云贵准静止锋雾的中尺度环境场分析及短期预报着眼点

2018-07-16吴哲红朱文达

中低纬山地气象 2018年3期

杨　静，吴哲红，汪　超，朱文达

(1.贵州省气象台，贵州贵阳　550002；2.贵州省安顺市气象台，贵州安顺　561000)

1　引言

雾是在特定的天气气候背景之下形成的。随着经济建设步伐的不断加快，社会需求使得海、陆、空交通运输业(特别是航空和高速公路)飞速发展，雾的影响也越来越突出。对于雾的研究和预报方法，国内外学者已经做了不少研究,主要从雾的气候统计特征[1-2]、数值模拟方法研究雾的机制[3]以及基于观测资料的雾的结构[4-5]等方面。

雾的分类是一个很复杂的问题，主要困难在于自然界雾的形成是各种因子同时起作用。文献[6]按照雾的天气学分类法，大致可分为两类：一类是形成于同一气团内的气团雾，此类雾以辐射雾为主；另一类是发生在锋区附近的锋面雾，常常伴有降水出现，据罗喜平等[7]对1961—2004年贵州气象站雾的气候统计显示，贵州省雾主要集中在冬半年(10月—次年2月)，冬季，约1/2的时间，云贵高原有准静止锋存在，利于锋面雾的形成。因此地处云贵高原东部的贵州是受锋面雾影响较重的地区。从贵州省高速公路管理局提供的统计数据发现目前贵州135个路段中，易起雾的路段总里程达到850 km左右，占到通车的高速公路的26%左右。这些统计与我们通过气象站对雾的气候研究较为一致。这些雾的出现多与云贵静止锋有关，大部分是由云贵静止锋引起的锋面雾。近些年，学者们也对锋面雾开展了一些工作。李秀连等[8]对首都机场大雾的分类统计发现锋面雾多为本站处于冷锋前部,伴随平流或辐射过程的持续性大雾,出现时间早于辐射雾,多集中在傍晚到夜间,持续时间长,锋面过境后大雾才能消散。杨静等[9]对一次锋面雾个例进行了研究，锋面雾在准静止锋锋前和锋后都有出现;云贵准静止锋减弱时较大范围雾发生,静止锋厚度薄。但对于静止锋雾的深入研究还比较少。本文针对云贵静止锋天气下形成的静止锋雾，利用16 a的天气个例对区域性的静止锋雾的天气系统特征进行归纳总结，对静止锋雾的中尺度环境场进行分析并提出预报着眼点和思路。

2　资料、区域性静止锋雾选取及分布

本文所用资料为：Micaps高空、地面观测资料；NCEP/NCAR每日4次1°×1°格点再分析资料。

静止锋雾过程选取标准为：秋末到初春(11月—次年3月)贵州85个气象站08时(北京时)出现静止锋雾，且有10个测站以上能见度≤1 000 m作为一次静止锋雾天气过程。

经筛选，1995—2010年16 a间秋末到初春共出现76次静止锋雾天气过程。

其月分布如图1。12月—1月为静止锋雾出现的多发时段，分别有25次和23次锋面雾过程；2月和3月分别有13次和11次，11月相对较少，仅有4次锋面雾过程。这些天气过程中锋面雾的空间分布如图2所示，贵州区域性静止锋雾呈“西多东少”的特点，这与云贵静止锋的位置有很大关系，雾主要出现在贵州中西部地势较高地区，且分布集中，部分气象站点雾出现的频次在15次以上，13个气象站雾的频次在28次以上，其中两个站点开阳县和大方县达到69次，为最多，也就是16 a间76次锋面雾过程中，有69次个例开阳县和大方县都出现雾。与罗喜平等[7]对1961—2004年贵州雾的气候统计结论一致，贵州大雾主要出现在东部、西部边缘及中西部地势高处。从12月开始区域性静止锋雾的天气过程明显增多，静止锋雾是与云贵静止锋紧密相关的天气现象,有明显的地域特色,出现后对交通有较大影响,与其它地区的雾出现的机制有一定的区别,并且对其机制和预报指标研究较少,有必要加强对静止锋雾天气过程的预报。

图1　1995—2010年秋末—初春区域性静止锋雾天气过程月分布Fig.1　The monthly distribution of the regional quasi-stationary front fog weather process from late autumn to early spring between 1995 and 2010

图2　1995—2010年秋末—初春区域性静止锋雾天气过程中雾的频次分布Fig.2　The fog frequency distribution of the regional quasi-stationary front fog weather process from late autumn to early spring between 1995 and 2010

3　静止锋雾的环流特征与主要影响系统

3.1　环流特征

分型范围：40～140°E、70～40°N。经统计主要有以下4种环流形势：多槽脊型、两槽一脊型、横槽型、一槽一脊型。其中多槽脊型发生次数为34次，占总数的45%；两槽一脊型发生次数为26次，占总数的34%；横槽型有10次，占总数的13%；一槽一脊型有6次，占总数的8%。多槽脊型和两槽一脊型为贵州区域性静止锋雾的主要环流形势，占总数的79%。4种环流型的特征如下：

多槽脊型(图3a)特征表现为欧亚中高纬多移动性短波槽脊活动或者气流较为平直多波动，东亚槽位于130°E以东，有时不明显，极涡较弱，位置偏北，位于60°N以北，在中亚地区的黑海至里海有低压槽活动，其分裂的低槽沿高原东移影响贵州，冷空气主体偏北或者偏东，南下势力较弱。两槽一脊型(图3b)特征表现为欧亚中高纬度经向度明显，贝加尔湖高脊显著，在乌拉尔山脉以西的欧洲东部地区与鄂克茨克海附近存在极涡，由于鄂克茨克海附近极涡的稳定存在，东亚槽存在于120～140°E之间，槽底位于30～35°N左右，引导冷空气不断南下，并经湖北湖南进入贵州，同时90°E附近南支槽活跃。此类形势由于东亚槽的存在，地面冷高压长轴呈南北向，有弱冷空气补充南下，有利于云贵静止锋的稳定维持。横槽型(图3c)表现为乌拉尔山地区为高压脊或阻塞高压，高压脊或阻高东南侧在蒙古中部至天山西部一带则有横槽，横槽内冷空气不断堆积，70°E附近南支槽活动，我国东部地区地面冷高压不强，主体偏东，长轴呈东西向。一槽一脊型(图3d)表现为乌拉尔山附近为一长波脊，贝加尔湖以东为低槽，环流经向度明显，地面有冷高压配合，在高空偏西南气流控制下，地面仍不断有冷空气补充南下，云贵静止锋稳定维持。

3.2　影响系统

分析76次区域性静止锋雾过程的天气系统，得到如下特征：500 hPa天气图上，100°E或以西出现南支槽有51次，占总数的67%；无南支槽有25次，占总数的33%；贵州上空的影响系统主要分为：①受高原槽影响，有20次，占总数的26%；②贵州受西南或偏西气流控制，且风速在20 m/s以上，有48次，占总数的63%；③贵州受西南气流影响，但风速小于20 m/s的仅有3次，占4%；④受弱西北气流影响的也仅5次，占总数的7%。在100°E或以西无南支槽存在的个例中，又有56%受高原槽影响，16%个例受20 m/s以上的偏西气流影响。700 hPa天气图上贵州受切变线影响的仅有7次，占总数的8%，另外69次，92%的个例贵州受西南或偏西气流影响，其中风速在16 m/s或以上西南或偏西气流影响的有40次，占58%；风速在12～16 m/s的有20次，占29%；风速在12 m/s以下的仅有9次，占13%。850 hPa天气图上，贵州南部有切变线存在的有28次，占总数的36%；主要受偏南气流影响的有47次，占62%(其中可能存在川南有弱切变线的情况)；而受偏北气流影响的仅有1次。

通过统计，出现区域性静止锋雾时，云贵静止锋的位置主要有两类：一类是西部静止锋(I型)，静止锋位于云贵之间，贵州大部处在静止锋锋后(贵州最西部的威宁可能在锋前)，共48次，占过程总数的63%。另一类静止锋略偏东(II型)，位于贵州西南部，西部的六盘水市、毕节地区中东部、安顺市南部和黔西南州西部处在静止锋锋前，贵州中东部地区处在静止锋锋后，有28次，占过程总数的37%。

图3　500 hPa高度平均场a：多槽脊型(以2009年12月7日为例)；b：两槽一脊型(以2002年12月24日为例)；c：横槽型(以2006年1月2日08时为例)；d：一槽一脊型(以2004年2月27日为例)Fig.3　The 500hPa Geopotential Height Average Field a: the multiple trough-ridge type(eg November 7,2009) b: the two troughs-one ridge type(eg.November 24,2002) c: the transversal trough type(eg.8∶00,January 2,2006) d: the one ridge-one trough type.(eg.February 27,2004)

综上，区域性静止锋雾天气过程发生时500 hPa上空67%的过程在100°E或以西出现南支槽；无南支槽出现时贵州上空多受高空槽或高原槽影响，当高空槽影响贵州时使云贵静止锋活跃，在锋面附近易出现雨雾。另外63%的过程贵州上空为20 m/s或以上的西南或偏西气流控制，这表明500 hPa上空暖湿气流强盛，中层水汽输送充足。700 hPa上空87%的锋面雾过程出现12 m/s或以上的西南或偏西气流，强盛的西南暖湿气流为贵州上空提供了充足的水汽。850 hPa上贵州上空主要为偏东或偏南气流控制，或有切变线出现。

4　两类典型静止锋雾天气的中尺度环境场分析

根据上述对静止锋雾影响系统的统计，500 hPa和700 hPa的影响系统主要为强盛的西南气流和高原槽影响，地面也必有静止锋存在，虽然静止锋的位置有差异，但大致都位于云贵之间，而低层850 hPa的影响系统则主要有两种情况，一是贵州南部受切变线影响；二是贵州受偏南气流影响。因此，本文分别选取这两类典型的静止锋雾个例为代表，展开详细的中尺度环境场分析，以便探讨预报着眼点。

4.1　以2006年11月17日为例：低层受切变线影响

4.1.1实况2006年11月17日08时贵州中西部出现雾16站(图4a)，能见度在500 m及其以下的有11站，其中200 m的浓雾有6站次。从贵阳、安顺、普安3个典型站的能见度变化来看(图4b)，安顺在16日23时开始出现雾，之后整个夜间雾持续，贵阳和普安在17日05时开始出现雾，且在08时能见度降到200 m。夜间，除西南部边缘外均出现降水，降水量在微量～5 mm之间，对比出现雾的区域，降水量在微量～1 mm之间，在雾发生时(08时)，伴有毛毛雨。

图4　2006年11月17日08时静止锋雾分布(a)和11月17日贵阳、安顺、普安能见度变化(b)Fig.4　Space distribution of the quasi-stationary front fog weather at November 17,2006 08∶00am (a)，The variety of visibility of Guiyang and Anshun and Puan station at November 17,2006(b)

4.1.2中尺度环境场分析利用实况观测资料开展中尺度环境场分析显示(图5)，2006年11月16—17日500 hPa中高纬河套以西受东北冷涡后西北气流影响，不断有冷空气向中东部地区补充，高原以西到川黔一带多短波槽活动，副高较强588线维持在南海，孟湾附近有冷槽维持，16日08时温度槽与高度槽位置接近，不利于槽的加强，此后16日20时温度槽超前于高度槽，同时在贵州自南向北有温度脊发展，从云南—贵州西南暖湿气流加强，17日08时500 hPa在贵州南部出现20 m/s以上的西南风急流，有利于水汽向贵州南部输送。700 hPa 16日08时河套以南有冷槽配合温度线密集区，表明冷空气势力较强，在重庆—西安有暖脊发展，云南南部—川南低涡配合“人”字形切变，低涡西北侧有较强的冷平流，其南侧有较强的暖平流，有利于低涡以及切变的发展加强，16日20时低涡中心与暖中心近于重合，出现数值为304位势什米的闭合低涡中心，低涡东南侧在云南东部—贵州西部西南风风速最大达到16 m/s，形成西南急流。17日08时西南急流维持，低涡减弱，贵州西部处于温度槽底，后部有温度脊发展。850 hPa 16日08时贵阳受东北气流影响，贵州南部—广西偏南气流较强，到16日20时贵阳已经转为东南风，同时四川—湖北有冷槽，冷暖气流在贵州南部形成切变，贵州西南部—广西北部比湿达到12 g/kg以上，低层冷暖平流加强有利于静止锋加强，水汽在低层凝结。地面静止锋在16—17日维持，贵州境内16日08时有1 017.5～1 020.0 hPa两根等压线，到17日02时加密为1 012.5～1 020 hPa共4根等压线，贵州西南部气压梯度加大，雾发生在静止锋附近，中空急流轴上、高层冷槽与低层暖湿气流之间。

图5　一类典型静止锋雾主要天气系统(以2006年11月17日08时为例)Fig.5　The Main Weather system of the shear pattern quasi-stationary front fog weather(eg.November 17,2006 08∶00am)

4.1.3静止锋特征依据等θse的密集区来表征锋区，根据温度和θse沿106°E的高度—纬度剖面图(图6)分析静止锋锋区大致在28～26°N之间，为处理方便，规定静止锋锋区下界为316 K(粗实线)，锋区上界为332 K(粗实线)。等温线在锋区下界呈现向北倾斜的漏斗型，而暖气团则沿着锋区上界爬升，冷空气受地形的抬升，等温线的漏斗口大约在700 hPa。锋区的伸展高度大致在800 hPa附近。锋区有弱的逆温层，温度垂直递减率在近地面(800 hPa以下)接近0。

图6　2006年11月17日08时沿106°E的假相当位温和温度分布(假相当位温，实线，单位：K，温度，虚线，单位：℃) Fig.6　The Pseudo-equivalent potential temperature and temperature distribution(a,Pseudo-equivalent potential temperature,solid line,unit: K,temperature ,dotted line,unit:℃) along 106°E at November 17,2006 08∶00am

形成锋面雾时，沿106°E的v风量的垂直剖面图上(图7a)，锋区内表现为南风分量，偏南暖湿气流沿地形向上爬升，在锋区上界为6 m/s。u分量的垂直剖面图上(图7b)，锋区内主要为偏西分量。可见，偏南暖湿气流沿锋面爬升，锋区厚度较薄。

图7　2006年11月17日08时沿106°E的v分量(a)和u分量(b)分布(单位：m/s)Fig.7　The distribution of component u (a) and component v (b) along 106°E at November 17,2006 08∶00am (unit: m/s)

4.1.4动力和水汽特征锋面雾形成时，散度场上(图8a)表现为锋区内为辐合，辐合中心位于近地面26°N附近，为-4×10-5s-1，锋区内垂直上升运动到达300 hPa，800 hPa和500 hPa附近上升中心-0.3 Pa/s(图8b)。近地层锋区内出现水汽辐合(图8c)主要集中在800 hPa以下，强中心在近地面，中心值达到-3.5×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，有利于锋区内形成降雨，锋区内相对湿度也达到95%，近于饱和。在16日夜间到17日早晨，在静止锋的锋后出现降雨，雾发生过程中伴有降雨出现，属于典型的雨雾，由于水汽充足，低层切变存在，水汽在低层辐合，暖雨滴下落到冷的下垫面蒸发，近地面水汽达到饱和从而形成雾。

图8　2006年11月17日08时沿106°E的散度(a，单位：10-5s-1)，垂直速度(b，单位：pa/s)，水汽通量散度(c，单位：10-7g·cm-2·hPa-1·s-1)和相对湿度(d，单位：%)分布Fig.8　The distribution of divergence (a,unit: 10-5s-1) 、vertical velocity (b,unit: pa/s)、moisture flux divergence (c,unit: 10-7g·cm-2·hPa-1·s-1) and relative humidity(d，unit：%)along 106oE at November 17,2006 08∶00am

4.2　以2010年1月24日为例：低层为偏南气流影响

4.2.1实况2010年1月24日08时贵州中西部出现雾14站，能见度在500 m及其以下的有10站，其中200 m的浓雾有6站次(图9a)。贵阳、安顺、水城3个典型站的能见度变化(图9b)显示，23日傍晚能见度开始下降，17时安顺开始出现雾，并几乎持续到24日14时；23日夜间贵阳能见度缓慢下降，在24日05时出现雾，持续到24日17时，且从24日08时开始能见度就维持100～200 m的浓雾；地理位置更偏西的水城站仅在早晨出现雾，中午静止锋略东退，推过水城站，水城转为静止锋锋前，天气转好，而安顺和贵阳在24日仍然处于静止锋锋线附近。对比雨量发现，23日夜间全省均出现了1 mm以下的弱降水，08时(雾的维持阶段)西部地区已无降水，而贵阳—安顺附近仍伴有降水，为雨雾。

图9　2010年1月24日08时静止锋雾分布(a)和1月24日贵阳、安顺、水城能见度变化(b)Fig.9　Space distribution of the quasi-stationary front fog weather at January 24,2010 08∶00am (a)The variety of visibility of Guiyang and Anshun and Puan station at January 24,2010

4.2.2中尺度环境场分析500 hPa上空亚洲东部为两槽一脊型，东亚大槽位于日本以东，我国大部受槽后脊前弱西北气流影响，高原上多小槽东移，副高偏强，588线主体在南海，广东—广西南部受副高边缘较强的西南气流影响；1月23日08时(图略)川东有一小槽，贵州西部到云南为偏西到弱西北气流，贵阳偏西风，风速30 m/s；20时(图略)小槽东移减弱，贵阳偏西气流减小为26 m/s，高原南侧到孟湾开始有低槽发展，到24日08时(图10)，南支槽东移，由广西北部—贵州东部的西南风建立了一支暖湿水汽通道；受到槽前西南气流影响，贵州转为西南气流，此时贵阳转为西南风26 m/s。700 hPa上空23日08时，分别在兰州—成都、河套西侧—川南和云南东部有小槽，西昌—思茅有切变，贵阳为西南风18 m/s，北部有温度槽配合，位置与高度槽接近，北部湾—广西北部有西南风急流，急流中心达到22 m/s，此低空急流同时也是强的暖湿水汽输送带，贵阳西南风18 m/s；23日20时昌都附近有一中心达到12 ℃的暖中心出现，贵阳西南风减小为12 m/s，贵州处于暖中心东南部；24日08时，河套附近的低槽东移进入四川，西昌切变维持，贵州西部处于两低之间的弱反气旋环流中，昌都附近暖中心东移南压减弱为暖脊，贵州西部受到暖脊影响，在暖平流作用下，贵阳从23日08时的1 ℃升温到8 ℃，此时为西北风22 m/s， 24日20时(图略)暖中心继续南压至贵州南部，贵阳气温降低为4 ℃，云南西部的切变东移，贵阳转为西南风22 m/s，雾消散。850 hPa上空23日08时静止锋处于云南东部—贵州西部，贵阳处于锋后，为东北风6 m/s，西藏南部有一暖脊区，贵阳-4 ℃，南海—广西北部、云南南部盛行南风，南风≥8 m/s，利于水汽和暖湿气流输送，有暖湿平流向锋区输送；23日20时在暖平流的作用下，静止锋略向东北抬，贵阳已转为东南风4 m/s，23日08时到24日08时南风中心由12 m/s加大为16 m/s，北抬到广西中部，贵阳为西南风8 m/s，温度已升高为1 ℃；24日20时，由于北方冷空气的补充，静止锋再次南压。

图10　偏南气流型静止锋雾主要天气系统(以2010年1月24日08时为例)Fig.10　The main weather system of the south-wind pattern quasi-stationary front fog weather (eg.January 24,2010 08∶00am)

中层700 hPa和850 hPa偏南气流利于暖湿气流输送，中层升温利于形成逆温层，对雾的形成非常有利，此次过程地面23日08时贵州处于冷高压底部，静止锋在贵州西部，贵州等高线密集，23日白天云南西南部热低压发展，中国东部冷高压东移，静止锋略向东移有所减弱，贵州大部有弱降水。24日08时静止锋减弱，气压梯度减弱，趋于均压场，风速较小，地面均压场和较小的风速有利于雾的出现。

4.2.3静止锋特征分析温度和θse沿106°E的高度—纬度剖面图(图11)，静止锋锋区大致在28～24°N之间，根据θse的密集线判断，静止锋锋区下界为300 K(粗实线)，锋区上界为320 K(粗实线)。等温线在锋区下界同样呈现向北倾斜的漏斗型，而暖气团在24°N以南，沿着锋区上界爬升至650 hPa。锋区的伸展高度大致在800 hPa附近。锋区内有明显的逆温层，有利于雾的形成。

沿106°E的v风量的垂直剖面图上(图12a)，锋区内表现为一致的南风分量，在锋区上界为4～6 m/s。u分量的垂直剖面图上(图12b)，锋区内主要为偏西分量。

图11　2010年1月24日08时沿106°E的假相当位温和温度分布(假相当位温，实线，单位：K，温度，虚线，单位：℃)Fig.11　The Pseudo-equivalent potential temperature and temperature distribution (Pseudo-equivalent potential temperature,solid line,unit: K,temperature ,dotted line,unit:℃) along 106°E at January 24,2010 08∶00am

图12　2010年1月24日08时沿106°E的v分量(a)和u分量(b)分布(单位：m/s)Fig.12　The distribution of component u (a) and component v (b) along 106°E at January 24,2010 08∶00am (unit: m/s)

4.2.4动力和水汽特征散度场上(图13a)表现为锋区内为辐散，上升运动很弱，仅在贴地层有-0.05 pa/s的上升运动(图13b)，锋区内在贴地层出现弱水汽辐合(图13c)，中心值接近-1×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，湿层集中在800 hPa以下，锋区内相对湿度达到90%以上，近于饱和。动力场上较切变型个例有较大不同。此类雾是由于暖湿气流加强，锋区东移减弱，中层暖平流使得逆温加强，建立稳定的层结，中低层气流辐散下沉，地面趋于均压场，湿层较薄，水汽在近地面凝结而成。

5　静止锋雾天气的短期预报着眼点

图13　2010年1月24日08时沿106°E的散度(a，单位：10-5s-1)，垂直速度(b，单位：pa/s)，水汽通量散度(c，单位：10-7g·cm-2·hPa-1·s-1)和相对湿度(d，单位：%)分布Fig.13　The distribution of divergence (a,unit: 10-5s-1) 、vertical velocity (b,unit: pa/s)、moisture flux divergence (c,unit: 10-7g·cm-2·hPa-1·s-1) and relative humidity(d，unit：%)along 106°E at January 24,2010 08∶00am

根据上述两类典型静止锋雾的环境场分析发现，大范围静止锋雾较典型的表现为出现在静止锋加强期间的雨雾(个例2006-11-17)和静止锋减弱期间的雾，700 hPa上空均存在12 m/s以上的急流，近地层有弱水汽辐合，水汽主要来自南海经北部湾北上，但由于副高位置较为偏西，水汽的输送较夏季明显偏弱，而850 hPa贵州上空一般无明显的急流带，水汽输送和辐合也很弱，故降水较弱，主要以锋区内的小雨或毛毛雨为主。两种雾出现的特点也有所不同：雨雾出现时在贵州南部冷暖气流同时加强，静止锋加强，低层有切变线影响，中低层为弱的逆温或等温，湿层较厚，低层水汽辐合，暖雨滴降落至冷下垫面中蒸发，水汽凝结形成雾；而静止锋减弱期间发生的雾出现时偏南暖湿气流增强，静止锋东退，尽管湿层较薄，但中低层暖平流加强，逆温较强，近地面水汽辐合凝结而成雾。

因此，通过归纳这16 a的雾天气过程，从短期预报的角度得到一些共性的预报着眼点如下：①500 hPa在80～100°E有南支槽出现，南支槽最多出现在90～100°E。贵州受南支槽前的西南或偏西气流影响，风速大部能达到20 m/s以上；或者高原槽影响贵州。②700 hPa上空30°N以南有西南急流存在，急流区主要位于云南—贵州—广西—湖南—湖北一带，贵州主要受强盛的西南或偏西气流影响，风速为12 m/s以上，一半以上个例风速达到16 m/s以上。③850 hPa上空一类是贵州受偏东或东南气流控制，在贵州南部有切变线；另一类是贵州为偏南气流控制。④云贵静止锋存在。静止锋的位置主要有两种情况，一类静止锋位于云贵间，贵州大部处在静止锋锋后；一类静止锋位于贵州西南部，贵州西部边缘或西南部处在静止锋锋前，贵州中东部大部地区位于静止锋锋后。雾既可出现在锋前，也有出现在锋后或锋际，但均离锋线位置较近。