引言

雾是指悬浮在近地层大气中的大量微细水滴或冰晶的可见集合体，使水平能见距离降到1000 m以内的一种常见的天气现象(李子华，2001)。其中水平能见度在500~1000 m为大雾，200~500 m为浓雾，50~200 m为强浓雾，小于50 m为特强浓雾。雾是一种灾害性天气，尤其是强浓雾时能见度骤降至百米甚至是几十米以下，极易引起追尾等事故，给交通运输和人民生命财产安全带来巨大威胁。因此，加强雾特别是强浓雾的研究分析，提升预报预警能力具有十分重要的现实意义。

近年来雾的发生发展机制及其特性受到越来越多学者(石林平和迟秀兰，1995；濮梅娟等，2008)的关注。雾通常是在稳定的天气背景下形成的, 具有较强的地域性特征。大量研究(葛良玉等，1998；王继志等，2002；王玮等，2009；邓雪娇等，2002；许爱华等，2016)揭示了我国不同地区雾的气候特征和形成原因。何立富等(2006)针对华北平原持续性大雾研究表明，地表净辐射引起的近地层冷却是大雾过程的触发和加强机制。焦圣明等(2016)对江苏地区一次持续性强浓雾过程的形成维持机制进行了研究，结果表明地面辐射冷却、低空下沉气流以及东南暖湿气流是形成这次强浓雾的重要原因。毛冬艳和杨贵名(2006)统计了华北平原产生雾前后的大气低层气象要素特征。喻谦花等(2012)分析了一次河南省大雾过程，结果表明边界层暖平流的输入有利于大雾的加强与维持。

随着近些年国内外对雾观测试验研究(Kunkel，1971；郭丽君等，2015; Guo et al, 2015)的增多，强浓雾的特性也受到越来越多的关注，其中其爆发性特征——即雾在极短时间内快速加强为强浓雾或特强浓雾的特征尤为重要。能见度在极短时间内的快速下降使得车辆很难快速做出反应和应对，极易造成重大交通事故，因此对于强浓雾爆发性等特征的研究尤为重要。美国波河河谷试验(Fuzzi et al，1992)发现雾层平流会导致雾在垂直方向上突然发展；李子华等(1999)在沪宁高速公路观测雾时, 揭示了强浓雾发展的爆发性特征；2006—2007年对南京冬季几次地面雾爆发性增强过程的观测(刘端阳等，2009；陆春松等，2010)，极大地丰富了雾爆发性增强的理论研究。

随着资料观测不断精细化，强浓雾的特征更易于被直观展示(严文莲等，2018；朱承瑛等，2018)。因此，强浓雾的发生发展有哪些特征，能见度是怎样变化的，强浓雾的爆发性增强是否具有区域性特征，此类问题有待于深入研究分析。2021年3月11日夜间至12日白天，河南省出现一次大范围强浓雾天气过程，河南省气象台在11日23：10(北京时，下同)发布大雾黄色预警，12日00：30升级为大雾橙色预警，全省共发布90个大雾红、橙、黄色预警信号。受其影响，除西部少数地区外河南省绝大部分高速全线关闭，该过程是2019—2021年河南省影响范围最大的春季区域性强浓雾。本文对这次强浓雾过程展开分析研究，以揭示强浓雾过程的特征和发生发展机制，为强浓雾的预报服务提供依据。

1 强浓雾过程

2021年3月11日夜间至12日白天，河南省出现大范围强浓雾天气，其中58个国家级气象观测站(以下简称国家站)能见度小于200 m，最低能见度出现在清丰站和濮阳站，能见度低至40 m。基于河南省121个国家站数据，采用天气分析和统计方法，分析此次大范围强浓雾过程。

图 1给出了本次强浓雾过程的能见度小时变化。2021年3月11日20：00开始，河南省京广线及其以东地区开始起雾，22：00许昌、漯河、商丘局地出现能见度低于200 m的强浓雾，并逐步发展增强，随后新乡、濮阳、郑州、开封、平顶山、周口、驻马店、南阳、信阳等相继出现能见度低于200 m的强浓雾，12日11:00—12:00强浓雾逐渐开始减弱消散。

2 强浓雾过程特征 2.1 爆发性增强特征

通过各站点能见度变化曲线分析本次强浓雾过程变化特征，研究发现大部分站点强浓雾的形成都具有爆发性增强的特征，即向强浓雾发展时大部分站点的能见度都是在极短时间内急剧下降的。图 2给出了6个国家站的能见度变化，这些站点强浓雾形成时速度极快，3月11日23:04叶县站能见度为1830 m，仅2 min迅速下降为123 m；12日04:23信阳站能见度为2292 m，仅2 min下降为200 m。

2.2 强浓雾过程时间特征

为进一步认识强浓雾的特征，参考朱承瑛等(2018)对雾过程关键时间点的定义。起雾时间是指能见度开始降到1000 m以下的时间；爆发性增强开始时间是指能见度开始陡降(达到强浓雾)的时间，爆发性增强结束时间是指能见度陡降成强浓度的时间，爆发性增强作用时间是指从爆发性增强开始时间到爆发性增强结束时间的时间间隔；强浓雾最长持续时间是指能见度连续低于200 m的最长持续时间；雾消开始时间是指能见度开始回升(并达到雾消)的时间，雾消结束时间是指能见度回升到1000 m并稳定高于1000 m的时间，雾消作用时间是指从雾消开始时间到雾消结束时间的时间间隔。经统计，本次过程达到强浓雾的58个国家站中具有典型爆发性增强特征的站点为40个，以这40个站点为代表分析强浓雾生消的时间特征。需要说明的是部分站点能见度具有多次爆发的特性，本文仅统计了第一次爆发性增强的时间。由图 3可见此次强浓雾的生消演变特征，其中00：00表示00：00—01：00，以此类推。

本次大范围强浓雾的起雾时间(图 3a)在11日20：00至12日08：00，其中11日23：00至12日01：00最为集中，占总站数的50%。12日04：00—05：00发生时间有所减少，06：00—07：00有所回升，08：00之后没有发生。强浓雾的爆发性增强开始时间(图 3b)与起雾时间特征相似，这也说明大部分站点一经起雾能见度就迅速下降至强浓雾。

统计强浓雾爆发性增强作用时间(图 3c)可以看出，爆发性增强作用时间在30 min以内，其中10 min以内的站点占65%，最长作用时间为27 min，最短仅为1 min，平均作用时间为9.5 min。

结合强浓雾最长持续时间(图 3d)来看，强浓雾最长持续时间在8 h以内，主要集中在3~4 h，占总站数的46%，持续时间最短为0.5 h，最长约为7.7 h，平均最长持续时间约为3.2 h。

统计雾消开始时间(图 3e)可以看出，雾消开始在12日02：00—11：00，其中07：00—09：00最为集中，占总站点的63%。雾消开始的最早时间为12日00:06，最晚时间为11:03。雾消结束时间(图略)和雾消开始时间特征规律相似。

雾消作用时间(图 3f)在85 min以内，其中15~30 min的站点占总站数的49%，最长作用时间为82 min，最短为7 min。雾消平均作用时间为35 min，明显长于爆发性增强的作用时间。

2.3 爆发性增强类型

强浓雾具有爆发性增强的特征，但能见度变化特点不尽相同。根据各站点爆发性增强的能见度变化曲线划分为两种类型(图 4)：第一类是上下剧烈波动后达到强浓雾并维持，本文将这种类型简称为跳跃爆发型；第二类是直接迅速爆发形成强浓雾并维持，本文将这种类型简称为直接爆发型。分别绘制这次过程两类爆发性增强的能见度变化特征曲线示意图，如图 5所示。

2.4 两类爆发型站点的时空特征分析

经统计，在这次过程40个典型爆发性增强的站点中，跳跃爆发型为21个，直接爆发型为19个。分别绘制跳跃爆发型和直接爆发型的站点位置(图 6)，跳跃爆发型主要分布在平顶山、漯河、驻马店一带以及商丘、濮阳等，而直接爆发型主要位于济源、焦作、新乡、郑州、许昌、周口、驻马店、信阳一线。同时，研究还发现跳跃爆发型的“爆发期”主要集中在3月11日23：00至12日01：00，而直接爆发型的“爆发期”主要在12日00：00之后, 图 4也能较好地证明这一结论。分析认为在强浓雾发展初期“条件”不够充分，强浓雾爆发后能见度仍有波动，不易长时间维持；而到强浓雾发展成熟期，强浓雾一经爆发更容易持续。

3 强浓雾成因分析 3.1 天气背景分析

3月11日，受西风槽东移影响，河南省普降小雨，20:00，500 hPa低槽已移至东海，河南受槽后西北气流控制，天空转晴(图 7)。700 hPa和850 hPa均为偏北风，850 hPa有一个小低压中心位于江苏沿海，但925 hPa处在小高压北部，为弱的西南风，低层有暖湿平流，温度露点差为3~4℃。至12日08：00，700 hPa逐渐转为弱脊控制，850 hPa转为偏南风，低层暖平流加强，省内高空站低层均有明显逆温。

11日夜间，河南省地面处在高压带中，为弱的均压场，以东南风为主，风力小，由于前期降水，地面相对湿度大，尤其是京广线以东部分地区相对湿度达到100%。且11日夜间上述地区天空状况较好，受晴空辐射降温的影响，有利于出现强浓雾天气。下文将对这次大范围强浓雾的成因进行具体分析。

3.2 辐射降温作用

图 8给出了3月11日夜间到12日白天卫星云图的演变情况，可以看出这个时段内河南上空云系较少：11日20:00河南省南部、西部上空有部分云系，随着云系东移，23：00除东南部少部分地区外，其他大部分地区上空云层打开，此时雾开始大面积生成并加强，至12日02:00河南上空晴空少云，对应着雾区进一步扩大和加强。总体来看，雾区的产生和范围与晴空少云区有一定的一致性。

晴空少云使得地面长波辐射加强，温度下降。为进一步讨论长波辐射降温作用对雾的形成和加强的影响，以郑州站为例绘制其气象要素变化和地表净辐射通量演变情况(图 9)。地表净辐射通量是地球表面太阳短波净辐射通量和长波净辐射通量之和(高扬子等，2013)。11日16:00之前净辐射通量为正值，表示该时段以太阳短波净辐射通量为主；18:00开始净辐射通量转为明显的负值，即该时段内以地面长波净辐射通量为主。随着夜间地面长波辐射加强，气温迅速下降，11日21:00气温为10.1℃，到12日00:34气温下降为4.9℃，降温率达1.5 ℃·h^-1，促使空气达到饱和成雾，并快速发展为强浓雾。综上所述，夜间晴空辐射引起近地面降温对这次强浓雾过程有重要的触发和增强作用。

3.3 近地面微风(静风)作用

3月11日夜间至午夜，河南省东北部、中部、南部部分站点已经有强浓雾形成，大部分站点的能见度呈现剧烈波动的特征。从地面风场(图 10)可以看出，在弱均压场的控制下，濮阳东北部、许昌、漯河、周口、驻马店等地风速小于1 m·s^-1，甚至出现静风，很好地对应了雾的发展区域。贺皓等(2004)、毛冬艳和杨贵名(2006)先后对雾与风场的关系进行了统计分析，研究指出近地面水平风场的u场和v场在0 m·s^-1附近，即低层的水平风很弱时发生雾的频率最大。以汝南站为例(图 11)，在雾形成并持续的绝大部分时段风速都小于2 m·s^-1，在爆发初期11日22：00左右，相对湿度达到100%，风速基本上都小于1 m·s^-1，此时能见度三次波动低值区都很好地对应了风速波动的低谷区，尤其是12日01:00前后出现了一段较长时间的静风，此时汝南站出现稳定维持能见度低于100 m的强浓雾，说明在这次过程前期弱风尤其是静风非常有利于雾的形成，这也与朱乾根等(1992)指出的微风对雾的形成最为有利的结论一致。

3.4 暖平流作用

以河南西北部的济源站为例分析这次过程的中后期强浓雾发展和维持的原因(图 12)。在河南西北部太行山的作用下，河南中东部的东南风在山前发生偏转，3月11日夜间到12日早晨河南西北部以东北风为主。12日06:00—07:00，位于济源站东面的沁阳站露点温度由5.2℃上升至6.4℃并继续上升，能见度由1400 m下降至100 m，在东北风的作用下有暖湿平流向济源站输送，07:00—07:44济源站露点温度从4.7℃迅速上升到7.0℃，暖湿空气平流遇到冷的下垫面下部冷却，能见度从2434 m迅速下降到192 m。同时日出后温度上升蒸发加强，并伴有近地面层湍流加强，有利于地表水汽扩散。在近地面暖平流和湍流交换的共同作用下，济源站强浓雾爆发性发展。

3.5 两类爆发型站点的成因分析

由上可见，根据能见度变化曲线划分了两种爆发性增强类型，即跳跃爆发型和直接爆发型，两种类型的能见度变化曲线和爆发时间明显不同。以汝南站为代表的跳跃爆发型强浓雾主要发生在3月11日夜间，此时近地面高湿环境、长波辐射降温以及持续的微风(静风)形成了有利于强浓雾爆发的静稳形势，但此时在强浓雾发展初期“条件”不够充分，风的作用会造成一定的湍流扩散，因此影响能见度剧烈波动。而以济源站为代表的直接爆发型强浓雾(图 13)，在风的作用下有暖平流输送，温度显著回升，强浓雾爆发。强浓雾爆发前地面异常增温或温度维持不变，这种特征在直接爆发型的绝大多数站点中存在，此时风的作用有利于强浓雾发展并持续，这与黄继雄等(2011)的研究成果是一致的。

4 结论

2021年3月11日夜间至12日白天河南省出现一次大范围强浓雾天气过程，这次强浓雾过程是在高空500 hPa处于西北气流控制，低层配合有暖湿平流作用，地面处于均压场的天气背景下产生的，对这次过程进行深入分析，得到如下结论：

(1) 这次强浓雾过程具有爆发性增强特征，统计40个典型强浓雾站点的发生发展特征发现：爆发性增强的作用时间在30 min以内，平均仅为9.5 min；各站点强浓雾最长持续时间平均约为3.2 h，最长约为7.7 h；雾消作用时间平均为35 min，明显长于爆发性增强的作用时间。

(2) 根据能见度变化曲线划分了两种爆发性增强类型：第一类是上下剧烈波动后达到强浓雾并维持，被称为跳跃爆发型；第二类是直接迅速爆发形成强浓雾并维持，被称为直接爆发型。

(3) 雾前降水造成的高湿环境和夜间晴空辐射降温为强浓雾过程提供了重要的触发和加强条件；近地面大范围微风甚至是静风是这次强浓雾过程爆发的另一个有利条件，近地面暖平流输送也是这次强浓雾过程爆发性发展和维持的重要原因。

(4) 跳跃爆发型和直接爆发型两种类型成因中风起到不同的作用：在跳跃爆发型中，风会造成一定的湍流扩散，使得能见度剧烈波动；而在直接爆发型中，在风的作用下有暖平流输送，有利于强浓雾的发展和维持。