1961—2010年平潭大霧的年際特征及霧季環(huán)流分析

翁國玲，黃志剛，陳宏，唐寒秋（1.南京大學大氣科學系，江蘇南京100；.福建船政交通職業(yè)學院，福建福州50007；.福建省氣象臺，福建福州50001）

1961—2010年平潭大霧的年際特征及霧季環(huán)流分析

翁國玲1,2，黃志剛3，陳宏2，唐寒秋2
（1.南京大學大氣科學系，江蘇南京210032；2.福建船政交通職業(yè)學院，福建福州350007；3.福建省氣象臺，福建福州350001）

摘要：利用平潭氣象站1961—2010年地面觀測月報資料，使用小波分析霧日年際特征，結(jié)果表明：在1965—1975年和1985—1990年有準3年左右的顯著周期，并通過顯著性檢驗；同時經(jīng)過九點平滑發(fā)現(xiàn)年霧日呈波動下降，趨勢系數(shù)為-0.26天/年；2月為全年唯一霧日和持續(xù)時間雙增加的月份，4、5月霧日減少明顯但持續(xù)時間也顯著上升。利用NCEPNCAR資料進行平潭春季多霧年份和少霧年份合成分析，表明春季多霧年的特征為：臺灣海峽海表溫度偏低，為平流霧的生成提供冷水面，而赤道太平洋地區(qū)海溫卻是明顯升高；500 hPa副高偏強偏西，東亞大槽偏南，利于經(jīng)向環(huán)流輸送；沿（115°E，20°N）至（125°E，30°N）垂直流場剖面圖表明平潭地區(qū)低空盛行下沉氣流，利于層結(jié)穩(wěn)定；同時水汽來源于南海和孟加拉灣且在850 hPa表現(xiàn)最為明顯。而春季少霧年的特征卻剛好相反，臺灣海峽海表溫度偏高，赤道太平洋地區(qū)海溫卻是明顯下降；500 hPa副高偏弱偏南，不利于暖空氣往北輸送；沿（115°E，20°N）至（125°E，30°N）垂直流場剖面圖表明平潭地區(qū)低空盛行上升氣流，利于成云不利成霧；水汽輸送僅來自孟加拉灣，低空850 hPa水汽輸送明顯減少。

關(guān)鍵詞：平潭；平流霧；年際特征；氣候條件

1　引言

福建省是海洋大省，大力發(fā)展海洋經(jīng)濟是福建的方向。作為一種海上災(zāi)害天氣，海霧特別是濃霧對航運、漁業(yè)捕撈、水產(chǎn)養(yǎng)殖、海上資源勘探、乃至軍事活動都有重要影響。臺灣海峽素有中國“海上走廊”之稱[1]，戰(zhàn)略地位極其重要。位于海峽西岸北界的平潭島，更是大力發(fā)展海洋經(jīng)濟和加強兩岸交流的前沿陣地，海霧具有很強的局地特征[2]，研究此地海霧的氣候分布特征，為大霧的進一步研究、預(yù)防霧害提供氣候背景依據(jù)。海霧根據(jù)海區(qū)、性質(zhì)和海區(qū)分為平流霧、混合、輻射霧和地形霧等4類9種型式[3]。平流霧是空氣在海面水平流動時生成的霧暖濕空氣移動到冷海面上空時，底層冷卻，水汽凝結(jié)形成平流冷卻霧。這種霧其濃度和厚度都很大，一般幾十米至幾百米厚；且水平范圍大，通常可達數(shù)百或數(shù)千公里；持續(xù)時間長，一般多大于5—6 h，有時可達數(shù)天和一周。多生成于較寒冷的海域。混合霧是海洋上兩種溫差較大且又較潮濕的空氣混合后產(chǎn)生的霧。因風暴活動產(chǎn)生了濕度接近或達到飽和狀態(tài)的空氣，冷季與來自高緯度地區(qū)的冷空氣混合形成冷季混合霧，暖季與來自低緯度地區(qū)的暖空氣混合則形成暖季混合霧。輻射霧是當海面上一層懸浮物質(zhì)或有海冰覆蓋時，夜間輻射冷卻生成的霧。這種霧多出現(xiàn)在黎明前后，日出后逐漸消散。地形霧是海面暖濕空氣在向島嶼和海岸爬升的過程中，冷卻凝結(jié)而形成的霧。由于海洋與露出海面的島嶼、岸濱之間的動力和熱力作用的差異，在島嶼和岸濱常有海霧生成，一般稱之為地形霧。夜間，島嶼表面輻射冷卻，增加了成霧的頻率，也加大了霧的濃度，日間，島嶼表面升溫，使霧減弱或消散，因此島嶼霧具有較明顯的日變化。海岸附近，夏季陸上暖濕氣流流到海上，受海面降溫增濕作用凝結(jié)成霧，白天借海風吹上陸地，夜里隨陸風又回到海上，形成了海陸輕風霧。福建沿海以平流霧為最多。

海霧天氣氣候?qū)W研究開展時間很長，成果也最多[4-13]，其研究內(nèi)容主要包括海霧統(tǒng)計分析，海霧發(fā)生的水文氣象條件分析和海霧發(fā)生的天氣型[14]。針對臺灣海峽地區(qū)，馬靜[15]等分析認為海霧一般出霧時間在上午，并分析出霧的各種氣象條件，指出可能存在非平流霧的情況；陳千盛[16]、蘇鴻明[17]對臺灣海峽兩岸的霧日進行氣候分析并指出其形成的5種有利天氣形勢；許金鏡[18]認為臺灣海峽西岸的霧日多寡與副高的強弱直接正相關(guān)；李昀英[19]等普查1980—1997年每日08時地面天氣圖，歸納出臺灣海峽易成霧的四種天氣類型；林衛(wèi)華[20]等統(tǒng)計分析湄洲灣海霧的氣候特征及成因，也總結(jié)3種環(huán)流天氣形勢；馬治國[21]等利用近10年的資料對福建沿海海霧年變化，季節(jié)變化，日變化等進行分析，認為福建沿海的霧日呈增加趨勢。但是以上研究大多時間序列短，長時間的序列分析比較少見，且偏重于不加區(qū)分霧季的全年研究，于少霧年和多霧年的各種環(huán)流合成比較分析工作也不多。本文利用平潭氣象站1961—2010年長達50年的氣象資料，對年平均大霧日數(shù)序列進行小波分析揭示霧日年際變化特征；由于平潭春季（3—5月）平均霧日占全年出霧日數(shù)64%，因此本文著重研究平潭霧季500hPa環(huán)流條件、水汽輸送及垂直環(huán)流等在多霧年和少霧年的不同。

2　資料及處理方法

本文資料來源：（1）平潭氣象站1961—2010年的地面觀測月報資料，氣象上認為觀測員在一日中任意時刻觀測到大霧，不論長短和次數(shù)，都要進行記錄，并算作一個霧日[22],霧日的分隔時間為20 h；（2）NCEPNCAR1961—2010年月平均再分析資料（http://ww.esrl.noaa.gov）,資料分辨率2.5°×2.5°網(wǎng)格，物理量包括比濕、位勢高度、風場、地形；以及1981—2010年0.25°×0.25°高分辨率海溫日距平資料。

2.1處理方法

2.1.1小波分析

小波變換具有多分辨率分析的特點，并且在時頻兩域都具有表征信號局部特征的能力。小波變換通過將時間系列分解到時間頻率域內(nèi)，從而得出時間系列的顯著的波動模式，即周期變化動態(tài)，以及周期變化動態(tài)的時間格局。本文將霧日數(shù)據(jù)進行標準化后，采用Morlet波為母小波。

取無量綱頻率ω0=6，為了減少功率譜的邊緣效應(yīng)，選擇26個數(shù)據(jù)進行交互小波變換，時間步長為1年，尺度δj選擇0.125。本文采用紅噪聲作為背景譜對小波譜進行檢驗（在程序中落后自相關(guān)系數(shù)lag1= 0.5384顯著異于0，每個尺度以95%的顯著水平進行估計）。

2.1.2趨勢系數(shù)

為了分析大霧的變化趨勢,使用線性傾向估計方法[2, 23]，用xi表示逐年大霧日數(shù)，用ti表示與xi一一對應(yīng)的逐年年份,建立xi與ti之間的一元線性回歸方程。

其含義表示x與時間t之間的關(guān)系。其中回歸系數(shù)b表示大霧的趨勢傾向，b>0說明隨時間t的增加x呈上升趨勢，b < 0說明隨時間t增加x呈下降趨勢，同時b值的大小反映上升或下降的速率。

3　海霧氣候統(tǒng)計特征

3.1霧日統(tǒng)計

3.1.1年平均霧日年際變化

1961—2010年平潭共出現(xiàn)1039個霧日，年平均霧日20.8天。由霧日、年平均最低氣溫的年際變化時間序列（見圖1）可以看出，經(jīng)過九點平滑后，霧日呈波動型[24]下降，年平均最低溫度直線上升，兩者負相關(guān)[25- 26]，由于平潭海霧60%以上出現(xiàn)在02—09 h，在水汽輸送條件不變的情況下，最低氣溫升高將使空氣不容易達到飽和引起大霧減少，特別是90年代最低氣溫陡升，而年平均霧日陡降，變化幅度非常顯著，經(jīng)過平滑后的霧日與最低溫度的相關(guān)系數(shù)顯著上升為-0.8447，通過0.001的顯著性水平檢驗。同樣的情況也發(fā)生在年平均相對濕度上，相關(guān)系數(shù)為0.6391。

因使用不同的年限資料，王彬華[28]計算出年平均霧日為19.6天，孫安健[29]為20.4天（1961—1970年），陳千盛[16]為22.2天（1961—1974年），蘇鴻明[17]為24.6天（1971—1980年），鹿世瑾[30]為25.4天（1961—1990年），從中可以推測出平潭的年平均霧日60年代以能較少，從20世紀60年代前開始先增加，然后在90年代以后減少。

對年霧日進行Morlet小波分析，結(jié)果如圖2所示。圖中實線是去噪聲后的能譜，正值即通過95%顯著性水平檢驗，網(wǎng)格線是COI（紅色數(shù)值0線）以外區(qū)域的邊緣效應(yīng)區(qū)，在COI內(nèi)紅色填色區(qū)域是能量譜最大的地方也是周期最明顯的地方，此圖表明1965—1975年有準3年左右的顯著周期，1985—1990年有大約2—4年顯著周期，1975—1985年和1995—2007年，年霧日變化不明顯。

3.1.2各月霧日分布情況

圖1　1961—2010年霧日及年平均最低溫度

圖2　年霧日的Morlet小波分析

圖3　平潭各月霧日分布

圖3是平潭霧日等值線分布圖，橫軸是月份，縱軸是年份，等值線的起始數(shù)值為2日，間隔為2，等值線的顏色越紅，數(shù)值越大。從圖3可以看出平潭的霧日主要集中在6月之前，6月以后驟然減少，經(jīng)計算3—5月為霧季[14]。等值線顏色最深的集中在90年代中期以前是3—5月，最大值在這3個月震蕩，70年代中期以前在4月、5月之間震蕩；70年代末就比較均勻分布；80年代初開始在3月、5月之間徘徊，4月霧日反而減少，而到20世紀80年代中后期到90年代中期4月份霧日開始增加5月份開始減少，多霧日集中在3—4月；90年代中期以后霧日明顯減少，在1999年附近等值線出現(xiàn)斷裂，在這之后單月霧日分布在2—6日之間。

3.1.3各月霧日分布趨勢特征

從圖3可以看出50年來霧日變化在波動中下降，為了更清楚看出各個月份的霧日、霧長的變化趨勢，逐月計算這些要素標準化后1961—2010年的線性趨勢系數(shù)，如表1所示。從表1可以看出，2月份是全年唯一雙增長的月份：霧日和海霧持續(xù)時間均呈上升趨勢；而4月和5月霧日顯著減少同時海霧的持續(xù)時間卻在增加，特別是4月份增加最為明顯。

3.2海霧生成時間分布

平潭地區(qū)一天中任何時刻都可能出現(xiàn)霧，若以出霧時段相對頻數(shù)（出霧時段霧次/日總次數(shù)）大于5%作為多霧時段，那么根據(jù)計算平潭多霧時段為02—09時刻，比例達62%，尤其是06—07時刻最多達14%；少霧時段是12—17時，占2.6%，最少時刻是13—14時；17時之后又慢慢增加。這顯示一日之中氣溫的變化對于海霧明顯的影響，低溫利于霧生，高溫霧利于霧消。

3.3海霧持續(xù)時間統(tǒng)計

1961—2010年平潭共出現(xiàn)1281次霧，海霧平均持續(xù)時間為149 min，在2010年2月26—27日最長持續(xù)時間為1393 min（接近24 h），而最短的記錄4 min則出現(xiàn)在1982年4月13日。圖4表示海霧持續(xù)時間的頻次直方圖，霧長1 h以內(nèi)頻率為35%，1—3 h約37%，3—6 h約19%，也就是說90%的海霧持續(xù)時間在6 h以內(nèi)，持續(xù)時間大于12 h不足1.5%。此樣本的偏度系數(shù)為2.398.峰度系數(shù)為7.889，整個圖形明顯呈正偏態(tài)分布，一方面說明海霧持續(xù)時間長的出現(xiàn)的次數(shù)雖然少，但不可忽視，且分布非常分散，另一方面海霧持續(xù)時間變化幅度很大，預(yù)報難度很大。

表1　月平均資料標準化后線性趨勢系數(shù)

4　影響霧季霧日多寡因素分析

年霧日標準化后，一般而言標準化絕對值大于1.2的為異常霧日年，經(jīng)過計算少霧年：1971年、1999年、2000年、2001年和2009年；多霧年：1969年、1973年、1980年、1982年和1987年。平潭霧季為3—5月份，以下物理量均為3—5月份的合成分析，而本文中的平均值是1961—2010年3—5月份的平均值，距平值指多（少）霧年的合成與平均值的差值。

4.1霧季海溫距平

從圖5a和5c可以看出多霧年海溫距平在太平洋赤道地區(qū)呈明顯的正距平，最高溫大約在赤道100°—130°W附近，而在臺灣海峽及大陸沿岸均為明顯負距平，在平潭附近的海域水溫比正常年份低-2.4℃，進入臺灣海峽的黑潮減弱，福建北部和南部有兩個低值中心水溫可比正常年份低-3.0℃以上。根據(jù)1956—2009年間El/La事件發(fā)生年表[27]，發(fā)現(xiàn)多霧年5年中有3年處于暖事件年，持續(xù)時間4個季節(jié)以上并且強度較強；1年在正常年份；1年在冷事件年份。這也可以側(cè)面印證多霧年赤道地區(qū)海溫距平正異常。赤道海溫異常升高通常伴隨著黑潮低溫，黑潮低溫可造成西太平洋副高減弱，促使信風減弱，Walker環(huán)流的下沉支更靠近西太平洋，在沿岸低溫區(qū)形成穩(wěn)定的大氣層結(jié)，低空的水汽雜質(zhì)難以輸送到高空形成云，暖濕水汽在冷海面更易成霧。

這種水溫的分布圖5b和5d看出少霧年在赤道地區(qū)為負距平，高溫區(qū)在太平洋中部的副熱帶海面上，而在臺灣海峽中部由于強大黑潮影響海溫偏高1.2℃以上，大陸沿岸的冷水區(qū)強度和范圍大大減弱。根據(jù)1956—2009年間El/La事件發(fā)生年表，發(fā)現(xiàn)少霧年5年中有4年處冷事件年，幾乎均處于拉尼娜事件發(fā)生強度高峰期[27]；1年在正常年份。拉尼娜年Walker環(huán)流的上升支更靠近西太平洋，使得當?shù)貙α骷訌姡纬刹环€(wěn)定的大氣層結(jié)，有利于成云不利于成霧，同時增溫的海面難以海霧形成所需的冷下墊面，成霧可能性大為下降。

圖4　霧長頻次

4.2高層500 hPa環(huán)流形勢

500 hPa環(huán)流形勢提供天氣背景場，從圖6a看出多霧年西太平洋副高明顯存在于菲律賓附近，整個南海和南亞地區(qū)位勢高度正異常，而北邊東亞大槽位置明顯偏南強度偏強，這種環(huán)流形勢利于暖空氣北進，春季暖空氣過冷水面有利于形成平流霧；圖6b位勢高度線比較平直，西太平洋副高消失，北部東亞大槽平直強度偏弱，這種環(huán)流形勢不利于暖空氣北上，沒有暖空氣平流霧較難生成。

圖5　全球海溫距平值（a、b）和臺灣海峽海溫距平值（c、d）

圖6　環(huán)流形勢圖（黑色細實線：500 hPa位勢高度；紅色細實線：距平零線；填色區(qū)域：距平值）

4.3垂直環(huán)流平潭氣象站位于119.47°N、25.31°E，通過平潭沿西南

(115°E，20°N)—東北(125°E，30°N)做垂直環(huán)流剖面圖?？梢钥闯?，平潭附近(120°N，25°E)多霧年盛行西南下沉氣流，低空925 hPa在廣東北部沿海有弱的反氣旋環(huán)流，這種垂直形勢可使近地面空氣變得更加潮濕穩(wěn)定，利于成霧。而少霧年高空的反氣旋抬升到850 hPa，且往東北方向移動到福建南部沿海，使平潭附近地區(qū)轉(zhuǎn)為上升氣流，這種垂直環(huán)流利于成云不利于成霧。

圖7　沿（20°N，115°E）到（30°N，125°E）垂直環(huán)流剖面圖

圖8　從地面到500 hPa整層水汽通量（單位：kg/（cm·s））

圖9　1000 hPa（a、b）和850 hPa（c、d）水汽通量（單位：g/（m·hPa·s））

4.4水汽輸送

4.4.1整層水汽輸送

形成平流霧的另一個重要條件是要有充沛的水汽，平潭多霧年的整層水汽輸送值18—21 kg/cm·s，水汽主要來源于南海和孟加拉灣，南海水汽輸送分兩條路徑：一是在海南島以東洋面右轉(zhuǎn)北上，二是在泰國灣經(jīng)中南半島北上；少霧年的整層水汽輸送值9—12 kg/cm·s，水汽主要來自孟加拉灣北部。

4.4.2低層1000 hPa和850 hPa水汽輸送

由于水汽主要集中在對流層的中下層，圖9a和圖9b顯示1000 hPa平潭地區(qū)近地面層水汽輸送量多霧年與少霧年差異不大，菲律賓以東洋面不僅水汽輸送多，且多霧年的信風也比少霧年的信風要強。圖9c和9d顯示多霧年份西太平洋水汽輸送大，且在巴士海峽附近存在小的反氣旋環(huán)流，引導南海水汽沿大陸岸往北輸送；少霧年份西太平洋的水汽輸送遠離中國沿海，北支在西太平洋（140°E，20°N）轉(zhuǎn)向東北，南支水汽止于中南半島沿岸。看來多霧和少霧的水汽輸送層次還是主要參考850 hPa，這為預(yù)報平潭海霧提供一點思路。

5　小結(jié)

（1）平潭年霧日在近50年呈波動中下降，小波分析顯示在1965—1975年有大約3年左右的顯著周期，1985—1990年有大約2—4年顯著周期，1975—1985年多霧日維持和1995—2007年少霧日維持，年霧日變化不明顯；

（2）平潭霧季為3—5月，近50年來2月份是唯一霧日增加，海霧持續(xù)時間也增加的月份；而霧季中的4月、5月霧日明顯減少，但是海霧持續(xù)時間卻明顯延長；

（3）一天中海霧生成時間多集中在02—09時，最多時刻05—08時，最少13—15時；

（4）統(tǒng)計表明，多年海霧平均持續(xù)時間為149 min，而出現(xiàn)頻次最高的是60 min以內(nèi)的霧，約占35%，而72%的海霧持續(xù)時間小于3 h；（5）多霧年份平潭地區(qū)海溫較常年偏低2.4，黑潮偏弱，而在赤道地區(qū)海溫卻異常偏高；而少霧年平潭地區(qū)海溫只偏低0.4，海峽中部黑潮強大海溫偏高，赤道地區(qū)海溫卻異常偏低；多霧年副高偏強偏西，同時東亞大槽位置偏南強度偏強，利于暖空氣北上，少霧年剛好相反；多霧年盛行下沉氣流，使低層變得更加穩(wěn)定，而少霧年低層上升利于霧抬升成云；多霧年的整層水汽來源于南海和孟加拉灣，少霧年水汽來源只來源孟加拉灣，但是二者在1000 hPa水汽輸送差異不顯著，而850 hPa層差異顯著，這可以作為平潭海霧預(yù)報的一個重要參考量。

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Interannaul variation of fog in Pintang island and the analysis of spring circulation in 1961—2010

WENG Guo-ling1,2，HUANG Zhi-gang3，CHEN Hong2，TANG Han-qiu2
(1. Department of Meteorology, Nanjing University, Nanjing 210032 China；2. Fujian Chuanzheng Communication College, Fuzhou 350007 China；3. Meteorology Observatory of Fujian, Fuzhou 350001 China)

Abstract：With method of wavelet analysis, characteristics of fog-day change in Pingtan Island in the past 50 years has been studied according to the monthly data measured from 1961-2010. The results indicate that it is quasi-triennial period with 1961-1975 and 1985-1990 through significance test. The days of fog descend with undulation by nine-point moving average, and the rate of descend is -0.26 d/a. The fog-day and fog-duration only increase simultaneously in February, while fog-day decreases and fog-duration increases in April and May. Based on NCEPNCAR reanalysis data, the variation characteristics of fog-day in spring is analyzed. The results shows that in spring with more fog, the sea surface temperature at the TAIWAN STRAIT is lower, while the temperature at the equatorial pacific is warmer obviously, and Western Pacific Subtropical High is enhanced and the East Asia trough moves more southerly, which benefits meridian circulation. Furthermore, the profiles of vertical circulation along 115°E, 20°N to 125°E, 30°N illustrate that there exists distinct sinking motion on the ground layer for more stratification stability during the spring of more fog. Finally, the vertically integrated moisture flux shows that water vapor comes from the South China Sea and the Bay of Bengal especially on the level of 850hPa during the spring of more fog. But the characters during the spring of less fog, such as sea surface temperature, the intensity and location of Western Pacific Subtropical High, vertical circulation, moisture flux, are opposite to during the spring of more fog.

Key words：Pingtan island；advection fog；interannual variation；climate conditions

作者簡介：翁國玲（1976-），女，副教授，碩士，研究方向主要為氣象在航海中的應(yīng)用。E-mail：kk3766@qq.com

基金項目：福建省教育廳A類課題（JA135755）

收稿日期：2013-08-03

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.01.012

中圖分類號：P732

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0239（2015）01-0079-08