乌鲁木齐城区冬季雾的分布特征及其影响因素

王 健，万 瑜，苗运玲*

（1.乌鲁木齐市气象局，新疆 乌鲁木齐 830002；2.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐 830002）

近地层空气中水汽凝结并悬浮形成了雾，雾会降低能见度，给道路交通、航空运输、电力通信设施、空气质量和人体健康等带来严重危害[1-2]，导致高速路上交通瘫痪[3]。随着城市的发展扩大，雾及其次生灾害已成为城市主要气象灾害之一[2]，雾的监测、分析研究和预报预警越来越受到广泛关注。

不同区域雾的强度和持续时间差别显著[4-9]。中国雾总体呈东南部多，西北部少的分布特征，北方冬春季会出现较严重的持续性浓雾天气[4]。中国雾区大都是秋冬季多，春夏季较少[5]。地理环境和地形对雾的出现和维持有显著影响[6-7]。中国西部大雾日数偏少（多）与气温偏高（低）、相对湿度偏小（大）存在较好的对应关系[8]。雾与生态环境密切相关，研究雾可为保护生态环境提供科学依据[9-11]。新疆天山山区和北疆是中国6 个主要雾区之一，雾日年际变化较大[5]。天山山区和北疆的雾主要出现在冬季[12-13]。张家宝等[14]指出北疆沿天山一带冬季阴雾多发，且阴雾的发生和维持与地理环境密切相关。

乌鲁木齐市位于北疆沿天山一带的中部、天山北坡和准噶尔盆地南缘之间，有降雪或积雪的冬季大雾易发、多发[15]，大雾已成为乌鲁木齐城区冬季最常见的高影响灾害性天气之一[16]。已有研究[17-21]较好地揭示了乌鲁木齐市不同区域雾的天气气候特征、环流配置、垂直风场特征和主要成因等。乌鲁木齐市年雾日受海拔高度和地形影响较大，城区冬季雾日最多，且年、季及月的年际变化均呈显著增加趋势[18]。但已有研究主要是基于乌鲁木齐市气象站或者乌鲁木齐国际机场的资料（据《民用航空地面气象观测规范》），基本未涉及城北米东气象站的观测数据。乌鲁木齐城区呈南高北低的准南北向狭长带状分布，海拔高度在580～920 m，较大的高度差和复杂的地理环境造成城南和城北的天气气候差异显著。

自2016 年1 月1 日，全国气象台站能见度的观测由人工目测改为自动器测，实现了能见度值的逐时自动监测，为系统研究乌鲁木齐城区雾的分布特征提供了宝贵数据。本文分析乌鲁木齐城南和城北不同强度雾的发生概率、雾的发生时段、起止时间及持续时间等主要特征，以期为乌鲁木齐城区雾的精细化预报预警提供重要参考指标。

1 资料与方法

1.1 代表站和资料

位于城南的乌鲁木齐市气象站和位于城北的米东气象站经度基本一致，纬度相差11′，直线距离约20 km，海拔高度相差近335 m。根据两站在城区的地理位置，可分别代表城南和城北。乌鲁木齐站和米东站都有规范的雾和能见度观测资料，据两站1981—2010 年的整编资料，城南年平均雾日28.9 d，其中11 月—次年2 月为25.4 d（占88%）；城北年平均雾日40.4 d，其中11 月—次年2 月为37.3 d（占92%）。本文统称一年中雾日数最集中的11 月—次年2 月为冬季。两站的基本参数见表1。

表1 乌鲁木齐城区站点基本参数、代表区域及年平均和冬季雾日数

资料选取2016—2020 年乌鲁木齐站和米东站冬季雾日、雾日最小水平能见度和雾日逐时水平能见度以及风速、静风频次和相对湿度等要素的月平均数据等，所有资料均通过严格质量控制。

1.2 方法

《地面气象观测规范》规定，天气现象以北京时20 时为日界，当某站20 时至次日20 时出现雾，不论其持续时间长短、是否有间断均记为一个雾日，若某次雾跨越20 时日界，则按2 个雾日计算。

能见度是界定有、无雾及其强度的定量指标。2016 年能见度监测改为自动器测后，地面气象观测业务中雾的等级划分为3 级，即：雾（500 m≤水平能见度＜750 m）、浓雾（50 m≤水平能见度＜500 m）、强浓雾（水平能见度＜50 m）。在预报预警业务中，依据《中华人民共和国雾的预报等级指标（GB/T27964-2011）》分为4级，即：大雾（500m≤水平能见度＜1 000 m）、浓雾（200 m≤水平能见度＜500 m）、强浓雾（50 m≤水平能见度＜200 m）、特强浓雾（水平能见度＜50 m）。本文旨在为预报预警业务提供定量参考，故主要依据《中华人民共和国雾的预报等级指标（GB/T27964-2011）》4 级标准，利用测站雾日的最小能见度值和逐时水平能见度值等表征雾的强度。

为了分析雾的时间和强度分布特征，首先统计近5 a 冬季城南和城北雾日最小能见度的平均值及其在昼（08 时—20 时）、夜（20 时—次日08 时）的出现概率，对比分析城南和城北雾的强度及其昼夜分布特征。分别统计城南和城北5 a 冬季中不同强度雾在1 天24 个时次的累计出现频次，高频时段即为对应强度雾的易发时段。

雾的开始、结束和持续时间也是采用测站逐时水平能见度值，即当某时次能见度＜1 000 m 即判定为雾的开始时次，若能见度＜1 000 m 持续，表示雾持续并累计小时数，当雾持续了若干小时后出现＞2 h的能见度＞1 000 m，则视为雾过程结束，出现能见度＞1 000 m 的前一时次计为雾的结束时次；雾从开始时次到结束时次间的累计小时数为雾的持续时间；分别累计雾在1 天24 个时次的开始、结束时次的频次，高频时次即为雾的开始或结束的高发时次。

2 雾的时间分布特征

2.1 雾的日数

图1 为2016—2020 年冬季及逐月城南和城北雾日数的分布情况。近5 a 冬季雾日数城南为223 d，城北为271 d，城北比城南偏多48 d；平均雾日数城南为44.6 d，城北为54.2 d，分别较多年（1981—2010 年）冬季偏多19.2、16.9 d，即近5 a 冬季城南和城北雾日数均呈增加趋势，与文献[15]结论一致。

在上述分析中发现，轨道换乘站客流拥塞风险具有明显的时变特征，因此可将1 d内的各时段作为不同的评价对象，每个时段分别以进站、出站、换乘客流作为评价指标，从而识别1 d内客流拥塞风险较高的时段. 根据北京市地铁运营时间，确定全天的数据采集时段为05:00—23:00，以15 min为最小时间单元，分别基于轨道AFC刷卡数据提取进站、出站和换乘客流.

由图1 可知，近5 a 冬季两站月平均雾日数均为1 月最多（城南15.8 d，城北21.6 d），11 月最少（城南5.6 d，城北4.6 d），12 月和2 月平均雾日数为11.4～14.6 d；除11 月城南（5.6 d）多于城北（4.6 d）外，其余3 个月雾日数均为城北多于城南。

图1 2016—2020 年冬季及逐月乌鲁木齐城南和城北不同强度雾日数分布

2.2 雾的昼夜分布

近5 a 冬季雾日中，城南昼夜都出现雾的年平均日数为19 d（表2），占42.6%，仅白天或仅夜间有雾分别为10.6 和15 d，分别占23.8%和33.6%；城北昼夜都有雾共出现34.2 d，占63.1%，仅白天或仅夜间有雾分别为11.8 和8.2 d、分别占21.8%和15.1%。故城北昼夜都出现雾的概率高于城南。城南雾最小能见度出现在夜间有28.6 d，占64.1%，城南雾夜间强于白天；而城北最小能见度出现在白天和夜间的日数接近，分别为26.2 和28 d，分别占48.3%和51.7%，即城北雾的强度昼或夜的差别不大。

表2 2016—2020 年冬季乌鲁木齐城南和城北昼雾与夜雾平均日数和最小能见度平均日数 d

2.3 雾的起止时间

分析近5 a 冬季城南309 次雾、城北351 次雾的开始和结束时间的累计频次，发现1 天24 个时次都有雾的开始和结束，但是在不同时次开始和结束的概率大不相同，即雾的开始和结束的多发和少发时段是不同的。城南雾开始时间（图2a）呈单峰单谷，最多出现在17—19 时、占21.0%，11—14 时最少、仅占7.8%；结束时间（图2b）呈准双峰三谷型，最多出现在11 和05 时，分别占8.1%和7.1%。城北雾开始时间（图2a）为三峰单谷型，20—22 时和09 时最易出雾，分别占17.9%和6.0%；14 时很少开始，仅占0.3%；结束时间（图2b）为单峰单谷，集中结束于14 时前后，占10.8%，极少结束于20 时，仅占0.9%。

图2 2016—2020 年冬季乌鲁木齐城南和城北雾开始和结束时间的日变化曲线（a 为开始频率，b 为结束频率）

城南雾常在18 时前后开始，11 时前后结束。城北雾大都在20—22 时或09 时开始，14 时前后结束。原因是城南在经历了白天升温、积雪升华后，在18 时前后气温下降、相对湿度增大，导致雾生成；20 时前后受偏北来向的谷风影响[27]，雾从准噶尔盆地蔓延至城北。

2.4 雾的持续时间

近5 a 冬季城南和城北的雾过程分别是309、351 次，城南少于城北。不同持续时间雾过程的累计频次和占比不同（表3），城南和城北持续3 h 内的雾过程占比分别是37.2%、33.3%，都有绝对优势，与许玮[10]、冯丽莎[11]结论一致。城南和城北持续3～12 h的雾过程占比分别是43.4%、37.0%，城南略多于城北，城南和城北持续12～24 h 的雾过程频次占比为12.9%和16%，城北略多于城南，而持续24 h 以上的雾过程，城北（48 次、占比13.7%）远多于城南（20次，占比6.5%）。统计结果表明，城北雾的持续时间总体长于城南，初步认为城北海拔高度低，边界层更加静稳，为雾的维持提供了条件。

表3 2016—2020 年冬季乌鲁木齐城南和城北不同持续时间雾的累计频次和占比

城南雾过程最长持续时间是106 h（2016 年2月21 日02 时—2016 年2 月25 日11 时）城北是153 h（2016 年1 月22 日10 时—2016 年1 月28 日18 时）。

3 雾的强度

3.1 不同强度雾的出现概率

近5 a 冬季，城南各种强度雾共出现2 653 次，大雾、浓雾、强浓雾和特强浓雾出现频次（图3）分别为1 676 次（63.2%）、527 次（19.9%）、432 次（16.3%）和18 次（0.68%）；城北共出现4 484 次，其中大雾、浓雾、强浓雾和特强浓雾分别是3 366 次（75.1%）、879 次（19.6%）、236 次（5.3%）和3 次。

图3 2016—2020 年冬季乌鲁木齐城南和城北不同强度雾出现频率

3.2 不同强度雾的月分布

表4 为近5 a 冬季城南和城北不同强度雾的月平均分布。城南1 月（2.2 d）和12 月（5.4 d）强浓雾最多，2 月浓雾（4.6 d）最多，11 月大雾（1.8 d）、浓雾（1.6 d）和强浓雾（2.2 d）的频次接近。城北1 月大雾（8.4 d）、浓雾（8.6 d）和12 月大雾（5.4 d）、浓雾（5.2 d）较多，2 月浓雾（6 d）最多，11 月除无特强浓雾外，其余强度雾日数接近（大雾1.6 d、浓雾1.8 d、强浓雾1.2 d）。冬季城南强浓雾和特强浓雾的发生概率（41.3%）多于城北（22.5%），这也是城南雾总体强于城北的原因之一。

表4 2016—2020 年冬季及逐月乌鲁木齐城南和城北不同强度雾的平均日数分布 d

3.3 不同强度雾的日变化

城南和城北不同强度雾在1 天的任何时次都可能出现，但是不同时次出现的概率不同。城南大雾（图4a）在19—20 时出现最多，占11.6%，13—15 时出现次数最少，均少于3%；浓雾（图4b）在03—05时出现较多，占18.2%，14—17 时发生频率较少，仅为2.5%；强浓雾（图4c）在21 时—次日06 时逐时递增，02—06 时为1 天中的高发时段、每个时次均占8%以上，其后波动式减少，15—19 时为最少时段，各时次仅占1.2%。城北大雾（图4a）多出现在09—13 时，占22.8%，16—19 时出现较少，仅占3.5%；浓雾（图4b）最多出现在11—12 时，占13.2%，17—19 时出现最少，仅占2%；强浓雾（图4c）呈先持续缓升后快速下降趋势，即21 时后持续增加至次日10 时的峰值时刻，占9.3%，然后快速降至15—20 时的谷值时段，仅占1%。城南和城北都极少出现特强浓雾，两地均短时偶发于09 时前后。

图4 2016—2020 年冬季乌鲁木齐城南和城北不同强度雾的日变化曲线（a 为大雾，b为浓雾，c为强浓雾）

城南浓雾和强浓雾主要出现在21 时—次日06时，分别占53.1%和60.2%，这与城南雾的强度夜间强于白天是一致的。城北不同强度雾的发生时段较为分散，与城北雾在昼夜强度接近相对应。

4 影响雾的主要因素

观测事实和研究都证实，雾的形成和维持离不开稳定的大气层结、充沛的水汽、有利的温湿度配置和风场条件[1，15-18]。本文仅从风速、相对湿度和地理环境等因素对城南和城北做对比分析，初步探讨城南和城北雾的部分差异性的主要影响因素。

4.1 风速和相对湿度

微风、静风和充沛的水汽是雾生成和维持的必要条件[1，12，15]。分析近5 a 冬季城南和城北风速、相对湿度逐月平均值发现：城北11 月—次年2 月的平均静风频次（12、16、16、14 次）均大于城南（5、6、6、4次）（图5a），同时段城北逐月平均风速（1.1、0.9、0.8、1.0 m/s）明显小于城南（1.7、1.4、1.5、1.6 m/s）（图5b），冬季11 月—次年2 月城北的相对湿度（72.1%、81.9%、80.9%、76.8%）大于城南（70.1%、77.6%、77.9%、74.3%）（图5c）。有利于雾生成和维持的风速及相对湿度是城北雾多于且持续时间长于城南的重要气候影响因素[8]。

图5 2016—2020 年冬季各月乌鲁木齐城南和城北静风频次（a）、平均风速（b）和相对湿度（c）

4.2 地理环境因素

很多研究[5-7，13]都表明，独特而有利的地理环境也是雾发生和维持的重要原因之一。北疆在冬季处于地面蒙古冷高压后部，当稳定积雪形成后，准噶尔盆地上空常维持逆温层，导致准噶尔盆地和北疆沿天山一带常出现阴雾天气[14]，盆地形成的阴雾极易蔓延至盆地南缘的乌鲁木齐城北一带[19]，城北海拔高度较低，大气层结更静稳，导致雾在城北滞留。与此相反，乌鲁木齐南郊至城南冬季出现浅薄型焚风频率达57.3%[22]，干暖焚风不利于雾的发生和维持。地理环境因素也是城北冬季雾多且持续时间长于城南的重要因素之一。

5 结论和讨论

（1）近5 a 冬季，乌鲁木齐城南平均雾日为44.6 d较城北的54.2 d 偏少9.6 d，两地雾日都是1 月最多、11 月最少；城南雾夜间强于白天，城北雾昼夜强度接近。城南集中在17—19 时开始出现雾，常在11和05 时雾消散；而城北多在09 时和20—22 时开始出现雾，基本都在14 时前后消散。城南和城北雾的持续时间大部分在24 h 以内，其中又以3 h 以内为多，但是持续时间超过24 h 的累计频次城北多于城南，城北雾持续时间大于城南。

（2）城南和城北雾日最小能见度分别为335、390 m，城南强浓雾和特强浓雾占41.3%，多于城北的22.5%，城南雾总体强于城北。城南大雾多发19—20 时，浓雾多发于03—05 时，强浓雾高发于02—06 时。城北大雾高发于09—13 时，浓雾多出现于11—12 时，强浓雾多发于10 时。

（3）城北位于阴雾多发的准噶尔盆地南缘，海拔高度较低、层结更加静稳，冬季各月静风频次较多、风速较小、相对湿度较大，而城南常受干暖焚风影响，区域小气候和地理环境是城南和城北雾分布差异的主要影响因素。

由于两站能见度自动监测时间较短，观测资料年限不长，所得结论具有一定的局限性。随着观测资料的增多，再增加边界层、局地风场等资料的分析，可以遴选出乌鲁木齐城区冬季雾精细化预报预警的关键因子和指标体系，建立乌鲁木齐城南和城北冬季雾的精细化预报预警方法，进一步做好乌鲁木齐城区冬季雾的精细化预报预警和服务。