六盘山区两类雾物理结构的初步观测研究_党张利.pdf

第46卷第4期2023年4月ARIDLANDGEOGRAPHYVol.46No.4Apr.2023doi：10.12118/j.issn.10006060.2022.382六盘山区两类雾物理结构的初步观测研究党张利1,2，穆建华1,2，闫军1，曹宁1,2，常倬林1,2（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川750002；2.宁夏回族自治区人工影响天气中心，宁夏 银川750002）摘要：利用2020年在六盘山区观测高山雾获得的隆德、泾源、六盘山气象站地面能见度、温度、相对湿度、风等常规观测资料和微波辐射计温度、相对湿度垂直观测资料，初步分析了六盘山区大范围和仅山顶出现雾时的环流形势和温湿垂直演变特征。结果表明：六盘山区大范围雾过程和仅山顶雾过程都是受槽前暖湿气流影响，降温增湿导致的，两类雾过程地面相对湿度大于95%，以偏南风为主，隆德和泾源气象站能见度多在200 m以上，六盘山气象站一半以上时间能见度低于200 m。六盘山气象站的雾生消迅速，强浓雾持续时间较长，逆温层厚度增厚早于强浓雾出现的时间，垂直发展深厚，雾发展成熟时逆温层厚度达到1130 m，隆德气象站随着雾发展逆温层厚度也有增厚，但远远小于六盘山气象站，而六盘山气象站逆温强度弱于隆德气象站。随着雾的发展，相对湿度存在明显的向上延伸现象，90%以上相对湿度延伸到1040 m，同时六盘山气象站在出现强浓雾时隆德气象站微波辐射计能够观测到600 m左右的饱和区，这对分析六盘山区典型高山雾垂直演变具有重要意义。关 键 词：雾；物理结构；观测研究；六盘山区文章编号：10006060（2023）04057409（05740582）雾是近地层空气中悬浮着大量水滴或冰晶微粒而使水平能见度降到1 km以下的天气现象，雾对人类直接和间接的影响引起多学科关注，许多学者对雾进行多方面研究1-4，对华北5-7、西北8-10、南京11-12、湛江13-14等不同下垫面雾的环流背景和边界层特征进行研究，发现雾发生时低层有暖平流输入、水汽辐合，同时伴随逆温层和相对湿度增大现象。目前，雾还不能准确预报，主要原因是对雾的物理过程认识还不够，因此雾的观测研究十分重要。高山雾是发生在12 km高山上，主要是高空云层（包括气流沿坡被迫抬升形成）移动经过产生的。国内外对高山雾的研究起步较早，一些欧洲中部的高山站运行已超过100 a15，20世纪30年代，我国在湖南衡山建设了最早的高山站，高山雾与局地地形、辐射逆温等因素有关，不同地区雾的时空分布不同，郭丽君等16发现庐山云雾多发生在秋冬春季；费冬冬等17发现湖北山地雾发生时风速较小，风向多为东南风，近地层出现逆温，云接地，雾消散时低空相对湿度仍然保持较大值，云底高度上升；邓雪娇等18对南岭山地雾发生时近地面气象要素分析，发现雾发生时伴随逆温形成、相对湿度增大等特点，低层湿度饱和区向地面扩展，云底接地，单层强逆温结构有利于雾的发展和维持，多层弱逆温结构容易导致雾消散；尤红等19对云南昆洛高速公路峨山段典型山地雾过程进行分析，发现雾区上空850800 hPa层处存在逆温层或中性层，逆温层越强，山地雾越浓。六盘山区位于宁夏南部，位于青藏高原东北缘，是我国黄土高原西部具有代表性的温带山地森收稿日期：2022-08-03；修订日期：2022-08-29基金项目：宁夏回族自治区重点研发计划（2022BEG02010）；国家自然科学基金项目（42075073）；宁夏自然科学基金项目（2021AAC03489）；中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室项目（CAMP-202106）资助作者简介：党张利（1988-），女，工程师，主要从事人工影响天气等方面的研究.E-mail:通讯作者：穆建华（1981-），男，高级工程师，主要从事人工影响天气等方面的研究.E-mail:4期党张利等：六盘山区两类雾物理结构的初步观测研究林生态系统和重要的水源涵养地。六盘山区具有较强的水汽输送，受亚洲季风影响，夏季偏南风向六盘山区输送丰沛的水汽，山区是相对湿度高值区20。受地形影响，在距离20 km范围内出现雾日数存在明显差异，2020年宁夏气象灾害防御技术中心在六盘山大气科学野外试验基地开展了六盘山区云雾观测试验。本研究选取了该观测试验中持续时间最长、强度最强的两类雾过程作为研究对象，探讨不同气象要素对雾过程的影响，初步分析两类雾过程发生时的物理结构差异，为提高六盘山区云雾监测预警、数值模拟、人工消雾、旅游资源开发具有重要的意义。1研究区概况六盘山区地处西北地区东部，地理位置介于34.936.2N，105.6106.7E之间，山脊海拔超过2500 m，最高峰米缸山海拔为2942 m，东坡陡峭而西坡和缓，六盘山气象站（地理位置：106.2E，35.7N，海拔高度：2845.2 m）位于六盘山区海拔最高的气象观测站，年平均雾日数高达153.4 d。泾源气象站（地理位置：106.3E，35.5N，海拔高度：1984.2 m）位于六盘山东南侧山脚，距离六盘山气象站21 km，泾源县四周环山，年平均雾日数接近40 d；隆德气象站（地理位置：106.1E，35.6N，海拔高度：2151 m）位于六盘山西侧山脚，距离六盘山气象站不到10 km，隆德县十山九沟，年平均雾日数在10 d内。图1星号标记仪器所在的位置。2资料与方法文中使用2020年六盘山区云雾观测试验期间典型雾过程的气象站地面观测资料、隆德气象站微波辐射计资料和ERA5再分析资料对六盘山区两类雾过程环流背景、宏观物理结构和温度、相对湿度垂直结构演变特征进行初步分析。其中，雾的宏观图1 研究区气象站分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in the study area57546卷物理结构观测使用的是国家气象观测站温度、气压、相对湿度和能见度观测设备；雾的垂直结构观测使用德国METEK公司生产的42通道RPG-HATPRO-G4型微波辐射计，能够获取93层垂直廓线，其中0100 m的垂直分辨率为25 m，100500 m的垂直分辨率为 30 m，5001200 m 的垂直分辨率为40 m，1200 m 以上垂直分辨率从 60 m 到 300 m 不等，时间分辨率为1 min，观测期间安装在隆德国家气象观测站，在观测期间每个季度对微波辐射计进行液氮定标；雾的环流背景使用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）发布的ERA5再分析资料提供全球格点数据的物理量场（位势高度场、湿度场、温度场、水汽通量场、水汽通量散度场、风场）。3结果与分析3.1 大范围雾过程3.1.1 大范围雾过程概述利用六盘山气象站、泾源气象站、隆德气象站中能见度资料，给出3个气象站能见度时间序列图（图2），在分析雾天气过程中对持续的雾天气过程中出现短暂减弱没有分开处理，六盘山气象站雾开始于2月26日19:09，结束于27 日 20:41，最小能见度为 29 m，出现在 2 月 27 日09:14，浓雾持续了506 min，强浓雾持续了403 min；隆德气象站雾开始于2月27日22:17，结束于2月27日23:43，最小能见度为188 m，出现在2月27日22:30，浓雾持续了2 min；泾源气象站雾开始于2月27日00:17，结束于2月27日03:51，最小能见度为423 m，出现在2月27日01:07，未出现浓雾阶段。分析能见度在六盘山区的时间变化，发现山顶（六盘山气象站）雾持续时间最长；东坡（泾源气象站）随着山顶云底高度降低出现3 h左右的雾过程，系统性的天气过程自东向西移动；西坡（隆德气象站）出现快速的雾过程，虽然西坡雾过程持续时间最短，但西坡最小能见度低于东坡，说明系统性天气过程在移动过程中加速，但强度增强。3.1.2大范围雾环流形势分析天气系统是雾发生、发展、消散的主要因素，分析大范围雾过程的天气形势：从位势高度、温度场、湿度场和风场图上看，500 hPa欧亚地区处于两槽一脊环流背景下，南支槽南伸到孟加拉湾附近，六盘山区位于槽前西南气流，有明显的暖平流，图3a显示六盘山区在700 hPa位于低涡前部西南气流和切变线影响区，且六盘山区存在明显的风速辐合，风速从云南地区为18 ms-1，到六盘山附近为4 ms-1，从700 hPa到500 hPa六盘山区均受西南气流影响，相对湿度大于90%，六盘山区位于地面冷高压前部的均压场中。此次六盘山区大范围雾过程是由于高空贝加尔湖附近低压和南支槽、中层东移短波槽、地面均压场共同影响发生的一次系统性云雾降水天气过程。图2 大范围雾过程的能见度时间演变Fig.2 Temporal evolution of visibility during a largescale fog process5764期党张利等：六盘山区两类雾物理结构的初步观测研究雾的形成和维持要满足一定的水汽条件，六盘山雾开始前26日18:00近地面（700 hPa）比湿已达到4 gkg-1，六盘山26日19:00雾开始形成；泾源雾开始前27日03:00（图3b）近地层（800 hPa）比湿大于 5 gkg-1，隆德雾开始前 27 日 22:00 近地层（800 hPa）比湿为3 gkg-1。26日18:00水汽通量大值区位于宁夏南部，在偏南气流引导下，水汽通量大值区经过宁夏向陕西西部移动，六盘山区水汽通量在27日后半夜达到最大，值为3 gcm-1hPa-1s-1，随着风向转北，水汽通量降低1 gcm-1hPa-1s-1，比湿小于3 gkg-1。3.1.3 大范围雾过程地面气象要素变化地面气象要素直观反映雾发生前后气象要素变化，六盘山气象站气温从雾前0.3 持续降低到-5.8，相对湿度从雾前的92%增加到浓雾的98%，之后减弱到93%，雾前风速维持在2.75.8 ms-1，随着六盘山气象站雾的发展，浓雾阶段风速达到最大10.3 ms-1，雾消散风速减弱到1.7 ms-1，雾前到发展阶段，六盘山气象站吹西南风，浓雾阶段风向从西南转东南再转东北风，雾减弱到消散阶段六盘山吹东北风；隆德气象站雾期间气温从雾前7.7 持续下降到-2.0，雾发展到消散气温相对较平稳，维持在-1.8-2.0，相对湿度从雾前的66%增加到浓雾的97%，之后一直维持在97%直至雾消散，雾前隆德气象站风速变化较大，从静风到4.1 ms-1，雾从发展到消散风速低于3 ms-1，且持续下降，风向以偏南风为主；泾源气象站雾期间气温从4.3 下降到1.6，雾发展阶段气温维持在1.6 上下，减弱和消散阶段气温均有下降，最终气温下降到-1.6，相对湿度从雾前的78%增加到发展最旺盛时的95%，雾消散时最小相对湿度为 86%，浓雾阶段风速最小，平均风速为0.8 ms-1，风向以偏南风为主。综合分析3个地面气象站的观测资料，雾发生过程中六盘山、隆德、泾源气象站气温均下降，相对湿度增至95%以上，东西坡2站风速较小，风速以偏南风为主，水汽通量增加，比湿增加，雾发生，受系统性天气过程影响雾发生时间短而快，而山顶虽然也是受系统性天气过程影响，但由于海拔在2800 m以上，山顶处于云中直至大范围云系移走能见度才转好。3.1.4 大范围雾过程温度、相对湿度垂直分布利用隆德气象站微波辐射计资料，分析不同区域相对湿度（图4a）、温度（图4b）垂直分布特征。27日05:00至27日20:00受降水影响，相对湿度垂直变化不明显，根据隆德气象站小时降水资料显示，隆德气象站在27日05:00开始出现小于1 mmh-1的小时降水量，持续到27日20:00，隆德气象站未出现雾时相对湿度随高度迅速减小（除降水出现时间段），降水结束后2 h隆德气象站开始出现雾，随着雾发展，大于90%相对湿度向上空延伸到400 m（相对高度），随着雾消散，相对湿度朝地面减弱，在降水之前相对湿度出现几个时段的从地面到1800 m（相对高度）上空相对湿度较高区域。这可能与六盘山气象站雾有关，通过与六盘山气象站能见度趋势对比发现，当出现1800 m范围内相对湿度