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        湖北省雨霧天氣特征及影響因素研究

        2022-10-29 05:22:50陳英英成丹譚靜何明瓊王麗娟付志康
        湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2022年18期
        關(guān)鍵詞:雨霧雨強(qiáng)能見(jiàn)度

        陳英英,成丹,譚靜,何明瓊,王麗娟,付志康

        (1.湖北省氣象服務(wù)中心,武漢 430205;2.中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所,武漢 430205)

        低能見(jiàn)度是影響交通運(yùn)輸安全的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一,通常由濃霧、降水(降雨和降雪)、沙塵暴等天氣引起[1,2],就湖北省而言,由降雨造成的低能見(jiàn)度事件時(shí)有發(fā)生[3]。通常對(duì)能見(jiàn)度影響較大的有兩種,一是短時(shí)強(qiáng)降雨,二是持續(xù)的弱降雨。對(duì)流性強(qiáng)降雨,短時(shí)間內(nèi)雨強(qiáng)達(dá)到高值,使能見(jiàn)度急速降低;而持續(xù)性弱降雨容易造成較大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的低能見(jiàn)度天氣,其出現(xiàn)的概率、持續(xù)時(shí)間、影響范圍明顯高于對(duì)流性強(qiáng)降雨,發(fā)生時(shí)的能見(jiàn)度雖不及強(qiáng)盛期的輻射霧、平流霧那么低,但仍可以對(duì)民航、高速公路等交通運(yùn)輸?shù)臅惩ê桶踩a(chǎn)生影響,甚至由于能見(jiàn)度未達(dá)到交通管制級(jí)別,其產(chǎn)生危害的可能性更大。同時(shí),除低能見(jiàn)度引起的交通受阻外,它所帶來(lái)的路面濕滑也會(huì)給交通帶來(lái)不良影響。

        國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)這類由持續(xù)弱降水導(dǎo)致的低能見(jiàn)度天氣現(xiàn)象定義為“雨霧”過(guò)程,并對(duì)其發(fā)生時(shí)的氣象要素及宏微觀特性進(jìn)行分析研究[4-7],了解到雨霧多形成于穩(wěn)定性的弱降雨中,雨滴下落過(guò)程中的蒸發(fā)是雨霧形成的主要原因[8]。因此,雨霧的預(yù)報(bào)除了考慮環(huán)流背景、地形地貌、大氣層結(jié)、發(fā)展機(jī)制等宏觀特性外,還需要考慮降水粒子譜分布等微觀特征,甚至與氣溶膠粒子的濃度也有關(guān)系,不同地區(qū)存在明顯差異。

        為研究湖北省由雨霧造成低能見(jiàn)度事件的共性特征,基于較長(zhǎng)時(shí)間序列的大樣本觀測(cè)資料,首先,統(tǒng)計(jì)不同強(qiáng)度降水和能見(jiàn)度的相關(guān)關(guān)系,提取本研究雨霧定義中關(guān)于降水和能見(jiàn)度的特征閾值;其次,分析雨霧形成的氣象和環(huán)境要素背景,然后繪制湖北雨霧的時(shí)空分布圖,并分析規(guī)律;最后,研究典型雨霧個(gè)例的滴譜特征,為低能見(jiàn)度降雨預(yù)報(bào)提供技術(shù)支撐,以提升湖北省針對(duì)公路、航運(yùn)、航空等領(lǐng)域的交通氣象服務(wù)能力。

        1 數(shù)據(jù)來(lái)源

        2016—2019年湖北省81個(gè)國(guó)家基本站逐小時(shí)降雨量、相對(duì)濕度、風(fēng)向風(fēng)速、最小能見(jiàn)度、天氣現(xiàn)象等觀測(cè)資料;2016—2019年武漢市環(huán)境監(jiān)測(cè)資料;2016—2019年咸寧市典型雨霧過(guò)程雨滴譜資料。

        2 低能見(jiàn)度事件的天氣現(xiàn)象特征及雨霧的定義

        2.1 低能見(jiàn)度事件的天氣現(xiàn)象特征

        以小時(shí)最低能見(jiàn)度≤1 000 m為閾值,分析2016—2019年湖北省81個(gè)基本氣象站水平低能見(jiàn)度事件發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)的天氣現(xiàn)象,判定依據(jù)如表1所示。

        表1 各類天氣現(xiàn)象的判定指標(biāo)

        從圖1a可知,由降水造成的低能見(jiàn)度事件占比33.7%,是湖北省低能見(jiàn)度事件的一種重要類型,降水對(duì)能見(jiàn)度的影響客觀存在且不容忽視,而目前氣象部門(mén)所發(fā)布的大霧預(yù)警信號(hào)中并未對(duì)此類天氣現(xiàn)象做出區(qū)分。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)(圖1b),在所有因降水引起的低能見(jiàn)度事件中,小雨量級(jí)占比最大,達(dá)到61.8%,毛毛雨次之,為19.7%,2類合計(jì)超過(guò)80.0%。

        圖1 低能見(jiàn)度事件與降水現(xiàn)象的關(guān)系

        2.2 低能見(jiàn)度事件中不同雨強(qiáng)的占比

        對(duì)上述能見(jiàn)度≤1 000 m的區(qū)間再次分檔為0? 50 m、50?100 m、100?200 m、200?500 m、500?1 000 m,繪制每檔所對(duì)應(yīng)的不同小時(shí)降雨量所占的比率分布,從圖2可以看出,在所有低能見(jiàn)度分檔中,0 mm/h<雨強(qiáng)≤1 mm/h所占的比率都是最大的,均超過(guò)60%,在0?50 m的能見(jiàn)度區(qū)間,占比甚至超過(guò)80%;排名第二的為1 mm/h<雨強(qiáng)≤2 mm/h的等級(jí)。說(shuō)明湖北省因短時(shí)強(qiáng)降水引起的低能見(jiàn)度事件較少發(fā)生,與其他省份不同[9],而由雨強(qiáng)微弱的降水導(dǎo)致的低能見(jiàn)度事件占主導(dǎo)。

        圖2 不同能見(jiàn)度區(qū)間對(duì)應(yīng)的不同等級(jí)雨強(qiáng)比率分布

        2.3 雨霧樣本的定義

        由于雨強(qiáng)在0?1 mm/h時(shí)導(dǎo)致的低能見(jiàn)度天氣在湖北省占絕對(duì)多數(shù),因此,本研究的雨霧個(gè)例定義為小時(shí)最小能見(jiàn)度≤1 000 m且小時(shí)降雨量在(0,1]mm的樣本,數(shù)量按逐小時(shí)、逐站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 雨霧樣本的氣象及環(huán)境要素分析

        3.1.1 雨霧樣本的氣象要素特征2016—2019年湖北省81個(gè)國(guó)家基本站的雨霧樣本共計(jì)17 079個(gè),由圖3a可以看出,雨霧過(guò)程的最低能見(jiàn)度主要分布在500?1 000 m區(qū)間內(nèi)(61.08%),小于200 m的樣本占15.08%;相對(duì)濕度在95%?100%占比達(dá)85.09%,存在1個(gè)明顯的峰值,說(shuō)明雨霧過(guò)程中的水蒸氣大多處于近飽和狀態(tài)(圖3b);圖3c顯示雨霧過(guò)程風(fēng)速在1?2 m/s的區(qū)間占比最大(36.64%),0?1 m/s區(qū)間次之(28.72%),可見(jiàn)即使有微風(fēng),降雨仍然能夠?qū)δ芤?jiàn)度產(chǎn)生有效影響。

        圖3 雨霧過(guò)程氣象要素分布特征

        圖4顯示雨霧過(guò)程風(fēng)向基本為偏北風(fēng),北偏西出現(xiàn)的概率大于北偏東,正北風(fēng)的風(fēng)向占比最大,達(dá)到15.32%,說(shuō)明雨霧過(guò)程多伴隨著冷空氣的入侵。風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)時(shí),風(fēng)力顯著大于其他風(fēng)向的風(fēng)速等級(jí),另外,風(fēng)速在0?0.2 m/s的靜風(fēng)頻率為0。

        圖4 雨霧過(guò)程的風(fēng)向風(fēng)速

        3.1.2 雨霧樣本的環(huán)境要素特征 武漢市作為中部地區(qū)高濕度代表城市,大氣污染相對(duì)嚴(yán)重,有研究表明[10],細(xì)顆粒物濃度與相對(duì)濕度共同影響和制約大氣能見(jiàn)度變化,高濕高濃度時(shí)能見(jiàn)度顯著下降,當(dāng)相對(duì)濕度大于90%時(shí),能見(jiàn)度隨濕度升高呈線性遞減。在此分析2016—2019年武漢市逐月的平均AQI指數(shù)和雨霧出現(xiàn)頻次的分布規(guī)律,由圖5可以看出,AQI指數(shù)呈明顯的季節(jié)特征,秋冬季高、春夏季低,雨霧出現(xiàn)的頻次與AQI指數(shù)均值具有較好的一致性,其中2016年1月、2018年1月和2019年1月的同步峰值特征明顯,證實(shí)環(huán)境污染是雨霧預(yù)報(bào)中需要考慮的因素之一。

        圖5 2016—2019年武漢市逐月雨霧出現(xiàn)頻數(shù)與月平均AQI指數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

        3.2 雨霧樣本的時(shí)空分布特征

        3.2.1 雨霧的時(shí)間分布規(guī)律圖6為所有由雨霧引起的低能見(jiàn)度事件的頻率、小時(shí)降雨量、小時(shí)最低能見(jiàn)度的月平均和逐時(shí)平均的變化,可以看出,頻率的季節(jié)分布特征明顯(圖6a),冬季所占比率最大,這可能與冬季靜穩(wěn)天氣下污染物濃度較高有關(guān),極值出現(xiàn)在1月;由雨霧引起的逐月低能見(jiàn)度均值為460?620 m,6月最低。從圖6b時(shí)刻分布來(lái)看,全天各時(shí)段均可能出現(xiàn)雨霧,但22時(shí)—次日09時(shí)是高發(fā)時(shí)段,06時(shí)出現(xiàn)的概率最大,白天出現(xiàn)的頻率相對(duì)較低;由雨霧引起的逐時(shí)低能見(jiàn)度均值在540? 620 m的范圍區(qū)間,03時(shí)最低。

        圖6 雨霧過(guò)程頻率、小時(shí)降雨量和小時(shí)最低能見(jiàn)度月平均(a)、逐時(shí)平均(b)的變化規(guī)律

        3.2.2 雨霧的空間分布規(guī)律從圖7空間分布來(lái)看,由雨霧引起的低能見(jiàn)度事件空間差異顯著,在宜昌市和咸寧市有明顯的高頻中心,2016—2019年發(fā)生比率(單站的雨霧頻數(shù)與湖北全省所有站的雨霧頻數(shù)的比值)為6%?7%,顯著高于其他站點(diǎn),這可能與地形特征有關(guān),雨霧多發(fā)區(qū)均處于山地或丘陵的邊緣,受地形的抬升作用影響,易出現(xiàn)細(xì)雨天氣。

        圖7 雨霧發(fā)生頻數(shù)的空間分布

        3.3 典型雨霧個(gè)例的雨滴譜特征

        雨霧發(fā)生時(shí)影響能見(jiàn)度的要素主要是小雨滴和小霧滴,因此,分析雨霧過(guò)程中的滴譜分布特征可以更好地理解雨霧產(chǎn)生低能見(jiàn)度的原因。利用德國(guó)OTT Parsivel2激光雨滴譜儀進(jìn)行研究,其可探測(cè)的液滴直徑范圍為0.2?8.0 mm、固態(tài)粒子直徑為0.2? 25.0 mm,可探測(cè)的下落速度范圍為0.2?20.0 m/s,其中直徑和下落速度均分32檔,具體分檔如下。

        雨滴譜儀中值直徑分檔為0.062、0.187、0.312、0.437、0.562、0.687、0.812、0.937、1.062、1.187、1.375、1.625、1.875、2.125、2.375、2.750、3.250、3.750、4.250、4.750、5.500、6.500、7.500、8.500、9.500、11.000、13.000、15.000、17.000、19.000、21.500、24.500 mm;速度也分32檔,中值速度分檔為0.05、0.15、0.25、0.35、0.45、0.55、0.65、0.75、0.85、0.96、1.10、1.30、1.50、1.70、1.90、2.20、2.60、3.00、3.40、3.80、4.40、5.20、6.00、6.80、7.60、8.80、10.40、12.00、13.60、15.20、17.60、20.80 m/s。

        雨霧多發(fā)的咸寧市2016年10月19日1次典型雨霧過(guò)程的微物理參量特征,當(dāng)日08時(shí)至次日02時(shí)最小水平能見(jiàn)度基本穩(wěn)定在1 km以下,下面以08:00—12:00、13:00—17:00共8個(gè)時(shí)次為例進(jìn)行分析(表2),小時(shí)雨量為0.1?0.5 mm。每小時(shí)的雨滴數(shù)量差別很大,為1 574?25 456個(gè),雨滴的譜寬雖然分布較廣、但峰值直徑大多在2?3 mm,而雨滴的下落速度相對(duì)穩(wěn)定、峰值速度均在0.35?0.75 m/s。

        表2 咸寧市秋季雨霧天氣的微物理參量

        從圖8、圖9的譜分布可以看出,在這8個(gè)能見(jiàn)度低于1 km的雨霧時(shí)段,直徑與速度曲線基本呈冪函數(shù)分布特征,雨滴個(gè)數(shù)較多的滴譜分布區(qū)間較窄、雨滴速度較小,有利于蒸發(fā)作用。另外,在能見(jiàn)度低于500 m的前2個(gè)時(shí)段,雨滴的數(shù)量明顯高于其他幾個(gè)時(shí)段,雨滴數(shù)密度高可能是造成雨霧低能見(jiàn)度的主要因素。

        圖8 2016年10月19日上午觀測(cè)雨霧過(guò)程的譜分布

        圖9 2016年10月19日下午觀測(cè)雨霧過(guò)程的譜分布

        4 小結(jié)與討論

        本研究基于2016—2019年湖北省81個(gè)國(guó)家站逐小時(shí)降雨量、相對(duì)濕度、風(fēng)向風(fēng)速、最小能見(jiàn)度等觀測(cè)資料,結(jié)合武漢市環(huán)境監(jiān)測(cè)和激光雨滴譜儀資料,對(duì)降水造成的低能見(jiàn)度事件,尤其是雨霧過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,在雨霧的影響因素、分布特征、微觀參量等方面得到以下結(jié)論:①降水是除霧以外造成湖北省低能見(jiàn)度天氣的主要原因,根據(jù)不同小時(shí)雨強(qiáng)所占的比率分析,湖北省影響能見(jiàn)度的主要降雨強(qiáng)度為0?1 mm/h,定義為雨霧。②造成低能見(jiàn)度的原因不是雨強(qiáng),而是持續(xù)降水及雨滴的蒸發(fā),對(duì)應(yīng)的能見(jiàn)度區(qū)間主要是500?1 000 m,風(fēng)向多為偏北風(fēng),風(fēng)速60%以上在0?2 m/s的區(qū)間。③冬季是雨霧的高發(fā)季節(jié),夜間發(fā)生頻次高于白天,宜昌市和咸寧市是湖北省內(nèi)明顯的高發(fā)中心,可能與山地丘陵等地形的影響有關(guān)。④雨霧頻次與AQI指數(shù)具有一定的相關(guān)性,高濕背景下空氣污染物濃度的增加有利于雨霧的發(fā)生。⑤雨霧滴譜圖中直徑與速度曲線基本呈冪函數(shù)分布特征,雨滴數(shù)密度高、下落速度小可能是造成雨霧低能見(jiàn)度的主要因素。

        綜上,雨霧的預(yù)報(bào)可從以下幾個(gè)方面考慮:①有利的環(huán)境背景。500 hPa低槽東移、700 hPa有切變、850 hPa水汽輸送,地面冷高壓主體偏北,缺乏明顯的冷空氣配合,降雨效率有限;②氣象因子診斷。中低層處于近飽和狀態(tài),地面以弱風(fēng)為主(靜風(fēng)少見(jiàn)),0℃層位于500?700 hPa間,層結(jié)穩(wěn)定,可能有逆溫結(jié)構(gòu)特征,但不是必要條件;③環(huán)境影響因子。冬季高污染物濃度對(duì)雨霧的發(fā)生有促進(jìn)作用;④基于實(shí)況的臨近預(yù)警。當(dāng)湖北省區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間≥3 h的小雨,且預(yù)計(jì)降水仍將持續(xù),可考慮發(fā)布雨霧預(yù)警預(yù)報(bào)。

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