乌鲁木齐市不同海拔高度雾的时空分布特征

郑玉萍，宫恒瑞，苗运玲，蒲 洁

(1.中亚大气科学研究中心， 新疆 乌鲁木齐 830002；2.乌鲁木齐市气象局， 新疆 乌鲁木齐 830002)

引 言

雾是比较常见的危害性天气之一，近年来已成为高影响天气气候事件[1-2]。据统计，2005—2014年我国不利天气条件造成的交通事故起数及受伤人数中，雾排到了第三位[3]，同时发生雾霾时大气层结稳定，污染物不易扩散，导致空气污染，危害人们身体健康[4-6]。乌鲁木齐地处天山中段北麓、准噶尔盆地南缘，三面环山，山地面积约占总面积的40%左右。有研究表明，新疆雾主要出现在北疆，尤以天山山区最多，天山北麓和准噶尔盆地南缘属大雾多发区域[7-8]，乌鲁木齐市正处在大雾多发区。乌鲁木齐市境内海拔高度跨度大，由东南向西北高度落差近3000 m，大致分为山地、山间盆地与丘陵、平原3个梯级，受海拔高度和不同地形的影响，气候具有多样性、多变性特点，雾的局地性和差异性也非常明显，冬季经常出现城北和北部平原浓雾笼罩，而城南和南部山区艳阳高照的现象，特别是处于城北的乌鲁木齐机场，经常出现能见度低于500 m的浓雾和强浓雾，导致机场关闭、航班取消[9-11]，对交通运输安全造成一定的影响。

以往对乌鲁木齐雾的研究主要针对城区，重点对雾的气候特征及形成雾的气象要素条件[12-13]进行分析，但对乌鲁木齐范围内的其他区域特别是山区的雾没有进行过研究，对全市辖区内雾的分布特征以及在气候变暖背景下雾的变化趋势缺乏全面了解。近年来，国内很多研究从气候变化、城市化发展对雾的影响等方面开展分析，取得一些有价值的结论，如河北省大部分地区雾日数呈下降趋势，可能与城市热岛效应有关[14]；上海城市化程度很高的城区和城郊地区“干岛”和“热岛”对雾形成的抑制作用已经大于城市化所带来的凝结核增多对雾形成的有利影响[15]。也有分析山区不同海拔高度的雾的气候特征，如安徽九华山山坡雾日年际变化较大并逐年减少，而山脚雾日逐年增多[16-17]；湖北恩施山区雾存在很强的局地性，主要由海拔高度和地形地势不同所造成，雾随时间的分布因地形条件不同而形态各异[18]。本文利用乌鲁木齐5个不同海拔高度测站气象资料，分析不同海拔高度区域雾时空分布特征及差异性，以期为今后进一步做好全市雾的精细化预报服务提供科学参考。

1 资料与方法

1.1 站点选取

选取乌鲁木齐市时间序列较长的5个国家气象站：米东站、市气象站、达坂城站和小渠子站、大西沟站，分别代表平原、城区、谷地和中山带、高山带5个不同海拔高度区域，各站分布及地形地貌如图1所示。受海拔高度及地形地貌影响，所选取的5个站点气候特征差异非常明显，基本代表了乌鲁木齐市不同区域的气候特点，各站点气象参数见表1。

1.2 资料说明

以能见度<1 km作为雾的判别标准[19]，日数统计以地面观测记录为准，只要一天内有雾出现就计为一个雾日。季节划分标准春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为当年12月至次年2月。

图1 乌鲁木齐市地形(阴影，单位： m)及代表气象站点空间分布Fig.1 The spatial distribution of topographic (shaded, Unit: m) and representative meteorological stations in Urumqi

表1 研究站点气象要素Tab.1 The meteorological factors of each station

2 结果与分析

2.1 雾的分布

2.1.1 年雾日

表2列出1961—2018年不同海拔高度区域年雾日。可以看出，乌鲁木齐年雾日受海拔高度和地形地势影响较大，年平均雾日最多出现在海拔最高的高山带，为50.2 d，其次是海拔最低的北部平原，为33.0 d，城区和中山带年雾日分别为27.5 d和26.9 d，东部达坂城谷地因地处南北疆气流通道，风速大、降水稀少、相对湿度低，不利于雾的形成，平均年雾日仅为2.6 d。各区域雾日的年际变化均较大，特别是平原和城区，雾日最多年与最少年差值均达82 d。

表2 1961—2018年乌鲁木齐不同海拔高度区域年雾日Tab.2 Annual foggy days in different altitude areas in Urumqi during 1961-2018

2.1.2 季节雾日

图2为1961—2018年乌鲁木齐不同海拔高度区域四季雾日比较。可以看出，平原、城区和谷地雾日季节分布一致，均表现为冬季最多、秋季次之、春季最少、夏季无雾日，其中冬季雾日平原最多，为26.0 d，城区为20.0 d，谷地仅为1.4 d，秋季雾日平原和城区分别为5.0 d和4.7 d，谷地0.7 d，春季雾日平原和城区分别为2.6 d和2.9 d，谷地0.5 d。中山带和高山带四季均有雾出现，中山带春季雾日最多，为10.9 d，秋季9.6 d、冬季4.6 d、夏季最少，仅为1.8 d，而高山带夏季雾日最多，为21.1 d，春季次之，为15.4 d，秋季12.5 d，冬季雾日最少，仅为1.9 d。

图2 1961—2018年乌鲁木齐不同海拔高度区域四季雾日比较Fig.2 Comparison of seasonal foggy days in different altitude areas in Urumqi during 1961-2018

2.1.3 月雾日

图3为1961—2018年乌鲁木齐不同海拔高度区域雾日月际变化。可以看出，城区、平原和谷地雾日呈单峰型，峰值出现在11月至次年3月，占全年雾日的96%以上，其中城区和平原12月至次年2月雾日分别占全年雾日的72%和78%。雾的类型城区和平原大多为辐射雾和地方性阴雾，谷地以辐射雾为主。城区和平原雾日峰值出现在12月，月平均雾日分别达8.4 d和9.5 d，谷地峰值出现在初冬11月，平均为0.6 d。中山带和高山带呈双峰型，峰值出现在春秋季。中山带雾日峰值出现在3月，次峰值出现在11月，仍基本属于冷季雾，10月至次年4月雾日占全年雾日的81%；而高山带主峰值出现在5月，次峰值出现在9月，雾日集中在4—10月，占全年雾日的89%，明显以暖季雾为主，这是由于高山带暖季降水频繁、下雨时地面空气湿度大、气温较低，当气温低于露点温度时，空气里的水汽便凝结成雾。

图3 1961—2018年乌鲁木齐不同海拔高度区域雾日的月际变化Fig.3 Monthly variation of foggy days in different altitude areas in Urumqi during 1961-2018

2.2 年际变化

2.2.1 年雾日年际变化

因达坂城谷地年平均雾日仅为2.6 d，相对来说对农牧业生产及人们生活影响较小，故分析雾日年际变化时不予考虑。图4为1961—2018年乌鲁木齐不同海拔高度区域年雾日年际变化。可以看出，近58 a乌鲁木齐不同海拔区域雾日的年际变化因受地形影响，呈现出两种截然不同的趋势。平原和城区的年雾日呈显著增加趋势，其中平原雾日气候倾向率为9.3 d·(10 a)-1，城区雾日气候倾向率为3.9 d·(10 a)-1；山区雾日呈显著减少趋势，其中中山带气候倾向率为-2.4 d·(10 a)-1，高山带气候倾向率为-5.2 d·(10 a)-1。

2.2.2 季节、月雾日年际变化

表3列出1961—2018年乌鲁木齐不同海拔高度区域季节和月雾日气候倾向率。可以看出，近58 a平原和城区的春季、秋季、冬季的雾日年际变化呈增加趋势，其中平原秋季和冬季雾日气候倾向率分别为1.2 d·(10 a)-1和7.9 d·(10 a)-1，春季雾日气候倾向率为0.5 d·(10 a)-1，城区冬季雾日气候倾向率为3.5 d·(10 a)-1；中山带四个季节雾日均呈减少趋势，其中春季减少较显著，气候倾向率为-1.1 d·(10 a)-1，高山带四季雾日也均呈递减趋势，其中夏季减少最显著，气候倾向率达-3.0 d·(10 a)-1，其次是春季和秋季，气候倾向率分别为-1.5 d·(10 a)-1和-1.0 d·(10 a)-1。平原雾日显著增加时段为11月至次年2月，城区为12月至次年2月；中山带雾日显著减少时段为3月和8月，高山带为5—9月。

2.3 不同海拔高度区域气象要素变化对雾的影响

乌鲁木齐不同海拔高度区域雾的气候特征不尽相同，其中平原和城区为标准的冷季雾，雾主要出现在冬季，中山带和高山带各月均有雾出现，中山带仍以冷季雾为主，而高山带则以暖季雾为主。受海拔高度和地形影响，年雾日年际变化趋势与已有关于山区雾的研究结论[16]基本一致，即山坡(对应中山带和高山带)年雾日逐年减少、山脚(对应城区和平原)年雾日呈逐年增多趋势。

图4 1961—2018年乌鲁木齐不同海拔高度区域年雾日年际变化(a)城区和平原,(b)中山带和高山带Fig.4 The inter-annual variation of annual foggy days in different altitude areas in Urumqi during 1961-2018(a) urban and plain, (b) mid-mountain and apine

表3 1961—2018年乌鲁木齐不同海拔高度区域季节和月雾日气候倾向率Tab.3 The climate trend rate of seasonal and monthly foggy days in different altitude areas in Urumqi during 1961-2018 单位：d·(10 a)-1

在全球气候变暖背景下，乌鲁木齐呈气温升高、降水增多的趋势，在相同的气候背景下，不同海拔高度雾日变化趋势却不同。由于天气系统、气温、相对湿度、风速、大气稳定度等诸多条件都会对大雾形成产生影响[16]，因此选取平原站作为冷季雾的代表站，高山站作为暖季雾的代表站，利用平原站11月至次年2月、高山站5—9月的平均气温、最高气温、最低气温、降水量、相对湿度、平均风速，分析其分别与雾日的相关关系，表4列出1961—2018年乌鲁木齐雾日与各气象要素的相关系数。可以看出，平原雾日分别和平均气温、最低气温、降水量存在显著的正相关关系，和平均风速为显著的负相关关系，雾日和最高气温、相对湿度之间为正相关，但相关性不显著。高山带雾日分别与平均气温、最高气温、最低气温显著负相关，和降水量、相对湿度、平均风速之间亦为负相关关系，但未通过显著性检验。两个代表站的相对湿度变化对雾的影响都不显著，分析其原因为平原和高山带雾季在一年当中均属于“湿润”季节，平均相对湿度分别高达80%和66%，湿度条件远好于非雾季，在温度、风等气象要素适宜的情况下十分有利于雾的形成，另外近58 a平原和高山带雾季的相对湿度变化较为平缓，因而对雾的影响不大。

表4 1961—2018年乌鲁木齐平原和高山带雾季雾日与各气象要素的相关系数Tab.4 The correlation coefficients between foggy days and meteorological factors during foggy season in plain and alpine belt in Urumqi during 1961-2018

图5为1961—2018年乌鲁木齐平原及高山带雾季影响要素的年际变化。可以看出，平原雾季(11月至次年2月)的平均气温、最低气温和降水量年际变化均呈显著(p<0.01)增加趋势，平均风速呈显著(p<0.01)减小趋势。平均气温、最低气温和降水量的气候倾向率分别为 0.6 ℃·(10 a)-1、1.0 ℃·(10 a)-1和 6.8 mm·(10 a)-1，平均风速的气候倾向率为-0.1 m·s-1·(10 a)-1。平原雾季降雪量增多，增加了近地层空气湿度，温度升高有利于雪面蒸发和水汽的凝结，风速减小有利于近地层凝结核和水汽的聚集，因而造成雾日呈增多趋势。高山带雾季5—9月的平均气温、最高气温和最低气温也均呈显著(p<0.01)升高趋势，气候倾向率为0.3 ℃·(10 a)-1。暖季气温升高不利于辐射冷却或冷却不到水汽凝结的温度而影响大雾的形成，因而造成高山带大雾天气逐渐减少。

乌鲁木齐不同海拔高度区域雾因类型和出现季节不同，受气象要素变化的影响也明显不同，在气候变暖背景下，平原冷季雾呈增加趋势，而高山带暖季雾呈减少趋势。在气温升高条件下乌鲁木齐城区和平原雾日逐渐增多，这与吴雁等[14]得出的河北大部分地市雾日减少、城市热岛对城市雾的形成和发展不利的结论有所不同，同为北方城市，乌鲁木齐的盆地地形、冬季低空强而稳定的逆温层、地面稳定积雪等特定条件在气候变暖的背景下对雾日增加起到了决定性作用。另外，平原站位居乌鲁木齐北城区，近年来工业发展迅速，冬季大气污染较为严重，加之海拔高度比城区低300多m，冷空气下沉后形成较强的逆温层，空气流动性差，大雾容易聚集，这也是平原雾日明显多于城区的另一重要可能原因。

图5 1961—2018年乌鲁木齐平原(a、b)及高山带(c)雾季影响要素的年际变化Fig.5 The inter-annual variation of related factors during foggy season in plain (a, b) and alpine belt (c) in Urumqi during 1961-2018

3 结 论

(1)乌鲁木齐雾日受海拔高度和地形影响较大。年平均雾日最多出现在高山带，为50.2 d，其次是北部平原，为33.0 d，东部达坂城谷地最少，仅为2.6 d，城区和中山带年平均雾日分别为27.5 d和26.9 d。

(2)平原、城区和谷地均为冬季雾日最多，秋季次之，春季最少，夏季无雾日；中山带和高山带一年四季均有雾出现，中山带春季雾日最多，高山带夏季雾日最多。城区、平原和谷地雾日的月际分布呈单峰型，峰值出现在11月至次年3月，中山带和高山带呈双峰型，峰值出现在春秋季，中山带雾日峰值出现在3月，次峰值出现在11月，高山带主峰值出现在5月，次峰值出现在9月。

(3)近58 a平原和城区年雾日呈显著增加趋势，而山区呈显著减少趋势，其中平原雾日气候倾向率为9.3 d·(10 a)-1，城区雾日平均气候倾向率为3.9 d·(10 a)-1；山区雾日呈显著减少趋势，其中中山带气候倾向率为2.4 d·(10 a)-1，高山带气候倾向率为5.2 d·(10 a)-1，均通过0.01的显著性检验。平原和城区的春季、秋季、冬季的雾日呈增加趋势，中山带、高山带四个季节雾日均呈减少趋势。平原雾日显著增加时段为11月至次年2月，城区为12月至次年2月；中山带雾日显著减少时段为3月和8月，高山带为5—9月。

(4)乌鲁木齐不同海拔高度雾因类型和出现季节的不同，受气象要素变化的影响也明显不同。近58 a来平原雾季(11月至次年2月)降水量增多、温度升高、风速减小造成雾日呈逐渐增多趋势，而高山带雾季(5—9)的气温升高则造成雾日逐渐减少。