（大气物理学与大气环境专业论文）南岭山地高速公路浓雾能见度特征与影响因子研究.pdf

南岭山地高速公路浓雾能见度 特征与影响因子研究 摘要 本文主要利用2 0 0 3 年1 0 月一2 0 0 5 年3 月南岭山地京珠北高速公路雾 区三个v a i s a l a r o s a 道面自动气象站的温度、湿度、风向、风速、能见度等 气象要素的逐分钟资料，以及两个v a i s a l af d l 2 p 能见度仪观测的能见度逐 分钟资料，分析研究了南岭山地高速公路浓雾的能见度特征。结合南岭山地 高速公路浓雾典型个例分析了温度、相对湿度、风向、风速、层结条件等气 象条件与南岭山地高速公路浓雾能见度的关系，并讨论了地形对南岭山地高 速公路浓雾的影响。研究表明，南岭山地高速公路形成的浓雾主要是北方强 冷空气影响，形成复杂云系，由于海拔较高，低云接地形成的雾、华南准静 止锋或冷锋影响造成的锋面雾以及少量的辐射雾。南岭山地高速公路浓雾的 产生都伴随着强降温过程，相对湿度9 1 以上就能起雾；9 0 以上的雾产 生于3 m s 以下的风力；单层逆温有利于南岭山地高速公路浓雾的形成和发 展。南岭山地高速公路浓雾受地形影响比较大，迎风坡出现雾的频率比背风 坡高。 关键词：高速公路浓雾，能见度，影响因子，南岭山地 r e s e a r c ho nt h ef e a t u r e s a n dt h ea f f e c tf a c t o r so ft h ed e n s ef o g o v e r h i g h w a y i nn a n l i n gm o u n t a i na r e a a b s t r a c t b a s e do ne v e r ym i n u t e sa i rt e m p e r a t u r e , h u m i d i t y , w i n dd i r e c t i o n ，w i n d s p e e da n dv i s i b i l i t yd a t ao b t a i n e db yt h r e ev a i s a l ar o s aa u t o w e a t h e rs t a t i o n s a n de v e r ym i n u t e sv i s i b i l i t yd a t ao b t a i n e db yt w ov a i s a l af d l 2 pv i s i b i l i t y a p p a r a t u sl o c a t e d o v e rh i g h w a yi nn a n l i n gm o u n t a i na x e af r o mo c t 2 0 0 3t om a r 2 0 0 5 ，t h ef e a t u r e so fd e n s ef o go v e rh i g h w a yi nn a n l i n gm o u n t a i na r e aw e r e a n a l y z e di n t h i sp a p e r a c c o r d i n gt os o m et y p i c a le x a m p l e so fd e n s ef o g ，t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e na i r t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , w i n d d i r e c t i o n , w i n d s p e e d ，v i s i b i l i t ya n ds t r a t i f i c a t i o n c o n d i t i o no fd e n s ef o go v e rh i g h w a yi n n a n l i n gm o u n t a i na r e a ，a n dl o c a lt o p o g r a p h yc o n d i t i o nw e r ea l s oa n a l y z e di n t h i sp a p e r i tw a sf o u n dt h a td e n s ef o go v e rh i g l l w a yi nn a n l i n gm o u n t a i na l e ai s m a i n l ya d v e c t i o nf o ga f f e c t e db ys t r o n gc o l da i rf r o mn o r t h w a r d ，f r o n tf o g a f f e c t e db yq u a s i - s t a t i o n a r yf r o n to fc o l df r o n t , a n dal i t t l er a d i a t i o nf o g d e n s e f o go v e rh i g h w a yi nn a n l i n gm o u n t a i na r e au s u a l l yg o e sw i t hs t r o n ga i r t e m p e r a t u r ed e c l i n ea n dc a na p p e a ra sl o n ga sh u m i d i t yo v e r9 1 w h e nd e n s e f o go v e rh i g h w a yi nn a n l i n gm o u n t a i na r e aa p p e a r s ，g e n e r a l l y ( o v e r9 0 ) w i n d s p e e di sn o tm o r et h a n3 m s i n v e r s i o no fm o n o l a y e rc o n d u c et ot h ef o r ma n d d e v e l o p m e n to fd e n s ef o go v e rh i g h w a yi nn a n l i n gm o u n t a i n l o c a lt o p o g r a p h y i si m p o r t a n ta f f e c tf a c t o ro fd e n s ef o go v e rh i g h w a yi nn a n l i n gm o u n t a i na r e a d e n s ef o gi nw i n d w a r ds i d ei sm o r et h a nl e es i d e k e yw o r d s ：h i g h w a yd e n s ef o g , v i s i b i l i t y , a f f e c tf a c t o r , n a n l i n gm o u n t a i n a r e a i l 南岭山地高速公路浓雾能见度特征与影响 因子研究 1 1 研究目的和意义 第一章引言 雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统，是近 地面层空气中水汽凝结或凝华的产物i ”。当空气中有凝结核时，饱和空气如继续 有水汽增加或是继续冷却，便会发生凝结，凝结的水滴使目标物的水平能见度小 于1 0 0 0 m 时，就形成了雾；目标物水平能见度在2 0 0 m 以下的现象称为浓雾。 雾是一种灾害性天气现象，造成严重的视程障碍威胁着城市道路系统、高速 公路、航空港、海港航道的安全。雾滴的聚集阻挡人们视线，致使人们能见距离 缩小 当能见距离缩小到一定范围时，人对高速运动的交通工具的控制就会发生困 难。雾越浓，人的能见距离就越小，对交通工具的控制也越困难，容易导致交通 事故的发生。综合分析认为，有雾时能见度低于2 0 0 m ，高速公路实行限速管制： 当能见度低于5 0 l o o m ，则因司机分辨不清车距而易发生汽车追尾事故，高速 公路应当关闭。 根据对驾驶员及交通管理部门的调查，结合实际交通气象服务的需要，将大 雾天气对于高速公路的影响划分为4 个等级。 表l _ 1 不同能见距离对交通的影响【2 l 能见距离( m ) 行车可视距离( m )对交通的影响 5 0 0 1 0 0 01 5 0 _ 一2 5 0 对交通有较大影响，车辆需适 当减速行驶 2 0 0 5 0 05 0 一一1 5 0 对交通有显著影响，各种车辆 需限速 1 0 0 _ 一2 0 02 0 _ 一5 0 对交通有极其严重影响，需对 车辆进行限速 1 0 0 2 0难以分辨路况，高速公路关闭 在国外，机场、海港和航道都有比较完善的监控设备，飞机轮船大多配置了 雷达系统，因此能够部分缓解浓雾所带来的低能见度视程障碍问题。但对于高速 公路上浓雾阻塞交通的问题，至今仍未找到解决的办法，致使近年来高速公路的 恶性交通事故时有发生。例如1 9 9 6 年1 1 月2 4 日晨，沪宁高速公路无锡段因路 面雾大，发生了4 4 辆车相撞，2 0 余人伤亡的重大交通事故；1 9 9 7 年1 2 月1 7 日上午，京津高速公路因浓雾致使4 0 辆汽车追尾相撞，造成9 人死亡，1 7 入受 伤；1 9 9 8 年合宁高速公路因浓雾造成8 0 余辆汽车追尾相撞，酿成6 死1 5 伤的 惨剧；2 0 0 1 年3 月1 8 日上午6 时，沪宁高速公路镇江段因浓雾在宁沪8 1 k m 处 发生多起汽车追尾事故，造成两人重伤，1 5 辆车受损。世界上最大的交通事故 也是由于浓雾所致，发生在美国加利福尼亚至纽约的高速公路，3 0 0 多辆车相撞， 死伤1 0 0 0 多人【“。据不完全统计，美匡每年因浓雾而引起的车辆碰撞损失高达3 亿美元以上。我国的高速公路事故率居高不下，近年来有上升趋势，2 0 0 3 年我 国高速公路共发生交通事故3 6 2 5 7 起，亡5 2 6 9 人，伤1 4 8 6 7 人，其中因雾等恶 劣天气影响造成的事故就占事故总数的1 4 。 京珠高速公路粤境北段( 简称“京珠北”) 路线起自韶关市曲江区甘塘，止 于韶关市属乐昌市小塘，全程共1 0 9 k m ，途经龙归、乳源、大桥、梅花、坪石等 城镇( 图1 - 1 ) 。作为国家“九五”计划的重点工程，京珠高速公路是连接华北、 华南的高速公路主骨架，而粤境北段是京珠高速主干线的重点和难点之一，是国 家和广东省重点工程、世界银行贷款项目。它绕行于粤北崇山峻岭之中，地质地 形复杂，加上该地区气候恶劣，常年多雨、多雾，施工难度、风险高，世行专家 称之为“中国最具挑战性的公路项目”。“京珠北”高速公路南接珠三角和港澳地 区，北接湖南，与1 0 7 国道、3 2 3 国道、1 0 6 国道汇合，东与江西、西与广西连 接，形成纵横交织的交通网络。它的建成通车，对于落实省委、省政府制定的区 域协调发展战略，加快粤北山区人民建设京珠高速公路经济带的步伐，全面建设 小康社会，具有重要的意义。 2 图1 - 1 京珠高速公路粤境北段地图 京珠北高速公路翻越南岭主脉大瑶山，最高点为云岩( k 3 7 ) ，海拔8 0 5 m ， 地形起伏较大，出现浓雾的频率很高。统计发现，京珠高速公路粤境北段全年各 月均可能出现恶劣能见度，尤其在1 0 月至次年5 月通常有高达2 0 4 0 的概率 出现影响视程的浓雾( 能见度小于2 0 0 m ) ，按小时计的月出现频率最高可达4 1 8 。浓雾主要发生在海拔最高的1 5 k m 路段范围内( k 3 1 k 4 6 ) ，这段路被称为“常 年雾区”，对高速公路行车安全威胁甚大，直接影响到京珠高速公路的经济效益 和社会效益。为了避免和减轻浓雾给高速公路带来的危害，有必要对南岭山地高 速公路浓雾的发生频率、出现时段、能见度变化规律与影响因子进行研究，深入 了解和掌握南蛉山地高速公路雾的发生、发展规律，为建立和完善准确可行的高 速公路安全行车预警监控系统提供基本的统计和理论依据。 3 1 2 国内外研究现状 图卜2 浓雾下的京珠北 国外对雾的研究始于1 9 1 7 年t a y l o r 对辐射雾的研究。从二十世纪七十年代 初开始，进行了多次的雾的外场试验【3 川。国内最早的雾的观测是顾震潮等在南 岳衡山进行的，在这之后许多学者通过外场观测研究、数值模拟研究等手段【8 - 1 2 】， 对雾的宏观物理过程与微观物理结构【1 3 朔、边界层特征1 1 8 捌、天气气候特征【2 3 删、 雾水与气溶胶化学成分【3 3 。6 】以及预报【3 n 7 】做了深入的研究。 近年来，随着国民经济的快速发展，高速公路在我国日益普及和完善，雾对 高速公路的灾害性影响也越来越引起人们的重视。冯民学【艚】等人应用环境监测 仪a m w 自动气象站每分钟实测的有关资料和相应的环流背景场，对沪宁高速公 路无锡段浓雾形成的物理过程作了研究分析，揭示了沪宁高速公路浓雾形成的若 干特征和设计了实施临近预报制作的思路、流程。并论述了在高速公路沿线布设 a m w 自动气象检测仪器的基础上做出低能见度的预测是可行和可能的。王淑英 一9 j 等人从浓雾能见度与气象要素的日变化、逐月变化、季节变化特征以及不同 等级能见度与对应气象要素乎均值的依赖关系等不同角度，统计分析了北京首都 机场和八达岭高速公路大气能见度与地面气象要素的相关性。徐萌f 卯】等人探讨 了城市热岛效应在极轨气象卫星遥感图像上的反映特征，在此基础上进行了应用 4 g m s 一5 合成图像资料，跟踪雾区变化、移动趋势的试验研究，为今后进一步应 用遥感技术检测沪宁高速公路大雾打下了基础。此外，还有贺浩【5 1 】等人对陕西 高速公路浓雾的研究、张飒【2 l 等人对济青高速公路浓雾的研究、刘跃红 5 2 】等人对 焦郑高速公路浓雾的研究等。目前我国对高速公路浓雾研究主要集中在城市、平 原地区或沿海地区，而对山地高速公路浓雾的研究并不多见。 广i 1 热带海洋气象研究所的吴兑 5 3 - 5 6 】等人，在国家自然科学基金的资助下， 对南岭山地高速公路的平流雾开展了大规模的外场试验，获取了浓雾丰富的宏观 和微观物理资料，并对南岭山地高速公路浓雾宏、微观物理特征及其与能见度的 关系进行了深入细致的研究，揭示了南岭山地平流雾宏观与微观物理特征与能见 度的相互关系，填补了国内山地高速公路平流雾研究的空白。 南岭外场试验采用的仪器设备包括：双参数低空探空仪、系留汽艇、a n d e r s e n 气溶胶分级采样器、三用滴谱仪、数字c c d 能见度摄像系统( d p v s ) 、显微c c d 摄像系统、三分量风速仪、气溶胶粒子谱仪、雾水收集器和常规气象站设备( 包 括温、压、湿、风向、风速、降水自记仪器等) 对雾的宏、微观物理结构、能见 度、雾水、雨水和大气气溶胶采样以及常规气象因子( 包括温、压、湿、风向、 风速、降水等) 进行准确观测，掌握了准确详实的第一手资料，并使用c s u r a 狐 和m m 5 中尺度模式对南岭山地高速公路雾的生消、维持机制进行了数值试验，对 南岭山地高速公路浓雾的宏观物理结构、微物理结构及演变过程、温、湿层结特 征、雾水的化学成分等进行了深入系统的研究，得出如下结论： ( 1 ) 浓雾过程与天气系统关系密切，当有天气系统影响本地区时，可能发 生浓雾过程：雾的维持与天气系统的维持以及局地地形有密切关系：这些天气特 征与华南南岭地区的天气气候( 即在冬、春季节常出现低温阴雨、浓雾的天气) 有明显的相关性。 ( 2 ) 浓雾与辐射雾形成机制不同，本地区雾属于平流雾( 或爬坡雾) 类型， 实质上是出现在海拔高度上的低云。与冷空气活动( 锋面) 密切相关，具有持续 时间长、无日变化的规律、能见度恶劣和团块结构明显等特征。 ( 3 ) 浓雾以小滴谱为主，数密度比城市小，雾含水量与能见度呈明显的反 相关关系。 ( 4 ) 锋面逆温结构对云系( 雾) 的维持有重要作用，单层强逆温有利于雾 5 的发展，多层( 双层) 弱逆温结构容易导致雾消散。 ( 5 ) 雾水中的离子浓度远高于雨水中的浓度。雨水比雾水更酸，说明虽然 雾水中离子浓度较雨水高的多，但大量离子成分中存在更多的缓冲物质，比如说 n h 。+ 和c a ”。由于离子浓度高有利于雾的维持，这种情况，更加加剧了该地雾害 的严重程度。 ( 6 ) 所测气溶胶呈酸性，对雨水酸化的缓冲能力较差，会加重该地区的酸 雨危害。 南岭山地高速公路浓雾的外场试验和研究，揭示了南岭雾的生消与发生发展 的规律，对正在建设中的京珠北高速公路雾区能见度预警系统有重要的指示作 用。这次外场试验主要侧重于南岭山地高速公路浓雾的物理特征、微物理结构、 边界层结构以及雾水化学成分方面的研究。本文在南岭山地高速公路浓雾外场试 验和研究的基础上，着重研究气象要素、地形条件等因子对南岭山地高速公路浓 雾的影响，是对之前关于南岭山地高速公路浓雾研究的有力补充。 第二章资料概况与研究方法 本文的选题来源于吴兑研究员主持的“南岭山地浓雾的物理结构与能见度研 究及高速公路雾区能见度预测预报系统建设”项目。本人于2 0 0 3 年1 0 月一2 0 0 5 年3 月参与了值班预报、现场观测、资料的获取与传输、资料的处理与分析等工 作。 2 1 研究区域的概况 2 1 1 地形概况 本文所研究的区域是京珠高速公路粤境北段梅花( k 2 4 ) 一大桥( k 5 1 ) 这一 路段。该地区翻越南岭主脉大瑶山，地形复杂，公路翻越南岭最高点在云岩( k 3 7 ) 海拔为8 0 5 m ，而梅花海拔为4 3 5 m ，短短不到1 5 k m 海拔下降了近4 0 0 m ，高程变 化很大，是陡峭的山地地形。 图2 - 1 雾区地形图图2 - 2 云岩地区浓雾实景图 7 2 1 2 气候概况 南岭山地是明显的气候分界带，对天气系统起明显阻挡作用，冬春季节锋面 往往在南岭山脉附近摆动，停滞，构成华南准静止锋。冷暖气流交汇形成复杂云 系，由于海拔较高，低云接地造成当地的雾。其中京珠北k 3 1 k 4 6 路段出现雾 的频率很高，被称为“常年雾区”( 图2 - 1 ) 。而云岩由于其高海拔，雾的出现频 率也最高，且恶劣能见度( 低于2 0 0 m ) 多集中在云岩。( 图2 2 ) 2 2 仪器的介绍 观测地点选在梅花( k 2 4 ) 、山岭最高点云岩( k 3 7 ) 以及大桥( k 5 1 ) ，分别 安装了v a i s a l a y a i s a r o s a d m 5 3 道路自动气象站，代号分别为v 1 、v 2 邢v 3 。 可以逐分钟的记录测点的温度、湿度、风向、风速、能见度等气象因子，能够详 细的反映山顶与山脚不同地形气象要素的变化带来能见度的差异。在雾区北界出 水岩( k 3 1 ) 和雾区南界红光小学( k 4 6 ) 分别安装了v a i s a l af d l 2 p 前向散射能 见度仪，代号分别为f 1 和f 2 。能够详细反映迎风坡与背风坡能见度变化，具有 较好的代表性。 v a i s a l af d l 2 p 前向散射能见度仪是当前国际上具有代表性的能见度仪，它 通过测量红外线光束对空气中颗粒质点的散射来得出气象光学能见度( m o r ) 。 f d l 2 p 是专门用来测定能见度的，被广泛应用于机场、高速公路、港口、舰船上， 以及常规气象观测对雾的探测等领域。f 1 ) 1 2 p 前向散射能见度仪对能见度的探测 范围是l o 一5 0 ，0 0 0 m 。f d l 2 p 前向散射能见度仪是由发射器、接收器和控制器所 组成的。上述部件的工作原理简述如下： 光发射器向大气中发射近红外短脉冲，而接收器接受探测到的经大气的固体 或液体质点( 微粒) 造成散射的那部分光线传至控制器进行处理，从而给出对能 见度的判别值。由于采用数字信号处理原理，及快速脉冲发送，从而使在不问的 降水条件下( 雪、雾、雨、冻雨等) ，和干扰光存在条件下，及各种恶劣天气条 件下，经过计算补偿可给出精确的能见度。 8 图2 - 3v a i s a l af d l 2 p 前向散射能见度仪 图2 4v a i s a l a y a i s ar o s a d m 5 3 道面自动气象站 2 3 本文所用的资料 本文利用建立在雾区的高分辨率、高精度v a i s a l a y a i s ar o s a 道面自动气象站 与v a i s a l a 前向散射能见度仪对浓雾高频多发路段进行长达两个雾季连续不问断 的监控，所获取的资料包括两个雾季( 2 0 0 3 年l o 月2 0 0 5 年3 月) 各个v a i s a l a r o s a 道面自动气象站的温度、湿度、风向、风速、能见度等常规气象要素的逐 分钟资料以及各个v a i s a l a 能见度站的逐分钟能见度资料，是之前外场观测试验 的有力补充。高分辨率体现在时间和空间上，时间上，逐分钟的记录各气象要素 9 的变化，南岭山地天气系统活动频繁，体现在气象要素上瞬时间的复杂变化也变 得一目了然；空间上，每5 k i n 就有站点记录能见度的变化，不到1 5 k m 就有自动 站记录各气象要素的变化，山地的地形条件复杂，各气象要素的梯度也较大，提 高空间分辨率对雾和气象要素的研究变得十分重要。本文通过这些详细的资料， 细致地分析南岭山地雾区不同测点各气象要素与能见度的相互关系及演变过程， 通过分析南岭山地雾的气候特征，揭示形成南岭山地雾的物理机制，为最终建立 高速公路的安全行车监控系统提供基本的背景资料。 2 4 本文研究方法 本论文研究方法包括数据的统计分析、相关分析。 2 4 1 统计分析 对所获取的包括两个雾季( 2 0 0 3 年1 0 月2 0 0 5 年3 月) 各个v a i s a l ar o s a 道面自动气象站与v a i s a l a 能见度站的能见度逐分钟资料进行处理，以每个小时 有十分钟以上能见度低于1 0 0 0 m 统计为一个雾时，每日有一小时以上能见度低 于1 0 0 0 m 记为一个雾日。统计南岭山地高速公路浓雾的月变化和日变化，并结 合以往统计资料比较南岭山地高速公路浓雾的年际变化。 将所有能见度资料按能见距离ls 5 0 m 、 5 0 ls 1 0 0 m 、1 0 0 l s2 0 0 m 、 2 0 0cls5 0 0 m 、5 0 0 ls1 0 0 0 五个档次进行分类，统计南岭山地高速公路浓雾 低能见度的分布情况。 统计各个v a i s a l ar o s a 道面自动气象站雾过程的最高和最低温度，以及起 雾的最低相对湿度。 统计各个v a i s a l ar o s a 道面自动气象站成雾的最大和最小风速，并统计在 不同的风速条件下成雾概率的变化。 统计各个v a i s a l ar o s a 道面自动气象站的风向频率，找出形成南岭山地高 速公路浓雾天气的主导风向。 统计各个v a i s a l a 能见度站的能见度变化，并进行比较分析。 2 4 2 相关分析 对于一些南岭山地高速公路浓雾过程的个例，将浓雾能见度与各气象要素进 行相关分析，找出其主要影响因子，从而揭示其物理机制。 第三章南岭山地高速公路浓雾的能见度特征 3 1 南岭山地高速公路浓雾的月变化 南岭山地高速公路雾区全年各月都会出现雾，全年来看尤以山顶云岩( k 3 7 ) 地区雾出现频率最高( 为2 0 ) 。而北坡梅花( k 2 4 ) 偶然有雾，南坡大桥( k 5 1 ) 很少有雾出现。 这是由于雾的形成需要降温增湿，雾区由于范围较小，空气含水量相差不大， 降温就成了关键因素。云岩位于山岭顶点，海拔高度比雾区两界高近4 0 0 m ，平 均温度要低2 3 。湿空气沿坡面爬升、降温冷却，达到饱和，容易形成雾。 且云岩海拔较高，伸入云层，低云在云岩接地也容易形成雾。另外，晴天时，白 天山顶接受的太阳辐射比山脚高，云岩地面温度也高于其他两个站，夜间辐射降 温冷却也较强，更容易形成辐射雾。 图3 一l 是各月出现雾日的频率分布，由图可见，各月雾臼频率分布极不平均， 一月最大，接近一半天数都有雾，三月其次，七月最小。一月到四月以及十月到 十二月雾日占全年雾日的8 0 以上，季节上看是冬春季节，为明显的“雾季”。 图3 - 1 南岭山地高速公路各月浓雾的分布频率 南岭山地处于典型的亚热带季风区，冬春季节，来自海上暖湿气流影响南蛉。 在副高西部边缘的西南低空气流的带动下，孟加拉湾、南中国海的大量水汽被输 送到华南沿海。而此时，北方冷空气活动也很频繁，常常一股一股南下影响，并 受南岭山脉的阻挡，与暖湿气流交汇形成准静止锋。由于冷空气弱，形成准静止 1 2 锋坡度常常很小，暖湿空气缓缓沿锋面上滑，冷却达到过饱和形成南岭浓雾。 3 2 南岭山地高速公路浓雾的日变化 图3 2 是一日内各小时形成雾的频率变化曲线。从图中可以看出，从o o h 到0 6 h 出现雾的频率要高于其他时段而且是一个雾频率单调上升的区间，在0 6 h 达到顶峰。说明深夜到凌晨是雾的高发时段。0 6 h 以后，出现雾几率逐渐下降， 一直持续到午后1 5 h 降到最低。1 7 h 以后，起雾的几率又开始增加。说明南岭山 地高速公路浓雾有一定日变化。但是雾在各个时段都有分布，且高发时段( 0 6 h ) 和低发时段( 1 5 h ) 雾频率相差不过4 ，说明这个日变化不是很明显。这说明 南岭山地高速公路的浓雾主要是天气系统引起的，尤其是华南准静止锋的作用最 大。冷暖气团在南岭地区交汇，被山脉阻挡形成连绵不断的雨与雾的天气，日变 化很小。而各时次出现雾的分布还是有一定起伏，凌晨最高，午后最低，说明了 晴天夜间辐射降温虽然不是南岭山地高速公路主要起雾原因，但还是起到了一定 的作用。 图3 - 2南岭山地高速公路浓雾的日变化 3 3 南岭山地高速公路浓雾对能见度的影响 南岭山地高速公路雾害十分严重( 见图3 3 ) ，全年统计的雾日中，能见度 在2 0 0 m 以下的浓雾占全年总雾日的5 0 以上，浓雾的出现频率相当高。 图3 - 3 雾季能见度的分布统计 一月份的能见度最为恶劣，全年最低能见度出现在2 0 0 4 年1 月2 0 日，仅为 2 2 m ，且恶劣能见度持续时间长，从1 月1 8 日1 7 h 一1 月2 1 日1 l h ，( 见图3 4 ) 浓雾共维持6 6 h ，8 0 以上时间能见度维持在l o o m 以下，且波动不大，整天浓 雾没有明显的日变化。这次浓雾造成跃时间的道路封锁，给京珠北交通营运造成 极大的影响。 图3 42 0 0 4 年1 月1 8 2 1 日能见度随时间变化 3 4 影响南岭山地高速公路浓雾过程的主要天气系统 南岭山地高速公路观测到的浓雾大多与天气系统有关，南岭山地高速公路的 浓雾出现在大瑶山的区域，根据“南岭山地浓雾的物理结构与能见度研究及高速 公路雾区能见度预测预报系统建设技术报告” 5 7 1 以及实地观测发现当地的浓雾实 质上是低云。雾的出现和与天气系统( 冷锋、切变线、西南急流等) 的维持密切 相关。南岭主脉大瑶山横贯广东省的北部，对天气系统起到了明显的阻挡作用， 尤其是冬春季节，天气系统活动频繁，形成南岭山地多雾的现象。 南岭山地高速公路形成雾主要是在三种天气背景下： 1 北方强冷空气影响。北方强冷空气造成南岭山地气温急剧下降，空气中的 水汽饱和形成浓雾，这种浓雾主要出现在秋末和冬季。出现这种雾的天气实况是： 短时间内气温明显下降，阴天为主，能见度有一定日变化，一般是白天午后稍好， 夜晚凌晨变差。 2 华南准静止锋的影响。北方冷空气与西南暖湿气流在南岭交汇，当冷空气 比较弱时受到南岭山脉的阻挡，在南岭山脉摆动、停滞，形成华南准静止锋。暖 湿气流缓缓沿锋面爬升，绝热冷却饱和，形成浓雾。冷暖气流的交汇形成复杂云 系，山峰、海拔较高的地方往往被低云笼罩，形成当地浓雾。这种雾主要出现在 春季。出现这种雾的天气实况是：持续的低温阴雨天气，温度变化不明显。雾没 有明显日变化，低能见度维持时间很长，能见度偶尔由于云团的移动，以及雾的 团块不均匀而有短时波动。 3 晴天夜里地面辐射降温的影响。晴朗的夜间地面辐射降温，造成近地面空 气冷却饱和形成雾，这种雾不是由于天气系统影响而是由于气团内部热交换产生 的，通常出现在夏季。出现这种雾的天气实况是，天气晴朗无云，能见度日变化 明显，夜间凌晨起雾，早上太阳出来雾散。 根据值班中当有浓雾过程时广东省气象台提供的天气分析得出：华南准静止 锋对南岭山地高速公路浓雾贡献最大，南岭山地高速公路浓雾有一半以上是受其 影响产生的，其次是北方强冷空气影响。辐射雾出现的几率比较小，只会在晴朗 夏季的夜间和凌晨出现( 图3 5 ) 。 图3 - 5 南岭山地高速公路不同天气系统影响形成雾所i 圩比例 第四章气象要素对南岭山地高速公路浓雾的影响 4 1 气温对南岭山地高速公路浓雾的影响 雾的形成对温度有定的要求，过高的温度不利于辐射冷却或冷却不到水汽 饱和的温度而形成雾。表4 - 1 给出各地区成雾温度的阈值。 表4 - 1 各地区成雾的温度闽值 站点成雾的最低温度成雾的最高温度 梅花( k 2 4 ) v 1 1 6 2 8 7 云岩( k 3 7 ) v 2 3 1 3 0 6 大桥( k 5 1 ) v 32 4 2 7 3 前面已经提到过，雾的形成主要有两个途径：降温和增湿。在陆地上增湿条 件往往不容易满足，倒是降温过程途径比较多，如冷气团过境、地面辐射、绝热 抬升等等。选取2 0 0 3 年1 2 月6 一1 1 日、2 0 0 4 年1 月5 1 2 日、2 0 0 4 年1 月1 6 2 1 日三次典型浓雾过程为例，讨论温度与能见度的关系。 图4 - 12 0 0 3 年1 2 月卜n 日浓雾过程能见度与温度变化曲线 1 7 图4 _ 22 0 0 4 年1 月5 1 2 日浓雾过程能见度与温度变化曲线 图4 - 32 0 0 4 年1 月1 6 _ 七1 日浓雾过程能见度与温度变化曲线 如图4 1 一图4 3 是三次浓雾过程能见度与温度随时间的变化曲线，可见能 见度下降常常伴随着降温过程，持续的低温也会形成长时间的恶劣能见度；而能 见度的短暂转好常常在白天或午后温度升高的时候。气温的急剧变化也会带来能 见度的急剧变化，反之气温平缓能见度也会趋于稳定。两者在时间上变化一致性 相当好。 1 8 表4 - 2 三次浓雾过程的温度与能见度分析 起雾时间 有雾最高温度有雾最低温度 最低能见度最大3 小温度一能见 时变温 度相关系数 2 0 0 3 年1 2 月6 日5 6 1 5 9 6 m一1 9 o 4 8 1 5 6 6 一1 1 日浓雾过程 2 0 0 4 年1 月5 日一9 8 o 6 7 6 m一5 6 0 6 1 8 4 4 4 1 2 日浓雾过程 2 0 0 4 年1 月1 6 日3 1 一3 1 2 2 m1 5 0 7 5 8 0 1 2 一2 1 日浓雾过程 这三次浓雾过程都有明显的降温过程，最低能见度都分布在最大三小时变温 附近。温度与能见度有明显的正相关，但也存在一些能见度起伏振荡很大而温度 变化比较平缓的情况。这是由于平流因素的影响以及南岭山地下垫面的不均匀， 雾体或是低云随环境风平移过程中，不规则的爬坡，翻越山岭运动造成雾体结构 不均匀，圃块结构明显。某一时刻雾体结构紧密，能见度比较差，而间隔很短的 下一时刻，雾体松散有空隙，能见度较好。这样形成的能见度起伏振荡与雾体的 微物理结构有关1 5 习。 4 2 湿度对南岭山地高速公路浓雾的影响 雾是水汽在近地层凝结的产物，水汽充足是其形成与发展不可缺少的重要条 件之一。理论上说，相对湿度达到1 0 0 才能凝结形成雾。但由于凝结核的存在 实际上往往不用达到饱和就能成雾。表4 3 给出了各站点形成雾的最小相对湿度。 图4 4 一图4 - 6 是三个v a i s a l ar o s a 道面自动气象站的记录相对湿度随能见度分 布的散点图。 1 9 表4 - 3 各地成雾的晟小相对湿度 站点临界相对湿度 梅花( k 2 4 ) v l 9 3 云岩( k 3 7 ) v 2 9 1 大桥( k 5 1 ) v 3 9 4 图4 _ 4v l 站相对湿度随能见度分布散点图 图4 _ 5v 2 站相对湿度随能见度分布散点图 图4 - 6v 3 站相对湿度随能见度分布散点图 从以上图表可以看出，南岭山地雾形成对相对湿度要求并不严格，9 1 以上 就能形成浓雾。这说明南岭山地含有丰富的凝结核。从现场用美国气溶胶粒子谱 仪观测的气溶胶谱资料来看【3 钔，该地气溶胶次微米粒子浓度甚高，而质量谱表 现为三峰分布，主峰在次微米粒子段，巨粒子段质量浓度也较高，有利于雾的形 成。 图4 7 一图4 - 9 分别是2 0 0 3 年1 2 月6 一1 1 日、2 0 0 4 年1 月5 1 2f = i i l 、2 0 0 4 年1 月1 6 2 1 日三次浓雾过程能见度与相对湿度随时间变化曲线。从图上可以 看出。相对湿度与能见度存在明显的反相关，相对湿度升高时能见距离减小，持 续的接近饱和伴随着长时间的低能见度。 图4 7 2 0 0 3 年1 2 月6 1 1 日浓雾过程能见度与湿度变化曲线 图4 - 82 0 0 4 年1 月5 一1 2 日浓雾过程能见度与湿度变化曲线 图4 - 92 0 0 4 年1 月1 6 _ - 2 1 日浓雾过程能见度与湿度变化曲线 表4 4 三次浓雾过程湿度能见度、湿度一温度相关 起雾时间 湿度一能见度相关系数 湿度温度相关系数 0 3 年1 2 月6 日一 0 4 2 4 5 9 8 5 o 6 8 6 1 6 4 1 1 日浓雾过程 2 0 0 4 年1 月5 日一 一0 7 0 5 8 3 3 1- 0 8 4 1 3 4 8 3 1 2 日浓雾过程 2 0 0 4 年1 月1 6 日 _ o 6 4 6 2 1 舳0 7 2 2 6 9 9 3 2 1 日浓雾过程 表4 - 4 给出这三次雾过程湿度与能见度的相关系数。可以看出，能见度与相 对湿度的反相关性比较好。这是因为从大气物理学上来看，相对湿度高，雾的含 水量就大。根据能见距离公式lt 2 6 0 7 1 0 6 去( 其中l 是能见距离，表示雾滴 平均半径，w 为雾含水量) ，得出能见距离与含水量成反比，所以相对湿度高， 能见距离小，两者存在明显的反相关。 同时发现这三次雾过程湿度与温度的关系也是十分密切的( 见表4 4 ) ，这是 因为影响这三次浓雾过程的天气背景都是北方强冷空气带来降温，雾是由于降温 饱和而形成的，并没有暖湿气流的水汽输送。所以相对湿度的变化只与温度有关。 4 3 地面风对南岭山地高速公路浓雾的影响 风与能见度的关系也是非常密切的，形成雾的必要条件水汽输送就是通 过风来完成的，同时风也是推动暖湿空气绝热爬升冷却饱和成雾的动力。 从资料统计中发现山顶的云岩站在5 2 m s 的大风仍然有雾，而且成雾平均 风速要比其它两个站要大。这可能是由于山顶海拔较高，平流运动比较剧烈，低 空急流能够带来丰沛的水汽使雾得以维持，而大量的平流雾实际上是接地的低 云，所以云岩大风也能起雾。但这次雾过程大风并没有维持长时间，仅有两个小 时风速降到3 m s 左右，而且也仅有这一次雾过程风速达到5 m s 以上，说明大风 成雾只是一些偶然的现象，并不是南岭山地高速公路雾所特有的性质。丽大桥站 成雾的风速都很小，最大不超过l m s 。这是由于大桥站出现的雾主要是辐射雾， 形成雾的主要原因是地面辐射降温而不是平流输送。 图4 1 0 是风速与南岭山地高速公路浓雾发生频率的关系。从图中可以看出， 9 0 以上的雾产生于3 m s 以下的风力。说明南岭山地高速公路浓雾天气的风是 以小风为主。一般认为小风有利于水汽的蓄积，减少垂直交换，从而有利于雾的 形成：而风速过大容易将雾吹散，不利于雾的形成和发展。 图4 1 0 南岭山地高速公路浓雾发生频率随风速分布 下图是南岭山地高速公路浓雾发生时的风向频率。从图中可以看出，南岭山 地雾日的出现频率最大的是西北风，高达5 5 ，而北风、西风和西南风也占有 一定的份额，频率分别为1 2 、1 8 和1 4 ，其他各方向频率加起来不到1 。 说明西北风是南岭山地高速公路浓雾天气的主导风向。 w n 德i 过缒 、一 s 图4 - 1 1 南岭山地高速公路成雾的风向频率 e 影响南岭山地高速公路浓雾天气形势主要为北方强冷空气和华南准静止锋。 冷空气过境带来的偏北气流受当地山地地形阻挡影响容易偏转形成西j e 风，华南 准静止锋的暖湿空气主要是通过西南气流和偏西气流输送的，这就决定了南岭山 地高速公路浓雾天气盛行西北风，西南风、偏西风也占有一定份额。 4 4 层结对南岭山地高速公路浓雾的影响 逆温层是雾存在和发展的标志之一，其实质是冷空气影响的锋面逆温，它的 增强和减弱影响着雾的发展；反过来，雾的发展又改变了逆温层的结构。分析表 明，温度廓线的变化，尤其是强逆温层结构的出现及其调整，对雾的形成与发展 具有重要的意义。一般来说【5 6 】，低空强逆温( 锋面逆温) 的出现是该地发生浓 雾的重要标志之一，单层强逆温结构有利于雾的发展，多层弱逆温结构容易使雾 消散。 图4 1 2 年1 5 是2 0 0 1 年3 月7 8 日雾过程的温度露点廓线。7 日0 7 h 至 8 日1 l h 的温度廓线为雾不断发展的过程，近地层空气始终保持饱和状态。7 日 0 7 h ( 图4 - 1 2 ) ，9 5 5 m 处出现明显的逆温层，厚度超过4 0 0 m ，强度为y = l c l o o m ， 其中9 5 5 m 1 3 7 5 m 处，逆温强度达2 l o o m ，雾体在这个时刻得到充分的发展； 1 7 h ( 图4 - 1 3 ) ，冷空气补充影响导致地面温度继续下降，温度廓线再次调整， 重新恢复单层逆温结构，在1 0 2 5 m 处出现3 6 5 m 厚的逆温层，逆温强度明显增大， 此时雾发展旺盛；8 日l l h ( 图4 - 1 4 ) ，温度廓线变化较大，单层逆温结构再次 受到破坏，出现多层逆温结构，逆温强度明显减小，能见度虽然比较差但有回升 趋势；8 日1 4 h ( 图4 - 1 5 ) ，冷空气开始减弱，边界层上层空气变得干燥，相对 湿度只有6 0 左右，边界层低层空气只存在3 0 0 m 厚的非饱和高值区，地面温度 回升，风势逐渐增大，温度廓线呈多层逆温结构，强度不大，雾开始抬升离地， 能见度转好。( 图4 1 6 ) 图4 1 22 0 0 1 年3 月71 50 7 h 温度露点廓线 图4 - 1 32 0 0 1 年3 月7 日1 7 h 温度、露点廓线 图4 1 42 0 0 1 年3 月8 日1 1 h 温度、露点廓线 图4 - 1 52 0 0 1 年3 月8 日1 4 h 温度露点廓线 通过这次浓雾过程温度、露点廓线分析表明空气饱和层是南岭山地高速公路 浓雾形成和发展的必要条件之一，饱和层出现则雾形成，饱和层破坏则雾消散。 第五章地形对南岭山地高速公路浓雾的影晌 本文研究地区地理环境独特，局地小地形非常复杂。从梅花( k 2 4 ) 到云岩 ( k 3 7 ) 仅仅1 5 k m 海拔就升高了近4 0 0 m ，地形起伏很大。雾区北坡出水岩( k 3 1 ) 与雾区南坡红光小学( k 4 6 ) 中间有一个山峰云岩( 海拔8 0 5 m ) ，两地相隔不到 1 5 k i n ，所处的天气背景条件相差不大，因此影响雾的天气因子都差不多，而在 雾区内不同的地点雾的情况却又大大的不同，这必须得考虑地形对南岭浓雾的影 响。下面通过雾区两坡( k 3 1 和k 4 6 ) 能见度站的观测资料来分析复杂小地形对 南岭地区雾的作用。 n 迎风坡i ( 3 l v i 自动蛄背风坡k 4 6 图5 - 1 南岭山地地形示意图 5 1 两测站雾的统计特征 图5 2 是两个测站各月出现雾的小时数的季节分布，从图中可以看出，山地 北坡出水岩地区( k 3 1 ) 出现雾明显要多于山地南坡红光小学( k 4 6 ) 。除了4 月， 其他各月北坡的雾都比南坡的要多。而夏季( 6 、7 、8 月) 南北坡出现雾的频率 相差不大。全年来看，北坡发生雾的频率大约是南坡的1 5 倍。 图5 - 2 两地各月出现雾的时数 图5 - 3 是南坡与北坡同时出现雾与各自革独出现雾小时数的季节分布。从图 中可以看出，南坡北坡一起出现雾的频率比较大，夏季( 6 、7 、8 月) 两地最容 易同时有雾，经常是同时起雾，同时雾散。除了4 月份，一般只要南坡有雾北坡 都会有雾，南坡单独有雾的概率很小，单独出现的雾基本上都在北坡。 图5 - 3 两地同时出现雾及各自单独出现雾的时数 5 2 两地地形因子作用分析讨论 北坡出水岩与南坡! l ：光小学相隔仅1 5 k i n ，它们所对应的天气背景应基本十月 同，可是根据上面的统计分析，两地的雾特征有明显的差异，这种差异与局地小 地形有显著的关系，即是两地分别在山峰的南坡和北坡造成这种差异。 前面讨论过南岭地区的主导风向是西北风，偏北风的频率将近占到当地风频 的7 0 。由于盛行偏北风，所以北坡大部分时间处在迎风的位置，是迎风坡。 迎风坡具有动力屏障的作用，可以使得气流被迫爬升和绕流【5 8 l 。【5 9 】。气流爬升会 造成绝热冷却，绕流会促使气流内部水汽交换与输送，这都有利于雾的形成和发 展。而南坡常年处于背风的位置，是背风坡。背风坡会使得气流下沉增温、产生 尾流，不利于雾的形成和发展。这就造成了北坡出现雾的频率比南坡大的现象。 虽然南坡出现雾的频率比北坡小，但从全年来看，它出现雾的概率还是很高 的。这可能是由于华南准静止锋常常影响该地区，形成复杂的云系，而该地海拔 高度比较高，伸入云中形成雾i 而且该地处于背风坡会诱生涡旋运动和背风波， 产生背风波状云，及地形成雾。 通过对4 月的天气形势进行分析，得出这时候北方冷空气已经很弱，影响该 地区形成雾的主要是西南暖湿气流，从风场分析该月西南风比较盛行，所以南坡 成了迎风坡