源，并提升旅游氣象服務(wù)質(zhì)量。

1 霧凇的時(shí)空分布特征

1.1 霧凇的年際變化

圖1為黃山1956—2018年霧凇日數(shù)的年際變化曲線(xiàn)和趨勢(shì)線(xiàn)。黃山年均霧凇日數(shù)63.3 d，對(duì)比前人統(tǒng)計(jì)值[6](1956—1995年均65.6 d)有所減少，最多年份為82 d(1970年)，最少年份為35 d(1963年)；線(xiàn)性趨勢(shì)斜率為負(fù)且值很小，說(shuō)明年霧凇日數(shù)略呈減少趨勢(shì)，1958—1973年霧凇日數(shù)總體偏少，1974—1996年偏多，1997—2018年起伏較大，平均偏少。

圖1 1956—2018年黃山年霧凇日數(shù)年際變化Fig.1 The interannual variations of rime days in Huangshan scenic area ,1956—2018

1.2 霧凇的月際變化

表1統(tǒng)計(jì)了黃山霧凇月平均日數(shù)及占年平均日數(shù)百分比。黃山霧凇最早出現(xiàn)在10月，最遲在5月；霧凇日數(shù)出現(xiàn)最多的月份為1月(17.4 d)，占全年比為27.4%，其次為2月和12月，以1月為中心，兩邊對(duì)應(yīng)月份逐漸減少，呈正態(tài)分布特征，與月平均氣溫分布特征一致，可見(jiàn)氣溫低是霧凇出現(xiàn)的主導(dǎo)因素。冬季(12月—次年2月)霧凇日數(shù)共計(jì)44.1 d，約占全年的7成，可見(jiàn)冬季是霧凇出現(xiàn)的主要季節(jié)；3月霧凇日數(shù)也達(dá)到10.9 d ，該月冷空氣依然頻繁，氣溫較低；11月、4月氣溫較高，霧凇日數(shù)明顯較少；10月、5月霧凇日數(shù)已較為稀少，尤其是5月，多年才可能出現(xiàn)1 d霧凇日。

表1 黃山霧凇月平均日數(shù)及占年平均百分比Tab.1 The days-distribution of rime in every month in Huangshan

1.3 霧凇的初終期及連續(xù)最長(zhǎng)日數(shù)

見(jiàn)表2，黃山霧凇的平均初日為11月7日，平均終日為4月7日，對(duì)比前人統(tǒng)計(jì)的11月4日和4月8日[6]，初日有所推遲而終日有所提前，對(duì)應(yīng)了近20 a年平均氣溫均高于歷史均值，年平均氣溫逐年升高的趨勢(shì)。近63 a來(lái)黃山霧凇最早初日為10月8日(1981年)，每年初日最多出現(xiàn)在11月，占比62%，其次為10月(35%)，少數(shù)年份出現(xiàn)在12月(3%)；最遲終日為5月12日(1958年)，每年終日最多在4月(68%)，其次為3月(27%)，偶爾出現(xiàn)在5月(5%)。連續(xù)最長(zhǎng)霧凇日數(shù)為32 d，出現(xiàn)在1995年1月10日—2月10日。

1.4 霧凇出現(xiàn)的氣溫和風(fēng)向風(fēng)速

統(tǒng)計(jì)2000—2018年黃山霧凇出現(xiàn)的氣溫和風(fēng)向風(fēng)速分布情況，見(jiàn)圖2。 從圖2a可以看出，近20 a黃山霧凇出現(xiàn)的氣溫范圍為-18.7～1 ℃，故黃山霧凇出現(xiàn)的氣溫上限為1 ℃；呈向低溫方向階梯式減少的分布特征，平均氣溫在零上次數(shù)占比僅為4.4%，-1.7～0 ℃為峰值區(qū)間，次數(shù)占比最多，達(dá)31.6%，其次為-3.4～-1.7 ℃，占比為16.9%。從圖2b可見(jiàn)任何風(fēng)向均能出現(xiàn)霧凇，包括靜風(fēng)；西北(NW)風(fēng)向出現(xiàn)次數(shù)最多(109次)，占統(tǒng)計(jì)總數(shù)比為20.8%，其次為西北偏北(NNW)和北(N)風(fēng)，占比分別為15.5%和12.2%，黃山受西風(fēng)槽帶來(lái)的冷空氣影響居多，風(fēng)向多為西北和偏北風(fēng)；以西北風(fēng)向?yàn)橹行模L(fēng)向次數(shù)向兩邊呈明顯下降趨勢(shì)，東南(SE)風(fēng)向最少，僅8次，另靜風(fēng)(C)有2次。風(fēng)速范圍為0～20.6 m/s，即0～8級(jí)風(fēng)；風(fēng)速主要集中在1.5～9.0 m/s，即2～5級(jí)風(fēng)，達(dá)399次，占比72.3%。

圖2 2000—2018年黃山霧凇次數(shù)的平均氣溫(a)、風(fēng)向(b)和風(fēng)速(c)Fig.2 The times-distribution of rime in mean temperature and wind in Huangshan,2000—2018

1.5 霧凇的強(qiáng)度分析

按月份統(tǒng)計(jì)了1958—2018年黃山霧凇南北向和東西向的平均直徑、厚度和重量，見(jiàn)表2。從表2可見(jiàn)，南北向的霧凇直徑、厚度和重量一般略大于東西向；平均最大直徑和厚度均出現(xiàn)在1月份，最大重量出現(xiàn)在2月份，均呈現(xiàn)向兩邊月份遞減的趨勢(shì)；5月份各量值最小，近乎為0，由于5月霧凇出現(xiàn)次數(shù)極少，且強(qiáng)度很弱；南北向和東西向的量值分布特征基本一致，且與霧凇月平均日數(shù)分布特征也基本一致。

表2 1958—2018年各月黃山霧凇平均直徑、厚度和重量Tab.2 The average diameter, thickness and weight of rime in Huangshan,1958—2018

1956—2018年黃山霧凇最大直徑為230 mm(南北向)，出現(xiàn)在2006年1月21日；最大厚度為105 mm(東西向)，出現(xiàn)在1964年12月13日；最大重量為1 138 g/m(南北向)，出現(xiàn)在1988年1月5日。與吳有訓(xùn)統(tǒng)計(jì)的霧凇極值有很大出入[6]，其統(tǒng)計(jì)的黃山霧凇最大直徑為248 mm(1979年4月2日)，最大厚度為5 600 mm(1956年1月8日)，最大重量4 820 g/m(1979年4月2日)。該統(tǒng)計(jì)值錯(cuò)誤明顯：其厚度遠(yuǎn)大于直徑值，而觀(guān)測(cè)規(guī)范規(guī)定直徑值≥厚度值[12]；厚度值達(dá)到5.6 m，觀(guān)測(cè)用電線(xiàn)積冰架2.2 m高，既容不下也支撐不住。認(rèn)為其統(tǒng)計(jì)時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)位，將雨凇觀(guān)測(cè)代碼5600誤做觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)復(fù)查，1956年1月8日和1979年4月2日均無(wú)霧凇。

2 霧凇景觀(guān)形成的氣象條件

為做出準(zhǔn)確的霧凇景觀(guān)預(yù)報(bào)，需要了解黃山霧凇出現(xiàn)的氣象條件。國(guó)內(nèi)各地霧凇相關(guān)研究較為一致認(rèn)為低溫和充足的水汽條件是霧凇形成的關(guān)鍵條件[1-11]，另外風(fēng)也是一個(gè)重要因子。黃山年均霧凇日數(shù)63.3 d，但并非都能達(dá)到景觀(guān)標(biāo)準(zhǔn)，較多為微量，不易看見(jiàn)且出現(xiàn)范圍小，觀(guān)賞性差，故剔除微量霧凇日數(shù)。2000—2018年黃山霧凇日數(shù)共計(jì)1 110 d，微量霧凇日數(shù)728 d，剔除后剩余382 d(霧凇直徑均≥4 mm)，年均20.1 d有霧凇景觀(guān)。預(yù)報(bào)高山型霧凇景觀(guān)，第一天的氣象條件最為重要，之后數(shù)日往往處于保持或者消融階段，故連續(xù)出現(xiàn)霧凇景觀(guān)的日數(shù)只取首日，篩選之后共計(jì)340 d。表3統(tǒng)計(jì)了2000—2018年近20 a黃山霧凇景觀(guān)出現(xiàn)時(shí)的氣象條件及與霧凇強(qiáng)度的相關(guān)分析。

表3可見(jiàn)，日溫差與霧凇強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)為-0.023，沒(méi)有通過(guò)顯著性水平檢驗(yàn)，說(shuō)明黃山霧凇景觀(guān)的形成與晝夜溫差的變化關(guān)系不大；最低氣溫、相對(duì)濕度和平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)分別為-0.252、0.240和-0.196(n=340,α=0.01)，均與霧凇強(qiáng)度呈極顯著相關(guān)，其中最低氣溫和平均風(fēng)速為負(fù)相關(guān)，相對(duì)濕度為正相關(guān)，說(shuō)明最低氣溫越低、風(fēng)速越小、濕度越高，形成的霧凇越厚實(shí)。最低氣溫?cái)?shù)值上限為-0.7 ℃，比上文統(tǒng)計(jì)的霧凇出現(xiàn)上限氣溫(1 ℃)要低，說(shuō)明霧凇達(dá)到景觀(guān)級(jí)別需要更低的氣溫；出現(xiàn)霧的概率為99.7%，近乎100%，黃山為高山站，只要有雨雪天氣過(guò)程就處在降雨云中，幾乎都會(huì)出現(xiàn)大霧；相對(duì)濕度范圍為24%～100%，黃山形成霧凇時(shí)的相對(duì)濕度往往接近100%，然而冷空氣過(guò)后濕度下降明顯，計(jì)算日平均相對(duì)濕度時(shí)數(shù)值會(huì)降低，但其接近一半霧凇日數(shù)的相對(duì)濕度仍≥90%；當(dāng)天有降水的概率為36.7%，前一天有降水的概率為58.1%，前一天有降水的概率明顯高于當(dāng)天，黃山霧凇的形成往往伴隨著降雨過(guò)程，降雨停止后氣溫足夠低才能形成霧凇，而氣溫的下降需要滯后一段時(shí)間。

綜上所述，黃山霧凇景觀(guān)的形成必要條件是足夠低的氣溫和足夠高的濕度條件，在微風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)情況下均能形成霧凇，風(fēng)速不是霧凇形成的決定性條件，但對(duì)霧凇大小有明顯影響。黃山霧凇景觀(guān)形成的天氣形勢(shì)大多為冷空氣南下與西南氣流共同影響的降雨天氣，其次為無(wú)降雨天氣，僅有冷空氣影響降溫，配合較好的濕度條件，也能形成霧凇，但霧凇強(qiáng)度偏小，觀(guān)賞性一般。

表3 黃山霧凇景觀(guān)出現(xiàn)時(shí)的氣象條件及與霧凇強(qiáng)度的相關(guān)性Tab.3 The meteorological conditions and correlation with rime in Huangshan

3 霧凇旅游氣象指數(shù)

3.1 霧凇旅游指數(shù)的建立

針對(duì)黃山霧凇景觀(guān)預(yù)報(bào)，依據(jù)以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，選取對(duì)黃山霧凇景觀(guān)形成影響較大的關(guān)鍵因子，建立黃山霧凇旅游氣象指數(shù)，既為霧凇景觀(guān)預(yù)報(bào)提供參考指標(biāo)，也為游客觀(guān)景需求起到指導(dǎo)作用。見(jiàn)表4，黃山霧凇景觀(guān)旅游氣象指數(shù)分為1～5級(jí)，分別表示非常容易形成霧凇、較容易形成霧凇、可以形成霧凇、不易形成霧凇和無(wú)霧凇，預(yù)報(bào)概率分別代表80%、60%、40%、20%和不預(yù)報(bào)概率。霧凇指數(shù)1級(jí)對(duì)應(yīng)的氣象條件為樣本中最有利出現(xiàn)霧凇景觀(guān)的氣象條件中30%的臨界值；霧凇指數(shù)2級(jí)對(duì)應(yīng)的氣象條件為樣本中最有利出現(xiàn)霧凇景觀(guān)的氣象條件中60%的臨界值；霧凇指數(shù)3級(jí)對(duì)應(yīng)的氣象條件為所有樣本中霧凇景觀(guān)出現(xiàn)氣象條件的臨界值；霧凇指數(shù)4級(jí)對(duì)應(yīng)的氣象條件為不完全滿(mǎn)足霧凇景觀(guān)出現(xiàn)的氣象條件；霧凇指數(shù)5級(jí)代表最低氣溫不滿(mǎn)足霧凇出現(xiàn)的上限，其他氣象條件則關(guān)聯(lián)不大，無(wú)概率預(yù)報(bào)，表示無(wú)霧凇。

表4 黃山霧凇景觀(guān)旅游氣象指數(shù)Tab.4 Tourism meteorological index of rime in Huangshan

預(yù)報(bào)黃山霧凇景觀(guān)的關(guān)鍵是水汽和最低氣溫，首先水汽條件必須得到滿(mǎn)足，前天有降水可以保證地面濕度較大，或者預(yù)報(bào)當(dāng)日濕度較高，接近飽和，之后再確定最低氣溫，氣溫越低，越容易結(jié)晶出更多的冰晶，形成更壯麗的霧凇景觀(guān)。3級(jí)霧凇指數(shù)的-0.7 ℃是霧凇景觀(guān)出現(xiàn)的最低氣溫上限，4級(jí)霧凇指數(shù)的1 ℃是保持霧凇的最低氣溫上限，在兩者氣溫之間有可能形成霧凇(多為微量)，大于1 ℃不形成霧凇，水汽和風(fēng)速條件無(wú)需考慮。風(fēng)速為非必要條件，只作為影響霧凇強(qiáng)度的參考，在實(shí)際應(yīng)用中可加權(quán)霧凇景觀(guān)概率的確定。

3.2 霧凇旅游指數(shù)的檢驗(yàn)

利用黃山氣象站2019年1—3月的霧凇觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)氣象資料進(jìn)行檢驗(yàn)。見(jiàn)表5，預(yù)報(bào)霧凇指數(shù)等級(jí)2～5級(jí)，因最低氣溫不夠低，1級(jí)未出現(xiàn)；2～5級(jí)霧凇旅游氣象指數(shù)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率分別為100%、65%、80%和97%，呈現(xiàn)中間低、兩頭高的特點(diǎn)，處于中間的3～4級(jí)因判定條件處于臨界值，準(zhǔn)確率相對(duì)偏低，且霧凇保持的氣象條件不在判定條件范圍內(nèi)的情況較多，也會(huì)拉低準(zhǔn)確率，如出現(xiàn)霧凇的第二天，氣溫升高，濕度降低，判定為無(wú)霧凇，但因殘留霧凇還未完全融化，觀(guān)測(cè)為有霧凇。

樣本數(shù)為3個(gè)月共計(jì)90 d，綜合準(zhǔn)確率為83%，明顯霧凇景觀(guān)天數(shù)18 d，預(yù)報(bào)指數(shù)等級(jí)均在2～3級(jí)，壯觀(guān)霧凇天數(shù)5 d，預(yù)報(bào)指數(shù)等級(jí)均在2級(jí)，說(shuō)明黃山霧凇旅游氣象指數(shù)準(zhǔn)確性很高，有很好的業(yè)務(wù)實(shí)用價(jià)值。

表5 2019年1—3月黃山霧凇旅游氣象指數(shù)檢驗(yàn)表Tab.5 Inspection of tourism meteorological index of rime in Huangshan, January-March 2019

4 結(jié)論

①黃山年均霧凇日數(shù)63.3 d，最多年份為82 d，最少為35 d，年霧凇日數(shù)呈減少趨勢(shì)；霧凇出現(xiàn)最早月份在10月，最遲在5月，冬季月份霧凇日數(shù)占全年約為7成，最多為1月，最少為5月；黃山霧凇的平均初日為11月7日，最早初日為10月8日，平均終日為4月7日，最遲終日為5月12日，連續(xù)最長(zhǎng)霧凇日數(shù)為32 d；近20 a黃山霧凇出現(xiàn)氣溫范圍為-18.7～1 ℃，風(fēng)速范圍為0～20.6 m/s，任何風(fēng)向均能出現(xiàn)霧凇；南北向的霧凇直徑、厚度和重量略大于東西向，最大值出現(xiàn)在1、2月份，最大直徑為230 mm，最大厚度為105 mm，最大重量為1 138 g/m。

②氣溫、濕度和風(fēng)速均與霧凇強(qiáng)度呈現(xiàn)顯著性相關(guān)，最低氣溫和水汽條件是影響黃山霧凇形成的關(guān)鍵氣象因子，風(fēng)速主要影響霧凇大小。占絕大多數(shù)的微量霧凇日數(shù)達(dá)不到霧凇景觀(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能形成霧凇景觀(guān)的日數(shù)年均20.1 d。

③利用影響霧凇景觀(guān)形成的關(guān)鍵氣象因子建立了黃山霧凇旅游氣象指數(shù)，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)準(zhǔn)確率良好，可為氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用提供預(yù)報(bào)參考指標(biāo)，豐富黃山旅游氣象服務(wù)產(chǎn)品。

④更新更正了前人對(duì)黃山霧凇氣候特征的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，建立了可實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用的霧凇旅游氣象指數(shù)預(yù)報(bào)模型；未來(lái)可對(duì)霧凇景觀(guān)程度分級(jí)和分類(lèi)做進(jìn)一步研究，完善霧凇景觀(guān)預(yù)報(bào)模型。