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南宁浓雾的天气形势及边界层特征

2018-04-27李渝平黄莉白

防灾科技学院学报 2018年1期
关键词:天气形势个例平流

李渝平黄 莉白 龙

(南宁市气象局,广西 南宁 530022)

0 引言

雾是指大量水滴或冰晶悬浮在近地层使水平能见度低于1km的灾害性天气,水平能见度不足200m时称之为浓雾。近年来,随着经济发展和城市建设,雾已经成为一种高影响天气,其对于人们身体健康、交通出行等方面的不利影响越发凸显,引起广泛关注。目前已有学者对雾天气进行研究并取得一定的成果。林建等[1]统计中国大雾的时空分布特征及环流形势,认为根据地面形势考虑我国大范围大雾形势可分为均压型和锋前型。侯瑞钦等[2]分析了华北平原一次持续大雾过程,得出此次过程发生在稳定环流背景下,静风、充足水汽及地面辐射冷却是其形成和维持的有利条件的结论,并指出地面辐合线偏向冷空气一侧利于大雾形成。刘熙明等[3]分析了北京地区一次大雾过程的边界层特征,结果显示北京持续大雾形成的主要原因为近地层高相对湿度、较小风速及垂直风切变、稳定层结结构以及较低气温,而风场等动力要素对大雾的维持和消散起主要作用。吴哲红等[4]将贵州安顺区域性大雾利用环流分型方法分为静止锋雾和辐射雾,并给出了成因。尽管国内外已有不少学者对雾天气进行研究,在其成因和规律方面取得一定成果,但多为零散个例研究,而浓雾天气成因复杂、局地性强,不同地域的浓雾可能具备其鲜明的局地特性,本文对2001—2015年南宁市浓雾天气个例进行普查研究,研究其500hPa和地面天气形势以及边界层特征,为浓雾预报提供指导和参考,以期提高浓雾预报能力和准确率。

1 资料来源及处理

本文所采用的资料为NCEP FNL 1°×1°资料集和气象观测站常规观测资料。南宁市区及所辖县(区)共有9个气象观测站,分别为马山站、上林站、宾阳站、横县站、武鸣站、隆安站、邕宁站、南宁站、南宁城区站,其中南宁站是国家基本气象站,其余为国家一般气象站。为研究方便,本文所选取的个例统一为2001—2015年南宁市区及所辖县(区)内水平能见度不足200m的浓雾天气个例,即当上述9个气象观测站中有至少1个站观测到能见度不足200m的浓雾时,将其选入进行研究的个例集合中,并将浓雾出现的日期定义为南宁市一个浓雾日,如浓雾跨越日期(以每日0:00为界)则算作另一个浓雾日。

2 南宁地理气候概况

南宁市位于广西壮族自治区南部偏西,介于东经 107°19′~ 109°37′与北纬 22°12′~ 24°2′之间,地处南亚热带温暖湿润季风气候区的中区和西区,具有光热丰富,降水充沛,长夏短冬,季风气候显著,气象灾害频繁的特点。全市年平均气温21.7℃,年平均雨量为1419.6mm,主要气象灾害有暴雨、热带气旋、大风、冰雹、霜、干旱、高温、雾等。

3 浓雾日数统计

统计发现,2001—2015年南宁市各年浓雾日数在1~18天之间,年际变化大。从浓雾发生的月份来看,1~3月是浓雾发生的高峰期,浓雾日数占比明显高于其他月份,其余各月占比在1~9%之间,其中7月份无浓雾发生,从季节分布上看冬季浓雾日数最多,夏季最少,与袁智生等[5]统计湖南省雾日四季变化结果类似。

图1 2001—2015年南宁年浓雾日数统计(a)、逐月浓雾日数占比(b)Fig.1 Statistic of dense fog days(a) and the proportion of dense fog days in each month (b)in Nanning during 2001 and 2015

4 浓雾的天气形势分型

通过对2001—2015年南宁市浓雾发生时的高空实况形势场进行统计分析,将南宁市浓雾的500hPa天气形势分为4种类型,分别为纬向西风波动型、槽后西北气流型、槽前西南气流型、副热带高压后部回流型。在剔除个别形势场资料有问题的浓雾个例后,剩余的共计79个浓雾个例中,上述各天气形势类型所占比例分别为51.9%、29.1% 、11.4% 、7.6% 。

4.1 纬向西风波动型

图2 500hPa纬向西风波动型(2008年1月20日08时)Fig.2 The zonal westerly waves type of 500 hPa situation field (8 a.m., Jan.20, 2008)

有研究指出,中高层以纬向环流为主是造成持续性大雾的重要天气形势特征[6-9],南宁浓雾天气形势中的纬向型与此类似。图2为西风波动形势下南宁浓雾个例,其典型特征为我国大部地区环流经向度很弱,以纬向环流为主。特别是广西地区,500hPa等高线较平直,呈东西向分布,近似与纬线平行,即使与纬线相交,交角也很小。风向以偏西风或西偏北风较为常见,少数情况下亦可能出现西南风,总体而言西风分量很大,u分量远大于v分量。有时风场上似乎有小范围的切变,但在等高线上未表现出明显波动(振幅小于2个纬度),也归为此类型。500hPa稳定的纬向平直环流,为出现静稳大气层结提供有利条件,有利于浓雾的发生。

4.2 槽后西北气流型

此类天气形势的共同特征是浓雾出现时,南宁均处于500hPa高空槽线后的较强西北气流中,但在不同个例中,高空槽线的振幅以及槽线与南宁的相对位置和距离多有变化,有时槽刚刚移过,南宁即出现浓雾,有时在槽已过境多日、距离相对较远时才出现浓雾。以影响南宁的高空槽的振幅、位置及历史演变作为依据,可以将其再细分为高原槽、冷涡低槽、南支槽、南北槽叠加等类型。图3为不同槽系影响下的典型槽后西北气流型浓雾天气形势。

图3 500hPa槽后西北气流型Fig.3 The northwest air flow in the rear of trough type of 500 hPa situation field

4.3 槽前西南气流型

此类天气形势下,出现浓雾时南宁上空500hPa处于西南气流影响下,其天气形势特征见图4。值得注意的是,尽管此时南宁位于高空槽的槽线东侧,受西南气流影响,但与高空槽前正涡度平流提供动力抬升作用形成降水的机理不同,此时高空槽与南宁的相对位置仍较远,槽前的动力抬升作用较弱,大气层结相对稳定,高空槽的作用主要是槽前西南气流输送水汽促使气层增湿,静稳、潮湿的大气层结为浓雾产生提供有利条件,这与欧阳也能等[10]对湘潭市大雾天气形势分型时的SW型(槽前西南气流型)近似。

4.4 副热带高压后部回流型

南宁受副高底后部回流的偏东气流影响时,如没有对流发生,近地层往往会形成潮湿且静风的环境,利于浓雾生成。如图5所示,副高势力不强时,西脊点位于115°E附近,南宁处于副高西南部。当副高强盛时,西脊点可进入广西中部或更偏西的位置,位于110°E附近,此时南宁位于副高底部内侧,受其直接控制。

图4 500hPa槽前西南气流型(2009年3月21日08时)Fig.4 The southwest air flow in front of the trough type of 500 hPa situation field|(8 a.m., Mar.21, 2009)

5 浓雾的地面形势及要素特征

南宁浓雾发生时,地面风速基本在2级以下(0~2m/s),极少数情况下能够达到3级,但也不超过4m/s,浓雾多发生在凌晨到上午,浓雾发生前夜间温度露点差不断减小,至浓雾出现时,温度露点差缩小到0~1℃。根据浓雾的特征和成因,将南宁的浓雾分为辐射雾、平流雾以及平流-辐射混合雾。由于混合雾成因和特征相对复杂,本文暂不讨论,只讨论典型辐射雾和平流雾。

5.1 辐射浓雾

统计个例发现,辐射浓雾多发生在秋冬季节。如图6所示,当南宁地区地面受冷高压脊控制,或冷高压东移减弱,转而受变性高压脊或者均压场控制时,天气晴好,夜间晴空辐射强烈,空气因辐射降温达到饱和导致浓雾出现。辐射雾发生时南宁及周边地区以弱的偏北风为主,早晨气温相对低,日高低温温差大。

图5 500hPa副热带高压后部回流型Fig.5 The backflow in the bottom to the rear of subtropical anticyclone type of 500 hPa situation field

5.2 平流浓雾

平流浓雾在春、秋、冬季均有发生,其主要特征即风场的平流作用。尽管南宁地区风速较小,但南宁以北及以南的地区,往往在风场上具备一定的演变特征,从而出现平流作用,此时常常在南宁市一线,或者南宁以北或以南邻近地区,出现弱的辐合,主要表现为地面风向辐合,即东北风与偏东风、东北风与东南风或东南风与偏东风的辐合。根据辐合线风向的不同以及浓雾出现的位置,可将南宁平流浓雾分为锋前型和南风型,图7为这两种平流浓雾的典型地面形势。

5.2.1 锋前暖区型

此类型通常在广西北部能够根据地面等压线、风向、温度梯度等分析出冷锋或准静止锋特征,而广西中部、南部锋面特征较弱,南宁处于锋面前部暖区。此时广西北部地区地面为偏北风,南部地区为偏东风或东南风,而南宁处于两者之间,风速很小,处于弱的辐合区的偏冷空气一侧,此类型时浓雾天气通常出现在弱辐合线附近及偏冷空气一侧,有时也能出现广西全区性的浓雾天气。此类天气型与刘艳杰、万瑜等[11-12]的研究结果较为近似。

图6 辐射浓雾地面形势图(2004年2月9日08时)Fig.6 Surface situation field during the radiation dense fog process (8 a.m.,Fabruary 9, 2004)

5.2.2 南风辐合型

此天气类型主要特征是浓雾天气出现前,广西东部、南部地区风场出现变化,风向偏转致使偏东及偏南分量加大,主要表现为原本东北风或偏北风转变为偏东风、东南风或偏南风,南宁以东及以南地市风速约在2~4m/s之间,与此同时广西北部地区偏北风分量减小,风速也减小,因而在广西中部或南部形成弱的辐合。浓雾天气多出现在广西南部到中部地区,有时广西北部也能够出现。

6 浓雾的边界层特征

浓雾天气发生高度及垂直厚度都局限在边界层内,因而分析边界层内的层结结构至关重要。通过统计发现,南宁浓雾天气都发生在层结稳定大气中,层结主要特征是绝大多数浓雾个例都会在1000~925hPa气层出现具备一定特征的温湿层结结构,且这样的层结结构较薄,局限在925hPa对应高度以下,而在925hPa对应高度以上层结不具备明显规律。依据1000~925hPa层结情况,分为逆温型、等温型及湿层型(图8)。

图7 平流雾地面形势Fig.7 Surface situation field during the advection dense fog process

6.1 逆温型

浓雾发生时1000~925hPa存在逆温层,且在浓雾发生前,逆温现象发展加强,即在浓雾出现前12小时,由原本的正常层结变为逆温层结,或者原本已经存在的逆温得到加强。逆温层很浅薄,垂直厚度通常在200m以下,甚至可能不足50m,绝大多数局限在925hPa高度以下,这与管琴等[13]研究认为20~1500m高度气层存在逆温层可作为山西省雾的预报指标的结论较为相近。925hPa高度以上也可能出现逆温,但结合个例统计和浓雾形成原理分析,边界层以上是否有逆温层结对其影响较小,因此不作分析。马翠平等[14-15]指出,当边界层风速增大或强冷空气到来使得逆温层结遭到破坏时,大雾将消散。

6.2 等温型

浓雾出现时1000~925hPa气层的温度变化率极小,近似于等温层。而在浓雾发生之前层结为正常类型且具有一定的不稳定能量。当能量释放或天气形势发生变化,层结稳定性明显加强,1000~925hPa温度直减率迅速减小时,浓雾出现。

6.3 湿层型

图8 浓雾典型层结结构Fig.8 Dense fog typical structure of vertical stratification

赵娜等[16]对北京持续雾霾过程分析认为,持续轻雾对湿层厚度要求不高,且湿层越厚能见度越低,韩余等[17]研究认为湿层深厚是雨雾形成时湿度垂直结构的主要特征。南宁发生浓雾时其中一类大气层结也有近似的特征,与逆温型及等温型不同,此类型时温度随高度而减小,大气层结从下到上较为一致,边界层近似饱和,其湿层明显比逆温型和等温型要厚,可以从近地面层一直扩展到700hPa对应高度甚至更高。

7 结论

对2001—2015年南宁市能见度低于200m的浓雾天气的形成机理和边界特征进行研究发现:

(1)每年南宁浓雾日有1~18天,年际变化大。1~3月为南宁市浓雾发生的高峰期。

(2)南宁市浓雾天气500hPa形势可以分为纬向西风波动型、槽后西北气流型、槽前西南气流型、副热带高压后部回流型等4种主要类型。

(3)南宁市平流浓雾可以分为锋前暖区型和南风辐合型,风场的平流作用使得南宁或临近地区存在风向辐合的弱辐合线。锋前暖区型平流雾以偏北风与偏东风或东南风辐合为主,南风辐合型平流雾以偏东风和东南风或偏南风辐合为主。平流浓雾发生在弱辐合线附近地区。

(4)南宁市辐射浓雾主要发生在地面冷高压脊控制下,或者冷高压东移减弱之后转为变性高压脊或者均压场控制时。

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