劉書慧,李 夢(mèng),劉原江

(1.四川省南充市氣象局，四川 南充 637000;2.四川省南部縣氣象局，四川 南部 637200)

1 引言

霧是常見災(zāi)害性天氣，由于霧天能見度較低，進(jìn)而影響交通安全[1]；另外，霧天空氣流動(dòng)性差，影響空氣質(zhì)量狀況，容易導(dǎo)致疾病傳播[2]。隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,環(huán)境保護(hù)力度也在逐漸加大，霧成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。陳朝平等[3]研究得出利于霧霾形成的有利氣象條件：青藏高原到四川盆地的西風(fēng)氣流、地面高壓內(nèi)的均壓場(chǎng)、近地面風(fēng)速小；張人禾等[4]研究得出：熱力和動(dòng)力因子對(duì)霧霾天氣過(guò)程具有大致相同的作用；賀皓等[5]采用支持向量機(jī)的方法，應(yīng)用徑向基函數(shù)，建立陜西公路24 h預(yù)報(bào)模型。不少學(xué)者還在空氣質(zhì)量狀況、氣象要素與霧的關(guān)系方面做了大量的研究工作[6-7]。雖然有大量對(duì)霧霾的研究，但其預(yù)報(bào)與預(yù)警仍然是現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的重要內(nèi)容，但預(yù)報(bào)主觀性較大、準(zhǔn)確率不高，成為了實(shí)際預(yù)報(bào)服務(wù)工作中的難點(diǎn)。

南充位于四川盆地東北部，高速公路網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)、航空航運(yùn)全覆蓋，交通運(yùn)輸往來(lái)密集。南充屬于丘陵地貌，水系較為發(fā)達(dá)，空氣溫暖濕潤(rùn)，地面風(fēng)速小，靜風(fēng)頻率高，易形成霧，準(zhǔn)確及時(shí)預(yù)報(bào)好霧的發(fā)生，將為社會(huì)經(jīng)濟(jì)及民生服務(wù)做出重大貢獻(xiàn)。但南充地區(qū)尚未有系統(tǒng)性的霧的成因及預(yù)報(bào)機(jī)制方面相關(guān)成果，研究及技術(shù)人員對(duì)其預(yù)報(bào)方法的開發(fā)和研究還處于探索階段。因此本文利用觀測(cè)資料對(duì)南充市大霧特征進(jìn)行研究分析，結(jié)合實(shí)況和預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)建立了南充市輻射霧回歸模型，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)及民生服務(wù)均有著重大意義。

2 資料及方法

根據(jù)《中華人民共和國(guó)霧的預(yù)報(bào)等級(jí)指標(biāo)(GB/T27964-2011)》：大霧(500 m≤水平能見度<1 000 m)、濃霧(200 m≤水平能見度<500 m)、強(qiáng)濃霧(50 m≤水平能見度<200 m)、特強(qiáng)濃霧(水平能見度<50 m)，選取南充7個(gè)國(guó)家級(jí)觀測(cè)站35 a(1980—2014年)逐日地面觀測(cè)資料,利用14∶00實(shí)測(cè)值法(14∶00人工觀測(cè)有霧，天氣現(xiàn)象代碼為42，且水平能見度<1 km、相對(duì)濕度>90%，則記為霧日)，統(tǒng)計(jì)總結(jié)南充霧的基本氣候特點(diǎn)。南充2012—2017年霧的高空、地面填圖資料和ECMWF再分析資料(分辨率1.0°×1.0°)，統(tǒng)計(jì)得出南充大霧類型以輻射、平流霧兩大類型居多，并找到適用于南充的輻射霧和平流霧的劃分標(biāo)準(zhǔn)。利用2015—2017年地面高空觀測(cè)站點(diǎn)資料及ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)資料(分辨率0.125°×0.125°)格點(diǎn)數(shù)據(jù)，提取相關(guān)影響因子，確定消空項(xiàng)，運(yùn)用MATLAB軟件分析計(jì)算線性回歸方程。

3 南充霧的氣候特征

①南充霧日總體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)(表1)。1996年霧日最多(全市平均8.3 d)，2012 年和2014年霧

表1 1980—2014年南充各站霧日數(shù)統(tǒng)計(jì)(單位：次數(shù))Tab.1 Statistics of fog days in Nanchong stations in 1980—2014 year(unit: times)

日最少(全市平均1 d)，20世紀(jì)80 年代中期為霧日較少時(shí)段(1985年霧日數(shù)達(dá)到低值)，90年代為霧日最多時(shí)段(1996年霧日數(shù)達(dá)到峰值)，2000年后霧日呈明顯的下降趨勢(shì)。南充全市四季各站平均霧日數(shù)冬季(32.9 d)>秋季(6.3 d)>春季(1.7 d)>夏季(1.4 d)，其中霧主要出現(xiàn)在11月—次年1月，特別是1月(全市各站平均15.9 d)和12月(全市各站平均15.7 d)最多霧日數(shù)明顯多于其他月份。

②近35 a南充霧主要分布在儀隴(63.37%)、高坪(22.36%)、南部(7.08%)，而在閬中(2.47%)、西充(1.80%)、營(yíng)山(1.80%)、蓬安(1.12%)霧日較少。高坪站為南充市區(qū)代表站，其西側(cè)為寬廣的嘉陵江江面，水汽蒸發(fā)量大，東南側(cè)為鶴鳴山，在這種地形下暖濕空氣移動(dòng)到較冷的水面時(shí)，空氣易冷卻形成霧。儀隴站是南充市境內(nèi)海拔最高的站，海拔高度655.7 m，一年四季均會(huì)發(fā)生霧，秋冬季霧日數(shù)較多；其中儀隴站濃霧(20 m≤水平能見度<500 m)日數(shù)占全市的82.9%，全市的強(qiáng)濃霧強(qiáng)濃霧(50 m≤水平能見度<200 m)天氣也均出現(xiàn)在儀隴。

③從2015年1月起地面觀測(cè)使用能見度自動(dòng)觀測(cè)儀后，能見度觀測(cè)資料精確到逐小時(shí)，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，霧始發(fā)階段主要集中在02—05時(shí)，霧結(jié)束時(shí)間主要集中在09—11時(shí)(儀隴站有全天被霧籠罩情況)，霧持續(xù)時(shí)間大多在1～7 h。霧過(guò)程起止點(diǎn)的把握對(duì)高速公路等交通氣象服務(wù)有著重要意義，也為本文利用數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品做氣象要素分析，提供了有利的辨別基礎(chǔ)。

表2 2015—2017年霧終止時(shí)間統(tǒng)計(jì)(單位：次數(shù))Tab.2 Statistics of ending time of fog from 2015 to 2017 (unit: times)

4 南充霧的成因機(jī)制

4.1 南充輻射霧和平流霧的劃分標(biāo)準(zhǔn)

統(tǒng)計(jì)分析2012—2017年南充大霧天氣高空探空資料和地面觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，南充地區(qū)大霧以輻射霧(85.7%)、平流霧(13%)兩大類型為主，平流—輻射混合霧僅占1.3%。

輻射霧是由下墊面輻射冷卻作用使近地面氣層水汽凝結(jié)而形成的霧，多形成于晴朗微風(fēng)、近地面潮濕的夜間至日出前，通過(guò)資料綜合分析出現(xiàn)大霧的08時(shí)氣溫T08低于前一日20時(shí)的地面露點(diǎn)溫度Td前20，即Δt=T08-Td前20≤0。平流霧是當(dāng)暖濕空氣平流遇到較冷的下墊面時(shí)，表面逐漸冷卻而形成的霧，通過(guò)資料綜合分析平流霧在大霧形成時(shí)的08時(shí)氣溫T08高于前一日20時(shí)的地面露點(diǎn)溫度Td前20，即Δt=T08-Td前20≥0。此外參考大霧發(fā)生時(shí)的天空狀況和總云量N，當(dāng)伴有層云或空中有8成以上云時(shí)(N≥0)可判定為平流霧。

4.2 輻射霧和平流霧天氣成因分析

將輻射霧和平流霧個(gè)例天氣形勢(shì)進(jìn)行分析：總結(jié)提煉大霧過(guò)程出現(xiàn)時(shí)(08時(shí))天氣形勢(shì)(分為高空天氣圖和地面圖)。

①高空形勢(shì)場(chǎng)：輻射霧在中高層500 hPa南充上游地區(qū)(西北方向甘肅一帶)為西北氣流或偏西氣流；700 hPa 南充附近以西風(fēng)為主，偏南風(fēng)情況下風(fēng)速較小，700 hPa及以下的風(fēng)速<16 m/s；850 hPa通常為弱的暖性結(jié)構(gòu)，流場(chǎng)為反氣旋流出口區(qū)； 925 hPa以下層面為弱上升運(yùn)動(dòng)，以西南風(fēng)為主。這種天氣背景下，霧區(qū)通常出現(xiàn)在大范圍晴空區(qū)或少云區(qū)。

平流霧在500 hPa南充上游地區(qū)(西北方向甘肅一帶)以穩(wěn)定西風(fēng)帶氣流為主或有淺槽，南充本地多西南氣流，風(fēng)速普遍大于20 m/s；700 hPa、850 hPa南充附近以偏南風(fēng)為主，上空一般存在弱的暖平流；925 hPa南風(fēng)分量加強(qiáng)。地面的靜止鋒、冷鋒前面或低壓槽中的偏南氣流場(chǎng)有利于暖濕空氣的輸送，往往會(huì)有平流霧出現(xiàn)。

②水汽條件：輻射霧及平流霧在925 hPa以下的層結(jié)濕度越大越有利于形成霧，南充臨近的達(dá)州站08時(shí)925 hPa Td≤4 ℃，近地面水汽接近飽和狀態(tài)。南充各站地面08時(shí)Td<2 ℃，地面濕度極大。

③層結(jié)條件：近地面層較穩(wěn)定或存在逆溫層時(shí)，有利于霧的形成，而這些條件的形成與天氣形勢(shì)分布是密不可分的。達(dá)州站700 hPa與925 hPa的 θse差值為正，大氣低層處于穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)激光雷達(dá)探測(cè)，南充逆溫層一般在800～900 m高空，即925 hPa高空附近。

圖1 南充輻射霧(左)和平流霧概念模型(右)Fig.1 Conceptual model of radiation fog (left) and advection fog (right) in Nanchong

④地面風(fēng)速：微風(fēng)有利于霧的形成，風(fēng)力過(guò)大，會(huì)將霧吹散。輻射霧通常地面風(fēng)速≤2 m/s，以靜風(fēng)為主；平流霧地面風(fēng)速≤4 m/s。

⑤海平面氣壓場(chǎng)：南充地區(qū)霧的出現(xiàn)主要受均值場(chǎng)影響，川東地區(qū)當(dāng)日無(wú)較強(qiáng)高、低壓中心，南充最北端閬中站與最南端高坪站海平面氣壓差(△p)<3 hPa。

圖2 2017年12月22—25日每日08時(shí)500 hPa 平均高度場(chǎng)與地面氣壓平均場(chǎng)Fig.2 Daily mean height field and mean surface pressure field at 8∶00 from December 22 to 25, 2017 at 500 hPa

圖3 2017年1月3—5日每日08時(shí)500 hPa 平均高度場(chǎng)與地面氣壓平均場(chǎng)Fig.3 Daily mean height field and mean surface pressure field at 8∶00 from January 3 to 5, 2017 at EC500 hPa

5 南充輻射霧預(yù)警技術(shù)方法

中國(guó)氣象局業(yè)務(wù)規(guī)定，大霧預(yù)警信號(hào)最低等級(jí)為大霧黃色預(yù)警信號(hào)，發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)為霧的水平能見度<500 m，發(fā)布時(shí)效在大霧發(fā)生前12 h內(nèi)。大霧的預(yù)報(bào)預(yù)警發(fā)布時(shí)間若能有效提前，可協(xié)助交管部門提前做好調(diào)度工作和會(huì)務(wù)人員合理調(diào)整安排大型活動(dòng)，并且對(duì)秋冬季環(huán)保部門發(fā)布重污染天氣預(yù)警提供決策服務(wù)及公眾做好污染天氣相關(guān)防御措施有著重要意義。由于南充出現(xiàn)的霧主要以輻射霧為主，本文主要研究南充本地輻射霧預(yù)報(bào)模型。

5.1 建立南充本地輻射霧天氣預(yù)報(bào)模型

選取南充2015—2017年1月、11月、12月逐日ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)資料(分辨率0.125°×0.125°)格點(diǎn)數(shù)據(jù)及實(shí)況數(shù)據(jù)，提取與發(fā)生輻射霧相關(guān)的預(yù)報(bào)因子，通過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)得到溫度露點(diǎn)差、晝夜溫差、EC0.125數(shù)值預(yù)報(bào)1 000 hPa相對(duì)濕度及云量格點(diǎn)值等與大霧有較好的相關(guān)性，進(jìn)一步確定6個(gè)因子，預(yù)報(bào)時(shí)效大霧發(fā)生前24 h，并在計(jì)算前進(jìn)行消空，得出南充本地24 h輻射霧預(yù)報(bào)模型。多元線性回歸方程如下：

Y=0.669-1.142X1-0.326X21+0.129X22+0.383X23+0.109X31-0.835X32+0.353X33-2.237X41+1.858X42-0.084X43+0.115X51-0.278X52-0.114X53+0.288X6

X1：預(yù)計(jì)輻射霧發(fā)生當(dāng)日的高坪站08時(shí)氣溫T08與前一日20時(shí)實(shí)況的地面露點(diǎn)溫度Td前20差，即計(jì)算X1=T08-Td前20，氣溫T08選取EC數(shù)值模式(106.04°N，30.771°E)格點(diǎn)值。

X2：預(yù)計(jì)輻射霧發(fā)生前日20時(shí)1 000 hPa相對(duì)濕度為，X21輻射霧發(fā)生當(dāng)日02時(shí)1 000 hPa相對(duì)濕度為X22，大霧發(fā)生當(dāng)日08時(shí)1 000 hPa為X23，1 000 hPa相對(duì)濕度選取EC數(shù)值模式(106.01°N，30.763°E)格點(diǎn)值。

X3：EC數(shù)值模式預(yù)計(jì)輻射霧發(fā)生前日20時(shí)700 hPa相對(duì)濕度為X31，輻射霧發(fā)生當(dāng)日02時(shí)700 hPa相對(duì)濕度為X32，大霧發(fā)生當(dāng)日08時(shí)700 hPa為X33，700 hPa相對(duì)濕度選取EC數(shù)值模式(106.01°N，30.763°E)格點(diǎn)值。

X4：EC數(shù)值模式預(yù)報(bào)總云量，輻射霧發(fā)生前日20時(shí)總云量值為X41，輻射霧發(fā)生當(dāng)日02時(shí)和08時(shí)總云量值為X42和X43，總云量選取EC數(shù)值模式(106.04°N，30.771°E)格點(diǎn)值。

X5：EC數(shù)值模式預(yù)報(bào)低云量，輻射霧發(fā)生前日20時(shí)低云量值為X51，輻射霧發(fā)生當(dāng)日02時(shí)低云量值為X52，輻射霧發(fā)生當(dāng)日08時(shí)低云量值為X53，低云量選取EC數(shù)值模式(106.04°N，30.771°E)格點(diǎn)值。

X6：預(yù)計(jì)輻射霧發(fā)生當(dāng)日00時(shí)到08時(shí)的區(qū)間內(nèi)氣溫變化值，即X6=Tmax-Tmin。

消空項(xiàng)：預(yù)計(jì)當(dāng)天02—08時(shí)地面風(fēng)速>2 m/s，風(fēng)速值取(106.04°N，30.771°E)10 m風(fēng)速數(shù)值格點(diǎn)值。

預(yù)報(bào)因子格點(diǎn)值說(shuō)明：選取預(yù)報(bào)值均為南充市區(qū)(高坪站)最接近的格點(diǎn)值，經(jīng)過(guò)前文研究高坪站霧日數(shù)較多，加之市區(qū)交通樞紐密集，涵蓋機(jī)場(chǎng)、碼頭及多條高速公路站點(diǎn)，交通往來(lái)頻繁，經(jīng)濟(jì)效益更受大霧制約，加之南充區(qū)域內(nèi)冬季天氣要素預(yù)報(bào)值空間變化較小，故選取最為接近高坪站的數(shù)值格點(diǎn)值為預(yù)報(bào)模型因子值。

當(dāng)計(jì)算結(jié)果時(shí)Y≥0.5，預(yù)報(bào)結(jié)論為有霧產(chǎn)生；當(dāng)時(shí)Y<0.5，預(yù)報(bào)結(jié)論為沒有霧產(chǎn)生。

5.2 預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)

通過(guò)2017年11月—2018年1月90 d實(shí)際預(yù)報(bào)檢驗(yàn)，正確14次，空?qǐng)?bào)3次，漏報(bào)2次，消空1次，正確率為73.8%。

6 小結(jié)

本文建立的南充大霧預(yù)警預(yù)報(bào)模型，提高了大霧預(yù)報(bào)的可信度，為交通部門和環(huán)境決策提供了更準(zhǔn)確的預(yù)警與信息，使氣象產(chǎn)品在交通安全、生態(tài)環(huán)境等國(guó)民經(jīng)濟(jì)相關(guān)部門產(chǎn)生更大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

①采用14∶00大霧實(shí)測(cè)值法得出，南充市1980—2014年南充大霧總體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，1996年為霧日數(shù)達(dá)峰值(全市平均8.3 d)，2012年和2014年為霧日數(shù)達(dá)谷值(全市平均1 d)，20 世紀(jì)80年代中期為霧日較少時(shí)段，90年代為霧日最多時(shí)段，2000年后霧日呈明顯的下降趨勢(shì)。南充大霧日數(shù)最多的月份依次是11月、12月、1月，全市四季各站平均霧日數(shù)冬季(32.9 d)>秋季(6.3 d)>春季(1.7 d)>夏季(1.4 d)。

②通過(guò)5 a資料分析統(tǒng)計(jì)得出南充本地大霧以輻射霧(85.7%)、平流霧(13%)兩大類型為主，平流—輻射混合霧僅占1.3%。并得出區(qū)分輻射霧和平流霧的量化指標(biāo)。此外參考大霧發(fā)生時(shí)的天空狀況和總云量(N)，當(dāng)伴有層云或空中有8成以上云時(shí)(N≥0)可判定為平流霧。

③基于南充大霧發(fā)生的天氣特征分析，以溫度露點(diǎn)差、晝夜溫差、EC0.125數(shù)值預(yù)報(bào)1 000 hPa、700 hPa相對(duì)濕度及云量格點(diǎn)值等作為預(yù)報(bào)因子，建立南充本地24 h輻射霧預(yù)報(bào)模型多元線性回歸方程，通過(guò)檢驗(yàn)正確率73.8%。

④本文對(duì)于提煉的指標(biāo)主要基于ECMWF細(xì)網(wǎng)格0.125°×0.125°數(shù)值格點(diǎn)值，但應(yīng)用準(zhǔn)確率及模式算法更新是否會(huì)影響霧做出預(yù)報(bào)指標(biāo)判定，需要后期多做訂正分析。本文多從氣象學(xué)對(duì)霧的成因發(fā)生探討，霧的發(fā)生除了與天氣要素密切相關(guān)，還有地形、本地小氣候及近地面大氣成分相關(guān)，需要在后期預(yù)報(bào)應(yīng)用后適當(dāng)加入相關(guān)因子對(duì)模型進(jìn)行完善。