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美国中西部地区浓雾的一些特征

Nancy E. Westcott

摘要

为了更好的了解美国中西部的浓雾过程，用于研究浓雾的来临之际、浓雾过程期间以及与雾持续时间相关的地表天气条件的雾气候学发展起来了。本篇文章检验了1948年至1996年间的机场的逐小时观测资料，其主要集中在冷季（10月至3月）的皮奥利亚和伊利诺伊。在浓雾来临之际，温度、风、能见度不能有效的区分持续时间为1至2小时和时长超过5小时的浓雾。但人们发现一旦浓雾形成，如果浓雾水平能见度小于等于200m并且云高小于等于30m，那么浓雾很可能会持续。更有甚者，当许多其他的中西部机场逐小时观测站也普遍报有浓雾时，皮奥利亚的浓雾倾向于持续更长时间。当浓雾是在夜间早期到午夜刚刚过后发展时，它可能比浓雾在后半夜发展以及白天发展有更长的持续时间。在中西部的其他站点也同样发现了这个现象。雾在夜间的早些时候形成可能有更长的持续时间的原因是在夜间没有阳光曝晒雾层。当持续时间长的雾常常比持续时间短的雾有更加广的范围以及更低的能见度时，那么当太阳升起时可能需要更多的消散时间。对与中西部所有类型的雾，浓雾的产生时间以及浓雾的范围可以作为雾持续时间很好的预报因子。

1. 引言

通过中断贸易和危害人体健康，范围广的浓雾可以有大的社会经济影响。路面上的交通被严重影响。低的地表能见度可以减缓或推迟路面上的交通并且造成交通事故。从伊利诺伊交通中心那里得到的数据表明从1975年至1995年，不包括芝加哥的城区，在伊利诺伊有雾时发生了4000起碰撞事故，平均每年造成30人死亡以及数百万美元损失。（K.McGee 2001,个人通讯）。从1992年至1995年，事故的报道表明，除了芝加哥，在每年的288天中，平均至少有两起和雾有关的交通事故发生在伊利诺伊的一些地方。在19世纪中期的早些时候，美国中西部的雾没有得到详细的研究（e.g. Stone 1936;George 1951;Byers 1959）其中的一个原因可能是雾不容易通过遥感设备来研究，例如气象雷达以及卫星。雾发生的海拔高度太低以至于不能被传统的雷达研究。尽管多波技术可以允许对大范围的雾进行更多的常规研究，但是很难通过卫星区分雾和低层云。（Ellrod 1995;Bendix et al.2005）。进一步来讲，雾在时间上和空间上是高度可变的；在任何一个大陆的位置在一个给定的一年中，浓雾事件可能发生很多次，或根本没有（e.g.Ratzer 1998）。此外，雾不仅有边界层特征，也是一种在天气尺度条件成立时所发生的现象，而且有时会受到上层覆盖的云的不利影响。因此，雾不是简单的模型或者在常规基础上的预报，特别是在中西部地区，在那里雾的发展处于各种条件的控制下并且辐射和平流过程可能对雾的形成过程很重要。雾的预报往往是基于观测的（例如，herzegh et al 2004）或基于模型来提高观测（Vislocky和Fritsch 1997；Leyton and fritsch 2004；bergot等人。2005）。一个基于物理的业务预报模型对于各种条件下的内陆雾可能的发展依然有报空的现象。为了更好的了解美国中西部地区的浓雾过程，雾的气候学得到发展，它被用来研究浓雾形成之际、浓雾过程以及与雾持续时间有关的各个时间段上的地表天气条件。气候学模型是基于Peoria, Illinois (PIA)的观测。这个观测点位于中西部地区的中央，并且受到地形和城市效应的影响很小。这项研究并不局限于雾的类型，而是研究长的持续时间与短的持续时间对比时有关的条件，为了找出可以辨别的条件，它将被用来作为各种内陆浓雾持续时间长短的辨别条件，有助于预报和临近预报

1. 数据和方法

美国天气服务一级观测站已经收集了半个世纪的逐小时机场地面观测资料，Stone (1936), George (1951), and Byers (1959)等人研究了美国中西部的雾。这些逐小时观测包括水平能见度以及其他标准地面观测量包括云高，当前天气状况。在1948-1996年的研究阶段，对于皮奥利亚，这些数据是每三小时的记录而不是逐小时记录。每三小时观测资料没有做出调整。水平能见度被用来研究在中西部地区的浓雾天的频率和空间范围，并确定浓雾在皮奥里亚（更大的皮奥里亚区域机场），位于研究区域的中心附近（图1）。机场位于水平台地，四周的下沉和起伏的地形。它远离（1.6公里）的伊利诺斯河流域的边缘及以上（70米）的河床（国家气候数据中心2005）。机场位于皮奥里亚市人口稀少的西南边缘。因此，城市和地形对测站天气的影响很小。为了进一步确定皮奥里亚是否可以代表整个区域，一些参数需要被研究：浓雾每年的频率、在冷与暖季发生时的比例、持续时间长短之间的相对比例、以及浓雾期间的平均风速。基于以上的分析，皮奥里亚可以代表中西部的很多地点，如爱荷华、密苏里、伊利诺斯以及印第安纳州的地方。

图1 在1948年至1996年美国中西部国家天气服务机构

57个机场观测站的年平均浓雾次数

浓雾的定义是根据雾观测报告得出的水平能见度为400m（0.25英里）的雾。在观测站所记录的一天中，如果有至少1小时的浓雾发生，则将会确定为浓雾天气。根据Meyer和Lala（1989）所使用的方法，区分浓雾和其他天气的方法是至少6小时没有雾（水平能见度超过3.2km(2英里)）或者12小时能见度大于等于1.6km（1英里）。虽然不寻常，一些雾可以发生在一天，延长至午夜时分的雾并不是不常见。浓雾过程可分成长持续时间、中等持续时间以及短持续时间三个类别，从而得出导致持续时间不同的条件。文献中未指出通过持续时间对雾分类的客观标准。对于实际和主观的原因，可以根据持续时间对雾作如下的分类：持续时间短的雾为仅持续1 - 2小时，中等持续时间的雾为持续3 - 5小时，持续时间长的雾为6个或更多小时。当仅得到每三个小时的观测资料，持续时间短的雾将有1次观测、持续时间中等的雾有2次观测以及持续时间长的雾有三次及以上的观测。与雾相关的交通事故的数据是从伊利诺伊交通中心得到的（K.Mc-Gee2001，个人通讯）摘要信息包括除了芝加哥地区以外的与雾相关事故的次数，所有和天气相关事故事故的数目、伊利诺伊道路表面的状况。这些数据从1975年到1995年，4年的单个的交通事故的报告，从1992年至1995年。单个的报告包括时间、日期、事故的类型以及乡村；道路表面状况以及观测的天气条件。

1. 浓雾天气的空间分布

一些雾的气候学上的知识表明对于美国来说，雾天数的空间模式既不是年际的(Stone 1936; Court and Gerston 1966; Pearce 1969; Hardwick 1973)也不是月际的。(Hardwick 1973)。其他早期的研究表明在美国多个区域的雾具有季节性，但不能确定浓雾的频率数目(George 1940; Byers 1959; George 1960)。1948-1996年的浓雾天的空间分布如图1所示。大体上说，在1896-1960年，对于所有由Court and Gerston（1966）观测到的雾天的年际平均情况，浓雾天的频率类似于频率分布和空间分布，但比Stone (1936), and by Court and Gerston (1966)所观测到的浓雾天的频率更大。更多的当前数据通过三种方式得到改进。(Court and Gerston 1966)。它们的频率更高，从8到24（1965-1969）而不是明天2到5次观测。它们首先在机场那里观测得到的，降低了城市热岛的影响，并且最后，雾的严重程度是由水平能见度记录的，而不是描述性语言。在1948-1996年期间，在美国中西部的57个站点中至少有1个有浓雾的报告，在11641天或65%的可能天数。每个站点每年的浓雾天的中值数是17。沿苏必利尔湖南部边缘的三个观测站每年的浓雾天数目超过40天，并且，在沿密歇根湖、爱荷华北部、威斯康星南部以及伊利诺伊北部的站点，每年浓雾天数在20至30天之间。在站点较近时数据会有较大的差别。例如，靠近密苏里西边的堪萨斯城的两个站点，一个显示一年有22天浓雾另一个显示有7天浓雾。堪萨斯国际机场平均来说比堪萨斯市中心的机场的雾多3倍。同时，芝加哥和底特律的雾天数有所减少。有强有力的证据表明在城市地区最低温度的升高可以减少雾的发生(e.g., Landsberg 1981; LaDochy 2005)。这也为宾夕法尼亚西部浓雾频率的增多提供了解释。但是，Stone (1936),、Court and Gerston (1966),、Pearce (1969)以及Hardwick (1973)发现，所研究的区域不能延伸到很远，来充分表明阿巴拉契亚地区雾的平流。

1. 雾在冷季时的特征

伊利诺伊州交通事故数据表明雾在全年中是最危险的，但是在冷季会有最危险的影响。在一些天中，至少有两起和雾有关的事故被报道出来（不一定是浓雾），但是多数和雾有关的事故在几天之内发生。在4年期间，1992年至1995年，其中的104天中至少有25起事故，并且超过100起事故在仅仅20天内报道。对于伊利诺伊州，在冷季所有天数中的84%至少发生了25起涉及雾的事故。从10月到3月，至少有100起涉及雾的事故。当100起或者更多的和雾有关的交通事故发生在伊利诺伊州时，超过15个站点报道了浓雾并且浓雾在所有天中持续时间超过6小时。雾天数的月分布如图2所示。在全年中，浓雾天只在几个站点发生（1到5个）。在给定天内，当记录雾的站点的数目增加时，在更冷的月份中，雾出现的频率增加并且在暖的月份减小。在中西部地区的384天中，超过15个站点记录了浓雾。仅仅15次发生在冷季10月至3月之外。十分清楚的是，雾普遍具有凉爽季节的特点。Byers (1959)发现辐射雾在全年中发生并且前期的雾具有冷季的特点。George (1940)和Stephens (1943)也发现在雾发生的频率中存在冷季的峰值，但是但是他们的样本也包括了底层云的个例。Ratzer (1998) 和Friedlein (2004)也发现雾在一年中发生但在伊利诺伊州芝加哥，雾首要具有冷季的特点。对于皮奥里亚，在49年的数据中，有792起浓雾并且在10月至3月的冷季，浓雾的数目占总体的71%，并且有总体浓雾时长共3360小时的84%，当范围最广的浓雾包围32个站点时皮奥里亚有10个或更多的站点报道了在冷季发生的雾（91%）。对于持续时间长的雾，它们的持续时间超过5个小时，也主要发生在冷季（87%），同时，在皮奥里亚，持续时间最长的浓雾持续了47小时。再次重复，分布广的浓雾在冷季10月至3月有更高的出现频率。有561起与气象条件有关的发生在皮奥里亚冷季的浓雾将在下一节展现。

图2 1948-1996年在美国中西部，每月的浓雾天气频率的百分数。

通过记录浓雾的观测站进行分类

1. 皮奥里亚冷季浓雾
2. 生消的时候

众所周知，雾主要具有夜间的特性，并且在日出前后的清晨具有峰值频率(e.g., Meyer and Lala 1989)。但是，在皮奥里亚浓雾的研究表明了持续时间长的浓雾和持续时间短的浓雾在生消阶段的不同。持续时间长的浓雾在产生时的峰值为午夜左右，然后到达峰值的分别是持续时间中等的雾和持续时间短的雾（如图3a）。持续时间短的雾的峰值产生在日出的时候。（10月至3月0545–0715 LST）。对于所有雾，消散时候的峰值出现在日出左右，对于持续时间短的雾在0700LST，持续时间长和中等的雾在0800LST（图3b）。持续时间长的雾不仅仅形成的早而且在日出后消失的时间要晚于持续时间短的雾。持续时间长和持续时间短的雾在消散时间中位数上的不同对于采用0.05水平的曼-惠特尼U检验是重要的。(e.g., Burt and Barber 1996)。对于43个其他机场观测站的数据，我们也做了生消时间的研究。它们的逐小时数据是可以获得的并且在1951年至1996年有连续的观测。在分析时排除了图1中的六个西部的观测站点，这些站点有缺失的数据。通过将每个站点逐小时的发生频率的百分数加以平均，这将混合生消的时间点。我们发现除了两个站点外，所有的站点的雾持续时间长的浓雾开始的迹象早于持续时间中等的雾和持续时间长的雾。雾生成的时间点在站点之间变化，但是对于持续时间长的浓雾，在许多站点的22时至4时，雾的初始阶段出现有一个或更多的峰值。对于持续时间短的雾，在多数站点，在06时至09时，生消阶段会有一个或更多的峰值。

图3 1948-1996年在皮奥利亚冷季10月-3月24小时中对于每个持续时间种类的起雾时雾的浓雾频率百分数（a图）以及消散时雾的浓雾频率百分数（b图）

1. 浓雾的空间分布程度

当皮奥里亚地区观测到浓雾时，通过研究浓雾时中西部的机场观测站的数据，可以估计发生在皮奥里亚的浓雾的空间维度。其他的空间上的估计考虑到了在浓雾发生时靠近皮奥里亚的一些观测站（距离在200km之内）。站点和年份采取与上一节分析时相同的站点和年份，存在着一个不同。两个位于伊利诺伊州芝加哥的机场观测站（芝加哥奥黑尔国际机场和芝加哥中转机场）被考虑了进来。当有操作重叠的阶段时，（当两个站有雾时）就会被计算进来。两个堪萨斯的测站以类似的方式结合其中。那么对于空间维度分析，在中西部有43个可能的测站，并且有6个距离皮奥里亚的距离在200km之内的观测站。观测到雾的观测站的数目和距离较近的观测站有逐日的数据，并且雾的观测站距离较近。三个持续时间类别的雾在水平范围上有很大的区别。（图4a和图4b）。

图4 1951-1996年在皮奥利亚冷季10月-3月的持续时间长、持续时间中等以及持续时间短的浓雾中，43个可能的站点中（除了皮奥利亚）有浓雾时的观测站最大数目（图a）

以及邻近测站的最大数目（图b）

对于观测到雾的测站的中值数，持续时间长的雾是15

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