南寧濃霧的天氣形勢(shì)及邊界層特征

李渝平黃 莉白 龍

（南寧市氣象局，廣西 南寧 530022）

0 引言

霧是指大量水滴或冰晶懸浮在近地層使水平能見度低于1km的災(zāi)害性天氣，水平能見度不足200m時(shí)稱之為濃霧。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)，霧已經(jīng)成為一種高影響天氣，其對(duì)于人們身體健康、交通出行等方面的不利影響越發(fā)凸顯，引起廣泛關(guān)注。目前已有學(xué)者對(duì)霧天氣進(jìn)行研究并取得一定的成果。林建等［1］統(tǒng)計(jì)中國大霧的時(shí)空分布特征及環(huán)流形勢(shì)，認(rèn)為根據(jù)地面形勢(shì)考慮我國大范圍大霧形勢(shì)可分為均壓型和鋒前型。侯瑞欽等［2］分析了華北平原一次持續(xù)大霧過程，得出此次過程發(fā)生在穩(wěn)定環(huán)流背景下，靜風(fēng)、充足水汽及地面輻射冷卻是其形成和維持的有利條件的結(jié)論，并指出地面輻合線偏向冷空氣一側(cè)利于大霧形成。劉熙明等［3］分析了北京地區(qū)一次大霧過程的邊界層特征，結(jié)果顯示北京持續(xù)大霧形成的主要原因?yàn)榻貙痈呦鄬?duì)濕度、較小風(fēng)速及垂直風(fēng)切變、穩(wěn)定層結(jié)結(jié)構(gòu)以及較低氣溫，而風(fēng)場(chǎng)等動(dòng)力要素對(duì)大霧的維持和消散起主要作用。吳哲紅等［4］將貴州安順區(qū)域性大霧利用環(huán)流分型方法分為靜止鋒霧和輻射霧，并給出了成因。盡管國內(nèi)外已有不少學(xué)者對(duì)霧天氣進(jìn)行研究，在其成因和規(guī)律方面取得一定成果，但多為零散個(gè)例研究，而濃霧天氣成因復(fù)雜、局地性強(qiáng)，不同地域的濃霧可能具備其鮮明的局地特性，本文對(duì)2001—2015年南寧市濃霧天氣個(gè)例進(jìn)行普查研究，研究其500hPa和地面天氣形勢(shì)以及邊界層特征，為濃霧預(yù)報(bào)提供指導(dǎo)和參考，以期提高濃霧預(yù)報(bào)能力和準(zhǔn)確率。

1 資料來源及處理

本文所采用的資料為NCEP FNL 1°×1°資料集和氣象觀測(cè)站常規(guī)觀測(cè)資料。南寧市區(qū)及所轄縣（區(qū)）共有9個(gè)氣象觀測(cè)站，分別為馬山站、上林站、賓陽站、橫縣站、武鳴站、隆安站、邕寧站、南寧站、南寧城區(qū)站，其中南寧站是國家基本氣象站，其余為國家一般氣象站。為研究方便，本文所選取的個(gè)例統(tǒng)一為2001—2015年南寧市區(qū)及所轄縣（區(qū)）內(nèi)水平能見度不足200m的濃霧天氣個(gè)例，即當(dāng)上述9個(gè)氣象觀測(cè)站中有至少1個(gè)站觀測(cè)到能見度不足200m的濃霧時(shí)，將其選入進(jìn)行研究的個(gè)例集合中，并將濃霧出現(xiàn)的日期定義為南寧市一個(gè)濃霧日，如濃霧跨越日期（以每日0：00為界）則算作另一個(gè)濃霧日。

2 南寧地理氣候概況

南寧市位于廣西壯族自治區(qū)南部偏西，介于東經(jīng) 107°19′～ 109°37′與北緯 22°12′～ 24°2′之間，地處南亞熱帶溫暖濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)的中區(qū)和西區(qū)，具有光熱豐富，降水充沛，長(zhǎng)夏短冬，季風(fēng)氣候顯著，氣象災(zāi)害頻繁的特點(diǎn)。全市年平均氣溫21.7℃，年平均雨量為1419.6mm，主要?dú)庀鬄?zāi)害有暴雨、熱帶氣旋、大風(fēng)、冰雹、霜、干旱、高溫、霧等。

3 濃霧日數(shù)統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，2001—2015年南寧市各年濃霧日數(shù)在1～18天之間，年際變化大。從濃霧發(fā)生的月份來看，1～3月是濃霧發(fā)生的高峰期，濃霧日數(shù)占比明顯高于其他月份，其余各月占比在1～9%之間，其中7月份無濃霧發(fā)生，從季節(jié)分布上看冬季濃霧日數(shù)最多，夏季最少，與袁智生等［5］統(tǒng)計(jì)湖南省霧日四季變化結(jié)果類似。

圖1 2001—2015年南寧年濃霧日數(shù)統(tǒng)計(jì)（a）、逐月濃霧日數(shù)占比（b）Fig.1 Statistic of dense fog days（a） and the proportion of dense fog days in each month （b）in Nanning during 2001 and 2015

4 濃霧的天氣形勢(shì)分型

通過對(duì)2001—2015年南寧市濃霧發(fā)生時(shí)的高空實(shí)況形勢(shì)場(chǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將南寧市濃霧的500hPa天氣形勢(shì)分為4種類型，分別為緯向西風(fēng)波動(dòng)型、槽后西北氣流型、槽前西南氣流型、副熱帶高壓后部回流型。在剔除個(gè)別形勢(shì)場(chǎng)資料有問題的濃霧個(gè)例后，剩余的共計(jì)79個(gè)濃霧個(gè)例中，上述各天氣形勢(shì)類型所占比例分別為51.9%、29.1% 、11.4% 、7.6% 。

4.1 緯向西風(fēng)波動(dòng)型

圖2 500hPa緯向西風(fēng)波動(dòng)型（2008年1月20日08時(shí)）Fig.2 The zonal westerly waves type of 500 hPa situation field （8 a.m.， Jan.20， 2008）

有研究指出，中高層以緯向環(huán)流為主是造成持續(xù)性大霧的重要天氣形勢(shì)特征［6-9］，南寧濃霧天氣形勢(shì)中的緯向型與此類似。圖2為西風(fēng)波動(dòng)形勢(shì)下南寧濃霧個(gè)例，其典型特征為我國大部地區(qū)環(huán)流經(jīng)向度很弱，以緯向環(huán)流為主。特別是廣西地區(qū)，500hPa等高線較平直，呈東西向分布，近似與緯線平行，即使與緯線相交，交角也很小。風(fēng)向以偏西風(fēng)或西偏北風(fēng)較為常見，少數(shù)情況下亦可能出現(xiàn)西南風(fēng)，總體而言西風(fēng)分量很大，u分量遠(yuǎn)大于v分量。有時(shí)風(fēng)場(chǎng)上似乎有小范圍的切變，但在等高線上未表現(xiàn)出明顯波動(dòng)（振幅小于2個(gè)緯度），也歸為此類型。500hPa穩(wěn)定的緯向平直環(huán)流，為出現(xiàn)靜穩(wěn)大氣層結(jié)提供有利條件，有利于濃霧的發(fā)生。

4.2 槽后西北氣流型

此類天氣形勢(shì)的共同特征是濃霧出現(xiàn)時(shí)，南寧均處于500hPa高空槽線后的較強(qiáng)西北氣流中，但在不同個(gè)例中，高空槽線的振幅以及槽線與南寧的相對(duì)位置和距離多有變化，有時(shí)槽剛剛移過，南寧即出現(xiàn)濃霧，有時(shí)在槽已過境多日、距離相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)才出現(xiàn)濃霧。以影響南寧的高空槽的振幅、位置及歷史演變作為依據(jù)，可以將其再細(xì)分為高原槽、冷渦低槽、南支槽、南北槽疊加等類型。圖3為不同槽系影響下的典型槽后西北氣流型濃霧天氣形勢(shì)。

圖3 500hPa槽后西北氣流型Fig.3 The northwest air flow in the rear of trough type of 500 hPa situation field

4.3 槽前西南氣流型

此類天氣形勢(shì)下，出現(xiàn)濃霧時(shí)南寧上空500hPa處于西南氣流影響下，其天氣形勢(shì)特征見圖4。值得注意的是，盡管此時(shí)南寧位于高空槽的槽線東側(cè)，受西南氣流影響，但與高空槽前正渦度平流提供動(dòng)力抬升作用形成降水的機(jī)理不同，此時(shí)高空槽與南寧的相對(duì)位置仍較遠(yuǎn)，槽前的動(dòng)力抬升作用較弱，大氣層結(jié)相對(duì)穩(wěn)定，高空槽的作用主要是槽前西南氣流輸送水汽促使氣層增濕，靜穩(wěn)、潮濕的大氣層結(jié)為濃霧產(chǎn)生提供有利條件，這與歐陽也能等［10］對(duì)湘潭市大霧天氣形勢(shì)分型時(shí)的SW型（槽前西南氣流型）近似。

4.4 副熱帶高壓后部回流型

南寧受副高底后部回流的偏東氣流影響時(shí)，如沒有對(duì)流發(fā)生，近地層往往會(huì)形成潮濕且靜風(fēng)的環(huán)境，利于濃霧生成。如圖5所示，副高勢(shì)力不強(qiáng)時(shí)，西脊點(diǎn)位于115°E附近，南寧處于副高西南部。當(dāng)副高強(qiáng)盛時(shí)，西脊點(diǎn)可進(jìn)入廣西中部或更偏西的位置，位于110°E附近，此時(shí)南寧位于副高底部?jī)?nèi)側(cè)，受其直接控制。

圖4 500hPa槽前西南氣流型（2009年3月21日08時(shí)）Fig.4 The southwest air flow in front of the trough type of 500 hPa situation field｜（8 a.m.， Mar.21， 2009）

5 濃霧的地面形勢(shì)及要素特征

南寧濃霧發(fā)生時(shí)，地面風(fēng)速基本在2級(jí)以下（0～2m／s），極少數(shù)情況下能夠達(dá)到3級(jí)，但也不超過4m／s，濃霧多發(fā)生在凌晨到上午，濃霧發(fā)生前夜間溫度露點(diǎn)差不斷減小，至濃霧出現(xiàn)時(shí)，溫度露點(diǎn)差縮小到0～1℃。根據(jù)濃霧的特征和成因，將南寧的濃霧分為輻射霧、平流霧以及平流-輻射混合霧。由于混合霧成因和特征相對(duì)復(fù)雜，本文暫不討論，只討論典型輻射霧和平流霧。

5.1 輻射濃霧

統(tǒng)計(jì)個(gè)例發(fā)現(xiàn)，輻射濃霧多發(fā)生在秋冬季節(jié)。如圖6所示，當(dāng)南寧地區(qū)地面受冷高壓脊控制，或冷高壓東移減弱，轉(zhuǎn)而受變性高壓脊或者均壓場(chǎng)控制時(shí)，天氣晴好，夜間晴空輻射強(qiáng)烈，空氣因輻射降溫達(dá)到飽和導(dǎo)致濃霧出現(xiàn)。輻射霧發(fā)生時(shí)南寧及周邊地區(qū)以弱的偏北風(fēng)為主，早晨氣溫相對(duì)低，日高低溫溫差大。

圖5 500hPa副熱帶高壓后部回流型Fig.5 The backflow in the bottom to the rear of subtropical anticyclone type of 500 hPa situation field

5.2 平流濃霧

平流濃霧在春、秋、冬季均有發(fā)生，其主要特征即風(fēng)場(chǎng)的平流作用。盡管南寧地區(qū)風(fēng)速較小，但南寧以北及以南的地區(qū)，往往在風(fēng)場(chǎng)上具備一定的演變特征，從而出現(xiàn)平流作用，此時(shí)常常在南寧市一線，或者南寧以北或以南鄰近地區(qū)，出現(xiàn)弱的輻合，主要表現(xiàn)為地面風(fēng)向輻合，即東北風(fēng)與偏東風(fēng)、東北風(fēng)與東南風(fēng)或東南風(fēng)與偏東風(fēng)的輻合。根據(jù)輻合線風(fēng)向的不同以及濃霧出現(xiàn)的位置，可將南寧平流濃霧分為鋒前型和南風(fēng)型，圖7為這兩種平流濃霧的典型地面形勢(shì)。

5.2.1 鋒前暖區(qū)型

此類型通常在廣西北部能夠根據(jù)地面等壓線、風(fēng)向、溫度梯度等分析出冷鋒或準(zhǔn)靜止鋒特征，而廣西中部、南部鋒面特征較弱，南寧處于鋒面前部暖區(qū)。此時(shí)廣西北部地區(qū)地面為偏北風(fēng)，南部地區(qū)為偏東風(fēng)或東南風(fēng)，而南寧處于兩者之間，風(fēng)速很小，處于弱的輻合區(qū)的偏冷空氣一側(cè)，此類型時(shí)濃霧天氣通常出現(xiàn)在弱輻合線附近及偏冷空氣一側(cè)，有時(shí)也能出現(xiàn)廣西全區(qū)性的濃霧天氣。此類天氣型與劉艷杰、萬瑜等［11-12］的研究結(jié)果較為近似。

圖6 輻射濃霧地面形勢(shì)圖（2004年2月9日08時(shí)）Fig.6 Surface situation field during the radiation dense fog process （8 a.m.，F(xiàn)abruary 9， 2004）

5.2.2 南風(fēng)輻合型

此天氣類型主要特征是濃霧天氣出現(xiàn)前，廣西東部、南部地區(qū)風(fēng)場(chǎng)出現(xiàn)變化，風(fēng)向偏轉(zhuǎn)致使偏東及偏南分量加大，主要表現(xiàn)為原本東北風(fēng)或偏北風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)槠珫|風(fēng)、東南風(fēng)或偏南風(fēng)，南寧以東及以南地市風(fēng)速約在2～4m／s之間，與此同時(shí)廣西北部地區(qū)偏北風(fēng)分量減小，風(fēng)速也減小，因而在廣西中部或南部形成弱的輻合。濃霧天氣多出現(xiàn)在廣西南部到中部地區(qū)，有時(shí)廣西北部也能夠出現(xiàn)。

6 濃霧的邊界層特征

濃霧天氣發(fā)生高度及垂直厚度都局限在邊界層內(nèi)，因而分析邊界層內(nèi)的層結(jié)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，南寧濃霧天氣都發(fā)生在層結(jié)穩(wěn)定大氣中，層結(jié)主要特征是絕大多數(shù)濃霧個(gè)例都會(huì)在1000～925hPa氣層出現(xiàn)具備一定特征的溫濕層結(jié)結(jié)構(gòu)，且這樣的層結(jié)結(jié)構(gòu)較薄，局限在925hPa對(duì)應(yīng)高度以下，而在925hPa對(duì)應(yīng)高度以上層結(jié)不具備明顯規(guī)律。依據(jù)1000～925hPa層結(jié)情況，分為逆溫型、等溫型及濕層型（圖8）。

圖7 平流霧地面形勢(shì)Fig.7 Surface situation field during the advection dense fog process

6.1 逆溫型

濃霧發(fā)生時(shí)1000～925hPa存在逆溫層，且在濃霧發(fā)生前，逆溫現(xiàn)象發(fā)展加強(qiáng)，即在濃霧出現(xiàn)前12小時(shí)，由原本的正常層結(jié)變?yōu)槟鏈貙咏Y(jié)，或者原本已經(jīng)存在的逆溫得到加強(qiáng)。逆溫層很淺薄，垂直厚度通常在200m以下，甚至可能不足50m，絕大多數(shù)局限在925hPa高度以下，這與管琴等［13］研究認(rèn)為20～1500m高度氣層存在逆溫層可作為山西省霧的預(yù)報(bào)指標(biāo)的結(jié)論較為相近。925hPa高度以上也可能出現(xiàn)逆溫，但結(jié)合個(gè)例統(tǒng)計(jì)和濃霧形成原理分析，邊界層以上是否有逆溫層結(jié)對(duì)其影響較小，因此不作分析。馬翠平等［14-15］指出，當(dāng)邊界層風(fēng)速增大或強(qiáng)冷空氣到來使得逆溫層結(jié)遭到破壞時(shí)，大霧將消散。

6.2 等溫型

濃霧出現(xiàn)時(shí)1000～925hPa氣層的溫度變化率極小，近似于等溫層。而在濃霧發(fā)生之前層結(jié)為正常類型且具有一定的不穩(wěn)定能量。當(dāng)能量釋放或天氣形勢(shì)發(fā)生變化，層結(jié)穩(wěn)定性明顯加強(qiáng)，1000～925hPa溫度直減率迅速減小時(shí)，濃霧出現(xiàn)。

6.3 濕層型

圖8 濃霧典型層結(jié)結(jié)構(gòu)Fig.8 Dense fog typical structure of vertical stratification

趙娜等［16］對(duì)北京持續(xù)霧霾過程分析認(rèn)為，持續(xù)輕霧對(duì)濕層厚度要求不高，且濕層越厚能見度越低，韓余等［17］研究認(rèn)為濕層深厚是雨霧形成時(shí)濕度垂直結(jié)構(gòu)的主要特征。南寧發(fā)生濃霧時(shí)其中一類大氣層結(jié)也有近似的特征，與逆溫型及等溫型不同，此類型時(shí)溫度隨高度而減小，大氣層結(jié)從下到上較為一致，邊界層近似飽和，其濕層明顯比逆溫型和等溫型要厚，可以從近地面層一直擴(kuò)展到700hPa對(duì)應(yīng)高度甚至更高。

7 結(jié)論

對(duì)2001—2015年南寧市能見度低于200m的濃霧天氣的形成機(jī)理和邊界特征進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：

（1）每年南寧濃霧日有1～18天，年際變化大。1～3月為南寧市濃霧發(fā)生的高峰期。

（2）南寧市濃霧天氣500hPa形勢(shì)可以分為緯向西風(fēng)波動(dòng)型、槽后西北氣流型、槽前西南氣流型、副熱帶高壓后部回流型等4種主要類型。

（3）南寧市平流濃霧可以分為鋒前暖區(qū)型和南風(fēng)輻合型，風(fēng)場(chǎng)的平流作用使得南寧或臨近地區(qū)存在風(fēng)向輻合的弱輻合線。鋒前暖區(qū)型平流霧以偏北風(fēng)與偏東風(fēng)或東南風(fēng)輻合為主，南風(fēng)輻合型平流霧以偏東風(fēng)和東南風(fēng)或偏南風(fēng)輻合為主。平流濃霧發(fā)生在弱輻合線附近地區(qū)。

（4）南寧市輻射濃霧主要發(fā)生在地面冷高壓脊控制下，或者冷高壓東移減弱之后轉(zhuǎn)為變性高壓脊或者均壓場(chǎng)控制時(shí)。

［1］ 林建，楊貴名，毛冬艷.我國大霧的時(shí)空分布特征及其發(fā)生的環(huán)流形勢(shì)［J］.氣候與環(huán)境研究，2008，13（2）：171-181.

［2］ 侯瑞欽，李江波，趙玉廣.河北平原一次持續(xù)大霧天氣分析［J］.干旱氣象，2009，27（3）：263-270.

［3］ 劉熙明，胡非，鄒海波，等.北京地區(qū)一次典型大霧天氣過程的邊界層特征分析［J］.高原氣象，2010，29（5）：1174-1182.

［4］ 吳哲紅，符鳳飛，王興菊，等.安順大霧的環(huán)流分型及典型個(gè)例分析［J］.貴州氣象，2017，41（1）：1-7+15.

［5］ 袁智生，陳濤，肖蘭，等.湖南省近43年霧霾氣候變化特征分析［J］.防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，17（4）：61-67.

［6］ 王西磊，孟憲貴，趙京峰.2011年12月3-7日山東省連續(xù)大霧分析［J］.氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，29（5）：20-25.

［7］ 喻謙花，邵宇翔，齊伊玲.2012年河南省中東部一次大霧成因分析［J］.氣象與環(huán)境科學(xué)，2012，35（4）：27-31.

［8］ 黃彬，王皘，陸雪，等.黃渤海一次持續(xù)性大霧過程的邊界層特征及生消機(jī)理分析［J］.氣象，2014，40（11）：1324-1337.

［9］ 趙玉廣，李江波，李青春.華北平原3次持續(xù)性大霧過程的特征及成因分析［J］.氣象，2015，41（4）：427-437.

［10］ 歐陽也能，袁紅松，游梟雄，等.湘潭市大霧的時(shí)空分布特征及其發(fā)生的天氣形勢(shì)分類［J］.氣象與環(huán)境科學(xué)，2015，38（2）：82-86.

［11］ 劉艷杰，許敏，李娜，等.京津冀連續(xù)霧霾及重污染天氣特征分析［J］.防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，19（1）：47-55.

［12］ 萬瑜，曹興，竇新英，等.2011年12月烏魯木齊市一次大霧天氣成因［J］.干旱氣象，2013，31（2）：383-389.

［13］ 管琴，李青平，黃鈴光，等.太原霧天能見度預(yù)報(bào)［J］.氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，29（4）：47-53.

［14］ 馬翠平，吳彬貴，李云川，等.冀中南連續(xù)12天大霧天氣的形成及維持機(jī)制［J］.高原氣象，2012，31（6）：1663-1674.

［15］ 馬翠平，吳彬貴，李江波，等.一次持續(xù)性大霧邊界層結(jié)構(gòu)特征及診斷分析［J］.氣象，2014，40（6）：715-722.

［16］ 趙娜，尹志聰，吳方.北京一次持續(xù)性霧霾的特征及成因分析［J］.氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，30（5）：15-20.

［17］ 韓余，劉德，王歡，等.重慶霧氣候特征及天氣成因分析［J］.氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，29（6）：116-122.