日本以南海域一次鋒面霧過程分析

李秀鎮(zhèn)，劉 飛，曹宗元，鐘 劍

（1.中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰 214431;2.91199部隊氣象臺，浙江舟山 316000; 3.舟山市氣象局，浙江舟山 316000）

日本以南海域一次鋒面霧過程分析

李秀鎮(zhèn)1，劉 飛2，曹宗元3，鐘 劍1

（1.中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰 214431;2.91199部隊氣象臺，浙江舟山 316000; 3.舟山市氣象局，浙江舟山 316000）

利用4種觀測資料及HYSPLIT-4模式對2012年6月17—19日發(fā)生在日本以南海域嚴重影響船舶航行安全的一次海霧過程進行了觀測分析及數(shù)值模擬。結(jié)果表明：（1）此次海霧事件為典型的鋒面霧過程，霧區(qū)始終處在副熱帶高壓后部、大槽前部。前期霧區(qū)范圍與鋒面的發(fā)展移動密切相關(guān)，后期臺風(fēng)外圍的卷吸作用是海霧消散的主要因素；（2）海霧發(fā)生前氣海溫差值約為2℃，為海霧形成提供了有利條件，近地面逆溫層的存在也為海霧的發(fā)生提供了助力；（3）HYSPLIT-4模式對氣粒的追蹤結(jié)果表明，此次海霧過程的水汽來自東南方向，水汽向北輸送過程中受副熱帶高壓的影響不斷下沉，在穩(wěn)定層結(jié)條件下最終凝結(jié)成霧。

海霧；鋒面霧；日本以南海域；衛(wèi)星遙感

1 引言

海霧是指在海洋的影響下，在海上、島嶼或沿海地區(qū)形成的霧[1]，是對海上船舶航行、捕撈、港口作業(yè)以及沿海地區(qū)的公路運輸和電力輸送等社會生活的方方面面產(chǎn)生重要影響的天氣現(xiàn)象[2]，海霧可謂海上航行安全的大敵。因此對主要航線海霧形成、發(fā)展的機理研究具有十分重要的意義。

國外海霧的研究開始于加利福尼亞沿海海霧[3]，Byers[4]認為冷海面對近海面層的空氣冷卻是海霧的主要成因，Telford等的研究表明暖水上方湍流加強可對海霧的消散起到重要作用[5]，Lewis等[6]利用加利福尼亞沿岸浮標站資料，對美國西海岸海霧進行了系統(tǒng)的研究。國內(nèi)起步于1983年王彬華先生對中國沿海海霧的研究[1]，對于國內(nèi)研究較多的平流冷卻霧，黃東海位于太平洋的暖流黑潮與冷海流親潮交匯處，季節(jié)性南風(fēng)將東海暖濕空氣吹向黃渤海冷海區(qū)上成海霧，這是海霧的氣候?qū)W成因。趙永平等[7]將有利于黃、東海海霧生成的的天氣型劃分為5類，有利的天氣系統(tǒng)不僅形成了穩(wěn)定的大氣層結(jié)，更為海霧提供了水汽條件。鋒面霧的研究多集中于內(nèi)陸地區(qū)[8-9]，對海上鋒面霧很少涉及，周福等通過寧波地區(qū)海霧研究，認為鋒面南側(cè)，風(fēng)速小，水汽含量大，有利于海霧的形成[10]。除統(tǒng)計和個例分析外，數(shù)值模式已經(jīng)成為研究海霧過程的重要手段，海霧數(shù)值預(yù)報模式的發(fā)展經(jīng)歷了從一維到三維、從單一大氣模式到海氣耦合模式的過程[11]。張?zhí)K平等在一次層云海霧過程中利用HYSPLIT模式對海霧粒子追蹤，取得了不錯的科研效果[12]。

夏季日本東南海域易受海霧外圍影響，影響來往船舶安全。以往海霧的基本研究主要基于沿?；驆u嶼測站，對海霧真實海上觀測很少，本文以2012年6月為例，某船在該海域先后遭遇了5次海霧過程，其中能見度低于8 km兩次，低于2 km一次，小于1 km兩次，低能見度條件給船舶安全航行帶來了極大影響。其中，16—19日的海霧過程持續(xù)時間較長、影響范圍廣，而且船舶始終處在海霧邊界影響下。本文采用衛(wèi)星資料、船測資料、天氣圖及ICOADS數(shù)據(jù)分析其時空結(jié)構(gòu)，使用HYSPLIT模式對海霧水汽來源等進行數(shù)值模擬剖析其演變特征，以期為今后相關(guān)海域海霧預(yù)報積累經(jīng)驗。

2 資料來源

（1）韓國氣象廳（Korea Meteorological Administration，KMA）提供的地面天氣圖，時間間隔為3 h；（2）國際綜合海洋-大氣數(shù)據(jù)集（International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set，ICOADS），包含海表面觀測資料和月平均資料，數(shù)據(jù)的存儲格式為IMMA（The Internationa Maritime Meteorological Archive Formate）。文中使用高空氣壓、水汽通量及海表溫度數(shù)據(jù)；（3）MTSAT（The Multi-functional Transport Satellite）是日本多用途衛(wèi)星，包括5個通道，紅外有ch1：10.3～11.3 m；ch2：11.5～12.5 m；ch3：6.5～7.0 m；ch4：3.5～4.0 m?？梢姽庥?.55～0.9 m。文中使用了可見光云圖和紅外云圖用以識別白天海霧，使用紅外ch1、ch4通道的衛(wèi)星資料反演夜間海霧過程；（4）船測數(shù)據(jù)，包括自動氣象站溫、濕、壓以及探空觀測數(shù)據(jù)。

3 觀測分析

3.1 衛(wèi)星云圖分析

本文選用日本氣象廳MTSAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)中的紅外1、4通道數(shù)據(jù)進行夜間海霧反演，數(shù)值介于-2.5～-5.5的區(qū)域認定為低云/霧區(qū)（取值范圍可以根據(jù)不同季節(jié)和海區(qū)微調(diào)整）。2012年6月16日23時（北京時，下同）紅外4-1通道反演結(jié)果見圖1，在日本以南廣闊海域內(nèi)（26°～32°N，135°～147°E）存在大片白亮區(qū)域（低云/霧區(qū)）[13]，呈現(xiàn)東北西南向、零散分布的特點。2012年6月17日08時可見光云圖（見圖2a）表明，我國江淮流域至日本一線存在廣闊的梅雨鋒云系。梅雨鋒南部云區(qū)呈現(xiàn)乳白色、表面均一、紋理光滑和邊界清晰的特點，符合海霧或低云特征，該區(qū)域與圖1低云/霧區(qū)位置一致。根據(jù)17日08時地面天氣圖（見圖3a），鋒面南部（30°N附近）有一測站已經(jīng)觀測到霧的存在，由此可以確定梅雨鋒南部邊緣有海霧分布。圖1所示霧區(qū)的零散分布與以往研究中提到的紋理均勻的特點有所不同，分析可能的主要原因有：海霧本身比較零散；部分霧區(qū)被云層覆蓋導(dǎo)致反演缺失；-2.5～-5.5這個取值范圍并不能完全覆蓋霧區(qū)。

圖1 2012年6月16日23時紅外4-1通道反演海霧（陰影：紅外4通道-紅外1通道亮溫，三角：船位）

圖2 2012年6月17日08時—19日11時可見光云圖（三角：船位）

17日14時鋒面云系南壓（見圖2b），其南部霧區(qū)范圍變窄，此時船舶位于霧區(qū)南部（28.5°N，140.7°E），船舶觀測到的能見度約為15 km左右（見圖4）。16時開始，船舶向北航行駛?cè)腱F區(qū)，能見度逐漸降至1 km以下。18日08時鋒面云系進一步消散，由西南東北向轉(zhuǎn)為東西走向。此時臺灣以東洋面有臺風(fēng)向北移動，其外圍云系尚未與鋒面接壤。船舶航行至（30.5°N，141.3°E）附近，接近霧區(qū)中部，觀測能見度約為0.3 km。19日08時鋒面與霧混合在一起，其西部與臺風(fēng)北部云系相接，乳白色特征已不明顯。此時船舶（31°N，144.5°E）觀測到的能見度增至2 km左右。11時云圖上已無顯著的霧區(qū)特征。至12時，船測（31°N，145.1°E）能見度已超過10 km，此次海霧過程結(jié)束。

此次海霧演變過程中伴隨有梅雨鋒，是典型的海洋鋒面霧。17日夜間—19日遭遇過程中船舶始終位于霧區(qū)南邊界以北，海霧濃厚。由于船舶位置不斷變化，穿越霧區(qū)間隙時也存在能見度超過10 km的時刻。前期可見光云圖上霧區(qū)的乳白色特征明顯，其范圍隨鋒面的發(fā)展而有所變化。后期海霧的消散與鋒面的減弱相關(guān)，云圖上表現(xiàn)為乳白色特征消失。此外臺風(fēng)發(fā)展北上，其外圍云系的卷吸作用也是影響海霧消散的重要因素。

圖3 2012年6月17—19日08時地面形勢圖（藍色：等壓線，綠色：雨帶，以及天氣現(xiàn)象）

3.2 天氣形勢分析

500 hPa形勢場（見圖5）表明，海霧生成及維持期間霧區(qū)均處在副熱帶高壓北部、高空大槽底部，北部冷氣團與南部暖濕空氣在槽底交匯，形勢場相對穩(wěn)定。海霧消散期間，受臺風(fēng)影響日本南部南高北槽形勢破壞，北部冷氣團被臺風(fēng)流場所取代。

根據(jù)2012年6月17日08時的地面天氣圖（見圖3a），江淮流域到日本一線為梅雨鋒控制，日本東南部受西太平洋副熱帶高壓控制。日本以南海域盛行偏南風(fēng)，源源不斷地向鋒面南部輸送暖濕水汽。暖濕氣團與北部冷氣團混合，在鋒面南部形成海霧。18日副熱帶高壓增強西伸，使霧區(qū)處于高壓控制之下，為海霧的維持提供了穩(wěn)定的天氣形勢場。19日08時臺風(fēng)北移至日本附近（外圍影響至140°E），在其東北、東南部各有一高壓中心。船舶位于兩個高壓中間的均壓區(qū)。此時在臺風(fēng)的影響下，海霧趨于消散。

6月17日850 hPa與地面形勢基本一致，霧區(qū)受偏南氣流影響。值得關(guān)注的是，霧區(qū)附近有暖舌存在。與之相對應(yīng)，在925 hPa有大范圍濕區(qū)，為海霧的形成提供了有力的水汽條件。偏南向的引導(dǎo)氣流更加有利于水汽向北方冷海面輸送。此外，925 hPa溫度明顯高于850 hPa，表明有暖區(qū)的存在，且溫度高于地面，有逆溫層存在。水汽供應(yīng)和逆溫層的存在均有利于海霧的形成。

圖4 2012年6月17—19日船測能見度

圖7是水汽通量及950 hPa下沉運動分布，緊貼日本南部陸地的海區(qū)為上升氣流控制，與衛(wèi)星云圖上廣闊的梅雨鋒云系相對應(yīng)。在梅雨鋒云系上升區(qū)的南側(cè)存在東西走向的較大范圍下沉區(qū)（25°～28°N，東經(jīng)124°～140°E）。來自熱帶西太平洋的水汽向北輸送過程中，在25°N分成兩條主要的輸送帶：一條沿西北偏西方向，流向臺灣島；另一條沿正北方向，在輸送過程中逐漸轉(zhuǎn)向東北。暖濕水汽受下沉運動的影響逐漸下沉，并被限制在較低的層面上，如遇冷海面，極易凝結(jié)成霧。

3.3 船舶觀測分析

圖5 2012年6月16—19日500 hPa天氣形勢（藍色：等高線）

圖6 2012年6月17—19日08時地面形勢圖（藍色：等壓線，點狀：濕區(qū)）

圖7 2012年7月17日08時水汽通量和950 hPa下沉運動（箭頭：水汽通量，等值線：下沉運動）

圖8 海平面氣溫、相對濕度變化（紅色表示氣溫，藍色表示相對濕度）

6月16—20日的氣溫、相對濕度演變情況表明（見圖8），在海霧發(fā)生期間氣溫與相對濕度近似呈負相關(guān)。二者均呈現(xiàn)較明顯的日變化特征（氣溫在午后達極值而相對濕度達谷值）。相對濕度的降低可能是氣溫升高引起霧滴蒸發(fā)所致。6月16—17日下午，相對濕度數(shù)值較低。在海霧來臨前相對濕度達最小值，氣溫達到極高值。隨著海霧的接近，相對濕度逐漸增加，最高達97%。17日晚—19日海霧影響期間，氣溫普遍低于16日，當日極值也僅與16日的最低值相當（＜24℃）。19日相對濕度開始降低，平均水平低于17—18日，中午氣溫超過24℃時，海霧趨于消散。至20日，氣溫已恢復(fù)到較高的數(shù)值，相對濕度驟然降低。

根據(jù)海表水溫分布（見圖9），在日本以南海域（30°N附近）存在東西分布的低溫中心。該中心位于鋒面南側(cè)，溫度值約26℃左右，海霧發(fā)生前后氣溫值在28℃左右，氣海溫差約為2℃。相關(guān)研究已表明氣海溫差值介于0～2℃是西太平洋海霧形成的最適宜條件[4]。

船舶所在位置氣溫的探空曲線表明（見圖10），975 hPa以下有逆溫層存在。逆溫層將水汽限制在狹小的層結(jié)內(nèi)，使其在內(nèi)部充分混合，混合后的水汽在底層較低的海表溫度條件下整體降溫凝結(jié)成霧。

圖9 2012年6月17日海表面溫度

4 數(shù)值模擬

HYSPLIT-4是NOAA和澳大利亞氣象局在過去20 a間聯(lián)合研發(fā)的一種用于計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡的模式，它能較好的后向追蹤空氣質(zhì)點的來源。本文利用該模式對此次霧區(qū)不同高度進行后向追蹤，模擬水汽輸送過程中水平、垂向輸運及相對濕度變化。

以2012年7月17日20時為初始時刻，對船舶所在位置進行10 m、300 m和1 000 m高度進行后向120 h追蹤。結(jié)果表明，三層粒子均來自其東南側(cè)。這是因為在西太平洋副熱帶高壓反氣旋環(huán)流的作用下，粒子向西北向移動，粒子的輸送方向與前文水汽通量的輸送是一致的。

垂向粒子在向北輸送的過程中高度逐漸下降（見圖12a），這是由于水汽粒子在向北輸送過程中受高壓下沉運動影響逐漸接近冷海面所致。位溫（見圖12b）在輸送過程中略有降低，溫度的降低更有力于水汽凝結(jié)成霧。三層混合層高度（見圖12c）由800 m以上降至239 m，穩(wěn)定層結(jié)頂部的降低不僅有利于將水汽限制在低層，并且有利于水汽混合均勻凝結(jié)成霧。相對濕度的逐漸增大（見圖12d）也表明，粒子在北上過程中不斷向水汽飽和凝結(jié)的方向發(fā)展。

5 結(jié)論

圖10 2012年6月17日08時船舶位置溫度探空曲線

圖11 2012年7月17日HYSPLIT模式氣流后向軌跡追蹤（綠線：1 000 m質(zhì)點，藍線：300 m質(zhì)點，紅線：10 m質(zhì)點，★位于29°N，141°E）

利用觀測資料及模式模擬結(jié)果對2012年6月17—19日嚴重影響船舶航行的海霧過程進行了細致分析，結(jié)論如下：

（1）利用MTSAT可見光云圖及紅外4-1通道反演結(jié)果對此次海霧的發(fā)生范圍及演變過程進行了分析，結(jié)合天氣圖對其背景場進行了討論。此次海霧事件為典型的鋒面霧過程，霧區(qū)始終處在副熱帶高壓后部、大槽前部。前期霧區(qū)范圍與鋒面的發(fā)展移動密切相關(guān)，后期臺風(fēng)外圍的卷吸作用是海霧消散的主要因素；

（2）利用船測資料對低層氣象要素場的分析發(fā)現(xiàn)，海霧發(fā)生前氣海溫差值約為2℃，為海霧形成提供了有利條件。此外，近地面逆溫層的存在也為海霧的發(fā)生提供了助力；

圖12 追蹤粒子變化（綠線：1 000 m質(zhì)點，藍線：300 m質(zhì)點，紅線：10 m質(zhì)點，★位于29°N，141°E）

（3）HYSPLIT-4模式對氣粒的追蹤結(jié)果表明，此次海霧過程的水汽來自東南方向。水汽輸送過程中在副熱帶高壓的影響下不斷下沉，在穩(wěn)定層結(jié)條件下發(fā)生凝結(jié)，最終成霧。

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An observation of a frontal fog event over the south Japanese sea

LI Xiu-zhen1，LIU Fei2，CAO Zong-yuan1，ZHONG Jian1

（1.China Satellite Maritime Tracking and Control Department,Jiangyin 214431 China;2.Meteorological Observatory,No.91199 Army of PLA, Zhoushan 316000 China;3.Zhoushan Meteorological Bureau,Zhoushan 316000 China）

Using 4 kinds of observational data and HYSPLIT-4 model,a dense sea fog event happened in the south of Japanese sea from 17 to 19 June 2012 is investigated.The results show that:（1）It’s a frontal fog occurred between trough and subtropical high.The area of the fog changes with the moving of frontal surface. The entrainment of typhoon is a main factor for fog dissipation;（2）T temperature difference between the air and sea surface is about 2°C,which provide a favorable condition for the sea fog formation.;（3）The simulated results from HYSPLIT-4 indicates that the water vapor come from the south east area and dropped under the influence of subtropical high when moving to the north,and the sea fog is formed under the stable stratification condition.

sea fog;frontal fog;south Japanese sea;satellite remote sensing

P732.1

A

1003-0239（2017）03-0062-09

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.03.008

2016-08-09；

2016-09-10。

國家自然科學(xué)青年基金（41605075）。

李秀鎮(zhèn)（1985-），男，工程師，碩士，主要從事航海氣象研究。E-mail:zqlixiuzhen@163.com