基于探空資料的伊春山區霧預報方法研究

孫 悅,曲 哲,王愛香,石 磊,初雪迎

(伊春市氣象局,黑龍江 伊春 153000)

1 引言

大霧天氣具有一定的災害性，近年來，大霧天氣頻繁發生，大霧發生時，水平能見度<1 km，而濃霧出現時水平能見度要<200 m，大霧及濃霧天氣，均會給城市交通、高速公路、鐵路、船運、航空等安全帶來很大危害，而其一旦與霾結合形成霧霾，將會對人體健康造成很大危害。伊春市（127°37′—130°46′E，46°28′—49°26′N）位于小興安嶺腹地，地貌特征為“八山半水半草一分田”，境內千米以上高峰77 座，林區面積近400 萬hm2，森林覆被率達83.8%，地形地貌復雜，春秋季節較易出現大霧及濃霧天氣，且伊春市中部地區霧的強度明顯強于南北部地區，原因在于北部嘉蔭地處出山后平原且沿江，風力較大，水平空氣的流動較快；南部鐵力地處平原，相較于中部地區不利于霧的形成，而受小興安嶺山前地形輻合的影響，中部地區將低層水汽聚集更易于霧的形成。此外由于伊春地處山區，植被覆蓋率較高，且素有“天然氧吧”的美稱，出現霧天氣時，常對應近地面出現輻射逆溫層，并且大霧天氣符合“夜間起，清晨濃，白天散”這一典型特征，根據輻射霧定義及判定條件可定義本研究范圍內霧均為純凈的山區輻射霧。且伊春市眾多交通公路貫穿山區，大霧天氣會對哈伊高速、伊春市交通干路、省道、國道等交通安全造成極大影響。在實際預報業務中，由于霧的局地性強、時空分布差異大，其預報存在較大難度，山區霧的預報難度更大。

對于我國大霧的天氣特點及成因，已有許多氣象工作者進行了研究[1]，如陳傳雷等[2]分析了近53 年遼寧霧的時空分布及成因；童堯青等[3]統計分析了南京地區霧的氣候特征；陳連友等[4]統計分析秦皇島內陸、沿海地區霧天氣時空分布特征；郭剛等[5]分析了區域性大霧天氣的氣候統計特征，提出判別大霧出現的預報指標。上述關于霧的研究，均是對一定區域內霧的水平分布規律的研究，而研究山區霧的分布規律較為少見。伊春地區2021 年8-9 月連續出現大霧甚至濃霧天氣，對交通影響大，伊春市氣象臺在2021 年的8-9 月大霧的提前預報預警中發現層結條件對大霧出現與否、出現的站次、濃霧出現的頻次有較好的指示意義。

本文利用伊春市2021 年8 月13 日—9 月30 日霧日前一日20 時探空觀測資料、Micaps 地面氣壓場資料、常規氣象自動觀測資料，對山區輻射霧特征及探空圖所提供的預報指示意義進行總結分析。

2 研究區域及資料來源

2.1 資料來源

《地面氣象觀測規范》（2004 年以前版本）中霧的定義為：大量微小水滴浮游空中，常呈乳白色，使水平能見度<1.0 km。本文根據能見度（V）及伊春市發布預警信號指標，將霧分為兩個等級，當0.2 km≤V＜0.5 km 時，為大霧；當V＜0.2 km 時，為濃霧。文中以此為依據進行定義和分級，本文只對能見度≤0.5 km時的霧加以分析。

本研究使用2021 年8 月13 日—9 月30 日伊春市國家基本氣象站霧日常規氣象自動觀測資料；Micaps 地面氣壓場資料；前一日20 時探空站資料。

2.2 研究區域

研究區域為伊春市全市，南部鐵力地處平原，出現山區輻射霧次數較少，而其一旦出現即為大霧或濃霧天氣，其它各站出霧概率高，且等級均約在濃霧級別，故本文針對研究范圍內較為典型的兩霧日做著重研究。

3 大霧分布特征

3.1 大霧天氣實況

經統計分析，伊春市2021 年8 月13 日—9 月30 日共出現大霧及濃霧天氣24 次，最大連續天數12 d，所出現的大霧類型均為山區輻射霧。伊春市中部較常出現大霧天氣，其中，伊春站出霧率最高為40.9%；而南部鐵力出霧率最低為9.1%。各站受到地形地貌特征影響，出霧條件及特征均有所不同，南部鐵力地處平原，較不易出現山區輻射霧，北部嘉蔭緯度較高，地處出山后平原且沿江，出霧次數相對其它各站略少(表1)。

表1 各站出現大霧次數及所對應大霧等級

3.2 大霧開始時間

從表2 可以看出，輻射大霧的開始時間一般在下半夜到清晨日出前（00-08 時），占該類型大霧總次數的87.5%，最易生成大霧的時段是在00-02、04-06 時，占該類大霧總次數的31.3%；02-04 時次之，占該類大霧總次數的23.4%。一日內輻射大霧的起始時間一般不會出現在10-20 時，12-20 時從未出現過。

表2 大霧開始時間統計表

4 成因分析

4.1 環流背景分析

大霧天氣是在一定的環流背景下產生的，所以中高緯度環流的調整和演變都將影響霧的形成和發展[6]。

分析伊春市2021 年8 月13 日—9 月30 日出現的大霧天氣過程的環流背景，具有以下相似點：一是中高緯度地區高空以緯向環流為主，多短波槽活動，地面氣壓場來看，等壓線分布稀疏，氣壓梯度小，氣壓值范圍約在1012.5-1017.5 hPa 左右；二是大霧天氣發生前期，由于暖濕平流不斷輸送水汽，水汽條件充足，而后冷空氣入侵，地面冷高壓底部控制，夜間天空晴好時，輻射降溫明顯，加之高空低層及近地層濕度偏大，達到80%左右及以上時，為輻射霧的產生創造了有利條件。

分析伊春市2021 年8 月13 日—9 月30 日霧日，發現9 月16 日有降水，空氣濕度大，夜間晴空后輻射降溫明顯，為9 月17 日出現大范圍大霧天氣提供了有利條件。下面對鐵力出現大霧時，對應全市出霧及四個站以上出霧個例(選取9 月16 日、9 月27日地面氣壓場資料及高空圖)進行研究，以期為預報預警業務提供有力參考依據。

2021 年9 月17 日清晨及9 月27 日夜間鐵力出現大霧天氣過程，兩次過程均為伊春站能見度最小，分別為93 m、97 m。兩次個例大霧天氣過程各站最小能見度見表3。

表3 個例霧日各站最小能見度(單位:m)

通過分析9 月16 日地面氣壓場資料及27 日20時地面氣壓場資料，得出伊春市處于低渦前，有暖濕平流源源不斷輸送水汽，對應TlnP 圖(圖1-2)及探空層結資料：近地面相對濕度分別為92%、81%，說明水汽條件較好；此時地面風速分別為1 m/s、1.3 m/s，為微風，說明水汽凝結成水滴后，能在微風作用下向上擴散；逆溫層分別出現在974-981 hPa、963-981 hPa，逆溫層溫差分別為1.1 ℃、1.7 ℃，為全市大部范圍出現大霧提供了有利條件。而經分析逆溫層溫差越大，所對應霧濃度越大，對應9 月27 日霧較9 月16 日霧更濃。

圖1 9 月16 日20 時TlnP 圖

圖2 9 月27 日20 時TlnP 圖

4.2 基于探空資料的大氣層結分析

選取伊春市2021 年8 月13 日—9 月30 日霧日前一天20 時探空層結資料部分數據進行研究，分析近地面溫度露點差、逆溫層厚度、風速、相對濕度等與大霧是否出現及出現條件，并對預報預警提供有力依據。

4.2.1 低層濕度分析

結合圖3-4，空氣的露點溫度也因溫度高而相對較高，空氣濕度較大，一旦有弱冷空氣侵入，空氣中凝結核較多，易凝結成水滴。溫度露點差越小，相對濕度越大，在大霧發生時露點溫度和溫度十分接近，有的達到了與溫度相等，說明在大霧發生時相對濕度特別大，均達到80%左右及以上，如圖1、2 所示，達到了飽和或接近飽和的程度[7]。在大霧發生前后溫度露點差在逐漸減小，濃霧發生區域的露點差＜1 ℃，這與蔣大凱等人在2007 年的研究結論相同[8]。

圖3 8 月霧日近地面溫度露點差(單位：℃）

圖4 9 月霧日近地面溫度露點差(單位：℃）

4.2.2 層結資料分析

通過分析20 時探空資料，伊春市2021 年8 月13 日—9 月30 日常出現明顯逆溫層，即緊貼地面稱為近地面逆溫層[9]。近地面逆溫層對大霧生消具有較大影響。逆溫層從地面起，向上延升數百米左右，其增大了出現大霧天氣的概率。

經統計分析，伊春市2021 年8 月13 日—9 月30 日出現近地面明顯逆溫層次數共22 次，而當夜間出現明顯逆溫層時，對應第二天00-08 時出現大霧天氣的次數為20 次，且逆溫層高度在935-992 hPa范圍內，這說明夜間存在近地面逆溫層時，第二天出霧比例高達90%以上。而逆溫層溫差也對大霧天氣有所指示(圖5)，逆溫層溫差大小與霧的強度有一定相關性，經研究，其呈現正相關關系。逆溫層溫差在2-5 ℃時，出現多站大霧概率大。因此，逆溫層高度在935-992 hPa 之間及逆溫層溫差在2-5 ℃時，對于霧的預報有較好參考性。由此得出，伊春市大霧天氣是否出現可通過參考上一時次TlnP 圖是否存在近地面逆溫層及逆溫層高度、溫差判別。

圖5 8-9 月霧日近地面逆溫層溫差(單位：℃）

由TlnP 層結資料數據統計，分析大霧及濃霧出現時所對應的近地面逆溫層厚度、風速、相對濕度，得出當逆溫層厚度達到125 m 左右及以上，且風為微風，相對濕度達80%左右及以上時，伊春市有兩個站及以上出現大霧天氣；近地面逆溫層厚度低于125 m 時，需配合1-2 m/s 左右風速及較大相對濕度，才會出現兩個站及以上大霧天氣(圖6-7)。

圖6 8-9 月霧日近地面逆溫層厚度(單位：m）

圖7 8-9 月霧日近地面風速(單位：m·s-1）

以伊春9 月23 日20 時TlnP 圖為例(圖8)，近地面有明顯逆溫層，且風為偏東風，風力不大，利于降溫，近地面水汽濃度增大，氣溫下降、溫度露點差減小、相對濕度增大;逆溫作用使得水汽不易向高層擴散，次日出現大霧天氣。

圖8 9 月23 日TlnP 圖

4.2.3 最低溫度分析

通過HIMOS 一體化平臺查詢伊春市2021 年8月13 日—9 月30 日霧日所對應的最低氣溫，并對其進行統計分析，發現伊春市在8-9 月，溫度范圍為0-10 ℃左右時，易出現大霧天氣。

5 結論

（1）輻射大霧的開始時間一般在下半夜到清晨日出前（00-08 時），伊春市常出現純粹的山區輻射霧,且伊春市中部較常出現大霧天氣，北部嘉蔭出霧相對較少，南部鐵力較不易出霧，但其一旦出現即大霧或濃霧天氣，其它各站出霧概率高，且等級均約在濃霧級別。

（2）大霧出現常因有短波槽活動，地面氣壓場等壓線分布稀疏，水平氣壓梯度小，氣壓值范圍約在1012.5-1017.5 hPa 左右；且在大霧天氣發生前期，水汽條件較好，夜間輻射降溫明顯，高空低層及近地層濕度偏大，達到80%左右及以上。

（3）通過層結資料得出，在大霧發生時露點溫度和溫度十分接近甚至相等，說明在大霧發生時相對濕度特別大，均在80%左右及以上，達到了飽和或接近飽和的程度。

（4）夜間存在近地面逆溫層時，第二天出霧比例高達90%以上，逆溫層溫差大小與霧的強度有一定相關性，經研究，其呈現正相關關系。因此，逆溫層高度在935-992 hPa 之間及逆溫層溫差在2-5 ℃時，對于霧的預報具有較好參考性，伊春市大霧天氣是否出現可通過參考上一時次TlnP 圖是否存在近地面逆溫層及逆溫層高度、溫差判別。

（5）由TlnP 層結資料數據得出，當逆溫層厚度≥125 m，且風為微風，相對濕度達80%左右及以上時，伊春市有兩個站及以上出現大霧天氣；近地面逆溫層厚度低于125 m 時，需配合1-2 m/s 左右風速、90%左右及以上相對濕度時，才會出現兩個站及以上大霧天氣。

（6）伊春市在8-9 月，溫度范圍為0-10 ℃左右時，易出現大霧天氣。