王 丹，高紅燕，白慶梅，馬 磊

(1.陜西省氣象服務(wù)中心，西安 710014；2.西安市氣象局，西安 710016)

近年來，我國高速公路交通氣象監(jiān)測站的布設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，氣象工作者在高速公路低能見度濃霧的監(jiān)測、預(yù)警和臨近預(yù)報方面已取得了一些有益成果[1-4]，其中江蘇省交通氣象工作已經(jīng)由初始階段步入推廣發(fā)展階段[5]，但是除江蘇、北京和海南的測站分布較為密集外，大部分省份的高速公路沿線交通氣象監(jiān)測空白或者剛剛起步[6]，其交通氣象工作還處于初始階段。2013年7月，陜西省氣象局在西安—漢中高速公路和西安咸陽國際機(jī)場專用高速公路(以下簡稱西咸機(jī)場高速公路)各建成3個交通氣象監(jiān)測站，填補(bǔ)了陜西省高速公路專業(yè)交通氣象監(jiān)測的空白。王丹等[7-8]對新建交通氣象監(jiān)測站的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了評估，并在此基礎(chǔ)上對影響西咸機(jī)場高速公路運(yùn)營安全的災(zāi)害性天氣進(jìn)行分析。西咸機(jī)場高速公路承擔(dān)了約80%的機(jī)場陸側(cè)交通，能見度較低時，不僅容易發(fā)生交通事故，而且直接對機(jī)場的旅客能否按時到達(dá)機(jī)場乘機(jī)，以及飛機(jī)的起降等產(chǎn)生影響。本文以西咸機(jī)場高速公路3個交通氣象站資料為基礎(chǔ)，相鄰區(qū)(縣)氣象站資料為補(bǔ)充，對該高速公路段霧的特征和影響因子進(jìn)行分析，以期為提高機(jī)場交通運(yùn)營的科學(xué)管理和降低道路交通事故提供參考。

1 資料和方法

1.1 資料

所用資料包括：(1)2013年7月2日—2016年4月28日西咸機(jī)場高速公路段3個交通氣象站及其10 km范圍內(nèi)區(qū)(縣)氣象站2000年1月1日—2015年12月31日的逐時或者一日4次觀測資料(觀測時間為北京時間02、08、14和20時)，3個交通氣象站指漢城收費(fèi)站、渭河大橋北橋頭站和咸陽機(jī)場收費(fèi)站，區(qū)(縣)氣象站包括西安站、咸陽站和涇河站，觀測要素包括氣溫、地表溫度、降水、風(fēng)速、相對濕度和能見度等；(2)2013年7月2日—2016年4月28日MICAPS高空和地面資料。3個交通氣象站資料在使用前先進(jìn)行質(zhì)量控制，該套資料完整性較好，錯誤和可疑數(shù)據(jù)少[7]，將錯誤和可疑數(shù)據(jù)記為缺測數(shù)據(jù)，再進(jìn)行相關(guān)研究工作。

1.2 方法

主要研究相對濕度≥80%，能見度V<1 000 m時的霧，由于資料限制，無法識別哪些低能見度天氣(能見度<1 000 m)是由霾引起的，因此，研究對象包括相對濕度介于80%～95%時由于霧霾混合作用形成的低能見度[9]。根據(jù)2012年3月1日我國開始實施的《霧的預(yù)報等級》，分為大霧(500 m≤V<1 000 m)、濃霧(200 m≤V<500 m)、強(qiáng)濃霧(50 m≤V<200 m)和特強(qiáng)濃霧(V<50 m)等4個等級。利用3個交通氣象站的能見度資料對西咸機(jī)場高速公路霧的特征進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計規(guī)則為：1)任何一站在某一時刻的能見度達(dá)到霧的標(biāo)準(zhǔn)時定義為該時刻出現(xiàn)霧1次，兩站均達(dá)到某一級別標(biāo)準(zhǔn)定義為該時刻出現(xiàn)霧2次，達(dá)到不同的級別標(biāo)準(zhǔn)則分別計算。2)霧的持續(xù)時間為霧從開始到結(jié)束的實際出現(xiàn)時間，中間允許有1 h的間隔，等級定義為該持續(xù)時間內(nèi)的最低能見度達(dá)到的級別標(biāo)準(zhǔn)。另外，由于3個交通氣象站建站時間短，可用于研究的數(shù)據(jù)樣本少，因此將交通氣象站10 km范圍內(nèi)的區(qū)(縣)氣象站資料作為補(bǔ)充，以增加霧的影響因子分析樣本。

2 霧的特征

圖1是根據(jù)霧的分級統(tǒng)計規(guī)則得出的結(jié)果，從各級霧發(fā)生頻率的日變化(圖1a)來看，一日中，霧主要發(fā)生在夜間至清晨，能見度越小的霧生成的時間越集中。各級霧發(fā)生頻率較高的時段在01—09時，其中06—08時是大霧、濃霧和強(qiáng)濃霧發(fā)生的高峰時段，與王雯燕等[10]和鄧小麗等[11]研究的西安城區(qū)大霧的日變化特征相近。特強(qiáng)濃霧生成有兩個高峰時段，分別是07—09時和01時前后。從各級霧最長持續(xù)時間的逐月變化來看(圖1b)，2月、4月和10—12月出現(xiàn)的霧可持續(xù)較長的時間，特別是冬季出現(xiàn)的霧持續(xù)時間最長，特強(qiáng)濃霧、強(qiáng)濃霧、濃霧和大霧的最長持續(xù)時間分別達(dá)為37、26、60、46 h。比較而言，一日中，渭河大橋北橋頭站霧出現(xiàn)頻次高于其它2站，特別是在夜間段的表現(xiàn)較為明顯，這可能與夜間時段渭河大橋北橋頭站的相對濕度高于其它2站有關(guān)(圖2)。

圖1 西咸機(jī)場高速公路霧出現(xiàn)頻率的日變化(a)和最長持續(xù)時間的逐月變化(b)

圖2 西咸機(jī)場高速公路3個交通氣象站霧出現(xiàn)頻次(a)和相對濕度(b)的日變化

3 典型霧日的天氣形勢和地面要素特征

將交通氣象站和區(qū)(縣)氣象站連續(xù)3 d有3站以上出現(xiàn)霧時定義為典型霧日。2013年7月以來，西咸機(jī)場高速公路段的典型霧日都發(fā)生在冬季，分別為2013年12月17—23日、2014年2月15—18日和2015年11月28日—12月1日。通過對典型霧日的高、低空平均環(huán)流形勢和地面要素平均場的分析，初步給出了西咸機(jī)場高速公路段出現(xiàn)典型霧日時的天氣形勢和地面要素特征。

從08時典型霧日的平均環(huán)流形勢來看(圖3)，500 hPa陜西關(guān)中地區(qū)受一致的西北或偏西氣流控制，有利于大氣層結(jié)穩(wěn)定；850 hPa陜西關(guān)中及其以南地區(qū)受弱暖脊控制，且處于反氣旋環(huán)流的底部，有利于產(chǎn)生弱的輻合上升氣流；地面圖上，我國以北的50 °N附近有兩個穩(wěn)定的冷性高壓系統(tǒng)，陜西關(guān)中地區(qū)處于高壓底部的均壓場中，四川和重慶地區(qū)的暖性倒槽(該倒槽水汽充沛)向東北方向伸展，頂端到達(dá)陜西關(guān)中地區(qū)。

從地面要素場來看(圖略)，西咸機(jī)場高速公路及其周邊地區(qū)的相對濕度較大；溫度露點(diǎn)差小于3 ℃；風(fēng)力較小，平均風(fēng)速在1 m/s左右，其中咸陽段高速公路以東北風(fēng)為主，西安段高速公路以東南風(fēng)為主。多數(shù)霧是在對流層低層層結(jié)穩(wěn)定、水汽充沛的條件下產(chǎn)生的，基于氣象探空資料繪制的溫度和露點(diǎn)的垂直廓線圖可以用來判定大氣層結(jié)穩(wěn)定度和濕度條件。由于西咸機(jī)場高速公路附近僅涇河站有探空資料，以涇河站作為代表站對出現(xiàn)霧時的大氣層結(jié)穩(wěn)定度進(jìn)行分析。2015年11月28日—12月1日涇河站連續(xù)出現(xiàn)霧日，從08時涇河站溫度和露點(diǎn)的垂直廓線來看(圖4)，當(dāng)近地面層有逆溫形成，且溫度廓線和露點(diǎn)廓線接近，相對濕度較大時，有利于霧的形成。

■表示西咸機(jī)場高速公路所在位置，陰影區(qū)為溫度(單位：℃)；實線在500 hPa和850 hPa圖上為位勢高度(單位：dagpm)，在地面圖上為海平面氣壓(單位：hPa)圖3 08時典型霧日的500 hPa(a)、850 hPa(b)和地面(c)的平均環(huán)流形勢

圖4 2015年11月28日—12月1日08時涇河站溫度和露點(diǎn)的垂直廓線

4 霧的影響因子

4.1 水汽條件

相對濕度是表征空氣中水汽含量的因子，空氣中的水汽含量越高，越有利于霧的形成。利用227 215組能見度與同時刻相對濕度的有效觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，二者的相關(guān)系數(shù)為-0.52，通過了99%的置信度檢驗，可見，相對濕度越大越有利于較小能見度的發(fā)生。進(jìn)一步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，能見度越小，對相對濕度的要求越高，特強(qiáng)濃霧、強(qiáng)濃霧、濃霧和大霧等發(fā)生在相對濕度大于95%的濕度條件下的頻率分別為97%、93%、76%和58%。

降水會使得近地面層相對濕度迅速增加，有利于霧的形成。將霧發(fā)生時前24 h內(nèi)觀測有效降水的2 047組數(shù)據(jù)作為樣本，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，28%的霧發(fā)生時前24 h內(nèi)有降水。將霧發(fā)生時同時刻降水量> 0 mm的391組數(shù)據(jù)作為樣本，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，16%的霧發(fā)生時有降水；在這16%的數(shù)據(jù)樣本中，89%的霧發(fā)生在1 h降水量≤3 mm的條件下。另外，有降水時沒有出現(xiàn)特強(qiáng)濃霧。以上分析表明，前期降水有利于霧的形成，當(dāng)霧與降水相伴發(fā)生時，霧多發(fā)生在1 h降水量≤3 mm時，但是降水發(fā)生時不利于特強(qiáng)濃霧的形成。

4.2 動力因素

風(fēng)、地表溫度和氣溫的差值(Ts-Ta)都是影響霧形成的動力因素[12]。地面風(fēng)速的大小反映了近地面層亂流混合狀況，霧的形成需要較小的風(fēng)速條件。利用2 908組霧與同時刻風(fēng)速、風(fēng)向的有效觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(表1、圖5)。從表1來看，霧出現(xiàn)在地面風(fēng)速≤3 m/s時，且風(fēng)速≤1.5 m/s時各級霧的發(fā)生頻率明顯偏高，風(fēng)速越小越有利于特強(qiáng)濃霧的發(fā)生，靜風(fēng)時霧出現(xiàn)頻率最大。霧的形成還與風(fēng)向有關(guān)，除靜風(fēng)外，在東北風(fēng)、西北風(fēng)和西南風(fēng)控制下的霧出現(xiàn)頻率明顯高于其它風(fēng)向控制時(圖5)。

地表溫度和氣溫的差值(Ts-Ta)變化是反映近地面溫度和濕度湍流情況的物理量。從表2來看，霧發(fā)生時，一般情況下Ts-Ta≥0 ℃，也有11%左右的霧發(fā)生時Ts-Ta<0 ℃。當(dāng)0 ℃≤Ts-Ta≤4 ℃時霧出現(xiàn)頻率較高，其中，當(dāng)Ts-Ta在1 ℃附近時最有利于大霧、濃霧和特強(qiáng)濃霧的發(fā)生，當(dāng)Ts-Ta在2 ℃附近時最有利于強(qiáng)濃霧的發(fā)生，當(dāng)Ts-Ta<-3 ℃不利于霧的發(fā)生。

表1 不同風(fēng)速下霧的出現(xiàn)頻率 %

圖5 不同風(fēng)向下霧的出現(xiàn)頻率

%

4.3 冷卻條件

白天空氣中的水汽含量越高，夜間與白天的氣溫相差越大，越有利于空氣中的水汽凝結(jié)，有利于低能見度的發(fā)生，以14時相對濕度和氣溫作為表征白天空氣中水汽含量和氣溫的物理量。利用3個交通氣象站及其10 km范圍內(nèi)區(qū)(縣)氣象站的觀測資料，統(tǒng)計了14時相對濕度、14時氣溫與未來時刻(15時—次日14時)氣溫的差(T14-T)和相應(yīng)時刻的能見度之間的關(guān)系(表3)?？梢钥闯?，當(dāng)14時相對濕度大于80%，T14-T≥10 ℃時，霧出現(xiàn)頻率可達(dá)41.7%，而文獻(xiàn)[12]研究發(fā)現(xiàn)北京—石家莊高速公路上T14-T≥10 ℃時100%會出現(xiàn)霧。該研究結(jié)果與本文的差異可能與這兩條高速公路的地域差異有關(guān)，也可能與研究資料的觀測時間密度差異有關(guān)(文獻(xiàn)[12]為分鐘級觀測，而本文為定時觀測)。同時文獻(xiàn)[12]研究指出，在14時相對濕度一定的情況下，T14-T越大，霧出現(xiàn)頻率越高，同樣在T14-T不變的情況下，14時相對濕度越大，越有利于霧的形成，與本文的研究結(jié)果一致。

表3 14時相對濕度、T14-T與霧出現(xiàn)頻率的關(guān)系

注：T14-T表示14時的氣溫和未來時刻(15時—次日14時)氣溫的差值

5 結(jié)論

(1)西咸機(jī)場高速公路上，一日中，霧主要發(fā)生在夜間至清晨，能見度越小的霧生成的時間越集中；在2月、4月和10—12月出現(xiàn)的霧可持續(xù)較長的時間，特別是冬季出現(xiàn)的霧持續(xù)時間最長，其中，渭河大橋北橋頭站的霧出現(xiàn)頻次高于其它2站。

(2)典型霧日，500 hPa陜西關(guān)中地區(qū)為一致的西北或偏西氣流，850 hPa陜西關(guān)中及其以南地區(qū)受弱暖脊控制且處于反氣旋環(huán)流的底部，近地面層西咸機(jī)場高速公路及其周邊地區(qū)有逆溫形成，風(fēng)速小，濕度大。

(3)霧發(fā)生的基本條件是相對濕度≥80%和地面風(fēng)速≤3 m/s，且在相對濕度≥95%、風(fēng)速≤1.5 m/s時的霧出現(xiàn)頻率明顯偏高。前期降水有利于霧的形成，當(dāng)霧與降水相伴發(fā)生時，霧多發(fā)生在1 h降水量≤3 mm時，但是降水發(fā)生時不利于特強(qiáng)濃霧的形成。有霧發(fā)生時，一般情況下地表溫度和氣溫的差值≥0 ℃，當(dāng)?shù)乇頊囟群蜌鉁氐牟钪?-3 ℃時不利于霧的發(fā)生。14時相對濕度、14時氣溫與未來時刻氣溫的差都與相應(yīng)時刻的能見度密切相關(guān)。

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