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贵州高速公路大雾分布特征及预报指标探讨
发布时间:2018-12-03        浏览次数:11        返回列表

吉廷艳 彭芳 廖波 夏晓玲 秦杰

摘  要:利用2016—2017年气象站逐小时观测资料,分析了贵州高速公路大雾分布特征,筛选了9次典型大雾天气过程,分析锋面大雾和辐射大雾形成机理,探讨贵州高速公路大雾预报指标。结果表明:贵州高速公路大雾分布极不均匀,具有显著的地域性特点,沪昆高速玉屏县附近和普安县附近、兰海高速息烽县附近、贵遵复线开阳境内、杭瑞高速大方县附近是大雾最频发中心。锋面大雾的形成和维持与静止锋云系发展、锋面系统东西摆动、低空水汽持续辐合、锋面逆温维持等因素有关。辐射大雾的形成维持主要与冷高压影响、辐射降温作用、近地面水汽条件等因素有关。从大气环流形勢、静止锋变化趋势、大气层结状况、水汽和动力条件、地面要素预报等方面总结了贵州高速公路大雾预报指标。

关键词:高速公路  大雾  形成机理  预报指标

中图分类号:P49    文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2019)10(a)-0046-05

大雾天气(能见度≤500m)是贵州常见的自然灾害,严重影响公路、水运、航空等交通运输安全。随着贵州高速公路建设营运快速发展,加上特殊地形地貌作用,大雾对贵州高速公路交通运输的危害越来越突显,因大雾造成高速公路重大交通事故屡有发生,给国民经济和人民生命财产带来重大损失。如2010年12月27日清晨因大雾天气贵遵高速公路南白镇至遵义路段20多辆车连环相撞,造成7人死亡、15人受伤;2012年2月28日下午沪昆高速晴隆路段因大雾天气发生6车连环相撞事故,2人当场死亡;2015年1月27日贵遵高速公路因大雾和降雨天气,15车连环追尾,1人死亡、4人受伤。开展高速公路大雾天气特征和预报方法研究,对保障高速公路交通安全具有重要意义。

大雾对高速公路的影响引起了人们广泛关注和研究。王博妮等研究者[1]对江苏沿海高速公路低能见度浓雾气候特征和影响因子进行了研究。田小毅等研究者[2]对沪宁高速公路江苏段低能见度浓雾天气过程实时资料分析,证实了浓雾具有较强的地域性特征,在丘陵、水网密集地区多局地性浓雾,日出后是团雾多发时段。包云轩等研究者[3]对沪宁高速公路2009年11月7日大雾过程开展了数值模拟试验。何明琼等研究者[4]对2014年1月沪渝高速公路汉宜段一次大雾个例分析表明:近地层逆温、地面处于高压底部前端均压场、中纬度维持偏西气流,为大雾形成和发展提供了有利的环流背景场条件。有多位研究人员[5-11]对高速公路大雾及其影响也开展了相关研究[5-17]。贵州因地形作用常受静止锋影响而出现锋面大雾,也常因夜间晴空辐射降温而产生辐射大雾。

该文利用2016—2017年贵州气象站逐小时观测资料,统计分析贵州高速公路大雾分布特征,同时筛选了9次典型大雾天气过程,利用MICAPS(气象信息综合分析处理系统)天气图、贵阳探空等资料,分析锋面大雾和辐射大雾形成机理,探讨贵州高速公路大雾预报指标,为高速公路大雾预报服务提供技术参考。

1  资料与方法

贵州能见度自动观测站的建设始于2013年,到2016年建设了77县站。从CIMISS系统(全国综合气象信息共享平台)读取全省2016—2017年逐小时能见度资料,剔除重复数据,统计两年能见度低于500m的站点时次。由于大雾和强降雨都可能造成低能见度天气,因此,同时也统计小时降水量超过10mm且能见度低于500m的站点时次,由此排除强降雨造成的低能见度情况。利用GIS邻近点插值技术,将全省各县站大雾时数插值到高速公路,分析高速公路大雾空间分布特征。

选取2016—2017年9次典型大雾过程(5次锋面大雾、4次辐射大雾),利用MICAPS天气图、贵阳探空等资料重点分析大雾天气环流形势、大气层结特征、水汽条件和动力条件等大雾形成机理,分析大雾生消过程中对应站点逐小时风、温、压、湿等相关气象要素演变特征,总结锋面大雾和辐射大雾预报指标。

受静止锋影响而出现的大雾为锋面大雾,所选锋面大雾过程包括2016年1月2日、2016年4月9日、2016年11月12~14日、2017年1月3~4日、2017年3月9~12日。

因辐射降温作用而产生的大雾为辐射大雾,所选辐射大雾过程包括2016年2月27日、2016年11月11日、2016年11月27日、2017年7月1日。

2  高速公路大雾分布特征

贵州高速公路大雾分布极不均匀,呈现显著的地域性特点(见图1)。沪昆高速玉屏县附近和普安县附近、兰海高速息烽县附近、贵遵复线开阳境内、杭瑞高速大方县附近是大雾最频发中心,2年大雾时数在1000h以上。根据大雾时数将相应路段划分为大雾频发、大雾较多和大雾较少路段。

大雾频发路段:沪昆高速(G60)铜仁—万山—玉屏、关岭—普安—盘县,兰海高速(G75)都匀境内、息烽境内,杭瑞高速(G56)大方境内,贵遵复线开阳境内,江都高速(S30)开阳-息烽,银百高速(G69)贵阳-瓮安、正安景内,沿榕高速(S25)德江境内,惠兴高速(S50)贞丰境内,贵黔高速(S82)大方境内、晴兴高速(S65)普安境内。这些路段2年大雾时数在500h以上。

大雾较多路段:沪昆高速(G60)玉屏—三穗—台江、麻江—龙里—贵阳—清镇、安顺—镇宁—关岭,兰海高速(G75)都匀—麻江—龙里,杭瑞高速(G56)思南-凤岗、遵义境内,夏蓉高速(G76)三都-都匀、贵阳境内,松从高速(S15)黎平境内,余安高速(S62)丹寨-凯里,蓉遵高速(G4215)赤水境内,贵黔高速(S82)贵阳-黔西,汕昆高速(G78)安龙-兴义,晴兴高速(S65)兴义-兴仁,水盘高速(S77)水城-盘县,水威高速水城-威宁,都香高速(G7611)六枝-镇宁。这些路段2年大雾时数在100小时以上。

大雾较少路段:除大雾频发路段和大雾较多路段外,其余路段为大雾较少路段。

3  大雾形成机理分析

贵州大雾主要与夜间辐射降温、静止锋活动及地形等因素相关,因此,贵州大雾可以分为辐射大雾、锋面大雾和地形大雾。地形大雾局地性明显、范围有限。这里仅对锋面大雾和辐射大雾进行分析。

3.1 锋面大雾形成机理

对5次锋面大雾过程分析表明:高空中高纬径向环流明显、高原多小槽东移,或南支槽活跃,低空偏南气流将南海水汽(有时为偏东气流将东海水汽)向贵州等地输送,静止锋云系发展和锋面系统东西摆动是大雾形成和发展的有利天气条件。水汽在贵州上空持续辐合导致低云发展增厚、云底下降,云底在海拔较高山地接地形成地面大雾;静止锋系统东西摆动,冷暖气流交汇致使大雾持续发展;锋面逆温增强致使大气层结较为稳定,有利于水汽在低空聚集和低云发展;低层气流辐合上升有利于低云发展加强,中层气流辐散下沉有利于云底下降形成地面大雾。大雾期间地面风速较小,10min平均风速为0~3m/s,相对湿度较大,一般为97%~100%,温度露点差为0℃~0.5℃;气温变化小,小时变温小于1℃。

以2016年1月2日大雾过程为例分析锋面大雾形成机理。

3.1.1 个例实况

2016年1月2日贵州出现大范围锋面大雾天气,多条高速公路出现大雾。大范围大雾主要出现在1月2日04~10h,持续有10个以上县站出现大雾,并于2日06时达到最广为15县站。整个大雾天气过程持续59h,从1日02时起至3日13时止。

气象要素变化特点(以贞丰县为例):贞丰大雾持续时间最长,从1日16时到2日20时共29h,其中,2日00~15h能见度持续低于100m。大雾期间,贞丰空气湿度很大,一直维持99%,温度露点差维持0.1℃;风速较小,10min平均风速在0.2~2.8m/s之间;大雾期间伴有降雨出现;气温变化小,大雾初期处于恒温状态,大雾消散时气温变化也不明显,能见度迅速增大超过1000m时气温仅比大雾初期气温升高1.5℃;地气温差一直处于正变化状态,且大雾初期和后期的变幅较大;气压呈现波动式变化,并呈下降状态。

3.1.2 环流形势及静止锋演变特征

2016年1月2日大雾过程前后,500hPa西太平洋副高与印度洋副高相连并稳定维持,南支槽持续存在。欧亚高纬地区的低涡逐渐分裂形成两个中心,两低涡之间形成一条宽广横槽,2日08时贝加尔湖北面低涡东移入海,高原小槽于2日20时经贵州东移。700hPa贵州主要受西南气流影响,850hPa贵州也主要受偏南气流影响,有利于水汽输送。1日20时850hPa有弱冷平流东移影响贵州(见图2),冷平流的影响加强了锋面逆温结构,有利于低空水汽聚集和低云发展。

地面图上,大范围大雾形成前,静止锋位于云南省中东部,华北冷高压中心带动冷空气缓慢南下,贵州西部部分县市出现大雾。1日白天冷空气势力减弱,冷高压中心东移入海,伴随静止锋东退,大雾范围有所扩大,1日14时静止锋东退到云南与贵州交界。1日20~23時,弱冷空气从东北回流影响贵州,静止锋又有所西伸。2日02~05时南风势力开始增强,静止锋被东推移动。随后,又有弱冷空气从偏北路径影响贵州,静止锋西伸。由于静止锋东西摆动造成贵州中西部大范围大雾天气。2日下午,随着南风增强,静止锋逐渐减弱,大雾天气随之减弱。

3.1.3 大气层结特征

锋面逆温发展变化和水汽状况对锋面大雾形成、发展及消散有重要作用。一旦低层有冷空气入侵,锋面逆温将得以形成或增强发展,致使大气层结较为稳定,有利于水汽在低空聚集,同时,暖湿气流将沿锋面抬升,绝热上升冷却凝结形成云系。锋面逆温增强和水汽充足,有利于云层发展增厚、云底下降,并在海拔较高山地形成地面大雾。随着逆温层减弱消失,云底抬升,锋面大雾也随之减弱消散。

分析贵阳探空资料发现,在冷空气影响下,1月1日20时锋面逆温在800hPa高度附近维持,低层湿度较大,800hPa高度以下温度露点差为0.1℃~0.9℃,云底到达885hPa高度,低云在发展增厚并导致近地面大范围大雾形成和发展。2日08时锋面逆温有所减弱,并于3日08时消失,大雾天气也趋于结束。

3.1.4 水汽输送条件

低空充沛的水汽是低云发展下沉并导致锋面大雾形成的必要条件。多数情况低空水汽来源于南海海面,有时也来源于东海海面。850hPa比湿大于6g/kg并处于水汽辐合带时,有利于大范围锋面大雾形成。

850hPa上,1月1日白天偏南气流将南海水汽向北输送,贵州比湿大于6g/kg,水汽通量大于2×10-7g/(s·cm·hPa),同时贵州大部处于水汽辐合地带,丰富的水汽输送和辐合是低云发展增厚并导致近地面大雾生成的有利条件。2日白天,由于南风增强,水汽辐合带移到湖南、湖北等地,贵州处于水汽辐散区,低云发展受限,地面大雾也随之减弱。

3.1.5 动力条件

锋面大雾形成与低云发展密切相关。分析中低层大气涡度、散度和垂直速度发现,大范围大雾形成前,1月1日08时850hPa贵州区域涡度为正、散度为负、垂直速度为负,700hPa涡度北部正南部负、散度北部正南部负、垂直速度为负,说明中低层大气主要为辐合上升运动,有利于低云发展加强。20时850hPa贵州区域涡度为正、散度部分区域为负、垂直速度为正,700hPa涡度北部正南部负、散度为正、垂直速度为正,反应了中低层大气主要处于辐散下沉状态,低云的下沉有利于近地面大雾形成。

3.2 辐射大雾形成机理

通过4次辐射大雾过程分析发现:辐射大雾一般出现在阴雨天气过后晴朗少云的夜间。秋、冬春季高空受强盛西北气流影响,中低空为高压脊影响,温度场上存在冷舌,地面受冷高压控制;夏季高空为槽后高压脊影响,中低空为切变系统后弱高压影响,并有弱冷平流入侵,地面为均压场形势;低空冷平流影响加上夜间辐射降温作用有利于大雾天气形成。与锋面大雾不同,辐射大雾由于地面辐射降温致使近地层逆温区形成或增强,近地面大气处于较稳定状态,水汽聚集在近地面,大雾主要由近地面水汽凝结形成;近地层空气微弱扰动是辐射大雾形成和发展的动力条件。辐射大雾期间地面风速和相对湿度与锋面大雾类似,风速较小、相对湿度较大,但气温变化不同,大雾初期或形成前气温呈下降状态,大雾中期处于弱降温或弱升温状态,大雾消散期升温现象较明显,地气温差呈现由负值到正值或由低到高变化趋势,反映了近地层大气由较稳定逆温环境向不稳定环境变化过程,大雾消散时地气温差会出现3℃~10℃以上不等的跳跃性增大现象。

以2016年11月27日大雾过程为例分析辐射大雾形成机理。

3.2.1 个例实况

2016年11月27日贵州发生大范围辐射大雾天气过程,杭瑞、沪昆等高速公路出现大雾,整个过程持续13h。27日04~09时,持续有11个以上县站产生大雾,07~08时范围最广,达16县站,大雾于11时后逐步消散。

气象要素变化特点(以三穗县为例):三穗大雾持续时间最长为11h(27日00~10时)。大雾期间,相对湿度持续为98%~99%,温度露点差为0.1℃~0.3℃;风速较小,10min平均风速在0.4~1.2m/s之间;大雾中前期气温呈下降状态,大雾消散时气温迅速上升;地气温差呈现正变化状态,大雾消散时地气温差增幅较大;气压呈现波动式变化。

3.2.2 环流形势

2016年11月26日20时,500hPa亚洲中纬度为两槽一脊形势,高压脊位于华西北到蒙古一带,贵州为西北气流影响;700hPa和850hPa贵州均受高压脊影响,温度场上存在明显冷舌;地面冷高压将静止锋推到云南中西部地区,贵州受冷高压控制,天气晴朗。低空冷平流影响加上夜间晴空辐射降温作用造成大范围辐射大雾天气。

3.2.3 大气层结特征

辐射大雾形成前低空有逆温层存在,有利于水汽聚集,由于近地面夜间辐射降温作用,促进了逆温层增厚,同时辐射冷却作用致使水汽凝结形成雾。日出后,随着近地面气温迅速上升,逆温层被破坏,空气湿度减小,大雾迅速消散。

11月26日下午由于冷高压控制,贵州大部地区转为晴天。分析贵阳探空资料发现,26日20时800hPa高度附近有浅层逆温存在,从底层到高层大气基本都很干燥。在辐射降温作用下,27日08时800hPa高度以下为深厚逆温区,大气层结稳定,有利于水汽聚集,并导致低空湿度增大(883hPa高度处温度露点差为0.4℃),从而形成大范围大雾天气。

3.2.4 水汽条件

辐射大雾水汽条件主要取决于近地面大气中水汽含量,一般来说,降雨过后空气中水汽含量较大,在降温作用下空气中水汽容易达到饱和,从而有利于大雾形成。分析表明:大雾之前相对湿度大于70%、比湿大于6g/kg,大雾期间相对湿度大于96%,比湿有所下降。

11月26日白天,全省大部地区雨止转多云到晴天,26日20时相对湿度大部地区为70%~90%,比湿为6~8g/kg,空气中有较大水汽含量。随着夜间辐射降温和近地层逆温区形成,空气中水汽达到饱和凝结形成大雾,27日07~08时大雾范围达到最广,相对湿度中东部大部地区达96%以上;随着大雾形成,比湿随之减小,大部地区比湿降为5g/kg左右。

3.2.5 动力条件

近地层空气微弱扰動是辐射大雾形成和发展的动力条件,微弱风速作用有利于空气垂直混合,致使辐射冷却效应能够伸展到较高厚度大气中,从而形成辐射大雾。没有风的作用,辐射冷却效应仅发生在贴近地面气层中,只能生成薄薄浅雾;风速过大,将导致上下空气流动过强,辐射降温幅度较小,水汽不易达到过饱和状态,从而不易形成辐射大雾。对4次个例分析表明,辐射大雾形成前后10min平均风速一般为0.5~2m/s。

4  大雾预报指标

通过锋面大雾和辐射大雾天气个例分析,结合高速公路大雾分布特征,总结形成贵州高速公路大雾预报指标。

4.1 锋面大雾预报指标

主要时段:锋面大雾主要发生在冷空气活跃季节,以秋、冬、春季出现较多。由于冷空气影响,静止锋易在云贵高原形成和持续,有利于大雾形成。重点考虑1~6月和10~12月,一天中任何时刻都可能出现。

环流形势:高空中高纬径向环流明显、高原多小槽东移,或南支槽活跃,低空偏南气流持续发展,静止锋云系发展和锋面系统东西摆动。

静止锋变化趋势:静止锋在贵州中北部维持,重点考虑息烽、开阳、大方、万山等地附近路段;静止锋在贵州西部边缘维持,重点考虑普安、晴隆、贞丰等地附近路段。地面冷空气影响、静止锋西伸发展,重点考虑中西部高海拔路段。南风增强、静止锋东退北抬,重点考虑中西部高海拔路段。

大气层结状况:探空图上800hPa附近逆温存在,低层空气湿度接近饱和(850hPa温度露点差<1℃),云底下降低于850hPa高度。

水汽和动力条件:大范围大雾前,低空偏南风将南海水汽或偏东风将东海水汽向贵州输送,850hPa比湿大于6g/kg并处于水汽辐合带。低层气流辐合(负散度)和中层气流辐散(正散度)有利于低云发展增厚,进而促进云底下降形成地面大雾。

地面要素预报:欧洲中心数值预报为基础,地面相对湿度>96%(或温度露点差<0.6℃),10min平均风速<4m/s,小时气温微降或微升,小时变温<1℃。

4.2 辐射大雾预报指标

主要时段:辐射大雾主要发生在夜间到早晨,有利天气条件下,全年都可能出现,但以秋、冬、春季出现较多。

环流形势:秋、冬、春季高空为强盛西北气流,中低空高压脊影响,温度场上存在冷舌,地面受冷高压控制,天气由阴雨转为晴天。夏季,高空为槽后高压脊影响,中低空为切变系统后弱高压影响,有弱冷平流入侵,地面为均压场形势,天气为雨止转晴过程中。重点考虑中东部低海拔路段。

大气层结状况:探空图上800hPa高度以下为深厚逆温区,夏季表现为800hPa高度附近为浅层逆温;大雾之前整个大气层空气湿度较小(夏季大雾有所不同),大雾过程中近地层空气湿度较大。

水汽和动力条件:降雨过后近地面空气中水汽含量较大,在降温作用下水汽容易达到饱和,从而有利于大雾形成。大雾之前相对湿度大于70%、比湿大于6g/kg,大雾期间相对湿度大于96%,比湿有所下降。微弱风速作用是辐射大雾形成的动力条件,辐射大雾形成前后10min平均风速一般为0.5~2m/s。

地面要素预报:欧洲中心数值预报为基础,地面相对湿度>96%(或温度露点差<0.6℃),10min平均风速<4m/s,起雾初期气温下降、地气温差为负值,24h变温多数为负值,一般<2℃,小时变温<1℃。

5  结语

(1)贵州高速公路大雾分布极不均匀,具有显著的地域性特点。沪昆高速玉屏县附近和普安县附近、兰海高速息烽县附近、贵遵复线开阳境内、杭瑞高速大方县附近是大雾最频发中心。大雾频发路段包括:大雾频发路段:沪昆高速(G60)铜仁—万山—玉屏、关岭—普安—盘县,兰海高速(G75)都匀境内、息烽境内,杭瑞高速(G56)大方境内,贵遵复线开阳境内,江都高速(S30)开阳-息烽,银百高速(G69)贵阳-瓮安、正安景内,沿榕高速(S25)德江境内,惠兴高速(S50)贞丰境内,贵黔高速(S82)大方境内、晴兴高速(S65)普安境内。这些路段两年大雾时数在500h以上。

(2)对锋面大雾个例分析表明:高空中高纬径向环流明显、高原多小槽东移,或南支槽活跃,低空偏南气流将南海水汽(有时为偏东气流将东海水汽)向贵州等地输送,静止锋云系发展和锋面系统东西摆动是大雾形成和发展的有利天气条件。水汽在贵州上空持续辐合导致低云发展增厚、云底下降,云底在海拔较高山地接地形成地面大雾;静止锋系统东西摆动,冷暖气流交匯致使大雾持续发展;锋面逆温增强致使大气层结较为稳定,有利于水汽在低空聚集和低云发展;低层气流辐合上升有利于低云发展加强,中层气流辐散下沉有利于云底下降形成地面大雾。大雾期间地面风速较小,10min平均风速为0~3m/s,相对湿度较大,一般为97%~100%;气温变化小,小时变温小于1℃。

(3)对辐射大雾个例分析发现:秋、冬春季高空受强盛西北气流影响,中低空为高压脊影响,温度场上存在冷舌,地面受冷高压控制;夏季高空为槽后高压脊影响,中低空为切变系统后弱高压影响,并有弱冷平流入侵,地面为均压场形势;低空冷平流影响加上夜间辐射降温作用有利于大雾天气形成。地面辐射降温致使近地层逆温区形成或增强,近地面大气处于较稳定状态,大雾主要由近地面水汽凝结形成;近地层空气微弱扰动是辐射大雾形成和发展的动力条件。辐射大雾期间,风速较小、相对湿度较大,气温在大雾初期或形成前呈下降状态,大雾消散期升温现象较明显,地气温差呈现由负值到正值或由低到高变化趋势。

(4)通过对大雾天气个例分析,结合高速公路大雾分布特征,从环流形势、静止锋变化趋势、大气层结状况、水汽和动力条件、地面要素预报等方面总结了贵州高速公路大雾预报指标。

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