2015年11月寧夏中北部連續大霧天氣成因分析
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摘要 利用常規氣象觀測資料和NCEP提供的再分析資料，分別從環流形勢、層結條件、動力和熱力學機制等方面分析了2015年11月1—20日寧夏中北部地區的連續大霧天氣過程。結果表明，中高層偏西氣流、對流層低層溫度脊和地面冷高壓的穩定維持為這次連續性大霧過程提供了有利的環流背景;前期低槽入侵產生的小量降水使低層增濕，暖脊控制使中層增溫形成逆溫，連續大霧過程濕層厚度及逆溫差有所不同;適當的風速和低層弱的水汽輻合有利于大霧穩定維持和發展;近地層輻合上升、中高層輻散下沉，便于在界面形成逆溫層，有利于大霧天氣的出現。
關鍵詞 連續大霧;環流形勢;層結條件;動力條件;寧夏;2015年11月
中圖分類號 P426.4 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2019）06-0158-02
霧是懸浮于近地面層的大量水滴或冰晶使水平能見度<1 km的一種特殊災害性天氣，當水平能見度在50～200 m時稱為濃霧[1]。許多學者對霧進行了大量研究，分析了大霧天氣的成因[2-3]，揭示了大霧發生和維持的物理機制[1];研究大霧天氣的動力、熱力條件以及演變特征[4-5]。
寧夏不同地區大霧日數年變化差異大，其中銀川大霧日數季節變化差異比較明顯，最多大霧日數出現在11月至翌年1月。2015年11月，寧夏頻繁出現霧天，中北部大部地區霧天日數6～16 d（圖1），較常年霧天過程持續時間（3 d左右）明顯偏長，其中銀川市達16 d，賀蘭及青銅峽分別為14、12 d[6]。大霧過程能見度低，特別是9日中北部大部地區能見度不足500 m，石嘴山、銀川、中衛等地能見度不足200 m，銀川市出現持續近2 h的強濃霧，能見度僅為20 m。此次大霧天氣過程持續時間長、能見度低、影響范圍大，屬歷史罕見。
2015年11月影響寧夏地區的冷空氣勢力偏弱，造成近地面風速小，水平擴散條件較差;另外由于大氣環流的異常，寧夏地區降水明顯偏多，尤其引黃灌區大部較常年同期偏多5倍以上，加上灌區冬灌，下墊面土壤含水量較高，造成近地層空氣濕度大。長時間的靜穩天氣和近地層的高濕為大范圍霧天的維持提供了有利的天氣形勢背景和環境條件。
1 環流形勢特征
利用NECP提供的再分析資料得到寧夏中北部此次大霧天氣過程的平均環流形勢場。500 hPa平均高度場上，亞歐大陸平均環流形勢主要盛行緯向偏西氣流。700 hPa和500 hPa形勢相似，寧夏主要受偏西氣流控制;850 hPa平均高度場上，寧夏處于偏南氣流中，暖脊北伸至內蒙中部。這種形勢配置使低層大氣容易出現逆溫層結，有利于大霧的形成[7]。
從海平面平均氣壓場上可以看出，貝湖西側存在一中心值為1 030 hPa的高壓中心，寧夏大部分地區等壓線較為均勻，且1 020.5 hPa等壓線位于寧夏中北部。
分析11月1—20日500 hPa逐日8：00高空實況圖可知，寧夏1—2日受脊前西北氣流控制;3—7日不斷有低槽入侵，削弱中北部的脊，致使5—7日寧夏全區大部出現了連陰雨雪天氣;8—11日受偏西氣流控制;12—13日受低槽影響，有弱波動;14—20日轉為較平直的西風氣流。
分析11月1—20日逐日海平面氣壓場可知，地面冷高穩定維持在貝湖一帶，高壓中心很少南下進入內蒙，或者進入后很快東移，對寧夏影響較小。5—7日貝湖分股擴散冷空氣南下造成寧夏全區大部地區連陰雨雪天氣后，逐漸減弱。之后隨著西伯利亞冷空氣入侵，在貝湖附近堆積逐漸增強;冷高中心值于17日達到最高1 050 hPa，并穩定維持。同時8—11日寧夏以南有暖脊，不斷北伸至內蒙古東部，寧夏北部等壓線值為1 027.5 hPa。14—20日有暖低壓北伸至寧夏北部并穩定維持，1 025 hPa線持續維持在寧夏北部，這與海平面氣壓平均場一致。弱的偏南風使近地層大氣容易達到飽和，為大霧的形成和維持提供了有利條件[8]。
前期低槽入侵產生少量降水使低層增濕，暖脊控制使中層增溫形成逆溫，地面冷高增強并穩定維持，為大霧天氣的形成提供了穩定有利的條件[9]。
2 層結條件
2.1 垂直結構特征
選取銀川探空站作為代表站，利用11月2日8：00、9日8：00、14日8：00、19日8：00（強濃霧天）的探空實況和11月1—20日銀川大氣逆溫層溫差變化，分析連續大霧天氣過程的垂直結構特征。
2日8：00，774 hPa以下出現了逆溫層，有效阻止了低層水汽和能量的向上交換，整個大氣層結都很干燥，濕層淺薄，逆溫溫差為6 ℃，在892 hPa層相對濕度達到了92%，有利于大霧的形成。
9日8：00，在787 hPa以下維持2.3 km的逆溫層，且逆溫強度較強，由于5—7日連陰雨雪天氣，低層暖濕氣流的輸送使得大氣濕層增厚且逆溫層頂向上發展，9日白天寧夏大部分地區為出現大霧天氣，銀川能見度為20 m。9日20：00， 850 hPa以下再次出現逆溫層，同時在873 hPa附近存在一淺薄逆溫層，雙層逆溫的結構增強了大氣層結的穩定性。
14日8：00，823 hPa以下相對濕度均>80%，逆溫層整體抬升，逆溫層頂伸至886 hPa。14日20：00以后，逆溫層逐漸變薄，逆溫強度增強，1 000 hPa以下相對濕度>90%。850 hPa以上的中高層結仍比較干燥。
19日8：00，在600 hPa和850 hPa附近形成了多層逆溫結構，但總體逆溫強度偏弱，大氣層結整體濕度加大。19日20：00，500 hPa附近左右相對濕度都>80%，使大霧范圍廣持續時間長。 11月以來大氣層結較穩定，逆溫層厚度高、溫差大。11月2日、9日、14日、19日強濃霧期間，銀川市區逆溫層高度2.3 km左右，逆溫差達6～7 ℃。大氣層結穩定，逆溫強，抑制了水汽向高空擴散，從而在近地層凝結成霧[10]。
2.2 動力結構特征
利用NCEP再分析資料作出2015年11月1—20日銀川站（東經106.2°，北緯38.4°）散度、垂直速度和渦度的時間高度垂直剖面圖。分析可知，11月1—20日，500 hPa以下為0～0.5×10-5 s-1的正散度區。垂直速度場顯示1日、9日、14日500 hPa均有垂直速度為0.2×10-5 s-1正速度區，低層有弱的負速度區，表明中高層存在弱的輻散下沉運動。
從渦度的時間高度垂直分布可以看出，連續大霧過程期間，1—12日700 hPa以下為負渦度區，中心值達到-3×10-5 s-1，說明有暖濕氣流輸送;13日，500 hPa以下均為正的渦度區。14日，850 hPa以下為負渦度區，表明該低層有暖濕氣流的輸送，且對流層中上層有冷空氣影響。15—20日700 hPa以下為正渦度區。
3 水汽條件
利用NCEP的再分析資料計算了11月1—20日銀川站（東經106.2°，北緯38.4°）的水汽通量散度分布和相對濕度的時間—高度垂直剖面圖。可知11月1—5日850 hPa以下水汽通量散度為負，同時在1—4日，850 hPa下有 -5 g/hPa·cm2·s;5日700 hPa上有一負的散度中心，中心值達到-35 g/hPa·cm2·s，說明中低層水汽通量匯入;6日—11日由于連陰雨雪天氣后，水汽充足，有0～20 g/hPa·cm2·s左右的水汽輻散;11—20日700 hPa以下水汽通量均為負，充足的水汽促使大霧發展并長時間維持。
近地層濕度越大，濕層越厚，越有利于霧的形成[11]。從大霧期間大霧中心區相對濕度的演變可知，連續大霧期間，低層相對濕度在40%～70%，但1 000 hPa以下霧區單站相對濕度均在90%以上，這樣高濕的環境有利于大霧天氣的持續。
4 風向風速條件
風對霧的形成有一定的促進作用，適當的風速既有利于向空中輸送水汽，又不會導致垂直交換過于強烈，從而有利于霧的產生[12]。從大霧產生過程中的風場演變可以看出，出現大霧的時段，近地層風速一般<4 m/s。此次連續大霧過程中850 hPa以上為偏北風，以下風向以偏南風為主，同時近地面風速均<4 m/s，特別是8日以來風速均<2 m/s。空氣靜穩、風力小，使近地層水汽在水平方向上不易擴散，易凝結成霧。
5 結語
低層850 hPa以下明顯的暖脊有利于逆溫層結的形成，地面冷高壓穩定維持在貝湖附近，這種天氣形勢的配置為持續性大霧的形成及發展提供了有利的環境條件。逆溫層的強度與霧的濃度之間關系密切，逆溫層強度愈強，近地面積聚的水汽愈多，能見度也愈低。雙逆溫層甚至多逆溫層的存在能進一步增強大氣層結的穩定性。近地層輻合上升，中高層輻散下沉，易在界面形成逆溫層，有利于大霧的出現。低層充足的水汽是大霧形成和維持的重要條件之一。適當的風速既有利于向空中輸送水汽，又不至于使垂直交換過于強烈，從而有利于霧的產生，大霧期間，風速一般<4 m/s。
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