荀偉唯，李秀英，莊 萌，李諾冰

(1.清河縣氣象局，河北清河 054800；2.沙河市氣象局，河北沙河 054100；3.柏鄉(xiāng)縣氣象局，河北柏鄉(xiāng) 055450)

在地面氣象觀測規(guī)范[1]中，霧的定義為大量微小水滴浮游空中，常呈乳白色，使水平能見度小于1.0 km。其中水平能見度的觀測一般指人工觀測能見度。人工觀測僅定時觀測(02時、08時、14時、20時或者08時、14時、20時)，一天只進行4次或者3次觀測。2016年以前自動能見度觀測尚未完善，對于霧發(fā)展規(guī)律特征及相關(guān)因子分析多采用人工觀測能見度數(shù)據(jù)[2-10]。隨著自動化觀測不斷推進，能見度觀測普遍實現(xiàn)自動化，實現(xiàn)了24 h每分鐘不間斷地數(shù)據(jù)采集傳輸，地面觀測中霧的識別利用地面綜合觀測業(yè)務(wù)軟件綜合視程障礙算法每分鐘自動判別，提升了資料的時間精度。為了提高霧的精細化預(yù)報能力，預(yù)報服務(wù)中開始利用霧天氣過程中逐時能見度數(shù)據(jù)分析霧的空間分布及天氣成因[11-12]。鄧小麗等[13]利用監(jiān)測站的逐時能見度資料分析了高速公路的低能見度及其影響因子，盧盛棟[14]研究了大氣能見度對相對濕度及PM2.5顆粒物質(zhì)量濃度的響應(yīng)關(guān)系。李慧晶等[15]分析了水平能見度低于1 000 m和相對濕度大于等于90%時，四川地區(qū)不同等級霧的時空分布特征和生消變化規(guī)律。胡躍文等[16]利用自動站逐時資料分析了能見度在500 m以下貴州大霧天氣的時空分布特征。為了保持人工和自動觀測能見度數(shù)據(jù)序列化，按照中國氣象局預(yù)報與網(wǎng)絡(luò)司要求，將能見度閾值在人工觀測基礎(chǔ)上下調(diào)25%[17-18]。地面綜合觀測業(yè)務(wù)軟件中利用自動觀測能見度綜合判別霧的標準已經(jīng)改變，目前利用國家氣象觀測站自動觀測能見度綜合判別結(jié)果分析霧發(fā)展規(guī)律及其氣象要素的相關(guān)性研究較少。2016年清河國家氣象觀測站開始利用前向散射能見度儀采集的能見度作為正式上傳數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了能見度的自動化觀測，視程障礙現(xiàn)象(大霧、輕霧、霾、揚沙、沙塵暴等)由ISOS軟件根據(jù)視程障礙算法綜合判別。本研究利用1960—2015年人工觀測霧和2016—2020年綜合自動判別的霧數(shù)據(jù)資料，分析清河秋冬季霧變化規(guī)律特征及其與氣象要素的相關(guān)性，以期為霧的預(yù)報預(yù)警提供參考。

1 資料來源

從2016年1月1日(即北京時2015年12月31日20時01分)開始，能見度開始由人工觀測改為自動觀測，實現(xiàn)了能見度的分鐘級采集，全天24小時連續(xù)觀測。自動觀測能見度數(shù)據(jù)分為1 min平均能見度和10 min平均能見度，為了保持數(shù)據(jù)的連續(xù)性，在分析霧數(shù)據(jù)時采用10 min滑動能見度(用V表示)。2016年3月，在《地面氣象觀測業(yè)務(wù)技術(shù)規(guī)定實用手冊》[19]中，明確霧的自動觀測判別標準為小于750 m?！鹅F的預(yù)報等級》 (GB/T 27964—2011)規(guī)定了霧的判定標準：大霧為500 m≤V<1 000 m，濃霧為200 m≤V<500 m，強濃霧為50 m≤V<200 m，特強濃霧為V<50 m。所以，在統(tǒng)計分析自動觀測的逐小時能見度數(shù)據(jù)時，將大霧區(qū)間范圍訂正為500 m≤V<750 m，其他等級范圍不變。

利用河北省綜合氣象信息共享平臺[20]中清河國家氣象觀測站1960—2020年霧日數(shù)分析清河霧的年、季、月變化規(guī)律，利用2016年1月1日—2020年12月31日小時和分鐘數(shù)據(jù)中的10 min滑動能見度分析秋冬季霧的日變化、生消變化、持續(xù)時長及與氣象要素的相關(guān)性。按照《地面氣象觀測業(yè)務(wù)技術(shù)規(guī)定實用手冊》[19]要求，剔除因受降水影響產(chǎn)生的能見度小于750 m的數(shù)據(jù)及缺測數(shù)據(jù)。

2 霧的變化特征

2.1 年變化

1960—2020年期間，清河霧日總數(shù)為1 308 d，年平均霧日數(shù)為21.4 d，最多為1972年(47 d)，最少為2008年(僅有9 d)。由圖1可知，近61 a來霧日數(shù)呈波動式緩慢增長趨勢，線性趨勢率為0.99 d/10 a，其中出現(xiàn)三個明顯峰值和三個相對低谷期，峰值分別出現(xiàn)在1964年、1972年和2004年，相對低谷期出現(xiàn)在1965—1971年、1973—1984年、2008—2018年。為了分析霧日數(shù)的年代際變化，統(tǒng)計各年代霧日數(shù)平均值和歷年平均值做對比，可以看出20世紀60年代、80年代霧日數(shù)低于平均值，70年代霧日數(shù)與平均值基本持平，90年代霧日數(shù)開始高于平均值，21世紀初期(2001—2010年)霧日數(shù)達到最高，為27.2 d，2011—2020年霧日數(shù)低于平均值。霧日數(shù)變化和城市經(jīng)濟發(fā)展及人類環(huán)境發(fā)生變化有直接關(guān)系[21]，但無法確定霧日增減變化是否和城市顆粒物或者其他因素影響有關(guān)，其原因需要進一步研究。

2.2 月、季變化

如圖2所示，對1960—2020年各月霧日數(shù)進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，清河各月均有霧出現(xiàn)，出現(xiàn)最多的為12月，其次為1月和11月。12月、1月和11月的平均霧日分別為4.5 d、4.0 d和3.8 d，最少為4—6月，平均霧日為0.3 d。按照目前最常用的氣象季節(jié)劃分法，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為當(dāng)年12月—次年2月。清河春季霧日數(shù)共87 d，占全年的7%，夏季霧日數(shù)145 d，占11%，秋季霧日數(shù)434 d，占33%，冬季霧日數(shù)642 d，占49%。秋冬季霧共占82%，是霧的高發(fā)季節(jié)。秋冬季霧持續(xù)時間長，影響范圍廣，所以進一步利用自動站逐小時能見度數(shù)據(jù)分析秋冬季節(jié)(當(dāng)年9月至次年2月)霧的日變化、生消變化、持續(xù)時長和氣象要素的相關(guān)性，這對了解霧特性至關(guān)重要。

2.3 日變化

利用2016—2020年秋冬季每日逐時10 min滑動能見度數(shù)據(jù)，統(tǒng)計大霧、濃霧、強濃霧、特強濃霧在每個時刻的出現(xiàn)頻次，出現(xiàn)相應(yīng)等級霧記1次。統(tǒng)計得出，秋冬季共出現(xiàn)霧771次，其中大霧、濃霧、強濃霧、特強濃霧出現(xiàn)頻次分別為172次、170次、425次、4次。同時按照未訂正之前大霧標準(500 m ≤V<1 000 m)進行了統(tǒng)計，出現(xiàn)頻次為444次，明顯高于訂正后標準(500 m ≤V<750 m)。如圖3所示，濃霧和強濃霧日變化規(guī)律基本一致，強濃霧出現(xiàn)頻次最多，特強濃霧出現(xiàn)頻次最少。秋冬季大霧頻次最多時間為04時、07—08時、10時和22時，出現(xiàn)時間相對分散；濃霧頻次最多時間為05—09時，占比46.4%；強濃霧頻次最多時間為03—09時，占比57.8%，特強濃霧頻次最多時間為00時，占比50%；各等級霧頻次最少時間在14—17時，占比僅3.9%。圖3中4條曲線下方的面積分別代表在5 a內(nèi)不同等級霧的累計頻次?？梢钥闯觯搴映霈F(xiàn)強濃霧(能見度50～<200 m)的累計頻次最多，占比55.1%，說明秋冬季大霧在發(fā)展過程中大概率會發(fā)展為強濃霧，在發(fā)布大霧預(yù)警信號過程中，升級大霧橙色預(yù)警信號的概率為55.1%；但特強濃霧出現(xiàn)頻次較少，因此升級大霧紅色預(yù)警的概率較小。

2.4 生消變化

利用2016—2020年秋冬季逐時10 min滑動能見度數(shù)據(jù)統(tǒng)計霧開始生成時間和消散時間，統(tǒng)計方法：霧生成過程中能見度逐漸降低，前一時次無霧出現(xiàn)，當(dāng)前時次達到大霧判別標準(V<750 m)時記為此時刻霧生成1次；霧消散時，能見度增大到750 m以上，記為此時刻霧消散1次。對每個時刻的霧生成和消散次數(shù)進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖4所示，秋冬季霧最多生成時間為08時，主要生成時間分布在后半夜到清晨，19—20時是霧生成的另一主要時段，11—17時較少有霧生成。秋冬季霧消散時間主要為09—12時。以上分析表明，清河秋冬季霧多為輻射霧，一般在晴朗少云的夜間或清晨，地面輻射冷卻，使空氣中的水汽達到飽和所致，地面風(fēng)速保持微風(fēng)時，大氣存在一定的湍流運動，更有利于形成濃霧或強濃霧。日出后隨著太陽輻射增強，氣溫升高，低空逆溫層減弱，霧逐漸趨于消散。

2.5 持續(xù)時長

利用2016—2020年秋冬季逐時10 min滑動能見度數(shù)據(jù)，將每次霧過程的最小能見度按照大霧、濃霧、強濃霧、特強濃霧進行分級，達到相應(yīng)等級霧標準記為開始時間；霧消散時，能見度增大到750 m以上，記為結(jié)束時間，統(tǒng)計各等級霧的過程持續(xù)時長，利用箱線圖對各等級霧持續(xù)時長進行平均值和離散值統(tǒng)計分析， 結(jié)果如圖5所示。由于大霧的持續(xù)時長多在1 h，所以最低值和平均值重合，濃霧的平均持續(xù)時長為4 h，強濃霧平均持續(xù)時長為9 h，特強濃霧持續(xù)時長為23 h，說明濃度越高霧持續(xù)時間越長。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，2016—2020年秋冬季共出現(xiàn)霧105 d，其中持續(xù)時間最長的為33 h，最短持續(xù)時長不到1 h，平均持續(xù)時長為7.1 h。持續(xù)時長5 h以下占比最多，約占總數(shù)的48%；持續(xù)5～10 h霧占31.5%，持續(xù)時長10 h的占20.5%。

3 霧的相關(guān)氣象要素分析

3.1 與氣象要素的相關(guān)性

為研究清河秋冬季霧和各氣象要素的關(guān)系，利用SPSS中的Pearson相關(guān)系數(shù)法對2016—2020年秋冬季逐時10 min滑動能見度和氣象要素進行相關(guān)性分析。分析得出：10 min滑動能見度與相對濕度呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.632(通過α=0.01顯著性檢驗)；與10 min平均風(fēng)速為顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.323(通過α=0.01顯著性檢驗)；與露點溫度、水汽壓、10 min平均風(fēng)向相關(guān)性較低?？梢?，在霧生成和消散過程中，相對濕度和風(fēng)速的影響尤為重要。

3.2 相對濕度閾值

由相關(guān)性分析得知，相對濕度和10 min滑動能見度呈顯著負相關(guān)，相對濕度越大，能見度越低，越有利于霧的形成。為進一步了解相對濕度對霧的影響，統(tǒng)計生成各等級霧的逐分鐘相對濕度，結(jié)果顯示大霧、濃霧、強濃霧和特強濃霧生成時，對應(yīng)的相對濕度至少應(yīng)為：90%、92%、95%和99%，說明相對濕度越大，越有利于高濃度霧的生成。隨著相對濕度不斷增大，霧出現(xiàn)頻次也在不斷增加；但是統(tǒng)計結(jié)果顯示相對濕度為100%時霧出現(xiàn)頻次最多，這主要與濕度傳感器的工作特性有關(guān)，相對濕度傳感器在高濕狀態(tài)下有滯后特性，即當(dāng)霧已經(jīng)消散，能見度增大到750 m以上時，相對濕度分鐘數(shù)據(jù)卻長時間保持100%，造成統(tǒng)計結(jié)果存在一定誤差。

3.3 風(fēng)速閾值

對2016—2020年逐分鐘綜合判識結(jié)果中霧和10 min平均風(fēng)速進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)大霧、濃霧、強濃霧和特強濃霧時，其對應(yīng)的10 min平均風(fēng)速的平均值分別為1.4 m/s、1.4 m/s、1.0 m/s和0.5 m/s，表明霧濃度越高，能見度越低，對應(yīng)的10 min平均風(fēng)速平均值越小。

在霧形成和消散過程中，即10 min滑動能見度小于750 m時，對逐分鐘能見度對應(yīng)的10 min平均風(fēng)速(用f表示)所占比例按照5個區(qū)間進行分段統(tǒng)計(表1)。不同等級霧對應(yīng)的f區(qū)間范圍占比不同，但至少有97%的霧相應(yīng)的f<3 m/s，僅有2%左右的霧相應(yīng)的f≥3.0 m/s。分析發(fā)現(xiàn)，f≥3.0 m/s時，霧正趨于消散，能見度正在逐漸增大。除霧在消散情況下以外，出現(xiàn)強濃霧和特強濃霧時基本上均為f<3.0 m/s。

表1 2016—2020年清河不同等級霧在10 min平均風(fēng)速區(qū)間范圍的占比) %

4 結(jié)論與討論

(1)1960—2020年清河霧日數(shù)年變化呈緩慢增多趨勢，20世紀90年代霧日數(shù)開始高于平均值，21世紀初期(2001—2010年)霧日數(shù)達到最高，2011—2020年霧日數(shù)低于平均值。一年中霧主要出現(xiàn)在12月、1月和11月，秋冬季是霧的高發(fā)季節(jié)。

(2)2016—2020年清河濃霧和強濃霧日變化規(guī)律基本一致，強濃霧(能見度50～<200 m)出現(xiàn)頻次最多，累計時長最長，特強濃霧出現(xiàn)頻次最少，僅出現(xiàn)4次。在發(fā)布大霧預(yù)警信號過程中，升級大霧橙色預(yù)警信號的概率為55.1%，升級大霧紅色預(yù)警的概率較小。

(3)秋冬季霧主要在后半夜到清晨生成，其次為19—20時，11—17時較少有霧生成，消散時間主要在09—12時；秋冬季霧濃度越高，持續(xù)時間越長，平均持續(xù)時長為7.1 h，持續(xù)時長5 h以下占比最多，約占48%。

(4)10 min滑動能見度與相對濕度呈顯著負相關(guān),與10 min平均風(fēng)速呈顯著正相關(guān),相對濕度越大，風(fēng)速越小，越有利于高濃度霧的生成。秋冬季，當(dāng)相對濕度大于90%，10 min平均風(fēng)速小于3.0 m/s時，當(dāng)?shù)貥I(yè)務(wù)人員要注意結(jié)合天氣形勢，關(guān)注霧的生成和發(fā)展，及時發(fā)布相關(guān)預(yù)警信息。