近年來中衛市大霧天氣的分析及預報方法研究

摘 要：【目的】提升預報員對低能見度天氣“霧”的預報水平。【方法】利用2000—2021年中衛市4個氣象站霧日觀測資料，對霧的時空分布特征進行分析。結合同期NCEP/NCAR逐日再分析資料，對中衛市霧產生的環流背景和物理特征進行分析，總結出中衛市霧的預報指標。【結果】中衛市霧日分布由北自南減少，年霧日在波動中基本持平。秋季霧出現站次最多，夏季次之，春季霧出現站次最少。中衛市霧天中高層500 hPa上基本為西西北氣流，850～700 hPa為偏南氣流，地面為均壓場。850 hPa相對濕度較大，地面濕度接近飽和，高空風垂直切變也較小。由于高空大氣層結穩定，地面水平運動不強，高低空能量交換受到抑制，有利于大霧天氣的形成和維持。【結論】根據中衛市霧日要素場特征，得出以下霧的預報指標：①預報次日08時各站地面風速≤4 m/s；②預報次日08時各站云量≤3成；③預報次日08時各站T地面-T850hPa≤0℃；④預報850 hPa次日T-Td≤3℃；⑤預報次日清晨最大相對濕度≥90%；⑥當日14時相對濕度≥60%；⑦預報次日清晨最低氣溫不超過當日14時的露點溫度；⑧預報次日清晨Tmin≤前一天14時的Td。

關鍵詞：霧；時空分布；環流特征；預報方法

中圖分類號：P426.4" " " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）22-0104-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.022

Analysis and Forecasting Methods of Heavy Fog Weather in Zhongwei City in Recent Years

Abstract： [Purposes] This paper aims to improve the predictive ability of forecasters for low visibility weather \"fog\". [Methods] Using fog day observation data from four meteorological stations in Zhongwei City from 2000 to 2021， the spatiotemporal distribution characteristics of fog were analyzed. In addition， combined with daily reanalysis data from NCEP/NCAR during the same period， the circulation background and physical characteristics of fog in Zhongwei City were analyzed， and the forecast indicators for fog in Zhongwei City were summarized. [Findings] The results showed that the distribution of foggy days in Zhongwei City decreased from north to south， and the annual foggy days remained relatively stable in fluctuations;In the foggy days of Zhongwei City， the upper 500 hPa is basically a west-northwest airflow， 850 ～ 700 hPa is a southerly airflow， and the ground is a uniform pressure field. The relative humidity at 850 hPa is relatively large， the ground humidity is close to saturation， and the vertical wind shear is also relatively small. Due to the stable atmospheric stratification at high altitude， the horizontal movement of the ground is not strong， and the energy exchange between high and low altitude is suppressed， which is conducive to the formation and maintenance of foggy weather. [Conclusions] Based on the characteristics of the fog day element field in Zhongwei City， the following forecast indicators for fog are obtained：①ground wind speed at each station at 08：00 the next day is predicted to be ≤ 4 m/s;②it is predicted that the cloud cover at each station will not exceed 30% at 8 am the next day; ③it is predicted that at 08：00 the next day， the T ground temperature at each station - T 850 hPa ≤ 0 ℃;④it is predicted that the next day with 850 hPa T-Td ≤ 3 ℃; 5. Forecast the maximum relative humidity of the next morning to be ≥ 90%; ⑥At 14：00 on the same day， the relative humidity ≥ 60%;⑦Forecast that the lowest temperature in the morning of the next day will not exceed the dew point temperature at 2 pm on the same day;⑧it is predicted that the Tmin of the next morning ≤ the Td at 2 pm of the previous day.

Keywords： fog; spatiotemporal distribution; circulation characteristics; forecasting methods

0 引言

霧是近地層空氣中懸浮的大量微小液滴或冰晶形成的組合體，是地面水平能見度低于1 km的一種天氣現象［1］。大霧天氣是中衛市秋季多發的災害性天氣之一，除可能造成交通事故、班機延誤、通信線路中斷等影響外，其引起的大氣污染對人體健康的危害更不可低估。為減輕霧對人類的危害，除加強交通管制、增強安全意識、加強大氣污染的治理以外，還需要深入探索大霧發生的內在機理，研究其預報方法，提升對霧的預報預警能力，為人民群眾合理安排行程和做好大霧天氣的防范應對工作提供科學參考。

目前已有大量關于霧的研究，宛濤等［1］對利于霧發生的環流場及要素特征進行了分析；王孝慈等［2］對強濃霧出現時地面的形勢進行了分類研究；苗開超等［3］著眼于分析造成重大交通事故的大霧成因；王賽頔等［4］則對一次大霧分兩個階段（輻射霧、鋒面霧）進行成因分析；閻琦等［5］對遼寧發生的兩次大霧過程的成因進行對比分析；許敏［6］、顧雨亭等［7］分別對京津冀夏季霧和茅臺機場平流霧的生消與演變機制進行了細致研究。以上分析結果均表明大霧天氣的發生需要具備一定的環流形勢以及高濕、微風和穩定的層結條件。對大霧環流形勢及成因逐漸明確后，毛程燕等［8］建立了衢州市大霧的預報指標并通過了檢驗；周翠芳等［9］利用寧夏1961—2009年大霧觀測資料進行分析，建立了寧夏大霧的預報模型并通過了檢驗。

本研究利用2000—2021年中衛市4個氣象站大霧天氣觀測資料，對霧的時空分布特征進行分析，此外結合再分析資料，對中衛市霧產生的環流背景和物理特征進行分析，總結出中衛市霧的預報指標，建立中衛市霧的預報方法，以期為中衛市大霧天氣的深入研究和日常預報服務提供參考。

1 資料和方法

利用2000—2021年中衛、中寧、海原、興仁4個國家氣象觀測站常規觀測資料與NCEP/NCAR 逐日1°×1°的再分析資料，對中衛市霧日時空分布特征及環流形勢進行系統分析。其中，霧日出現最頻繁的中衛氣象站的數據進行了移動平均處理。

2 霧的時空分布特征

2.1 空間分布特征

中衛市各觀測站年平均霧日如圖1所示。由圖1可知，霧日分布自南向北增加，全市霧日分布存在一個多發中心，受市區建設與發展的影響，中衛國家站霧出現的頻次顯著高于其他觀測站，年平均霧日超過5天，周邊地區年平均大霧日數均在3天以內。近地層水汽含量與地形對于大霧天氣有重要影響，南華山地處海原縣西南部，其對來自南方的水汽和淺層東移冷空氣都具有阻擋作用，因此，一定程度減少了海原縣城霧的發生頻次，其年均霧日不到2天。

2.2 時間分布特征

2.2.1 近22年中衛市霧的年際變化特征。中衛市近22年的霧日年際變化曲線如圖2所示。由圖2可知，中衛市年霧日在波動中基本持平，但持平趨勢未經過相關檢驗，其中2015年霧出現的日數最多，達16天，而2013年最少，只有2天。2015年，我國多地多次出現霧霾天氣，污染物排放是造成霧霾的內因，氣象條件則是外因。分析天氣條件有以下幾點：①2015年冷空氣整體偏弱，大風日較少，不利于污染物水平擴散；②大氣穩定，不利于污染物的垂直擴散；③濕度大的環境空氣使污染物積聚增長更加劇烈，氣溶膠粒子濃度增加。

2.2.2 近22年中衛霧的月和季節平均分布特征。中衛市霧的月和季節分布特征如圖3所示。由圖3可知，6月中衛市各觀測站霧日達一年中的最低值，6月以后，霧日發生站次開始顯著增高，直到秋季10—11月達最大值后又呈現降低趨勢，中衛市4個氣象站在10月和11月霧日出現的站次最多，均達2.2站次，其中中衛城區10月月均霧日達1.2天。秋季是中衛市一年當中霧發生站次最多的季節，可達6.3站次，夏季次之，為2.2站次，春季則低至1.1站次，是霧日發生站次最低的季節。秋季空氣濕度隨雨量增加而整體較大，對霧的形成有利；春冬季節雨少風多，空氣干燥，不利于形成霧。中衛市霧的季節分布特征與我國其他省市有顯著的差異（冬季大霧多發）。

3 中衛市霧的環流特征分析

3.1 霧的高空及地面平均形勢場特征

2016—2021年霧日平均環流形勢如圖4所示。500 hPa亞洲中緯度有兩淺槽一弱脊，其中巴爾喀什湖附近和華北一帶各有一淺槽，中間為弱脊區，中衛市位于脊前，受到偏西氣流影響，風場流線與等溫線接近平行，冷暖平流很弱。700 hPa西南氣流向中衛市輸送一定水汽。弱脊控制下天氣晴好并且地面風速小，清晨地面輻射降溫快，對逆溫層的形成較為有利。850 hPa上中衛上游地區有溫度脊影響。中衛市則受高原渦東北象限的東南氣流影響，有弱的冷平流，利于水汽冷凝，從而形成霧。西北地區東北部地面上為均壓場，等壓線分布非常稀疏，氣壓梯度很小，風速低于3 m/s，在低層水汽充沛的晴天，中衛市容易形成輻射霧。中衛市上空500 hPa水平風速小于8 m/s，700 hPa水平風速小于4 m/s，850 hPa水平風速小于2 m/s，可見，700～500 hPa層結較為穩定，低層受偏南氣流影響濕度條件好，外加地面均壓區與中低層的溫度脊共同作用，使霧的形成具備良好的環流條件。

3.2 霧的主要氣象要素場分析

霧日08時850 hpa主要氣象要素場如圖5所示。中衛市霧日08時RH在72%～80%，霧出現時，地面水汽近飽和，霧發生前正點最大相對濕度絕大多數在96%以上（統計了2016—2021年52次霧過程，中衛站出現26次，前日最大相對濕度只有2次低于96%；中寧縣出現8次，有3次低于96%；興仁站出現14次，只有3次低于96%；海原縣出現14次，也只有3次低于96%。），說明霧出現在地面與近地層的水汽條件都較好的條件下，如圖5（a）所示。霧日08時850 hPa上，中衛各觀測站及其上游地區的垂直速度值都非常小，上游空氣呈下沉運動，下沉中心在86°E，38°N附近，如圖5（b）所示。中衛市整層風力及垂直風切變均較小（見圖4），大氣層結穩定。850 hPa上為弱的東南風，垂直方向的運動也很弱，如圖5（c）、5（d）所示，整個風場條件非常不利于能量的交換。從中衛市霧日08時地面與850 hPa溫度場對比情況可以看出，各觀測站地面溫度在4～12 ℃，850 hpa溫度在8～12℃間，中衛市T地面-T850 hPa介于-4～0 ℃，可見出霧時，近地面層較為穩定或為逆溫層時，對整層熱量與水汽的交換不利，顆粒物與水汽不易向垂直方向擴散，其積聚維持有利于霧生成。中衛市52次霧過程中，前日白天或夜間出現降水的就占47次。這說明降水對霧的形成有著積極的影響。降水增強了環境濕度條件，低層風力較小情況下，水汽又難以擴散，因此積聚在近地層，為霧的形成提供充沛的水汽條件。

4 中衛市霧的預報方法

在對中衛市2016—2021年52個霧日環流及62個站次要素場綜合分析的基礎上，結合預報經驗與相關參考文獻，凝練出以下有利于霧形成的環流條件和氣象要素場特征，得出霧的8個預報指標。由于中衛市大霧基本為輻射霧［9］，以下分析僅針對輻射霧。

4.1 有利于霧形成的環流條件

①08時500 hPa圖上，中衛市及上游地區處于較為平直的西西北氣流或偏西氣流中，并且高低層等壓線、等溫線都比較稀疏；②地面圖上，中衛市處于均壓場中；③地面氣壓梯度小（36°N～38°N、104°N～106°E范圍內等壓線不超過1根——最大差小于2.5 hPa），風力小；④中衛市出霧時，81%的情況下地面吹偏東風或前12 h內吹偏東風，有利于地面濕度增加。

4.2 霧日氣象要素場特征

①90%以上的霧發生前有降水，降水為霧的生成提供了很好的水汽條件；②清晨云量較少，有利于輻射降溫，云量≤3成；③霧發生前各站整點最大相對濕度絕大多數在96%以上，前日14時相對濕度基本上在60%以上（統計62個大霧站次中有48個站次gt;60%）④霧日08時風力lt;4 m/s（62站次霧中僅有1站次gt;4m/s）；⑤霧日08時850 hPa中衛市有弱溫度脊配合；⑥霧日08時探空圖中，基本上各站近地層都存在逆溫層（92%的站次出現大霧時，地面都具有逆溫層，即T地面-T850 hPalt;0℃，其余情況T地面-T850 hPa=0℃）。

4.3 霧的預報指標

①預報次日清晨云量≤3成；②預報次日08時風力lt;4m/s；③預報次日清晨最大RH在90%以上；④當日14時RH在60%以上；⑤預報次日08時850hPa中衛市上游有弱的溫度脊；⑥預報次日08時近地層存在逆溫層；⑦預報次日清晨Tmin≤前一天14時的Td；⑧預報850 hPa次日T-Td≤3℃。

4.4 霧的預報方法

預報次日中衛市是否出霧時，首先應判斷中衛市是否處于有利于出霧的環流形勢中，再分析氣象要素場是否利于出霧：如果當日有降水，且①、②、③、⑥、⑦、⑧指標同時滿足，④、⑤指標至少有一條滿足時，預報次日有霧；當以上指標都沒有達到，那么預報次日無霧；當上述指標部分達到時，預報員需根據當日氣象要素實況特征（比如當前的相對濕度和露點溫度，這兩個要素的值越高，就越容易出霧），結合模式預報進行主觀判斷是否報霧。

5 結論

①中衛市霧日分布由北自南減少，市區是霧日多發中心，海原縣霧日發生次數較少。

②中衛市年霧日在波動中基本持平，其中2015年霧出現的日數最多。

③秋季是中衛市霧的多發季節，夏季次之，春季霧發生站次最少。

④霧日中衛市中高層500 hPa上基本為西西北氣流，850～700 hPa為偏南氣流，地面為均壓場；850 hPa相對濕度較大，地面濕度近飽和；500～700 hPa為較穩定層結；中衛市上空整層風力弱，高空風垂直切變也較小。

⑤中衛市霧日的氣象要素場特征為：近地層以及地面的濕度條件都較好；霧出現當日08時850 hPa上，中衛市及上游垂直速度值非常小；霧與降水有密切的關系；霧日08時地面風力lt;4 m/s；霧日清晨云量較少；霧日08時T地面-T850hPa為-4～0 ℃，近地面層比較穩定或者近地層存在逆溫層。

參考文獻：

［1］宛濤，肖稱根，謝忠妙，等. 南寧機場一次大霧過程的診斷分析［J］. 科技與創新，2023（1）：116-118，123.

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［6］許敏，李江波，田曉飛，等. 京津冀夏季霧的特征與預報［J］. 氣象，2022（7）：899-912.

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［9］周翠芳，陳楠，張廣平. 寧夏霧的時空分布特征及預報方法研究［J］. 安徽農業科學，2010（30）：17074-17078，17081.