地面輻合線與華北平原霧空間分布的關系

張 帆，曾建剛，秦保國，李宗濤

（1.中國氣象局綜合觀測司，北京100081；2.河北省氣象臺，河北 石家莊050021）

霧是近地層空氣中水汽凝結或凝華而使水平能見度＜1 km 的天氣現象， 霧是在特定天氣背景之下形成的，并具有高度局域性的高影響天氣[1]。 隨著經濟建設步伐的不斷加快，社會需求使得海、陸、空交通運輸業（特別是航空和高速公路）飛速發展，霧的影響也越來越突出， 特別是能見度＜200 m 的濃霧，給交通運輸業造成了頻繁的嚴重事故和巨大的經濟損失。 此外，霧天氣常伴隨著逆溫的出現，非常不利于污染物的擴散， 嚴重影響人畜健康和安全。 尤其2013 年1 月華北平原出現了多次大范圍霧霾天氣（夜間到上午濕度大，觀測天氣現象為霧，下午濕度有所減小，天氣現象為霾）。據環境監測顯示，石家莊空氣質量達到良好的日數僅有2 d， 霧霾天氣引起了社會和公眾的極大關注。 應加強對霧天氣的成因認識，提高霧天氣的預報能力。如何提高霧天氣的預報預警能力？ 如何科學規劃霧天氣監測網等等是需要解決的迫在眉睫的科學問題。

華北平原是我國北方秋冬季大霧出現頻率較高的地帶，具有發生范圍廣、強度大、持續時間長的特點，如2002 年12 月9—19 日和2007 年12 月18—28 日分別出現了連續11 d 的大范圍大霧天氣，而在1994 年11 月的一次連續性大霧過程中， 河北南部的廣平縣、景縣連續15 d 出現大霧[2]。持續如此長時間的大霧在國內外并不多見， 這說明華北平原的大霧有其獨特之處。 有關華北平原霧形成的氣象條件、成因等做過不少分析研究[2-9]。何立富等[3]分析了華北平原持續性大霧過程的動力和熱力特征， 發現大霧期間華北平原大部地區為弱輻合區、 微弱的上升運動區， 這種微弱的上升運動非常有利于大霧向上發展。 康志明等[4]對2004 年冬季華北平原持續大霧天氣進行了天氣動力學診斷分析，得出：華北平原近地層900 hPa 以下有冷平流、 弱輻合上升運動引起該層氣溫下降，900～500 hPa 暖溫度平流和輻散下沉運動造成該層氣溫升高， 在上升和下沉運動區的界面層中形成逆溫層， 逆溫層的高度和強度影響霧的形成和狀況。 梁愛民等[5-6]分析了2007 年2 月21 日北京地區發生的一次平流霧過程。發現平流霧發生前，北京地區沒有明顯冷空氣侵入，大氣層結相對穩定，地面觀測到中尺度輻合線，其南側的東南氣流向北京地區輸送了水汽， 為夜間霧的形成提供了良好的基礎條件。 趙金霞等[9]發現天津濱海新區風向、風速與不同污染程度有一定的關系；陸風會使污染物迅速增加，而海風就會逐漸減少。若濱海新區北部出現風場輻合線時，水汽、污染物會在輻合以南快速積累、混合。 以上研究均認為，華北平原的霧天氣出現時近地層有弱輻合（輻合線）、弱上升運動。

近幾年， 京津冀地區由于地理位置和嚴重的污染問題， 太行山山谷風環流的特征成為了關注的重點。 如，曾佩生等[10]使用10 a 的WRF 模式資料研究了京津冀平原地區局地大氣環流日變化的氣候特征， 得出京津冀地區低空風場變化是天氣系統與局地環流共同作用的結果， 山谷風環流致使太行山沿線平原地區大氣邊界層內常年主導風向為偏北和偏南，且存在明顯的日變化特征，夜間至早晨谷風轉山風（偏北風），午后至夜間山風轉谷風（偏南風）。隨著探測設備的增加，探測手段的加強，探測資料種類繁多，觀測資料的時空分辨率不斷提高，京津冀有6 要素自動站站317 套（時間頻率逐5 min），本文應用探測資料分析太行山與華北平原間的山谷風環流的日變化特征。 在日常業務中發現位于太行山東麓的華北平原由于山谷風的原因地面常常出現輻合線，這種輻合線具有明顯的日變化， 夜間到早晨常常穩定在山前平原且與山體幾乎平行， 一線業務預報人員稱之為定常輻合線。 這種定常的地面輻合線與霧區的空間分布是否有關？ 由于霧霾天氣監測站點布局需要考慮氣候及地形等因素， 重點分析華北平原（京津冀平原地區）霧分布及成因，為科學布局霧天氣監測網提供依據。

1 資料與方法

1.1 研究區域概況

華北平原屬于溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候。位置獨特，西倚太行山，南接黃淮平原，東部有渤海灣，北部為燕山和壩上高原。 燕山自西向東、太行山自北向南構成半環狀“弧形山脈” 環抱著華北平原，形成西北高、東南低逐級下降的地勢（圖1）。 壩上高原系內蒙古高原的一部分，地勢南高北低，平均海拔1200～1500 m；北部燕山和西部太行山由中山、低山、盆地、丘陵組成，海拔多在2000 m 以下。

1.2 資料

本文所用資料來源于河北省氣象信息中心，有2 類資料：（1）2000—2011 年京津冀地區的186 套地面氣象站每天8 次的常規觀測資料。（2）2009—2012年京津冀317 套自動站的逐小時觀測資料（6 要素氣象站）。

圖1 京津冀地形圖

本文使用的霧日的相關定義如下： 使用地面8次常規天氣現象的觀測資料，1 d 內（08 時—次日08 時，北京時，下同）某站至少有一次霧觀測記錄計為本站一次霧日，每站分別進行統計，得出12 a 中10 月—翌年2 月的各站年平均霧日。

2 京津冀地區霧的氣候特征

由于霧主要出現在秋冬季， 通過對2000—2011 年10 月—翌年2 月京津冀霧日進行統計和篩選，得出10 月—翌年2 月的各站年平均霧日（圖2，陰影為地形高度）。霧日呈現出南多北少，平原多山區少的特點， 霧日大值區主要出現在華北平原。北部的張家口、承德年均霧日不足4 d，平原地區年均霧日10 d 以上。 分析發現出現頻率較高的區域呈帶狀分布，分布在北京西南部、保定、石家莊、邢臺及邯鄲，且與太行山近乎平行（近南北向），距太行山約40～100 km，其中寧晉站（石家莊市）的年平均霧日達40.1 d（約4 d 就有一霧日）。 燕山南部的唐山市為弱中心?？梢猿醪酵茢嗳A北地區霧多發區與地形有一定的關系，即特殊地形所造成的動力或熱力強迫會對大霧天氣的發生及其氣候特征分布產生重要影響。

本文重點討論太行山地形與華北平原霧區的關系。

3 太行山附近定常輻合線的分布特征

圖2 2000—2011 年10 月至翌年2 月霧年平均日數

山谷風（mountain valley breeze）是由于山坡與谷地及其附近空氣之間的熱力差異而引起的； 白天風從山谷吹向山坡， 這種風稱為“谷風（valley breeze）”； 到夜晚， 風從山坡吹向山谷稱“山風（mountain breeze）”。 山風和谷風總稱為山谷風。 華北平原西倚太行、北鄰燕山，曾佩生等[10]使用10 a 的WRF 模式資料分析得出京津冀平原地區局地大氣環流日變化的氣候特征，山谷風環流致使太行山沿線平原地區大氣邊界層內常年主導風向為偏北和偏南，且存在明顯的日變化特征，夜間至早晨谷風轉山風（偏北風）， 午后至夜間山風轉谷風（偏南風）。 但此結論是基于WRF 模式資料得出的，模式地形有別于實際地形。 王麗萊等[11]使用逐時風場分析華北中南部的輻合線的演變規律，但統計資料中包括強天氣系統帶來的系統性大風及雷暴大風，故統計結論不完全是太行山地形效應產生的， 但業務中發現太行山東麓地面常常存在一定常輻合線，推斷太行山附近的定常輻合線就是由于山谷風的存在而形成的。

利用2009—2012 年10 月—翌年2 月京津冀317 套區域自動站的逐小時觀測資料， 對河北省同時期地面風場的日變化規律進行分析。 張人文等[12]根據廣州從化天湖地區基于小球觀測資料， 利用矢量法將局地風與系統風分離， 發現山谷風日一般無明顯天氣過程，系統風速＜1.5 m/s，強冷空氣過境時，系統風大，不會出現山谷風。為篩選出每個站點滿足以上兩條件的資料集（不受明顯天氣系統影響的資料），制定了以下篩選條件：（1）無降水、總云量＜6成（滿足山地、平原因輻射不同存在溫度的變化）；（2）2 min 平均風速＜6 m/s（無明顯的天氣系統影響）。分別將該數據集中每個站每個時次的風向風速觀測數據進行平均計算，得到各站24 個時次的平均風向風速。 由文獻[10-12]可知，山谷風風速較小，為突出輻合線的位置，將風速放大5 倍。

17 時開始山區站轉山風（偏北風），偏北風與偏南風的地面輻合線形成， 然后此輻合線隨時間向東移動，22 時—次日06 時基本在距山體60～90 km 的位置左右擺動。 07—09 時繼續向東移動，但輻合線的強度減弱，直到11 時輻合線消失。12 時開始在石家莊及以南的太行山東麓常出現偏南風與東到東北的輻合線， 一般出現在12—16 時， 穩定少動（圖3b）。由于太行山地形存在而產生的輻合線在白天和夜間的位置是準定常的。

華北平原多霧時段高空常常以平直緯向環流為主，地面氣壓場較弱，有逆溫存在且維持時間較長。秋冬季連續性大霧過程一般不是單一類型的霧，一般是幾種類型的霧交替出現，如輻射霧、平流霧、鋒面霧、平流輻射霧，李江波等[13]認為華北平原地區以平流輻射霧居多。 華北平原霧一般出現在后半夜至清晨， 據首都機場1976—2008 年的逐時統計得出02—09 時是出現大霧頻次最高的時段，上午至中午

前后消散。 在晴朗、微風、近地面水汽比較充沛的夜間或早晨，天空無云阻擋，地面熱量迅速向外輻射，近地面層的空氣溫度迅速下降， 如果空氣中水汽較多，就會很快達到過飽和而凝結成霧?？諝饨^熱上升降溫，與輻射降溫共同作用有利于逆溫層的形成，同時地面常有輻合線存在，伴有弱上升運動，這種較弱的上升運動加劇了垂直混合， 可以使近地層的水汽向上輸送，使濕層達到一定的厚度，使水汽在逆溫層高度內充分混合，有利于大霧向上發展[7]。 圖3 與圖2 對比看，河北平原地面輻合線的位置（圖3a 雙實線） 與2000—2011 年10 月—翌年2 月河北平原地區霧日大值區的分布基本一致。 這說明霧的形成與太行山附近的定常地面輻合線有一定的關系，即：在有利于霧生成的其他條件（降溫、增濕、逆溫層等條件）滿足的情況下，地面輻合線的存在增加了霧形成的可能。 在實際業務預報霧天氣時要考慮地形的影響（準定常輻合線的位置）。

圖3 地面風場及地面輻合線

4 2013 年1 月21—22 日華北平原大霧與地面輻合線的關系

2013 年1 月華北平原地區出現了長時間的霧霾天氣， 因霧霾天氣石家莊機場共有119 個航班取消，12 個航班延誤。 河北省有22 條高速公路關閉，黃驊港和曹妃甸港采取海上交通管制措施。 華北平原持續時間如此長的霧霾天氣屬少見， 這也引起了社會和公眾的極大關注。 從京津冀地區出現霧的站次數來看（圖4），出現能見度＜1 km 的霧、站次數超過20 站次的日數為17 d， 其中3 d 超過100 站次。 22 日霧的范圍最大為152 站次，出現＜0.05 km的強濃霧19 站次，21 日夜間至22 日大范圍濃霧天氣屬于輻射霧。 21 日早晨出現了14 站的能見度＜1 km 的霧，由于白天積雪融化，近地層增濕明顯，華北平原大部分地區14 時相對濕度在70%以上。21 日前半夜開始到22 日華北平原出現大范圍的霧天氣（圖5），僅河北出現能見度＜500 m 的濃霧為84站次（其中強濃霧19 站次）。

2013 年1 月21—23 日，500 hPa 高空圖上，華北上空為平直緯向環流（19—20 日受短波槽影響，華北平原地區普降中雪，西部地區降大雪）。地面位于高壓前部，氣壓場較弱，屬于無明顯槽脊活動的時段；天空云量少，白天有太陽輻射，夜間有長波輻射，山地、平原因輻射不同存在溫度的變化（山地白天溫度高，夜間溫度低），符合山谷風環流存在的2個條件。

圖4 2013 年1 月京津冀地區逐日霧、濃霧、強濃霧的站次數

圖5 1 月22 日01 時地面風場與22 日最小能見度（單位：m）

分析1 月22 日夜間地面風場與22 日最小能見度可知，20 時山區與平原交界處有一條輻合線（與圖3 的統計結果相比，該日南段的輻合線不明顯）并緩慢東移，在距山60～80 km 處穩定少動。 22 日01時輻合線位于保定東部到石家莊東部地區（圖5），從地面濕度分布來看，20 時開始河北中南部地區相對濕度在90%以上（平原部分站100%），說明中南部地區的地面濕度條件幾乎相當。對應圖5 中21 日夜間至22 日的最小能見度觀測值（讀取各站危險報中能見度最小的一次），輻合線附近能見度多在200 m以下，有11 站＜50 m，說明輻合線附近霧的濃度比其它地區更強。

5 結論與討論

通過對華北平原地區地面風日變化的演變規律、霧日的空間分布特征的分析，得出以下結論：

（1）10 月—翌年2 月華北平原年平均霧日多發區對應地面定常輻合線的位置， 此結論為華北地區霧的業務預報提供了氣候背景， 有一定的實際應用價值。

（2）以2013 年1 月21—22 日華北平原霧天氣過程為例，輻合線附近的能見度相對較低，即輻合線附近霧的濃度強。 這說明無論氣候統計規律還是本次大霧個例，霧區與輻合線息息相關。此方法可應用到受地形影響地區的大霧預報， 如新疆冬季準噶爾盆地大霧天氣預報等，因此有一定的推廣應用價值。

本文統計得出太行山東部的華北平原在10月—翌年2 月期間， 地面定常輻合線附近是霧多發區、且濃度較強的結論。此成果在河北省的業務預報中應用，為霧的精細化預報提供了技術支撐。但偶爾有這種情況發生，即：在天空晴朗少云、地面濕度較大的情況下， 地面輻合線附近并沒有出現能見度＜1 km 的霧。究其原因，可能與大氣顆粒物質量濃度及化學組成有關， 而氣象原因應與定常輻合線的垂直結構及其在大霧天氣中的作用有關， 目前華北平原太行山沿山地區只有邢臺探空站， 垂直探測的時空分辨率不足。 為加強輻合線在霧天氣的成因認識，提高霧天氣的預報能力，在科學規劃監測網，尤其是制定垂直探測網布局規劃時應充分考慮準定常輻合線的位置。

致謝：北京大學物理學院大氣科學系的陶祖鈺教授在制定地形輻合線標準時的悉心指導。