烏蘭察布市夏秋季節(jié)霧的氣候特征及動(dòng)力熱力條件分析

摘 要：利用1991—2020年烏蘭察布市夏秋季節(jié)（6—11月）霧日的地面資料、再分析資料，分析了烏蘭察布市夏秋季節(jié)霧的時(shí)空分布、氣象要素指標(biāo)和區(qū)域性大霧的環(huán)流形勢(shì)，結(jié)果表明：（1）烏蘭察布市夏秋季節(jié)出現(xiàn)霧最多的站點(diǎn)是興和，出現(xiàn)霧最多的月份為8月；（2）降水對(duì)烏蘭察布市夏秋季節(jié)霧的產(chǎn)生作用顯著；（3）2015年后霧日數(shù)有明顯增多；（4）地面相對(duì)濕度≥90%，風(fēng)速≤3 m/s，溫度露點(diǎn)差為0～2 ℃時(shí)是霧發(fā)生的有利條件；（5）850 hPa環(huán)流形勢(shì)和冷暖平流在不同類型的霧里差異較明顯。

關(guān)鍵詞：霧；氣候特征；顯著性檢驗(yàn)；聚類分析

中圖分類號(hào)：P426.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）05–0-04

霧是指大量微小水滴或冰晶懸浮在近地面空氣中，使水平能見(jiàn)度下降至1 km以下的天氣現(xiàn)象[1]。由于能見(jiàn)度低，大霧天氣是對(duì)交通安全影響最大的天氣之一，內(nèi)蒙古夏季霧日數(shù)均比其他季節(jié)多，研究夏秋季節(jié)霧日的特征可為進(jìn)一步做好大霧預(yù)報(bào)和服務(wù)提供參考[2]。

霧的生成具有局地性，前期降水、近地層冷暖平流和近地面空氣層結(jié)等條件都決定霧的生成。眾多學(xué)者從大霧的成因、數(shù)值模擬等方面進(jìn)行了研究，并總結(jié)了霧的時(shí)空分布特征，分析了其變化原因[3-8]。袁慧敏[9]分析了呼包鄂地區(qū)一次霧霾天氣過(guò)程的環(huán)流形勢(shì)與物理量場(chǎng)的變化。楊紅子[10]分析了烏海市霧的環(huán)流特征，氣象要素變化。

分析了1991—2020年烏蘭察布市地區(qū)夏秋季節(jié)大霧天氣過(guò)程發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件等，總結(jié)了霧日地面氣象要素特征；篩選出的區(qū)域性大霧，用聚類分析的方法分析區(qū)域性大霧的物理量場(chǎng)，研究了不同類型霧的動(dòng)力、熱力及水汽條件，為霧的短期氣候預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

地面氣象觀測(cè)資料來(lái)源于烏蘭察布市11個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站；高空資料來(lái)自美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）和國(guó)家大氣研究中心（NCAR）提供的1991—2020年的2.5°×2.5°再分析資料。

1.2 研究方法

在統(tǒng)計(jì)霧日數(shù)時(shí)，以20：00（北京時(shí)）為日界，將某站某一天出現(xiàn)1次或1次以上的大霧天氣記為1個(gè)霧日。將某天全市11個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站中≥4站出現(xiàn)霧記為出現(xiàn)一次區(qū)域性大霧。

利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析了1991—2020年夏秋季節(jié)霧的時(shí)空分布特征，霧發(fā)生時(shí)的地面氣象要素特征；再篩選區(qū)域性大霧，通過(guò)聚類分析方法結(jié)合降水、層結(jié)情況與環(huán)流場(chǎng)特征進(jìn)行具體分類，并歸納各類型霧的特征。

2 霧日的時(shí)空分布特征

2.1 大霧日數(shù)的年際變化特點(diǎn)

根據(jù)烏蘭察布市的夏秋季節(jié)平均大霧日數(shù)年際變化，1991—2020年烏蘭察布市夏秋季節(jié)大霧日數(shù)呈增加趨勢(shì)，但年際變化大。

對(duì)大霧日數(shù)年際變化進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)。對(duì)給定的顯著性水平α=0.05，交點(diǎn)在兩條直線U0.05=±1.96內(nèi)，說(shuō)明在2015年前后烏蘭察布市夏秋季節(jié)霧日數(shù)發(fā)生了一次明顯的突變，2015年后烏蘭察布市夏秋季節(jié)霧日數(shù)明顯偏多（圖1）。

2.2 大霧日數(shù)的月季變化特點(diǎn)

每年的6—11月，烏蘭察布市最容易出現(xiàn)霧的月份為8月，其次為9月。烏蘭察布市地處內(nèi)陸，霧多形成于凌晨，08：00后逐漸消散。而烏蘭察布市平均相對(duì)濕度最大的月份為8月，其次為7月，說(shuō)明除相對(duì)濕度影響外，低層大氣降溫冷卻也是烏蘭察布市夏秋季節(jié)霧形成的主要影響因素。

2.3 霧日的空間分布

烏蘭察布市11個(gè)國(guó)家站中，夏秋季節(jié)出現(xiàn)霧最多的站點(diǎn)為興和，其次為察右中旗。

3 霧日的地面氣象條件

統(tǒng)計(jì)1991—2020年間烏蘭察布市夏秋季節(jié)的霧日，共得到909個(gè)霧日個(gè)例，統(tǒng)計(jì)霧日風(fēng)向、2 min風(fēng)速、相對(duì)濕度、出現(xiàn)霧的站點(diǎn)、月份和降水情況，總結(jié)出現(xiàn)霧時(shí)的地面氣象條件。

選取1995年為對(duì)照組，從1995年夏秋季節(jié)內(nèi)隨機(jī)篩選909條數(shù)據(jù)與上述統(tǒng)計(jì)得到的909個(gè)霧日數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，將通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)的各物理量進(jìn)行分析得出：與1995年的對(duì)照組存在顯著差異的物理量場(chǎng)有降水、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、溫度露點(diǎn)差。

3.1 前期降水情況

夏秋季節(jié)霧日前一天降水概率達(dá)66.9%，霧日當(dāng)天降水概率為39.7%。近70%的霧日前一天出現(xiàn)降水，因此出現(xiàn)降水是霧生成的有利條件之一。

3.2 相對(duì)濕度

在不同時(shí)刻霧日出現(xiàn)不同相對(duì)濕度的頻率存在較大差異。霧日前一日20：00、霧日當(dāng)日14：00、霧日當(dāng)日20：00，相對(duì)濕度小于85%的頻率均為最大，相對(duì)濕度大于95%的頻率最小。霧日當(dāng)日02：00、霧日當(dāng)日08：00相對(duì)濕度大于95%的頻率均最大，而相對(duì)濕度小于85%的頻率最小。霧日當(dāng)日02：00、當(dāng)日08：00相對(duì)濕度在90%～100%之間的頻率大于80%，因此高濕有利于霧的形成。

3.3 風(fēng)向

在不同時(shí)刻霧日出現(xiàn)不同風(fēng)向的頻率存在較大差異。霧日前一日20：00、當(dāng)日02：00、當(dāng)日08：00、當(dāng)日20：00均未出現(xiàn)北風(fēng)（N）的頻率最大。霧日當(dāng)日02：00、當(dāng)日08：00靜風(fēng)（C）的頻率增加。出現(xiàn)霧時(shí)烏蘭察布市近地面為北風(fēng)（N）的頻率最大，靜風(fēng)有利于霧的生成。

1995年的對(duì)照組相比，霧日的偏北風(fēng)分量更少，偏南風(fēng)分量更多。同時(shí)靜風(fēng)更多。其中霧日前一日20：00，偏北風(fēng)分量較對(duì)照組少22.2%，偏南風(fēng)分量較對(duì)照組多20.5%。說(shuō)明偏南方向的暖濕氣流是霧生成的有利條件之一。

3.4 風(fēng)速

在不同時(shí)刻霧日出現(xiàn)不同風(fēng)向的頻率存在較大差異。霧日前一日20：00、當(dāng)日02：00、當(dāng)日08：00風(fēng)速在0～1 m/s之間的頻率最大，其中，霧日當(dāng)日02：00風(fēng)速在0～1 m/s頻率為47.2%，霧日當(dāng)日08：00風(fēng)速在0～1 m/s之間的頻率為51.1%。霧日當(dāng)日02：00、當(dāng)日08：00風(fēng)速在0～2 m/s之間的頻率大于70%，微風(fēng)有利于霧的形成。

3.5 溫度露點(diǎn)差

在不同時(shí)刻霧日出現(xiàn)不同溫度露點(diǎn)差的頻率存在較大差異。霧日前一日20：00、當(dāng)日14：00、當(dāng)日08：00溫度露點(diǎn)差大于3 ℃的頻率最大。而霧日02：00、霧日08：00溫度露點(diǎn)差在0～1 ℃之間的頻率最大。霧日當(dāng)日02：00、當(dāng)日08：00溫度露點(diǎn)差在0～2 ℃之間的頻率大于80%，溫度露點(diǎn)差在0～2 ℃之間有利于霧的形成。

4 區(qū)域性大霧類型分析

1991—2020年烏蘭察布市同一日內(nèi)有4個(gè)及以上國(guó)家站出現(xiàn)霧的區(qū)域性大霧共計(jì)51次，繪制每次區(qū)域性大霧高低空的高低空物理量場(chǎng)，并通過(guò)聚類分析結(jié)合區(qū)域性大霧的降水情況、層結(jié)情況與環(huán)流場(chǎng)特征，將烏蘭察布市夏秋季節(jié)區(qū)域性大霧按照形成機(jī)制分為平流霧、平流輻射霧、輻射霧，并分析其動(dòng)力、熱力、水汽條件。

在51次區(qū)域性大霧中，出現(xiàn)最多的是輻射霧，共33次；其次為平流霧，共13次；最少的是平流輻射霧，共5次（表1）。

4.1 平流霧

從環(huán)流形勢(shì)分析，出現(xiàn)此類區(qū)域性大霧時(shí)對(duì)流層中高層位于脊區(qū)，對(duì)流層低層位于低壓槽前，環(huán)流形勢(shì)不一致，高低層配合較差。

暖平流深厚，出現(xiàn)霧的前一日僅部分過(guò)程出現(xiàn)降水，增濕方式以水汽的水平輸送為主；出現(xiàn)時(shí)間多為深秋，地面氣溫低，對(duì)流層結(jié)穩(wěn)定，這是暖平流移入冷的下墊面逐漸冷卻而形成的霧（表2）。

4.2 平流輻射霧

從環(huán)流形勢(shì)分析，出現(xiàn)此類區(qū)域性大霧時(shí)對(duì)流層中高層位于槽區(qū)，對(duì)流層低層位于低壓槽后。

出現(xiàn)霧的前一日有降水，高空有冷平流，低空有暖平流，對(duì)流層結(jié)不穩(wěn)定，有湍流運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)時(shí)間為夏季，烏蘭察布市地面氣溫高，這是平流與輻射共同作用形成的霧（表3）。

4.3 輻射霧

4.3.1 輻射霧與青藏高原以東的低渦

從環(huán)流形勢(shì)分析，出現(xiàn)此類區(qū)域性大霧時(shí)對(duì)流層中低層在青藏高原以東低壓發(fā)展，700 hPa在表現(xiàn)出氣旋性彎曲，部分過(guò)程也有閉合曲線，850 hPa上低壓發(fā)展較強(qiáng)，形成閉合低渦，烏蘭察布市位于青藏高原以東低壓伸展出的低壓槽前。

1996年10月21日烏蘭察布市出現(xiàn)區(qū)域性大霧時(shí)的對(duì)流層中低層環(huán)流場(chǎng)，青藏高原以東的低壓發(fā)展明顯，850 hPa有閉合低渦，烏蘭察布市位于低壓槽前（圖2）。

出現(xiàn)霧的前一日有降水，高空有暖平流，近地面有冷平流，出現(xiàn)時(shí)間多為深秋，地面氣溫低，對(duì)流層結(jié)穩(wěn)定，這是穩(wěn)定層結(jié)下近地層水汽含量高，夜間地面輻射、接觸降溫形成的霧（表4）。

4.3.2 輻射霧與鞍型氣壓場(chǎng)

從環(huán)流形勢(shì)上分析，此類區(qū)域性大霧對(duì)流層中下層往往會(huì)出現(xiàn)鞍型氣壓場(chǎng)，烏蘭察布市處于鞍形氣壓場(chǎng)的中心地帶，上空等高線稀疏。

1994年8月23日烏蘭察布市出現(xiàn)區(qū)域性大霧時(shí)的對(duì)流層中低層環(huán)流場(chǎng)，對(duì)流層中低層南北低、東西高的鞍型氣壓場(chǎng)形式較清晰，烏蘭察布市位于鞍型氣壓場(chǎng)的中間。

出現(xiàn)霧的前一日有降水，高低空均有冷平流，對(duì)流層結(jié)不穩(wěn)定，有湍流運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)時(shí)間為夏季，這是近地層水汽含量高，夜間地面輻射、湍流降溫形成的霧（表5）。

5 結(jié)論

（1）1991—2020年烏蘭察布市夏秋季節(jié)霧日數(shù)呈現(xiàn)增多的趨勢(shì)，經(jīng)M-K突變檢驗(yàn)，2015年后烏蘭察布市霧日數(shù)明顯增多。

（2）烏蘭察布市夏秋季節(jié)出現(xiàn)霧最多的站點(diǎn)是興和，出現(xiàn)霧最多的月份為8月。

（3）降水對(duì)烏蘭察布市夏秋季節(jié)霧的產(chǎn)生作用顯著，霧日前一天降水概率達(dá)66.9%，除平流霧前一日僅部分過(guò)程有降水，輻射霧和平流輻射霧過(guò)程在出現(xiàn)的前一日地面均有降水。

（4）相對(duì)濕度大于90%，出現(xiàn)偏南方向的暖濕氣流，靜風(fēng)或風(fēng)速在0～2 m/s之間，溫度露點(diǎn)差為0～2 ℃是霧形成的有利條件。

（5）烏蘭察布市出現(xiàn)的區(qū)域性大霧按照形成機(jī)制可分為平流霧、平流輻射霧、輻射霧，出現(xiàn)頻率最高的是輻射霧。

（6）出現(xiàn)區(qū)域性大霧時(shí)高低空環(huán)流形勢(shì)不一致，不同類型的霧對(duì)流層中低層的環(huán)流形勢(shì)和層結(jié)曲線特征較明顯。出現(xiàn)平流霧時(shí)對(duì)流層結(jié)穩(wěn)定，對(duì)流層中低層處于低壓槽前。出現(xiàn)平流輻射霧時(shí)對(duì)流層結(jié)不穩(wěn)定，對(duì)流層中低層處于低壓槽后。出現(xiàn)青藏高原以東低渦發(fā)展的輻射霧對(duì)流層結(jié)穩(wěn)定，對(duì)流層中低層處于低壓槽前；出現(xiàn)鞍型氣壓場(chǎng)的輻射霧時(shí)對(duì)流層結(jié)不穩(wěn)定，對(duì)流層中低層烏蘭察布市上空等壓線稀疏。

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作者簡(jiǎn)介：李碧云（1996—），女，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，助理工程師，主要從事氣象服務(wù)工作。#通信作者：薛羽（1992—），女，內(nèi)蒙古清水河人，工程師，主要從事天氣預(yù)報(bào)工作，E-mail：1659443681@qq.com。