天津沿岸一次持续性强浓雾演变特征观测分析

靳振华，吴彬贵，林 毅，徐灵芝

(1. 天津市滨海新区气象局 天津300457；2. 天津市气象局 天津300074)

0 引 言

雾是贴地层空气达到饱和时，水汽凝结为水滴或冰晶，使水平能见度降至 1km 以内的天气现象，在水汽丰富的近海及沿岸多发，具有范围广、浓度强和维持时间长等特点[1]，其造成的低能见度给交通运输、工农业生产、海上作业和船舶航行等带来隐患[2]，严重影响近海沿岸港口经济的发展。因此，加强雾的发生特征和成因机理研究，完善雾的监测、预警和预报，已成为十分紧迫的任务。

Taylor[3]首次用科学的方法研究辐射雾，之后，国内外科学家开始对雾进行系统性观测研究。Croft等[4]和 Gultepe等[5]均指出，准确预报预警雾的困难在于对雾中物理过程的认识还不够，因此雾的探测研究是非常重要的。近年来大量学者开展了雾的形成机理和预报研究，分析了不同类型大雾天气学、边界层条件、气象要素等。陆春松等[6]指出宏观天气系统和边界层结构对雾的生消起主导作用；程相坤等[7]指出大连地区观测发现平流雾的逆温为弱的逆温或无逆温，辐射雾逆温厚而强；李子华等[8]通过研究南京 27次雾过程，发现辐射雾由浓雾发展为强浓雾的过程中，都具有爆发性增强特征，其本质就是雾滴谱爆发性拓宽，数密度和含水量骤然增大；濮梅娟等[9]通过分析南京2006年12月24～27日一次平流辐射雾过程的特征指出雾体内强逆温层长期存在是雾长时间维持的热力学条件，最强达 16.3℃/100m，夜晚长波辐射增强，气温急剧下降可使雾爆发性加强；Shi等[10]基于 MM5模拟了安徽省的一次持续 36h的辐射平流雾，并指出来自东南方的强暖湿空气输送是雾维持的主要原因；郭丽君等[11]通过分析北京地区 13次大雾天气过程指出平流雾的平均雾顶高度不超过1.0km，主要是由来自西南和东南的暖湿平流移经北京地区冷下垫面后冷却降温过程产生，强逆温的形成有利于雾的持续发展。

多通道微波辐射计廓线仪可获得高时间分辨率的温湿度廓线数据，对揭示雾的结构、演变过程和物理成因非常重要。Ware等[12]研究了发生在2001年2月16日科罗拉多州Boulder市的一次上坡雾过程，对比了 MM 模式预报和微波辐射计探测的温湿度和液态水廓线结构，结果表明：微波辐射计可以清晰反映雾的温湿结构和液态水含量的垂直结构。张光智等[13]通过对北京2001年2月21～23日大雾过程的垂直结构特征及其变化进行探测分析，发现大雾期间不同时段温度场、湿度场和风场垂直结构具有显著差异。郭丽君等[14]使用微波辐射计资料分析了 2011年12月1～7日华北地区长达一周的雾霾天气的产生、演变及转变的基本特征，指出微波辐射计在判别雾的发展和演变趋势方面具比较好的可靠性。

2016年12月31日～2017年1月4日天津沿岸发生一次持续性浓雾天气，浓雾(能见距离小于500m)持续 52h。本文利用常规地面观测、Micaps、微波辐射计、风廓线仪等观测资料，详细分析了此次大雾天气的大尺度环流形势，重点分析了2个浓雾时段地面气象要素和边界层温湿度及风场垂直结构的演变特征，为大雾天气的识别和预报提供更多的科学依据。

1 资料与方法

本文所用的资料包括：塘沽站整点逐时能见度、温度和相对湿度，Micaps气象数据，微波辐射计观测的温度及相对湿度、风廓线仪观测的风场。

2 浓雾天气实况

2016年12月31日～2017年1月4日天津沿岸出现大范围浓雾天气，图1给出了塘沽站逐时最小能见度和相对湿度的时间演变。从图中可以看到，浓雾主体集中在2个阶段：31日18时～19时，能见度由847m 迅速下降至 171m，1日 06时最小能见度为71m，2日 05～06时，能见度由 278m 迅速上升至520m；3日20时～21时，能见度由569m迅速下降至85m，4日02时最小能见度为72m，4日09时～10时，能见度由148m迅速上升至602m。以上分析表明，此次强浓雾呈阶段性、浓度大等特征。下面运用多种观测资料对浓雾最强时段的物理机制和影响因子进行分析探讨。

图1 2016年 12月 31日 08时～2017年 1月 4日 20时塘沽站逐时最小能见度和相对湿度的时间演变Fig.1 Evolution of hourly minimum visibility and relative humidity in Tanggu Station from 08：00 on 31 December 2016 to 20：00 on 4 January 2017

3 天气形势

天气系统是影响雾发生、发展的主要因素。2016年12月31日20时～2017年1月2日08时，500hPa、700hPa以纬向环流为主，天津地区受西北偏西气流影响，850hPa、925hPa和 1000hPa，1日08时为暖性结构，1日 20时有南北向切变线过境，切变线前西南暖湿气流为浓雾的形成提供水汽条件。

图 2(a～d)给出了浓雾时段 1期间地面气压场分布，从图中可以看出，31日 17时～1日 05时，天津地区由两高之间均压场转为鞍型场，风速较小，有利于雾的形成，1日 23时，天津处于高压前部，开始有弱冷空气不断渗透下来，受东北风及辐射降温影响，使得水汽更易达到饱和，能见度仍然维持较低，2日 08时，天津转为高压控制，随着西北风的加大，能见度逐渐转好。

2017年 1月 3日 20时～1月 4日 08时，500hPa、700hPa、850hPa，天津地区受西北气流控制，925hPa西南气流强盛，1000hPa受偏东气流影响，为浓雾的形成提供水汽条件，温度场显示925hPa、1000hPa伴有暖脊过境。

图2(e～f)给出了浓雾时段2期间地面气压场分布，可以看出，3日 20时，天津位于高压前部，等压线稀疏，气压场较弱，4日 08时，逐渐转为高压控制，随着西北路径冷空气的渗透，能见度逐渐转好。

图2 地面气压场分布Fig.2 Distribution of surface pressure field

4 浓雾过程中近地面气象要素变化

近地面温、湿、风随时间的变化对雾的生消有重要作用。

4.1 温度、相对湿度

图 3给出了塘沽站最高气温和最小相对湿度逐时的变化，从图中可以看出，浓雾时段 1期间，最高气温基本维持0℃以下，属于冷雾，只是在 1日13时～16时和1日20时～23时温度有所升高，出现短暂暖雾，之后伴随冷空气的入侵，气温急剧下降(图3a)，31日19时～21时，最小相对湿度由91%迅速增加至 99%，之后一直维持不变；浓雾时段 2期间，最高气温均维持 0℃以下，属于冷雾，1日21时～22时，最小相对湿度由 97%增加至 99%，之后一直维持不变。

4.2 风

图4给出了塘沽站10min平均风速和风向逐时变化，从图中可以看出，浓雾时段1期间，31日19时～1日09时维持西南风，为雾区提供水汽，1日10时～19时，冷空气逐渐渗透，转为东北风，1日 20时～2日09时为西北风，最大风速出现在2日00时，为3m/s，弱冷空气遇到充足的水汽，使得水汽凝结，雾天气维持；浓雾时段 2期间，风向多变，风速微弱，3日22时～4日0时为偏西风，4日01时～07时转为偏北风，4日 08时～09时为东南风，最大风速为1.7m/s，弱风或静风条件有利于雾天气发展和持续。

图3 浓雾期间最高气温和最小相对湿度逐时变化Fig.3 Hourly variation of maximum temperature and minimum relative humidity during thick fog

图4 浓雾期间10 min平均风速和风向逐时变化Fig.4 Hourly variation of ten minute average wind speed and wind direction

5 浓雾期间大气的垂直结构

边界层内的温度场、风场、湿度场相互影响、相互制约，共同导致了雾的生消[15]。逆温是雾出现和维持的一个重要条件[16]。选用天津的微波辐射计及风廓线资料分析浓雾期间垂直的温湿和风场结构。

5.1 温湿结构

图 5给出了浓雾期间逆温厚度和最强逆温强度的逐时变化，从图中可以发现，浓雾时段 1期间，逆温层厚度呈现小波动，但一直稳定存在，最大厚度为1.0km，维持 4h，最强逆温极大值为 1.3℃/50m，极小值为0.5℃/50m(图5a)；浓雾时段2期间，逆温层厚度有一次大波动，整体看较浓雾时段 1偏大，最大厚度为 1.1km，1.0km 以上维持 10h，强逆温极大值为1.6℃/50m，极小值为1.0℃/50m(图5b)。

图5 浓雾期间逆温厚度和最强逆温强度逐时变化Fig.5 Hourly variation of inversion thickness and intensity

图6给出了浓雾期间相对湿度达到100%的饱和层厚度逐时变化，从图中可以发现，浓雾时段 1期间，饱和层一直稳定存在，最大厚度 0.35km，2日09时，饱和层消失，浓雾减弱转为雾(图 6a)；浓雾时段2期间的饱和层较浓雾时段1明显偏小，最大厚度仅为0.15km(图6b)。

可见，逆温层和饱和层的长时间维持是浓雾持续的重要条件，浓雾时段 2逆温强度偏强，浓雾时段 1水汽较为充沛。

图6 浓雾期间饱和层厚度逐时变化Fig.6 Hourly variation of saturated layer thickness

5.2 风场结构

图7给出了浓雾期间垂直风场结构，从图中可以发现，浓雾时段1期间，12月31日19时～1月1日10时，1.5km 以下为西南风气流，最大风速 16m/s，达到了急流的强度，1月 1日 11时～20时，1.5km以下转为东北风，1月1日21时～1月2日09时，1.5km 以下转为北风(图 7a)；浓雾时段 2期间近地层风速较小，以东南风为主(图7b)。

由以上分析可知，低空西南急流为浓雾时段1提供了丰富的水汽，呈现平流雾特征，偏北风的入侵使得辐射降温明显，呈现辐射雾特征，浓雾时段 2期间东南风输送的水汽使得浓雾天气维持，风速较小，呈现辐射雾特征。

图7 浓雾期间垂直风逐时变化Fig.7 Hourly variation of vertical wind

6 结 论

本文对2016年12月31日～2017年1月4日天津沿岸出现的大范围浓雾天气进行了天气学、边界层垂直结构基本特征分析，得到以下结论：

①这是一次平流辐射雾过程，呈现阶段性、浓度大特征。

②天气形势场显示，浓雾时段 1期间，500hPa、700hPa以纬向环流为主，850hPa、925hPa和1000hPa为暖性结构，有南北向切变线过境，地面由均压场转为高压前部；浓雾时段 2期间，500hPa、700hPa、850hPa天津地区受西北气流控制，925hPa西南气流强盛，1000hPa受偏东气流影响，925hPa、1000hPa伴有暖脊过境，地面为高压前部。

③近地面气象要素变化显示，整个浓雾期间，最高气温基本维持 0℃以下，以冷雾为主，相对湿度迅速增加至饱和。浓雾时段 1期间，近地面由西南风转为北风，最大风速为 3m/s；浓雾时段 2期间，风向多变，风速微弱。

④温湿场和风场垂直结构显示，浓雾时段 1期间，逆温层一直稳定存在，最大厚度为 1.0km，维持4h，最强逆温极大值为 1.3℃/50m，饱和层最大厚度0.35km，低空急流输送水汽，偏北风的入侵使得辐射降温明显；浓雾时段 2期间，逆温层最大厚度为1.1km，1.0km 以上维持 10h，强逆温极大值为1.6℃/50m，饱和层最大厚度仅为 0.15km，东南风输送的水汽使得浓雾天气维持，风速较小。