南充市雾的特征分析及辐射雾预警技术方法

刘书慧,李 梦,刘原江

(1.四川省南充市气象局，四川 南充 637000;2.四川省南部县气象局，四川 南部 637200)

1 引言

雾是常见灾害性天气，由于雾天能见度较低，进而影响交通安全[1]；另外，雾天空气流动性差，影响空气质量状况，容易导致疾病传播[2]。随着经济的增长，交通运输产业快速发展,环境保护力度也在逐渐加大，雾成为公众关注的焦点。陈朝平等[3]研究得出利于雾霾形成的有利气象条件：青藏高原到四川盆地的西风气流、地面高压内的均压场、近地面风速小；张人禾等[4]研究得出：热力和动力因子对雾霾天气过程具有大致相同的作用；贺皓等[5]采用支持向量机的方法，应用径向基函数，建立陕西公路24 h预报模型。不少学者还在空气质量状况、气象要素与雾的关系方面做了大量的研究工作[6-7]。虽然有大量对雾霾的研究，但其预报与预警仍然是现代天气预报业务的重要内容，但预报主观性较大、准确率不高，成为了实际预报服务工作中的难点。

南充位于四川盆地东北部，高速公路网络发达、航空航运全覆盖，交通运输往来密集。南充属于丘陵地貌，水系较为发达，空气温暖湿润，地面风速小，静风频率高，易形成雾，准确及时预报好雾的发生，将为社会经济及民生服务做出重大贡献。但南充地区尚未有系统性的雾的成因及预报机制方面相关成果，研究及技术人员对其预报方法的开发和研究还处于探索阶段。因此本文利用观测资料对南充市大雾特征进行研究分析，结合实况和预报数据建立了南充市辐射雾回归模型，对社会经济及民生服务均有着重大意义。

2 资料及方法

根据《中华人民共和国雾的预报等级指标(GB/T27964-2011)》：大雾(500 m≤水平能见度<1 000 m)、浓雾(200 m≤水平能见度<500 m)、强浓雾(50 m≤水平能见度<200 m)、特强浓雾(水平能见度<50 m)，选取南充7个国家级观测站35 a(1980—2014年)逐日地面观测资料,利用14∶00实测值法(14∶00人工观测有雾，天气现象代码为42，且水平能见度<1 km、相对湿度>90%，则记为雾日)，统计总结南充雾的基本气候特点。南充2012—2017年雾的高空、地面填图资料和ECMWF再分析资料(分辨率1.0°×1.0°)，统计得出南充大雾类型以辐射、平流雾两大类型居多，并找到适用于南充的辐射雾和平流雾的划分标准。利用2015—2017年地面高空观测站点资料及ECMWF细网格预报资料(分辨率0.125°×0.125°)格点数据，提取相关影响因子，确定消空项，运用MATLAB软件分析计算线性回归方程。

3 南充雾的气候特征

①南充雾日总体呈波动下降趋势(表1)。1996年雾日最多(全市平均8.3 d)，2012 年和2014年雾

表1 1980—2014年南充各站雾日数统计(单位：次数)Tab.1 Statistics of fog days in Nanchong stations in 1980—2014 year(unit: times)

日最少(全市平均1 d)，20世纪80 年代中期为雾日较少时段(1985年雾日数达到低值)，90年代为雾日最多时段(1996年雾日数达到峰值)，2000年后雾日呈明显的下降趋势。南充全市四季各站平均雾日数冬季(32.9 d)>秋季(6.3 d)>春季(1.7 d)>夏季(1.4 d)，其中雾主要出现在11月—次年1月，特别是1月(全市各站平均15.9 d)和12月(全市各站平均15.7 d)最多雾日数明显多于其他月份。

②近35 a南充雾主要分布在仪陇(63.37%)、高坪(22.36%)、南部(7.08%)，而在阆中(2.47%)、西充(1.80%)、营山(1.80%)、蓬安(1.12%)雾日较少。高坪站为南充市区代表站，其西侧为宽广的嘉陵江江面，水汽蒸发量大，东南侧为鹤鸣山，在这种地形下暖湿空气移动到较冷的水面时，空气易冷却形成雾。仪陇站是南充市境内海拔最高的站，海拔高度655.7 m，一年四季均会发生雾，秋冬季雾日数较多；其中仪陇站浓雾(20 m≤水平能见度<500 m)日数占全市的82.9%，全市的强浓雾强浓雾(50 m≤水平能见度<200 m)天气也均出现在仪陇。

③从2015年1月起地面观测使用能见度自动观测仪后，能见度观测资料精确到逐小时，统计发现，雾始发阶段主要集中在02—05时，雾结束时间主要集中在09—11时(仪陇站有全天被雾笼罩情况)，雾持续时间大多在1～7 h。雾过程起止点的把握对高速公路等交通气象服务有着重要意义，也为本文利用数值预报产品做气象要素分析，提供了有利的辨别基础。

表2 2015—2017年雾终止时间统计(单位：次数)Tab.2 Statistics of ending time of fog from 2015 to 2017 (unit: times)

4 南充雾的成因机制

4.1 南充辐射雾和平流雾的划分标准

统计分析2012—2017年南充大雾天气高空探空资料和地面观测资料发现，南充地区大雾以辐射雾(85.7%)、平流雾(13%)两大类型为主，平流—辐射混合雾仅占1.3%。

辐射雾是由下垫面辐射冷却作用使近地面气层水汽凝结而形成的雾，多形成于晴朗微风、近地面潮湿的夜间至日出前，通过资料综合分析出现大雾的08时气温T08低于前一日20时的地面露点温度Td前20，即Δt=T08-Td前20≤0。平流雾是当暖湿空气平流遇到较冷的下垫面时，表面逐渐冷却而形成的雾，通过资料综合分析平流雾在大雾形成时的08时气温T08高于前一日20时的地面露点温度Td前20，即Δt=T08-Td前20≥0。此外参考大雾发生时的天空状况和总云量N，当伴有层云或空中有8成以上云时(N≥0)可判定为平流雾。

4.2 辐射雾和平流雾天气成因分析

将辐射雾和平流雾个例天气形势进行分析：总结提炼大雾过程出现时(08时)天气形势(分为高空天气图和地面图)。

①高空形势场：辐射雾在中高层500 hPa南充上游地区(西北方向甘肃一带)为西北气流或偏西气流；700 hPa 南充附近以西风为主，偏南风情况下风速较小，700 hPa及以下的风速<16 m/s；850 hPa通常为弱的暖性结构，流场为反气旋流出口区； 925 hPa以下层面为弱上升运动，以西南风为主。这种天气背景下，雾区通常出现在大范围晴空区或少云区。

平流雾在500 hPa南充上游地区(西北方向甘肃一带)以稳定西风带气流为主或有浅槽，南充本地多西南气流，风速普遍大于20 m/s；700 hPa、850 hPa南充附近以偏南风为主，上空一般存在弱的暖平流；925 hPa南风分量加强。地面的静止锋、冷锋前面或低压槽中的偏南气流场有利于暖湿空气的输送，往往会有平流雾出现。

②水汽条件：辐射雾及平流雾在925 hPa以下的层结湿度越大越有利于形成雾，南充临近的达州站08时925 hPa Td≤4 ℃，近地面水汽接近饱和状态。南充各站地面08时Td<2 ℃，地面湿度极大。

③层结条件：近地面层较稳定或存在逆温层时，有利于雾的形成，而这些条件的形成与天气形势分布是密不可分的。达州站700 hPa与925 hPa的 θse差值为正，大气低层处于稳定状态。通过激光雷达探测，南充逆温层一般在800～900 m高空，即925 hPa高空附近。

图1 南充辐射雾(左)和平流雾概念模型(右)Fig.1 Conceptual model of radiation fog (left) and advection fog (right) in Nanchong

④地面风速：微风有利于雾的形成，风力过大，会将雾吹散。辐射雾通常地面风速≤2 m/s，以静风为主；平流雾地面风速≤4 m/s。

⑤海平面气压场：南充地区雾的出现主要受均值场影响，川东地区当日无较强高、低压中心，南充最北端阆中站与最南端高坪站海平面气压差(△p)<3 hPa。

图2 2017年12月22—25日每日08时500 hPa 平均高度场与地面气压平均场Fig.2 Daily mean height field and mean surface pressure field at 8∶00 from December 22 to 25, 2017 at 500 hPa

图3 2017年1月3—5日每日08时500 hPa 平均高度场与地面气压平均场Fig.3 Daily mean height field and mean surface pressure field at 8∶00 from January 3 to 5, 2017 at EC500 hPa

5 南充辐射雾预警技术方法

中国气象局业务规定，大雾预警信号最低等级为大雾黄色预警信号，发布标准为雾的水平能见度<500 m，发布时效在大雾发生前12 h内。大雾的预报预警发布时间若能有效提前，可协助交管部门提前做好调度工作和会务人员合理调整安排大型活动，并且对秋冬季环保部门发布重污染天气预警提供决策服务及公众做好污染天气相关防御措施有着重要意义。由于南充出现的雾主要以辐射雾为主，本文主要研究南充本地辐射雾预报模型。

5.1 建立南充本地辐射雾天气预报模型

选取南充2015—2017年1月、11月、12月逐日ECMWF细网格预报资料(分辨率0.125°×0.125°)格点数据及实况数据，提取与发生辐射雾相关的预报因子，通过相关性检验得到温度露点差、昼夜温差、EC0.125数值预报1 000 hPa相对湿度及云量格点值等与大雾有较好的相关性，进一步确定6个因子，预报时效大雾发生前24 h，并在计算前进行消空，得出南充本地24 h辐射雾预报模型。多元线性回归方程如下：

Y=0.669-1.142X1-0.326X21+0.129X22+0.383X23+0.109X31-0.835X32+0.353X33-2.237X41+1.858X42-0.084X43+0.115X51-0.278X52-0.114X53+0.288X6

X1：预计辐射雾发生当日的高坪站08时气温T08与前一日20时实况的地面露点温度Td前20差，即计算X1=T08-Td前20，气温T08选取EC数值模式(106.04°N，30.771°E)格点值。

X2：预计辐射雾发生前日20时1 000 hPa相对湿度为，X21辐射雾发生当日02时1 000 hPa相对湿度为X22，大雾发生当日08时1 000 hPa为X23，1 000 hPa相对湿度选取EC数值模式(106.01°N，30.763°E)格点值。

X3：EC数值模式预计辐射雾发生前日20时700 hPa相对湿度为X31，辐射雾发生当日02时700 hPa相对湿度为X32，大雾发生当日08时700 hPa为X33，700 hPa相对湿度选取EC数值模式(106.01°N，30.763°E)格点值。

X4：EC数值模式预报总云量，辐射雾发生前日20时总云量值为X41，辐射雾发生当日02时和08时总云量值为X42和X43，总云量选取EC数值模式(106.04°N，30.771°E)格点值。

X5：EC数值模式预报低云量，辐射雾发生前日20时低云量值为X51，辐射雾发生当日02时低云量值为X52，辐射雾发生当日08时低云量值为X53，低云量选取EC数值模式(106.04°N，30.771°E)格点值。

X6：预计辐射雾发生当日00时到08时的区间内气温变化值，即X6=Tmax-Tmin。

消空项：预计当天02—08时地面风速>2 m/s，风速值取(106.04°N，30.771°E)10 m风速数值格点值。

预报因子格点值说明：选取预报值均为南充市区(高坪站)最接近的格点值，经过前文研究高坪站雾日数较多，加之市区交通枢纽密集，涵盖机场、码头及多条高速公路站点，交通往来频繁，经济效益更受大雾制约，加之南充区域内冬季天气要素预报值空间变化较小，故选取最为接近高坪站的数值格点值为预报模型因子值。

当计算结果时Y≥0.5，预报结论为有雾产生；当时Y<0.5，预报结论为没有雾产生。

5.2 预报效果检验

通过2017年11月—2018年1月90 d实际预报检验，正确14次，空报3次，漏报2次，消空1次，正确率为73.8%。

6 小结

本文建立的南充大雾预警预报模型，提高了大雾预报的可信度，为交通部门和环境决策提供了更准确的预警与信息，使气象产品在交通安全、生态环境等国民经济相关部门产生更大的社会、经济效益。

①采用14∶00大雾实测值法得出，南充市1980—2014年南充大雾总体呈波动下降趋势，1996年为雾日数达峰值(全市平均8.3 d)，2012年和2014年为雾日数达谷值(全市平均1 d)，20 世纪80年代中期为雾日较少时段，90年代为雾日最多时段，2000年后雾日呈明显的下降趋势。南充大雾日数最多的月份依次是11月、12月、1月，全市四季各站平均雾日数冬季(32.9 d)>秋季(6.3 d)>春季(1.7 d)>夏季(1.4 d)。

②通过5 a资料分析统计得出南充本地大雾以辐射雾(85.7%)、平流雾(13%)两大类型为主，平流—辐射混合雾仅占1.3%。并得出区分辐射雾和平流雾的量化指标。此外参考大雾发生时的天空状况和总云量(N)，当伴有层云或空中有8成以上云时(N≥0)可判定为平流雾。

③基于南充大雾发生的天气特征分析，以温度露点差、昼夜温差、EC0.125数值预报1 000 hPa、700 hPa相对湿度及云量格点值等作为预报因子，建立南充本地24 h辐射雾预报模型多元线性回归方程，通过检验正确率73.8%。

④本文对于提炼的指标主要基于ECMWF细网格0.125°×0.125°数值格点值，但应用准确率及模式算法更新是否会影响雾做出预报指标判定，需要后期多做订正分析。本文多从气象学对雾的成因发生探讨，雾的发生除了与天气要素密切相关，还有地形、本地小气候及近地面大气成分相关，需要在后期预报应用后适当加入相关因子对模型进行完善。