地面辐合线与华北平原雾空间分布的关系

张 帆，曾建刚，秦保国，李宗涛

（1.中国气象局综合观测司，北京100081；2.河北省气象台，河北 石家庄050021）

雾是近地层空气中水汽凝结或凝华而使水平能见度＜1 km 的天气现象， 雾是在特定天气背景之下形成的，并具有高度局域性的高影响天气[1]。 随着经济建设步伐的不断加快，社会需求使得海、陆、空交通运输业（特别是航空和高速公路）飞速发展，雾的影响也越来越突出， 特别是能见度＜200 m 的浓雾，给交通运输业造成了频繁的严重事故和巨大的经济损失。 此外，雾天气常伴随着逆温的出现，非常不利于污染物的扩散， 严重影响人畜健康和安全。 尤其2013 年1 月华北平原出现了多次大范围雾霾天气（夜间到上午湿度大，观测天气现象为雾，下午湿度有所减小，天气现象为霾）。据环境监测显示，石家庄空气质量达到良好的日数仅有2 d， 雾霾天气引起了社会和公众的极大关注。 应加强对雾天气的成因认识，提高雾天气的预报能力。如何提高雾天气的预报预警能力？ 如何科学规划雾天气监测网等等是需要解决的迫在眉睫的科学问题。

华北平原是我国北方秋冬季大雾出现频率较高的地带，具有发生范围广、强度大、持续时间长的特点，如2002 年12 月9—19 日和2007 年12 月18—28 日分别出现了连续11 d 的大范围大雾天气，而在1994 年11 月的一次连续性大雾过程中， 河北南部的广平县、景县连续15 d 出现大雾[2]。持续如此长时间的大雾在国内外并不多见， 这说明华北平原的大雾有其独特之处。 有关华北平原雾形成的气象条件、成因等做过不少分析研究[2-9]。何立富等[3]分析了华北平原持续性大雾过程的动力和热力特征， 发现大雾期间华北平原大部地区为弱辐合区、 微弱的上升运动区， 这种微弱的上升运动非常有利于大雾向上发展。 康志明等[4]对2004 年冬季华北平原持续大雾天气进行了天气动力学诊断分析，得出：华北平原近地层900 hPa 以下有冷平流、 弱辐合上升运动引起该层气温下降，900～500 hPa 暖温度平流和辐散下沉运动造成该层气温升高， 在上升和下沉运动区的界面层中形成逆温层， 逆温层的高度和强度影响雾的形成和状况。 梁爱民等[5-6]分析了2007 年2 月21 日北京地区发生的一次平流雾过程。发现平流雾发生前，北京地区没有明显冷空气侵入，大气层结相对稳定，地面观测到中尺度辐合线，其南侧的东南气流向北京地区输送了水汽， 为夜间雾的形成提供了良好的基础条件。 赵金霞等[9]发现天津滨海新区风向、风速与不同污染程度有一定的关系；陆风会使污染物迅速增加，而海风就会逐渐减少。若滨海新区北部出现风场辐合线时，水汽、污染物会在辐合以南快速积累、混合。 以上研究均认为，华北平原的雾天气出现时近地层有弱辐合（辐合线）、弱上升运动。

近几年， 京津冀地区由于地理位置和严重的污染问题， 太行山山谷风环流的特征成为了关注的重点。 如，曾佩生等[10]使用10 a 的WRF 模式资料研究了京津冀平原地区局地大气环流日变化的气候特征， 得出京津冀地区低空风场变化是天气系统与局地环流共同作用的结果， 山谷风环流致使太行山沿线平原地区大气边界层内常年主导风向为偏北和偏南，且存在明显的日变化特征，夜间至早晨谷风转山风（偏北风），午后至夜间山风转谷风（偏南风）。随着探测设备的增加，探测手段的加强，探测资料种类繁多，观测资料的时空分辨率不断提高，京津冀有6 要素自动站站317 套（时间频率逐5 min），本文应用探测资料分析太行山与华北平原间的山谷风环流的日变化特征。 在日常业务中发现位于太行山东麓的华北平原由于山谷风的原因地面常常出现辐合线，这种辐合线具有明显的日变化， 夜间到早晨常常稳定在山前平原且与山体几乎平行， 一线业务预报人员称之为定常辐合线。 这种定常的地面辐合线与雾区的空间分布是否有关？ 由于雾霾天气监测站点布局需要考虑气候及地形等因素， 重点分析华北平原（京津冀平原地区）雾分布及成因，为科学布局雾天气监测网提供依据。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

华北平原属于温带半湿润半干旱大陆性季风气候。位置独特，西倚太行山，南接黄淮平原，东部有渤海湾，北部为燕山和坝上高原。 燕山自西向东、太行山自北向南构成半环状“弧形山脉” 环抱着华北平原，形成西北高、东南低逐级下降的地势（图1）。 坝上高原系内蒙古高原的一部分，地势南高北低，平均海拔1200～1500 m；北部燕山和西部太行山由中山、低山、盆地、丘陵组成，海拔多在2000 m 以下。

1.2 资料

本文所用资料来源于河北省气象信息中心，有2 类资料：（1）2000—2011 年京津冀地区的186 套地面气象站每天8 次的常规观测资料。（2）2009—2012年京津冀317 套自动站的逐小时观测资料（6 要素气象站）。

图1 京津冀地形图

本文使用的雾日的相关定义如下： 使用地面8次常规天气现象的观测资料，1 d 内（08 时—次日08 时，北京时，下同）某站至少有一次雾观测记录计为本站一次雾日，每站分别进行统计，得出12 a 中10 月—翌年2 月的各站年平均雾日。

2 京津冀地区雾的气候特征

由于雾主要出现在秋冬季， 通过对2000—2011 年10 月—翌年2 月京津冀雾日进行统计和筛选，得出10 月—翌年2 月的各站年平均雾日（图2，阴影为地形高度）。雾日呈现出南多北少，平原多山区少的特点， 雾日大值区主要出现在华北平原。北部的张家口、承德年均雾日不足4 d，平原地区年均雾日10 d 以上。 分析发现出现频率较高的区域呈带状分布，分布在北京西南部、保定、石家庄、邢台及邯郸，且与太行山近乎平行（近南北向），距太行山约40～100 km，其中宁晋站（石家庄市）的年平均雾日达40.1 d（约4 d 就有一雾日）。 燕山南部的唐山市为弱中心。可以初步推断华北地区雾多发区与地形有一定的关系，即特殊地形所造成的动力或热力强迫会对大雾天气的发生及其气候特征分布产生重要影响。

本文重点讨论太行山地形与华北平原雾区的关系。

3 太行山附近定常辐合线的分布特征

图2 2000—2011 年10 月至翌年2 月雾年平均日数

山谷风（mountain valley breeze）是由于山坡与谷地及其附近空气之间的热力差异而引起的； 白天风从山谷吹向山坡， 这种风称为“谷风（valley breeze）”； 到夜晚， 风从山坡吹向山谷称“山风（mountain breeze）”。 山风和谷风总称为山谷风。 华北平原西倚太行、北邻燕山，曾佩生等[10]使用10 a 的WRF 模式资料分析得出京津冀平原地区局地大气环流日变化的气候特征，山谷风环流致使太行山沿线平原地区大气边界层内常年主导风向为偏北和偏南，且存在明显的日变化特征，夜间至早晨谷风转山风（偏北风）， 午后至夜间山风转谷风（偏南风）。 但此结论是基于WRF 模式资料得出的，模式地形有别于实际地形。 王丽莱等[11]使用逐时风场分析华北中南部的辐合线的演变规律，但统计资料中包括强天气系统带来的系统性大风及雷暴大风，故统计结论不完全是太行山地形效应产生的， 但业务中发现太行山东麓地面常常存在一定常辐合线，推断太行山附近的定常辐合线就是由于山谷风的存在而形成的。

利用2009—2012 年10 月—翌年2 月京津冀317 套区域自动站的逐小时观测资料， 对河北省同时期地面风场的日变化规律进行分析。 张人文等[12]根据广州从化天湖地区基于小球观测资料， 利用矢量法将局地风与系统风分离， 发现山谷风日一般无明显天气过程，系统风速＜1.5 m/s，强冷空气过境时，系统风大，不会出现山谷风。为筛选出每个站点满足以上两条件的资料集（不受明显天气系统影响的资料），制定了以下筛选条件：（1）无降水、总云量＜6成（满足山地、平原因辐射不同存在温度的变化）；（2）2 min 平均风速＜6 m/s（无明显的天气系统影响）。分别将该数据集中每个站每个时次的风向风速观测数据进行平均计算，得到各站24 个时次的平均风向风速。 由文献[10-12]可知，山谷风风速较小，为突出辐合线的位置，将风速放大5 倍。

17 时开始山区站转山风（偏北风），偏北风与偏南风的地面辐合线形成， 然后此辐合线随时间向东移动，22 时—次日06 时基本在距山体60～90 km 的位置左右摆动。 07—09 时继续向东移动，但辐合线的强度减弱，直到11 时辐合线消失。12 时开始在石家庄及以南的太行山东麓常出现偏南风与东到东北的辐合线， 一般出现在12—16 时， 稳定少动（图3b）。由于太行山地形存在而产生的辐合线在白天和夜间的位置是准定常的。

华北平原多雾时段高空常常以平直纬向环流为主，地面气压场较弱，有逆温存在且维持时间较长。秋冬季连续性大雾过程一般不是单一类型的雾，一般是几种类型的雾交替出现，如辐射雾、平流雾、锋面雾、平流辐射雾，李江波等[13]认为华北平原地区以平流辐射雾居多。 华北平原雾一般出现在后半夜至清晨， 据首都机场1976—2008 年的逐时统计得出02—09 时是出现大雾频次最高的时段，上午至中午

前后消散。 在晴朗、微风、近地面水汽比较充沛的夜间或早晨，天空无云阻挡，地面热量迅速向外辐射，近地面层的空气温度迅速下降， 如果空气中水汽较多，就会很快达到过饱和而凝结成雾。空气绝热上升降温，与辐射降温共同作用有利于逆温层的形成，同时地面常有辐合线存在，伴有弱上升运动，这种较弱的上升运动加剧了垂直混合， 可以使近地层的水汽向上输送，使湿层达到一定的厚度，使水汽在逆温层高度内充分混合，有利于大雾向上发展[7]。 图3 与图2 对比看，河北平原地面辐合线的位置（图3a 双实线） 与2000—2011 年10 月—翌年2 月河北平原地区雾日大值区的分布基本一致。 这说明雾的形成与太行山附近的定常地面辐合线有一定的关系，即：在有利于雾生成的其他条件（降温、增湿、逆温层等条件）满足的情况下，地面辐合线的存在增加了雾形成的可能。 在实际业务预报雾天气时要考虑地形的影响（准定常辐合线的位置）。

图3 地面风场及地面辐合线

4 2013 年1 月21—22 日华北平原大雾与地面辐合线的关系

2013 年1 月华北平原地区出现了长时间的雾霾天气， 因雾霾天气石家庄机场共有119 个航班取消，12 个航班延误。 河北省有22 条高速公路关闭，黄骅港和曹妃甸港采取海上交通管制措施。 华北平原持续时间如此长的雾霾天气属少见， 这也引起了社会和公众的极大关注。 从京津冀地区出现雾的站次数来看（图4），出现能见度＜1 km 的雾、站次数超过20 站次的日数为17 d， 其中3 d 超过100 站次。 22 日雾的范围最大为152 站次，出现＜0.05 km的强浓雾19 站次，21 日夜间至22 日大范围浓雾天气属于辐射雾。 21 日早晨出现了14 站的能见度＜1 km 的雾，由于白天积雪融化，近地层增湿明显，华北平原大部分地区14 时相对湿度在70%以上。21 日前半夜开始到22 日华北平原出现大范围的雾天气（图5），仅河北出现能见度＜500 m 的浓雾为84站次（其中强浓雾19 站次）。

2013 年1 月21—23 日，500 hPa 高空图上，华北上空为平直纬向环流（19—20 日受短波槽影响，华北平原地区普降中雪，西部地区降大雪）。地面位于高压前部，气压场较弱，属于无明显槽脊活动的时段；天空云量少，白天有太阳辐射，夜间有长波辐射，山地、平原因辐射不同存在温度的变化（山地白天温度高，夜间温度低），符合山谷风环流存在的2个条件。

图4 2013 年1 月京津冀地区逐日雾、浓雾、强浓雾的站次数

图5 1 月22 日01 时地面风场与22 日最小能见度（单位：m）

分析1 月22 日夜间地面风场与22 日最小能见度可知，20 时山区与平原交界处有一条辐合线（与图3 的统计结果相比，该日南段的辐合线不明显）并缓慢东移，在距山60～80 km 处稳定少动。 22 日01时辐合线位于保定东部到石家庄东部地区（图5），从地面湿度分布来看，20 时开始河北中南部地区相对湿度在90%以上（平原部分站100%），说明中南部地区的地面湿度条件几乎相当。对应图5 中21 日夜间至22 日的最小能见度观测值（读取各站危险报中能见度最小的一次），辐合线附近能见度多在200 m以下，有11 站＜50 m，说明辐合线附近雾的浓度比其它地区更强。

5 结论与讨论

通过对华北平原地区地面风日变化的演变规律、雾日的空间分布特征的分析，得出以下结论：

（1）10 月—翌年2 月华北平原年平均雾日多发区对应地面定常辐合线的位置， 此结论为华北地区雾的业务预报提供了气候背景， 有一定的实际应用价值。

（2）以2013 年1 月21—22 日华北平原雾天气过程为例，辐合线附近的能见度相对较低，即辐合线附近雾的浓度强。 这说明无论气候统计规律还是本次大雾个例，雾区与辐合线息息相关。此方法可应用到受地形影响地区的大雾预报， 如新疆冬季准噶尔盆地大雾天气预报等，因此有一定的推广应用价值。

本文统计得出太行山东部的华北平原在10月—翌年2 月期间， 地面定常辐合线附近是雾多发区、且浓度较强的结论。此成果在河北省的业务预报中应用，为雾的精细化预报提供了技术支撑。但偶尔有这种情况发生，即：在天空晴朗少云、地面湿度较大的情况下， 地面辐合线附近并没有出现能见度＜1 km 的雾。究其原因，可能与大气颗粒物质量浓度及化学组成有关， 而气象原因应与定常辐合线的垂直结构及其在大雾天气中的作用有关， 目前华北平原太行山沿山地区只有邢台探空站， 垂直探测的时空分辨率不足。 为加强辐合线在雾天气的成因认识，提高雾天气的预报能力，在科学规划监测网，尤其是制定垂直探测网布局规划时应充分考虑准定常辐合线的位置。

致谢：北京大学物理学院大气科学系的陶祖钰教授在制定地形辐合线标准时的悉心指导。