鄭玉萍，宮恒瑞，苗運(yùn)玲，蒲 潔

(1.中亞大氣科學(xué)研究中心， 新疆 烏魯木齊 830002；2.烏魯木齊市氣象局， 新疆 烏魯木齊 830002)

引 言

霧是比較常見的危害性天氣之一，近年來(lái)已成為高影響天氣氣候事件[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005—2014年我國(guó)不利天氣條件造成的交通事故起數(shù)及受傷人數(shù)中，霧排到了第三位[3]，同時(shí)發(fā)生霧霾時(shí)大氣層結(jié)穩(wěn)定，污染物不易擴(kuò)散，導(dǎo)致空氣污染，危害人們身體健康[4-6]。烏魯木齊地處天山中段北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南緣，三面環(huán)山，山地面積約占總面積的40%左右。有研究表明，新疆霧主要出現(xiàn)在北疆，尤以天山山區(qū)最多，天山北麓和準(zhǔn)噶爾盆地南緣屬大霧多發(fā)區(qū)域[7-8]，烏魯木齊市正處在大霧多發(fā)區(qū)。烏魯木齊市境內(nèi)海拔高度跨度大，由東南向西北高度落差近3000 m，大致分為山地、山間盆地與丘陵、平原3個(gè)梯級(jí)，受海拔高度和不同地形的影響，氣候具有多樣性、多變性特點(diǎn)，霧的局地性和差異性也非常明顯，冬季經(jīng)常出現(xiàn)城北和北部平原濃霧籠罩，而城南和南部山區(qū)艷陽(yáng)高照的現(xiàn)象，特別是處于城北的烏魯木齊機(jī)場(chǎng)，經(jīng)常出現(xiàn)能見度低于500 m的濃霧和強(qiáng)濃霧，導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)關(guān)閉、航班取消[9-11]，對(duì)交通運(yùn)輸安全造成一定的影響。

以往對(duì)烏魯木齊霧的研究主要針對(duì)城區(qū)，重點(diǎn)對(duì)霧的氣候特征及形成霧的氣象要素條件[12-13]進(jìn)行分析，但對(duì)烏魯木齊范圍內(nèi)的其他區(qū)域特別是山區(qū)的霧沒有進(jìn)行過研究，對(duì)全市轄區(qū)內(nèi)霧的分布特征以及在氣候變暖背景下霧的變化趨勢(shì)缺乏全面了解。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)很多研究從氣候變化、城市化發(fā)展對(duì)霧的影響等方面開展分析，取得一些有價(jià)值的結(jié)論，如河北省大部分地區(qū)霧日數(shù)呈下降趨勢(shì)，可能與城市熱島效應(yīng)有關(guān)[14]；上海城市化程度很高的城區(qū)和城郊地區(qū)“干島”和“熱島”對(duì)霧形成的抑制作用已經(jīng)大于城市化所帶來(lái)的凝結(jié)核增多對(duì)霧形成的有利影響[15]。也有分析山區(qū)不同海拔高度的霧的氣候特征，如安徽九華山山坡霧日年際變化較大并逐年減少，而山腳霧日逐年增多[16-17]；湖北恩施山區(qū)霧存在很強(qiáng)的局地性，主要由海拔高度和地形地勢(shì)不同所造成，霧隨時(shí)間的分布因地形條件不同而形態(tài)各異[18]。本文利用烏魯木齊5個(gè)不同海拔高度測(cè)站氣象資料，分析不同海拔高度區(qū)域霧時(shí)空分布特征及差異性，以期為今后進(jìn)一步做好全市霧的精細(xì)化預(yù)報(bào)服務(wù)提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

1.1 站點(diǎn)選取

選取烏魯木齊市時(shí)間序列較長(zhǎng)的5個(gè)國(guó)家氣象站：米東站、市氣象站、達(dá)坂城站和小渠子站、大西溝站，分別代表平原、城區(qū)、谷地和中山帶、高山帶5個(gè)不同海拔高度區(qū)域，各站分布及地形地貌如圖1所示。受海拔高度及地形地貌影響，所選取的5個(gè)站點(diǎn)氣候特征差異非常明顯，基本代表了烏魯木齊市不同區(qū)域的氣候特點(diǎn)，各站點(diǎn)氣象參數(shù)見表1。

1.2 資料說(shuō)明

以能見度<1 km作為霧的判別標(biāo)準(zhǔn)[19]，日數(shù)統(tǒng)計(jì)以地面觀測(cè)記錄為準(zhǔn)，只要一天內(nèi)有霧出現(xiàn)就計(jì)為一個(gè)霧日。季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為當(dāng)年12月至次年2月。

圖1 烏魯木齊市地形(陰影，單位： m)及代表氣象站點(diǎn)空間分布Fig.1 The spatial distribution of topographic (shaded, Unit: m) and representative meteorological stations in Urumqi

表1 研究站點(diǎn)氣象要素Tab.1 The meteorological factors of each station

2 結(jié)果與分析

2.1 霧的分布

2.1.1 年霧日

表2列出1961—2018年不同海拔高度區(qū)域年霧日。可以看出，烏魯木齊年霧日受海拔高度和地形地勢(shì)影響較大，年平均霧日最多出現(xiàn)在海拔最高的高山帶，為50.2 d，其次是海拔最低的北部平原，為33.0 d，城區(qū)和中山帶年霧日分別為27.5 d和26.9 d，東部達(dá)坂城谷地因地處南北疆氣流通道，風(fēng)速大、降水稀少、相對(duì)濕度低，不利于霧的形成，平均年霧日僅為2.6 d。各區(qū)域霧日的年際變化均較大，特別是平原和城區(qū)，霧日最多年與最少年差值均達(dá)82 d。

表2 1961—2018年烏魯木齊不同海拔高度區(qū)域年霧日Tab.2 Annual foggy days in different altitude areas in Urumqi during 1961-2018

2.1.2 季節(jié)霧日

圖2為1961—2018年烏魯木齊不同海拔高度區(qū)域四季霧日比較?？梢钥闯?，平原、城區(qū)和谷地霧日季節(jié)分布一致，均表現(xiàn)為冬季最多、秋季次之、春季最少、夏季無(wú)霧日，其中冬季霧日平原最多，為26.0 d，城區(qū)為20.0 d，谷地僅為1.4 d，秋季霧日平原和城區(qū)分別為5.0 d和4.7 d，谷地0.7 d，春季霧日平原和城區(qū)分別為2.6 d和2.9 d，谷地0.5 d。中山帶和高山帶四季均有霧出現(xiàn)，中山帶春季霧日最多，為10.9 d，秋季9.6 d、冬季4.6 d、夏季最少，僅為1.8 d，而高山帶夏季霧日最多，為21.1 d，春季次之，為15.4 d，秋季12.5 d，冬季霧日最少，僅為1.9 d。

圖2 1961—2018年烏魯木齊不同海拔高度區(qū)域四季霧日比較Fig.2 Comparison of seasonal foggy days in different altitude areas in Urumqi during 1961-2018

2.1.3 月霧日

圖3為1961—2018年烏魯木齊不同海拔高度區(qū)域霧日月際變化?？梢钥闯?，城區(qū)、平原和谷地霧日呈單峰型，峰值出現(xiàn)在11月至次年3月，占全年霧日的96%以上，其中城區(qū)和平原12月至次年2月霧日分別占全年霧日的72%和78%。霧的類型城區(qū)和平原大多為輻射霧和地方性陰?kù)F，谷地以輻射霧為主。城區(qū)和平原霧日峰值出現(xiàn)在12月，月平均霧日分別達(dá)8.4 d和9.5 d，谷地峰值出現(xiàn)在初冬11月，平均為0.6 d。中山帶和高山帶呈雙峰型，峰值出現(xiàn)在春秋季。中山帶霧日峰值出現(xiàn)在3月，次峰值出現(xiàn)在11月，仍基本屬于冷季霧，10月至次年4月霧日占全年霧日的81%；而高山帶主峰值出現(xiàn)在5月，次峰值出現(xiàn)在9月，霧日集中在4—10月，占全年霧日的89%，明顯以暖季霧為主，這是由于高山帶暖季降水頻繁、下雨時(shí)地面空氣濕度大、氣溫較低，當(dāng)氣溫低于露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣里的水汽便凝結(jié)成霧。

圖3 1961—2018年烏魯木齊不同海拔高度區(qū)域霧日的月際變化Fig.3 Monthly variation of foggy days in different altitude areas in Urumqi during 1961-2018

2.2 年際變化

2.2.1 年霧日年際變化

因達(dá)坂城谷地年平均霧日僅為2.6 d，相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)及人們生活影響較小，故分析霧日年際變化時(shí)不予考慮。圖4為1961—2018年烏魯木齊不同海拔高度區(qū)域年霧日年際變化?？梢钥闯觯?8 a烏魯木齊不同海拔區(qū)域霧日的年際變化因受地形影響，呈現(xiàn)出兩種截然不同的趨勢(shì)。平原和城區(qū)的年霧日呈顯著增加趨勢(shì)，其中平原霧日氣候傾向率為9.3 d·(10 a)-1，城區(qū)霧日氣候傾向率為3.9 d·(10 a)-1；山區(qū)霧日呈顯著減少趨勢(shì)，其中中山帶氣候傾向率為-2.4 d·(10 a)-1，高山帶氣候傾向率為-5.2 d·(10 a)-1。

2.2.2 季節(jié)、月霧日年際變化

表3列出1961—2018年烏魯木齊不同海拔高度區(qū)域季節(jié)和月霧日氣候傾向率。可以看出，近58 a平原和城區(qū)的春季、秋季、冬季的霧日年際變化呈增加趨勢(shì)，其中平原秋季和冬季霧日氣候傾向率分別為1.2 d·(10 a)-1和7.9 d·(10 a)-1，春季霧日氣候傾向率為0.5 d·(10 a)-1，城區(qū)冬季霧日氣候傾向率為3.5 d·(10 a)-1；中山帶四個(gè)季節(jié)霧日均呈減少趨勢(shì)，其中春季減少較顯著，氣候傾向率為-1.1 d·(10 a)-1，高山帶四季霧日也均呈遞減趨勢(shì)，其中夏季減少最顯著，氣候傾向率達(dá)-3.0 d·(10 a)-1，其次是春季和秋季，氣候傾向率分別為-1.5 d·(10 a)-1和-1.0 d·(10 a)-1。平原霧日顯著增加時(shí)段為11月至次年2月，城區(qū)為12月至次年2月；中山帶霧日顯著減少時(shí)段為3月和8月，高山帶為5—9月。

2.3 不同海拔高度區(qū)域氣象要素變化對(duì)霧的影響

烏魯木齊不同海拔高度區(qū)域霧的氣候特征不盡相同，其中平原和城區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)的冷季霧，霧主要出現(xiàn)在冬季，中山帶和高山帶各月均有霧出現(xiàn)，中山帶仍以冷季霧為主，而高山帶則以暖季霧為主。受海拔高度和地形影響，年霧日年際變化趨勢(shì)與已有關(guān)于山區(qū)霧的研究結(jié)論[16]基本一致，即山坡(對(duì)應(yīng)中山帶和高山帶)年霧日逐年減少、山腳(對(duì)應(yīng)城區(qū)和平原)年霧日呈逐年增多趨勢(shì)。

圖4 1961—2018年烏魯木齊不同海拔高度區(qū)域年霧日年際變化(a)城區(qū)和平原,(b)中山帶和高山帶Fig.4 The inter-annual variation of annual foggy days in different altitude areas in Urumqi during 1961-2018(a) urban and plain, (b) mid-mountain and apine

表3 1961—2018年烏魯木齊不同海拔高度區(qū)域季節(jié)和月霧日氣候傾向率Tab.3 The climate trend rate of seasonal and monthly foggy days in different altitude areas in Urumqi during 1961-2018 單位：d·(10 a)-1

在全球氣候變暖背景下，烏魯木齊呈氣溫升高、降水增多的趨勢(shì)，在相同的氣候背景下，不同海拔高度霧日變化趨勢(shì)卻不同。由于天氣系統(tǒng)、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度等諸多條件都會(huì)對(duì)大霧形成產(chǎn)生影響[16]，因此選取平原站作為冷季霧的代表站，高山站作為暖季霧的代表站，利用平原站11月至次年2月、高山站5—9月的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速，分析其分別與霧日的相關(guān)關(guān)系，表4列出1961—2018年烏魯木齊霧日與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)?？梢钥闯?，平原霧日分別和平均氣溫、最低氣溫、降水量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，和平均風(fēng)速為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，霧日和最高氣溫、相對(duì)濕度之間為正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著。高山帶霧日分別與平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫顯著負(fù)相關(guān)，和降水量、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速之間亦為負(fù)相關(guān)關(guān)系，但未通過顯著性檢驗(yàn)。兩個(gè)代表站的相對(duì)濕度變化對(duì)霧的影響都不顯著，分析其原因?yàn)槠皆透呱綆ъF季在一年當(dāng)中均屬于“濕潤(rùn)”季節(jié)，平均相對(duì)濕度分別高達(dá)80%和66%，濕度條件遠(yuǎn)好于非霧季，在溫度、風(fēng)等氣象要素適宜的情況下十分有利于霧的形成，另外近58 a平原和高山帶霧季的相對(duì)濕度變化較為平緩，因而對(duì)霧的影響不大。

表4 1961—2018年烏魯木齊平原和高山帶霧季霧日與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)Tab.4 The correlation coefficients between foggy days and meteorological factors during foggy season in plain and alpine belt in Urumqi during 1961-2018

圖5為1961—2018年烏魯木齊平原及高山帶霧季影響要素的年際變化。可以看出，平原霧季(11月至次年2月)的平均氣溫、最低氣溫和降水量年際變化均呈顯著(p<0.01)增加趨勢(shì)，平均風(fēng)速呈顯著(p<0.01)減小趨勢(shì)。平均氣溫、最低氣溫和降水量的氣候傾向率分別為 0.6 ℃·(10 a)-1、1.0 ℃·(10 a)-1和 6.8 mm·(10 a)-1，平均風(fēng)速的氣候傾向率為-0.1 m·s-1·(10 a)-1。平原霧季降雪量增多，增加了近地層空氣濕度，溫度升高有利于雪面蒸發(fā)和水汽的凝結(jié)，風(fēng)速減小有利于近地層凝結(jié)核和水汽的聚集，因而造成霧日呈增多趨勢(shì)。高山帶霧季5—9月的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫也均呈顯著(p<0.01)升高趨勢(shì)，氣候傾向率為0.3 ℃·(10 a)-1。暖季氣溫升高不利于輻射冷卻或冷卻不到水汽凝結(jié)的溫度而影響大霧的形成，因而造成高山帶大霧天氣逐漸減少。

烏魯木齊不同海拔高度區(qū)域霧因類型和出現(xiàn)季節(jié)不同，受氣象要素變化的影響也明顯不同，在氣候變暖背景下，平原冷季霧呈增加趨勢(shì)，而高山帶暖季霧呈減少趨勢(shì)。在氣溫升高條件下烏魯木齊城區(qū)和平原霧日逐漸增多，這與吳雁等[14]得出的河北大部分地市霧日減少、城市熱島對(duì)城市霧的形成和發(fā)展不利的結(jié)論有所不同，同為北方城市，烏魯木齊的盆地地形、冬季低空強(qiáng)而穩(wěn)定的逆溫層、地面穩(wěn)定積雪等特定條件在氣候變暖的背景下對(duì)霧日增加起到了決定性作用。另外，平原站位居烏魯木齊北城區(qū)，近年來(lái)工業(yè)發(fā)展迅速，冬季大氣污染較為嚴(yán)重，加之海拔高度比城區(qū)低300多m，冷空氣下沉后形成較強(qiáng)的逆溫層，空氣流動(dòng)性差，大霧容易聚集，這也是平原霧日明顯多于城區(qū)的另一重要可能原因。

圖5 1961—2018年烏魯木齊平原(a、b)及高山帶(c)霧季影響要素的年際變化Fig.5 The inter-annual variation of related factors during foggy season in plain (a, b) and alpine belt (c) in Urumqi during 1961-2018

3 結(jié) 論

(1)烏魯木齊霧日受海拔高度和地形影響較大。年平均霧日最多出現(xiàn)在高山帶，為50.2 d，其次是北部平原，為33.0 d，東部達(dá)坂城谷地最少，僅為2.6 d，城區(qū)和中山帶年平均霧日分別為27.5 d和26.9 d。

(2)平原、城區(qū)和谷地均為冬季霧日最多，秋季次之，春季最少，夏季無(wú)霧日；中山帶和高山帶一年四季均有霧出現(xiàn)，中山帶春季霧日最多，高山帶夏季霧日最多。城區(qū)、平原和谷地霧日的月際分布呈單峰型，峰值出現(xiàn)在11月至次年3月，中山帶和高山帶呈雙峰型，峰值出現(xiàn)在春秋季，中山帶霧日峰值出現(xiàn)在3月，次峰值出現(xiàn)在11月，高山帶主峰值出現(xiàn)在5月，次峰值出現(xiàn)在9月。

(3)近58 a平原和城區(qū)年霧日呈顯著增加趨勢(shì)，而山區(qū)呈顯著減少趨勢(shì)，其中平原霧日氣候傾向率為9.3 d·(10 a)-1，城區(qū)霧日平均氣候傾向率為3.9 d·(10 a)-1；山區(qū)霧日呈顯著減少趨勢(shì)，其中中山帶氣候傾向率為2.4 d·(10 a)-1，高山帶氣候傾向率為5.2 d·(10 a)-1，均通過0.01的顯著性檢驗(yàn)。平原和城區(qū)的春季、秋季、冬季的霧日呈增加趨勢(shì)，中山帶、高山帶四個(gè)季節(jié)霧日均呈減少趨勢(shì)。平原霧日顯著增加時(shí)段為11月至次年2月，城區(qū)為12月至次年2月；中山帶霧日顯著減少時(shí)段為3月和8月，高山帶為5—9月。

(4)烏魯木齊不同海拔高度霧因類型和出現(xiàn)季節(jié)的不同，受氣象要素變化的影響也明顯不同。近58 a來(lái)平原霧季(11月至次年2月)降水量增多、溫度升高、風(fēng)速減小造成霧日呈逐漸增多趨勢(shì)，而高山帶霧季(5—9)的氣溫升高則造成霧日逐漸減少。