石春娥 李耀孫 張 浩 楊關(guān)盈 周建平

1. 安徽省氣象科學(xué)研究所/大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230031

2. 壽縣國家氣候觀象臺(tái)/中國氣象局淮河流域典型農(nóng)田生態(tài)氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地，壽縣，232200

3. 云南省氣象臺(tái)，昆明，650034

4. 安徽省公共氣象服務(wù)中心，合肥，230031

1 引 言

霧和霾都是發(fā)生在邊界層內(nèi)的低能見度天氣現(xiàn)象，但二者對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人們生活的影響不同。霧的危害主要體現(xiàn)在對(duì)交通運(yùn)輸業(yè)的影響，其造成的經(jīng)濟(jì)損失可與臺(tái)風(fēng)、龍卷等天氣相比（Gultepe，et al，2007）。強(qiáng)濃霧對(duì)交通運(yùn)輸業(yè)產(chǎn)生的直接影響屬于實(shí)時(shí)效應(yīng)，如高速公路汽車追尾、航班延誤、海上輪渡停航甚至相撞等，其對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)的危害立竿見影。近年來，觀測發(fā)現(xiàn)城市霧往往伴隨著嚴(yán)重的大氣污染（楊軍等，2009；李子華等，2011；顧凱華等，2011；朱彬等，2016；石春娥等，2016a；Li，et al，2019；Wang，et al，2020），其對(duì)人體健康的危害也逐漸受到關(guān)注。霾主要危害人體健康，其危害體現(xiàn)的是累積效應(yīng)，如Tie等（2009）研究發(fā)現(xiàn)，廣州霾日數(shù)顯著增加后7—8年，肺癌死亡率明顯升高。因此，氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，針對(duì)不同等級(jí)的霧和霾有不同的預(yù)警信號(hào)，重點(diǎn)關(guān)注的是強(qiáng)濃霧和重度霾。由于霧的形成機(jī)制極其復(fù)雜，對(duì)霧的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)仍然是氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中極大的挑戰(zhàn)。

霧與霾屬于不同的天氣現(xiàn)象，但在生成條件方面有很多共性，如均對(duì)應(yīng)著小風(fēng)、高濕、逆溫的靜風(fēng)穩(wěn)定天氣，二者常相伴出現(xiàn)，可以相互轉(zhuǎn)化、相互作用（Haeffelin，et al，2010；楊軍等，2010a；劉端陽等，2014；郭麗君等，2015；Liu，et al，2018）。很多研究（楊軍等，2010a；石春娥等，2017a；朱承瑛等，2018）都表明城市霧生成前往往對(duì)應(yīng)有一段時(shí)間的霾，甚至重度霾，霧消散后往往也會(huì)有霾天氣發(fā)生，但并非所有的重度霾天氣均能轉(zhuǎn)變?yōu)殪F，也不是所有的霧都能發(fā)展到強(qiáng)濃霧。有的霧后是霾，有的霧后即晴空，這可能與當(dāng)?shù)氐谋尘皸l件有關(guān)（石春娥等，2017a）。相似的氣象條件（如均壓場、小風(fēng)、高濕），有時(shí)出現(xiàn)霧，有時(shí)不出現(xiàn)霧。因此，Bergot等（2007）給出了“近似霧”（near fog）的定性標(biāo)準(zhǔn)；隨后，Haeffelin等（2010）在對(duì)2007年巴黎霧外場觀測試驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)的文章中給出了“近似霧”的定量判斷標(biāo)準(zhǔn)，并增加了“準(zhǔn)霧”（quasi-fog，能見度＜2 km），從能見度范圍看“準(zhǔn)霧”和“近似霧”都是“輕霧”的一部分。基于上述標(biāo)準(zhǔn)，Haeffelin等（2013）比較了巴黎霧外場觀測試驗(yàn)中輻射霧與準(zhǔn)霧形成過程的異同。根據(jù)Haeffelin等（2010）的定義，準(zhǔn)霧的能見度標(biāo)準(zhǔn)與中國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的“重度霾”接近，但沒明確相對(duì)濕度。已往的研究（Shi，et al，2012；石春娥等，2013）也發(fā)現(xiàn)，霧的模式預(yù)報(bào)或基于模擬結(jié)果的多要素診斷預(yù)報(bào)中空?qǐng)?bào)常發(fā)生在觀測為近似霧或準(zhǔn)霧的情形。

鑒于人工觀測能見度時(shí)間分辨率低的局限，已往關(guān)于霧、霾互轉(zhuǎn)的研究基本上均是科研項(xiàng)目觀測的個(gè)例研究，而且是集中于已經(jīng)形成了強(qiáng)濃霧的過程（Shi，et al，2010；陸春松等，2010；楊軍等，2010b；劉端陽等，2014；梁綿等，2019），但是對(duì)于相同時(shí)段（如輻射霧高發(fā)的后半夜）、相似的氣象條件下，強(qiáng)濃霧與準(zhǔn)霧、重度霾形成的氣象條件差異研究較少。近年來，常規(guī)氣象觀測業(yè)務(wù)已經(jīng)逐步由人工觀測全面轉(zhuǎn)為儀器自動(dòng)觀測，這使得通過地面常規(guī)觀測資料研究不同等級(jí)霧、霾的生消規(guī)律及其影響因子成為可能。文中利用安徽省78個(gè)地面觀測站2010—2019年的逐時(shí)觀測資料，基于霧、霾發(fā)生物理?xiàng)l件，建立不同等級(jí)霧日和重度霾日的觀測診斷方法，重建了不同等級(jí)霧和重度霾的時(shí)序資料，在此基礎(chǔ)上分析其時(shí)、空分布特征，研究強(qiáng)濃霧高發(fā)時(shí)段，不同等級(jí)霧和重度霾形成時(shí)地面氣象條件的差異，為建立強(qiáng)濃霧預(yù)報(bào)方法奠定基礎(chǔ)。

2 資料和方法

2.1 資 料

所用資料包括安徽省78個(gè)地面觀測站（不包括黃山光明頂、九華山和天柱山3個(gè)高山站）2010—2019年地面常規(guī)氣象觀測資料，均來自安徽省氣象信息中心。具體要素包括：能見度、相對(duì)濕度、降水量、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫及逐日天氣現(xiàn)象記錄（如霧、霾、雨、雪等）。2010—2013年安徽各站均為人工觀測能見度，一日3或4次（02、08、14、20時(shí)，大多數(shù)測站無02時(shí)資料）；2014—2015年，安徽自北向南逐步開始器測能見度，2016年1月1日開始，所有觀測站均開始使用器測能見度。因此，文中用2016—2019年逐時(shí)資料建立各級(jí)霧和重度霾記錄，并分析各等級(jí)霧和重度霾的時(shí)、空分布及氣象要素差異，用2010—2013年和2016—2019年的天氣現(xiàn)象記錄檢驗(yàn)重建結(jié)果。

2.2 不同等級(jí)霧、霾天氣判別方法

根據(jù)能見度（V），霧可分為大霧（0.5 km≤V＜1.0 km）、濃霧（0.2 km≤V＜0.5 km）、強(qiáng)濃霧（0.05 km≤V＜0.2 km）和特強(qiáng)濃霧（V＜0.05 km）（中國氣象局，2011）。根據(jù)對(duì)壽縣觀象臺(tái)分鐘級(jí)數(shù)據(jù)的分析，很少出現(xiàn)能見度低于50 m的特強(qiáng)濃霧（張浩等，2021）。因此，文中把霧分為大霧、濃霧和強(qiáng)濃霧3個(gè)等級(jí)，不單獨(dú)考慮特強(qiáng)濃霧。根據(jù)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“霾的觀測和預(yù)報(bào)等級(jí)”（QX/T113-2010）（中國氣象局，2010）定義重度霾。參考Haeffelin等（2010）的方法，增加“準(zhǔn)霧”（750 m≤V＜2 km，RH＞90%），與重度霾（V＜2 km，RH≤90%）對(duì)應(yīng)。從準(zhǔn)霧對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度和能見度范圍看，準(zhǔn)霧屬于輕霧的一部分。

前述標(biāo)準(zhǔn)中并沒有明確霧、霾的定義中所用能見度是器測能見度或人工觀測能見度。而根據(jù)已有研究，近年來廣泛使用的器測能見度與以往的人工觀測能見度存在系統(tǒng)偏差，地面氣象觀測業(yè)務(wù)中已把霧的能見度判別閾值調(diào)整為0.75 km，但并沒有明確區(qū)分霧、霾等級(jí)的能見度調(diào)整方法（石春娥等，2017b）。因此，文中統(tǒng)一給出不同等級(jí)霧和霾的判斷標(biāo)準(zhǔn)（表1，表中能見度為器測能見度）?？紤]到降水也可以使能見度降到0.75 km以下，即存在雨霧、雪霧，此處暫不考慮，判斷條件中增加無降水。

由于歷史能見度資料僅保留1位小數(shù)，因此確定判斷濃霧和強(qiáng)濃霧時(shí)能見度上限調(diào)整為“不大于”。具體步驟如下：

步驟1：基于小時(shí)資料的不同等級(jí)霧、霾天氣的診斷。首先根據(jù)表1給出的判據(jù)利用逐時(shí)能見度、相對(duì)濕度和雨量判斷逐時(shí)低能見度天氣現(xiàn)象，即不同等級(jí)的霧或重度霾。

表1 不同等級(jí)霧和重度霾的診斷標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Criteria for different levels of fog and heavy haze

步驟2：根據(jù)天氣現(xiàn)象記錄對(duì)診斷結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和調(diào)整。即如果診斷為霧，且該日天氣現(xiàn)象記錄有“霧”，則認(rèn)為是霧；如果天氣現(xiàn)象記錄中無“霧”，但有“雨”或“雪”，則該時(shí)次調(diào)整到“雨霧”或“雪霧”中對(duì)應(yīng)的等級(jí)，本研究中不予考慮。準(zhǔn)霧和重度霾不做調(diào)整。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，還存在天氣現(xiàn)象中無“霧”、也無“雨、雪”，但用小時(shí)資料診斷有霧的情況，檢查后發(fā)現(xiàn)能見度變化連續(xù)，這種情況很少，因此予以保留。

步驟3：霧、霾日判斷。一日中只要有一個(gè)時(shí)次出現(xiàn)強(qiáng)濃霧、濃霧或大霧，即認(rèn)為該日為一個(gè)霧日，用于與天氣現(xiàn)象觀測記錄的結(jié)果進(jìn)行比較。

不同等級(jí)霧、霾日確定方法為：首先根據(jù)小時(shí)天氣現(xiàn)象判斷是否為強(qiáng)濃霧日，若無強(qiáng)濃霧，再依次判斷是否為濃霧日、大霧日。

排除霧日再判斷是否為重度霾日和準(zhǔn)霧。即一天之中強(qiáng)濃霧、濃霧、大霧和準(zhǔn)霧（重度霾）只計(jì)一個(gè)，準(zhǔn)霧日和重度霾日可以重合。判斷準(zhǔn)霧日和重度霾日時(shí)不排除雨（雪）霧日。

采用以下步驟檢驗(yàn)診斷方法的可靠性：

（1）比較2010—2013年、2016—2019年基于人工觀測得到的霧日數(shù)空間分布；

（2）計(jì)算2016—2019年人工觀測霧日與診斷得到的霧日數(shù)的技巧評(píng)分（Threat score，TS）、命中率（HR）（Wilks，2006）：

式中，NA為診斷有霧且觀測有霧的樣本數(shù)，NB為診斷有霧而未觀測到霧的樣本數(shù)，NC為診斷無霧而觀測記錄有霧的樣本數(shù)。TS和HR的范圍是0（最差）—1（最好），越大越好。

（3）計(jì)算人工記錄和診斷得到的各站逐月霧日數(shù)的相關(guān)系數(shù)。

2.3 分區(qū)方法

根據(jù)已有研究（Shi，et al，2008；鄧學(xué)良等，2015a，2015b；石春娥等，2016b），安徽省霧、霾具有明顯的時(shí)、空分布特征，存在霧的高發(fā)區(qū)和低發(fā)區(qū)，且不同區(qū)域霧的高發(fā)季節(jié)不同。因此，為全面了解安徽各地霧的季節(jié)、時(shí)間變化特征及強(qiáng)濃霧形成的氣象條件，基于2016—2019年各站強(qiáng)濃霧發(fā)生時(shí)間的一致性對(duì)全省地面測站進(jìn)行分區(qū)。首先對(duì)全省78個(gè)觀測站逐日判斷是否強(qiáng)濃霧日，用SPSS13.0中基于二元要素的聚類方法對(duì)全省測站進(jìn)行分類，同時(shí)輔以人工方法，即考慮區(qū)域站點(diǎn)地理位置上的連續(xù)性，最后將安徽分為5個(gè)區(qū)（結(jié)果見3.3節(jié)）。根據(jù)分區(qū)結(jié)果，計(jì)算每一個(gè)區(qū)中站點(diǎn)間強(qiáng)濃霧有、無的TS矩陣，即把一個(gè)站點(diǎn)作為觀測，另一個(gè)站點(diǎn)作為預(yù)報(bào)。在此基礎(chǔ)上，可計(jì)算各站點(diǎn)的平均TS，據(jù)此可判斷區(qū)域內(nèi)強(qiáng)濃霧發(fā)生的時(shí)間一致性。

2.4 氣象要素差異統(tǒng)計(jì)

根據(jù)分析結(jié)果，強(qiáng)濃霧的發(fā)生有顯著的日變化特征，選取強(qiáng)濃霧高峰時(shí)段并向前推，最終選定02—08時(shí)，對(duì)不同等級(jí)霧和重度霾發(fā)生時(shí)的風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫變幅（與前一日20時(shí)氣溫之差）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)變量包括：均值、中位值、最大值、最小值、5%、25%、75%、95%分位等，制作箱線圖。

3 結(jié)果分析

3.1 霧日診斷方法驗(yàn)證

使用器測能見度后，觀測記錄的全省霧日數(shù)普遍增多。78個(gè)地面站年均霧日數(shù)在2010—2013年為16.3 d，2016—2019年增至29.9 d，增加了83%，增多原因可歸因于能見度觀測方式的改變。但分布形勢基本一致，二者相關(guān)系數(shù)為0.52。與已往分析結(jié)果（Shi，et al，2008；鄧學(xué)良等，2015a）一致，2016—2019年安徽省霧日數(shù)空間分布不均，皖南山區(qū)、大別山區(qū)和沿淮淮北為霧的高發(fā)區(qū)，年均霧日數(shù)超過30 d，個(gè)別測站超過50 d，沿江屬于霧的低發(fā)區(qū)，不到20 d。

圖1為用上述方法診斷的2016—2019年年均霧日數(shù)空間分布。該分布與觀測記錄得到的霧日數(shù)空間分布基本一致（空間相關(guān)系數(shù)0.943）。重建霧日記錄與觀測記錄的TS為0.72，命中率（HR）為72.5%。2016—2019年所有站逐月觀測和診斷霧日數(shù)亦高度相關(guān)（相關(guān)系數(shù)0.95）。綜上所述，文中診斷的霧日記錄可靠。

圖1 診斷的2016—2019年年均霧日數(shù)空間分布Fig.1 Spatial distribution of diagnosed annual fog days averaged over 2016—2019

3.2 安徽省不同等級(jí)霧和重度霾日的空間分布

圖2為按上述方法得到的2016—2019年安徽省不同等級(jí)霧和重度霾的空間分布。由圖可見，皖南山區(qū)、大別山區(qū)和沿淮淮北是強(qiáng)濃霧的高發(fā)區(qū)，大部分地區(qū)年均超過10 d，局部超過20 d，個(gè)別測站超過30 d；而沿江地區(qū)和大別山北麓為低值區(qū)（低于10 d，局部低于5 d）。濃霧日數(shù)和大霧日數(shù)與強(qiáng)濃霧空間分布一致，與強(qiáng)濃霧空間分布的相關(guān)系數(shù)分別為0.69和0.60。全省平均的強(qiáng)濃霧、濃霧和大霧日數(shù)分別為12.58、5.83和3.56 d，假定強(qiáng)濃霧都要經(jīng)過大霧、濃霧發(fā)展而來，那么有57%的大霧可以發(fā)展為強(qiáng)濃霧。

重度霾日有明顯的北邊多、南邊少、大別山區(qū)和皖南山區(qū)最少的空間分布特征，與安徽PM2.5污染分布態(tài)勢一致（王化杰等，2018）；亳州、淮北等地年均超過15 d；而皖南和沿江西部部分測站不到3 d；全省平均7.38 d。空間上，與強(qiáng)濃霧、濃霧、大霧均不存在顯著相關(guān)，說明重度霾與霧有本質(zhì)的不同。

準(zhǔn)霧的分布形勢表現(xiàn)為沿江西部到江南最少，年均不到30 d；沿淮西部到淮河以北東北部、沿江中部為高值區(qū)，超過50 d，局部地區(qū)超過60 d，全省平均46.2 d。空間上，與各類霧和重度霾的相關(guān)系數(shù)分別為0.27（強(qiáng)濃霧）、0.08（濃霧）、0.44（大霧）和0.38（重度霾），可見，準(zhǔn)霧與大霧空間分布相似程度最高，其次是重度霾。已有的研究表明，高濕和高PM2.5濃度均可導(dǎo)致低能見度，不同地區(qū)顆粒物成分和相對(duì)濕度存在差異，對(duì)能見度的影響也不同（張浩等，2017）。由此可推測安徽省不同地區(qū)準(zhǔn)霧形成的關(guān)鍵因子不同，重度霾高發(fā)的淮河以北地區(qū)可能源于高污染，在水汽充足的江南可能更傾向于高濕度。

3.3 安徽強(qiáng)濃霧的區(qū)域特征及分區(qū)結(jié)果

根據(jù)強(qiáng)濃霧日發(fā)生的一致性，即是否同一天發(fā)生強(qiáng)濃霧，將全省分為5個(gè)區(qū)，分別為淮河以北西部（1區(qū)，Area01）、淮河以北東部（2區(qū)，Area02）、沿淮地區(qū)（3區(qū)，Area03）、沿江地區(qū)（4區(qū)，Area04）和江南（5區(qū)，Area05）（圖3）。

圖3 安徽省強(qiáng)濃霧發(fā)生一致性的分區(qū)結(jié)果 （綠色表示地形高低，紅色實(shí)線為各區(qū)分界線）Fig.3 Partition results of Anhui province based on the consistency of extremely dense fog（the green color indicates the elevation of the terrain；the red solid lines are regional boundaries）

表2給出了各區(qū)內(nèi)測站數(shù)、平均TS、區(qū)域內(nèi)強(qiáng)濃霧日數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差、各級(jí)霧和重度霾年均日數(shù)。由表2可見，淮河以北2個(gè)區(qū)（1區(qū)、2區(qū)），年均強(qiáng)濃霧日數(shù)分別為15.4和17.7 d，5個(gè)區(qū)中排名第3和第2，這2個(gè)區(qū)平均TS超過0.3，在5個(gè)區(qū)中排名第1和第2，說明強(qiáng)濃霧發(fā)生一致性好，容易發(fā)生區(qū)域性強(qiáng)濃霧。

表2 基于強(qiáng)濃霧TS的安徽分區(qū)結(jié)果Table 2 Partition results of Anhui province based on TS of extremely dense fog

沿江地區(qū)（4區(qū)），站點(diǎn)數(shù)最多，強(qiáng)濃霧日數(shù)最少，平均TS最低，說明強(qiáng)濃霧發(fā)生的一致性差，霧的局地性強(qiáng)，不容易發(fā)生區(qū)域性強(qiáng)濃霧。江南（5區(qū)）平均強(qiáng)濃霧日數(shù)最多，但平均TS在5個(gè)區(qū)中為次低，強(qiáng)濃霧日數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差大，說明強(qiáng)濃霧的局地性強(qiáng)，不易發(fā)生區(qū)域性強(qiáng)濃霧。

沿淮地區(qū)（3區(qū)）強(qiáng)濃霧日數(shù)略低于1區(qū)，TS居中，但強(qiáng)濃霧日數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差最大，說明這個(gè)區(qū)強(qiáng)濃霧空間分布嚴(yán)重不均，這從圖2a也可以看出。

從圖3可以看出，1區(qū)和2區(qū)地形平坦、湖泊較少，因而霧的區(qū)域性特征明顯；3區(qū)地形平坦，河流、湖泊眾多，水系發(fā)達(dá)，因而強(qiáng)濃霧高發(fā)但局地性強(qiáng)；4區(qū)和5區(qū)地形復(fù)雜，有山脈、長江、湖泊，4區(qū)長江沿岸西部湖泊眾多，位于大別山山脈和黃山山脈之間，易形成狹管效應(yīng)，靜風(fēng)少，因而強(qiáng)濃霧少發(fā)；長江沿岸東部為沖積平原、地形開闊。這說明強(qiáng)濃霧空間分布與下墊面特征密切相關(guān)。

由表2可見，強(qiáng)濃霧和濃霧各區(qū)排序一致，按江南（5區(qū)）、淮河以北東部（2區(qū)）、淮河以北西部（1區(qū)）、沿淮地區(qū)（3區(qū)）、沿江地區(qū)（4區(qū)）的順序遞減；大霧的排序是在強(qiáng)濃霧的基礎(chǔ)上2區(qū)和5區(qū)交換。總體上，4區(qū)強(qiáng)濃霧、濃霧、大霧日數(shù)均是各區(qū)中最少、其強(qiáng)濃霧日數(shù)不到5區(qū)的一半。各區(qū)分別有61% （1區(qū)）、59% （2區(qū)）、62% （3區(qū)）、54%（4區(qū)、5區(qū)）的霧能發(fā)展到強(qiáng)濃霧。

準(zhǔn)霧和重度霾都是北多南少。沿淮淮北3個(gè)區(qū)（1—3區(qū)）年均準(zhǔn)霧日數(shù)都是約52 d，江南34 d，沿江地區(qū)45 d。重度霾南北差異較大，1區(qū)和2區(qū)分別為13、12 d，5區(qū)僅4 d。

綜上，可見各區(qū)域之間差異顯著，分區(qū)結(jié)果合理。

3.4 不同等級(jí)霧和重度霾的月際變化

從各區(qū)霧和重度霾日數(shù)月際變化（圖4）可見，1—3區(qū)，強(qiáng)濃霧呈明顯的雙峰型分布，7、8月為低谷，年均0.1—0.2 d，9月開始增多，1月達(dá)到最大峰值；2月為另一個(gè)谷值，3、4月強(qiáng)濃霧日數(shù)又增多，并在4月達(dá)到春季的峰值。4、5區(qū)第2個(gè)峰值不明顯，強(qiáng)濃霧從9月開始增多，12月達(dá)到峰值，然后下降?？傮w上，強(qiáng)濃霧主要發(fā)生在冬半年（10月—次年4月），這7個(gè)月的強(qiáng)濃霧日數(shù)占全年強(qiáng)濃霧日數(shù)的82% （1區(qū)）—85% （3區(qū)）。各區(qū)高發(fā)月份不同，強(qiáng)濃霧日數(shù)最多的3個(gè)月份分別為：①淮河以北西部（1區(qū)），1月、4月和12月，強(qiáng)濃霧日數(shù)占全年的51.4%，1月最為突出，平均達(dá)4 d。②淮河以北東部（2區(qū)），4月、1月、11月，強(qiáng)濃霧日數(shù)占全年的45.4%。③沿淮地區(qū)（3區(qū)），1月、11月、12月，強(qiáng)濃霧日數(shù)接近，總數(shù)占全年的48.0%。④沿江地區(qū)（4區(qū)），12月、1月、11月，強(qiáng)濃霧日數(shù)占全年的47.3%。⑤江南（5區(qū)），12月、11月、3月，強(qiáng)濃霧日數(shù)占全年的46.6%。各區(qū)都是7、8月最少。除了江南，1月都是強(qiáng)濃霧最多或次多的月份，說明安徽強(qiáng)濃霧以輻射霧為主。區(qū)域之間的差異反映了不同地區(qū)強(qiáng)濃霧的形成機(jī)制和影響系統(tǒng)不同。

濃霧和大霧年變化不及強(qiáng)濃霧明顯，但也能看出雙峰型變化，峰值月份各區(qū)不同?？傮w上仍是7、8月最少，其他月份參差不齊。區(qū)域之間比較，江南濃霧最多，4—6月和11—12月平均都超過了1 d；淮河以北東部大霧最多。每個(gè)月都有準(zhǔn)霧發(fā)生，總體上夏半年（5—9月）少、冬半年（10—4月）多，1月最多。

重度霾年變化呈明顯的單峰型分布，峰值在1月、谷值在8月，主要發(fā)生在11月至次年的3月，這5個(gè)月的重度霾天數(shù)占全年的86%—88%（1—4區(qū)），江南占73%，4—10月天數(shù)很少。重度霾與霧日數(shù)的年變化差異反映了霾與霧本質(zhì)上的不同以及形成機(jī)制的不同。

3.5 強(qiáng)濃霧和重度霾的日變化

按季節(jié)統(tǒng)計(jì)了各區(qū)強(qiáng)濃霧發(fā)生次數(shù)日變化（圖5）。一天之中，13—20時(shí)各區(qū)強(qiáng)濃霧年均次數(shù)不到0.2次，其中14—17時(shí)各區(qū)都無強(qiáng)濃霧。強(qiáng)濃霧高發(fā)時(shí)段既有季節(jié)差異也有區(qū)域差異，如：淮河以北東部冬季峰值時(shí)間最早（05時(shí)），且04—08時(shí)各時(shí)次強(qiáng)濃霧次數(shù)接近，秋季峰值時(shí)間最晚（07時(shí)）；其他各區(qū)峰值時(shí)間都是夏季最早（04時(shí)）、冬季（08時(shí)）或秋季（07時(shí)）最晚。全年合計(jì)，各區(qū)強(qiáng)濃霧峰值時(shí)間都是06時(shí)，其次是07、05時(shí)，也就是說，強(qiáng)濃霧主要形成于后半夜。日出之后，地面升溫、湍流增強(qiáng)，促使強(qiáng)濃霧消散，因此峰值出現(xiàn)在日出前后。若以峰值時(shí)刻為中心，強(qiáng)濃霧出現(xiàn)頻次呈非對(duì)稱分布，向峰值時(shí)刻之前（圖中的左邊）傾斜，形成的時(shí)間比較分散，在入夜后到日出前后，只要條件成熟都可以形成強(qiáng)濃霧，這增加了預(yù)報(bào)的難度。強(qiáng)濃霧的這種日變化說明安徽強(qiáng)濃霧可能以輻射霧為主（Tardif，et al，2007）。

圖6為各區(qū)重度霾發(fā)生次數(shù)日變化。各區(qū)重度霾的日變化均為雙峰型，2個(gè)峰值分別位于9—11時(shí)和19—22時(shí)，谷值位于14—16時(shí)，各區(qū)峰、谷值時(shí)間略有差異。日變化形勢接近于PM2.5濃度日變化（石春娥等，2017c），這也說明霾的本質(zhì)是細(xì)粒子污染。

圖6 2016—2019年安徽省各區(qū)重度霾年均發(fā)生次數(shù)日變化Fig.6 Diurnal variations of annual average numbers of heavy haze occurrence in each sub-region of Anhui Province during the period of 2016—2019

3.6 各等級(jí)霧和重度霾地面氣象條件的差異

如圖5所示，強(qiáng)濃霧有明顯的日變化，峰值在日出前后，且在峰值前后呈非對(duì)稱分布。選取強(qiáng)濃霧高發(fā)時(shí)段統(tǒng)計(jì)各級(jí)霧和重度霾出現(xiàn)時(shí)地面氣象要素的差異。根據(jù)輻射霧的形成機(jī)制，主要考慮與前一天20時(shí)相比的降溫幅度（△T）及當(dāng)時(shí)的風(fēng)速、風(fēng)向。以高峰時(shí)刻為中心向前后延伸若干小時(shí)，盡可能多地覆蓋強(qiáng)濃霧形成的時(shí)段。如果按強(qiáng)濃霧出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)計(jì)算，02—08時(shí)強(qiáng)濃霧出現(xiàn)的次數(shù)占總次數(shù)的73%—83%，因此，選取這個(gè)時(shí)段做比較。

從安徽省各區(qū)02—08時(shí)出現(xiàn)不同等級(jí)霧與重度霾時(shí)相比于前一天20時(shí)的降溫幅度（圖7）可見，各級(jí)霧發(fā)生時(shí)都有明顯降溫，其中，強(qiáng)濃霧發(fā)生時(shí)的降溫幅度最大，準(zhǔn)霧或重度霾時(shí)降溫幅度最小。從各類天氣現(xiàn)象與降溫幅度變化情況看，沿淮淮北3個(gè)區(qū)變化一致，強(qiáng)濃霧發(fā)生時(shí)的降溫幅度最大，中位值都達(dá)到4.0℃（均值3.9—4.2℃），約75%的樣本降溫幅度大于3.0℃；而重度霾和準(zhǔn)霧的降溫幅度比較接近，均值不到3℃，比強(qiáng)濃霧時(shí)約低1℃。在沿江到江南2個(gè)區(qū)（4區(qū)、5區(qū)）也是隨著霧的強(qiáng)度減弱，降溫幅度變小，但是準(zhǔn)霧時(shí)降溫幅度最小，強(qiáng)濃霧發(fā)生時(shí)的降溫幅度中位值（均值）為3.6—3.8℃（3.5—3.8℃）。各區(qū)準(zhǔn)霧時(shí)的降溫幅度中位值在1.9℃（沿江地區(qū)，4區(qū)）—2.7℃（淮河以北，1、2區(qū)）?？傮w上，如果以降溫幅度的下四分位為界（即75%的樣本滿足條件），可以認(rèn)為強(qiáng)濃霧時(shí)降溫幅度必須大于3.0℃。這也說明安徽的強(qiáng)濃霧形成的一個(gè)重要機(jī)制是輻射降溫。

圖7 2016—2019年02—08時(shí)安徽各區(qū)強(qiáng)濃霧、濃霧、大霧、準(zhǔn)霧和重度霾時(shí)的降溫幅度統(tǒng)計(jì)結(jié)果 （正三角、倒三角分別表示最大、最小值；長方形中的正方形表示平均值，橫線表示中值；長方形的下、上邊分別為第一、三四分位值，長方形上下邊伸出的尾羽表示95%和5%分位值）Fig.7 Statistical results of temperature decreases for extremely dense fog （ExDense fog），dense fog，fog，quasi fog and heavy haze during 02:00—08:00 BT in different sub-regions of Anhui Province during the period of 2016—2019 （the solid triangle ▲：maximum，▼：minimum；small square □ within the rectangles：mean；― within the rectangles：median；the lower and upper borders of the rectangles：the 25th and 75th， tails projecting from the top and bottom of the rectangles：the 95th and 5th）

由各區(qū)02—08時(shí)不同等級(jí)霧與重度霾時(shí)的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)結(jié)果（圖8）可見，除了江南（5區(qū)），各區(qū)都是隨著霧的強(qiáng)度減弱（從強(qiáng)濃霧到準(zhǔn)霧）風(fēng)速上升風(fēng)速變化范圍（圖中長方形長度）增大。強(qiáng)濃霧、濃霧和大霧發(fā)生時(shí)風(fēng)速普遍較低，中位值都不超過1.0 m/s。強(qiáng)濃霧時(shí)風(fēng)速變化范圍最?。▓D中長方形長度最短），上四分位不到1.5 m/s，中位值（均值）0.8—0.9 m/s （0.92—1.04 m/s），除了淮河以北西部（1區(qū)），其他區(qū)95%分位值低于2.0 m/s，也就是說，超過75%的樣本風(fēng)速低于1.5 m/s，有95%的樣本風(fēng)速低于2.0 m/s，這進(jìn)一步說明安徽的霧以輻射霧為主（Tardif，et al，2007）。

圖8 2016—2019年02—08時(shí)安徽各區(qū)強(qiáng)濃霧、濃霧、大霧、準(zhǔn)霧和重度霾時(shí)的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)結(jié)果 （正三角、倒三角分別表示最大、最小值；長方形中的正方形表示平均值，橫線表示中值；長方形的下、上邊分別為第一、三四分位值，長方形上下邊伸出的尾羽表示95%和5%分位值）Fig.8 Statistical results of wind speed for extremely dense fog （ExDense fog），dense fog，fog，quasi fog and heavy haze during 02:00—08:00 BT in different subregions of Anhui Province during the period of 2016—2019 （▲：maximum，▼：minimum；small square □within the rectangles：mean；― within the rectangles：median；the lower and upper borders of the rectangles：the 25th and 75th；tails projecting from the top and bottom of the rectangles：the 95th and 5th）

總體上，除了江南，重度霾發(fā)生時(shí)的風(fēng)速顯著高于各級(jí)霧，且變化范圍更大，下四分位值接近或超過1.0 m/s，在淮河以北西部和沿淮地區(qū)高于強(qiáng)濃霧時(shí)的上四分位值；中位值與強(qiáng)濃霧時(shí)的中位值的差值最大可超過1.0 m/s（淮河以北西部）。若以75%的樣本（或者上、下四分位）能區(qū)分為接受標(biāo)準(zhǔn)，大部分區(qū)域重度霾與強(qiáng)濃霧發(fā)生時(shí)的風(fēng)速是可以區(qū)分的，其差異程度超過了降溫幅度。也就是說，重度霾向強(qiáng)濃霧轉(zhuǎn)化的最關(guān)鍵的地面氣象因子是風(fēng)速，即風(fēng)速須低于1.5 m/s。這對(duì)強(qiáng)濃霧的預(yù)報(bào)有較好的指示意義。另外，重度霾與準(zhǔn)霧發(fā)生時(shí)風(fēng)速差異顯著，因此，準(zhǔn)霧形成的氣象條件更接近于霧。

劉端陽等（2014）和朱承瑛等（2018）的個(gè)例分析表明，強(qiáng)濃霧發(fā)生時(shí)不僅有風(fēng)速減弱，還有風(fēng)向的明顯變化。本研究根據(jù)風(fēng)向角度將風(fēng)的來向分為16個(gè)方向和靜風(fēng)，合計(jì)有17個(gè)風(fēng)向。計(jì)算了各區(qū)不同等級(jí)霧與重度霾時(shí)風(fēng)向分布頻率。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了各區(qū)各等級(jí)霧和重度霾時(shí)17個(gè)風(fēng)向頻率的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)相鄰等級(jí)霧之間相關(guān)較強(qiáng)，如強(qiáng)濃霧與濃霧的各類風(fēng)向頻率相關(guān)超過強(qiáng)濃霧與大霧之間風(fēng)向頻率的相關(guān)。除了沿江地區(qū)（4區(qū)），強(qiáng)濃霧與濃霧、大霧、準(zhǔn)霧時(shí)的17個(gè)風(fēng)向頻率都顯著相關(guān)（相關(guān)系數(shù)最低值為0.66，其余均大于0.8，通過顯著水平α=0.01的t檢驗(yàn)），說明這3個(gè)等級(jí)的霧之間風(fēng)向分布差異可以忽略。而強(qiáng)濃霧與重度霾風(fēng)向頻率相關(guān)不明顯。

圖9給出各區(qū)強(qiáng)濃霧與重度霾時(shí)風(fēng)向頻率分布。由圖9a可見，江南強(qiáng)濃霧時(shí)偏東到東南（東、東南東、東南）3個(gè)風(fēng)向占比明顯高于其他風(fēng)向，都超過了10%，其中東南東頻率最高，為14.47%，其次是東北和東北東，均為7.1%，這5個(gè)風(fēng)向頻率之和為49.82%，也就是說江南強(qiáng)濃霧時(shí)的風(fēng)向以東北到東南為主，靜風(fēng)頻率略低于東北風(fēng)，為6.77%。與江南不同，其他幾個(gè)區(qū)強(qiáng)濃霧時(shí)都是靜風(fēng)頻率最高，接近或超過10%，其中，淮河以北西部強(qiáng)濃霧時(shí)靜風(fēng)頻率最高，為17.63%，其他風(fēng)向頻率差異不大，在偏東到東南有一個(gè)6%—8%的峰值。頻率最低的風(fēng)向各區(qū)不一致。

圖9 安徽省各區(qū)強(qiáng)濃霧 （a） 和重度霾 （b） 發(fā)生時(shí)各風(fēng)向頻率分布Fig.9 Frequency distributions of wind directions during extremely dense fog （a） and heavy haze （b） in Anhui Province

由圖9b可見，重度霾出現(xiàn)時(shí)各區(qū)都有明顯的主導(dǎo)風(fēng)向，淮河以北西部頻率最高的3個(gè)風(fēng)向是北、西北北和西北，均超過了12%，其次是東北北，8.64%，這4個(gè)風(fēng)向頻率之和為52.31%，再其次是東，7.45%，也就是說該區(qū)出現(xiàn)重度霾的風(fēng)向以西北到東北偏北為主。江南占比最高的是東北到東南偏東，這4個(gè)風(fēng)向占比為54.9%。其他3個(gè)區(qū)重度霾出現(xiàn)時(shí)的風(fēng)向不及淮河以北西部重度霾時(shí)風(fēng)向集中，但也是以西北到東北為主。各區(qū)重度霾時(shí)南到西南偏西頻率都比較低，大多低于3%，這與合肥PM2.5污染發(fā)生時(shí)的風(fēng)向頻率分布較為一致（石春娥等，2017c），即PM2.5重度污染時(shí)偏南風(fēng)出現(xiàn)頻率較低；各區(qū)重度霾時(shí)靜風(fēng)頻率均較低（2%—4%）。

綜上，從多站點(diǎn)多時(shí)次的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看江南以外的區(qū)域強(qiáng)濃霧時(shí)無主導(dǎo)風(fēng)向，可能與強(qiáng)濃霧一般發(fā)生在高壓系統(tǒng)里風(fēng)向較亂有關(guān)；重度霾時(shí)風(fēng)向頻率分布與對(duì)安徽冬季PM2.5輸送軌跡一致（Shi，et al，2018），這說明安徽霾發(fā)生時(shí)存在明顯的顆粒物輸送。由于是大量同類樣本的統(tǒng)計(jì)，文中的強(qiáng)濃霧與重度霾不一定存在時(shí)間上的先后關(guān)系，因而，看不出與風(fēng)向變化的關(guān)系。

4 結(jié)論與討論

基于霧、霾發(fā)生的物理?xiàng)l件，結(jié)合中國現(xiàn)行氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建立了不同等級(jí)霧日和重度霾日的觀測診斷方法，重建了不同等級(jí)霧和重度霾的時(shí)序資料，并進(jìn)行了檢驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，基于強(qiáng)濃霧發(fā)生的時(shí)間一致性，將安徽分為5個(gè)特征明顯的不同區(qū)域，進(jìn)一步分析各區(qū)域不同等級(jí)霧及重度霾出現(xiàn)時(shí)地面氣象條件的異同。主要結(jié)論如下：

（1）安徽省淮河以北和江南屬于強(qiáng)濃霧高發(fā)區(qū)，年均強(qiáng)濃霧日數(shù)超過15 d；淮河以北強(qiáng)濃霧區(qū)域特征明顯，但東、西部差異顯著，說明這2個(gè)區(qū)強(qiáng)濃霧形成機(jī)制或影響系統(tǒng)不同。江南強(qiáng)濃霧局地性強(qiáng)；沿江地區(qū)屬于強(qiáng)濃霧低發(fā)區(qū)，年均8.23 d，且強(qiáng)濃霧局地性強(qiáng)；沿淮地區(qū)強(qiáng)濃霧發(fā)生頻率和區(qū)域性特征均居中。各區(qū)有54%（沿江江南）—62%（沿淮）的霧能發(fā)展到強(qiáng)濃霧。大霧、濃霧與強(qiáng)濃霧空間分布態(tài)勢大體一致。

（2）重度霾的空間分布基本上呈北多、南少的分布態(tài)勢，各區(qū)差異顯著。準(zhǔn)霧的空間分布與大霧和重度霾均有一定程度的相似，與大霧相似程度更高。

（3）強(qiáng)濃霧的年變化呈雙峰型，雙峰分別出現(xiàn)在1月和4月，7、8月是低谷。除了江南，1月都是強(qiáng)濃霧最多或次多的月份。重度霾的年變化呈單峰型分布，峰值在1月。

（4）各區(qū)強(qiáng)濃霧主要出現(xiàn)在后半夜，峰值時(shí)間均為06時(shí)，出現(xiàn)頻次呈非對(duì)稱分布，向峰值時(shí)刻之前傾斜。霾的日變化呈雙峰型分布，雙峰分別位于9—11時(shí)和19—22時(shí)。

（5）安徽強(qiáng)濃霧主要是輻射霧，根據(jù)02—08時(shí)氣象要素統(tǒng)計(jì)結(jié)果，強(qiáng)濃霧發(fā)生時(shí)的降溫幅度最大，中位值（均值）達(dá)到3.6—4.0℃（3.5—4.2℃）；風(fēng)速最低，中位值不超過1.0 m/s，超過75%的樣本風(fēng)速低于1.5 m/s。重度霾發(fā)生時(shí)，降溫幅度小、風(fēng)速偏大，且降溫幅度和風(fēng)速變化范圍較大，降溫幅度中位值比強(qiáng)濃霧降溫幅度中位值約低1.0℃，風(fēng)速顯著高于各級(jí)霧時(shí)。

（6）江南強(qiáng)濃霧時(shí)的風(fēng)向以東北到東南為主，其他區(qū)域強(qiáng)濃霧發(fā)生時(shí)靜風(fēng)頻率最高（超過10%）、其他風(fēng)向頻率差異不大，說明處于均壓場中，無明顯的主導(dǎo)風(fēng)。重度霾時(shí)各區(qū)都有明顯的主導(dǎo)風(fēng)。

上述結(jié)果說明重度霾能否演變?yōu)閺?qiáng)濃霧的關(guān)鍵地面氣象因子是風(fēng)速、風(fēng)向和降溫幅度。重度霾與霧的本質(zhì)和形成機(jī)制不同，安徽不同區(qū)域強(qiáng)濃霧均以輻射霧為主，但各區(qū)強(qiáng)濃霧形成的影響系統(tǒng)可能不同。要想做好強(qiáng)濃霧的預(yù)報(bào)服務(wù)，需針對(duì)不同的區(qū)域做進(jìn)一步的分析研究。