低纬山区一次持续锋面雾特征探讨

低纬山区一次持续锋面雾特征探讨
杨静;汪超;彭芳;李登文
【摘要】An analysis is made of a frontal fog event occurred in the low-latitude mountainous area in Guizhou Province between 21 and 22 February 2008 by using conventional observation and NCEP/NCAR reanalysis data. The results show that the frontal fog occurred under special weather. The key weather systems for frontal fog formation include: the strong southwest air current at 500 hPa, the low-level southwest jet, and the decreasing quasi-stationary front. The fog lasted from evening to next morning, and the large area of frontal fog appeared before and after the thin quasi-stationary front. There was inverse humidity near the front zone, little rainfall and frontal inversion over Guizhou during the development and progression of the fog. The forming of the frontal fog in Guizhou was closely related to the quasi-stationary front, and the special mountain terrain led to the maintenance of the frontal fog.%利用常规观测资料、自动站观测资料、NCEP/NCAR再分析资料综合分析2008年2月21-22日贵州山区锋面雾特征.结果表明:此次锋面雾是在高空强盛的西南气流、低空西南急流和减弱的云贵准静止锋这样特定的天气形势下出现的.锋面雾出现在傍晚和夜间,强度大、持续时间长；锋面雾在准静止锋锋前和锋后都有出现；云贵准静止锋减弱时较大范围雾发生,静止锋厚度薄、锋区狭窄,锋区附近具有逆湿分布特征；锋面雾的持续过程中伴有锋面降水,雨雾加重锋面雾的强度；另外特殊的山区地形也是导致锋面雾能够较长时间维持的原因.
【期刊名称】《气象科技》
【年(卷),期】2011(039)004
【总页数】8页(P445-452)
【关键词】锋面雾;云贵准静止锋;锋面逆温;低纬山区
【作者】杨静;汪超;彭芳;李登文
【作者单位】贵州省气象台;贵州省山地与气候资源重点实验室,贵阳550002;中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京100081;贵州省气象台;贵州省气象台;贵州省气象台
【正文语种】中文
引言
雾是贴地层空气中悬浮大量水滴或冰晶微粒而使水平能见度距离降到1 km以内的天气现象[1]。

雾根据形成过程的不同可以分为辐射雾、平流雾、锋面雾、地形雾等。

随着经济的发展,雾对交通运输、港口、航空影响严重,对雾的预报也越发显现重要性。

目前,国内对于雾的预报研究主要集中在雾的统计分析,以及雾的特征、形成机理和数值模拟方面。

刘小宁[2]等利用1950年来我国气象系统地面观测网679个国家基本(基准)站的雾观测资料,分析了我国雾空间、时间分布的气候特征,并对雾日数的变化原因进行了初步解释。

李周藏[3]统计分析了青海省东部地区大雾的气候特征。

赖绍钧[4]等利用L-J环流分型方法和主观方法对福州市雾发生的天气形势进行分型和比较。

顾清源[5]等用天气学和统计学的方法分析四川盆地的雾成因,表明雾预报最重要的依据是未来是否有降水出现和辐射冷却的强度。

何立
富[6]等对雾的动力学特征和成因进行了研究,指出地表净辐射引起的近地层冷却是雾的触发和加强机制;中低空下沉气流的存在有助于近地层的弱风条件和稳定层结
的建立。

董剑希[7]等利用MM 5对北京及其周围地区出现的雾进行了数值模拟,结果表明太阳短波辐射对雾的减弱消散有着重要影响。

樊琦[8]等对珠江三角洲地区
的一次辐射雾进行了数值模拟,表明地面的长波辐射冷却促使辐射雾的形成,而短波
辐射的加热是辐射雾消散的主要原因。

众多关于雾的研究主要还是围绕统计分析,
以及平流雾、辐射雾而展开。

地处低纬地带的贵州,位于我国西南部、青藏高原的东南侧,云贵高原东斜坡上,是一个高耸于四川盆地和广西丘陵之间的山区,山地和丘陵占全省面积的97%。

特殊的地理位置和复杂的地貌特征,导致了一些特殊天气出现。

贵州是雾发生频繁的地区。

罗喜平[9]等利用贵州84个县站的雾日观测资料,分析了近40年雾的气候特征,指
出贵州年平均雾日为29.9天,在60天以上的地区主要分布在贵州东部、西部边缘
及中部地势高处;贵州雾的时间分布具有明显的季节特征,雾最多时段主要集中在冬
半年(10月至次年2月),且以锋面雾居多。

贵州秋冬季受云贵准静止锋影响,常常有锋面雾出现,且影响时间长、浓度大、消散慢,对交通的影响较大。

目前锋面雾的研究成果较少,锋面雾的影响系统、特征,及其与锋面的关系还不清楚,在实际工作中,锋面雾的预报难度大。

为了提高对锋面雾的
认识,研究、了解锋面雾产生的天气条件,及其特征,对锋面雾的预报十分有意义。

本文利用常规观测资料、自动站观测资料、NCEP/NCAR再分析资料分析2008年2月21—22日低纬山区一次持续锋面雾,探讨锋面雾的形成条件和特征。

1 大雾过程描述
2008年1月12日夜间强冷空气影响贵州,13日云贵准静止锋形成,准静止锋维持
到2月22日,23日静止锋锋消。

此间在云贵准静止锋附近常出现雾,全省84个观
测站中有29个测站出现锋面雾,其中8个测站雾日数超过10天,以贵州西部大方县
为最多,出现32天雾。

雾主要分布在贵州中西部,每日雾范围较小,仅2～6个测站出现雾。

然而,2月21—22日,贵州中西部则出现较大范围的持续性锋面雾。

2月21日08:00有17个测站能见度低于1000 m,12个测站能见度低于500 m,6个测站能见度低于200 m(图1a,见文后彩图)。

2月22日08:00有17个测站能见度低于1000 m,12个测站能见度低于500 m,8个测站能见度低于200 m(图1b,见文后彩图)。

这次锋面雾过程总体表现为影响范围广,持续时间长,浓度大。

图1 2008年2月21日08:00(a)和22日08:00(b)锋面雾分布和贵州地形
从雾发生的时间来看,多出现在傍晚到早晨。

图2为3个典型站水城市、贵阳市和安顺市能见度随时间的变化。

安顺市位于贵州西南部,在2月20日23:00能见度下降至800 m,雾开始出现,21日05:00能见度上升到2 km,08:00又降到600 m,17:00能见度继续下降至200 m(重雾),20:00低至
100 m,23:00短暂上升到4 km,22日02:00又重新降至1 km,05:00低至100 m,持续了几个小时,到11:00升到800 m,14:00雾消散。

水城市地处贵州西部,20日17:00开始出现雾,持续至夜间,21日02:00上升到2 km,05:00又降至1 km,大雾持续到中午11:00,22日02:00水城能见度降至800 m,之后继续下降,08:00降至100 m(重雾),14:00大雾消散。

处于贵州中部的贵阳市,在21日与22日夜间出现雾,较之其西部的安顺和六盘水而言,雾的持续时间和强度都略弱。

分析可见,此次锋面雾出现在傍晚到次日中午,后半夜雾有加强的趋势,西部县市雾的持续时间和强度较中部县市更强。

这与辐射雾明显不同,辐射雾有明显的日变化特征,雾起因于夜间的辐射降温,次日早晨随着太阳加热雾消散。

这次锋面雾无明显日变化特征,持续时间长。

图2 2008年2月20日08:00至22日14:00贵阳市、安顺市、水城市能见度变化
2 天气系统
雾发生时,500 hPa中高纬天气形势为两槽一脊型,乌山附近为一低槽,贝加尔湖西面为高压脊,东亚大槽位于120°E,槽底南伸到30°N。

中纬度高原上有高原槽东移,孟加拉湾附近有南支槽稳定存在,云贵高原上空盛行南支槽前的西南气流。

图3(见文后彩图)为2月21日08:00高低空配置。

由图3可见,500 hPa在四川东部有高原槽,南支槽稳定在97°E附近,贵州处在槽前西南气流控制下,西南风达到26 m/s。

对应在700 hPa上空,高空槽前四川东部有一条切变线,102°～120°E、24°～30°N 之间的西南急流带加强,贵州中部处在急流轴上,贵阳风速达到了18 m/s。

850 hPa 上空,贵州南部存在一条暖式切变线,贵阳由前一日的偏东风转为东南风,表明切变线处在减弱中。

地面观测资料表明,云贵准静止锋维持在贵州西部,由于无明显冷空气南下,地面准静止锋趋于减弱。

21日夜间(图略),500 hPa贵州西部受高原槽东移影响,与此同时700 hPa切变线也东移进入贵州,急流带维持,850 hPa贵州受西南气流控制,地面静止锋北抬到贵州西南部。

22日08:00(图略),高空槽和700 hPa切变线仍位于贵州上空,系统移动缓慢,地面静止锋西退到贵州西部边缘。

综上所述,云贵高原处于南支槽前的西南气流之中,贵州上空不断有高原小槽东移影响,使减弱中的准静止锋夜间活跃,引起锋面附近的降水,近地面空气湿度大,空气接近饱和而利于雾的形成,雾的出现也与西南急流的维持有关。

高空南支槽前强盛的西南气流、低空西南急流、准静止锋减弱是此次锋面雾生成的关键系统。

这完全不同于平流雾、辐射雾发生时的天气形势。

图3 2008年2月21日08:00锋面雾天气模型
3 锋面雾的基本特征
3.1 水汽条件
雾是近地层水汽的凝结产物,水汽充足是其形成与发展不可缺少的重要条件。

2008年2月20—22日的地面实测资料显示,雾发生时贵州中西部普遍具有较低的温度露点差,同时夜间因受云贵准静止锋影响,大多有锋面降水出现。

图4给出了3个典
型站贵阳市、安顺市和水城市温度露点差、降水和风速的变化。

从时间演变上看,多是在傍晚温度露点差减小,雾出现前 3 h温度露点差一般降至1.5℃以下,雾的持续阶段温度露点差一般维持在1℃以下。

水城市(图4a)在20日17:00出现
雾,14:00其温度露点差降至1.1℃,雾发生时为0.9℃,雾持续到21日11:00,温度露点差在1.1℃以内,22日02:00雾重新出现,温度露点差又重新降至1℃以下。

安顺市(图4b)出现大雾的时间是20日23:00,温度露点差在3 h内由2.5℃降至0.5℃,雾持续到22日11:00,温度露点差维持在1.1℃以内,能见度降至100 m时,所对应的温度露点差在0.5～0.8℃之间。

贵阳位于贵州中部,离锋面位置较之前两站远,出现雾的主要时段是在21日08:00至22日05:00,温度露点差在1.4～2.0 ℃之间(图4c)。

近地面空气湿度大、水汽充足、维持时间长,是雾得以维持的条件之一。

分析降水量与雾的关系。

由于云贵准静止锋的存在,锋区覆盖贵州上空,锋区附近冷暖空气交汇,易形成锋面降水。

从图4a可见,20日17:00至21日11:00(除21日02:00能见度2 km外),水城持续出现雾并伴有降水,最大降水量0.2 mm。

20日17:00水城降水量为微量,能见度下降至500 m,开始出现雨雾,20:00降水量增加到0.2 mm,能见度上升到1 km,之后降水间隙性停止,1 km的能见度持续至21日05:00,之后降水又出现,到 08:00降水量为0.2 mm,能见度重新下降至500 m。

雾维持时间较长的安顺市(图4b),在 20日23:00至22日 14:00(除21日05:00能见度2 km,21日23:00能见度4 km外)被雾笼罩,最大降水量0.6 mm,期间出现微量降水和0.1 mm的降水。

贵阳在21日20:00至21日05:00雾持续,降水间隙性出现,最大降水量1 mm(图4c)。

可见,出现雾时降水量非常小,毛毛细雨间断性地在雾的发生过程中出现,使近地面大气中水汽饱和得以较长时间维持,在毛毛雨出现的同时形成雨雾,能见度有可能进一步降低。

3.2 风场分析
大雾发生时通常近地面风速较小。

地面弱风条件有利于空气中的水汽在原地滞留,
也使水汽垂直输送到达一定高度,有利于形成一定厚度的雾。

从3个代表站地面观测风速来看(图4),大雾出现时风速在0～2 m/s之间。

值得注意的是,大雾出现在静止锋趋于减弱的过程中,锋区较弱,500 hPa处在南支槽前的西南气流中,低空又有强盛的西南急流,地面为偏南气流控制。

一致的偏南风对于水汽的输送也比较有利。

3.3 锋面逆温分析
图4 2008年2月20日08:00至22日14:00水城、安顺、贵阳温度露点差、降水和风速随时间的变化
选取贵州威宁(海拔 2236 m)和贵阳(海拔1074 m)2个探空站来讨论锋面雾发生过程中的层结特征。

从 T-Ln p图上看到,由于准静止锋稳定存在于云贵间,锋面逆温在贵州上空维持。

表1是2008年2月20日20:00至21日20:00上述2站的逆温状况。

20—21日贵阳锋面逆温维持,逆温层厚度在112～493 m,逆温强度在0.2～1.8 ℃/hm之间,逆温层底高位于774～1579 m(离地高度),逆温层底高度低,接近地面。

地处贵州西部边缘的威宁20日锋面逆温存在,逆温强度0.9℃/hm,逆温层厚度仅为111 m,逆温层底离地高度为500 m,21日08:00逆温维持,逆温层厚度为198 m,逆温层底离地高度仅为193 m,逆温较弱,21日夜间逆温消失,表明21日夜间威宁处于准静止锋锋前,准静止锋北抬,锋区狭窄。

可见雾发生时,贵州中西部上空有逆温存在,逆温层底高度低,贴近地面,逆温层厚度小,准静止锋锋区厚度小,云层主要位于中低空。

由于各层的风向为一致的偏南风,冷气团势力较弱。

另外注意到,20—21日贵阳抬升凝结高度在800 m附近,威宁抬升凝结高度在750 m附近,抬升凝结高度均较低。

由于锋面逆温层造成近地层湿度大,水汽易达到饱和,抬升凝结高度低,空气中大量的水汽很容易上升到抬升凝结高度,从而形成直径很小的小水滴,形成雨雾。

分析比湿与饱和比湿的垂直结构(图略)可见,贵阳与威宁比湿与饱和比湿的曲线与温度层结曲线的走向一致,边界层空气接近饱和,700 hPa以下的低空,比湿与饱和比湿在5～6 g/kg之间,近地层比湿线与饱和比湿线几乎重合,这样近于
饱和的湿空气在较低抬升凝结高度的协助下,有利于雾的形成和维持。

表1 2008年2月20日20:00至21日20:00锋面逆温特征逆温层厚度/m 逆温强度/(℃·hm-1) 逆温底高/m 抬升凝结高度/m威宁20日20:00 114 111 1.8 0.9 1579 500 818 766贵阳威宁贵阳威宁贵阳威宁贵阳21日08:00 493 198 0.2 0.5 774 193 883 755 21日20:00 113 1.8 1161 880
4 锋面雾形成原因
4.1 静止锋特征及其作用
秋冬季贵州锋面雾的形成与云贵静止锋密切相关。

逐小时地面观测分析表明,在大雾的维持期间准静止锋的位置并不是静止的,而有一定程度的摆动,并且静止锋处于减弱阶段。

21日08:00静止锋位于云贵间(图5a),贵州处在静止锋锋后,雾也出现在锋后;14:00静止锋北抬到贵州的西南部,位于威宁—六盘水—黔西南州西部一线,锋面降水出现在贵州中西部,贵州北部和东部无降水,雾在锋前锋后均有出现;20:00静止锋基本维持在西南部,锋面降水仍然出现在中西部地区,雾主要出现在锋后,距离锋线位置较近的地区。

22日08:00静止锋略微南压,位于贵州西南部的毕节西部至黔西南州西部一线(图5b),雾主要出现在锋后和锋线上,锋前仅有1个测站出现雾,此时威宁位于静止锋锋前,贵州中部部分测站转为偏南风,表明静止锋的强度弱,锋区范围狭窄。

此次持续性锋面大雾在静止锋的锋前锋后都有出现,这可能是由于静止锋减弱,冷气团较弱,暖湿空气沿锋面爬升,锋区附近的水汽丰富,且大气层结稳定,锋面附近又出现毛毛细雨,近地面空气达到饱和而易形成雾。

图5 2008年2月21日08:00(a)和22日08:00(b)地面风场(实线表示静止锋)
图6表征了雾期间静止锋的特征。

用假相当位温定义静止锋锋区(图6a),锋区主要位于700 hPa以下,锋区狭窄,锋区受地形作用影响,斜压性明显。

锋区上下有明显的干湿对比,逆湿特征明显(图6b),靠近锋区的地方,水汽含量比较高。

从纬向风的垂直剖面来看(图6c),零线位于近地面,而从经向风的垂直剖面看(图6d),为一致的偏南
风。

由于静止锋处于减弱阶段,锋区的风向对比不明显,锋区两侧风速较小。

云贵静止锋的水汽通量散度场也表现为锋区有水汽输送。

这支水汽带沿锋区上滑,在锋区形成水汽辐合带(图略)。

图6 2008年2月20日20:00至22日08:00沿106°E剖面平均图:(a)假相当位温(K),(b)比湿(g·kg-1),(c)纬向风(m·s-1),(d)经向风(m·s-1)(粗实线近似表示准静止锋锋区)
4.2 地形的作用
贵州境内主要有4条山脉。

西北部为乌蒙山的北段,呈南北走向,海拔多在2000～2400 m之间,苗岭东西横亘于贵州中部,苗岭西端与乌蒙山相连接,西段海拔在1500 m左右,中部海拔在1300 m左右。

从雾分布图(图1)可以看到,雾主要出现在乌蒙山区和苗岭山脉的中西段。

由于西部海拔较东部地区高,且云南东部的海拔也高于贵州,从北方南下的冷空气容易在该地滞留,同时暖空气向北输送过程中受山脉阻挡,也容易在该地滞留,静止锋易在此地维持。

同时,贵州西部许多县市地处山区或被高山环绕,甚至有些县城(如大方县)建在山坳里,周围植被丰富,在锋面云系笼罩下,植物中储存大量的水分,空气湿度大,在弱风和逆温层存在的条件下,利于雾的形成和长时间维持。

5 结论
地处云贵高原东段的贵州,多山地丘陵,地形起伏,冷气团南下过程中减弱,受云贵高原西段的较高地形阻挡而滞留于滇黔之间,形成云贵准静止锋,因而易出现锋面雾。

本文对2008年2月一次典型锋面雾的天气系统、形成条件和特征进行了分析,提出此次大范围锋面雾发生的天气模型。

(1)高空南支槽前强盛的西南气流,低空西南急流和云贵准静止锋的减弱是此次锋面雾生成的关键系统。

锋面雾出现在傍晚和夜间,强度大,持续时间长。

(2)本次锋面雾的形成与云贵准静止锋密切相关,锋前、锋后都有锋面雾出现,但较多
出现在锋后,云贵准静止锋处于减弱中,锋区厚度小,锋区狭窄,锋区附近存在高比湿,逆湿分布明显,锋面降水形成的雨雾有助于锋面雾的持续和加重。

(3)贵州特殊的山区地形,山区湿度大,对于近地面雾的形成也非常有利。

参考文献
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