低復(fù)雜度霧的生消特征及其與氣象因子的關(guān)系

低復(fù)雜度霧的生消特征及其與氣象因子的關(guān)系

1國內(nèi)外低再風(fēng)速預(yù)報研究進(jìn)展霧是指當(dāng)?shù)讓哟髿庵械乃柡蜁r，水凝膠形成的低能見度天空現(xiàn)象。低能見度霧天對高速公路的行車安全和正常使用具有舉足輕重的作用,無論是交通管理部門還是社會公眾都對公路交通的低能見度霧氣象服務(wù)提出了更高的要求。京石(北京-石家莊,下同)高速公路縱貫河北中部,連接北京,是北京聯(lián)系全國各地的重要交通樞紐,具有重要的政治、經(jīng)濟(jì)和軍事意義。根據(jù)1972—2010年京石高速公路沿線氣象站低能見度霧天的統(tǒng)計,京石高速公路年平均霧日為29.1d/a,年最多霧日為75d/a。京石高速公路還直接與正定國際機(jī)場相連,因此迫切需要做好京石高速公路低能見度霧的預(yù)報。近年來,國內(nèi)外專家對低能見度霧成因的研究已取得令人矚目的成果,對低能見度霧的預(yù)報也進(jìn)行了許多有益的探索。周之栩等分析了浙北地區(qū)大霧生消因子并建立預(yù)報模式,為低能見度霧的成片預(yù)報提供依據(jù)。吳兌等建立了南嶺山地高速公路霧區(qū)的能見度預(yù)報系統(tǒng)。李清華等研究了山西省高速公路大霧的客觀定性預(yù)報。李云泉等在天氣學(xué)概念模型基礎(chǔ)上,用統(tǒng)計-動力學(xué)方法建立12~24h嘉興市客觀定性大霧的預(yù)報方程。梁衛(wèi)芳等用預(yù)報因子指標(biāo)法對青島大霧進(jìn)行預(yù)報。以往研究的低能見度霧預(yù)報方法大多是對低能見度霧分片的定性預(yù)報,而對低能見度霧的定量化預(yù)報方法研究較少。本文利用霧天能見度和氣象要素的實(shí)時監(jiān)測資料,對霧天能見度與氣象要素之間的關(guān)系進(jìn)行分析,揭示了各級霧與氣象因子之間的內(nèi)在聯(lián)系,利用回歸和診斷分析相結(jié)合的方法建立了低能見度霧的分級預(yù)報方程,結(jié)合數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品釋用方法,為低能見度霧的分級定量化預(yù)報進(jìn)行有益的探索。2交通氣象自動站資料本文選取2007年11月—2009年12月正定、保定和望都?xì)庀笳镜娜斯び^測資料、自動站資料和京石高速公路正定、保定和望都路段的交通氣象自動站資料。對低能見度霧分級和統(tǒng)計的依據(jù)是交通氣象自動站的能見度監(jiān)測資料,根據(jù)人工觀測站的天氣現(xiàn)象和自動站的相對濕度(參考我國一些省份按相對濕度70%作為霧和霾的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn))等資料,對降水、大風(fēng)、沙塵、煙霧、灰霾等非霧引起的低能見度資料進(jìn)行了剔除,共選出312個低能見度霧日次做為研究對象。3低能見度霧分類和特征分析3.1預(yù)報分級標(biāo)準(zhǔn)為滿足高速公路管理對低能見度霧的定量化預(yù)報需求,對能見度在1.0km以下的霧進(jìn)行分級。由于低能見度霧的分級預(yù)報是近幾年提出的新課題,沒有明確的分級標(biāo)準(zhǔn)。本文依據(jù)國際氣象能見度編碼與中國地面觀測規(guī)范,參考公安部1997年下發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)低能見度氣象條件下高速公路交通管理的通告》中對低能見度霧劃分的等級和中國大霧預(yù)警信號的分級,把低能見度霧分為4個等級(表1),以1000m、500m、200m、和50m作為分界值。3.2出霧情況及持續(xù)時間霧的等級是以能見度的大小來區(qū)分,而逐分鐘觀測的能見度具有跳躍性或波動性,因此對各級霧的統(tǒng)計需要統(tǒng)一規(guī)則。根據(jù)高速公路交通的服務(wù)需求,本文對各級霧的統(tǒng)計規(guī)則如下:(1)能見度減小到分界值以下且持續(xù)10min以上時,為該等級霧出現(xiàn);出霧時間按向前靠的原則整點(diǎn)計算。(2)能見度增大到分界值上且持續(xù)10min以上,為該等級霧結(jié)束,結(jié)束時間按向后靠的原則整點(diǎn)計算。(3)如果同一級霧間隔不足1h,間隔期間能見度在分界值附近跳躍,則按一次計算。(4)任何一站達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)都算一次,兩站都達(dá)到某一級別標(biāo)準(zhǔn)為兩次,達(dá)到不同的級別標(biāo)準(zhǔn)則分別計算。(5)持續(xù)時間為能見度在該等級標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的實(shí)際時間。根據(jù)上述統(tǒng)計規(guī)則,2007年11月—2009年12月期間京石高速公路霧的分級統(tǒng)計結(jié)果為:重霧33次,濃霧81次,大霧175次,霧298次。3.3霧生成的時間和特征本文所述各級霧的生消頻率是指某一等級霧在某一時段的生消次數(shù)占該等級霧生消總次數(shù)的百分比。反映了各級霧在一天中最易生成發(fā)展或減弱的時段,為做好霧的預(yù)報奠定基礎(chǔ)。由圖1可看出,低能見度霧主要在夜間生成和發(fā)展,能見度越小的霧生成的時間越集中,能見度越大的霧生成的時間越分散,04時(北京時,下同)前后是各級霧生成發(fā)展頻率較高的時段。重霧生成有3個高峰時段(19時、22時和04時前后);濃霧生成頻率較高的時段是22時和02—05時;大霧生成的主要時段在18—05時;霧生成的主要時段在17—05時,其前半夜的生成頻率高于后半夜。從各級霧的消散時間分布(圖略)來看,06—11時是各級霧減弱消散的高峰時段。重霧多在06—07時消散,最晚在12時前消散;濃霧多在07—08時消散,最晚在14時前消散;霧和大霧多在06—12時消散,連續(xù)性大霧全天都不消散。3.4不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)霧的持續(xù)時間對逐月各級霧出現(xiàn)的次數(shù)和逐月霧的最長持續(xù)時間進(jìn)行統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)霧的出現(xiàn)次數(shù)與霧的最長持續(xù)時間有較好的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98。11、12月是各級霧的頻發(fā)時段,也是各級霧持續(xù)時間最長的月份;4月極少有低能見度霧出現(xiàn),其他各月都會出現(xiàn)低能見度霧天,只是霧的強(qiáng)度、出現(xiàn)頻率和持續(xù)時間有很大差別。由表2看出,重霧主要出現(xiàn)在11—12月,持續(xù)最長時間達(dá)13.5h,2—3月也有重霧出現(xiàn),持續(xù)時間一般不超過1.5h;濃霧主要出現(xiàn)在冬半年,最長持續(xù)時間可達(dá)18h,夏半年出現(xiàn)濃霧最長持續(xù)時間不超過1h;大霧持續(xù)最長時間達(dá)79h;霧的最長持續(xù)時間可達(dá)254h(連續(xù)11天霧日)。4影響低可見霧的自適應(yīng)分析4.1地面垂直速度和陣風(fēng)鋒對2007年11月—2009年12月京石高速公路2個以上站出現(xiàn)能見度小于500m的111個霧日的高低空環(huán)流背景進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)京石高速公路沿線出現(xiàn)大霧時,500hPa中緯度一般為較平直的西風(fēng)環(huán)流,有弱短波槽沿西風(fēng)氣流東移,京石高速公路一帶為暖平流或暖脊控制;700hPa等高線稀疏或均高場,850hPa在40°N以南地區(qū)為高壓控制,河北中西部為弱的偏南暖濕氣流。物理量統(tǒng)計表明:700hPa和850hPa的垂直速度均為正值,925hPa上垂直速度為-2~2hPa/s。850hPa和925hPa基本上為弱的輻散場,輻散值隨高度的降低而減小。1000hPa散度為0或負(fù)值小量。顯然,中空的下沉運(yùn)動和地面弱的湍流上升運(yùn)動都是促成低能見度霧形成和維持的動力條件。下面根據(jù)自動站觀測資料分析引起地面湍流的兩個氣象因子與各級霧之間的關(guān)系。地面風(fēng)速的大小表明近地面層大氣的亂流混合狀況。統(tǒng)計各級霧對應(yīng)的地面風(fēng)速(圖2)可以看出:低能見度霧主要出現(xiàn)在地面風(fēng)速小于3m/s時,風(fēng)速在0.1~1m/s出霧的幾率最高,重霧只在風(fēng)速小于2m/s時出現(xiàn),能見度越低出現(xiàn)靜風(fēng)的幾率越高。反查資料發(fā)現(xiàn),2m/s以上的風(fēng)速會使低能見度霧減弱和消散。地表溫度和空氣溫度的差值(T地-T)變化可表示地表的感熱狀況,客觀反映近地面的溫度和濕度湍流狀況。在無霧的夜間,地面輻射降溫導(dǎo)致T地-T<0;在有霧的情況下輻射冷卻主要在霧頂,導(dǎo)致T地-T>0,但T地-T>0不一定有霧存在。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn):(1)當(dāng)相對濕度小于90%時,T地-T越大則能見度越大。因?yàn)?由于干冷空氣不斷入侵導(dǎo)致空氣溫度迅速降低、濕度減小、能見度變大。(2)當(dāng)相對濕度大于90%時,各級霧與T地-T有較好對應(yīng)關(guān)系(表3)?？梢钥闯?T地-T為3℃左右最有利于重霧和濃霧的形成,T地-T在1℃左右形成大霧或霧的幾率最高。說明在一定的水汽條件下,近地層弱不穩(wěn)定能量的交換有利于水汽分子的碰并,使能見度降低。4.2濕度和濃霧對重霧、濃霧的影響為了研究霧天能見度和近地面層水汽含量之間的關(guān)系,統(tǒng)計各級霧出現(xiàn)時的相對濕度(表4)?？梢钥闯?重霧出現(xiàn)的相對濕度在96%以上,濃霧出現(xiàn)的相對濕度在91%以上,相對濕度在98%~99%時最容易出現(xiàn)重霧和濃霧。大霧主要在相對濕度≥90%時出現(xiàn),相對濕度在80%左右時最易出現(xiàn)能見度在500~1000m的霧?？梢?低層大氣中足夠的含水量是形成和維持低能見度霧的必要條件。4.3逆溫層存在的減少分析京石高速公路出霧前一天20時和當(dāng)日08時邢臺站和北京站的探空資料可知,不論是低能見度霧前一天的20時還是當(dāng)日08時,兩站的沙氏指數(shù)均大于4℃,有90%的霧日沙氏指數(shù)大于7℃,說明中層大氣是穩(wěn)定的。在900hPa以下均存在逆溫層或等溫層。邢臺和北京當(dāng)日08時有逆溫層存在的幾率分別是100%和94%;前一天20時出現(xiàn)逆溫層或等溫層的幾率分別是88%和85%。逆溫的存在使近地面層的上下層動量交換受到抑制,有利于近地面水汽和塵埃雜質(zhì)的聚集。中低層大氣層結(jié)的穩(wěn)定是低能見度霧生成、發(fā)展和維持的一個重要條件。4.4溫度對tn-t14-t氣動力的影響大氣中水汽含量的高低是溫度的函數(shù),當(dāng)白天空氣中的水汽含量一定時,夜間與白天的氣溫相差越大越有利于空氣中的水蒸氣達(dá)到飽和形成低能見度霧。統(tǒng)計了風(fēng)速小于3m/s條件下,14時的相對濕度(RH14)、14時的溫度與未來時刻溫度的差(t14-t)與其相應(yīng)時刻能見度之間的關(guān)系(表5)?？梢钥闯?當(dāng)RH14≥35%時,t14-t≥5℃有64%的出霧幾率;溫差t14-t≥10℃時100%會出現(xiàn)霧。溫差t14-t越大各級霧出現(xiàn)的幾率越大。同樣在溫差不變的情況下,14時的相對濕度越大越有利于霧的形成,各級霧出現(xiàn)的幾率越大。5數(shù)值模式輸出結(jié)果加工目前國內(nèi)外對于低能見度霧的預(yù)報大都采用數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品釋用的方法,也就是對數(shù)值模式輸出結(jié)果進(jìn)行加工處理,然后作出霧的客觀定性預(yù)報。本文應(yīng)用實(shí)況資料,通過相關(guān)分析,建立霧與氣象因子間的回歸方程,通過對數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品釋用,達(dá)到霧的分級定量預(yù)報的目的。5.1濕度顯著性檢驗(yàn)為獲得低能見度霧的預(yù)報因子,對能見度資料(相對濕度≥70%)和環(huán)境要素資料進(jìn)行相關(guān)分析。選取相關(guān)系數(shù)達(dá)到正負(fù)0.27以上的因子作為預(yù)報因子,建立多元回歸方程:其中y為能見度,RH為相對濕度,t地為地面溫度,t為氣溫,fs為風(fēng)速,RH14為預(yù)報時刻前14時濕度,t14為預(yù)報時刻前14時氣溫。經(jīng)F檢驗(yàn)顯著水平遠(yuǎn)大于α=0.001的臨界值。為了把降水和大氣穩(wěn)定度因子作為霧的消散因子加入到方程中,對上述方程進(jìn)行簡單變形,降水和大氣穩(wěn)定度因子作二值化處理,得出霧的分級預(yù)報方程:式中X1為預(yù)報時刻濕度,X2為14時濕度,X3為地表溫度與氣溫的差,X4為14時溫度與氣溫的差,X5為預(yù)報時刻風(fēng)速,X6為14時到預(yù)報時刻降水累加值,X7為SI指數(shù),X8為逆溫。這樣Y值范圍為14.2~2.7,能見度小于1000m的Y值范圍為14.2~5.5,Y值與霧的等級有較好的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)統(tǒng)計中的大數(shù)法則,確定判定各級霧對應(yīng)Y的取值:Y≥12.4為重霧;10.8≤Y<12.4為濃霧;8.0≤Y<10.8為大霧;6.0≤Y<8.0為霧。5.2計算結(jié)果和分析用2010年11月—2012年1月京石高速公路25個霧日,78站次的自動站要素實(shí)況資料進(jìn)行計算,擬合結(jié)果見表6。各級霧的擬合正確率都大于65%,霧的級別越高擬合正確率越高,空報率越低。分析原因:對頻繁出現(xiàn)的霧、連續(xù)霧和大范圍霧擬合效果較好;對小范圍的霧容易漏報;對少霧時段預(yù)報霧的級別容易偏強(qiáng),這可能與局地環(huán)境、大氣污染狀況以及前期的大氣環(huán)流背景有關(guān)。5.2.2不同站種立地條件下的分級預(yù)報結(jié)果應(yīng)用MM5精細(xì)化數(shù)值產(chǎn)品對2011年11月—2012年1月京石高速公路低能見度霧進(jìn)行預(yù)報,根據(jù)8個氣象站觀測資料,共出現(xiàn)低能見度霧21d,58個站次。該系統(tǒng)預(yù)報了61站次,定性預(yù)報正確51站次,空報10站次,漏報7站次,正確率為75%,空報率為14.7%,漏報率為10.3%,該方法對霧的定性預(yù)報效果較好。對3個交通自動站逐時次霧的分級預(yù)報結(jié)果見表7。可以看出,重霧的正確率和空報率持平,其他等級霧的預(yù)報正確率都高于空報率,級別越高正確率越高;各級霧的漏報率均小于25%。表明該預(yù)報方法在業(yè)務(wù)應(yīng)用中具有一定的參考價值。另一方面我們對數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的訂正方法仍有待改進(jìn)。6京石高速公路各級霧生成的特點(diǎn)(1)京石高速公路霧的生消有明顯的時段特征。霧的生成和發(fā)展主要在夜間,04時前后是各級霧生成頻率較高的時段;能見度≤500m的霧在后半夜比前半夜容易發(fā)展生成,能見度為500~1000m的霧在前半夜生成的頻率高于后半夜。上午是各級霧減弱或消散的主要時段,重霧最晚在12h前減弱消散,濃霧最晚在14h減弱消散。(2)各級霧的生成時間有明顯差別,能見度越小的霧生成的時間越集中,能見度越大的霧生成的時間越分散。(3)京石高速公路各級霧的出現(xiàn)幾率與持續(xù)最長時間有較好的正相關(guān)關(guān)系,且都有明顯的月變化。重霧和濃霧只在冬半年出現(xiàn),11、12月是重霧和濃霧的高發(fā)期,也是持續(xù)時間最長的時段。夏半年的霧多與降水密切相連,一般出現(xiàn)在降水前后