渤海中西部近海與沿岸海霧的特征分析

鄭怡，李冉，史得道，王亞男，孫蜜娜

渤海中西部近海與沿岸海霧的特征分析

鄭怡1，李冉2，史得道3，王亞男3，孫蜜娜3

（1.山東省氣象臺(tái)，山東濟(jì)南250000；2.中國(guó)氣象局，北京100081；3.天津市氣象臺(tái)，天津300074）

利用2004—2012年渤海灣埕北油田A平臺(tái)的氣象水文觀測(cè)資料以及塘沽、秦皇島、興城和龍口4個(gè)環(huán)渤海沿岸觀測(cè)站的常規(guī)觀測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出渤海中西部海霧的氣候特征及影響因子，歸納了天氣系統(tǒng)模型，并給出了相關(guān)氣象要素的定量化指標(biāo)。結(jié)果表明：渤海海霧年際變化明顯，其中2005年出現(xiàn)頻次最少，2007年最多，不同海區(qū)海霧月際變化特征有所差異，但都存在冬季高發(fā)期，且海霧高發(fā)期受到溫度空間分布的影響，08時(shí)海霧出現(xiàn)頻次最多，其日變化特征受太陽輻射和海陸差異影響；依據(jù)高低空環(huán)流形勢(shì)和地面主要影響系統(tǒng)，將渤海海霧發(fā)生時(shí)的天氣形勢(shì)分為均壓場(chǎng)型，倒槽冷鋒型，低壓場(chǎng)型和高壓場(chǎng)型4種并分別給出概念模型，各海區(qū)均壓場(chǎng)型出現(xiàn)概率最高，渤海灣和萊州灣海區(qū)倒槽冷鋒型次之，遼東灣海區(qū)低壓場(chǎng)型占比第二；渤海海霧在海氣溫差正負(fù)時(shí)皆可出現(xiàn)且差值多在2℃以內(nèi)，總體盛行風(fēng)向特征不顯著，這些特征與黃海海霧預(yù)報(bào)差異較大；此外，沿岸相對(duì)濕度達(dá)到90%以上，近海相對(duì)濕度達(dá)到80%以上，風(fēng)速在0—3級(jí)之間，低層大氣存在逆溫層時(shí)，有利于渤海海霧的生成和發(fā)展。

渤海中西部；海霧；統(tǒng)計(jì)特征；天氣系統(tǒng)模型

1 引言

海霧是指受海洋的影響發(fā)生在海上或沿海地區(qū)低層大氣中的凝結(jié)現(xiàn)象，是懸浮在大氣邊界層內(nèi)大量水滴或冰晶使大氣水平能見度小于1 km的天氣現(xiàn)象[1]。其發(fā)生嚴(yán)重危害近海港口作業(yè)、電力輸送和海上交通運(yùn)輸?shù)?，尤其給船舶航行帶來巨大安全隱患。據(jù)舟山海事局統(tǒng)計(jì)，在近200次海上船舶碰撞、觸礁等海難事故中，有70%左右主要是由海霧引起的[2]。

我國(guó)毗鄰的4個(gè)海區(qū)皆有海霧發(fā)生，以黃海最為多發(fā)[3]，目前已有的研究也多針對(duì)該海區(qū)，學(xué)者們利用各種先進(jìn)的觀測(cè)手段和數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)同化等技術(shù)方法在黃海海霧的氣候特征、天氣背景、邊界層結(jié)構(gòu)及微物理特征等方面進(jìn)行了大量研究[4-11]。渤海海霧因其發(fā)生頻次相對(duì)較低且霧區(qū)面積較小，往往不被作為我國(guó)近海海霧特征的代表[3]，相關(guān)研究也相對(duì)較少。鄔正明[12]曾利用船舶航海日志和地面天氣圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)渤海及其口外的海霧霧日主要集中于3—7月，尤以7月為多，8月頓少，9—11月為貧霧季節(jié)。吳曉京等[13]利用20 a衛(wèi)星遙感資料對(duì)黃、渤海海霧分布的季節(jié)特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)黃、渤海海域存在冬季海霧多發(fā)時(shí)段。曲平等[14]利用埕北油田A平臺(tái)數(shù)據(jù)對(duì)渤海灣海霧進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)A平臺(tái)霧日數(shù)在春、夏和秋季具有明顯的海洋性特征，冬季受陸地影響較大,平流蒸發(fā)霧多于平流冷卻霧，且在平流冷卻霧中海面蒸發(fā)作用仍存在。另有一些預(yù)報(bào)工作者對(duì)遼東灣、渤海灣等局地海霧特征及生消機(jī)理進(jìn)行了分析，任志軍等[15]利用A平臺(tái)及塘沽站數(shù)據(jù)對(duì)天津港區(qū)霧發(fā)生的時(shí)間變化規(guī)則進(jìn)行了分析，王玉國(guó)等[16]利用遼東灣西岸海島氣象站觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析了海霧的季節(jié)和日變化特征及影響海霧的水文氣象因子。

渤海三面環(huán)陸，是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，毗鄰多港口，海上交通運(yùn)輸繁忙，海霧的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率直接與社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)及航運(yùn)安全聯(lián)系在一起，因此對(duì)渤海海霧的研究具有重要意義。作為半封閉的內(nèi)陸淺海，其地理位置和水文特征使該海域海霧類型、成因更為復(fù)雜[14]，預(yù)報(bào)難度也更大。目前渤海海霧的研究多針對(duì)渤海海峽區(qū)域或選擇單一站點(diǎn)進(jìn)行分析，代表性不強(qiáng)且對(duì)渤海中西部海區(qū)關(guān)注較少。因此，本文希望通過對(duì)渤海中西部海區(qū)海霧的氣候特征、天氣形勢(shì)及邊界層特征等進(jìn)行分析，以期為渤海海霧預(yù)報(bào)提供一些有益參考。

2 資料和方法

對(duì)于樣本的選取涉及到海霧的界定，目前對(duì)于海霧的界定有兩種：海上生成的霧和海上出現(xiàn)的霧。對(duì)于海霧形成的微物理過程而言，選取海上生成的霧更能反映出下墊面條件的作用，而對(duì)于預(yù)報(bào)工作而言，所有海上出現(xiàn)的低能見度現(xiàn)象都會(huì)對(duì)生產(chǎn)交通造成影響。因此，針對(duì)本文研究目的，本文選取能見度小于1 km的站次作為樣本標(biāo)準(zhǔn)，時(shí)間范圍為2004年1月1日—2012年6月31日，選取環(huán)渤海的5個(gè)站點(diǎn)，各站點(diǎn)經(jīng)緯度信息及地理位置分布見表1和圖1，其中54646石油平臺(tái)站為海上觀測(cè)站，其它4個(gè)站均為沿岸觀測(cè)站。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，此時(shí)段內(nèi)共有160次海霧過程，651站次出現(xiàn)海霧。其中一次海霧過程的定義為12 h內(nèi)有兩個(gè)或以上測(cè)站出現(xiàn)能見度小于1 km的現(xiàn)象。將能見度低于50 m定義為強(qiáng)濃霧；50—500 m定義為濃霧；500—1000 m定義為霧進(jìn)行統(tǒng)計(jì)?？砂l(fā)現(xiàn)出現(xiàn)霧和濃霧的概率都達(dá)到45%以上（見表2），說明渤海中西部近海及沿岸受海霧影響較為嚴(yán)重，對(duì)該海域海霧進(jìn)行研究具有必要性。

圖1 站點(diǎn)地理位置示意圖

圖2 海霧日數(shù)的年際變化

表1 分析站點(diǎn)信息

3 渤海中西部海霧的氣候變化特征

表2 出霧站次的統(tǒng)計(jì)

根據(jù)發(fā)生的頻率及變化規(guī)律對(duì)海霧的氣候特征進(jìn)行分析。從海霧的年際變化（見圖2）中可以看到，A平臺(tái)和沿岸站次的變化趨勢(shì)一致，8 a間以2005年霧日數(shù)最少，2007年霧日數(shù)最多，年際變化較大。這種現(xiàn)象的原因周發(fā)琇等做了專門的研究，指出這與東亞大槽的位置有關(guān)，霧日多的年份東亞大槽位置偏西，霧日少的年份東亞大槽偏東[17]。

分析海霧的月際變化（見圖3），興城和A平臺(tái)兩站都存在3個(gè)海霧多發(fā)期，分別為2月、6—7月和10月，且其他兩站在12—2月間也都存在海霧多發(fā)期，這與吳曉京等[13]通過衛(wèi)星遙感分析得到的渤海海霧在冬季存在高發(fā)期結(jié)論一致。此外，6—7月間A平臺(tái)先出現(xiàn)海霧高發(fā)期，而秋冬季節(jié)興城站先出現(xiàn)海霧高發(fā)期，這與溫度月際變化的空間規(guī)律相一致，興城站地理位置偏北，夏季升溫較晚冬季降溫較早。秦皇島站海霧頻發(fā)于2月和10月，時(shí)間與興城一樣；而龍口站較其他各站霧日數(shù)整體偏少，霧日數(shù)最多的月份為12月，與A平臺(tái)一致。

從海霧的日變化（見圖4）中可以看出08時(shí)是霧生成概率最大的時(shí)次，這與太陽輻射有關(guān)，夜間氣溫降低利于水汽凝結(jié)成霧。且圖中也可看出沿岸站點(diǎn)的日變化幅度遠(yuǎn)大于A平臺(tái)日變化幅度，這是由于海霧的日變化還受到當(dāng)?shù)睾ｊ懛植己途值丨h(huán)流影響，越靠近海岸處陸地特征越明顯，因此沿岸站點(diǎn)日變化特征更為顯著。

圖3 海霧次數(shù)的月際變化

4 沿岸與近海海霧的天氣形勢(shì)及氣象要素特征

4.1 天氣形勢(shì)的分類及概念模型

海霧的發(fā)生離不開大尺度環(huán)流形勢(shì)，作為一種靜穩(wěn)天氣背景下的天氣過程，海霧主要發(fā)生于邊界層內(nèi)，與地面天氣系統(tǒng)聯(lián)系緊密。因此，對(duì)所選時(shí)段內(nèi)海霧過程對(duì)應(yīng)的天氣形勢(shì)進(jìn)行了細(xì)致分析，并依據(jù)其地面影響系統(tǒng)，將其分為以下4種：均壓場(chǎng)型，倒槽冷鋒型，低壓場(chǎng)型和高壓場(chǎng)型。

圖4 海霧的日變化

接下來分別給出4種天氣形勢(shì)的概念模型（見圖5，包括地面形勢(shì)及高空形勢(shì)）。其中：均壓場(chǎng)型的地面氣壓場(chǎng)較弱，無確定風(fēng)向，配合高空西北或西北偏西氣流，天空狀況良好，利于輻射降溫成霧；倒槽冷鋒型地面多為偏東風(fēng)控制，海區(qū)位于東北氣旋前面，有弱的輻合上升運(yùn)動(dòng)，但冷鋒伴隨的冷空氣不利于此種形勢(shì)下霧區(qū)維持；高壓場(chǎng)型位于地面變形高壓系統(tǒng)內(nèi)，高壓深厚，利于冷空氣輻射到暖洋面上使水汽凝結(jié)成霧；低壓場(chǎng)型位于地面低壓系統(tǒng)底部，925 hPa多伴隨弱脊，低層的暖平流有利于逆溫的形成，為成霧和霧區(qū)維持提供有利條件。

根據(jù)以上概念模型對(duì)海霧過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見表3）可以看出：渤海灣海區(qū)海霧以均壓場(chǎng)型和倒槽冷鋒型為主；遼東灣海區(qū)均壓場(chǎng)型概率最高，其次為低壓場(chǎng)型；萊州灣同樣以均壓場(chǎng)型為主，倒槽冷鋒型次之。對(duì)比黃彬等提出的黃海海霧的環(huán)流類型：冷鋒型、均壓場(chǎng)型和高壓后部型，其中冷鋒型占比最高達(dá)50%，而均壓場(chǎng)型占比最少[5]。渤海海霧卻以均壓場(chǎng)型占比最高，這應(yīng)該與黃、渤海海霧的成霧機(jī)理有關(guān)，黃海海霧以平流冷卻霧為主，各類天氣形勢(shì)多有利于暖濕空氣向北方冷海面輸送。而渤海作為我國(guó)海域最北方的三面環(huán)陸的內(nèi)海，海霧類型以平流蒸發(fā)霧為主，其次為平流冷卻霧[14]，且受陸地影響更為顯著，因此其均壓場(chǎng)類型占比較高。

圖5 不同氣壓場(chǎng)型天氣形勢(shì)

表3 渤海分區(qū)域地面形勢(shì)所占比例

表4 出霧時(shí)的分區(qū)風(fēng)向統(tǒng)計(jì)

4.2 風(fēng)向風(fēng)速條件

特定的風(fēng)向和適度的風(fēng)速是海霧生成和維持的重要因素。從表4中可以看到：興城站在海霧發(fā)生期間出現(xiàn)南風(fēng)概率最高，為37.3%，塘沽站以北風(fēng)和東風(fēng)概率最高，分別為28.4%和24.6%，秦皇島站出現(xiàn)西風(fēng)-北風(fēng)最多，合計(jì)74.4%，而龍口站各風(fēng)向差異不明顯。對(duì)比黃海海域，黃海北部成霧風(fēng)向以東-東南風(fēng)為主，比例達(dá)57.9%，西部成霧東南-南風(fēng)比率達(dá)64.9%，東部成霧風(fēng)向多為南-西南風(fēng)，比率為74.2%[5]?？梢钥闯霾澈Ｖ形鞑扛骱^(qū)海霧發(fā)生時(shí)盛行風(fēng)向與黃海海霧有較大區(qū)別，渤海各海區(qū)海霧多發(fā)生于均壓場(chǎng)內(nèi)，風(fēng)向不確定性較強(qiáng)，偏南風(fēng)高概率在渤海海區(qū)表現(xiàn)并不明顯，僅塘沽站對(duì)應(yīng)的遼東灣海區(qū)南風(fēng)概率較高，這可能與該海區(qū)海霧發(fā)生時(shí)低壓場(chǎng)形勢(shì)占比較高有關(guān)。

表5對(duì)比了A平臺(tái)和沿岸站出霧時(shí)風(fēng)速，可以看出沿岸站風(fēng)速集中在0—3 m/s，占92.6%。A平臺(tái)風(fēng)速集中于2—6 m/s，占77.1%。兩者風(fēng)速都在0—3級(jí)范圍內(nèi)，這與已有的研究結(jié)論是相一致的[14]，沿岸站點(diǎn)的風(fēng)速小于A平臺(tái)，也符合實(shí)際觀測(cè)。

4.3 溫濕條件

分析出霧時(shí)濕度（見表6）可以看到：A平臺(tái)出霧時(shí)相對(duì)濕度在80%—95%之間占93%，而沿岸站點(diǎn)集中在90%—100%，占總數(shù)的97%。具體原因可能是因?yàn)楹Ｑ笊系暮｛}氣溶膠數(shù)量較多，海鹽氣溶膠具有很強(qiáng)的吸濕性，導(dǎo)致成霧時(shí)海上能見度比陸地低[14]。

表5 出霧時(shí)近海與沿岸的風(fēng)速范圍

表6 出霧時(shí)相對(duì)濕度分布情況

表7 A平臺(tái)海氣溫差分布情況

一定的海氣溫差是海上形成霧的重要條件之一，利用NCEP/NCAR再分析資料，統(tǒng)計(jì)了渤海A平臺(tái)站點(diǎn)距海面2 m處氣溫和海表面溫度的差值。A平臺(tái)在該時(shí)段內(nèi)有165時(shí)次能見度小于1 km，其中海氣溫差為正（海溫大于2 m氣溫,蒸發(fā)霧）的時(shí)次有80次，海氣溫差為負(fù)（2 m氣溫大于海溫，冷卻霧）的時(shí)次有85次（見表7），兩者比較接近。海上A平臺(tái)出霧時(shí)海氣溫差絕對(duì)值主要在0—2℃范圍內(nèi)，占到81.8%（0—1℃范圍內(nèi)占60%，1—2℃占21.8%）。

4.4 大氣層結(jié)條件

霧的形成與當(dāng)?shù)氐膶咏Y(jié)穩(wěn)定度關(guān)系緊密[1，18]，經(jīng)過統(tǒng)計(jì),環(huán)渤海5個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)在08和20時(shí)出霧且地面高空資料齊全的309站次中：1 000 hPa和地面之間存在逆溫的有201站次（65.1%），925 hPa和1 000 hPa之間存在逆溫的有122站次（39.5%），850 hPa和925 hPa之間存在逆溫的有24站次。850 hPa以下存在逆溫的共有246站次，約占79.6%。因此，存在逆溫的穩(wěn)定大氣層結(jié)是海霧發(fā)生維持的有利因子。

5 結(jié)論

通過對(duì)2004—2012年渤海沿岸及近岸海霧的時(shí)空分布特征、環(huán)流形勢(shì)及相關(guān)水文氣象要素的統(tǒng)計(jì)和分析，可以得到以下主要結(jié)論：

（1）2004—2012年間，渤海海霧年際變化明顯，其中2005年出現(xiàn)頻次最少，2007年最多；不同海區(qū)海霧月際變化特征有所差異，但都存在冬季高發(fā)期，且海霧高發(fā)期受到溫度空間分布的影響；08時(shí)海霧出現(xiàn)頻次最多，其日變化特征受太陽輻射和海陸差異影響；

（2）天氣系統(tǒng)是氣象要素的綜合體現(xiàn)，依據(jù)高低空環(huán)流形勢(shì)和地面主要影響系統(tǒng)，將渤海海霧天氣形勢(shì)分為均壓場(chǎng)型，倒槽冷鋒型，低壓場(chǎng)型和高壓場(chǎng)型4種，并分別給出概念模型。其中各海區(qū)均以均壓場(chǎng)型占比重最大，渤海灣和萊州灣海區(qū)倒槽冷鋒型其次，遼東灣海區(qū)低壓場(chǎng)型占比重第二；

（3）渤海海霧總體風(fēng)向特征不明顯，且在海氣溫差正負(fù)時(shí)皆可出現(xiàn)，海氣溫度差值多在2℃以內(nèi)，這些特征與黃海海霧預(yù)報(bào)差異較大；

（4）出霧時(shí)風(fēng)速大都集中在0—3級(jí)，近海的風(fēng)速略高于沿岸；相對(duì)濕度多數(shù)在80%以上，并且近海的濕度低于沿岸站點(diǎn)；海氣溫差主要范圍為-1—1℃；850 hPa以下存在逆溫占到79.6%。

通過以上分析得到了渤海海霧發(fā)生的氣象要素的定量化指標(biāo)，能夠?yàn)轭A(yù)報(bào)提供有效的參考，同時(shí)對(duì)比得到了發(fā)生海霧時(shí)近海和沿岸站點(diǎn)的差異。但因渤海特殊的地理位置和水文要素特征分布，其海霧類型及生成機(jī)制與黃海海霧有所差異，希望在今后的工作中對(duì)渤海海霧進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，進(jìn)一步探討不同種類海霧的生消機(jī)理和微物理特征。

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Characteristics of offshore and coastal sea fog in the mid-west Bohai Sea

ZHENG Yi1，LI Ran2，SHI De-dao3，WANG Ya-nan3，SUN Mi-na3
（1.Shandong Provincial Meteorological Bureau,Jinan 250000 China;2.China meteorological administration,Beijing 100081 China；3.Tianjin Provincial Meteorological Observatory,Tianjin 300074 China）

Based on the conventional observation data at five offshore and coastal observation stationsfrom 2004 to 2012,the climate characteristics and influence factors of the sea fog in the Midwest Bohai Sea are statistically analyzed..The results show the sea fog in the Bohai Sea has an obvious annual variation characteristic,with the lowest frequency in 2005,and highest frequency in 2007.The monthly variation characteristics vary in different sea areas,but has a high-incidence time in winter which was affected by the spatial distribution of temperature. The highest frequency time of sea fog occurrence is at 08:00am,and the daily variation characteristic is affected by the solar radiation.The synoptic situations under the sea fog process can be divided into four patterns,which are uniform pressure field,trough and cold front,low pressure field and high pressure field,and the four kinds of conceptual model are summarized.The uniform pressure field accounted for the largest proportion,the second proportion which in Bohai Bay and Laizhou Bay is the trough cold front,the second proportion which in Liaodong Bay is the low pressure field.The statistics about the meteorological condition suitable for Sea Fog occurrence is given,such as wind direction and speed,temperature and humidity conditions,and the stability of atmospheric stratification,which can provide effective reference for the sea fog forecast.

the mid-west Bohai Sea;sea fog;statistical characteristics;synoptic patterns

P732.2

：A

：1003-0239（2016）06-0074-07

10.11737/j.issn.1003-0239.2016.06.009

2015-10-16

中國(guó)氣象局氣象關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用（重點(diǎn)）項(xiàng)目（CMAGJ2013Z02）；山東省氣象局氣象科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（2010sdqxz01）。

鄭怡（1988-），女，工程師，碩士，主要從事天氣預(yù)報(bào)技術(shù)和方法研究工作。Email:zhengyi_316@163.com