2020年泰州一次持續(xù)性大霧過(guò)程的診斷分析

夏雨晨　楊夢(mèng)兮　孫誠(chéng)

關(guān)鍵詞： 輻射霧 持續(xù)性大霧 逆溫層 微波輻射計(jì)

中圖分類號(hào)： P458 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2023）15-0174-05

霧是指近地面層空氣中懸浮的大量小水滴和冰晶使得水平能見(jiàn)度降到1 km 以內(nèi)的一種天氣現(xiàn)象。大霧都是一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害現(xiàn)象，會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。濃霧對(duì)飛機(jī)的起飛和降落、公路交通安全都有嚴(yán)重的影響；空氣污染產(chǎn)生的酸霧會(huì)對(duì)人類健康產(chǎn)生危害，也是建筑物和各類設(shè)施腐蝕的重要原因。另外，霧還會(huì)導(dǎo)致電線之間的放電，損壞電力設(shè)備，造成電力事故。隨著中國(guó)城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，大霧事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度都呈明顯的上升趨勢(shì)，引起了極為廣泛的關(guān)注。因此，研究大霧的形成與維持機(jī)制對(duì)經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全都有著重要意義。

近年來(lái)，由于大霧天氣引發(fā)的交通事故不斷出現(xiàn)，使人們對(duì)大霧天氣的關(guān)注程度越來(lái)越高。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都對(duì)大霧天氣的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行深入研究與探討，并獲得了一系列成果。方莎莎等人[1]利用多種探測(cè)資料對(duì)武漢地區(qū)不同降水情況下大霧天氣的氣溫、液水含量和相對(duì)濕度層結(jié)特征進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了大霧天氣時(shí)微波輻射計(jì)資料的可用性，分析了垂直要素變化對(duì)大霧生消的影響。結(jié)果表明：降水對(duì)霧的生消有雙重影響，降水的蒸發(fā)可為霧的形成提供水汽，同時(shí)降水的形成會(huì)消耗空氣中的水汽，加速霧的消散。王賽頔等人[2]使用多種觀測(cè)手段對(duì)2014 年遼寧地區(qū)一次長(zhǎng)時(shí)間大范圍強(qiáng)濃霧天氣成因進(jìn)行了診斷。結(jié)果表明：在輻射霧階段，975 hPa 高度以下形成逆溫，氣溫下降、溫度露點(diǎn)差減小、相對(duì)濕度增大；近地面微風(fēng)利于降溫，同時(shí)水汽不易流出，逆溫作用使水汽不易向高層擴(kuò)散。在鋒面霧階段，鋒面附近輻合導(dǎo)致水汽上升冷卻凝結(jié)，同時(shí)鋒面附近低云降下雨滴在干冷空氣中蒸發(fā)，利于近地面附近水汽飽和、冷凝。王明等人[3]利用FY-4A衛(wèi)星對(duì)夜間大霧進(jìn)行識(shí)別，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星對(duì)夜間大霧的識(shí)別命中率普遍在70% 以上，不考慮地形影響，識(shí)別命中率可提高5%～8%；不考慮云影響，識(shí)別命中率可提高3%～4%。與高速公路交通管制信息對(duì)比，F(xiàn)Y-4A 衛(wèi)星對(duì)收費(fèi)站點(diǎn)大霧識(shí)別命中率均高于70%，并在部分國(guó)家氣象站未觀測(cè)到大霧而因霧封路的區(qū)域可實(shí)現(xiàn)對(duì)大霧天氣的有效識(shí)別。朱麗等人[4]對(duì)泰州一次持續(xù)性強(qiáng)霧-霾過(guò)程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：風(fēng)力較小，弱的垂直交換為霧的形成提供了較好的熱、動(dòng)力條件，對(duì)氣團(tuán)的后向軌跡特征分析發(fā)現(xiàn)，霾天氣期間500 ｍ以下氣團(tuán)穩(wěn)定少動(dòng)。500 m 以上清潔氣團(tuán)向低空補(bǔ)充，利于污染物的擴(kuò)散，霾減輕。TIAN M 等人[5]對(duì)渤海灣大霧天氣的水汽輸送進(jìn)行了觀測(cè)和模擬研究，發(fā)現(xiàn)大霧出現(xiàn)前，925 hPa 出現(xiàn)了西南低空急流，有利于大霧的產(chǎn)生；弱冷空氣未能破壞底層逆溫結(jié)構(gòu)，大霧持續(xù)存在，隨著鋒面移動(dòng)，大霧持續(xù)覆蓋海面。李美琪等人[6]對(duì)河北一次持續(xù)大霧過(guò)程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，大霧產(chǎn)生于穩(wěn)定的緯向環(huán)流背景下，高空有弱短波槽快速東移，干性短波槽分別促成了大霧的形成、霧區(qū)范圍擴(kuò)大及強(qiáng)度增強(qiáng)。

本文針對(duì)2020 年2 月11—15 日江蘇泰州地區(qū)的一次持續(xù)性大霧天氣過(guò)程，利用ERA5 再分析資料、地面觀測(cè)資料和微波輻射計(jì)資料對(duì)此次大霧天氣過(guò)程進(jìn)行診斷分析，從大尺度天氣背景、水汽條件、動(dòng)力條件等多方面進(jìn)行分析，探討該次持續(xù)性大霧天氣的成因和維持機(jī)制，為持續(xù)性大霧預(yù)報(bào)思路提供參考，提供大霧預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

1 天氣實(shí)況

2020 年2 月11—15 日，江蘇泰州地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)4天的區(qū)域性大霧天氣，2 月11 日22∶00 泰州開(kāi)始出現(xiàn)能見(jiàn)度小于500 m 的霧，12 日0∶00 開(kāi)始出現(xiàn)能見(jiàn)度小于200 m 濃霧。從泰州站能見(jiàn)度的演變趨勢(shì)來(lái)看，此次大霧天氣過(guò)程可分為以下3 個(gè)階段：

第一個(gè)階段為2月11日夜間至12日凌晨，11日22∶00 前后泰州站出現(xiàn)能見(jiàn)度小于500 m 的霧，到了12 日02∶00 能見(jiàn)度降到200 m 以下；第二個(gè)階段為13 日凌晨和14 日早晨，泰州站出現(xiàn)了能見(jiàn)度200～500 m 之間的霧，持續(xù)時(shí)間較短；第三個(gè)階段為15 日凌晨，出現(xiàn)了能見(jiàn)度低于200 m的濃霧。

此次大霧天氣最嚴(yán)重的時(shí)段為12 日凌晨和15 日凌晨，能見(jiàn)度均小于200 m，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。12日，泰州站能見(jiàn)度最低僅76 m，出現(xiàn)在04∶19。15 日凌晨，全市大部分地區(qū)能見(jiàn)度在200 m以下，泰州站最低能見(jiàn)度僅126 m，出現(xiàn)在02∶58。15 日08∶00 以后，隨著北方冷空氣南下，泰州地區(qū)西北風(fēng)力增大，大氣穩(wěn)定層結(jié)遭到破壞，能見(jiàn)度迅速上升，大霧消散。

2 環(huán)流背景

本文采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心再分析資料第5版（簡(jiǎn)稱ERA5）逐6 h 再分析資料，對(duì)此次持續(xù)性大霧天氣過(guò)程的天氣形勢(shì)進(jìn)行分析。圖2 是2 月11—14 日500 hPa 高空天氣形勢(shì)圖。從500 hPa 環(huán)流形勢(shì)上看，11—12 日泰州地區(qū)主要受中緯度偏西氣流的影響，高空有短波槽過(guò)境，高空有濕區(qū)東移，水汽條件較好，多陰雨天氣，為大霧天氣的形成提高了較好的天氣尺度背景。13—14 日高緯度有東北冷渦生成，泰州地區(qū)主要受冷渦底部的偏西氣流影響，隨著東北冷渦東移南落，泰州地區(qū)逐漸轉(zhuǎn)為冷高壓控制，冷空氣南下，大氣擴(kuò)散條件逐漸轉(zhuǎn)好，對(duì)大霧天氣的消散有著重要作用。

圖3 是11—14 日海平面氣壓場(chǎng)形勢(shì)，從地面形勢(shì)圖上可以看出，11—13 日泰州地區(qū)受到均壓場(chǎng)的控制，地面等壓線較稀疏，以靜穩(wěn)大氣為主，地面風(fēng)場(chǎng)為南到西南風(fēng)，且風(fēng)力條件一般，不利于本地污染物的擴(kuò)散，有利于大霧天氣的產(chǎn)生。13 日起阿爾泰山至薩彥嶺一帶有冷空氣堆積，形成冷高壓，冷高壓前部不斷有弱冷空氣向東北、華北地區(qū)擴(kuò)散，至14 日后半夜冷空氣波動(dòng)南下影響泰州地區(qū)，地面等壓線密集，風(fēng)場(chǎng)逐漸由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，風(fēng)力明顯增大，有利于大霧的消散，因此14 日后半夜至15 日早晨此次持續(xù)性大霧天氣逐漸消散。

3 大霧生成和維持機(jī)制

圖4 為2020 年2 月11 日08∶00—15 日08∶00 過(guò)點(diǎn)（32.5°N，120°N）的風(fēng)、溫度和濕度的時(shí)間-高度剖面。從數(shù)據(jù)可以看出：11 日夜里和14 日夜里地面相對(duì)濕度均接近飽和狀態(tài)，濕度條件明顯好于13—14日，與強(qiáng)濃霧的爆發(fā)時(shí)間段相吻合；12 日凌晨起850 hPa 相對(duì)濕度由80% 以上逐漸減弱，至14 日下午重新增強(qiáng)至80% 以上。從風(fēng)向的變化可以看出：13日08∶00和14日08∶00有短波槽過(guò)境，兩次均為干性短波槽，短波槽過(guò)境后高空濕度開(kāi)始下降，天空云量減少，有利于輻射降溫；而900 hPa 溫度開(kāi)始上升，有利于近地面逆溫層的形成和維持，因此13—14 日大霧屬于輻射霧。14 日夜里泰州地區(qū)處于冷鋒前部，但冷鋒前的地面水汽接近飽和，大霧轉(zhuǎn)為鋒面霧。

圖5 為11 日08∶00—15 日08∶00 過(guò)點(diǎn)（32.5°N，120°N）的渦度、散度、垂直速度時(shí)間-高度剖面。可以看出，11 日夜里和14 日夜里850 hPa 均有較強(qiáng)的正渦度，表明底層有暖濕氣流，12—13 日低層有負(fù)渦度，大霧減弱，15 日早晨受冷空氣南下影響，低層轉(zhuǎn)為負(fù)渦度，大霧消散，與此次持續(xù)性大霧天氣過(guò)程的生成和消散時(shí)間對(duì)應(yīng)較好。從散度場(chǎng)的分布來(lái)看，此次大霧過(guò)程低層輻射輻合相間，11 日20∶00—13 日08∶00 低層有弱的輻合上升運(yùn)動(dòng)，13 日白天有弱的輻散下沉運(yùn)動(dòng)，弱的輻合上升運(yùn)動(dòng)可以使近地面的水汽向上輸送，使?jié)駥拥竭_(dá)一定的高度，有利于大霧的維持，弱的輻散下沉運(yùn)動(dòng)有利于逆溫層的形成，阻止中低層水汽交換，使得低層濕度條件達(dá)到飽和。從散度場(chǎng)的時(shí)間變化情況來(lái)看，與圖5 的濕度隨時(shí)間變化有較好的吻合，可以對(duì)應(yīng)上此次大霧天氣的發(fā)展過(guò)程。從垂直速度隨時(shí)間的變化來(lái)看，11 日20∶00—14 日08∶00 和14 日20∶00 之后均以下沉氣流為主，垂直運(yùn)動(dòng)較弱，有利于大氣穩(wěn)定層結(jié)的形成，下沉氣流的增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致水汽向近地面的堆積，使得近地面濕度增大，對(duì)應(yīng)大霧的發(fā)展。

由于微波輻射計(jì)的缺測(cè)，11—12 日數(shù)據(jù)無(wú)效，因此對(duì)13—15 日的微波輻射計(jì)觀測(cè)資料進(jìn)行分析。圖6為基于微波輻射計(jì)資料的13—15 日泰州站溫度和相對(duì)濕度的時(shí)間-高度剖面。由數(shù)據(jù)可以看出，泰州站在13 日16∶00 之后，1 km 以下相對(duì)濕度接近100%，14 日08∶00 之后2 km 以下相對(duì)濕度接近100%，水汽達(dá)到飽和狀態(tài)，濕層深厚，有利于大霧的生成。從氣溫的變化情況來(lái)看，13 日和14 日夜間低層均有逆溫層存在，13日夜間逆溫層較明顯，15 日早晨隨著冷空氣南下，氣溫迅速降低，逆溫層遭到破壞，大霧逐漸消散。

4 結(jié)論與討論

本文針對(duì)泰州一次持續(xù)性大霧天氣過(guò)程，利用ERA5 再分析資料、地面觀測(cè)資料和微波輻射計(jì)資料進(jìn)行診斷分析，從大尺度天氣背景、動(dòng)力條件、水汽條件等多方面進(jìn)行分析，探討此次持續(xù)性大霧天氣的成因和維持機(jī)制，結(jié)論如下。

（1）此次持續(xù)性大霧天氣500 hPa 前期受緯向偏西氣流控制，后期東北冷渦東移南落，多短波槽過(guò)境活動(dòng)，濕度條件較好。該次過(guò)程前期地面受均壓場(chǎng)控制，氣壓梯度小，風(fēng)力較弱，為大霧天氣的形成提供了有利的天氣背景條件。短波槽過(guò)境后高空濕度開(kāi)始下降，天空云量減少，有利于輻射降溫，低層溫度升高，為近地面逆溫層的形成和維持提高有利條件，13—14 日形成輻射霧，14 日夜里泰州地區(qū)處于冷鋒前部，冷鋒前的地面水汽接近飽和，大霧轉(zhuǎn)為鋒面霧，15 日早晨冷空氣開(kāi)始影響泰州，大霧消散。

（2）此次大霧持續(xù)階段，低層有暖濕氣流，輻合輻散過(guò)程相間，低層弱輻合上升運(yùn)動(dòng)使?jié)駥涌梢赃_(dá)到一定的高度并維持，提供了有利的水汽條件，弱輻散下沉運(yùn)動(dòng)為逆溫層的形成提供了有利的動(dòng)力條件。從微波輻射計(jì)觀測(cè)資料來(lái)看，13 日16 時(shí)之后近地面相對(duì)濕度接近飽和，13 日和14 日夜間低層均有逆溫層存在，為大霧的爆發(fā)提供了有利條件。最終大霧消散主要是由于冷空氣的入侵，逆溫層遭到破壞。