南宁浓雾的天气形势及边界层特征

2018-04-27李渝平黄莉白

防灾科技学院学报 2018年1期

李渝平黄莉白龙

（南宁市气象局，广西南宁 530022）

0 引言

雾是指大量水滴或冰晶悬浮在近地层使水平能见度低于1km的灾害性天气，水平能见度不足200m时称之为浓雾。近年来，随着经济发展和城市建设，雾已经成为一种高影响天气，其对于人们身体健康、交通出行等方面的不利影响越发凸显，引起广泛关注。目前已有学者对雾天气进行研究并取得一定的成果。林建等［1］统计中国大雾的时空分布特征及环流形势，认为根据地面形势考虑我国大范围大雾形势可分为均压型和锋前型。侯瑞钦等［2］分析了华北平原一次持续大雾过程，得出此次过程发生在稳定环流背景下，静风、充足水汽及地面辐射冷却是其形成和维持的有利条件的结论，并指出地面辐合线偏向冷空气一侧利于大雾形成。刘熙明等［3］分析了北京地区一次大雾过程的边界层特征，结果显示北京持续大雾形成的主要原因为近地层高相对湿度、较小风速及垂直风切变、稳定层结结构以及较低气温，而风场等动力要素对大雾的维持和消散起主要作用。吴哲红等［4］将贵州安顺区域性大雾利用环流分型方法分为静止锋雾和辐射雾，并给出了成因。尽管国内外已有不少学者对雾天气进行研究，在其成因和规律方面取得一定成果，但多为零散个例研究，而浓雾天气成因复杂、局地性强，不同地域的浓雾可能具备其鲜明的局地特性，本文对2001—2015年南宁市浓雾天气个例进行普查研究，研究其500hPa和地面天气形势以及边界层特征，为浓雾预报提供指导和参考，以期提高浓雾预报能力和准确率。

1 资料来源及处理

本文所采用的资料为NCEP FNL 1°×1°资料集和气象观测站常规观测资料。南宁市区及所辖县（区）共有9个气象观测站，分别为马山站、上林站、宾阳站、横县站、武鸣站、隆安站、邕宁站、南宁站、南宁城区站，其中南宁站是国家基本气象站，其余为国家一般气象站。为研究方便，本文所选取的个例统一为2001—2015年南宁市区及所辖县（区）内水平能见度不足200m的浓雾天气个例，即当上述9个气象观测站中有至少1个站观测到能见度不足200m的浓雾时，将其选入进行研究的个例集合中，并将浓雾出现的日期定义为南宁市一个浓雾日，如浓雾跨越日期（以每日0：00为界）则算作另一个浓雾日。

2 南宁地理气候概况

南宁市位于广西壮族自治区南部偏西，介于东经 107°19′～ 109°37′与北纬 22°12′～ 24°2′之间，地处南亚热带温暖湿润季风气候区的中区和西区，具有光热丰富，降水充沛，长夏短冬，季风气候显著，气象灾害频繁的特点。全市年平均气温21.7℃，年平均雨量为1419.6mm，主要气象灾害有暴雨、热带气旋、大风、冰雹、霜、干旱、高温、雾等。

3 浓雾日数统计

统计发现，2001—2015年南宁市各年浓雾日数在1～18天之间，年际变化大。从浓雾发生的月份来看，1～3月是浓雾发生的高峰期，浓雾日数占比明显高于其他月份，其余各月占比在1～9%之间，其中7月份无浓雾发生，从季节分布上看冬季浓雾日数最多，夏季最少，与袁智生等［5］统计湖南省雾日四季变化结果类似。

图1 2001—2015年南宁年浓雾日数统计（a）、逐月浓雾日数占比（b）Fig.1 Statistic of dense fog days（a） and the proportion of dense fog days in each month （b）in Nanning during 2001 and 2015

4 浓雾的天气形势分型

通过对2001—2015年南宁市浓雾发生时的高空实况形势场进行统计分析，将南宁市浓雾的500hPa天气形势分为4种类型，分别为纬向西风波动型、槽后西北气流型、槽前西南气流型、副热带高压后部回流型。在剔除个别形势场资料有问题的浓雾个例后，剩余的共计79个浓雾个例中，上述各天气形势类型所占比例分别为51.9%、29.1% 、11.4% 、7.6% 。

4.1 纬向西风波动型

图2 500hPa纬向西风波动型（2008年1月20日08时）Fig.2 The zonal westerly waves type of 500 hPa situation field （8 a.m.， Jan.20， 2008）

有研究指出，中高层以纬向环流为主是造成持续性大雾的重要天气形势特征［6-9］，南宁浓雾天气形势中的纬向型与此类似。图2为西风波动形势下南宁浓雾个例，其典型特征为我国大部地区环流经向度很弱，以纬向环流为主。特别是广西地区，500hPa等高线较平直，呈东西向分布，近似与纬线平行，即使与纬线相交，交角也很小。风向以偏西风或西偏北风较为常见，少数情况下亦可能出现西南风，总体而言西风分量很大，u分量远大于v分量。有时风场上似乎有小范围的切变，但在等高线上未表现出明显波动（振幅小于2个纬度），也归为此类型。500hPa稳定的纬向平直环流，为出现静稳大气层结提供有利条件，有利于浓雾的发生。

4.2 槽后西北气流型

此类天气形势的共同特征是浓雾出现时，南宁均处于500hPa高空槽线后的较强西北气流中，但在不同个例中，高空槽线的振幅以及槽线与南宁的相对位置和距离多有变化，有时槽刚刚移过，南宁即出现浓雾，有时在槽已过境多日、距离相对较远时才出现浓雾。以影响南宁的高空槽的振幅、位置及历史演变作为依据，可以将其再细分为高原槽、冷涡低槽、南支槽、南北槽叠加等类型。图3为不同槽系影响下的典型槽后西北气流型浓雾天气形势。

图3 500hPa槽后西北气流型Fig.3 The northwest air flow in the rear of trough type of 500 hPa situation field

4.3 槽前西南气流型

此类天气形势下，出现浓雾时南宁上空500hPa处于西南气流影响下，其天气形势特征见图4。值得注意的是，尽管此时南宁位于高空槽的槽线东侧，受西南气流影响，但与高空槽前正涡度平流提供动力抬升作用形成降水的机理不同，此时高空槽与南宁的相对位置仍较远，槽前的动力抬升作用较弱，大气层结相对稳定，高空槽的作用主要是槽前西南气流输送水汽促使气层增湿，静稳、潮湿的大气层结为浓雾产生提供有利条件，这与欧阳也能等［10］对湘潭市大雾天气形势分型时的SW型（槽前西南气流型）近似。

4.4 副热带高压后部回流型

南宁受副高底后部回流的偏东气流影响时，如没有对流发生，近地层往往会形成潮湿且静风的环境，利于浓雾生成。如图5所示，副高势力不强时，西脊点位于115°E附近，南宁处于副高西南部。当副高强盛时，西脊点可进入广西中部或更偏西的位置，位于110°E附近，此时南宁位于副高底部内侧，受其直接控制。

图4 500hPa槽前西南气流型（2009年3月21日08时）Fig.4 The southwest air flow in front of the trough type of 500 hPa situation field｜（8 a.m.， Mar.21， 2009）

5 浓雾的地面形势及要素特征

南宁浓雾发生时，地面风速基本在2级以下（0～2m／s），极少数情况下能够达到3级，但也不超过4m／s，浓雾多发生在凌晨到上午，浓雾发生前夜间温度露点差不断减小，至浓雾出现时，温度露点差缩小到0～1℃。根据浓雾的特征和成因，将南宁的浓雾分为辐射雾、平流雾以及平流-辐射混合雾。由于混合雾成因和特征相对复杂，本文暂不讨论，只讨论典型辐射雾和平流雾。

5.1 辐射浓雾

统计个例发现，辐射浓雾多发生在秋冬季节。如图6所示，当南宁地区地面受冷高压脊控制，或冷高压东移减弱，转而受变性高压脊或者均压场控制时，天气晴好，夜间晴空辐射强烈，空气因辐射降温达到饱和导致浓雾出现。辐射雾发生时南宁及周边地区以弱的偏北风为主，早晨气温相对低，日高低温温差大。

图5 500hPa副热带高压后部回流型Fig.5 The backflow in the bottom to the rear of subtropical anticyclone type of 500 hPa situation field

5.2 平流浓雾

平流浓雾在春、秋、冬季均有发生，其主要特征即风场的平流作用。尽管南宁地区风速较小，但南宁以北及以南的地区，往往在风场上具备一定的演变特征，从而出现平流作用，此时常常在南宁市一线，或者南宁以北或以南邻近地区，出现弱的辐合，主要表现为地面风向辐合，即东北风与偏东风、东北风与东南风或东南风与偏东风的辐合。根据辐合线风向的不同以及浓雾出现的位置，可将南宁平流浓雾分为锋前型和南风型，图7为这两种平流浓雾的典型地面形势。

5.2.1 锋前暖区型

此类型通常在广西北部能够根据地面等压线、风向、温度梯度等分析出冷锋或准静止锋特征，而广西中部、南部锋面特征较弱，南宁处于锋面前部暖区。此时广西北部地区地面为偏北风，南部地区为偏东风或东南风，而南宁处于两者之间，风速很小，处于弱的辐合区的偏冷空气一侧，此类型时浓雾天气通常出现在弱辐合线附近及偏冷空气一侧，有时也能出现广西全区性的浓雾天气。此类天气型与刘艳杰、万瑜等［11-12］的研究结果较为近似。

图6 辐射浓雾地面形势图（2004年2月9日08时）Fig.6 Surface situation field during the radiation dense fog process （8 a.m.，Fabruary 9， 2004）

5.2.2 南风辐合型

此天气类型主要特征是浓雾天气出现前，广西东部、南部地区风场出现变化，风向偏转致使偏东及偏南分量加大，主要表现为原本东北风或偏北风转变为偏东风、东南风或偏南风，南宁以东及以南地市风速约在2～4m／s之间，与此同时广西北部地区偏北风分量减小，风速也减小，因而在广西中部或南部形成弱的辐合。浓雾天气多出现在广西南部到中部地区，有时广西北部也能够出现。

6 浓雾的边界层特征

浓雾天气发生高度及垂直厚度都局限在边界层内，因而分析边界层内的层结结构至关重要。通过统计发现，南宁浓雾天气都发生在层结稳定大气中，层结主要特征是绝大多数浓雾个例都会在1000～925hPa气层出现具备一定特征的温湿层结结构，且这样的层结结构较薄，局限在925hPa对应高度以下，而在925hPa对应高度以上层结不具备明显规律。依据1000～925hPa层结情况，分为逆温型、等温型及湿层型（图8）。

图7 平流雾地面形势Fig.7 Surface situation field during the advection dense fog process

6.1 逆温型

浓雾发生时1000～925hPa存在逆温层，且在浓雾发生前，逆温现象发展加强，即在浓雾出现前12小时，由原本的正常层结变为逆温层结，或者原本已经存在的逆温得到加强。逆温层很浅薄，垂直厚度通常在200m以下，甚至可能不足50m，绝大多数局限在925hPa高度以下，这与管琴等［13］研究认为20～1500m高度气层存在逆温层可作为山西省雾的预报指标的结论较为相近。925hPa高度以上也可能出现逆温，但结合个例统计和浓雾形成原理分析，边界层以上是否有逆温层结对其影响较小，因此不作分析。马翠平等［14-15］指出，当边界层风速增大或强冷空气到来使得逆温层结遭到破坏时，大雾将消散。

6.2 等温型

浓雾出现时1000～925hPa气层的温度变化率极小，近似于等温层。而在浓雾发生之前层结为正常类型且具有一定的不稳定能量。当能量释放或天气形势发生变化，层结稳定性明显加强，1000～925hPa温度直减率迅速减小时，浓雾出现。

6.3 湿层型

图8 浓雾典型层结结构Fig.8 Dense fog typical structure of vertical stratification

赵娜等［16］对北京持续雾霾过程分析认为，持续轻雾对湿层厚度要求不高，且湿层越厚能见度越低，韩余等［17］研究认为湿层深厚是雨雾形成时湿度垂直结构的主要特征。南宁发生浓雾时其中一类大气层结也有近似的特征，与逆温型及等温型不同，此类型时温度随高度而减小，大气层结从下到上较为一致，边界层近似饱和，其湿层明显比逆温型和等温型要厚，可以从近地面层一直扩展到700hPa对应高度甚至更高。