索春男 閆春旺 張敏

摘要 利用2019年2月18—23日河北省國家站地面、高空觀測資料以及NCEP再分析資料，從環(huán)流形勢、溫濕場、動力場及邊界層特征等方面對2019年2月20日和2月21日清晨河北平原局地出現(xiàn)能見度不足50 m的特強濃霧天氣進行特征和成因分析。結(jié)果表明：本次過程霧強度大，能見度低，持續(xù)時間短，午后能見度回升明顯，主要以輻射霧為主;兩次大霧發(fā)生在大尺度下沉運動背景下，高空環(huán)流形勢穩(wěn)定，中層風速小，地面處于高壓前部，有利于冷空氣南下造成河北平原大霧天氣;大霧發(fā)生時溫度場1 000 hPa以上具有弱逆溫或等溫特性，1 000 hPa與地面氣溫之差為3℃～6℃，表明200 m以下近地面存在強逆溫，大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，邊界層高度低，有利于大霧的形成和維持;濕度場具有“下濕上干”特點，“上干”高空無云，有利于晴空輻射降溫，“下濕”有利于近地面空氣達到飽和;雪后充足的水汽和輻射冷卻造成了20日強濃霧的形成;而由于近地面強降溫使空氣達到飽和形成了21日清晨的強濃霧過程。

關鍵詞 河北平原;特強濃霧;環(huán)流形勢;溫濕場特征

中圖分類號：P458 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3305（2020）04-0-04

DOI：10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.04.031

大霧是懸浮于近地層中的大量小水滴或冰晶使水平能見度小于1 000 m的自然現(xiàn)象。大霧是一種災害性天氣，攜帶大量的污染物，對人體健康不利[1-2]。有研究表明，大霧天氣條件下，北京、天津和石家莊3市出現(xiàn)重污染的比率呈增加趨勢，因此對大霧天氣的研究有較為重要的意義[3]。此外，大霧天氣對農(nóng)作物的萌芽、生長發(fā)育及產(chǎn)量、質(zhì)量都會產(chǎn)生嚴重影響[4]。連續(xù)性大霧發(fā)生時，日照時長和日照質(zhì)量明顯不足，導致作物生長受阻，因此大霧研究對農(nóng)業(yè)發(fā)展也有重要意義[5]。目前已有一些關于大霧天氣預報的研究，陳東輝等[6]利用多年觀測資料分析了環(huán)渤海地區(qū)大霧時空分布特征及大霧發(fā)生的影響因素，給出了大霧發(fā)生的天氣形勢和地面氣象要素指標，為環(huán)渤海大霧預報提供了一定依據(jù);鄭寶枝等[7]利用當?shù)囟嗄曩Y料給出了山東省濱州市大霧天氣預報地面要素指標;蔣大凱等[8]對遼寧省進行區(qū)域性大霧天氣分型，分析遼寧省各種區(qū)域性大霧的成因及要素演變特征，從中提取預報指標，建立了預報流程。

河北省霧出現(xiàn)頻率較高的地帶是河北平原，這與河北省的地形有密切聯(lián)系。以往有許多學者對河北平原大霧天氣進行了分析，并取得了一定的研究成果。例如，侯瑞欽等[9]、呂淑琳等[10]、王麗榮等[11]分別分析河北平原的大霧過程，總結(jié)了大霧發(fā)生時的環(huán)流形勢和溫濕場特征;李江波等[12]揭示了緯向環(huán)流背景下，河北平原易形成連續(xù)性大霧的成因分析，并進一步給出了河北平原秋冬季霧區(qū)分布的幾種天氣模型。雖然已有的研究成果已經(jīng)總結(jié)了一些河北大霧形成規(guī)律，但以往研究多側(cè)重于連續(xù)性大霧分析，對于突然出現(xiàn)的強濃霧天氣預報目前仍存在一定的難度。

1 資料介紹

選用河北省2019年2月18日00∶00到2019年2月23日23∶00逐小時地面站點觀測的最小能見度、溫度和露點溫度數(shù)據(jù)以及NCEP再分析資料（水平分辨率2.5°×2.5°），所用的混合層高度和地表通風系數(shù)數(shù)據(jù)下載于河北省環(huán)境氣象業(yè)務平臺（http：//10.48.36.29：8088/HJJC/ShiKuang_Hour.aspx）。根據(jù)地面氣象觀測規(guī)范，依據(jù)能見度的大小，定義能見度大于500 m且不足1 000 m為大霧天氣，大于200 m不足500 m為濃霧天氣，大于50 m小于200 m為強濃霧天氣，能見度小于50 m的天氣為特強濃霧天氣。

2 強濃霧特征及成因分析

2.1 天氣概況

2019年2月19日受高空冷渦和高空槽影響，河北平原大部分地區(qū)產(chǎn)生弱降雪，20日02∶00起包括滄州地區(qū)在內(nèi)的河北平原大部分區(qū)域出現(xiàn)能見度不足500 m的濃霧天氣，且大霧逐漸加強，局地出現(xiàn)能見度不足50 m的特強濃霧天氣，濃霧在20日11∶00逐漸消散，到21日清晨又出現(xiàn)特強濃霧天氣（圖1），且霧區(qū)范圍較20日進一步擴大，兩次過程河北平原東部和南部都出現(xiàn)了能見度不足50 m的特強濃霧，21日午后大霧天氣逐漸消散結(jié)束。

2.2 環(huán)流形勢分析

從500 hPa環(huán)流形勢場可以看出，19日河北平原上空受高空冷渦和高空槽控制，受高空槽的影響在河北地區(qū)產(chǎn)生弱降雪，高空槽快速移過，到20日08∶00高空轉(zhuǎn)為偏西氣流，21日08∶00高空受弱脊控制，大霧發(fā)生時段高空環(huán)流形勢穩(wěn)定。天氣晴好，有利于輻射冷卻降溫，有利于大霧天氣的形成（圖2）。

19日凌晨河北平原上空有一短波槽過境，對比1 h降水量可知在河北地區(qū)產(chǎn)生弱降水。20日和21日清晨，850 hPa河北平原（35°～40°N）地區(qū)風速較小，風速不大于4 m/s，中層風速較小有利于靜穩(wěn)天氣的出現(xiàn)。同時可以注意到大霧發(fā)生時段河北平原地區(qū)中層相對濕度小，中層相對濕度小意味著空中云量較少，少云或無云有利于晴空輻射降溫，有利于河北地區(qū)大霧天氣的形成和維持。且由于19日的弱降水過程，地面濕度條件較好，在20日清晨易形成大霧天氣。

平均風場和相對濕度時間剖面圖（上）及滄州站點1小時降水量（下）（圖3）。

分析海平面氣壓的演變情況可知（圖4），河北平原一開始處于西高東低的弱氣壓場控制區(qū)，隨后逐漸轉(zhuǎn)為高壓前部，高壓中心位于蒙古國東部，河北平原處于高壓前部，且等壓線分布稀疏，河北平原處于這種高壓前部地面形勢下且有北部燕山山脈和西部太行山脈的阻擋，有利于冷空氣擴散南下，造成河北平原近地面的降溫，形成平原地區(qū)的大霧天氣。

從高低空環(huán)流形勢可以看出，在20日和21日清晨，高空環(huán)流形勢穩(wěn)定，中層風小，近地面處于高壓前部，有利于靜穩(wěn)天氣的出現(xiàn)和大霧的生成。但有靜穩(wěn)條件時空氣不達到飽和狀態(tài)，霧也無法形成。霧的形成與溫度和濕度的變化有至關重要的聯(lián)系，地面相對濕度大達到飽和或有效降溫到露點溫度達到飽和都會導致霧的形成，因此，接下來將對這兩次大霧過程的溫濕場進行分析。

2.3 溫濕場特征

NCEP再分析資料的2019年2月21日08∶00 850 hPa和1 000 hPa氣溫分布圖（圖5），21日08∶00，850 hPa上河北平原受暖溫脊控制，暖脊溫度變化在-2℃～-3℃，而1 000 hPa上河北平原溫度場表現(xiàn)為冷溫槽，低層的冷溫槽表明有冷空氣影響，這種上暖下冷的配置有利于低層逆溫的形成。

2月21日08∶00 1 000 hPa與地面氣溫之差（圖6），觀察1 000 hPa與地面的溫度差可知，大霧發(fā)生時河北平原1 000 hPa溫度高于地面3℃～5℃，近地面也存在較強的逆溫，近地面的強逆溫表明近地層大氣層結(jié)的穩(wěn)定，有利于大霧天氣的形成和維持。

從溫度場分析可知，在大霧發(fā)生時河北平原近地面存在較強的逆溫，且1 000 hPa溫度場表現(xiàn)為冷溫槽，近地面有降溫存在。進一步給出了河北平原（35°～39°N，115～117°E）上空平均相對濕度的變化情況（圖7），19日08∶00 850 hPa以上整層相對濕度大于90%，由前面的分析已知整層較濕為河北平原帶來了弱降雪天氣，隨后到20日08∶00高層迅速轉(zhuǎn)干，850 hPa以上相對濕度小于30%，而925 hPa以下相對濕度達到70%～80%，有“上干下濕”特性，這種高低空濕度配置有利于高層輻射降溫和低層濕度增加， 因而，20日的強濃霧過程主要是由于雪后迅速轉(zhuǎn)晴，低層相對濕度較大，高層云量較少，強輻射降溫使近地面空氣達到飽和，形成雪后輻射霧。對比21日08∶00濕度場特征可知，21日08∶00也存在上干下濕的結(jié)構(gòu)，但925 hPa以下相對濕度約為50%，相對濕度較小，因此，低層水汽含量不是形成21日清晨強濃霧的主要原因。

2.4 動力場和邊界層特征

已有研究表明，大尺度下沉運動一方面有利于夜間晴空的存在，另一方面其導致的下沉逆溫限制了邊界層之上的混合作用，從而有利于大霧的出現(xiàn)。18—23日河北平原平均垂直速度的高度—時間剖面圖（圖8），20日及21日700 hPa以上以下沉運動為主，850 hPa以下垂直運動較弱，可以認為20日和21日兩次強濃霧過程均發(fā)生在大尺度下沉運動背景下。

以滄州站作為河北平原代表站，對比分析滄州站混合層高度和地表通風系數(shù)變化可知（圖9），大霧發(fā)生時邊界層高度不超過400 m，地表通風系數(shù)較小，大尺度下沉運動背景限制了混合層高度，較低的混合層高度不利于垂直方向的混合作用，有利于靜穩(wěn)天氣的出現(xiàn)，這也是有利于大霧維持的重要因素。

進一步分析滄州站地面溫度和露點溫度的變化情況可以得知，大霧發(fā)生時露點溫度差較小，近地面空氣達到飽和，19日—20日露點溫度穩(wěn)定維持在-1℃左右，變化幅度較小，地面水汽條件較好，有利于空氣達到飽和形成大霧天氣。但20日午后露點溫度下降，氣溫升高，濕度條件轉(zhuǎn)差，能見度隨之變高，不利于大霧天氣的形成，但由于20日夜間發(fā)生強降溫，氣溫迅速下降到露點溫度，并在21日清晨達到飽和，形成了21日強濃霧天氣，由此可知，21日強濃霧過程主要形成原因并不在于地面的水汽條件，而是由于1 000 hPa冷溫槽帶來的強降溫使地面氣溫下降到露點溫度，地面空氣達到飽和，導致了21日清晨的強濃霧天氣。

對于河北平原大霧天氣的預報，以往已有研究統(tǒng)計了一些判斷能否形成大范圍大霧天氣的指標，對于20日和21日連續(xù)兩次強濃霧天氣過程是否符合以往總結(jié)的預報指標，或者說以往大霧判斷指標對這兩次大霧過程的適用性如何是值得關注的，因此，進一步分析了以往對于河北平原大霧的判斷指標與這兩次大霧過程的要素關系。

3 以往大霧指標對本次過程的適用性分析

《河北省天氣預報手冊》對河北平原以往出現(xiàn)大霧天氣前期氣象要素進行了統(tǒng)計，結(jié)果表明：出現(xiàn)大霧前一日14∶00地面氣象要素當符合一定閾值時對第二日是否產(chǎn)生以及產(chǎn)生多大范圍的大霧天氣有較好的指示意義，以往統(tǒng)計的閾值結(jié)果與20日和21日強濃霧發(fā)生前一天14∶00地面要素的實況對比（表1），20日發(fā)生強濃霧前地面氣象要素的數(shù)值完全符合河北平原出現(xiàn)大范圍大霧天氣的閾值范圍，統(tǒng)計指標對20日大霧天氣的指示意義較好;對比分析21日強濃霧前地面氣象要素與閾值可以發(fā)現(xiàn)，在21日前地面相對濕度、露點溫度及露點溫度差等項均不符合河北平原出現(xiàn)大霧的閾值，甚至不滿足出現(xiàn)零星站大霧的條件，但實際上21日清晨局地甚至出現(xiàn)了能見度不足50 m的特強濃霧。因此，以往大霧判斷指標對于21日大霧的指示性是較差的。由于21日08∶00 1 000 hPa冷溫槽的存在，地面日氣溫下降幅度達到15℃—16℃，強降溫使21日清晨近地面空氣達到飽和，導致了大霧的產(chǎn)生。因此在未來的大霧預報中，除了要考慮前期地面氣象要素情況外，也要考慮1 000 hPa溫度場特征對大霧是否能形成具有較強的指導意義。

4 小結(jié)

（1）20日與21日清晨河北平原發(fā)生的特強濃霧（能見度<50 m）與以往連續(xù)性大霧天氣不同，具有能見度日變化明顯，強度大，持續(xù)時間短等特征，大霧類別以輻射霧為主。

（2）從環(huán)流形勢、溫濕場和動力場等角度分析，這兩次大霧的形成原因表明兩次大霧發(fā)生在大尺度下沉運動背景下，高空環(huán)流形勢穩(wěn)定，中層風速小，地面處于高壓前部，有利于冷空氣南下造成河北平原大霧天氣，兩次大霧發(fā)生時近地面和低層大氣均存在一定的逆溫。不同的是，21日1 000 hPa溫度場有冷溫槽存在，表明21日近地面有降溫，這一降溫是形成21日清晨強濃霧的主要原因。濕度場均具有“下濕上干”特點，“上干”高空無云，有利于晴空輻射降溫，“下濕”有利于近地面空氣達到飽和。20日清晨近地面相對濕度較大，雪后充足水汽和輻射冷卻造成了20日強濃霧的形成;而21日近地面相對濕度相對較小，大霧的形成主要由于近地面強降溫使空氣達到飽和。

（3）分析這兩次強濃霧天氣前期地面氣象要素與以往河北平原大霧判斷閾值的對比可知，統(tǒng)計大霧判斷指標具有一定的指示意義，但當濕度條件不符合閾值時，1 000 hPa存在冷溫槽，地面有效降溫也會造成空氣的飽和形成大霧天氣，這給未來大霧天氣的預報提供了一定參考。

參考文獻

[1] 黃培強，王偉民，魏陽春.蕪湖地區(qū)持續(xù)性大霧的特征研究[J].氣象科學，2000 （4）：494-502.

[2] 濮梅娟，張國正，嚴文蓮，等.一次罕見的平流輻射霧過程的特征[J].中國科學（D輯：地球科學），2008（6）：776-783.

[3] 師華定，史華偉，白鶴鳴，等.沙塵與大霧天氣對京津石空氣質(zhì)量影響[J].生態(tài)環(huán)境學報，2014，23（2）：262-266.

[4] 毛藝林.霧霾環(huán)境對設施農(nóng)業(yè)的影響及應對策略[J].河南農(nóng)業(yè)科學，2014，43（7）：76-79.

[5] 李春，郭晶.2013-2014年冬季天津地區(qū)連續(xù)霧霾天氣對設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響[J].天津農(nóng)林科技，2014（3）：36-37.

[6] 陳東輝，尚可政，趙中軍，等.環(huán)渤海地區(qū)霧特征及其影響因子分析[J].氣象與環(huán)境學報，2015，31（4）：74-81.

[7] 鄭寶枝，王鳳嬌，莫瑤.山東省濱州市大霧氣候變化特征分析[J].河北農(nóng)業(yè)科學，2008（6）：59-61，94.

[8] 蔣大凱，閔錦忠，陳傳雷，等.遼寧省區(qū)域性大霧預報研究[J].氣象科學，2007（5）：578-583.

[9] 侯瑞欽，李江波，趙玉廣.河北平原一次持續(xù)大霧天氣分析[J].干旱氣象，2009，27（3）：263-270.

[10] 呂淑琳，張敏，張曉平.華北地區(qū)一次連續(xù)大霧的診斷分析[J].氣象科技，2008，36（4）：425-428.

[11] 王麗榮，連志鸞.河北省中南部一次大霧天氣過程分析[J].氣象，2005（4）：65-68.

[12] 李江波，趙玉廣，孔凡超，等.華北平原連續(xù)性大霧的特征分析[J].中國海洋大學學報（自然科學版），2010，40（7）：15-23.

責任編輯：黃艷飛