毛程燕，潘 欣，龔理卿，李浩文

(1.浙江省衢州市氣象局，浙江 衢州 324000；2.廣東省廣州市氣象臺，廣東 廣州 511430)

0 引言

霧引起的低能見度天氣對道路交通影響很大，尤其是濃霧、強濃霧的持續(xù)，對航空、航海、交通運輸都帶來重大影響，給人們的出行和人身安全帶來諸多不利。近年來，越來越多的專家致力于研究霧出現(xiàn)的成因和預報方法[1,2]。霧一年四季均可發(fā)生，但較多出現(xiàn)在冬春季，有顯著的空間差異、月際演變和日變化[3,4]。研究認為，出現(xiàn)霧時500 hPa一般以緯向環(huán)流為主，有時有弱脊或弱槽，沒有顯著的系統(tǒng)影響[5]；一般850 hPa以下偏東風和偏南風為主[6]，而地面圖上以均壓場為主；地面氣壓梯度小，邊界層較穩(wěn)定、有逆溫或等溫[7]、風速較小[8]、水汽飽和程度較高[9]。目前，很多氣象工作者對霧發(fā)生形勢特征、形成機制和預報方法等都開展了相當多的研究[10]，提出了相應的預報方法和預報思路[11]。許愛華等[12]在分析江西省區(qū)域性平流霧天氣時利用氣象要素變化特征建立平流霧的天氣學概念模型，作為南方地區(qū)平流霧預報的參考指標；王博妮等[13]在分析江蘇沿海高速公路低能見度成因和氣象條件時發(fā)現(xiàn)，霧出現(xiàn)時主要氣象要素例如相對濕度、風速等都有一定的閾值；霧預報在業(yè)務上主要有天氣學方法、統(tǒng)計預報方法和數(shù)值預報統(tǒng)計釋用方法等[14-16]。天氣學方法主要是依靠前期天氣實況、霧出現(xiàn)時的主要背景形勢和物理條件建立天氣學概念模型[17]，一般是將霧出現(xiàn)的高空環(huán)流場或地面形勢場建立概念模型[18]。

然而，霧天氣的出現(xiàn)不僅需要穩(wěn)定的環(huán)流形勢，還與當?shù)氐乩憝h(huán)境有重要關系[19]。衢州市開化縣觀測站在2000年以前四面環(huán)山，一面有湖，所以常年風力很小，水汽又充足，一年中有近1/3的日數(shù)會出現(xiàn)霧，2003年之后周邊部分山地挖平，霧日開始減少。衢州地區(qū)平均每年有30 d左右霧，多集中在冬春季。目前衢州沒有適合本地的霧預報工具，對于霧的天氣分析也缺乏清晰的預報思路、技術方法和系統(tǒng)的預報指標。本文基于前人的研究，根據(jù)衢州市5個氣象站記錄的霧資料，以20—20時(北京時，下同)為一個霧日，研究衢州地區(qū)出現(xiàn)霧的典型環(huán)流特征，并對霧發(fā)生前和發(fā)生時出現(xiàn)的物理結果進行深入分析，選取相應的閾值和消空指標，探究未來衢州的霧預報方法。

1 霧特征分析

1.1 霧空間分布特征

文中將水平能見度<1 km、相對濕度>90%的天氣現(xiàn)象定義為霧。霧的空間分布受地理環(huán)境的影響較大，一般來說山谷或背風坡更易出現(xiàn)霧。衢州市地形分布呈南北山脈、中間平原地區(qū)，其中開化縣觀測站四面環(huán)山，常年風速較小，復雜的地形導致了相同天氣形勢下空間分布有明顯差異。由圖1可見，衢州市1980年以來每年平均出現(xiàn)霧29.6 d，中部霧分布差異較小，北部霧日數(shù)較多，呈現(xiàn)北部多、中南部少的典型特征。出現(xiàn)霧最多的地區(qū)為開化縣，年平均霧日為65.1 d，其中20世紀80—90年代年平均霧日為86.6 d，2000年以后顯著減少，年平均霧日有39.8 d(圖略)；最少的是江山，年平均只有16.4 d，僅占全市霧總次數(shù)的11.1%。

圖1 1980—2017年衢州市年平均霧日的空間分布Fig.1 The distribution of annual mean fog days in Quzhou city of Zhejiang Province from 1980 to 2017

1.2 霧時間變化特征

衢州市一年四季均有霧出現(xiàn)。由1980—2017年霧總次數(shù)可知(圖2a)，衢州市霧日數(shù)有顯著的月際變化特征，11月—次年4月是出現(xiàn)霧的主要時段，占霧總日數(shù)的68.4%；而7—9月平均霧日則最少，僅占12.0%。開化站出現(xiàn)霧的頻次明顯高于其他各站，尤其是11月，累積頻次高達380次。衢州市霧出現(xiàn)最多的月份是12月，累計頻次有155.2次，最少的是8月，只有30.4次。除了2月份霧出現(xiàn)頻次最多的龍游站外，其他月份出現(xiàn)頻次最多的全是開化站；最少的是8月份的衢州站，只出現(xiàn)過8次霧?？傮w來看，衢州深秋到冬春季最易出現(xiàn)霧。

衢州市一日內各時次均可出現(xiàn)霧天氣，但霧出現(xiàn)呈現(xiàn)明顯的日變化特征，后半夜到早晨易出現(xiàn)低能見度天氣。由圖2b可見，霧出現(xiàn)多發(fā)時段是23時—次日09時，占全體發(fā)生幾率的83.2%。由圖可見，霧出現(xiàn)高峰時段是06—07時，發(fā)生的頻率占22.5%。

圖2 1980—2017年衢州各縣霧頻次的月際變化(a) 和2010—2017年霧頻次日變化(b)特征Fig.2 Monthly distribution features (a) of fogs from 1980 to 2017and daliy variation (b) from 2010 to 2017

2 衢州市霧形成的天氣學分型

2.1 地面天氣形勢分型識別和對應的探空特征

霧的發(fā)生與地面和高空天氣形勢密切相關，本文對2010—2017年冬半年(11月—次年4月)霧的人工和自動觀測資料進行分析，將衢州市3個站以上出現(xiàn)霧作為一個霧日，共統(tǒng)計出80次霧日過程。借鑒了李云泉等[18]對嘉興市霧日天氣形勢分型，本文將衢州冬半年的霧出現(xiàn)的地面天氣形勢大致劃分為4種天氣類型：大陸高壓型(36 d，36.7%)、冷鋒前暖區(qū)型(17 d，17.3%)、入海高壓后部型(14 d，14.3%)和低槽型(31 d，31.7%)。

為了更清晰地研究衢州市霧日環(huán)流特征，本文分別對4種形勢下選擇的典型個例進行重點分析。一般霧出現(xiàn)在地面氣流較微弱的環(huán)流場或均壓場中，等值線稀疏、風力較小。

2011年11月11—14日為冷鋒后出現(xiàn)的地面低氣壓梯度場，天氣形勢屬于典型的大陸高壓型。13日08時冷高壓中心位于貝加爾湖以東的蒙古一帶(圖3a)，中國大部分地區(qū)都處于大陸高壓控制下。8—10日浙江省有一次冷空氣影響，10日后期冷鋒基本已經(jīng)推進到華南一帶，11日開始長江中下游處于地面弱高壓控制之下，靜穩(wěn)條件下風力很小，夜間天氣晴好輻射降溫明顯，衢州市連續(xù)3 d出現(xiàn)霧，14日又有一次較強冷空氣影響，霧消散。

2013年4月17—19日為影響衢州的另一次霧過程，天氣形勢屬于典型的冷鋒前暖區(qū)型。圖3b為18日08時地面環(huán)流形勢，此時冷高壓中心位于河套附近，冷鋒位于30～40°N，此時衢州市地面處于鞍型場中，氣壓梯度小，微弱的偏南氣流的暖區(qū)中，有利于衢州出現(xiàn)霧。

2015年3月2日的霧日，地面氣壓場是典型的入海高壓后部型。2日08時貝加爾湖以西有一個較強的冷中心(圖3c)，地面氣壓最大為1 045.0 hPa，冷鋒前沿位于45°N左右，西南地區(qū)有低壓環(huán)流，長江下游處于弱的冷高壓后部的西南氣流中，次日有冷鋒影響，霧僅出現(xiàn)了1 d。

2015年3月15—18日衢州連續(xù)數(shù)日出現(xiàn)霧，經(jīng)分析，地面環(huán)流形勢屬于低槽型。17日08時冷高壓中心位于貝加爾湖以北(圖3d)，冷鋒位置在40°N以北，華西到長江流域為低壓環(huán)流影響下，衢州處于低壓場中，弱的偏南風，從南海帶來的高溫、高濕水汽，有利于霧出現(xiàn)。

根據(jù)以上選擇的4次霧過程，分別繪制了霧日前1 d的斜溫圖進行分析。由于2011年11月11—14日衢州連續(xù)數(shù)日出現(xiàn)霧，因此選擇首個霧日的前1 d，即10日08時的探空進行分析(圖4a)。本次過程地面環(huán)流為大陸高壓型，此時600 hPa以下溫度露點差較小，水汽幾乎達到飽和，800 hPa以下有逆溫層，近地層輕風(風速<3.3 m/s)。據(jù)實況，9日衢州出現(xiàn)明顯降水，10日開始對流層中低層相對濕度較高；霧出現(xiàn)時，對流層低層以弱下沉運動為主。在穩(wěn)定環(huán)流條件下，高濕、小風并伴有下沉逆溫，11日開始出現(xiàn)大范圍的霧。冷鋒前暖區(qū)型霧發(fā)生前1 d(圖4b)，對流層整層溫度露點差都很小，有降水天氣現(xiàn)象；對流層低層風速小，但近地層逆溫不明顯；18日冷鋒到達前，地面氣壓場微弱，穩(wěn)定形勢維持，連續(xù)數(shù)日出現(xiàn)霧。入海高壓后部型霧發(fā)生的前1 d(圖4c)，逆溫或等溫層最深厚(900～700 hPa)，近地層風速微弱，但飽和水汽只在900 hPa以下，濕層較淺薄，這類霧一般維持時間不長，太陽輻射升溫后往往能很快消散；在地面高壓環(huán)流控制下，有大范圍均壓場，出現(xiàn)霧的站次也相對更多。低槽型霧發(fā)生前(圖4d)，700 hPa以下水汽飽和程度高，逆溫只出現(xiàn)在900 hPa以下，近地層偏南風，暖濕環(huán)境有利于起霧。大陸高壓型霧、入海高壓后部型霧發(fā)生前，大氣逆溫層均抬離地面，出現(xiàn)在900～700 hPa，低槽型逆溫層在近地層，且低壓中是弱的偏南風，其他對流層低層均為弱北風為主。

2.2 500 hPa天氣形勢

根據(jù)篩選的80個霧日進行統(tǒng)計分析，衢州市霧的出現(xiàn)高空往往形成3種典型環(huán)流特征：緯向氣流型(64 d，65.4%)、高壓脊型(17 d，17.3%)和低槽型(17 d，17.3%)。圖5為挑選的3次典型霧過程的500 hPa環(huán)流特征。2012年11月21日08時出現(xiàn)的霧天氣形勢(圖5a)，也是最常出現(xiàn)的高空環(huán)流特征，此時貝加爾湖附近有淺槽，中國大部分地區(qū)無明顯槽脊，長江中下游以緯向環(huán)流為主，浙江省上空為平直的偏西風，地面弱倒槽，長江中下游氣壓梯度較小，對流層中低層靜穩(wěn)形勢，沒有明顯的系統(tǒng)影響。圖5b為2014年3月30日08時500 hPa高度場，此時高空為高壓脊形勢，貝加爾湖到蒙古一帶為弱脊控制，長江中下游處東亞大槽槽后、高壓脊前的西北氣流中，以弱下沉運動為主，高空氣流輻合低層輻散，下沉增溫作用，對流層低層大氣溫度上升；而此時地面處于大陸高壓控制下，夜間晴朗少云輻射降溫顯著，近地層易出現(xiàn)淺薄的逆溫，這種情況下最易出現(xiàn)在冬季寒冷的晴天夜間，以輻射霧居多。圖5c為2016年3月29日08時低槽型天氣特征，此時貝加爾湖以東有橫槽，長江中下游處于南支西風槽的槽前西南引導氣流中，高空氣流輻散減壓升溫、氣流輻合上升，易出現(xiàn)較深厚的逆溫；此時衢州處于地面倒槽影響下，低緯輸送來的暖濕空氣由于深厚層阻擋積聚在近地層，夜間地面降溫至一定程度就可出現(xiàn)水汽凝結，一般為平流霧。

圖3 地面天氣形勢(實線為等壓線，單位：dagpm)(a)大陸高壓型(2011年11月13日08時)、(b)冷鋒前暖區(qū)型(2013年4月18日08時)、(c)入海高壓后部型(2015年3月2日08時)、(d)低槽型(2015年3月17日08時)Fig.3 Surface synoptic situation(Solid lines are isobars, unit: dagpm)(a) continental high pattern at 8∶00 on 13 November, 2011, (b) the warming zone in front of the Cold front pattern at 8∶00 on 18 April, 2013, (c) the back of the high over sea pattern at 8∶00 on 2 March, 2015, (d) trough pattern at 8∶00 on 17 March, 2015

圖4 衢州站T-lnP圖(a)2011年11月10日08時，(b)2013年4月17日08時，(c)2015年3月1日08時，(d)2015年3月16日08時Fig.4 T-lnP diagram at Quzhou station(a) At 8∶00 on 10 November, 2011, (b) at 8∶00 on 17 April, 2013, (c) at 8∶00 on 1 March, 2015, (d) at 8∶00 on 16 March, 2015

圖5 高空500 hPa天氣形勢(實線為等高線，單位：dagpm)Fig.5 Geopotential height at 500 hPa (Solid lines are potential height contours, unit: dagpm)

2.3 霧預報指標

為了更好地對霧進行預報，本文提取了霧出現(xiàn)的主要定量指標。不同季節(jié)出現(xiàn)霧的條件有差異的，霧發(fā)生時各物理量的累積頻率分布也有明顯特征。如表1所示。

春季和冬季80%以上霧出現(xiàn)時，地面相對濕度分別為≥97%、≥95%，1 000 hPa相對濕度分別為≥93%、≥91%；而相對閾值0.2分位時，500 hPa相對濕度分別≤52%、≤62%。霧出現(xiàn)時邊界層往往會出現(xiàn)逆溫，根據(jù)霧出現(xiàn)時地面與1 000 hPa累積頻率可見，逆溫閾值設置0.5分位，春季和冬季地面與1 000 hPa溫差分別為≤-0.3 ℃、≤-0.8 ℃。霧出現(xiàn)時近地層風速往往較小，春季和冬季80%以上霧出現(xiàn)時風速≤2.2 m/s、≤2.9 m/s。霧的消空指標：春季是地面相對濕度≤81%、500 hPa相對濕度≥87%、地面風速≥2.7 m/s；冬季是地面相對濕度≤75%、500 hPa相對濕度≥62%、地面風速≥2.9 m/s。

綜合所見，霧發(fā)生時地面相對濕度基本都在95%以上，1 000 hPa、925 hPa相對濕度在90%～95%；500 hPa大氣層上相對濕度過高，則可能出現(xiàn)降水，而夏季500 hPa相對濕度不適合作為消空指標。地面與1 000 hPa不同季節(jié)的溫差閾值在-1～1 ℃、溫差均要求≤2.8 ℃(0.2分位)，而地面與925 hPa四季的溫差閾值在-1～1 ℃、溫差均要求≤2.0 ℃(0.2分位)；地面風速閾值為2.0～4.0 m/s，1 000 hPa閾值為2.5～3.5 m/s。消空指標為地面相對濕度、地面風速和500 hPa相對濕度超出閾值范圍。

2.4 預報檢驗

從2018年1月1日起，該預報模型投入業(yè)務使用。經(jīng)2018年(1—4月、11—12月)、2019年(1—4月)的運用，共預報59次霧日過程，正確42次，空報13次，漏報4次，預報準確率為71.2%，空報率為22.0%，漏報率為6.8%。證明對大霧具有較強的預報能力，可以作為衢州本地化的霧預報工具。

表1 2010—2017年霧發(fā)生時各預報因子累積頻率Tab.1 The cumulative frequency of prediction factors during fog appearance from 2010 to 2017

3 結論

①衢州市霧的空間分布呈現(xiàn)山區(qū)多于平原、北部多于南部，霧有顯著的月際和日變化，集中出現(xiàn)在11月—次年4月；83.2%的霧出現(xiàn)在23時—次日09時，峰值在06—07時。

②衢州市出現(xiàn)霧的地面天氣類型有4類：冷鋒前暖區(qū)型、大陸高壓型、入海高壓后部型和低槽型，其中68.4%的霧出現(xiàn)在大陸高壓型和低槽型下，對應的500 hPa高度場以緯向環(huán)流居多，在偏西氣流中也可有弱脊或低槽活動特征。

③發(fā)生霧的前1 d斜溫圖上有明顯特征，對流層低層風速較小、水汽飽和程度較高并伴有底層逆溫；低槽型霧逆溫層接近地面，其他3種類型天氣下逆溫層抬離地面。

④基于霧出現(xiàn)的基本條件，給定不同季節(jié)霧預報基本方法，地面與1 000 hPa和925 hPa的溫差閾值均在-1～1 ℃；地面風速閾值為2.0～4.0 m/s，又根據(jù)近地層相對濕度、風速和逆溫設定消空指標。

⑤衢州大霧分型預報工具預報準確率有71.2%，具有較好的預報水平和業(yè)務價值，為衢州霧預報提供良好的參考依據(jù)。