遼東灣西岸海霧特征分析

王玉國，章晗，朱苗苗，趙玉梅，岳政名，張玉生，張守寶

（1.92493部隊(duì)氣象臺(tái)，遼寧葫蘆島，125000；2.興城市氣象局，遼寧葫蘆島，125100；3.中國電波傳播研究所，青島，266107）

1 引言

海霧是指發(fā)生在濱海、島嶼上空或海上的低層大氣的一種凝結(jié)現(xiàn)象，是懸浮于大氣邊界層中的大量水滴（或冰晶）使水平能見度小于1000 m的危險(xiǎn)性天氣現(xiàn)象[1]。海霧一般是在暖濕空氣流經(jīng)冷海面條件下形成，其存在與海洋環(huán)境有著密切的關(guān)系[2]。起霧期間近海海面水汽含量大，不同波長的電磁波的吸收、散射和反射特性會(huì)受到水汽的嚴(yán)重干擾。因此，在一切海上和沿岸的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和軍事活動(dòng)中，海霧是我們高度關(guān)注的重要因素[3]。遼東灣西岸地區(qū)海岸線呈東北-西南走向，東面、南面是渤海的遼東灣，西北面的“遼西走廊”是連接京津、進(jìn)出東北的“咽喉”要道。該海區(qū)四季分明，大霧的發(fā)生頻率具有明顯的季節(jié)差異，冬季氣候寒冷，近地面易出現(xiàn)逆溫層，輻射霧的發(fā)生頻率較高，春秋季節(jié)南北向風(fēng)變換頻繁、空氣干燥，大霧的發(fā)生頻率較低。從海霧的定義來看，該海區(qū)冬半年（10—3月）出現(xiàn)的大霧不具備平流冷卻型海霧的特征，本文不作重點(diǎn)分析。夏半年（4—9月）特別是6—7月份，受遼東灣海洋冷下墊面的影響，暖濕空氣易于在近海面達(dá)到飽和，海霧多發(fā)，且持續(xù)時(shí)間長，濃霧（能見度小于200 m）多，平流冷卻型海霧的特征比較典型。當(dāng)海霧發(fā)生時(shí)，能見度大大降低，有時(shí)不足50 m，嚴(yán)重影響航運(yùn)安全，甚至造成沿海高速公路封閉，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)帶來諸多不利影響，延伸到陸地的海霧及抬升形成的低碎云是沿海機(jī)場嚴(yán)把的“飛行禁區(qū)”，是該地區(qū)航空氣象保障的難點(diǎn)。目前，文獻(xiàn)中尚無針對(duì)該海區(qū)海霧的深入研究，開展遼東灣西岸海霧特征和形成條件研究，具有十分重要的意義。

2 資料和方法

本文選用的資料為菊花島氣象站2002—2011年每日16個(gè)時(shí)次（夜間每3 h、白天每1 h一次）的地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度、能見度等。菊花島為渤海最大的島嶼，距陸地最近距離約15 km，具有良好的海上實(shí)況代表性；遼東灣的海溫資料選用T639背景場提供的日平均海溫?cái)?shù)據(jù)；高空溫濕資料選用錦州站2007—2011年的08或20時(shí)的探空數(shù)據(jù)，該探空站距菊花島氣象站約60 km，距海岸約25 km，其高空資料對(duì)遼東灣西岸海區(qū)具有較好的代表性。

霧日的標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)整點(diǎn)觀測(cè)出現(xiàn)能見度小于1000 m時(shí)，即記為1個(gè)大霧日；當(dāng)整點(diǎn)觀測(cè)出現(xiàn)能見度小于200 m時(shí)，即記為1個(gè)濃霧日。大霧持續(xù)時(shí)數(shù)即大霧從開始到結(jié)束的時(shí)數(shù)，在一次大霧天氣過程中，如果大霧中斷不超過3 h，認(rèn)為大霧持續(xù)。大霧持續(xù)天數(shù)即大霧連續(xù)出現(xiàn)的天數(shù)。霧季的標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)某月的月霧日相對(duì)頻數(shù)（月霧日數(shù)/年霧日數(shù)）大于10%時(shí)，該月即為霧季[3]。

表1 菊花島氣象站4—9月平均海霧日數(shù)（2002—2011年）（單位/d）

表2 菊花島氣象站4—9月各時(shí)次海霧發(fā)生頻數(shù)（2002—2011年）（單位/%）

3 遼東灣西岸海霧的變化特征

3.1 季節(jié)分布及霧季確定

遼東灣西岸海霧的分布具有很強(qiáng)的季節(jié)性（見表1）。4—7月，月平均海霧日數(shù)及濃霧日數(shù)呈增加趨勢(shì)，6、7月份最為集中，7月達(dá)到最大值，平均霧日為5.2 d，2010年7月海霧日數(shù)最多，達(dá)到了9 d。8月份海霧日數(shù)驟減，月平均海霧日數(shù)只有2.5 d，9月份月平均海霧日數(shù)最少，只有0.6 d。6、7月份的海霧日數(shù)分別占4—9月（半年）總海霧日數(shù)的23.9%和28.9%，且發(fā)生頻數(shù)（海霧日數(shù)占總觀測(cè)日數(shù)的百分比）高，都在14%以上，能見度小于200 m的濃霧多，60%以上的濃霧日集中在這兩個(gè)月份。按照霧季確定的標(biāo)準(zhǔn)，6、7月份可定為遼東灣西岸海區(qū)的霧季。

4—5月份，隨著氣溫和海溫的回升，暖濕空氣開始活躍，低層大氣中的含水量增多，同時(shí)氣溫的回升速度明顯高于海溫的回升速度，海面的“冷源”效應(yīng)開始顯現(xiàn)。海霧發(fā)生的有利條件趨于增多，但這一時(shí)期，冷暖空氣交替頻繁，大風(fēng)天氣多，不利海霧的發(fā)生、發(fā)展和維持，大霧出現(xiàn)更多地與鋒面天氣系統(tǒng)的活動(dòng)有關(guān)；6—7月份，隨著西太平洋副熱帶高壓的位置北移，暖濕空氣的勢(shì)力顯著增強(qiáng)，渤海海區(qū)盛行南向風(fēng)，同時(shí)海溫低于氣溫，近海面大氣層極易出現(xiàn)穩(wěn)定層結(jié)，為海霧生成、發(fā)展和維持提供了極為有利的條件；8月份以后，副熱帶高壓南撤，冷空氣活動(dòng)開始增多，同時(shí)，海溫在8月份升至一年中的最高值，海溫常常高于氣溫，海霧頻率急劇下降[4]。

3.2 年際變化

遼東灣西岸的海霧具有明顯的年際變化，4—9月海霧總?cè)諗?shù)在不同年份的差別是非常顯著的（見圖1），2010年大霧日數(shù)最多，高達(dá)33 d，發(fā)生頻數(shù)（海霧日數(shù)/總觀測(cè)日數(shù)）為18%，濃霧日數(shù)19 d；2002年大霧日數(shù)最少，僅有10 d，發(fā)生頻數(shù)為5.5%，濃霧日數(shù)只有1 d。

圖1 菊花島氣象站4—9月海霧及濃霧總?cè)諗?shù)的年際變化

3.3 日變化

3.3.1 海霧發(fā)生頻數(shù)的日變化

遼東灣西岸的海霧發(fā)生頻數(shù)（海霧出現(xiàn)的次數(shù)/總觀測(cè)次數(shù)）具有明顯的日變化特征。從各時(shí)次海霧發(fā)生頻數(shù)表中（見表2）可以看出，后半夜到上午（2—11時(shí)）海霧的發(fā)生頻數(shù)比較高，8時(shí)的頻數(shù)最高，各月平均為4.8%，7月份8時(shí)的頻數(shù)高達(dá)8.7%，下午（14—17時(shí)）海霧發(fā)生頻數(shù)比較低，平均為1.6%，8月份的14時(shí)、9月份的17時(shí)在10年的觀測(cè)中皆沒有海霧發(fā)生。

3.3.2 海霧生消的日變化

海霧生消具有明顯的日變化，一日中早晨是海霧出現(xiàn)最多的時(shí)段[5]。從菊花島氣象站各時(shí)段海霧初生與消散的次數(shù)（見圖2）可以看出，一天中各個(gè)時(shí)段均有海霧生成，2—8時(shí)是海霧的多發(fā)時(shí)段。這一時(shí)段由于輻射冷卻，氣溫下降，相對(duì)濕度增加，有利于低層水汽凝結(jié)形成海霧。11—17時(shí)，氣溫升高，相對(duì)濕度降低，不利于海霧生成，海霧初生次數(shù)明顯偏少。日出后氣溫回升，海霧呈減弱或消散趨勢(shì)，近30%的海霧在上午8—11時(shí)消散，傍晚至日出前則不利于海霧的消散。

3.4 持續(xù)時(shí)間

持續(xù)時(shí)間作為表述海霧過程持續(xù)能力的統(tǒng)計(jì)量，一般包括海霧過程的持續(xù)時(shí)數(shù)和持續(xù)天數(shù)。一次長的海霧過程可以持續(xù)數(shù)天、數(shù)十個(gè)小時(shí)，在海霧持續(xù)天數(shù)內(nèi)，即可能連續(xù)不間斷達(dá)數(shù)十小時(shí)，也可能斷斷續(xù)續(xù)，由幾次海霧生消過程。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，遼東灣西岸的海霧過程平均持續(xù)時(shí)數(shù)為7.8 h，持續(xù)時(shí)數(shù)在6 h以內(nèi)占60%，有5%的海霧過程持續(xù)時(shí)數(shù)超過30 h，其中的75%發(fā)生在6—7月份，最長持續(xù)時(shí)數(shù)為52 h。55%的海霧過程持續(xù)1 d，15%的海霧過程持續(xù)天數(shù)超過3 d，最長為5 d。

4 遼東灣西岸海霧發(fā)生的水文氣象條件

4.1 溫濕條件

遼東灣西岸發(fā)生海霧時(shí)，相對(duì)濕度都在85%以上，平均為94.2%。氣溫在18.0°—24.9℃之間海霧多發(fā)，氣溫大于25.0℃時(shí)海霧明顯減少（見表3）。在18.0°—24.9℃范圍內(nèi)，空氣的含水能力較強(qiáng)，絕對(duì)濕度較大，且容易達(dá)到飽和，有利于霧的形成，大于25.0℃時(shí)，水汽達(dá)到飽和的難度增加，海霧不易形成。

海霧的形成都要經(jīng)過降溫增濕過程[2-3]。對(duì)比海霧生成前后的溫濕變化，海霧生成時(shí)比前日14時(shí)氣溫平均下降2.3℃，最大下降幅度可達(dá)7.2℃；相對(duì)濕度平均升高14.4%，有的高達(dá)46%，而絕對(duì)濕度提高并不明顯，平均只有0.6 g/m3，還有個(gè)別降低的情況，這主要是由于海霧生成前暖濕氣流已控制本區(qū)，空氣中的含水量已達(dá)到較高的水平。海霧消散前后濕度、溫度也有顯著變化，絕對(duì)濕度平均降低2.0 g/m3，有的降幅高達(dá)12.3 g/m3，相對(duì)濕度平均降低19.4%，有的降幅高達(dá)60%，氣溫平均升高2.4℃。當(dāng)海霧消散過程是受到較強(qiáng)冷空氣影響時(shí)，氣溫也可能下降?？傊?，海霧消散往往伴隨氣團(tuán)的變化，濕氣團(tuán)減弱或被干氣團(tuán)代替是海霧消散的重要條件。

4.2 風(fēng)向風(fēng)速條件

適宜的風(fēng)向和風(fēng)速將暖濕空氣向冷水面輸送是海霧產(chǎn)生的重要條件，海霧出現(xiàn)時(shí)風(fēng)向風(fēng)速因不同海區(qū)和地形而有差異[3]。海霧與風(fēng)向的關(guān)系主要是由海岸線走向和天氣型決定，渤海海區(qū)出現(xiàn)海霧的天氣型主要有：入海高壓后部型、副高邊緣型、低壓前部型和冷鋒前部型[4]。遼東灣西岸地區(qū)海岸線基本呈東北—西南走向，S、SSW、SW風(fēng)有利于海上暖濕氣流的輸送，是本地海霧形成和維持的主導(dǎo)風(fēng)向（見表4）。

表3 菊花島氣象站4—9月各溫度段海霧發(fā)生次數(shù)（2002—2011年）

表4 菊花島氣象站4—9月各風(fēng)向海霧發(fā)生次數(shù)（2002—2011年）

圖2 菊花島氣象站各時(shí)段海霧初生與消散的次數(shù)（2002—2011年）

海霧的形成與海上風(fēng)速的大小有密切關(guān)系[6]。遼東灣西岸海霧初生時(shí)的平均風(fēng)速為6.2 m/s，3—10 m/s的風(fēng)速最有利于海霧的形成（見表5）。風(fēng)速過小，不利于暖濕空氣輸送；風(fēng)速過大，海面動(dòng)量交換大大增加，混合層增厚，不利于水汽在海面的聚集。極個(gè)別鋒面系統(tǒng)產(chǎn)生霧時(shí)，風(fēng)速可達(dá)15 m/s。海霧生成前日14時(shí)北向風(fēng)明顯減弱（風(fēng)速一般為0—2 m/s），暖濕氣流加強(qiáng)，南向風(fēng)比例高達(dá)84%，風(fēng)速平均為7.0 m/s。海霧的消散常常伴隨風(fēng)向的變化，與水汽輸送的中斷有關(guān)。

4.3 海洋背景場條件

平流冷卻型海霧的形成機(jī)制中，冷海面是暖濕空氣降溫的冷源，較冷的海溫場是平流霧產(chǎn)生的基本條件，當(dāng)暖空氣流到較冷的海面上，氣溫如降至露點(diǎn)溫度，空氣便可以達(dá)到飽和，繼續(xù)降低，水汽凝結(jié)而形成霧。如果海溫很高，空氣中的水分含量有限，氣溫便很難降至露點(diǎn)[7]。氣溫高于海溫，有利于海霧形成，但氣溫高于海溫太多，低層空氣過于穩(wěn)定，霧只局限在貼海面層內(nèi)，霧層很薄，不能向上發(fā)展，不能形成具有一定厚度的霧[6]。海霧日數(shù)與氣溫、海溫、氣—海溫差有明顯的相關(guān)性（見表6），6、7月份，平均氣溫、海溫較高，且氣溫高于海溫，溫差不大，分別為1.3℃和0.9℃，在成霧的理想氣—海溫差（0.5—1.5 ℃）范圍之內(nèi)[1,7]，海霧多發(fā)；4、5月份，平均氣溫、海溫較低，近海面水汽含量較少，且氣溫遠(yuǎn)高于海溫，氣—海溫差分別為3.5℃和4.8℃，超出成霧的氣—海溫差（0.5°—3.0℃）范圍[1,7]，海霧日數(shù)相對(duì)較少；8、9月份，平均氣溫低于海溫，氣—海溫差分別為-0.4℃和-1.9℃，海洋對(duì)海霧形成的冷卻效應(yīng)大大減弱，8月份日平均海溫常常高于25℃，超出成霧的最高水溫界限（25℃）[1,7]。在這樣的海洋背景條件下，低層大氣中的水汽在海面不再容易達(dá)到飽和，海霧日數(shù)驟減。

4.4 大氣層結(jié)條件

海霧是發(fā)生在大氣邊界層中的天氣現(xiàn)象，穩(wěn)定的大氣層結(jié)是海霧發(fā)展和維持的重要條件。霧中低空層結(jié)往往是微弱降溫或等溫或逆溫，逆溫層結(jié)可以阻擋水汽向高層輸送，抑制低層大氣的對(duì)流發(fā)展，使水汽和凝結(jié)核聚積在低空，對(duì)霧的形成極為有利[6-9]。通過分析海霧形成前12 h內(nèi)08時(shí)或20時(shí)的925 hPa（高度一般在700—900 m之間）的高空溫度、相對(duì)濕度數(shù)據(jù)及海霧生成時(shí)的海面氣溫?cái)?shù)據(jù)，可以明顯看出逆溫和暖干層的存在。在60個(gè)海霧過程中，925 hPa的高空溫度平均高出海面氣溫2.0℃，最高可達(dá)10.7℃，只有約10%的海霧過程的高空溫度低于海面氣溫，一般在0.1°—3.0℃之間，但溫度直減率小于絕熱直減率，氣層仍屬穩(wěn)定氣層；925 hPa的高空相對(duì)濕度低于海面相對(duì)濕度，高空相對(duì)濕度平均只有61.5%，一半的海霧過程在成霧前高空相對(duì)濕度低于60%。

表5 菊花島氣象站4—9月各風(fēng)速段海霧發(fā)生次數(shù)（2002—2011年）

表6 菊花島月平均氣溫和遼東灣月平均海表溫度與海霧日數(shù)關(guān)系表

高空暖干層與近海面冷濕層的存在，水汽得不到向上輸送，集聚于底層，在近海面低空形成“水汽壓抑層”，為海霧形成和發(fā)展提供了良好的溫濕層結(jié)條件。這樣的溫濕層結(jié)條件也極易導(dǎo)致電磁波在海面上發(fā)生陷獲折射，出現(xiàn)大氣波導(dǎo)現(xiàn)象[10]。同樣海霧消散與“水汽壓抑層”的破壞密不可分，地面升溫、流場變化、抬升運(yùn)動(dòng)都可能造成“水汽壓抑層”的消失，“水汽壓抑層”的變化對(duì)海霧生消預(yù)報(bào)具有重要指示意義。

5 結(jié)論

遼東灣西岸是海霧多發(fā)地區(qū)，6、7月份最為集中，平均每月4 d以上，最多可達(dá)9 d；海霧具有明顯的日變化特征，多出現(xiàn)在后半夜到上午（2—11時(shí)）的時(shí)段內(nèi)，上午隨著氣溫回升，海霧逐漸減弱或消散；海霧生成后，平均持續(xù)7.8 h，60%的海霧持續(xù)時(shí)數(shù)在6 h以內(nèi)，有5%的海霧過程持續(xù)時(shí)數(shù)超過30 h，最大持續(xù)時(shí)數(shù)為52 h，近15%的海霧過程持續(xù)天數(shù)超過3 d，最長可達(dá)5 d。

遼東灣西岸海霧的形成和發(fā)展是綜合水文氣象條件共同作用的結(jié)果。冷的海洋下墊面、持續(xù)的暖濕氣流輸送是海霧形成的基本前提，降溫、增濕是海霧形成的必備條件，適宜的氣—海溫差、穩(wěn)定的大氣層結(jié)是海霧形成、發(fā)展、維持的關(guān)鍵因素。遼東灣西岸海霧發(fā)生時(shí)，風(fēng)向大多為SSW、SW，風(fēng)速平均為6.2 m/s，相對(duì)濕度都大于85%，平均為94.2%；氣溫在18.0°—24.9℃之間海霧多發(fā)，氣溫大于25.0℃海霧明顯減少；氣溫高于海溫，氣—海溫差小于3.0℃有利海霧生成和發(fā)展；海霧發(fā)生前后925 hPa等壓面層常為暖干層，近海面低空存在明顯的“水汽壓抑層”。

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