王博妮,主要从事交通气象预报服务与大气环境研究.Email:
文章对2012年6月至2014年6月期间发生于江苏省沿海高速公路的浓雾过程(能见度<0.5 km)进行统计分析,探讨了低能见度浓雾的气候特征、气象要素变化以及主要环流形势背景。研究结果表明:(1) 低能见度浓雾月分布次数有显著差异,3—6月、12月至次年2月雾发生次数最高,春、冬季高于夏、秋季;03:00—05:00为低能见度生成的高峰时段,08:00左右为消散峰值时段。(2) 能见度低于0.5 km后,如果相对湿度继续增大到97%左右、温度处于0~4℃、风速在0~2 m·s-1、风向在ENE—SSE,能见度可能继续下降到0.2 km以下。(3) 对150366个样本的环流背景统计分析表明,中北部路段的低能见度天气大多数是由锋前雾引起的,主要出现在中低层暖区域内,地面为冷锋前部弱气压场的环流条件下。全路段大面积低能见度天气由辐射雾和平流雾造成,辐射雾天气形势主要是高层为下沉气流,配合地面受弱高压或高压南下;平流雾出现在中低层暖性系统,地面位于入海高压后部或低压倒槽东侧,低层盛行偏东风或东南风。(4) “象鼻型”先期振荡现象适用于沿海高速公路低能见度预报过程,尤其对能见度稳定维持0.2 km以下的浓雾过程有很好的预警和监测作用。
This paper analyzed the dense fogs with low visibility ( < 0.5 km) that occurred from June 2012 to June 2014 on the Jiangsu Coast Expressway, and investigated the climate characteristics, meteorological elements and main circulation situation of these dense fogs with low visibility. The results indicated that there are significant differences in the monthly frequency of the dense fogs. Fogs occur frequently from March to June, and also from December to the next February. The frequency of the dense fog in spring and winter is higher than that in summer and autumn. The peak of the low visibility usually appears during 03:00-05:00 BT in the early morning, and dissipates at around 08:00 BT. If the visibility is lower than 0.5 km, the relative humidity increases to 97%, temperature is 0-4℃, wind speed decreases to less than 2 m·s-1, and wind direction is between ENE and SSE, then the visibility can further decrease to less than 0.2 km. The statistical analysis of the circulation background based on 150366 samples indicates that the low visibility in the northern and central section of the expressway is closely related to prefrontal fog. This section is located in the forepart of the cold front, and the warm sector exists in the mid-low level part. The low visibility of the whole expressway is due to the advection fog and radiation fog. The radiation fog exists in the downdrafts of upper air, and the weak pressure field or the high pressure moves to the south on the surface. The advection fog is in the region of thermal advection in the mid-low troposphere and behind the high-pressure system entering the sea or at the east side of the inverted trough, while southeast and east winds are blowing on the surface. Before the dense fog (the visibility < 0.2 km) comes, there is a large-amplitude oscillation with obvious "trunk-like" fluctuating forepart in terms of the visibility on the Jiangsu Coast Expressway. This feature provides a basis for monitoring and warning of the dense fog with visibility below 0.2 km.
由于高速公路具有技术等级高、设施完善、出入受限、车辆行驶速度快等特点,浓雾诱发的高速公路交通事故往往是灾难性的(
南京交通气象研究所与江苏省高速公路联网中心合作,率先对江苏省内16条高速公路开展交通气象预报服务和研究工作。目前以沪宁高速公路为对象展开了大量交通气象方面的研究,已对沪宁高速公路浓雾实时监测特征、能见度演变规律以及局地性团雾等进行了大量探讨(
针对上述情况,本文利用沿海高速公路江苏段沿线布设的自动气象站2012年6月至2014年6月期间的逐分钟气象资料,对江苏沿海高速公路能见度<0.5 km的浓雾过程进行统计分析,旨在揭示浓雾过程的气候特征、气象要素变化条件以及影响沿海高速公路的主要环流特征等关键气象信息,从而为沿海高速公路低能见度浓雾的预报预警提供技术参考。
本文选用2012年6月至2014年6月期间江苏沿海高速公路沿线布设的16套环境气象自动监测站(AWMS)的逐分钟气象数据,气象要素包括能见度、湿度、风速、风向、雨量和温度等。选取能见度低于0.5 km、相对湿度大于95%、浓雾过程持续时间大于30 min、降雨量小于10 mm且两站及两站以上站出现浓雾天气作为一个样本(次数)处理。
雾引发的低能见度天气是交通气象预报业务中的难点和重点。过去由于未建立专门的高速公路气象监测系统,对高速公路能见度的研究资料主要依据地面常规天气观测资料,难以获得长期稳定的高时间分辨率公路气象监测数据。此外,所用数据来源于基准站,在空间上也难以代替高速公路这种特殊环境。本文利用沿海高速公路沿线布设的高时间分辨率数据,统计分析该高速公路上低能见度浓雾的月、日、季节变化等规律。
从江苏沿海高速公路2012年6月至2014年6月期间各站雾日统计次数的逐月变化和季节变化来看,低能见度出现的峰值段是1、3—4、6、9、10和12月,其中3—4月和6月变化最为明显(
江苏沿海高速公路2012年6月至2014年6月期间低能见度的月变化(a)与季节变化(b)
Monthly (a) and seasonal (b) varations for low visibility on the Jiangsu Coast Expressway from June 2012 to June 2014
3—6月低能见度次数增多的原因可能有以下几点:(1) 每年5月底至6月中下旬,江苏省及周边省(市)进入夏收夏种的秸秆焚烧高峰期,这种生物质燃烧排放及形成的二次气溶胶颗粒物悬浮在空中,造成江苏出现不同程度的霾天气,当空气中相对湿度大于95 %时,气溶胶颗粒被水滴吸附和包裹,经过散射、反射等物理过程形成浓雾,致使能见度下降(
12月至次年2月,冷空气活动频繁,锋面冷却效应明显,加之沿海地区水汽充沛,冷锋前平流降温叠加辐射降温形成低能见度天气。在本次研究中,11月低能见度次数较低,通过对近三年11月发布的交通气象低能见度预警和临近次数统计表明,11月低能见度预警和临近次数发布不多。虽然11月天气静稳,有利于雾、霾的产生,但对交通气象产生重要影响的低能见度天气并不多。7和8月低能见度过程偏少,是因为夏季大气环流调整,影响江苏的系统变化强烈且迅速,这一时段主要是受短时强降水、台风以及副热带高压控制下的高温天气为主,低能见度过程发生的次数较少。
对江苏省沿海高速公路段低能见度日变化进行统计发现,该高速公路低能见度天气在一天当中任何时次都有可能出现,但在进入午夜后,低能见度出现的次数逐渐增多;日出后,由于太阳辐射增强,低能见度出现的次数逐渐减少(
江苏沿海高速公路2012年6月至2014年6月期间低能见度的日变化
Diurnal variation of low visibility on the Jiangsu Coast Expressway from June 2012 to June 2014
江苏沿海高速公路2012年6月至2014年6月期间各站点低能见度变化特征
Variation characteristics of low visibility at various monitoring stations along the Jiangsu Coast Expressway from June 2012 to June 2014
高速公路上能见度的变化,直接影响行车安全。因此很有必要进一步观察高速公路上主要气象要素的变化,揭示低能见度的成因并推断出不同级别的能见度变化趋势,以采取对应的交通管制对策。通过对江苏省沿海高速2012年6月至2014年6月期间历史资料进行质量控制后,满足条件的样本有150366个。分析发现在能见度低于0.5 km后,在一定的气象条件下,继续减小到0.05~0.2 km的频率达到了0.05以上(
2012年6月至2014年6月期间江苏沿海高速公路主要气象要素的频率分布
Probability distribution of major meteorological elements on the Jiangsu Coast Expressway from June 2012 to June 2014
综上分析可知,沿海高速公路能见度低于0.5 km时,在发布交通气象预警预报后,如果相对湿度继续增大到97%左右、温度在0~4℃、风速变化在0~2 m·s-1、风向在ENE—SSE,能见度就很有可能继续下降到0.2 km以下,需要做好提前发布交通气象临近预报的准备。
2013年12月4日江苏沿海高速公路如皋站气象要素随时间的变化
Meteorological elements collected from Rugao Station on Jiangsu Coast Expressway on 4 December 2013
配合12月4日温度和相对湿度变化图谱来看(
“象鼻型”先期振荡不仅在大面积浓雾预报中有很好的应用,而且对区域性浓雾的判断也有很好的警示作用。在交通气象预报中,当预报员看到有利于成雾的天气形势时,可根据能见度的“象鼻型”先期振荡监测特征,及时发布交通气象预警和临近预报服务,可大幅提高交通气象服务的时效性。
低能见度浓雾总是发生在一定的天气形势下,通过对江苏沿海高速公路150366个浓雾样本个例的环流背景进行分析,发现影响沿海高速公路低能见度浓雾天气的低层环流形势有高压后部、均压场、弱高压、锋前和锋面附近、低压倒槽或低压右上方等。沿海高速公路地理位置的特殊性很容易导致局部路段(中北路段、南部路段)和大面积全路段出现低能见度天气。根据以往沿海高速公路雾天气的环流背景分析,归纳和分析出不同路段浓雾形成的环流背景场特征,可初步实现将现有的大范围区域预报逐渐向路网预报和精细化预报的转变。
影响中北部路段的地面气压场大部分是锋前型浓雾,主要是发生在冷锋还没有侵入到地面的暖区内,或者是弱冷空气渗透到前期有暖平流控制的区域。当从河套到华北地区有冷锋南下时,冷空气会先期渗透到淮北地区,锋面带来的冷平流使得沿海高速公路中北部路段受冷锋前部冷空气扩散效应引起冷却降温,同时中低层有暖性系统配合,大气层结稳定,进而形成浓雾(
2012年10月21日08:00地面气压场(a)和04:00江苏省能见度分布(b),20日20:00和21日08:00徐州站层结曲线(c),以及21日00:00—06:00北段部分站点能见度变化(d)
The sea level pressure at 08:00 BT 21 October 2012 (a), visibility distribution in Jiangsu at 04:00 BT (b), temperature stratification curve at Xuzhou Station at 20:00 BT 20 and 08:00 BT21 October 2012 (c), and visibility variation at the northern part of Jiangsu Coast Expressway from 00:00 to 06:00 BT 21 October 2012 (d)
从徐州站10月20日20:00至21日08:00的温度层结分析(
江苏省由辐射降温引发的大面积低能见度天气的环流特征是成雾前期高空有低槽过境,成雾时转受槽后强偏北气流控制,受冷平流影响,徐州、射阳和南京三个探空站的Δ
2013年1月14日08:00江苏省地面气压场(a)和能见度分布(b),13日08:00至15日20:00射阳站探空资料时间剖面图(红色:温度,绿色:露点温度)(c),13日22:00至14日12:00江苏省部分站点能见度变化(d)
The sea level pressure (a) and visibility distribution (b) in Jiangsu at 08:00 on 14 January 2013, time cross section profile of sounding data at Sheyang Station from 08:00 BT 13 January to 20:00 on 15 January 2013 (red line: temperature, green line: dew point) (c) and visibility variation at some stations along the Jiangsu Coast Expressway from 22:00 BT 13 to 12:00 BT 14 January 2013 (d)
影响江苏沿海高速公路的平流雾多数发生在春季,对样本中平流雾的地面实况形势归纳主要发生在入海高压后部、低压右上方,东伸低压倒槽前部等,其中最常见的是低压倒槽和入海高压后部。江苏处在低压倒槽前部,地面偏东风和东南风增大,有利于将海上的暖湿气流输送到冷的下垫面。平流雾具有突发性强、范围广、持续时间长等特征,对高速公路的影响甚是严重(
2013年3月19日08:00江苏省地面气压场(a)和07:00能见度变化(b),18日08:00至20日20:00射阳站探空资料时间剖面图(红色:温度,绿色:露点温度)(c),19日00:00—09:00江苏省南段部分站点能见度变化(d)
The sea level pressure at 08:00 BT 19 March 2013 (a), visibility distribution in Jiangsu at 07:00 BT 19 March 2013 (b), time cross section profile of sounding data at Sheyang Station from 08:00 BT 18 to 20:00 BT 20 March 2013 (red line: temperature; green line: dew point) (c) and visibility variation at some stations located in the southern part of the expressway from 00:00 to 09:00 BT 19 March 2013 (d)
对江苏沿海高速公路2012年6月至2014年6月期间低能见度天气过程进行统计分析,分析探讨了沿海高速公路的气候特征、低能见度发生时的气象条件、能见度“象鼻型”先期震荡的应用以及成雾时主要的环流特征等方面进行了分析,研究表明:
(1) 江苏省沿海高速公路低能见度浓雾次数具有明显的日变化、月变化和季节变化。低能见度大部分时段出现在夜间至早晨,其中在03:00—05:00达到了生成高峰,在06:00—08:00达到了消散峰值段。在3—4和6月出现的次数最高,春季和冬季多于夏季和秋季,这与内陆低能见度天气多出现在秋冬季不同。此外,对沿海高速公路各个站点的低能见度次数进行统计发现,中北段低能见度发生次数高于南部路段,其中六套站低能见度发生次数最高。
(2) 通过对150366个样本中主要气象要素变化频率进行统计发现,能见度低于0.5 km时,如果相对湿度继续增大到97%左右、温度在0~4℃、风速变化在0~2 m·s-1、风向在ENE—SSE,能见度就很有可能继续下降到0.2 km以下,需要做好提前发布交通气象临近预报的准备。
(3) 能见度的“象鼻型”先期震荡在沿海高速公路得到了很好的验证和应用,稳定的低能见度在形成前可能存在先期振荡情况,并与温度和相对湿度也有很好的对应关系,是能见度低于0.2 km形成的前兆。预报员可根据能见度这一形态变化,提前做好发布交通气象临近预报,提高预报的时效性。
(4) 造成江苏沿海高速公路中北段低能见度浓雾天气的环流形势主要与地面冷锋相联系,配合中低层暖区。而全路段大面积低能见度浓雾天气主要由辐射雾和平流雾造成,其中辐射雾地面有弱高压或南下高压控制,高空有偏北气流配合,辐射降温明显。平流雾的地面形势主要受入海高压后部和东伸低压倒槽影响,中低层配合有暖性系统。大面积雾具有范围广、持续时间长的特点,对高速公路的具有重要影响。
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