旦增卓瑪 旺堆杰布 桑秋璐 達(dá)瓦澤仁 旦卓瑪

(1.那曲市氣象臺(tái)，西藏 那曲 852000； 2.西藏自治區(qū)氣象局網(wǎng)絡(luò)中心，西藏 拉薩 850000； 3.索縣氣象局，西藏 索縣 852000)

引言

霧是指近地面大氣中懸浮的由小水滴或冰晶組成的水汽凝結(jié)或凝華物，當(dāng)空氣溫度達(dá)到或接近露點(diǎn)時(shí)，空氣中的水汽出現(xiàn)凝結(jié)而生成霧。霧對(duì)人體健康和交通運(yùn)輸影響較大，尤其是能見(jiàn)度快速下降的階段極易出現(xiàn)較嚴(yán)重的交通事故，給人民的生命及財(cái)產(chǎn)帶來(lái)較大的損失。2006年12月出現(xiàn)濃霧天氣，導(dǎo)致寧靖高速公路上發(fā)生追尾事故，兩艘貨船在長(zhǎng)江相撞；2004年11月底華北平原出現(xiàn)的大范圍持續(xù)性大霧，北京、天津、河北等地航班受阻，高速公路全線封閉。因此對(duì)大霧特征及其成因分析，有利于提高大霧天氣精細(xì)化預(yù)報(bào)能力，為減輕或避免大霧造成的不利影響提供科學(xué)依據(jù)。

近年來(lái)霧、霾發(fā)生頻率出現(xiàn)增加趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其研究也越來(lái)越多。Heintzenberg[1]和Mason[2]對(duì)大霧天氣生消演變特征進(jìn)行了分析。有研究總結(jié)了大霧發(fā)生發(fā)展的環(huán)流背景及氣象要素條件，指出大霧常常是在穩(wěn)定的天氣背景下形成，低層具有一定水汽輸送或下墊面水汽較好的條件，當(dāng)出現(xiàn)氣溫下降、濕度快速增加時(shí)利于大霧形成[3-5]。另外，邊界層低層的弱冷平流有利于水汽凝結(jié)和逆溫形成，逆溫最強(qiáng)時(shí)段對(duì)應(yīng)能見(jiàn)度最低階段[6]。一些學(xué)者通過(guò)熱力[7-9]及動(dòng)力[10-13]等條件分析了大霧發(fā)生、維持和消散階段各物理量時(shí)空分布特征。此外，一些研究[14-17]指出霧具有較明顯的地域性特征且空間分布不連續(xù)，不同季節(jié)霧的形成機(jī)制有所不同。目前多數(shù)研究針對(duì)海拔較低、相對(duì)濕潤(rùn)的地區(qū)，而對(duì)地勢(shì)較高地區(qū)的霧研究較少，因此開(kāi)展藏北一帶大霧天氣研究，對(duì)于積累藏北大霧預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，提高大霧預(yù)報(bào)、預(yù)警、服務(wù)能力具有十分重要的意義。

那曲地處西藏自治區(qū)的北部，平均海拔在4500 m以上，地勢(shì)高亢、氣候干燥、日光充足、輻射強(qiáng)、晝夜溫差大，屬于亞寒帶半干旱區(qū)，大部為高寒草原。那曲只分冬季(10月至次年4月)與夏季(5—9月)。藏北一帶霧天較為少見(jiàn)，特別是能見(jiàn)度<500 m的濃霧更為罕見(jiàn)。那曲的霧天日數(shù)從西北至東南呈逐漸增加趨勢(shì)，色尼區(qū)與嘉黎縣日數(shù)最多。近30 a色尼區(qū)共出現(xiàn)了123次大霧以上等級(jí)天氣，年平均4次左右；2016—2019年大霧頻次明顯增加，年平均10次。霧天主要出現(xiàn)在冬末、初夏及夏末(4月、5月、6月、9月)，出現(xiàn)時(shí)段集中在04:00—11:00(北京時(shí),下同)，以輻射霧為主。2019年4月10日那曲局地出現(xiàn)了爆發(fā)性濃霧天氣，給當(dāng)?shù)卦斐奢^大影響，因此對(duì)其成因進(jìn)行診斷，揭示其形成機(jī)制。

1 資料與方法

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《霧的預(yù)報(bào)等級(jí)》(GB/T 27964—2011)中規(guī)定，輕霧(1000 m≤vis<10000 m)、大霧(500 m≤vis<1000 m)、濃霧(200 m≤vis<500 m)、強(qiáng)濃霧(50 m≤vis<200 m)、特強(qiáng)濃霧(vis<50 m)的能見(jiàn)度(vis)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此次天氣過(guò)程進(jìn)行判別。

本文所用數(shù)據(jù)時(shí)間段為2019年4月8—11日。常規(guī)資料包括色尼區(qū)站常規(guī)高空、地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)要素有風(fēng)速、風(fēng)向、相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度和溫度等。再分析資料包括 NCEP(分辨率為1°×1°，時(shí)間步長(zhǎng)為6 h)、Era5(分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間步長(zhǎng)為1 h)。非常規(guī)資料為5 min地面加密自動(dòng)站、色尼區(qū)站C波段風(fēng)廓線雷達(dá)資料和能見(jiàn)度資料等。

文中所用的地表凈輻射公式如下[18-20]：

(1)

式(1)中，Rns為凈短波輻射，單位為 MJ·m-2·h-1；?為反照率，參照文獻(xiàn)[18-19]取0.23；n為實(shí)際日照時(shí)數(shù),單位為h；N為天文日照時(shí)數(shù),單位為h；Ra為天文輻射,單位為MJ·m-2·h-1，根據(jù)經(jīng)緯度通過(guò)天文輻射計(jì)算程序算出；a、b為系數(shù)，參照文獻(xiàn)[18]分別取0.25與0.50。

(2)

式(2)中，Rnl為凈長(zhǎng)波輻射,單位為 MJ·m-2·h-1；H為海拔高度,單位為m；e為水汽壓,單位為hPa；Tkx為絕對(duì)最大溫度,單位為K；Tkn為絕對(duì)最小溫度,單位為K。

Rn=Rns-Rnl

(3)

式(3)中，Rn為凈輻射,單位為MJ·m-2·h-1。

2 結(jié)果分析

2.1 天氣實(shí)況

2019年4月8日那曲市出現(xiàn)了大范圍的降雪天氣，因氣溫低，雪后各縣均有不同程度的積雪。5 min加密自動(dòng)站資料顯示(圖1)，4月10日05:10(圖1a)那曲出現(xiàn)了大霧，那曲11個(gè)區(qū)縣中僅色尼區(qū)(31′29°N，92′04°E，那曲市政府所在地)及向北30 km的聶榮縣南部能見(jiàn)度≤1 km。08:00(圖1b)位于東南部的嘉黎縣能見(jiàn)度也下降至10 km以內(nèi)，但未出現(xiàn)霧，可見(jiàn)此次天氣過(guò)程是局地性的。

圖1 2019年4月10日05:10(a)與08:00(b)那曲市能見(jiàn)度分布Fig.1 Spatial distribution of visibility in Nagqu city at 05:10 (a) and 08:00 (b) on April 10,2019

從各地面要素的時(shí)間演變看(圖2a)，色尼區(qū)10日04:25前能見(jiàn)度均為35 km，04:25—05:05，能見(jiàn)度為15—29 km；05:10，能見(jiàn)度驟降至0.7 km，之后5 min內(nèi)繼續(xù)下降至0.4 km(濃霧)；06:35能見(jiàn)度回升，輕霧狀態(tài)維持了 1 h左右，期間最高能見(jiàn)度達(dá)到了9 km；07:55能見(jiàn)度再一次驟降至0.4 km(濃霧)；隨后濃霧、大霧、輕霧交替出現(xiàn)，直至09:30消散，期間最低能見(jiàn)度達(dá)到了0.3 km。05:00—09:00共出現(xiàn)了2次爆發(fā)性增強(qiáng)過(guò)程。

10日04:00—10:00風(fēng)速大小介于1—3 m·s-1之間(圖2b)，微風(fēng)狀態(tài)使大氣的水平擴(kuò)散與垂直混合減弱，有利于霧的形成。10:00過(guò)后風(fēng)力開(kāi)始增強(qiáng)，霧開(kāi)始消散。風(fēng)向在02:00之前為西南風(fēng)，利于前期暖濕氣流的輸送，04:00之后轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)。露點(diǎn)溫度差從無(wú)霧到有霧，呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)；在霧發(fā)生期間，溫度露點(diǎn)差均≤2 ℃，空氣達(dá)到飽和狀態(tài)，溫度露點(diǎn)差上升較為明顯時(shí)霧消散。

圖2 2019年4月10日04:00—11:00色尼區(qū)站能見(jiàn)度(a)和溫度露點(diǎn)差及風(fēng)速(b)時(shí)間演變Fig.2 Variations of visibility (a),T-Td and wind speed (b) in Seni district from 04:00 to 11:00 on April 10,2019

2.2 成因分析

2.2.1 環(huán)流背景

2019年4月10日00:00的500 hPa高空?qǐng)D(圖3a)顯示，中高緯為兩槽一脊型，兩個(gè)槽分別位于烏拉爾山與蒙古地區(qū)，兩槽之間為高壓脊。隨著青藏高原西部高壓脊的東移，高原中東部的南支冷槽加深，南部暖濕氣流沿著槽前西南氣流輸送至高原腹地。那曲市色尼區(qū)處在風(fēng)向輻合區(qū)中，加之積雪融化作用，近地面較潮濕，為大霧形成提供有利的水汽條件。06:00(圖3b)隨著系統(tǒng)的移動(dòng)，色尼區(qū)處于高壓脊前西風(fēng)氣流中。從等溫線與風(fēng)場(chǎng)配置來(lái)看，色尼區(qū)至西藏東部上空暖平流較強(qiáng)，550 hPa高度為偏南風(fēng)(圖略)，溫度平流與500 hPa表現(xiàn)一致，暖平流有利于低層逆溫形成，對(duì)霧的發(fā)展較為有利。此外，00:00與06:00西藏上空等值線稀疏，氣壓梯度小，風(fēng)力微弱(風(fēng)速在2—4 m·s-1左右)，利于地面風(fēng)速減小,提供霧形成的弱風(fēng)條件。

黑實(shí)線為等高線，單位為dagpm；虛線為等溫線，單位為℃；實(shí)心三角形為色尼區(qū)所在地圖3 2019年4月10日00:00(a)與06:00(b)500 hPa環(huán)流形勢(shì)Fig.3 Circulation situations at 500 hPa at 00:00 (a) and 06:00 (b) on April 10,2019

2.2.2 輻射冷卻條件

地表與大氣間的湍流熱通量，由地面與大氣之間的溫差造成的。而地表的凈長(zhǎng)波輻射能很好地表現(xiàn)這一點(diǎn)。將地面觀測(cè)資料代入式(1)—式(3)計(jì)算出凈輻射，如表1所示。夜間凈輻射從01:00—08:00均表現(xiàn)為負(fù)值，結(jié)合環(huán)境場(chǎng)與衛(wèi)星云圖顯示，10日凌晨那曲受高壓脊控制，02:00色尼區(qū)天空放晴，無(wú)云遮擋，大氣對(duì)地面長(zhǎng)波輻射的反射能力減弱，造成輻射的空氣加溫能力不能正常發(fā)揮，白天地面接收到的短波輻射熱力，釋出量加大，熱量被迅速帶走，然而03:00—06:00凈輻射增強(qiáng)明顯，06:00凈輻射值超過(guò)了-1.2 MJ·m-2·h-1，隨著長(zhǎng)波輻射的加大，地表散熱迅速，輻射降溫加大。從氣溫情況來(lái)看，03:00—06:00氣溫下降率達(dá)到1.4 ℃·h-1。06:00霧出現(xiàn)后氣溫降幅減小，霧體產(chǎn)生向下的長(zhǎng)波輻射，抵消部分地面長(zhǎng)波輻射冷卻導(dǎo)致降溫幅度變小。

表1 2019年4月10日01:00—08:00色尼區(qū)凈輻射及氣溫變化Table 1 Change of hourly net radiation and temperature in Seni district from 01:00 to 08:00 on April 10,2019

那曲屬荒漠草原區(qū)，植被較少，此季節(jié)地面輻射有明顯的日變化，無(wú)云的夜間長(zhǎng)波輻射強(qiáng)度強(qiáng)，導(dǎo)致近地面及地表溫度迅速下降，一般情況下在06:00—08:00長(zhǎng)波輻射會(huì)達(dá)到最強(qiáng)狀態(tài)，且每小時(shí)凈輻射增強(qiáng)率較規(guī)律，而此次霧天03:00—05:00凈輻射具有突發(fā)性增強(qiáng)特性，隨著輻射降溫加強(qiáng)，促進(jìn)空氣里的水汽達(dá)到飽和狀態(tài)，有利于水汽凝結(jié)形成無(wú)數(shù)懸浮于空氣里的小霧滴。

2.2.3 穩(wěn)定層結(jié)分析

探空觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，4月10日07:00色尼區(qū)站近地面存在逆溫層(圖4)，逆溫始于地面，上、下界溫差達(dá)到3 ℃，厚度達(dá)400 m，集中于500 hPa以下，逆溫層內(nèi)濕度大，尤其近地層露點(diǎn)溫度差接近0 ℃，具有典型的輻射逆溫特征。逆溫不利于空氣垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，使大量的水汽凝結(jié)物聚集在近地層，為大霧的發(fā)生提供了不可缺少的條件。

圖4 2019年4月10日07:00色尼區(qū)站溫度與露點(diǎn)溫度垂直分布Fig.4 Vertical distribution of T and Td in Seni district at 07:00 on April 10,2019

2.2.4 動(dòng)、熱力及水汽條件分析

2.2.4.1 水汽條件

充足的水汽是產(chǎn)生霧最重要的條件之一。從水汽通量圖(圖5a)可以看出，10日00:00—09:00色尼區(qū)上空表現(xiàn)為正值，表明有水汽輸送。水汽通量散度10日00:00在570—460 hPa之間表現(xiàn)為負(fù)值，表明此范圍內(nèi)有水汽的匯聚；隨后負(fù)值面積開(kāi)始變大，02:00在450 hPa以下均表現(xiàn)為負(fù)值，中心值達(dá)-1.6 g ·cm-2·hPa-1·s-1，中低層水汽匯聚明顯；09:00過(guò)后，負(fù)值面積迅速變小，低層水汽流失嚴(yán)重，能見(jiàn)度逐漸轉(zhuǎn)好。在大霧發(fā)生與維持期間，近地層相對(duì)濕度(圖5b)達(dá)90%以上；比濕介于2—3 g·kg-1，而通常滿足其他條件的情況下，藏北一帶冬季比濕達(dá)到2 g·kg-1，就足以產(chǎn)生降雪、露、霜等天氣現(xiàn)象，這種低層高濕條件是形成霧的有利環(huán)境因素。

圖a中等值線為水汽通量，單位為 g·cm-1·hPa-1·s-1，彩色為水汽通量散度，單位為 g ·cm -2·hPa-1·s-1；圖b中等值線為比濕，單位為g·kg-1，彩色為相對(duì)濕度，單位為 %圖5 2019年4月10日色尼區(qū)水汽通量與水汽通量散度時(shí)間—高度序列剖面圖(a)和比濕與相對(duì)濕度時(shí)間—空間序列剖面圖(b)Fig.5 Time-altitude sequence profiles of water vapor flux and its divergence (a) and specific humidity and relative humidity (b) on April 10,2019,in Seni district

2.2.4.2 動(dòng)力條件

圖6是色尼區(qū)霧發(fā)生期間不同階段的垂直速度與散度演變特征，在霧發(fā)生前，9日18:00垂直速度由負(fù)值(圖略)轉(zhuǎn)變?yōu)? Pa·s-1，10日06:00表現(xiàn)為正值，為下沉運(yùn)動(dòng)，利于色尼區(qū)上空的暖濕氣流堆積在500 hPa以下，使低層濕度增大。同時(shí)空氣下沉，絕熱壓縮增溫，促進(jìn)穩(wěn)定層結(jié)形成，有利于霧的發(fā)展與維持。從散度情況來(lái)看，10日00:00(圖6b)400 hPa以下表現(xiàn)為負(fù)值，說(shuō)明有水汽的輻合，但與9日18:00(圖略)相比負(fù)值中心明顯減弱；10日06:00(圖6b)散度在近地層表現(xiàn)為負(fù)值，其余層次轉(zhuǎn)為正值，低層弱輻合使近地層的水汽在一定高度內(nèi)(逆溫層)混合，有利于水汽凝結(jié)。霧消散后(圖6c)，散度與垂直速度都表現(xiàn)為整層正值，與系統(tǒng)的移動(dòng)較為吻合。

等值線為垂直速度，單位為Pa·s-1；彩色為散度，單位為 10-5·s-1；空心三角形為色尼區(qū)所在地圖6 2019年4月10日00：00(a)、06：00(b)和12：00(c)色尼區(qū)垂直速度與散度時(shí)間—空間演變Fig.6 Distributions of time-space evolution of vertical velocity and divergence at 00:00 (a),06:00 (b) and 12:00 (c) on April 10,2019， in Seni district

2.2.4.3 熱力條件

圖7a為濃霧過(guò)程發(fā)生前后的雷達(dá)風(fēng)廓線探測(cè)到的風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)，由圖7可以看到，4月10日00:00—04:00，色尼區(qū)邊界層內(nèi)風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，結(jié)合溫度平流也表現(xiàn)為正值(圖7b)，說(shuō)明有暖平流。04:00時(shí)過(guò)后，4.6—5.0 km內(nèi)風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)，冷平流占優(yōu)勢(shì)，此時(shí)溫度平流在550 hPa以下出現(xiàn)了較明顯的負(fù)值中心；而向上5.0—6.2 km之間風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流，低層冷平流與中層暖平流的配置對(duì)形成逆溫較為有利。09:00過(guò)后冷平流減弱消失，被暖平流替代，氣溫上升，霧消散。

圖7 2019年4月10日色尼區(qū)C波段雷達(dá)風(fēng)廓線(a)和溫度平流(b)時(shí)間—高度演變Fig.7 Time-altitude profiles of C-band radar wind profile (a) and temperature advection (b) on April 10,2019,in Seni district

2.3 局地爆發(fā)性增強(qiáng)原因

通過(guò)分析近30 a的地面資料可知，那曲霧天日數(shù)從西北至東南呈逐漸增加的趨勢(shì)，其中嘉黎縣與色尼區(qū)日數(shù)最多。色尼區(qū)海拔高，周圍山坡多，地形復(fù)雜，山坡兩側(cè)的氣象要素差異較大，霧的分布具有局地性。受特殊地形影響，色尼區(qū)及周邊站點(diǎn)(圖8)相對(duì)濕度及風(fēng)速隨時(shí)間演變存在不同，霧發(fā)生、發(fā)展期間僅色尼區(qū)的相對(duì)濕度>90%(圖8a)，周邊各站點(diǎn)均在90%以下，尤其南部羅馬鎮(zhèn)及東部夏曲卡鎮(zhèn)，相對(duì)濕度較低。霧發(fā)生期間色尼區(qū)與扎仁鎮(zhèn)的風(fēng)速在1—3 m·s-1(圖8b)，其余站點(diǎn)的風(fēng)速均在3—6 m·s-1之間，不具備形成霧的條件。因此，局地特殊地形是大霧產(chǎn)生的重要因素。

圖8 2019年4月10日01:00—12:00色尼區(qū)及周邊站點(diǎn)(130 km內(nèi))相對(duì)濕度(a)及風(fēng)速(b)隨時(shí)間演變Fig.8 Variations of relative humidity (a) and wind speed (b) from 01:00 to 12:00 on April 10,2019,at Seni district and surrounding stations

3 結(jié)論

(1)此次濃霧天氣具有局地爆發(fā)性特征。前期積雪融化造成的水汽蒸發(fā)、500 hPa大尺度環(huán)流背景上暖濕氣流輸送、以及近地層水汽的輻合為此次大霧的形成提供了充足的水汽條件。

(2)500 hPa環(huán)流背景、邊界層內(nèi)上層暖平流與下層冷平流配置，以及特殊地形條件為霧的形成提供了弱風(fēng)與穩(wěn)定層結(jié)條件，從而霧得以發(fā)展且維持。夜間少云，地表凈輻射加強(qiáng)引起地面降溫冷卻，導(dǎo)致溫度露點(diǎn)差達(dá)≤2 ℃的飽和狀態(tài)，大量水汽凝結(jié)形成無(wú)數(shù)懸浮于空氣里的小霧滴。

(3)近地面風(fēng)速小，逆溫及下沉運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致水汽在邊界層內(nèi)有限空間內(nèi)大量匯聚，霧爆發(fā)性發(fā)展。此次濃霧天氣的局地性是由色尼區(qū)特殊地形及山坡兩側(cè)的氣象要素差異較大所造成。

(致謝：感謝遼寧省氣象局科技援藏專家組對(duì)論文的指導(dǎo)和幫助。)