辽宁地区一次罕见大雾天气成因分析

王赛頔 阎琦 王晓丽 腾方达

(1.辽宁省气象服务中心,辽宁 沈阳 110166; 2.辽宁省气象台,辽宁 沈阳 110166)

引言

大雾是辽宁省较频发的灾害性天气之一，四季均可出现，给海、陆、空交通造成较大影响。近年来，大雾天气常伴随空气污染出现，对人民健康产生不同程度的危害，大雾天气的社会关注度也越来越高，因此加强对其成因的分析，为大雾预报提供参考，具有一定的业务应用价值。

冷却、水汽饱和是大雾形成的重要前提条件，近年来许多学者对大雾成因进行研究。从气候和天气学角度出发，大多研究分析各地大雾时空分布特征和天气学成因，一般对辐射雾研究较多，其共性特点是微风、逆温、相对湿度大[1-5]。从统计学角度出发，一些研究对大雾影响因子和客观预报方法进行了分析[6-8]。通过对典型大雾过程进行数值模拟，调整不同参数化方案，能够较好的模拟出大雾范围、强度、生消时间，同时使用液态水含量和相对湿度指标共同诊断，能有效提高大雾判识准确率[9-11]。近年来，利用高时空分辨率新资料对大雾过程进行分析，得到大雾过程气象要素精细的变化特征：大雾发生前近地层大气中的相对湿度、水汽密度一般会稳定增加，大雾发生时两者会极剧增加，大雾维持阶段在近地层多伴有逆温，辐射雾逆温层明显；大雾期间雾层高度有稳定型也有波动型，雾层高度下降时大雾会迅速加强；大雾消散时近地层大湿区减小抬升，水汽密度迅速减小[12-13]。根据大雾频率、强度、致灾范围、雾日数和持续时间等对大雾风险评价，杨军等[14]做了有益尝试，该研究对预报服务工作具有较好的参考价值。

辽宁地区2000—2019年24次典型大雾过程统计表明，大雾多出现在夜间，太阳升起后通常会消散，连续2 d出现大雾的仅5次；白天出现大雾的多为夜间大雾的延续，上午基本消散，极少过程持续到午后14时。而2014年11月20—22日辽宁地区出现的大范围、长时间强浓雾，在21日14—16时再次发展，且特强浓雾持续12 h，这在辽宁近20 a比较罕见。因此，从天气学角度对大雾(各个阶段)形成的潜势进行分析，通过物理诊断对形成大雾的热动力、水汽条件进行定量分析，寻找大雾预报着眼点，不断积累大雾预报经验。

诸多研究为大雾天气预报和科研奠定了良好基础，但大雾预报仍然是预报业务的难点，且大雾成因存在地域差别，因此加强不同区域典型大雾天气的精细分析，有利于提高大雾预报水平，减轻或避免大雾造成的灾害。

1 资料与方法

国家标准《雾的预报等级》(GB/T 27964—2011)中规定，雾是悬浮在近地层大气中的大量微细乳白色水滴或冰晶的可见集合体，轻雾、大雾、浓雾、强浓度、特强浓度的能见度(vis)标准分别为1000 m≤vis<10000 m、500 m≤vis<1000 m、200 m≤vis<500 m、50 m≤vis<200 m、vis<50 m。

资料时间段为2014年11月20—22日。通过对比美国环境预报中心业务化全球再分析格点资料(NCEP FNL 1°×1°)与实况环流场表明，2014年11月20—22日辽宁地区大雾过程中，NCEP再分析资料的环流场与实况吻合，而NCEP 再分析资料可以提供多要素高时空分辨率(水平方向空间格距为1°×1°，垂直方向900 hPa以下等压面间距为25 hPa，900 hPa以上为50 hPa，时间步长6 h)资料。因此本文采用NCEP FNL分析环流场。常规资料为中国气象局的常规高空、地面观测资料。非常规资料为全国加密自动站、营口站分钟级能见度观测资料和卫星资料。

2 结果分析

2.1 大雾实况

2014年11月20—22日辽宁各站最小能见度表明辽宁中东部地区出现大雾(图1a)，其中强浓雾、特强浓雾站点数范围分别占52%、22.6%，大范围浓雾在辽宁较为罕见。从营口站10 min平均能见度演变可以看到(图1b)，大雾分为两个阶段，11月20日20—23时(北京时，下同)大雾第一次发展，21日00—08时大雾维持，21日09—13时大雾逐渐减弱到1 km以上的轻雾，第一阶段大雾结束。第二阶段大雾，从21日14时开始快速发展，21日16时至22日03时特强浓雾持续，22日04—08时大雾消散。

图1 2014年11月20—22日最小能见度空间分布(a)和营口站10 min平均能见度变化(b)Fig.1 Spatial distribution of minimum visibility (a) and 10 minute average visibility time evolution at Yingkou station (b) on November 20 to 22,2014

2.2 大雾成因分析

2.2.1 500 hPa环流及影响系统

2014年11月20日和21日20时500 hPa高度场见图2，中高纬度地区为纬向环流，偏西气流中不断有短波槽东移。11月20日14时至21日02时(图2a)，短波槽过境后弱冷平流影响时对应大雾加强阶段。21日14—20时受第二个短波槽影响，在暖平流转为冷平流期间辽宁大雾再次发展。21日20时至22日03时(图2b)，短波槽后弱冷平流影响时能见度维持偏低。虽然两个阶段都有短波槽活动，但第一阶段大雾发展出现在槽后弱西北气流中；第二阶段大雾发展出现在西南转西北气流期间，而维持阶段出现在弱西北气流控制下。

等值线为等高线,单位为 dagpm；填色区域为温度平流,单位为10-5℃·s-1图2 2014年11月20日(a)和21日(b)20时500 hPa位势高度场和温度平流Fig.2 500 hPa potential height field and temperature advection at 20:00 on November 20 (a) and 21 (b),2014

2.2.2 850 hPa环流及影响系统

2014年11月20日08时(图略)中高纬地区有切断低涡形成，中心位于蒙古国东部与内蒙古交界处，20日20时(图3a)低涡缓慢东移强度维持，中国东北地区受低涡前部西南气流影响。21日(图3b)低涡东北方向移动过程中强度减弱，辽宁受低涡底部西偏北气流影响。

等值线为等高线,单位为dagpm；填色区域为温度平流,单位为10-5℃·s-1图3 2014年11月20日(a)和21日(b)14时850 hPa位势高度场和温度平流Fig.3 850 hPa potential height field and temperature advection at 14:00 on November 20 (a) and 21 (b),2014

从温度平流变化看，11月20日08时(图略)至14时(图3a)，850 hPa高度整个辽宁地区受暖平流控制，20日14时至21日08时(图略)暖平流区向东南方向移动，期间辽宁中东部地区受暖平流影响，暖平流利于中低层升温或减缓夜间辐射降温作用，利于夜间时段形成低层逆温条件。21日08时至22日02时随着低涡东移，低涡底部短波槽移过辽宁，辽宁转为弱冷平流影响(图3b)。由此可见，两个阶段大雾850 hPa高度分别受暖、冷平流影响，存在明显不同。因此，两个阶段大雾成因可能存在差异。

2.2.3 动力热力条件演变

利用2014年11月20—22日营口站附近格点所做水平风、垂直速度和θse时间垂直剖面(图4)和温度、温度平流垂直廓线(图5)，分析大雾过程的动力热力演变特征。

黑实线为θse,单位为K;一个风羽为4 m·s-1;填色区域为垂直速度,单位为Pa·s-1图4 2014年11月20—22日营口站垂直速度、θse和风的时空剖面Fig 4 Vertical-time sections of wind，θse and vertical velocity at Yingkou station on November 20-22,2014

大雾第一阶段：雾前(20日14—20时)，等θse线的剖面显示，干冷空气20日14时从中层侵入，20时到达近地面附近，850 hPa高度以下西南风转为偏西风或西北风，说明有锋区过境，500 hPa以下出现较强的上升运动，在辽宁中部及其以东地区出现弱降水(图略)。大雾第一次爆发性发展阶段(20日20时至21日02时)，850 hPa高度以下为弱西北风，850 hPa高度以上为偏西风，因此该阶段在低层锋区后的下沉气流控制下，形成夜间晴空条件(云图略)，大雾发展。21日02—08时，低层弱偏北风转为偏南风，大雾维持。21日上午，900 hPa以下低层偏南风控制下，大雾减弱为轻雾。大雾第二阶段：21日14—20时850 hPa高度以下，出现西南风转西北风过程，冷锋过境，没有等θse线的密集区，说明锋区强度弱，在锋区上升气流中大雾开始发展。21日20时至22日02时锋区过境、弱北风控制时大雾维持。22日02—08时低层北风逐渐加大时大雾消散。

大雾第一阶段：雾前(20日14—20时)，850 hPa受弱暖平流控制(图5b)，低层温度略升高，地面气温由于日变化作用略下降，没有出现逆温。20日20时至21日02时大雾形成阶段，低层受锋后西北气流影响(图4)，有弱冷平流侵入，与晴空辐射降温作用叠加，近地面温度迅速下降，形成逆温(图5c)，大雾发展。21日02—08时近地面层转为偏南风(图4)，近地面层无明显温度平流(图5d)，850 hPa高度以下暖平流与近地面无温度平流共同作用，逆温条件维持，另外温度达到夜间时段最低，大雾快速发展。大雾第二阶段：21日14—20时大雾发展阶段，低层 900—750 hPa有冷平流侵入(图5e和图5f)，近地面仍为弱暖平流，没有逆温条件；21日20时至22日02时强浓雾维持阶段(图5f和图5g)整层均为冷平流，仍未形成逆温；22日02—08时(图4h)逆温形成时雾开始消散。

温度平流单位为10-5℃·s-1图5 2014年11月20日14时(a)、20时(b),21日02时(c)、08时(d)、14时(e)、20时(f)时,22日02时(g)、08时(h)经过122°E,41°N点的温度、温度平流垂直廓线Fig.5 Vertical profile along 122°E,41°N of temperature and temperature advection at 14:00 (a),20:00 (b) on November20，02:00 (c),08:00 (d) ,14:00 (e),20:00 (f) on November 21 and 02:00 (g),08:00 (h) on November 22,2014

综上，大雾两个阶段热力、动力条件存在明显不同。大雾第一阶段，出现在锋后，逆温形成阶段大雾发展，逆温维持阶段大雾维持。大雾第二发展阶段，伴随弱冷锋过境，上升运动情况下，大雾发展，无逆温条件，冷锋后弱冷空气控制阶段大雾维持，冷空气加强后大雾消散。

2.2.4 大雾成因定量精细化分析

大雾第一次发展阶段(2014年11月20日14时至21日06时)：营口站为偏南风(图7d)，风力由3—4级转为1—2级；期间气压场弱，变压基本在±0.5 hPa之间(图7a)；基本维持小时1 ℃以内的降温状态(图7b)，气温下降使得温度露点差减小，20日23时至21日02时小时变湿增大(图7c)，相对湿度达到90%以上(图6a)，大雾发展。21日02—06时变温、变压、变湿均较小(图7)，风小、湿度大、逆温条件利于大雾维持。而21日07—08时气温下降2 ℃左右(图7b)，导致逆温加强，湿度加大，大雾出现短暂加强阶段(图1b)。21日09—14时，负变压(图7a)、弱的偏南风(图7d)，小时正变温1 ℃以上(图7b)，小时负变湿10%以上(图8c)，逆温条件消失，湿度条件变差，大雾减弱成轻雾。由此可见，该阶段大雾主要成因是，20日午后到傍晚连续性弱降水，近地面水汽条件好，夜间晴空辐射降温配合弱冷平流降温作用，导致逆温和相对湿度增大，近地面微风导致水汽不易从水平方向上流出，逆温作用使得水汽不易向高层扩散，近地面层水汽浓度加大，导致第一阶段大雾快速发展，该阶段主要为辐射雾。

一个风羽为4 m·s-1；填色区域为相对湿度,单位为%图6 2014年11月21日02时(a)和15时(b)加密风场和相对湿度场 Fig 6 Intensive wind field and relative humidity field at 02:00 (a) and 15:00 (b) on November 21,2014

图7 2014年11月20—22日营口站小时变压(a)、小时变温(b)、小时变湿(c)和 10 m风速(d)变化Fig 7 Variation of differences of hourly pressure (a),temperature (b),relative humidity (c) and 10 m wind speed (d) at Yingkou station on November 20 to 22,2014

大雾第二阶段，辽宁大部分地区相对湿度在70%以下(图6b)，无逆温(图5e至图5g)，21日14—16时快速发展，由前面动力条件分析得到，该阶段有锋区过境，从21日14时、17时常规地面天气图可以看到(图略)，地面弱冷锋经过期间，大雾快速发展，下面详细分析该阶段大雾成因。21日14—16时营口地面相对湿度开始增加(图7c)，尤其是14—15时增加了10%，渤海北部、黄海北部沿海相对湿度达到70%以上(图6b)，营口站出现南风转北风(图7d)过程，锋面附近弱辐合上升运动(图4)，水汽上升冷却凝结，锋面上低云降下雨滴在干冷空气中蒸发(图略)，有利于近地面附近水汽饱和、冷凝形成雾，负变温、正变湿，即降温增湿(图7)，是该阶段雾快速发展的原因。21日17时至22日04时，低层变温、变湿、变压非常小，弱冷空气影响下强浓雾维持。22日05时后，冷空气东移北风增大，下沉运动增强，尽管出现逆温，但负变湿明显(图7c)，大雾消散。综上，第二阶段为锋面雾，特点是大雾在弱冷锋附近，渤海北部、黄海北部沿海水汽条件较好的区域大雾强烈发展，雾区随锋面移动，出现时间与锋面影响时间关系密切，此种情况在辽宁比较少见。

3 结论

(1)2014年11月20—22日辽宁出现大范围、长时间强浓雾，尤其是21日14—16时大雾快速发展后，特强浓雾持续12 h，此种情况在辽宁近20 a是罕见的。

(2)大雾第一阶段为辐射雾，雾前低层弱暖平流、雾期间中层弱冷平流利于出现晴空辐射条件，夜间辐射降温作用下，975 hPa高度以下形成逆温；地面气温下降、温度露点差减小、相对湿度增大；近地面微风有利于降温，同时水汽不易流出，逆温作用使得水汽不利于向高层扩散，使得近地面层水汽浓度加大，导致第一阶段大雾快速发展。

(3)大雾第二阶段为锋面雾，锋面附近辐合、上升运动导致水汽上升冷却凝结，同时锋上低云降下雨滴在干冷空气中蒸发，利于近地面附近水汽饱和、冷凝，是该阶段大雾快速发展的原因。锋后弱冷空气影响下强浓雾维持，当较强冷空气东移时，大雾消散。