湖北省雨霧天氣特征及影響因素研究

陳英英，成丹，譚靜，何明瓊，王麗娟，付志康

（1.湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430205；2.中國氣象局武漢暴雨研究所，武漢 430205）

低能見度是影響交通運(yùn)輸安全的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，通常由濃霧、降水（降雨和降雪）、沙塵暴等天氣引起［1，2］，就湖北省而言，由降雨造成的低能見度事件時(shí)有發(fā)生［3］。通常對能見度影響較大的有兩種，一是短時(shí)強(qiáng)降雨，二是持續(xù)的弱降雨。對流性強(qiáng)降雨，短時(shí)間內(nèi)雨強(qiáng)達(dá)到高值，使能見度急速降低；而持續(xù)性弱降雨容易造成較大范圍、長時(shí)間的低能見度天氣，其出現(xiàn)的概率、持續(xù)時(shí)間、影響范圍明顯高于對流性強(qiáng)降雨，發(fā)生時(shí)的能見度雖不及強(qiáng)盛期的輻射霧、平流霧那么低，但仍可以對民航、高速公路等交通運(yùn)輸?shù)臅惩ê桶踩a(chǎn)生影響，甚至由于能見度未達(dá)到交通管制級別，其產(chǎn)生危害的可能性更大。同時(shí)，除低能見度引起的交通受阻外，它所帶來的路面濕滑也會給交通帶來不良影響。

國內(nèi)外許多學(xué)者對這類由持續(xù)弱降水導(dǎo)致的低能見度天氣現(xiàn)象定義為“雨霧”過程，并對其發(fā)生時(shí)的氣象要素及宏微觀特性進(jìn)行分析研究［4-7］，了解到雨霧多形成于穩(wěn)定性的弱降雨中，雨滴下落過程中的蒸發(fā)是雨霧形成的主要原因［8］。因此，雨霧的預(yù)報(bào)除了考慮環(huán)流背景、地形地貌、大氣層結(jié)、發(fā)展機(jī)制等宏觀特性外，還需要考慮降水粒子譜分布等微觀特征，甚至與氣溶膠粒子的濃度也有關(guān)系，不同地區(qū)存在明顯差異。

為研究湖北省由雨霧造成低能見度事件的共性特征，基于較長時(shí)間序列的大樣本觀測資料，首先，統(tǒng)計(jì)不同強(qiáng)度降水和能見度的相關(guān)關(guān)系，提取本研究雨霧定義中關(guān)于降水和能見度的特征閾值；其次，分析雨霧形成的氣象和環(huán)境要素背景，然后繪制湖北雨霧的時(shí)空分布圖，并分析規(guī)律；最后，研究典型雨霧個(gè)例的滴譜特征，為低能見度降雨預(yù)報(bào)提供技術(shù)支撐，以提升湖北省針對公路、航運(yùn)、航空等領(lǐng)域的交通氣象服務(wù)能力。

1 數(shù)據(jù)來源

2016—2019年湖北省81個(gè)國家基本站逐小時(shí)降雨量、相對濕度、風(fēng)向風(fēng)速、最小能見度、天氣現(xiàn)象等觀測資料；2016—2019年武漢市環(huán)境監(jiān)測資料；2016—2019年咸寧市典型雨霧過程雨滴譜資料。

2 低能見度事件的天氣現(xiàn)象特征及雨霧的定義

2.1 低能見度事件的天氣現(xiàn)象特征

以小時(shí)最低能見度≤1 000 m為閾值，分析2016—2019年湖北省81個(gè)基本氣象站水平低能見度事件發(fā)生時(shí)對應(yīng)的天氣現(xiàn)象，判定依據(jù)如表1所示。

表1 各類天氣現(xiàn)象的判定指標(biāo)

從圖1a可知，由降水造成的低能見度事件占比33.7%，是湖北省低能見度事件的一種重要類型，降水對能見度的影響客觀存在且不容忽視，而目前氣象部門所發(fā)布的大霧預(yù)警信號中并未對此類天氣現(xiàn)象做出區(qū)分。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)（圖1b），在所有因降水引起的低能見度事件中，小雨量級占比最大，達(dá)到61.8%，毛毛雨次之，為19.7%，2類合計(jì)超過80.0%。

圖1 低能見度事件與降水現(xiàn)象的關(guān)系

2.2 低能見度事件中不同雨強(qiáng)的占比

對上述能見度≤1 000 m的區(qū)間再次分檔為0? 50 m、50?100 m、100?200 m、200?500 m、500?1 000 m，繪制每檔所對應(yīng)的不同小時(shí)降雨量所占的比率分布，從圖2可以看出，在所有低能見度分檔中，0 mm/h＜雨強(qiáng)≤1 mm/h所占的比率都是最大的，均超過60%，在0?50 m的能見度區(qū)間，占比甚至超過80%；排名第二的為1 mm/h＜雨強(qiáng)≤2 mm/h的等級。說明湖北省因短時(shí)強(qiáng)降水引起的低能見度事件較少發(fā)生，與其他省份不同［9］，而由雨強(qiáng)微弱的降水導(dǎo)致的低能見度事件占主導(dǎo)。

圖2 不同能見度區(qū)間對應(yīng)的不同等級雨強(qiáng)比率分布

2.3 雨霧樣本的定義

由于雨強(qiáng)在0?1 mm/h時(shí)導(dǎo)致的低能見度天氣在湖北省占絕對多數(shù)，因此，本研究的雨霧個(gè)例定義為小時(shí)最小能見度≤1 000 m且小時(shí)降雨量在（0，1］mm的樣本，數(shù)量按逐小時(shí)、逐站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)。

3 結(jié)果與分析

3.1 雨霧樣本的氣象及環(huán)境要素分析

3.1.1 雨霧樣本的氣象要素特征2016—2019年湖北省81個(gè)國家基本站的雨霧樣本共計(jì)17 079個(gè)，由圖3a可以看出，雨霧過程的最低能見度主要分布在500?1 000 m區(qū)間內(nèi)（61.08%），小于200 m的樣本占15.08%；相對濕度在95%?100%占比達(dá)85.09%，存在1個(gè)明顯的峰值，說明雨霧過程中的水蒸氣大多處于近飽和狀態(tài)（圖3b）；圖3c顯示雨霧過程風(fēng)速在1?2 m/s的區(qū)間占比最大（36.64%），0?1 m/s區(qū)間次之（28.72%），可見即使有微風(fēng)，降雨仍然能夠?qū)δ芤姸犬a(chǎn)生有效影響。

圖3 雨霧過程氣象要素分布特征

圖4顯示雨霧過程風(fēng)向基本為偏北風(fēng)，北偏西出現(xiàn)的概率大于北偏東，正北風(fēng)的風(fēng)向占比最大，達(dá)到15.32%，說明雨霧過程多伴隨著冷空氣的入侵。風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)時(shí)，風(fēng)力顯著大于其他風(fēng)向的風(fēng)速等級，另外，風(fēng)速在0?0.2 m/s的靜風(fēng)頻率為0。

圖4 雨霧過程的風(fēng)向風(fēng)速

3.1.2 雨霧樣本的環(huán)境要素特征 武漢市作為中部地區(qū)高濕度代表城市，大氣污染相對嚴(yán)重，有研究表明［10］，細(xì)顆粒物濃度與相對濕度共同影響和制約大氣能見度變化，高濕高濃度時(shí)能見度顯著下降，當(dāng)相對濕度大于90%時(shí)，能見度隨濕度升高呈線性遞減。在此分析2016—2019年武漢市逐月的平均AQI指數(shù)和雨霧出現(xiàn)頻次的分布規(guī)律，由圖5可以看出，AQI指數(shù)呈明顯的季節(jié)特征，秋冬季高、春夏季低，雨霧出現(xiàn)的頻次與AQI指數(shù)均值具有較好的一致性，其中2016年1月、2018年1月和2019年1月的同步峰值特征明顯，證實(shí)環(huán)境污染是雨霧預(yù)報(bào)中需要考慮的因素之一。

圖5 2016—2019年武漢市逐月雨霧出現(xiàn)頻數(shù)與月平均AQI指數(shù)的對應(yīng)關(guān)系

3.2 雨霧樣本的時(shí)空分布特征

3.2.1 雨霧的時(shí)間分布規(guī)律圖6為所有由雨霧引起的低能見度事件的頻率、小時(shí)降雨量、小時(shí)最低能見度的月平均和逐時(shí)平均的變化，可以看出，頻率的季節(jié)分布特征明顯（圖6a），冬季所占比率最大，這可能與冬季靜穩(wěn)天氣下污染物濃度較高有關(guān)，極值出現(xiàn)在1月；由雨霧引起的逐月低能見度均值為460?620 m，6月最低。從圖6b時(shí)刻分布來看，全天各時(shí)段均可能出現(xiàn)雨霧，但22時(shí)—次日09時(shí)是高發(fā)時(shí)段，06時(shí)出現(xiàn)的概率最大，白天出現(xiàn)的頻率相對較低；由雨霧引起的逐時(shí)低能見度均值在540? 620 m的范圍區(qū)間，03時(shí)最低。

圖6 雨霧過程頻率、小時(shí)降雨量和小時(shí)最低能見度月平均（a）、逐時(shí)平均（b）的變化規(guī)律

3.2.2 雨霧的空間分布規(guī)律從圖7空間分布來看，由雨霧引起的低能見度事件空間差異顯著，在宜昌市和咸寧市有明顯的高頻中心，2016—2019年發(fā)生比率（單站的雨霧頻數(shù)與湖北全省所有站的雨霧頻數(shù)的比值）為6%?7%，顯著高于其他站點(diǎn)，這可能與地形特征有關(guān)，雨霧多發(fā)區(qū)均處于山地或丘陵的邊緣，受地形的抬升作用影響，易出現(xiàn)細(xì)雨天氣。

圖7 雨霧發(fā)生頻數(shù)的空間分布

3.3 典型雨霧個(gè)例的雨滴譜特征

雨霧發(fā)生時(shí)影響能見度的要素主要是小雨滴和小霧滴，因此，分析雨霧過程中的滴譜分布特征可以更好地理解雨霧產(chǎn)生低能見度的原因。利用德國OTT Parsivel2激光雨滴譜儀進(jìn)行研究，其可探測的液滴直徑范圍為0.2?8.0 mm、固態(tài)粒子直徑為0.2? 25.0 mm，可探測的下落速度范圍為0.2?20.0 m/s，其中直徑和下落速度均分32檔，具體分檔如下。

雨滴譜儀中值直徑分檔為0.062、0.187、0.312、0.437、0.562、0.687、0.812、0.937、1.062、1.187、1.375、1.625、1.875、2.125、2.375、2.750、3.250、3.750、4.250、4.750、5.500、6.500、7.500、8.500、9.500、11.000、13.000、15.000、17.000、19.000、21.500、24.500 mm；速度也分32檔，中值速度分檔為0.05、0.15、0.25、0.35、0.45、0.55、0.65、0.75、0.85、0.96、1.10、1.30、1.50、1.70、1.90、2.20、2.60、3.00、3.40、3.80、4.40、5.20、6.00、6.80、7.60、8.80、10.40、12.00、13.60、15.20、17.60、20.80 m/s。

雨霧多發(fā)的咸寧市2016年10月19日1次典型雨霧過程的微物理參量特征，當(dāng)日08時(shí)至次日02時(shí)最小水平能見度基本穩(wěn)定在1 km以下，下面以08：00—12：00、13：00—17：00共8個(gè)時(shí)次為例進(jìn)行分析（表2），小時(shí)雨量為0.1?0.5 mm。每小時(shí)的雨滴數(shù)量差別很大，為1 574?25 456個(gè)，雨滴的譜寬雖然分布較廣、但峰值直徑大多在2?3 mm，而雨滴的下落速度相對穩(wěn)定、峰值速度均在0.35?0.75 m/s。

表2 咸寧市秋季雨霧天氣的微物理參量

從圖8、圖9的譜分布可以看出，在這8個(gè)能見度低于1 km的雨霧時(shí)段，直徑與速度曲線基本呈冪函數(shù)分布特征，雨滴個(gè)數(shù)較多的滴譜分布區(qū)間較窄、雨滴速度較小，有利于蒸發(fā)作用。另外，在能見度低于500 m的前2個(gè)時(shí)段，雨滴的數(shù)量明顯高于其他幾個(gè)時(shí)段，雨滴數(shù)密度高可能是造成雨霧低能見度的主要因素。

圖8 2016年10月19日上午觀測雨霧過程的譜分布

圖9 2016年10月19日下午觀測雨霧過程的譜分布

4 小結(jié)與討論

本研究基于2016—2019年湖北省81個(gè)國家站逐小時(shí)降雨量、相對濕度、風(fēng)向風(fēng)速、最小能見度等觀測資料，結(jié)合武漢市環(huán)境監(jiān)測和激光雨滴譜儀資料，對降水造成的低能見度事件，尤其是雨霧過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在雨霧的影響因素、分布特征、微觀參量等方面得到以下結(jié)論：①降水是除霧以外造成湖北省低能見度天氣的主要原因，根據(jù)不同小時(shí)雨強(qiáng)所占的比率分析，湖北省影響能見度的主要降雨強(qiáng)度為0?1 mm/h，定義為雨霧。②造成低能見度的原因不是雨強(qiáng)，而是持續(xù)降水及雨滴的蒸發(fā)，對應(yīng)的能見度區(qū)間主要是500?1 000 m，風(fēng)向多為偏北風(fēng)，風(fēng)速60%以上在0?2 m/s的區(qū)間。③冬季是雨霧的高發(fā)季節(jié)，夜間發(fā)生頻次高于白天，宜昌市和咸寧市是湖北省內(nèi)明顯的高發(fā)中心，可能與山地丘陵等地形的影響有關(guān)。④雨霧頻次與AQI指數(shù)具有一定的相關(guān)性，高濕背景下空氣污染物濃度的增加有利于雨霧的發(fā)生。⑤雨霧滴譜圖中直徑與速度曲線基本呈冪函數(shù)分布特征，雨滴數(shù)密度高、下落速度小可能是造成雨霧低能見度的主要因素。

綜上，雨霧的預(yù)報(bào)可從以下幾個(gè)方面考慮：①有利的環(huán)境背景。500 hPa低槽東移、700 hPa有切變、850 hPa水汽輸送，地面冷高壓主體偏北，缺乏明顯的冷空氣配合，降雨效率有限；②氣象因子診斷。中低層處于近飽和狀態(tài)，地面以弱風(fēng)為主（靜風(fēng)少見），0℃層位于500?700 hPa間，層結(jié)穩(wěn)定，可能有逆溫結(jié)構(gòu)特征，但不是必要條件；③環(huán)境影響因子。冬季高污染物濃度對雨霧的發(fā)生有促進(jìn)作用；④基于實(shí)況的臨近預(yù)警。當(dāng)湖北省區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間≥3 h的小雨，且預(yù)計(jì)降水仍將持續(xù)，可考慮發(fā)布雨霧預(yù)警預(yù)報(bào)。