期刊检索:
  暴雨灾害   2017, Vol. 36 Issue (2): 147-155.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-9045.2017.02.007

论文

DOI

10.3969/j.issn.1004-9045.2017.02.007

资助项目

2013年中国气象局气象关键技术集成与应用(面上)项目(CMAGJ2013M26);2012年江西省科技厅科技计划项目(20123BBG70225)

第一作者

肖安,主要从事中短期天气预报业务及其相关研究工作。E-mail: mrxiaoan@sohu.com

文章历史

收稿日期:2016-08-11
定稿日期:2016-12-28
江南区域性平流雾的物理量统计特征
肖安 , 许爱华 , 陈翔翔     
江西省气象台,南昌 330096
摘要:利用2000—2012年常规高空和地面资料以及NCEP/NCAR逐6 h再分析资料(水平分辨率1°×1°),筛选出发生在我国江南地区(23°—32°N、110°—122°E)的54例区域性平流雾过程,分析该地区产生区域性平流雾时的逆温、变温、低层湿度和垂直速度等物理量,得到区域性平流雾的统计特征(值)。结果表明:(1)江南平流雾低层存在明显暖平流,925 hPa暖平流要强于850 hPa;(2)平流雾过程一般具有单层逆温、等温层和多层逆温结构,925 hPa存在一正变温大值区自广西向东延伸至浙闽一带,有利于江南逆温结构建立;平流雾雾顶高度要低于辐射雾雾顶高度;(3)平流雾低层925—850 hPa相对湿度从夜晚到次日08时呈增大趋势,500 hPa相对湿度则呈减小趋势,地面相对湿度超过90%的可能性很大;(4)区域性平流雾发生时,边界层大气既有上升运动,也有下沉运动,925 hPa垂直速度为-0.1~0.2 Pa·s-1
关键词平流雾    物理量    逆温    相对湿度    垂直速度    
Statistical analysis of the physical quantities of regional advection fogs in south of the Yangtze River
XIAO An, XU Aihua, CHEN Xiangxiang    
Jiangxi Meteorological Observatory, Nanchang 330096
Abstract: Routine upper-air and surface observations, and NCEP 6-hourly reanalysis data with 1°×1° resolution from 2000 to 2012 were used to select 54 advection fog events occurred in south of the Yangtze River (23°-32°N, 110°-122°E) in China, from which we have obtained the statistics of regional advection fogs by analyzing physical quantities such as inversion, temperature difference, low-level humidity and vertical velocity when regional advection fogs occurred. The results show that (1) warm advection is evident in the low-level when regional advection fogs occurred in south of the Yangtze River, and it is stronger at 925 hPa than at 850 hPa. (2) There is generally one-layer inversion, isothermal layer or multilayer inversion structure in advection fog events. A great positive value center of temperature difference at 925 hPa extends eastward from Guangxi to Zhejiang and Fujian, which is propitious to the establishment of the inversion structure. The top height of advection fog is lower than that of radiation fog. (3) The relative humidity between 925 hPa and 850 hPa tends to increase from nocturnal to 08:00 BT of the following day with the occurrence of advection fog. Moreover, it tends to be low at 500 hPa while mostly exceeding 90% in ground level. (4) The vertical velocity at 925 hPa changes from -0.1 to 0.2 Pa·s-1 when regional advection fogs occurred.
Key words: advection fog    physical quantity    inversion layer    relative humidity    vertical velocity    
引言

大雾是我国江南地区晚冬、春和秋季常见灾害性天气,往往给各行各业和人民生活带来较大影响,如导致高速公路封闭、飞机延误、交通事故等[1-2],以及严重影响公众身体健康。因此,当今社会对大雾天气准确预报的需求越来越大。大雾可分为辐射雾、辐射平流雾和平流雾。其中,辐射雾出现次数较多,形成机理较为简单,对其研究也较为透彻,相对容易预报。平流雾出现次数较少,其成因也较复杂,既可出现在冷锋前部、低槽前部、高压后部、倒槽东侧等,也可出现在降雨前后或降雨过程当中[3-4],有时还会与辐射雾交替出现[5],其持续时间可能较长,其预报难度较大。

为了提高平流雾预报能力,部分学者对平流雾天气过程进行了分析。周涛等[6]分析32 a金山站平流雾观测资料指出,平流雾发生时会有较多云系(或弱降水)和浅层逆温存在。邓英姿等[7]统计分析南宁市7 a中伴有毛毛雨天气的平流雾过程总结了南宁出现平流雾时的天气形势特征。鉴于利用常规探空资料较难获得平流雾发生时近地面物理量分布特征,也有学者利用系留飞艇、气象铁塔、L波段探空雷达和多普勒天气雷达等现代探测设备对不同平流雾过程进行了精细化分析[8-11],结果发现,这几次平流雾的生成和维持主要取决于暖湿气流和系统性下沉运动及低层弱不稳定层结条件,且辐射雾的雾顶高度会高于平流雾。还有学者利用观测资料和逐日再分析资料对平流雾天气过程进行了综合分析,得出有利于日常业务预报平流雾的经验指标。有人分别分析辽宁和江西一次平流雾发生前后的水汽、稳定性条件和环流形势场表明[12-13],辽宁有利于平流雾出现的地面形势场是高空弱脊和地面弱高压,而江西有利于平流雾出现的地面形势场是地面西南倒槽,两者之间区别较大。也有人在分析机场平流雾特征时提出了有针对性的预报着眼点,指出低层暖平流导致的地面异常增温是预报平流雾需要关注的一个重点[14-16]。为了更好地研究平流雾发生发展的物理机制,不少人还对大城市、长江水面等不同地形的平流雾过程开展了数值模拟分析[17-20]

综上分析可知,平流雾发生时经常伴随低层暖平流引发的较深厚高湿逆温层,而平流雾消亡也常因冷空气入侵导致高湿逆温层结构被破坏且逆温层主要出现在850 hPa以下,但没给出逆温层结构特征,对平流雾湿度研究也局限在850 hPa以下,也未对平流雾与雨雾过程中的散度、垂直速度等物理量进行甄别。平流雾厚度和形成机制研究也多集中在对少数几次平流雾过程的分析或模拟,或是对单站几十年平流雾历史过程的气候统计分析,结论也有一定差异,不具普适性。例如,吴彬贵等[8]依靠铁塔得到深厚平流雾形成于低层弱不稳定层结条件下的结论;沈澄等[10]依靠一次平流雾和一次辐射雾得到辐射雾雾顶高度要远高于平流雾的结论。为了探讨这些结论是否具有广泛性,本文使用常规地面、高空探测资料和NCEP再分析资料(水平分辨率1°×1°),对2000-2012年共13 a我国江南地区54例较大范围平流雾过程的物理量进行统计分析,试图找到江南地区平流雾发生时的温湿结构、厚度、垂直速度、散度等物理量特征,为提高江南地区平流雾分析预报水平提供参考依据。

1 资料与方法 1.1 资料选取

如无特别强调,本文研究区域为23°-32°N、110°-122°E,涵盖江西、湖南、安徽、浙江、福建和江苏等省部分地区(图 1)。所用资料为中国气象局提供的常规地面自动站观测资料、探空资料(以江西省为主,兼顾其他省份)以及相应时段的NCEP再分析资料。

图 1 研究区域及该区域探空站(黑色实心圆点所示)分布(粗黑色实线为北部型平流雾与南部型平流雾的分界线) Fig. 1 The study area and the distribution of the radiosonde stations (solid black dots) in this area. The thick black line denotes the boundary between the north and the south type advection fogs.

根据平流雾的定义,本文将925 hPa或850 hPa有明显暖平流、出现平流雾前12 h内为阴天(中低云云量7成以上)、没有明显辐射作用且有10个及以上国家级气象观测站出现大雾过程定义为区域性平流雾过程。普查研究区域2000-2012年共13 a地面观测资料,选取满足上述标准且主要发生在江西省的54例平流雾过程作为研究对象。这54例平流雾过程样本中,有14例影响范围仅限江西本省,14例影响范围涉及2省,21例影响范围涉及3省,其余为3省以上,范围最大的一次平流雾过程涉及到江南5省1市(见本文第2.1节)。

为了更精细地分析江南北部和南部平流雾是否存在不同的天气形势特征和要素差异,本文将主要发生在27°-32°N、110°-122°E范围内的平流雾定义为江南北部平流雾(以下简称北部型平流雾),主要发生在23°-27°N、110°-122°E范围内的平流雾定义为南部平流雾(以下简称南部型平流雾)。

1.2 分析方法

平流雾是一种弱强迫作用下发生的天气现象,发生时其物理量特征比暴雨、强对流等发生时的弱。本文先对平流雾过程进行分型,再分类统计其物理量分布,最后分析典型个例的物理量特征。分析的主要物理量包括暖平流、逆温层、低层变温场、低层相对湿度、700-500 hPa中层湿度和散度以及垂直速度等。

2 物理量特征分析 2.1 暖平流特征

大雾是在一定的温湿条件下形成的。与辐射雾等其它种类的大雾不同,低层暖湿平流是平流雾的重要特征。一方面,它为大雾形成提供暖湿空气条件;另一方面,有利于形成低层逆温,但尚无具体定论。利用NCEP再分析资料计算上述54例平流雾发生前和发生时的925 hPa和850 hPa暖平流,得到暖平流最大值时间序列,将其序列按逆序排列,取第80%分位值、最大值、最小值,并统计当暖平流最大值超过5.0×10-4℃·s-1时的平流雾个例数与总个例数的百分比,其结果见表 1

表 1 江南两型平流雾各时次(20—14时) 925、850 hPa暖平流(单位: 10-4℃·s-1)统计结果 Table 1 Distribution of warm advection (units: 10-4 ℃·s-1) at 925 hPa and 850 hPa for two types of advection fogs in south of the Yangtze River at 20:00 BT of the current day and 02:00 BT, 08:00 BT and 14:00 BT of the following day.

表 1中看到: (1)北部型平流雾过程的925-850 hPa暖平流比南部型平流雾稍强,80%分位值范围大致在(6~7)×10-4℃·s-1之间,最大暖平流在(30~40)× 10-4℃·s-1之间;南部型的暖平流80%分位值范围大致在(4~5)×10-4 ℃·s-1之间,最大暖平流在(10~20)× 10-4℃·s-1之间。究其原因, 可能是因为北部型平流雾发生时西南气流要比南部型平流雾更强。(2)当出现平流雾时,925 hPa的暖平流一般要强于850 hPa。因此,925 hPa暖平流对平流雾形成和维持的作用比850 hPa暖平流要明显。(3) 08时低层暖平流较其他时次偏弱,这可能与02-08时地面气温较低、空气容易达到饱和、易生成平流雾有关。(4)当暖平流大于等于5.0×10-4℃·s-1时,除南部型平流雾08时850 hPa的通过率仅为73.9%外,其余各层各时次均超过80%,部分时次甚至超过90%。因此将5.0×10-4℃·s-1作为平流雾的暖平流阈值是可行的。

为揭示平流雾天气过程的暖平流特征,以2012年2月22日08时出现在湖南省东部、江西省中北部、安徽省南部、浙江省东北部、江苏省中南部和上海市的大范围平流雾天气过程为例进行具体分析。该过程是54个平流雾个例中范围最大的一次,雾区大致呈现东北-西南向分布,持续时间大致在22日05-14时,其强度在08-14时达到最强,17时后雾区逐渐减小,到20时时雾区基本消失。

图 2(见上页)给出沿08时雾区两端(27.5°N、113°E)和(32°N、122°E)所作的温度平流垂直剖面图。从中看到,21日20时(图 2a),平流雾过程尚未出现时,1000- 925 hPa之间主要受弱冷平流控制,117°E、29.5°N以西区域为较深厚的暖平流,地面实况以小雨天气为主;以东区域以弱冷平流为主,间有弱暖平流,地面实况除最东部的江苏沿海地区有部分海雾外,其他地区为阴天局部有阵雨。22日08时(图 2b),平流雾发展达到旺盛时段,整个剖面低层呈现出宽广深厚的暖平流带,高度从950 hPa一直延伸到700 hPa。其中,925 hPa暖平流最强,其最大值接近20×10-4 ℃·s-1,超过了5.0×10-4℃·s-1的暖平流阈值;雾区近地面层1 000 hPa附近暖平流较弱,部分地区甚至存在弱冷平流,符合平流雾形成条件[21]。地面实况是整个剖面地区都出现了平流雾。

图 2 2012年2月21日20时(a)以及22日08时(b)、14时(c)、20时(d)沿(27.5°N、113°E)和(32°N、122°E) 两点所作的温度平流垂直剖面图(单位: 10-4 ℃·s-1) Fig. 2 Vertical cross sections of temperature advection (units: 10-4 ℃·s-1) from (27.5°N, 113°E) to (32°N, 122°E) at (a) 20:00 BT on 21 and (b) 08:00 BT, (c) 14:00 BT and (d) 20:00 BT on 22 February 2012.

图 2b中还可看到,整个雾区暖平流带垂直分布范围较厚,一般在950 hPa与850 hPa之间,暖平流水平分布范围覆盖整个雾区,稳定的低层暖平流形成了低层与近地面之间的逆温,阻断了近地面与大气低层之间的物质与能量交换,表明此时大雾过程仍可能持续。

到22日14时(图 1c)和20时(图 1d),低层较强冷平流开始自西南至东北方向、低层至中层发展,平流雾所依赖的暖平流结构逐渐被破坏,平流雾随之逐渐消散。

2.2 逆温层分析

大雾发生的一个重要条件是需要有逆温层存在。逆温的出现能阻止垂直湍流发展,防止上部干空气卷入雾顶部而导致雾层变薄消散,使近地面温湿条件得以稳定维持,其对大雾的出现和维持都非常有利[22]。根据研究区域地理位置分布特征,以南昌、赣州两个探空站上空的实况温度垂直分布分别代表北部、南部型平流雾发生时的温度垂直分布,统计54例平流雾过程逆温的有无及其结构特征。结果表明,近9成平流雾具有逆温或等温结构(等温层也是一种弱的逆温)。根据实况中常见的逆温结构特征,本文将平流雾逆温层结构分为三种(图 3):只有1层逆温层(简称单层逆温型,图 3a);仅有等温层(简称等温层型,图 3b);有2层及以上逆温层(简称多层逆温型,图 3c)。

图 3 三种江南平流雾探空逆温层结构特征模型: (a)单层逆温型;(b)等温层型;(c)多层逆温型 Fig. 3 Three types of the inversion layer structure models of advection fogs in south of the Yangtze River from sounding charts. (a) One-layer inversion, (b) isothermal structure, and (c) multilayer inversion.

单层逆温型出现次数最多,达到29例,占个例总数的54%;等温层型有12例,占22%;多层逆温型为7例,占13%;6例平流雾过程无逆温结构,占11%。出现逆温和等温结构的平流雾次数占全部个例的89%。

平流雾逆温层底大部分位于1 000-950 hPa,逆温层顶位置在950 hPa以上高度的占75%,其中在925 hPa以上的占50%。统计同期49例区域性辐射雾过程的逆温层发现,辐射雾逆温层底均从地面开始,与平流雾逆温层底相比明显偏低;逆温层顶高度因季节不同略有差异:当年11月至次年2月,超过80.6%的逆温层顶在925 hPa以上,其中43.3%的辐射雾逆温层顶高度达到或超过850 hPa;3-4月和10月,80%的逆温层顶高度在925 hPa以上,20%的辐射雾逆温层顶高度达到或超过850 hPa,均比平流雾逆温层顶高度要高。因此,大部分平流雾厚度比辐射雾的要薄,这与文献[9]通过铁塔观测得出的结论类似。

本文将逆温层上下温度之差定义为逆温强度。经统计发现,上述54例平流雾过程中存在逆温层过程的逆温强度主要在1~4 ℃之间(图 4)。其中,50%的平流雾逆温强度超过2 ℃,逆温强度最大可达9 ℃。

图 4 江南平流雾逆温层底高、顶高以及逆温强度分布箱线图 Fig. 4 Boxplot of the bottom and top heights of the inversion layer and the inversion intensity of advection fogs in south of the Yangtze River.

为了说明平流雾天气过程中的逆温层结构特征,以2012年2月22日08时江南平流雾天气过程为例进行具体分析。该过程中,南昌(115.92°E,28.60°N)、安庆(117.05°E、30.53°N)、南京(118.80°E,32.00°N)、射阳(120.25°E、33.77°N)四站均出现了平流雾天气。由四站08时探空曲线可知(图 5),南昌站在850 hPa以下存在上下两层逆温,下层逆温位于1 000-924 hPa之间,逆温强度为6 ℃;上层逆温位于883-872 hPa之间,逆温强度为2 ℃。安庆站在850 hPa之下仅一层逆温,位于968-905 hPa之间,逆温强度达到6 ℃,但安庆站气温随高度递增率比南昌站大。南京站逆温结构特征与安庆站类似,1 000-977 hPa之间是一个等温层,977-887 hPa之间有逆温层,逆温强度为3 ℃。射阳站逆温分布较为特殊:在1 000-925 hPa之间存在一个等温层,在850 hPa上方还有一个逆温层,逆温强度为2 ℃,等温层与逆温层并存。上述4站探空曲线显示逆温层顶高度均在925 hPa以上。这一结果与文献[21]研究得到的大雾高度相似。由此可知,图 3中的3种逆温结构在这次过程中均有出现。

图 5 2012年2月22日08时南昌站(a)、安庆站(b)、南京站(c)和射阳站(d)探空曲线 Fig. 5 Sounding charts at (a) Nanchang, (b) Anqing, (c) Nanjing and (d) Sheyang at 08:00 BT on 22 February 2012.

图 5还能发现以下逆温特征:地面到1 000 hPa之间均无逆温结构;地面风向均为偏北、偏东风,风力较小,925 hPa开始才有一定强度的偏南风,且湿度较大。

为了区分平流雾与辐射雾的逆温差异,统计49例区域性辐射雾过程中的低层逆温发现,平流雾从地面到1 000 hPa之间没有逆温结构,而辐射雾从地面到1 000 hPa之间均存在逆温结构。这是因为平流雾是低层暖空气移动到近地面弱冷(垫)空气上方形成的,逆温往往发生在地面弱冷空气与低层暖空气结合处。

2.3 低层变温场特征

按照文献[21]中的方法,将上述54个平流雾个例的08时925 hPa 24 h变温作成站点(106°-126°E、20°- 40°N)平均图(图 6)。从中可见,当江南出现区域性平流雾时,长江以北以负变温为主,以南以正变温为主。江南、华南925 hPa上空有1~3 ℃增温,一正变温大值区自广西向东延伸至浙闽一带,南昌和赣州24 h变温均超过1.0 ℃,广西有一正变温中心。北部型和南部型平流雾发生时的变温差异主要为:北部型的正变温中心(桂林站,110.3°E,25.3°N) 24 h变温为3.3 ℃,南昌、赣州24 h变温分别为1.8 ℃和2.7 ℃(图 6a);南部型的正变温中心值相对较小,正变温中心(河池站,108.0°E,24.7°N) 24 h变温为2.3 ℃,赣州变温为1.7 ℃(图 6b)。所有54例平流雾过程个例中,925 hPa高度上有59.2%的观测站增温达2.0 ℃以上,其中北部型有67.7%的观测站增温达2.0 ℃以上,北部平流雾的正变温幅度和范围均相对较大。可见,低层增温由低层暖平流造成,有利逆温结构建立。因此,平流雾上空及上游区大范围2.0 ℃以上增温对平流雾预报有一定的指示性。

图 6 江南平流雾(a.北部型;b.南部型)925 hPa 24 h变温平均场(单位: ℃) Fig. 6 The 24-hourly temperature difference mean fields (unit:℃) at 925 hPa for the (a) north and (b) south types of the advection fogs in south of the Yangtze River.

2002年2月27日平流雾过程08时,在湖南南部、江西中北部、安徽南部和浙江西部地区出现了较大范围的平流雾天气,从其925 hPa的24 h变温分布图上可见(图 7),长江以北为负变温区域,长江以南处于正变温大值区中;两个正变温中心分别位于广西北部和浙江西部地区,增温分别达5 ℃和4 ℃,均超过图 6a的变温平均值,这与实况雾区也有较好的对应关系。

图 7 2002年2月27日08时925 hPa 24 h变温(单位: ℃)分布(阴影区为平流雾区) Fig. 7 The 24-hourly temperature difference (unit:℃) at 925 hPa at 08:00 BT on 27 February 2002. The shaded areas denote advection fog areas.
2.4 低层相对湿度特征

低层水汽相对饱和虽有利于大雾出现,但这与降水形成时还需要一定的水汽绝对含量有明显差异。为此,本文进一步统计江西省及周边临省几个探空站(南昌、赣州、长沙、郴州、邵武、武汉、安庆、衢县) 925- 500 hPa和地面相对湿度,以便寻找大雾出现时中低层大气和地面的湿度特征。

表 2分别给出北部型、南部型平流雾过程各代表站在大雾发生前一天20时和当天08时700 hPa、850 hPa、925 hPa相对湿度大于等于80%的概率。从中可见,北部型平流雾发生前一日20时到当日08时,除衢县站外,其它探空站925 hPa、850 hPa相对湿度大于等于80%的概率均有所增加。其中,南昌站925 hPa相对湿度大于等于80%的概率达到100%。南部型平流雾850 hPa、925 hPa相对湿度大于等于80%的概率虽未达到100%,但也有所增加。赣州925 hPa相对湿度大于等于80%的概率为91.3%;在700 hPa上则有所减小。

表 2 江南不同类型平流雾发生前一天20时和当天08时各代表站700 hPa、850 hPa、925 hPa相对湿度超过80%的概率(单位: %) Table 2 Probability (unit: %) of relative humidity over 80% at 700 hPa, 925 hPa and 850 hPa at representative stations at 20:00 BT of the previous day and 08:00 BT of the current day of which the different types of advection fogs occurred in south of the Yangtze River.

表 3是平流雾过程发生前一天20时和当天08时500 hPa相对湿度小于等于50%的概率分布。从中可见,北部型平流雾过程,南昌、长沙两站500 hPa相对湿度从大雾发生前一天20时到当天08时小于等于50%的概率增加到90%以上,即有变干的趋势。由于平流雾经常与小雨天气相间出现,天气形势也较为相近,在实际业务中较难区分。实际上,平流雾与小雨天气垂直尺度上的相对湿度特征存在差异。统计上述8个代表站1-3月各15次小雨过程20-08时的相对湿度发现,小雨过程中500 hPa相对湿度大于等于50%的概率有93.5%;700 hPa相对湿度大于等于50%以上的概率有95.3%,这与大部分平流雾过程的相对湿度特征有显著差异。

表 3 江南不同类型平流雾发生前一天20时和当天08时各代表站500 hPa相对湿度低于50%的概率(单位: %) Table 3 Probability (unit: %) of relative humidity below 50% at 500 hPa at representative stations at 20:00 BT of the previous day and 08:00 BT of the current day of which the different types of advection fogs occurred in south of the Yangtze River.

南部型平流雾500 hPa相对湿度小于等于50%的概率比北部型低,赣州只有78.3%,但08时郴州、武汉相对湿度超过80%,赣州南部有干区向北伸展。通过个例分析发现,赣州在相对湿度大于等于50%以上时其周边地区相对湿度经常小于等于50%。因此,江西南部实际的相对湿度小于等于50%的区域可能会有所增加。

统计上述54例平流雾过程中共108站次02-08时地面相对湿度变化表明,有93.5% (101站次)的站次不变或增加,仅有6.5% (7站次)的站次略有下降,但其均在90%以上。在108站次中,02时相对湿度低于90%的站次仅2例,占1.9%,其余站次相对湿度均在90%以上,这与霾天气发生时地面相对湿度主要集中在70%~90%之间[23-24]有明显区别。

2.5 动力场特征

平流雾是一种弱强迫天气形势下的灾害性天气,其动力场特征没有其他灾害性天气明显,这也是平流雾预报的难点之一。为了探明平流雾过程中的动力场特征,从54个平流雾个例中挑选出平流雾出现站点较为集中的24次过程,分析这些过程发生前后的散度、垂直速度(08时探空)等动力场特征。

2.5.1 925 hPa散度特征

统计上述24次平流雾过程925 hPa散度表明,有8次大雾出现区域的散度值为(-2~<-1)×10-5 s-1,12次为(-1~<0)×10-5 s-1,3次为(0~<1)×10-5 s-1,1次为(-1~<1)×10-5s-1;散度值为(-2~<-1)×10-5s-1时可能出现雾或弱降水,散度值小于等于-2×10-5s-1或大于等于1×10-5s-1时无平流雾出现,而以小雨或轻雾天气为多。可见,低层弱辐合有利于水汽聚集在近地面形成平流雾,这与陈光[25]提出的“边界层在低层辐合上升与高层辐散下沉的界面中形成逆温层”的研究结果相似。这也说明有利于平流雾产生的散度范围较小,超过该范围就不利于平流雾产生。

图 8是2004年11月10日08时天气实况与925 hPa散度场。图 8a显示,平流雾主要分布在江西北部、浙江西部、安徽南部地区,而湖南大部、江西中部为雨区。图 8b显示,925 hPa辐合中心从贵州向东延伸经湖南中南部进入江西中部,再伸向江西东北部、安徽南部和浙江西部地区。大部分平流雾发生区域散度为(-1~0)×10-5s-1,≤-1×10-5 s-1的区域多为雨区。

图 8 2004年11月10日08时江南地区天气实况(a,阴影区为平流雾区域,实线区为小雨区域)与925 hPa散度场(b,单位: 10-5·s-1) Fig. 8 (a) Weather phenomenon in south of the Yangtze River at 08:00 BT on 10 November 2004 and (b) divergence (unit: 10-5·s-1) at 925 hPa at the same time. In (a), shaded areas denote advection fog areas, and closed or semi-closed solid areas denote light rain area.
2.5.2 垂直速度场特征

当925 hPa为弱辐合区域时,在垂直方向上有可能出现上升运动,也可能出现下沉运动。从对24次平流雾发生区域中心位置(115°-117.5°E,27°-29°N)沿105°-125°E分别所作的垂直速度剖面图上可见(图略),在大雾区900-1 000 hPa范围内出现上升气流的次数占所有次数的52.6%,出现下沉气流的次数占47.4%,两者比例几乎相当。其中,有90%的个例在近地面层存在上升气流,到800-850 hPa转为下沉气流;仅有10%的个例在800 hPa以上仍为上升气流。无论上升气流或下沉气流,其垂直速度值均较小,大致分布在-0.1~0.2 Pa·s-1之间。由此可见,出现大雾时,近地面存在较弱的上升运动或下沉运动,上升运动高度一般不超过800 hPa。

如,2005年11月4日08时,湖南北部、湖北南部、江西北部、安徽南部、浙江中西部和福建北部等地出现一次典型大范围平流雾过程,从在105°-125°E之间沿28°N所作的垂直速度剖面图上看到(图 9a),大雾区中心116°E附近存在一致的下沉气流,最强下沉运动超过0.1 Pa·s-1。由于弱下沉气流的存在,易使水汽聚集在近地面形成平流雾。

图 9 2005年11月4日08时沿28°N (a)和2008年11月4日08时沿28.5°N (b)所作的垂直速度剖面图(单位:Pa·s-1 Fig. 9 Zonal cross section of the vertical velocity (unit: Pa·s-1) (a) along 28°N at 08:00 BT on 4 November 2005 and (b) along 28.5°N at 08:00 BT on 4 November 2008.

再如,2008年11月4日08时,湖南东北部、湖北东部、江西中北部、安徽南部、江苏中南部出现大范围平流雾。从在105°-125°E之间沿28.5°N所作的垂直速度剖面图上可见(图 8b),大雾区中心115.8°E附近是一支弱的上升气流,最强上升运动超过-0.1 Pa·s-1。900 hPa以上则存在一支较强的下沉气流,并与上升气流交汇于950 hPa附近,在该高度以下既无上升运动,也无下沉运动,而在同一高度存在水平运动,这使得水汽维持在这一高度,有利于大雾形成和维持。

3 结论与讨论

通过对2000-2012年我国江南地区54次平流雾过程物理量场的分析和讨论,主要得到如下结论:

(1) 925-850 hPa北部型平流雾过程暖平流比南部型平流雾稍强,两型平流雾过程均是925 hPa暖平流强于850 hPa。54例区域性平流雾过程,两层最大暖平流中至少有一层大于5×10-4℃·s-1的概率达96.3%。

(2) 9成及以上平流雾具有逆温结构。其中,平流雾逆温结构出现次数由多到少分别为单层逆温结构、等温结构和多层逆温结构,这3种结构的个例占比达88.9%。平流雾逆温层底大多在1 000-950 hPa,逆温层顶大多在900 hPa以下,逆温强度主要为1~4 ℃。统计同期49例区域性辐射雾天气过程发现,其逆温层顶高度均比平流雾逆温层顶高度要高。

(3) 当江西省出现区域性平流雾时,925 hPa长江以北为负变温,江南华南上空有1~3 ℃增温,有一正变温大值区自广西向东延伸至浙闽一带,较高的增温有利逆温结构建立。

(4) 平流雾低层925-850 hPa相对湿度从夜间到次日08时有变湿趋势,相对湿度大于等于80%的概率可达100%;中层700 hPa相对湿度大于等于80%的概率明显降低;500 hPa相对湿度小于等于50%的概率超过80%。除少数雨雾外,中低层相对湿度多呈上干下湿分布特征。这与出现小雨天气时500 hPa相对湿度大于等于50%的概率超过90%差别较大。平流雾发生时地面相对湿度增加到90%以上,这与霾天气发生时地面相对湿度主要集中在70%~90%有明显区别。

(5) 区域性平流雾出现时,925 hPa散度一般在(-2~<1)×10-5 s-1之间,散度低于-2×10-5 s-1或高于1×10-5s-1的区域不易出现平流雾。边界层大气既可能有上升运动,也可能有下沉运动。存在上升运动的个例中,90%的个例在800-850 hPa之间转为下沉运动;垂直速度值较小,其变化范围在-0.1~0.2 Pa·s-1之间。

(6) 北部型和南部型平流雾在部分物理量上略有差异。南部型平流雾正变温中心量值比北部型低;南部型平流雾500 hPa相对湿度小于等于50%的概率和地面相对湿度大于等于90%的概率也比北部型低。

上述物理量特征可供南方地区预报员分析预报平流雾天气时参考。不同地域平流雾可能存在一定差异[15-16],其客观预报的判识条件可能还需修订。本文研究的54次平流雾过程中有6例无逆温结构,占过程总数的11%,而辐射雾过程中出现逆温达100%,这表明平流雾成因相对复杂。对比48例有逆温平流雾和6例无逆温平流雾过程,其天气形势相同,不同在于: (1)无逆温的6例中有5例出现在江西南部,仅1例南北部都有大雾,这可能表明当南部出现平流雾时,低层暖平流不强或冷下垫面不明显;(2) 6例低层925 hPa湿度很大,有4例在94%~100%之间,高于有逆温北部型相对湿度87%和南部型相对湿度91%的平均值,近于饱和,且有4例伴随弱降水;(3)近地面到1 000 hPa为等温层,到925 hPa温差小于2 ℃,温度递减率约0.25 ℃·(100 m)-1,是一种很稳定层结。因此推断,华南地区平流雾低层逆温出现概率还会下降,而弱的温度递减率和伴随弱降水的平流雾会更多,其预报难度更大。

参考文献
[1]
张飒, 冯建设. 济青高速公路大雾天气气候特征及其影响[J]. 气象, 2005, 31(2): 70-73.
[2]
李才媛, 韦惠红, 王东阡. 近10年武汉市大雾变化特征及2006年一次大雾个例分析[J]. 暴雨灾害, 2007, 26(3): 241-245. DOI:10.3969/j.issn.1004-9045.2007.03.009
[3]
李玉芳, 许彬, 王欢, 等. 江西区域性大雾出现前期云图云场特征分析[J]. 江西气象科技, 2002, 25(1): 19-21. DOI:10.3969/j.issn.1007-9033.2002.01.006
[4]
李才媛, 韦惠红, 邓红. SVM方法在武汉市大雾预警预报中的应用[J]. 暴雨灾害, 2008, 27(3): 264-267. DOI:10.3969/j.issn.1004-9045.2008.03.012
[5]
王西磊, 孟宪贵, 赵京峰. 2011年12月3—7日山东省连续大雾分析[J]. 气象与环境学报, 2013, 29(5): 20-25. DOI:10.3969/j.issn.1673-503X.2013.05.004
[6]
周涛. 上海市金山区平流雾特征分析[G]//中国气象局上海台风研究所. 大气科学研究与应用. 北京: 气象出版社, 2014(1): 13-30
[7]
邓英姿, 黎颖智, 史彩霞. 南宁平流雾并伴有毛毛雨天气的边界层特征[J]. 气象研究与应用, 2014, 35(2): 19-22.
[8]
陆春松, 牛生杰, 杨军, 等. 南京冬季平流雾的生消机制及边界层结构观测分析[J]. 大气科学学报, 2008, 31(4): 520-529. DOI:10.3969/j.issn.1674-7097.2008.04.009
[9]
吴彬贵, 张宏升, 张长春, 等. 天津南部地区平流雾过程塔层气象要素特征分析[J]. 北京大学学报:自然科学版, 2008, 44(5): 744-750.
[10]
沈澄, 姜有山, 刘冬晴. 南京秋季辐射雾与平流雾边界层气象要素特征比较[J]. 气象科技, 2013, 41(3): 552-557. DOI:10.3969/j.issn.1671-6345.2013.03.022
[11]
宋润田, 金永利. 一次平流雾边界层风场和温度场特征及其逆温控制因子的分析[J]. 热带气象学报, 2001, 17(4): 443-451. DOI:10.3969/j.issn.1004-4965.2001.04.014
[12]
潘忠义, 钟志勇, 李杰, 等. 辽宁省葫芦岛冬季一次平流雾天气过程分析[J]. 北京农业, 2014(27): 170-171. DOI:10.3969/j.issn.1000-6966.2014.27.131
[13]
许彬, 许爱华, 陈翔翔, 等. 2012年2月22日江西平流雾过程的环流特征与诊断分析[J]. 气象与减灾研究, 2013(4): 8-13.
[14]
黄继雄, 窦利军, 阿利曼. 首都机场平流雾特征分析与预报[J]. 气象科技, 2011, 39(1): 50-55. DOI:10.3969/j.issn.1671-6345.2011.01.009
[15]
焦素菊. 温州机场静止锋前暖区平流雾天气分析[J]. 空中交通管理, 2002(5): 45.
[16]
唐忠莲, 黄滢. 珠海机场平流雾特征分析及预报[J]. 气象研究与应用, 2014, 35(2): 94-100.
[17]
李元平, 梁爱民, 张中锋, 等. 北京地区一次冬季平流雾过程数值模拟分析[J]. 云南大学学报:自然科学版, 2007(2): 167-172, 182.
[18]
梁爱民, 张庆红, 申红喜, 等. 北京地区一次平流雾过程的分析和数值模拟[J]. 应用气象学报, 2009, 20(5): 612-621. DOI:10.3969/j.issn.1001-7313.2009.05.013
[19]
任遵海, 孙学金. 江面平流雾的数值研究[J]. 气象科学, 2000, 20(2): 189-193. DOI:10.3969/j.issn.1009-0827.2000.02.010
[20]
周梅, 银燕, 王巍巍. 2006年12月24—27日大范围大雾过程数值模拟[J]. 应用气象学报, 2008, 19(5): 602-610. DOI:10.3969/j.issn.1001-7313.2008.05.012
[21]
许爱华, 陈翔翔, 肖安, 等. 江西省区域性平流雾气象要素特征分析及预报思路[J]. 气象, 2016, 42(3): 372-381.
[22]
张礼春, 朱彬, 耿慧, 等. 南京一次持续性浓雾天气过程的边界层特征及水汽来源分析[J]. 气象, 2013, 39(10): 1284-1292. DOI:10.7519/j.issn.1000-0526.2013.10.006
[23]
吴珊珊, 章毅之, 胡菊芳. 江西省霾天气气候特征及其与气象条件的关系[J]. 气象与环境学报, 2014, 30(3): 71-77. DOI:10.3969/j.issn.1673-503X.2014.03.011
[24]
张浩, 石春娥, 邱明燕, 等. 合肥市霾天气变化特征及其影响因子[J]. 环境科学学报, 2010, 30(4): 714-721.
[25]
陈光, 房春花. 2009年11月江苏南部一次大雾天气诊断分析[J]. 气象与环境学报, 2011, 27(1): 54-57. DOI:10.3969/j.issn.1673-503X.2011.01.011