王 健，萬(wàn) 瑜，苗運(yùn)玲*

（1.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830002）

近地層空氣中水汽凝結(jié)并懸浮形成了霧，霧會(huì)降低能見(jiàn)度，給道路交通、航空運(yùn)輸、電力通信設(shè)施、空氣質(zhì)量和人體健康等帶來(lái)嚴(yán)重危害[1-2]，導(dǎo)致高速路上交通癱瘓[3]。隨著城市的發(fā)展擴(kuò)大，霧及其次生災(zāi)害已成為城市主要?dú)庀鬄?zāi)害之一[2]，霧的監(jiān)測(cè)、分析研究和預(yù)報(bào)預(yù)警越來(lái)越受到廣泛關(guān)注。

不同區(qū)域霧的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間差別顯著[4-9]。中國(guó)霧總體呈東南部多，西北部少的分布特征，北方冬春季會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的持續(xù)性濃霧天氣[4]。中國(guó)霧區(qū)大都是秋冬季多，春夏季較少[5]。地理環(huán)境和地形對(duì)霧的出現(xiàn)和維持有顯著影響[6-7]。中國(guó)西部大霧日數(shù)偏少（多）與氣溫偏高（低）、相對(duì)濕度偏?。ù螅┐嬖谳^好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[8]。霧與生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)，研究霧可為保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)[9-11]。新疆天山山區(qū)和北疆是中國(guó)6 個(gè)主要霧區(qū)之一，霧日年際變化較大[5]。天山山區(qū)和北疆的霧主要出現(xiàn)在冬季[12-13]。張家寶等[14]指出北疆沿天山一帶冬季陰?kù)F多發(fā)，且陰?kù)F的發(fā)生和維持與地理環(huán)境密切相關(guān)。

烏魯木齊市位于北疆沿天山一帶的中部、天山北坡和準(zhǔn)噶爾盆地南緣之間，有降雪或積雪的冬季大霧易發(fā)、多發(fā)[15]，大霧已成為烏魯木齊城區(qū)冬季最常見(jiàn)的高影響災(zāi)害性天氣之一[16]。已有研究[17-21]較好地揭示了烏魯木齊市不同區(qū)域霧的天氣氣候特征、環(huán)流配置、垂直風(fēng)場(chǎng)特征和主要成因等。烏魯木齊市年霧日受海拔高度和地形影響較大，城區(qū)冬季霧日最多，且年、季及月的年際變化均呈顯著增加趨勢(shì)[18]。但已有研究主要是基于烏魯木齊市氣象站或者烏魯木齊國(guó)際機(jī)場(chǎng)的資料（據(jù)《民用航空地面氣象觀測(cè)規(guī)范》），基本未涉及城北米東氣象站的觀測(cè)數(shù)據(jù)。烏魯木齊城區(qū)呈南高北低的準(zhǔn)南北向狹長(zhǎng)帶狀分布，海拔高度在580～920 m，較大的高度差和復(fù)雜的地理環(huán)境造成城南和城北的天氣氣候差異顯著。

自2016 年1 月1 日，全國(guó)氣象臺(tái)站能見(jiàn)度的觀測(cè)由人工目測(cè)改為自動(dòng)器測(cè)，實(shí)現(xiàn)了能見(jiàn)度值的逐時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，為系統(tǒng)研究烏魯木齊城區(qū)霧的分布特征提供了寶貴數(shù)據(jù)。本文分析烏魯木齊城南和城北不同強(qiáng)度霧的發(fā)生概率、霧的發(fā)生時(shí)段、起止時(shí)間及持續(xù)時(shí)間等主要特征，以期為烏魯木齊城區(qū)霧的精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警提供重要參考指標(biāo)。

1 資料與方法

1.1 代表站和資料

位于城南的烏魯木齊市氣象站和位于城北的米東氣象站經(jīng)度基本一致，緯度相差11′，直線距離約20 km，海拔高度相差近335 m。根據(jù)兩站在城區(qū)的地理位置，可分別代表城南和城北。烏魯木齊站和米東站都有規(guī)范的霧和能見(jiàn)度觀測(cè)資料，據(jù)兩站1981—2010 年的整編資料，城南年平均霧日28.9 d，其中11 月—次年2 月為25.4 d（占88%）；城北年平均霧日40.4 d，其中11 月—次年2 月為37.3 d（占92%）。本文統(tǒng)稱(chēng)一年中霧日數(shù)最集中的11 月—次年2 月為冬季。兩站的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 烏魯木齊城區(qū)站點(diǎn)基本參數(shù)、代表區(qū)域及年平均和冬季霧日數(shù)

資料選取2016—2020 年烏魯木齊站和米東站冬季霧日、霧日最小水平能見(jiàn)度和霧日逐時(shí)水平能見(jiàn)度以及風(fēng)速、靜風(fēng)頻次和相對(duì)濕度等要素的月平均數(shù)據(jù)等，所有資料均通過(guò)嚴(yán)格質(zhì)量控制。

1.2 方法

《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》規(guī)定，天氣現(xiàn)象以北京時(shí)20 時(shí)為日界，當(dāng)某站20 時(shí)至次日20 時(shí)出現(xiàn)霧，不論其持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短、是否有間斷均記為一個(gè)霧日，若某次霧跨越20 時(shí)日界，則按2 個(gè)霧日計(jì)算。

能見(jiàn)度是界定有、無(wú)霧及其強(qiáng)度的定量指標(biāo)。2016 年能見(jiàn)度監(jiān)測(cè)改為自動(dòng)器測(cè)后，地面氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)中霧的等級(jí)劃分為3 級(jí)，即：霧（500 m≤水平能見(jiàn)度＜750 m）、濃霧（50 m≤水平能見(jiàn)度＜500 m）、強(qiáng)濃霧（水平能見(jiàn)度＜50 m）。在預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)中，依據(jù)《中華人民共和國(guó)霧的預(yù)報(bào)等級(jí)指標(biāo)（GB/T27964-2011）》分為4級(jí)，即：大霧（500m≤水平能見(jiàn)度＜1 000 m）、濃霧（200 m≤水平能見(jiàn)度＜500 m）、強(qiáng)濃霧（50 m≤水平能見(jiàn)度＜200 m）、特強(qiáng)濃霧（水平能見(jiàn)度＜50 m）。本文旨在為預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)提供定量參考，故主要依據(jù)《中華人民共和國(guó)霧的預(yù)報(bào)等級(jí)指標(biāo)（GB/T27964-2011）》4 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，利用測(cè)站霧日的最小能見(jiàn)度值和逐時(shí)水平能見(jiàn)度值等表征霧的強(qiáng)度。

為了分析霧的時(shí)間和強(qiáng)度分布特征，首先統(tǒng)計(jì)近5 a 冬季城南和城北霧日最小能見(jiàn)度的平均值及其在晝（08 時(shí)—20 時(shí)）、夜（20 時(shí)—次日08 時(shí)）的出現(xiàn)概率，對(duì)比分析城南和城北霧的強(qiáng)度及其晝夜分布特征。分別統(tǒng)計(jì)城南和城北5 a 冬季中不同強(qiáng)度霧在1 天24 個(gè)時(shí)次的累計(jì)出現(xiàn)頻次，高頻時(shí)段即為對(duì)應(yīng)強(qiáng)度霧的易發(fā)時(shí)段。

霧的開(kāi)始、結(jié)束和持續(xù)時(shí)間也是采用測(cè)站逐時(shí)水平能見(jiàn)度值，即當(dāng)某時(shí)次能見(jiàn)度＜1 000 m 即判定為霧的開(kāi)始時(shí)次，若能見(jiàn)度＜1 000 m 持續(xù)，表示霧持續(xù)并累計(jì)小時(shí)數(shù)，當(dāng)霧持續(xù)了若干小時(shí)后出現(xiàn)＞2 h的能見(jiàn)度＞1 000 m，則視為霧過(guò)程結(jié)束，出現(xiàn)能見(jiàn)度＞1 000 m 的前一時(shí)次計(jì)為霧的結(jié)束時(shí)次；霧從開(kāi)始時(shí)次到結(jié)束時(shí)次間的累計(jì)小時(shí)數(shù)為霧的持續(xù)時(shí)間；分別累計(jì)霧在1 天24 個(gè)時(shí)次的開(kāi)始、結(jié)束時(shí)次的頻次，高頻時(shí)次即為霧的開(kāi)始或結(jié)束的高發(fā)時(shí)次。

2 霧的時(shí)間分布特征

2.1 霧的日數(shù)

圖1 為2016—2020 年冬季及逐月城南和城北霧日數(shù)的分布情況。近5 a 冬季霧日數(shù)城南為223 d，城北為271 d，城北比城南偏多48 d；平均霧日數(shù)城南為44.6 d，城北為54.2 d，分別較多年（1981—2010 年）冬季偏多19.2、16.9 d，即近5 a 冬季城南和城北霧日數(shù)均呈增加趨勢(shì)，與文獻(xiàn)[15]結(jié)論一致。

在上述分析中發(fā)現(xiàn)，軌道換乘站客流擁塞風(fēng)險(xiǎn)具有明顯的時(shí)變特征，因此可將1 d內(nèi)的各時(shí)段作為不同的評(píng)價(jià)對(duì)象，每個(gè)時(shí)段分別以進(jìn)站、出站、換乘客流作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而識(shí)別1 d內(nèi)客流擁塞風(fēng)險(xiǎn)較高的時(shí)段. 根據(jù)北京市地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間，確定全天的數(shù)據(jù)采集時(shí)段為05:00—23:00，以15 min為最小時(shí)間單元，分別基于軌道AFC刷卡數(shù)據(jù)提取進(jìn)站、出站和換乘客流.

由圖1 可知，近5 a 冬季兩站月平均霧日數(shù)均為1 月最多（城南15.8 d，城北21.6 d），11 月最少（城南5.6 d，城北4.6 d），12 月和2 月平均霧日數(shù)為11.4～14.6 d；除11 月城南（5.6 d）多于城北（4.6 d）外，其余3 個(gè)月霧日數(shù)均為城北多于城南。

圖1 2016—2020 年冬季及逐月烏魯木齊城南和城北不同強(qiáng)度霧日數(shù)分布

2.2 霧的晝夜分布

近5 a 冬季霧日中，城南晝夜都出現(xiàn)霧的年平均日數(shù)為19 d（表2），占42.6%，僅白天或僅夜間有霧分別為10.6 和15 d，分別占23.8%和33.6%；城北晝夜都有霧共出現(xiàn)34.2 d，占63.1%，僅白天或僅夜間有霧分別為11.8 和8.2 d、分別占21.8%和15.1%。故城北晝夜都出現(xiàn)霧的概率高于城南。城南霧最小能見(jiàn)度出現(xiàn)在夜間有28.6 d，占64.1%，城南霧夜間強(qiáng)于白天；而城北最小能見(jiàn)度出現(xiàn)在白天和夜間的日數(shù)接近，分別為26.2 和28 d，分別占48.3%和51.7%，即城北霧的強(qiáng)度晝或夜的差別不大。

表2 2016—2020 年冬季烏魯木齊城南和城北晝霧與夜霧平均日數(shù)和最小能見(jiàn)度平均日數(shù) d

2.3 霧的起止時(shí)間

分析近5 a 冬季城南309 次霧、城北351 次霧的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間的累計(jì)頻次，發(fā)現(xiàn)1 天24 個(gè)時(shí)次都有霧的開(kāi)始和結(jié)束，但是在不同時(shí)次開(kāi)始和結(jié)束的概率大不相同，即霧的開(kāi)始和結(jié)束的多發(fā)和少發(fā)時(shí)段是不同的。城南霧開(kāi)始時(shí)間（圖2a）呈單峰單谷，最多出現(xiàn)在17—19 時(shí)、占21.0%，11—14 時(shí)最少、僅占7.8%；結(jié)束時(shí)間（圖2b）呈準(zhǔn)雙峰三谷型，最多出現(xiàn)在11 和05 時(shí)，分別占8.1%和7.1%。城北霧開(kāi)始時(shí)間（圖2a）為三峰單谷型，20—22 時(shí)和09 時(shí)最易出霧，分別占17.9%和6.0%；14 時(shí)很少開(kāi)始，僅占0.3%；結(jié)束時(shí)間（圖2b）為單峰單谷，集中結(jié)束于14 時(shí)前后，占10.8%，極少結(jié)束于20 時(shí)，僅占0.9%。

圖2 2016—2020 年冬季烏魯木齊城南和城北霧開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間的日變化曲線（a 為開(kāi)始頻率，b 為結(jié)束頻率）

城南霧常在18 時(shí)前后開(kāi)始，11 時(shí)前后結(jié)束。城北霧大都在20—22 時(shí)或09 時(shí)開(kāi)始，14 時(shí)前后結(jié)束。原因是城南在經(jīng)歷了白天升溫、積雪升華后，在18 時(shí)前后氣溫下降、相對(duì)濕度增大，導(dǎo)致霧生成；20 時(shí)前后受偏北來(lái)向的谷風(fēng)影響[27]，霧從準(zhǔn)噶爾盆地蔓延至城北。

2.4 霧的持續(xù)時(shí)間

近5 a 冬季城南和城北的霧過(guò)程分別是309、351 次，城南少于城北。不同持續(xù)時(shí)間霧過(guò)程的累計(jì)頻次和占比不同（表3），城南和城北持續(xù)3 h 內(nèi)的霧過(guò)程占比分別是37.2%、33.3%，都有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，與許瑋[10]、馮麗莎[11]結(jié)論一致。城南和城北持續(xù)3～12 h的霧過(guò)程占比分別是43.4%、37.0%，城南略多于城北，城南和城北持續(xù)12～24 h 的霧過(guò)程頻次占比為12.9%和16%，城北略多于城南，而持續(xù)24 h 以上的霧過(guò)程，城北（48 次、占比13.7%）遠(yuǎn)多于城南（20次，占比6.5%）。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，城北霧的持續(xù)時(shí)間總體長(zhǎng)于城南，初步認(rèn)為城北海拔高度低，邊界層更加靜穩(wěn)，為霧的維持提供了條件。

表3 2016—2020 年冬季烏魯木齊城南和城北不同持續(xù)時(shí)間霧的累計(jì)頻次和占比

城南霧過(guò)程最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間是106 h（2016 年2月21 日02 時(shí)—2016 年2 月25 日11 時(shí)）城北是153 h（2016 年1 月22 日10 時(shí)—2016 年1 月28 日18 時(shí)）。

3 霧的強(qiáng)度

3.1 不同強(qiáng)度霧的出現(xiàn)概率

近5 a 冬季，城南各種強(qiáng)度霧共出現(xiàn)2 653 次，大霧、濃霧、強(qiáng)濃霧和特強(qiáng)濃霧出現(xiàn)頻次（圖3）分別為1 676 次（63.2%）、527 次（19.9%）、432 次（16.3%）和18 次（0.68%）；城北共出現(xiàn)4 484 次，其中大霧、濃霧、強(qiáng)濃霧和特強(qiáng)濃霧分別是3 366 次（75.1%）、879 次（19.6%）、236 次（5.3%）和3 次。

圖3 2016—2020 年冬季烏魯木齊城南和城北不同強(qiáng)度霧出現(xiàn)頻率

3.2 不同強(qiáng)度霧的月分布

表4 為近5 a 冬季城南和城北不同強(qiáng)度霧的月平均分布。城南1 月（2.2 d）和12 月（5.4 d）強(qiáng)濃霧最多，2 月濃霧（4.6 d）最多，11 月大霧（1.8 d）、濃霧（1.6 d）和強(qiáng)濃霧（2.2 d）的頻次接近。城北1 月大霧（8.4 d）、濃霧（8.6 d）和12 月大霧（5.4 d）、濃霧（5.2 d）較多，2 月濃霧（6 d）最多，11 月除無(wú)特強(qiáng)濃霧外，其余強(qiáng)度霧日數(shù)接近（大霧1.6 d、濃霧1.8 d、強(qiáng)濃霧1.2 d）。冬季城南強(qiáng)濃霧和特強(qiáng)濃霧的發(fā)生概率（41.3%）多于城北（22.5%），這也是城南霧總體強(qiáng)于城北的原因之一。

表4 2016—2020 年冬季及逐月烏魯木齊城南和城北不同強(qiáng)度霧的平均日數(shù)分布 d

3.3 不同強(qiáng)度霧的日變化

城南和城北不同強(qiáng)度霧在1 天的任何時(shí)次都可能出現(xiàn)，但是不同時(shí)次出現(xiàn)的概率不同。城南大霧（圖4a）在19—20 時(shí)出現(xiàn)最多，占11.6%，13—15 時(shí)出現(xiàn)次數(shù)最少，均少于3%；濃霧（圖4b）在03—05時(shí)出現(xiàn)較多，占18.2%，14—17 時(shí)發(fā)生頻率較少，僅為2.5%；強(qiáng)濃霧（圖4c）在21 時(shí)—次日06 時(shí)逐時(shí)遞增，02—06 時(shí)為1 天中的高發(fā)時(shí)段、每個(gè)時(shí)次均占8%以上，其后波動(dòng)式減少，15—19 時(shí)為最少時(shí)段，各時(shí)次僅占1.2%。城北大霧（圖4a）多出現(xiàn)在09—13 時(shí)，占22.8%，16—19 時(shí)出現(xiàn)較少，僅占3.5%；濃霧（圖4b）最多出現(xiàn)在11—12 時(shí)，占13.2%，17—19 時(shí)出現(xiàn)最少，僅占2%；強(qiáng)濃霧（圖4c）呈先持續(xù)緩升后快速下降趨勢(shì)，即21 時(shí)后持續(xù)增加至次日10 時(shí)的峰值時(shí)刻，占9.3%，然后快速降至15—20 時(shí)的谷值時(shí)段，僅占1%。城南和城北都極少出現(xiàn)特強(qiáng)濃霧，兩地均短時(shí)偶發(fā)于09 時(shí)前后。

圖4 2016—2020 年冬季烏魯木齊城南和城北不同強(qiáng)度霧的日變化曲線（a 為大霧，b為濃霧，c為強(qiáng)濃霧）

城南濃霧和強(qiáng)濃霧主要出現(xiàn)在21 時(shí)—次日06時(shí)，分別占53.1%和60.2%，這與城南霧的強(qiáng)度夜間強(qiáng)于白天是一致的。城北不同強(qiáng)度霧的發(fā)生時(shí)段較為分散，與城北霧在晝夜強(qiáng)度接近相對(duì)應(yīng)。

4 影響霧的主要因素

觀測(cè)事實(shí)和研究都證實(shí)，霧的形成和維持離不開(kāi)穩(wěn)定的大氣層結(jié)、充沛的水汽、有利的溫濕度配置和風(fēng)場(chǎng)條件[1，15-18]。本文僅從風(fēng)速、相對(duì)濕度和地理環(huán)境等因素對(duì)城南和城北做對(duì)比分析，初步探討城南和城北霧的部分差異性的主要影響因素。

4.1 風(fēng)速和相對(duì)濕度

微風(fēng)、靜風(fēng)和充沛的水汽是霧生成和維持的必要條件[1，12，15]。分析近5 a 冬季城南和城北風(fēng)速、相對(duì)濕度逐月平均值發(fā)現(xiàn)：城北11 月—次年2 月的平均靜風(fēng)頻次（12、16、16、14 次）均大于城南（5、6、6、4次）（圖5a），同時(shí)段城北逐月平均風(fēng)速（1.1、0.9、0.8、1.0 m/s）明顯小于城南（1.7、1.4、1.5、1.6 m/s）（圖5b），冬季11 月—次年2 月城北的相對(duì)濕度（72.1%、81.9%、80.9%、76.8%）大于城南（70.1%、77.6%、77.9%、74.3%）（圖5c）。有利于霧生成和維持的風(fēng)速及相對(duì)濕度是城北霧多于且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于城南的重要?dú)夂蛴绊懸蛩豙8]。

圖5 2016—2020 年冬季各月烏魯木齊城南和城北靜風(fēng)頻次（a）、平均風(fēng)速（b）和相對(duì)濕度（c）

4.2 地理環(huán)境因素

很多研究[5-7，13]都表明，獨(dú)特而有利的地理環(huán)境也是霧發(fā)生和維持的重要原因之一。北疆在冬季處于地面蒙古冷高壓后部，當(dāng)穩(wěn)定積雪形成后，準(zhǔn)噶爾盆地上空常維持逆溫層，導(dǎo)致準(zhǔn)噶爾盆地和北疆沿天山一帶常出現(xiàn)陰?kù)F天氣[14]，盆地形成的陰?kù)F極易蔓延至盆地南緣的烏魯木齊城北一帶[19]，城北海拔高度較低，大氣層結(jié)更靜穩(wěn)，導(dǎo)致霧在城北滯留。與此相反，烏魯木齊南郊至城南冬季出現(xiàn)淺薄型焚風(fēng)頻率達(dá)57.3%[22]，干暖焚風(fēng)不利于霧的發(fā)生和維持。地理環(huán)境因素也是城北冬季霧多且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于城南的重要因素之一。

5 結(jié)論和討論

（1）近5 a 冬季，烏魯木齊城南平均霧日為44.6 d較城北的54.2 d 偏少9.6 d，兩地霧日都是1 月最多、11 月最少；城南霧夜間強(qiáng)于白天，城北霧晝夜強(qiáng)度接近。城南集中在17—19 時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)霧，常在11和05 時(shí)霧消散；而城北多在09 時(shí)和20—22 時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)霧，基本都在14 時(shí)前后消散。城南和城北霧的持續(xù)時(shí)間大部分在24 h 以?xún)?nèi)，其中又以3 h 以?xún)?nèi)為多，但是持續(xù)時(shí)間超過(guò)24 h 的累計(jì)頻次城北多于城南，城北霧持續(xù)時(shí)間大于城南。

（2）城南和城北霧日最小能見(jiàn)度分別為335、390 m，城南強(qiáng)濃霧和特強(qiáng)濃霧占41.3%，多于城北的22.5%，城南霧總體強(qiáng)于城北。城南大霧多發(fā)19—20 時(shí)，濃霧多發(fā)于03—05 時(shí)，強(qiáng)濃霧高發(fā)于02—06 時(shí)。城北大霧高發(fā)于09—13 時(shí)，濃霧多出現(xiàn)于11—12 時(shí)，強(qiáng)濃霧多發(fā)于10 時(shí)。

（3）城北位于陰?kù)F多發(fā)的準(zhǔn)噶爾盆地南緣，海拔高度較低、層結(jié)更加靜穩(wěn)，冬季各月靜風(fēng)頻次較多、風(fēng)速較小、相對(duì)濕度較大，而城南常受干暖焚風(fēng)影響，區(qū)域小氣候和地理環(huán)境是城南和城北霧分布差異的主要影響因素。

由于兩站能見(jiàn)度自動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)間較短，觀測(cè)資料年限不長(zhǎng)，所得結(jié)論具有一定的局限性。隨著觀測(cè)資料的增多，再增加邊界層、局地風(fēng)場(chǎng)等資料的分析，可以遴選出烏魯木齊城區(qū)冬季霧精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警的關(guān)鍵因子和指標(biāo)體系，建立烏魯木齊城南和城北冬季霧的精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警方法，進(jìn)一步做好烏魯木齊城區(qū)冬季霧的精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警和服務(wù)。