冬季持续性大雾诊断分析

卢绪兰，卢培玉

(1.成都信息工程大学 大气科学学院，四川 成都 610225； 2.山东省人工影响天气办公室，山东 济南 250031)

雾是指空气中悬浮着大量的微小水滴，使大气水平能见度小于1 000 m的天气现象[1]。雾不仅会对能见度有严重影响，还会给人们的日常生活及农作物生长带来诸多不利的影响。山东的大雾天气在秋冬季出现最多，主要类型是由地面长波辐射降温使近地层空气饱和而形成辐射雾[2]。冬季是反季农事活动最活跃的时期，冬季大雾对设施农业活动影响很大。大雾使温室接受的日照减少，影响了农作物叶片的光合作用。另外发生大雾天气时湿度增加，影响植物蒸腾作用，不利于根系水分吸收，影响农作物发育。对雾的形成与发展机制进行研究、合理应用气象资源、趋利避害，是设施农业活动稳产的重要前提与关键[3]。提高对雾生成、消散机制和发展规律的认识水平，不仅能保障农业活动的顺利进行，还可尽量减轻雾对人们的生活影响。

近年来，许多学者对雾的生消过程、物理特征、时空分布、形成机制等研究已取得大量成果[4-5]。赵衍斌等[6]从大气环流背景、大气层结条件、近地面水汽条件等方面进行分析，揭示雾的产生和消散所需要的条件。徐义国等[7]利用国家观测站数据分析了2018年河北一次持续大雾天气的成因。葛良玉等[8]分析了产生雾的天气形势，研究了雾区重要物理量分布特征，讨论了雾的形成和长时间维持的原因。李子华等[9]的研究表明，辐射雾形成后释放的大量潜热是雾爆发性增厚的特征，逆温层随高度分层，常有水汽积累。本研究使用天气学诊断分析的方法对大气环流形势和物理量变化进行分析，剖析此次冬季持续性大雾的演变特征，讨论了影响本次大雾生消物理过程中的逆温结构和湍流混合问题，总结连续性大雾天气的成因，旨在为今后的预报提供参考。

1 资料与方法

选取2019年12月8—10日山东发生的持续3 d的一场冬季大雾，采用NECP/NCAR 1°×1°再分析资料、济南站(36.36°N，117°E)的探空资料、常规气象观测资料、自动站观测资料进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 大雾形成环流背景及其形成条件

在500 hPa上，大雾发生前，乌拉尔山以东为一槽一脊型，从乌拉尔山到东亚整个地区被乌拉尔高压脊前的西北气流控制，高空环流形势稳定，没有大的天气系统过境。大雾发生前期，高空西北气流中有中支槽产生，南支槽发展加深，华北和华东偏南气流增强，有利于带来南方暖湿气流，为雾的形成提供了准备条件。后期有弱冷空气影响，9—10日东亚地区高空锋区有所加强，冷空气入侵山东。

在850 hPa，7日山东位于辐高边缘的北侧，并且沿着辐高边缘不断有西风短波槽经过，受副高的影响，有利于使地面的气团变暖；8—9日副高减弱南退，南支槽开始发展。山东位于副高西侧南支槽前的西南气流中，并且在山东境内有弱的温度脊配合。丰富的暖湿气流和冷的下垫面相遇，为大范围雾的形成提供了有利条件[10]。

从地面形势来看，雾主要发生在地面至200～400 m高的近地面层内，其形成与地面天气形势有密切关系。5日20：00在山东和河北的南部产生倒槽，至6日2：00，倒槽在原地形成地面气旋，控制了整个山东的西部地区。随着蒙古高压加强东移，锋区也逐渐东移，从6日夜间到7日中午以前，2次弱冷锋依次影响山东并迅速移出；8—9日山东被大陆冷高压控制，由于高压不强，等压线稀疏，有利于均压区的形成，且风速不强，平均风速基本约3 m·s-1。如果风速太大，湍流太强，则雾易抬升成为低云或消散；如果静风，空气流动缓慢，湍流太弱，则水汽不易向上扩散。因此小风、弱风能使辐射冷却作用和水汽扩展到一定高度，是形成一定厚度雾的先决条件，也是大雾形成和维持的一个基本条件[8]。9日夜间天气晴朗，使地面长波辐射冷却作用达到最强，且近地层中的水汽接近饱和达到凝结成雾的条件。在这种情况下，雾维持并且加强[11]。从10日8：00地面图(图1中b)上可知，山东又被低压系统控制，水汽条件变好，同时湍流交换有所加强，有利于雾的增厚、发展和维持。此后不断有弱冷锋过境，11日凌晨山东被冷高压控制，大雾过程结束。

a—2019年12月10日8：00高空500 hPa形势图(细实线为等高线；虚线为等温线；粗实线为槽线)；b—2019年12月10日8：00地面形势图。图1 大雾形成的环流背景形势

2.2 雾区物理量分布特征

2.2.1 温度对数压力图

8日夜间近地层的湍流运动在垂直、水平方向上都很微弱，上下层动量交换受到抑制，有利于辐射逆温的形成、维持，水汽的凝结在低空积聚凝聚结成雾。强长波辐射使地表冷却迅速降温，地面失去热量后使近地面层的空气也随之冷却，湍流作用不强。热量上下交换较弱，在近地层处形成稳定的逆温层[12]。逆温层使得大气上下层的湍流和动量交换减弱，不利于上升运动发展，使近地层气溶胶微粒和水汽不断积聚，促使大雾天气的发生。

辐射雾常发生在夜间无云或少云、无风或风速很小而相对湿度又较大时。随着逆温层的加厚，空气相对湿度增加近乎饱和，气温稳定下降至一定程度时，就会有大量的水汽凝结成雾滴积聚在逆温层下而形成辐射雾。此后辐射逆温在低层一直维持，至10日，925～800 hPa形成明显的逆温层(图2)。逆温层增强，夜间地表和大气的温差绝对值减小，加上高空环流形势稳定少动，近地层饱和湿层长时间维持，使雾得以维持。11日冷空气东移使逆温层消失，地面风速增大，能见度转好，大雾过程结束。

图2 2019年12月10日8：00济南站的温度对数压力图

2.2.2 雾区散度场

图3是2019年12月10日济南14：00地面散度图。图中最大辐合中心由8日8：00河套西部东移到河南的东北部。0线东移到120 °E的西部，雾的大值区分布在辐合中心。地面弱的辐合，低层气流的辐合促进雾区内湍流混合运动加强，雾向上、向下发展。雾顶增高，同时地面雾迅速向上增长，空中雾迅速向下发展。雾形成后，潜热释放会使局地温度升高，湍流交换加强，雾层爆发性增厚。湍流交换一方面使逆温层的热量下传，另一方面使低层水汽上传。当上传水汽过程占优势时，凝结增加，液态水含量增加，雾层变浓[13]。辐射冷却是辐射雾形成的前提，而湍流则对雾形成的后发展有非常重要的影响。

图3 2019年12月10日济南14：00地面散度图

2.3 雾与温湿度关系

8—10日山东大部分地区地面气压偏低，温度接近露点温度，空气湿度接近饱和或已经饱和。由图4可知，从9日8：00至10日14：00温度曲线和露点曲线几乎重合，空气湿度达到或几乎接近饱和，这段时间济南大雾最为严重。同时这段时间济南气压值较低，被低值系统控制，提供了较好的水汽条件。

图4 济南8—12日的地面三线图

3 小结

大雾过程的背景条件为高空有弱冷空气，低层有逆温，地面上有变性冷高压配合，或处于冷高压的底部或后部，是大雾发生的有利天气条件。温度、露点温度、气压、风场对大雾的形成均有不同程度的影响。弱辐合场和较高的温湿度条件是这次大雾天气持续时间长的原因。地面风速微弱，大气层结稳定，有逆温层存在，特别是降雪、降雨后地面增湿更有利于雾的形成。