河北平原冬季连续两次特强浓雾天气特征及成因分析

河北平原冬季连续两次特强浓雾天气特征及成因分析
作者：索春男闫春旺张敏
来源：《农业灾害研究》2020年第04期
摘要利用2019年2月18—23日河北省国家站地面、高空观测资料以及NCEP再分析资料，从环流形势、温湿场、动力场及边界层特征等方面对2019年2月20日和2月21日清晨河北平原局地出现能见度不足50 m的特强浓雾天气进行特征和成因分析。

结果表明：本次过程雾强度大，能见度低，持续时间短，午后能见度回升明显，主要以辐射雾为主;两次大雾发生在大尺度下沉运动背景下，高空环流形势稳定，中层风速小，地面处于高压前部，有利于冷空气南下造成河北平原大雾天气;大雾发生时温度场1 000 hPa以上具有弱逆温或等温特性，1 000 hPa与地面气温之差为3℃～6℃，表明200 m以下近地面存在强逆温，大气层结构稳定，边界层高度低，有利于大雾的形成和维持;湿度场具有“下湿上干”特点，“上干”高空无云，有利于晴空辐射降温，“下湿”有利于近地面空气达到饱和;雪后充足的水汽和辐射冷却造成了20日强浓雾的形成;而由于近地面强降温使空气达到饱和形成了21日清晨的强浓雾过程。

关键词河北平原;特强浓雾;环流形势;温湿场特征
中图分类号：P458 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2020）04-0-04
DOI：10.19383/ki.nyzhyj.2020.04.031
大雾是悬浮于近地层中的大量小水滴或冰晶使水平能见度小于1 000 m的自然现象。

大雾是一种灾害性天气，携带大量的污染物，对人体健康不利[1-2]。

有研究表明，大雾天气条件下，北京、天津和石家庄3市出现重污染的比率呈增加趋势，因此对大雾天气的研究有较为重要的意义[3]。

此外，大雾天气对农作物的萌芽、生长发育及产量、质量都会产生严重影响
[4]。

连续性大雾发生时，日照时长和日照质量明显不足，导致作物生长受阻，因此大雾研究对农业发展也有重要意义[5]。

目前已有一些关于大雾天气预报的研究，陈东辉等[6]利用多年观测资料分析了环渤海地区大雾时空分布特征及大雾发生的影响因素，给出了大雾发生的天气形势和地面气象要素指标，为环渤海大雾预报提供了一定依据;郑宝枝等[7]利用当地多年资料给出了山东省滨州市大雾天气预报地面要素指标;蒋大凯等[8]对辽宁省进行区域性大雾天气分型，分析辽宁省各种区域性大雾的成因及要素演变特征，从中提取预报指标，建立了预报流程。

河北省雾出现频率较高的地带是河北平原，这与河北省的地形有密切联系。

以往有许多学者对河北平原大雾天气进行了分析，并取得了一定的研究成果。

例如，侯瑞钦等[9]、吕淑琳等[10]、王丽荣等[11]分别分析河北平原的大雾过程，总结了大雾发生时的环流形势和温湿场特征;李江波等[12]揭示了纬向环流背景下，河北平原易形成连续性大雾的成因分析，并进一步给出了河北平原秋冬季雾区分布的几种天气模型。

虽然已有的研究成果已经总结了一些河北大雾形成规律，但以往研究多侧重于连续性大雾分析，对于突然出现的强浓雾天气预报目前仍存在一定的难度。

1 资料介绍
选用河北省2019年2月18日00∶00到2019年2月23日23∶00逐小时地面站点观测的最小能见度、温度和露点温度数据以及NCEP再分析资料（水平分辨率2.5°×2.5°），所用的混合层高度和地表通风系数数据下载于河北省环境气象业务平台（http：//10.48.36.29：
8088/HJJC/ShiKuang_Hour.aspx）。

根据地面气象观测规范，依据能见度的大小，定义能见度大于500 m且不足1 000 m为大雾天气，大于200 m不足500 m为浓雾天气，大于50 m小于200 m为强浓雾天气，能见度小于50 m的天气为特强浓雾天气。

2 强浓雾特征及成因分析
2.1 天气概况
2019年2月19日受高空冷涡和高空槽影响，河北平原大部分地区产生弱降雪，20日02∶00起包括沧州地区在内的河北平原大部分区域出现能见度不足500 m的浓雾天气，且大雾逐渐加强，局地出现能见度不足50 m的特強浓雾天气，浓雾在20日11∶00逐渐消散，到21日清晨又出现特强浓雾天气（图1），且雾区范围较20日进一步扩大，两次过程河北平原东部和南部都出现了能见度不足50 m的特强浓雾，21日午后大雾天气逐渐消散结束。

2.2 环流形势分析
从500 hPa环流形势场可以看出，19日河北平原上空受高空冷涡和高空槽控制，受高空槽的影响在河北地区产生弱降雪，高空槽快速移过，到20日08∶00高空转为偏西气流，21日
08∶00高空受弱脊控制，大雾发生时段高空环流形势稳定。

天气晴好，有利于辐射冷却降温，有利于大雾天气的形成（图2）。

19日凌晨河北平原上空有一短波槽过境，对比1 h降水量可知在河北地区产生弱降水。

20日和21日清晨，850 hPa河北平原（35°～40°N）地区风速较小，风速不大于4 m/s，中层风速较小有利于静稳天气的出现。

同时可以注意到大雾发生时段河北平原地区中层相对湿度小，中层相对湿度小意味着空中云量较少，少云或无云有利于晴空辐射降温，有利于河北地区大雾天气的形成和维持。

且由于19日的弱降水过程，地面湿度条件较好，在20日清晨易形成大雾天气。

平均风场和相对湿度时间剖面图（上）及沧州站点1小时降水量（下）（图3）。

分析海平面气压的演变情况可知（图4），河北平原一开始处于西高东低的弱气压场控制区，随后逐渐转为高压前部，高压中心位于蒙古国东部，河北平原处于高压前部，且等压线分布稀疏，河北平原处于这种高压前部地面形势下且有北部燕山山脉和西部太行山脉的阻挡，有利于冷空气扩散南下，造成河北平原近地面的降温，形成平原地区的大雾天气。

从高低空环流形势可以看出，在20日和21日清晨，高空环流形势稳定，中层风小，近地面处于高压前部，有利于静稳天气的出现和大雾的生成。

但有静稳条件时空气不达到饱和状态，雾也无法形成。

雾的形成与温度和湿度的变化有至关重要的联系，地面相对湿度大达到饱和或有效降温到露点温度达到饱和都会导致雾的形成，因此，接下来将对这两次大雾过程的温湿场进行分析。

2.3 温湿场特征
NCEP再分析资料的2019年2月21日08∶00 850 hPa和1 000 hPa气温分布图（图5），21日08∶00，850 hPa上河北平原受暖温脊控制，暖脊温度变化在-2℃～-3℃，而1 000 hPa上河北平原温度场表现为冷温槽，低层的冷温槽表明有冷空气影响，这种上暖下冷的配置有利于低层逆温的形成。

2月21日08∶00 1 000 hPa与地面气温之差（图6），观察1 000 hPa与地面的温度差可知，大雾发生时河北平原1 000 hPa温度高于地面3℃～5℃，近地面也存在较强的逆温，近地面的强逆温表明近地层大气层结的稳定，有利于大雾天气的形成和维持。

从温度场分析可知，在大雾发生时河北平原近地面存在较强的逆温，且1 000 hPa温度场表现为冷温槽，近地面有降温存在。

进一步给出了河北平原（35°～39°N，115～117°E）上空平均相对湿度的变化情况（图7），19日08∶00 850 hPa以上整层相对湿度大于90%，由前面的分析已知整层较湿为河北平原带来了弱降雪天气，随后到20日08∶00高层迅速转干，850 hPa以上相对湿度小于30%，而925 hPa以下相对湿度达到70%～80%，有“上干下湿”特性，
这种高低空湿度配置有利于高层辐射降温和低层湿度增加，因而，20日的强浓雾过程主要是由于雪后迅速转晴，低层相对湿度较大，高层云量较少，强辐射降温使近地面空气达到饱和，形成雪后辐射雾。

对比21日08∶00湿度场特征可知，21日08∶00也存在上干下湿的结构，但925 hPa以下相对湿度约为50%，相对湿度较小，因此，低层水汽含量不是形成21日清晨强浓雾的主要原因。

2.4 动力场和边界层特征
已有研究表明，大尺度下沉运动一方面有利于夜间晴空的存在，另一方面其导致的下沉逆温限制了边界层之上的混合作用，从而有利于大雾的出现。

18—23日河北平原平均垂直速度的高度—时间剖面图（图8），20日及21日700 hPa以上以下沉运动为主，850 hPa以下垂直运动较弱，可以认为20日和21日两次强浓雾过程均发生在大尺度下沉运动背景下。

以沧州站作为河北平原代表站，对比分析沧州站混合层高度和地表通风系数变化可知（图9），大雾发生时边界层高度不超过400 m，地表通风系数较小，大尺度下沉运动背景限制了混合层高度，较低的混合层高度不利于垂直方向的混合作用，有利于静稳天气的出现，这也是有利于大雾维持的重要因素。

进一步分析沧州站地面温度和露点温度的变化情况可以得知，大雾发生时露点温度差较小，近地面空气达到饱和，19日—20日露点温度稳定维持在-1℃左右，变化幅度较小，地面水汽条件较好，有利于空气达到饱和形成大雾天气。

但20日午后露点温度下降，气温升高，湿度条件转差，能见度随之变高，不利于大雾天气的形成，但由于20日夜间发生强降温，气温迅速下降到露点温度，并在21日清晨达到饱和，形成了21日强浓雾天气，由此可知，21日强浓雾过程主要形成原因并不在于地面的水汽条件，而是由于1 000 hPa冷温槽带来的强降温使地面气温下降到露点温度，地面空气达到饱和，导致了21日清晨的强浓雾天气。

对于河北平原大雾天气的预报，以往已有研究统计了一些判断能否形成大范围大雾天气的指标，对于20日和21日连续两次强浓雾天气过程是否符合以往总结的预报指标，或者说以往大雾判断指标对这两次大雾过程的适用性如何是值得关注的，因此，进一步分析了以往对于河北平原大雾的判断指标与这两次大雾过程的要素关系。

3 以往大雾指标对本次过程的适用性分析
《河北省天气预报手册》对河北平原以往出现大雾天气前期气象要素进行了统计，结果表明：出现大雾前一日14∶00地面气象要素当符合一定阈值时对第二日是否产生以及产生多大范围的大雾天气有较好的指示意义，以往统计的阈值结果与20日和21日强浓雾发生前一天14∶00地面要素的实况对比（表1），20日发生强浓雾前地面气象要素的数值完全符合河北平原出现大范围大雾天气的阈值范围，统计指标对20日大雾天气的指示意义较好;对比分析21日强浓雾前地面气象要素与阈值可以发现，在21日前地面相对湿度、露点温度及露点温度差
等项均不符合河北平原出现大雾的阈值，甚至不满足出现零星站大雾的条件，但实际上21日清晨局地甚至出现了能见度不足50 m的特强浓雾。

因此，以往大雾判断指标对于21日大雾的指示性是较差的。

由于21日08∶00 1 000 hPa冷温槽的存在，地面日气温下降幅度达到15℃—16℃，强降温使21日清晨近地面空气达到饱和，导致了大雾的产生。

因此在未来的大雾预报中，除了要考虑前期地面气象要素情况外，也要考虑1 000 hPa温度场特征对大雾是否能形成具有较强的指导意义。

4 小结
（1）20日与21日清晨河北平原发生的特强浓雾（能见度
（2）从环流形势、温湿场和动力场等角度分析，这两次大雾的形成原因表明两次大雾发生在大尺度下沉运动背景下，高空环流形势稳定，中层风速小，地面处于高压前部，有利于冷空气南下造成河北平原大雾天气，两次大雾发生时近地面和低层大气均存在一定的逆温。

不同的是，21日1 000 hPa温度场有冷温槽存在，表明21日近地面有降温，这一降温是形成21日清晨强浓雾的主要原因。

湿度场均具有“下湿上干”特点，“上干”高空无云，有利于晴空辐射降温，“下湿”有利于近地面空气达到饱和。

20日清晨近地面相对湿度较大，雪后充足水汽和辐射冷却造成了20日强浓雾的形成;而21日近地面相对湿度相对较小，大雾的形成主要由于近地面强降温使空气达到饱和。

（3）分析这两次强浓雾天气前期地面气象要素与以往河北平原大雾判断阈值的对比可知，统计大雾判断指标具有一定的指示意义，但当湿度条件不符合阈值时，1 000 hPa存在冷温槽，地面有效降温也会造成空气的饱和形成大雾天气，这给未来大雾天气的预报提供了一定参考。

参考文献
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责任编辑：黄艳飞。