2018年8月22日宁夏北部局地浓雾天气形成机制分析

2022-03-08李婷谭志强葛森李强晁瑗

气象与环境学报 2022年1期

李婷谭志强葛森李强晁瑗

(1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏银川 750000； 2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏银川 750000； 3.宁夏回族自治区气象台，宁夏银川 750000)

引言

雾是指悬浮于近地面大气中的水滴、冰晶或两者的混合物，并能使水平能见度小于1 km 的一种天气现象。随着社会的发展，雾造成的经济损失以及诱发的交通事故等越来越频繁。鉴于雾的危害性，近年来气象学者对其加强了研究，在雾的气候特征[1-3]、天气学诊断[4-9]、边界层特征[10-12]以及数值模拟[13]等方面取得了较大进展。研究表明[14-16]浓雾有显著的气候变化特征，可以从温度、水汽、风等要素着手，研究动力、热力等因子变化对浓雾天气的影响。对水平能见度≤200 m浓雾的研究表明，弱高压脊和地面冷高压的高低空配置为浓雾的形成提供了有利的逆温层结[17-19]，高层辐合下沉增温和低层弱上升运动[19-21]、低层平流[22-23]和夜间地面晴空辐射[24]等促进了逆温层的发展，中低层暖湿气流[18-23]和前期的降水过程[24]为强雾天气过程的发生提供浓雾形成所必须的水汽条件，而冷空气的入侵[17,22]和地面增温[17,22,24]对逆温层的破坏是雾消散的重要机制。

雾作为宁夏灾害性天气之一，也引起了当地气象工作者的关注。周翠芳等[25]分析宁夏大雾天气环流背景和主要影响系统，发现多数大雾前出现降水，近地面层有逆温存在。张智等[26-27]对宁夏雾霾的时间变化趋势进行了分析，发现宁夏雾日呈南北多中间少的空间格局，且近52 a来北部灌区雾日呈增多趋势。李艳春等[28]建立了银川市雾霾天气的气象条件概念模型，发现银川市的雾主要出现在秋冬季傍晚至次日上午12时之前，特别是夜间出现浓雾和强浓雾时，对应混合层高度小于150 m。邓敏君等[29]的研究表明，低空逆温是影响银川市雾、霾天气的主要污染气象条件之一。上述工作虽然对宁夏本地雾的研究取得一定进展，但都是从空气污染角度进行分析，且对宁夏雾、霾天气的统计分析局限于秋冬季，从天气学方向对宁夏本地浓雾过程的诊断分析尚未完全展开，尤其是对于宁夏夏季突发性强、持续时间长、强度大、影响范围广的平流雾的研究尚未涉及。因此，本文在已有研究基础上，利用银川、大武口、平罗和贺兰等4个常规地面观测站的能见度地面逐时资料和ECMWF ERA-Interim 逐 6 h的0.125°×0.125°高分辨率再分析资料，对发生在2018年8月宁夏北部大武口市的一次局地浓雾天气进行天气学诊断分析，研究宁夏北部地区浓雾发生、发展和维持过程的机理，为宁夏北部浓雾的预报预警提供技术支撑。

1 资料与方法

利用宁夏972个地面自动站的10 m风场、2 m温度和2 m露点温度，以及银川、大武口、平罗、贺兰等4个常规地面观测站的能见度、温度和相对湿度逐时观测资料、ECMWF ERA-Interim 逐 6 h的0.125°×0.125°高分辨率再分析资料。

2 结果分析

2.1 天气实况

2018年8月22日(图1a和图1b)，宁夏大部分地区地面2 m温度露点差大于5 ℃，银川站以北地面风场辐合，石嘴山市大武口站温度露点差2.3 ℃，能见度为1808 m，08时(图1b)宁夏相对湿度明显增大，地面辐合区北移至大武口站附近，大武口站温度露点差增大到4.1 ℃，但能见度出现本次过程的最低值68 m(图1d)，达强浓雾标准(50 m≤vis<200 m)。从05—08时(图1c)，2 m温度从15.1 ℃升高到16.7 ℃，相对湿度从95%增加大98%，表明空气中水蒸汽含量明显增大，受气温升高影响，大武口站温度露点差亦有所增大，相应地该站能见度从1808 m骤降到68 m。09时气温升高，逆温层被破坏，观测站能见度迅速跃升至967 m，10时达3 km以上，大雾过程结束。从2 m温度、相对湿度时间序列可以看出(图1c)，01—11时，银川、大武口、贺兰和平罗4站温度和相对湿度呈明显负相关，相关系数达-0.95以上，表明温度升高引起的相对湿度减小是强浓雾消散的重要原因，在09时以后尤为显著，相应的是各站能见度在此后迅速增大，可见本次过程有一定的辐射雾特征。值得注意的是过程前期(8月20日08时至21日20时)，除最北部的石嘴山市，宁夏其他地区均出现明显降水天气，与大武口站相距50 km内的银川站48 h累计降水为23.6 mm，其最低能见度出现在22日05时，为2293 m(图1d)，仅为轻雾。从图1d可以看出，21日夜间银川站和大武口站能见度变化趋势基本一致，但前者明显好于后者，无浓雾出现。可见，本次浓雾过程具有局地性、突发性的特点，且发生在夏季。因此，本文选取大武口站和银川站进行对比分析，探讨本次过程的发生发展机制。

图c中红色折线为2 m温度；绿色相对湿度图1 2018年8月22日05时(a)和08时(b)宁夏地面10 m风场和2 m温度露点差分布、01—11时银川、大武口、贺兰和平罗站地面2 m温度、相对湿度(c)和最低能见度(d)变化Fig.1 Distributions of 10 m wind and the difference between 2 m temperature and dew-point at 05:00 (a) and 08:00 (b),and variations of 2 m air temperature,relative humidity (c) and visibility (d) evolution of Yinchuan,Helan,Dawukou,and Pingluo stations from 01:00 to 11:00 on August 22,2018

2.2 环流形势

从8月22日08时500 hPa形势场可以看出(图2a)，影响宁夏出现降水天气的冷槽已移出，宁夏处于500 hPa弱暖脊前西北气流控制，温度场和高度场位相基本一致，无明显冷空气活动；地面场上(图2b),处于地面高压带中等值线比较稀疏、气压梯度比较小的均压场，地面冷高压和高空暖脊形成的上暖下冷的配置，有利于稳定层结的形成。同时，宁夏北部地面附近为微风，风速为2—4 m·s-1，而近地面的微风是雾生成和发展的必要条件[26]。可见，高低空环流配置和近地面的微风均有利于此次浓雾天气的形成。

图a实线为等高线，单位为dagpm，虚线为等温线，单位为℃；图b实线为海平面气压，单位为hPa图2 2018年8月22日08时500 hPa位势高度和温度(a)及海平面气压和地面10 m风场(b)分布Fig.2 Distributions of geopotential height,temperature (a) at 500 hPa and sea level pressure and 10 m wind (b) at 08:00 on August 22,2018

2.3 逆温层

从22日02时T-lnp图(图略)可见，大武口站和银川站近地面为弱偏西气流，800 hPa附近风向均随高度顺转，表明两站上空有暖平流，此时尚无明显逆温形成。08时(图3)，两站均出现明显逆温，逆温层在850—825 hPa之间，厚度均为25 hPa，但两站的高空风切变有所不同，大武口站(图3a)上空风向从西风顺转为东北风是在825—775 hPa之间，而银川站(图3b)上空风向顺转仅发生在825—800 hPa之间，这表明大武口站上空暖平流较银川站更深厚，更有利于其逆温层的形成与维持，促使水汽在近地面层凝聚，是大雾形成的重要因素，同时也表明大武口站浓雾过程具有显著的平流雾特征。

图3 2018年8月22日08时大武口站(图a)和银川站(图b)模式探空图Fig.3 T-lnp diagrams at Dawukou (a) and Yinchuan (b) stations at 08:00 on August 22,2018

2.4 温度平流

21日08—20时，大武口(图4a)和银川(图4b)两站上空为深厚的暖平流，银川站暖平流中心强度达13×10-5℃·s-1以上，而大武口站较弱，这和银川站21日白天的降水过程是吻合的。20时后，银川站上空中心位于800 hPa附近暖平流迅速减弱，至22日08时，暖平流已近乎消失，大武口站上空暖平流约在820—750 hPa之间，厚度维持在70 hPa左右，且持续到22日上午14时。同时，两站近地层在21日夜间都有明显的冷平流侵入，从图2b和图4c可知，该冷平流来自于偏西气流的输送，是由于西路冷锋后的冷空气侵入所致。这种下冷上暖的平流配置有利于逆温层的发展，21日08时两站均形成了厚度25 hPa的逆温(图3)，但由于银川站暖平流较浅薄(仅存在825—800 hPa之间)且08时后迅速减弱消失，冷平流亦明显减弱，不利于逆温层的维持，而大武口站深厚的暖平流和较强的冷平流(中心强度为-3×10-5℃·s-1)均持续至近14时，逆温层长时间得以稳定维持，使低层水汽不断累积至饱和状态，促进了浓雾的形成和发展。

图a和图b实线为温度平流，单位为×10-5 ℃·s-1，阴影为垂直速度，单位为Pa·s-1；图c实线为2 m温度，单位为℃图4 2018年8月21日08时至23日02时大武口站(a)和银川站(b)温度平流和垂直速度ω高度—时间演变图及22日08时地面10 m风场和2 m温度场(c)分布Fig.4 Time-height cross-sections of temperature advection and vertical velocity at Dawukou (a) and Yinchuan (b) from 08:00 on August 21 to 02:00 on August 23,10 m wind and 2 m temperature (c) at 08:00 on August 22,2018

另外，从图4a和图4b的垂直速度对比可知，两站近地层均存在弱上升运动(≤0.1 Pa·s-1),弱上升运动有利于低层的水汽抬升凝结成雾[4,7,12,22],同时大武口站垂直上升区往上扩展较银川站更显著，在22日08时达到825 hPa，混合层厚度为75 hPa，而银川站垂直上升区仅扩展至840 hPa，混合层厚度为60 hPa，表明大武口站近地面混合层较银川站深厚，是该地区雾的形成和发展的重要原因。

2.5 水汽条件

雾是在近地面中由于大气的水汽发生凝结而形成的天气现象，低空大气中具有充足的水汽条件是形成大雾天气的主要原因。从银川站到大武口站(图5)，由于前期降水的影响，温度露点差自南向北逐步增加，水汽通量(图5b)从弱辐散转为弱辐合，这与图4垂直速度分析结果是一致的，即大武口站水汽的辐合上升可以达到850 hPa以上。从图5e可知，银川站750 hPa以下均为正散度区，虽存在弱上升运动(图4)，辐散却不利于近地层饱和水汽的累积和向上输送，从而使雾的浓度降低和雾层变薄，受其影响，虽银川站850 hPa以下的温度露点差和比湿(图5c和5d)和近地面处于水汽饱和区(温度露点差≤2 ℃)边缘，均较大武口站更有利于雾的形成，但辐散抑制了雾的发展；与银川站相比，大武口站近地层(图5a，温度露点差3.5 ℃)及其上空(图5d)湿度条件均不利于雾的形成，但其850 hPa及以下均处于负散度区(图5e)，辐合加强了低层水汽向上的输送，使水汽凝结、湿层增厚，同时逆温层的稳定维持(图3a和图4a)有利于水汽汇聚，则出现了浓雾天气。以上分析表明，虽在水汽不饱和区，当850 hPa以下存在弱的水汽辐合时，抬升可使水汽由不饱和状态变为饱和状态，并使饱和水汽向上扩散，从而促进了大雾天气的形成和维持；在水汽辐散区，即使水汽处于饱和状态，下沉增温亦抑制了雾的生成。因此，在本次过程中，850 hPa以下的弱水汽辐合较水汽自身的饱和与否更为重要，是大武口站浓雾形成的关键性因素。此外，从图5b水汽通量输送可以看出，宁夏北部存在西南方向的水汽输送，大武口站浓雾具有一定的平流雾特征。

图a实线为温度露点差，单位为℃；图b实线为水汽通量，单位为g·cm-1·hPa-1·s-1，箭头为散度，单位为10-9 g·cm-2·hPa-1·s-1；图c为比湿，单位为kg·kg-1;图d为温度露点差，单位为℃；图e为散度，单位为105s-1图5 2018年8月22日08时宁夏地面2 m温度露点差(a)、850 hPa水汽通量及其散度分布(b)、温度露点差(c)及比湿垂直廓线(d)和散度垂直廓线(e)Fig.5 Distributions of the difference between 2 m temperature and dew-point (a),vapor flux and divergence at 850 hPa (b),vertical profiles of the difference between 2 m temperature and dew-point (c) and specific humidity (d),and divergence (e) at 08:00 on August 22,2018

2.6 地面热通量

对于雾的形成来说，近地面空气受到下垫面的冷却是空气饱和与水汽凝结的重要因素，这种冷却机制从地气热量交换的角度分析，通常可用感热通量和潜热通量来描述。感热通量是由于存在温差通过湍流运动在地气间发生的热量通量，潜热通量是由于水汽相变在地气间发生的热量通量。22日05时(图6a)，宁夏北部两站均处于感热通量正大值区(≥6 W·m-2，正值表示地面吸收热量)，表明地面对近地层空气有明显冷却作用，有利于大气中水汽的凝结，潜热通量北部处于弱的负值区，表明地表存在弱水汽凝结，其释放热量对近地层空气起到加热的作用，抑制了雾的形成，二者的共同作用(定义为热量净通量)两站在3—6 W·m-2之间，冷却了近地层空气，有利于雾的产生。08时(图6b)，宁夏北部潜热通量减小到-5 W·m-2以下，感热通量亦减小到-3 W·m-2以下，热量净通量呈现对近地层空气的较显著增温效应。

实线为地面感热通量，单位为W·m-2；虚线为潜热通量，单位为W·m-2；阴影为热量净通量，单位为W·m-2图6 2018年8月22日05时(a)和08时(b)宁夏地面感热通量和潜热通量及热量净通量分布Fig.6 Distributions of sensible heat flux,latent heat flux and net heat flux at 05:00 (a) and 08:00 (b) on August 22,2018

通过上述分析可以看出，过程前期由于两站均存在地面辐射降温和冷平流因素，两站均具备平流—辐射雾发生的有利条件，但08时银川站由于地面增温效应及随后逆温层的迅速被破坏，银川站无大雾发生，大武口站虽然亦存在地面增温效应，但由于水汽的辐合，冷平流和逆温层的稳定维持，大武口站出现了浓雾。09时以后，随着地面增温的加强，逆温层被破坏，过程结束。整个过程中，平流对浓雾的形成和维持及地面辐射对浓雾的形成和消散均起到关键作用，过程整体呈现出平流—辐射雾特征。