基于探空资料的伊春山区雾预报方法研究

孙 悦,曲 哲,王爱香,石 磊,初雪迎

(伊春市气象局,黑龙江 伊春 153000)

1 引言

大雾天气具有一定的灾害性，近年来，大雾天气频繁发生，大雾发生时，水平能见度<1 km，而浓雾出现时水平能见度要<200 m，大雾及浓雾天气，均会给城市交通、高速公路、铁路、船运、航空等安全带来很大危害，而其一旦与霾结合形成雾霾，将会对人体健康造成很大危害。伊春市（127°37′—130°46′E，46°28′—49°26′N）位于小兴安岭腹地，地貌特征为“八山半水半草一分田”，境内千米以上高峰77 座，林区面积近400 万hm2，森林覆被率达83.8%，地形地貌复杂，春秋季节较易出现大雾及浓雾天气，且伊春市中部地区雾的强度明显强于南北部地区，原因在于北部嘉荫地处出山后平原且沿江，风力较大，水平空气的流动较快；南部铁力地处平原，相较于中部地区不利于雾的形成，而受小兴安岭山前地形辐合的影响，中部地区将低层水汽聚集更易于雾的形成。此外由于伊春地处山区，植被覆盖率较高，且素有“天然氧吧”的美称，出现雾天气时，常对应近地面出现辐射逆温层，并且大雾天气符合“夜间起，清晨浓，白天散”这一典型特征，根据辐射雾定义及判定条件可定义本研究范围内雾均为纯净的山区辐射雾。且伊春市众多交通公路贯穿山区，大雾天气会对哈伊高速、伊春市交通干路、省道、国道等交通安全造成极大影响。在实际预报业务中，由于雾的局地性强、时空分布差异大，其预报存在较大难度，山区雾的预报难度更大。

对于我国大雾的天气特点及成因，已有许多气象工作者进行了研究[1]，如陈传雷等[2]分析了近53 年辽宁雾的时空分布及成因；童尧青等[3]统计分析了南京地区雾的气候特征；陈连友等[4]统计分析秦皇岛内陆、沿海地区雾天气时空分布特征；郭刚等[5]分析了区域性大雾天气的气候统计特征，提出判别大雾出现的预报指标。上述关于雾的研究，均是对一定区域内雾的水平分布规律的研究，而研究山区雾的分布规律较为少见。伊春地区2021 年8-9 月连续出现大雾甚至浓雾天气，对交通影响大，伊春市气象台在2021 年的8-9 月大雾的提前预报预警中发现层结条件对大雾出现与否、出现的站次、浓雾出现的频次有较好的指示意义。

本文利用伊春市2021 年8 月13 日—9 月30 日雾日前一日20 时探空观测资料、Micaps 地面气压场资料、常规气象自动观测资料，对山区辐射雾特征及探空图所提供的预报指示意义进行总结分析。

2 研究区域及资料来源

2.1 资料来源

《地面气象观测规范》（2004 年以前版本）中雾的定义为：大量微小水滴浮游空中，常呈乳白色，使水平能见度<1.0 km。本文根据能见度（V）及伊春市发布预警信号指标，将雾分为两个等级，当0.2 km≤V＜0.5 km 时，为大雾；当V＜0.2 km 时，为浓雾。文中以此为依据进行定义和分级，本文只对能见度≤0.5 km时的雾加以分析。

本研究使用2021 年8 月13 日—9 月30 日伊春市国家基本气象站雾日常规气象自动观测资料；Micaps 地面气压场资料；前一日20 时探空站资料。

2.2 研究区域

研究区域为伊春市全市，南部铁力地处平原，出现山区辐射雾次数较少，而其一旦出现即为大雾或浓雾天气，其它各站出雾概率高，且等级均约在浓雾级别，故本文针对研究范围内较为典型的两雾日做着重研究。

3 大雾分布特征

3.1 大雾天气实况

经统计分析，伊春市2021 年8 月13 日—9 月30 日共出现大雾及浓雾天气24 次，最大连续天数12 d，所出现的大雾类型均为山区辐射雾。伊春市中部较常出现大雾天气，其中，伊春站出雾率最高为40.9%；而南部铁力出雾率最低为9.1%。各站受到地形地貌特征影响，出雾条件及特征均有所不同，南部铁力地处平原，较不易出现山区辐射雾，北部嘉荫纬度较高，地处出山后平原且沿江，出雾次数相对其它各站略少(表1)。

表1 各站出现大雾次数及所对应大雾等级

3.2 大雾开始时间

从表2 可以看出，辐射大雾的开始时间一般在下半夜到清晨日出前（00-08 时），占该类型大雾总次数的87.5%，最易生成大雾的时段是在00-02、04-06 时，占该类大雾总次数的31.3%；02-04 时次之，占该类大雾总次数的23.4%。一日内辐射大雾的起始时间一般不会出现在10-20 时，12-20 时从未出现过。

表2 大雾开始时间统计表

4 成因分析

4.1 环流背景分析

大雾天气是在一定的环流背景下产生的，所以中高纬度环流的调整和演变都将影响雾的形成和发展[6]。

分析伊春市2021 年8 月13 日—9 月30 日出现的大雾天气过程的环流背景，具有以下相似点：一是中高纬度地区高空以纬向环流为主，多短波槽活动，地面气压场来看，等压线分布稀疏，气压梯度小，气压值范围约在1012.5-1017.5 hPa 左右；二是大雾天气发生前期，由于暖湿平流不断输送水汽，水汽条件充足，而后冷空气入侵，地面冷高压底部控制，夜间天空晴好时，辐射降温明显，加之高空低层及近地层湿度偏大，达到80%左右及以上时，为辐射雾的产生创造了有利条件。

分析伊春市2021 年8 月13 日—9 月30 日雾日，发现9 月16 日有降水，空气湿度大，夜间晴空后辐射降温明显，为9 月17 日出现大范围大雾天气提供了有利条件。下面对铁力出现大雾时，对应全市出雾及四个站以上出雾个例(选取9 月16 日、9 月27日地面气压场资料及高空图)进行研究，以期为预报预警业务提供有力参考依据。

2021 年9 月17 日清晨及9 月27 日夜间铁力出现大雾天气过程，两次过程均为伊春站能见度最小，分别为93 m、97 m。两次个例大雾天气过程各站最小能见度见表3。

表3 个例雾日各站最小能见度(单位:m)

通过分析9 月16 日地面气压场资料及27 日20时地面气压场资料，得出伊春市处于低涡前，有暖湿平流源源不断输送水汽，对应TlnP 图(图1-2)及探空层结资料：近地面相对湿度分别为92%、81%，说明水汽条件较好；此时地面风速分别为1 m/s、1.3 m/s，为微风，说明水汽凝结成水滴后，能在微风作用下向上扩散；逆温层分别出现在974-981 hPa、963-981 hPa，逆温层温差分别为1.1 ℃、1.7 ℃，为全市大部范围出现大雾提供了有利条件。而经分析逆温层温差越大，所对应雾浓度越大，对应9 月27 日雾较9 月16 日雾更浓。

图1 9 月16 日20 时TlnP 图

图2 9 月27 日20 时TlnP 图

4.2 基于探空资料的大气层结分析

选取伊春市2021 年8 月13 日—9 月30 日雾日前一天20 时探空层结资料部分数据进行研究，分析近地面温度露点差、逆温层厚度、风速、相对湿度等与大雾是否出现及出现条件，并对预报预警提供有力依据。

4.2.1 低层湿度分析

结合图3-4，空气的露点温度也因温度高而相对较高，空气湿度较大，一旦有弱冷空气侵入，空气中凝结核较多，易凝结成水滴。温度露点差越小，相对湿度越大，在大雾发生时露点温度和温度十分接近，有的达到了与温度相等，说明在大雾发生时相对湿度特别大，均达到80%左右及以上，如图1、2 所示，达到了饱和或接近饱和的程度[7]。在大雾发生前后温度露点差在逐渐减小，浓雾发生区域的露点差＜1 ℃，这与蒋大凯等人在2007 年的研究结论相同[8]。

图3 8 月雾日近地面温度露点差(单位：℃）

图4 9 月雾日近地面温度露点差(单位：℃）

4.2.2 层结资料分析

通过分析20 时探空资料，伊春市2021 年8 月13 日—9 月30 日常出现明显逆温层，即紧贴地面称为近地面逆温层[9]。近地面逆温层对大雾生消具有较大影响。逆温层从地面起，向上延升数百米左右，其增大了出现大雾天气的概率。

经统计分析，伊春市2021 年8 月13 日—9 月30 日出现近地面明显逆温层次数共22 次，而当夜间出现明显逆温层时，对应第二天00-08 时出现大雾天气的次数为20 次，且逆温层高度在935-992 hPa范围内，这说明夜间存在近地面逆温层时，第二天出雾比例高达90%以上。而逆温层温差也对大雾天气有所指示(图5)，逆温层温差大小与雾的强度有一定相关性，经研究，其呈现正相关关系。逆温层温差在2-5 ℃时，出现多站大雾概率大。因此，逆温层高度在935-992 hPa 之间及逆温层温差在2-5 ℃时，对于雾的预报有较好参考性。由此得出，伊春市大雾天气是否出现可通过参考上一时次TlnP 图是否存在近地面逆温层及逆温层高度、温差判别。

图5 8-9 月雾日近地面逆温层温差(单位：℃）

由TlnP 层结资料数据统计，分析大雾及浓雾出现时所对应的近地面逆温层厚度、风速、相对湿度，得出当逆温层厚度达到125 m 左右及以上，且风为微风，相对湿度达80%左右及以上时，伊春市有两个站及以上出现大雾天气；近地面逆温层厚度低于125 m 时，需配合1-2 m/s 左右风速及较大相对湿度，才会出现两个站及以上大雾天气(图6-7)。

图6 8-9 月雾日近地面逆温层厚度(单位：m）

图7 8-9 月雾日近地面风速(单位：m·s-1）

以伊春9 月23 日20 时TlnP 图为例(图8)，近地面有明显逆温层，且风为偏东风，风力不大，利于降温，近地面水汽浓度增大，气温下降、温度露点差减小、相对湿度增大;逆温作用使得水汽不易向高层扩散，次日出现大雾天气。

图8 9 月23 日TlnP 图

4.2.3 最低温度分析

通过HIMOS 一体化平台查询伊春市2021 年8月13 日—9 月30 日雾日所对应的最低气温，并对其进行统计分析，发现伊春市在8-9 月，温度范围为0-10 ℃左右时，易出现大雾天气。

5 结论

（1）辐射大雾的开始时间一般在下半夜到清晨日出前（00-08 时），伊春市常出现纯粹的山区辐射雾,且伊春市中部较常出现大雾天气，北部嘉荫出雾相对较少，南部铁力较不易出雾，但其一旦出现即大雾或浓雾天气，其它各站出雾概率高，且等级均约在浓雾级别。

（2）大雾出现常因有短波槽活动，地面气压场等压线分布稀疏，水平气压梯度小，气压值范围约在1012.5-1017.5 hPa 左右；且在大雾天气发生前期，水汽条件较好，夜间辐射降温明显，高空低层及近地层湿度偏大，达到80%左右及以上。

（3）通过层结资料得出，在大雾发生时露点温度和温度十分接近甚至相等，说明在大雾发生时相对湿度特别大，均在80%左右及以上，达到了饱和或接近饱和的程度。

（4）夜间存在近地面逆温层时，第二天出雾比例高达90%以上，逆温层温差大小与雾的强度有一定相关性，经研究，其呈现正相关关系。因此，逆温层高度在935-992 hPa 之间及逆温层温差在2-5 ℃时，对于雾的预报具有较好参考性，伊春市大雾天气是否出现可通过参考上一时次TlnP 图是否存在近地面逆温层及逆温层高度、温差判别。

（5）由TlnP 层结资料数据得出，当逆温层厚度≥125 m，且风为微风，相对湿度达80%左右及以上时，伊春市有两个站及以上出现大雾天气；近地面逆温层厚度低于125 m 时，需配合1-2 m/s 左右风速、90%左右及以上相对湿度时，才会出现两个站及以上大雾天气。

（6）伊春市在8-9 月，温度范围为0-10 ℃左右时，易出现大雾天气。