基于FY-3B衛(wèi)星資料的中國南海海區(qū)1—3月海霧時空分布特征研究

劉少軍，吳勝安，李偉光，蔡大鑫，田光輝，張國峰

(1. 海南省氣象科學研究所南海氣象防災減災重點實驗室，海南 海口 570203； 2. 海南省氣候中心，海南 ?？?570203)

基于FY-3B衛(wèi)星資料的中國南海海區(qū)1—3月海霧時空分布特征研究

劉少軍1，吳勝安2，李偉光1，蔡大鑫1，田光輝1，張國峰1

(1. 海南省氣象科學研究所南海氣象防災減災重點實驗室，海南 海口 570203； 2. 海南省氣候中心，海南 ?？?570203)

為全面了解中國南海海區(qū)海霧的分布特征，為南海海霧氣象服務提供基礎背景資料，利用2011—2016年1—3月FY-3B氣象衛(wèi)星資料的霧監(jiān)測產品，分析了中國南海海區(qū)海霧的時空分布特征。結果表明：中國南海海霧具有特定的區(qū)域特征，中國南海海霧多出現(xiàn)在華南沿海、北部灣沿海、瓊州海峽和海南島東北部沿海海區(qū)，南海南部海域出現(xiàn)海霧概率低；南海出現(xiàn)高頻次海霧的時間多發(fā)生在2月，1月次之，3月最少。該研究結果可為中國南海海霧研究提供背景資料。

FY-3B； 衛(wèi)星資料； 海霧

引言

海霧是在海洋與大氣相互作用特定條件下出現(xiàn)在海上或沿海地區(qū)上空低層大氣的一種凝結現(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1 km的危險性天氣現(xiàn)象[1]。海霧對海上交通運輸、海洋漁業(yè)生產、海洋工程開發(fā)等影響很大，是海上和沿海地區(qū)災害性天氣之一[2]。目前對海霧分布的認識多基于沿岸測站和海上船舶、浮標觀測，但這些數據非常稀少，且存在代表性和數據質量方面的問題，因此缺乏對海霧分布更全面、清晰的了解[3]。針對目前海上觀測站點稀少的現(xiàn)狀，利用衛(wèi)星觀測資料識別大尺度海霧區(qū)及建立長時間的海霧數據集是其他常規(guī)監(jiān)測手段所無法替代的[4]。因此，利用衛(wèi)星資料開展中國南海海霧的監(jiān)測具有重要的意義。中國在海霧研究方面可以追溯到20世紀40年代，王彬華教授是中國最早從事海霧資料的搜集和整理工作的學者之一[5]。1983年王彬華出版的《海霧》成為世界上第一部關于海霧研究的專著[6]。根據傅剛等[6]對中國近30 a海霧研究的重要進展的歸納，中國在海霧方面的研究主要體現(xiàn)在海霧的微物理學特征研究、海霧與層云關系的研究、北太平洋和大西洋海霧發(fā)生頻率的氣候學特征、海霧的數值模擬研究、海霧的數據同化和集合預報研究等方面。中國海霧從北部灣、臺灣海峽到黃、渤海呈帶狀分布，海霧分布范圍南寬北窄[7-8]。中國海霧霧季從春至夏自南向北推延，其中南海海霧主要集中在冬春季節(jié)(12月—次年3月)[9]。在南海大霧監(jiān)測方面，前人也取得了大量成果，何云開等[2]利用ICOADS資料開展了南海北部春季海霧的特征分析；黃輝軍[10]開展了華南沿海海霧及其邊界層結構的觀測分析；岳巖裕等[11]開展了南海沿岸海霧特征的觀測研究；張舒婷等[12]開展了南海海霧微物理結構個例分析；白彬人[13]開展了南海沿岸海霧變化特征研究；林曉能和宋萍萍[14]對南海一次典型海霧過程的特征做了分析，并闡述了南海海霧的形成原因。以上這些工作對中國南海海霧的研究提供了基礎支撐。海霧形成后其水平分布范圍很廣，沿海地區(qū)稀疏的觀測站點不足以反映大范圍海霧的分布狀況[15]。由于海上觀測資料很少，氣象、水文同步觀測資料更少，對海霧的認識還不夠全面[8]。以上研究多針對個例和沿海站點觀測資料進行分析，未闡述整個中國南海海域大霧的分布情況。衛(wèi)星能夠宏觀、定時監(jiān)測目標海區(qū)的海霧分布狀況，為全面了解中國南海海霧的分布范圍提供了可能。因此，本研究利用FY-3B氣象衛(wèi)星大霧監(jiān)測產品資料，結合綜合地面氣象觀測數據，分析2011—2016年中國南海海霧分布時空特征，為南海海霧預報提供更為全面的背景資料。

1 數據和資料分析

1.1 資料來源

2011—2016年FY-3B氣象衛(wèi)星大霧監(jiān)測產品，數據來源于國家氣象衛(wèi)星中心網站(http://satellite.nsmc.org.cn)；地面氣象觀測數據來源于海南省氣象局；大霧災情數據來源于海南省氣候中心2011—2016年海南省氣候公報。

1.2 數據處理

根據地面氣象觀測資料和大霧災情數據及前人關于南海海霧出現(xiàn)時間范圍的初步結論[10-16]，本研究主要篩選了2011—2016年1—3月中國南海海區(qū)33次大霧記錄數據作為研究對象；涉及FY-3B氣象衛(wèi)星大霧監(jiān)測產品198幅，覆蓋范圍為經度：100～120°E，緯度：0°～30°N。首先對FY-3B氣象衛(wèi)星反演的海霧產品數據進行坐標校正，利用遙感軟件進行數據的投影轉換(統(tǒng)一為WGS-1984)，然后對研究區(qū)范圍的海霧產品進行拼接處理，通過南海海區(qū)范圍提取每次海霧過程中海霧的分布范圍(注：本文所提及南海是指中國國界九段線以內南海海區(qū))。

1.3 海霧信息提取精度驗證

由于海上監(jiān)測站點稀少，缺乏實測數據對海霧檢測精度進行驗證。海霧反演精度的驗證中難以獲得對應時刻的海上實測數據時，常選擇沿海測站臨近時刻的觀測進行對比評價，常用方法有Hanssen-kuipper skill score(KSS)評分指數標準[3]。也有采用不同的衛(wèi)星資料監(jiān)測范圍進行對比分析，如利用CALIOP資料進行海霧檢測[17]、靜止衛(wèi)星和極軌衛(wèi)星反演海霧產品的相互檢驗等[18]。南海海霧具有低緯度海霧特點，范圍小，緊貼大陸，而且日變化明顯，海霧往往和陸地霧相連[16]。本研究根據海南島陸地1971—2010年平均年大霧分布氣候特征[19](圖1，海南北部的站點觀測的大霧次數最多，在三亞觀測到霧的次數為零次)，同時結合海霧對通航條件的影響事件，確定海口氣象觀測站為檢驗站點進行瓊州海峽海霧反演產品的檢驗，海霧檢驗區(qū)及海霧樣本分布見圖2。海霧數據、檢驗數據篩選條件：1)大霧已經在陸地上發(fā)生；2)已經對瓊州海峽的通航有影響。滿足以上兩個條件可認為瓊州海峽已經有海霧形成。通過檢驗，F(xiàn)Y-3B氣象衛(wèi)星海霧產品反演準確率為24/33≈72.7%(由于FY-3B衛(wèi)星過境時間為凌晨04時前后，不排除小范圍漏報的情況)。

圖1 1971—2010年年平均霧日數分布Fig.1 The annual mean foggy days in Hainan island from 1971 to 2010

圖2 海霧檢驗區(qū)域及海霧樣本分布Fig.2 Domain of sea fog detection and distribution of number of occurrence

2 中國南海海霧特征分析

2.1 中國南海海霧空間分布

根據以上樣本數據，分別統(tǒng)計南海海域2011—2016年的1—3月海霧出現(xiàn)的空間范圍。通過2011—2016年遙感監(jiān)測的海霧產品可以看出，海霧在地理空間分布上存在明顯差異：南海海霧主要分布在北部灣—瓊州海峽以北區(qū)域，小部分分布在南海南部的曾母暗沙附近，而在南海其他區(qū)域監(jiān)測到海霧極少(圖3a-f)。海霧天氣的出現(xiàn)是水汽冷卻凝結所致，較低的海溫、一定的濕度條件、使?jié)穸冗_到飽和的天氣條件是海霧天氣形成的必要因素。南海海霧天氣的出現(xiàn)具有很強的區(qū)域性特征，有些海域容易出現(xiàn)海霧，有些海域出現(xiàn)的海霧的概率極低，主要原因是海面溫度達到25 ℃以上，難以形成海霧[1]。南海南部海溫相對較高，很難形成較低的水溫冷區(qū)，一定程度上限制了海霧空間上的發(fā)展；而在北部灣—瓊州海峽以北區(qū)域，存在海面溫度低于25 ℃的區(qū)域，為海霧的形成提供了條件。其次是海氣溫差條件，為水汽冷卻凝結形成海霧提供必要的保障。

2.2 中國南海海霧時間分布

1—3月是南海海區(qū)海霧的高發(fā)季節(jié)，根據2011—2016年衛(wèi)星觀測反演的海霧產品統(tǒng)計分析：海霧多發(fā)生在2月，1月次之，3月最少。2011—2016年，1月共出現(xiàn)大霧9 次，2月共出現(xiàn)大霧20 次，3月共出現(xiàn)大霧7 次。南海海霧高頻次多集中在北部沿海海區(qū)，如1月出現(xiàn)高頻次海霧區(qū)域多集中在華南沿海、北部灣沿海、瓊州海峽和海南島東北部沿海海區(qū)；2月和3月雖發(fā)生海霧的次數不一樣，但出現(xiàn)高頻次海霧區(qū)域基本相同。同時，海霧往往和陸地霧相連，且海霧分布范圍相對較小(圖4a-c)。

圖3 2011(a)、2012(b)、2013(c)、2014(d)、2015(e)和2016年(f)1—3月海霧出現(xiàn)范圍Fig.3 Spatial distributions of sea fog in the South China Sea from January to March in 2011(a), 2012(b), 2013(c), 2014(d), 2015(e), and 2016(f)

圖4 2011—2016年1月(a)、2月(b)和3月(c)海霧出現(xiàn)總日數(單位：d)Fig.4 Monthly distributions of number of foggy days in the South China Sea in 2011-2016 (a. January, b. February, c. March)

2.3 中國南海海霧成因分析

海霧是在特定的海洋水文和氣象條件下產生的，南海海面上形成的海霧絕大多數為平流霧，其形成是較低的海水溫度、正的氣溫-水溫差、較大的空氣濕度、適度的風力、特定的大氣環(huán)流形勢等共同作用的結果[13]。首先，冷的海面為南海海霧形成提供了背景場，有研究表明，海霧發(fā)生區(qū)域大致限于表面水溫低于25 ℃的冷海面[1,20]，1—3月南海海域從北部灣經瓊州海峽直到臺灣海峽，存在表面水溫低于25 ℃的區(qū)域，為南海海霧的形成提供了條件，成為海霧的多發(fā)區(qū)域。如：2015年1—3月，共監(jiān)測到較大海霧9次(其中1月2次，2月7次，3月0次)(圖5)，從發(fā)生的區(qū)域來看，其多發(fā)區(qū)域均在平均海溫小于24 ℃的范圍內(圖6a-c)。其次，海霧的形成需要一定的海氣溫度差，因為只有在氣溫高于海水溫度一定限度時，空氣才可能逐漸降低達到過飽和而成霧，根據前人研究結論，南海海霧以海氣溫差為正值居多，海氣溫差為負值偏少；氣溫高于海溫的是暖海霧，氣溫低于海溫的是冷海霧[10,21]。

適宜的風場也是海霧形成的重要條件。暖濕氣流長時間存在，對海霧的生成與發(fā)展十分重要，它能不斷向霧區(qū)補充形成海霧必需的大量水汽和熱量。一般說來，南海海霧大多由暖濕空氣平流造成[22]，適宜的風向將暖濕氣流輸送到溫度較低的冷海面上形成海霧。南海有利于海霧產生的地面風速一般是2～8 m·s-1, 而較適宜的風速是3～6 m·s-1[14]。當然，大氣環(huán)流特別是副熱帶高壓的配合對海霧的形成有決定作用。

圖5 2015年1—3月南海海霧次數Fig.5 Foggy days in the South China Sea from January to March in 2015

3 結論與討論

總體而言，利用FY-3B衛(wèi)星的海霧反演產品分析海霧的時空特征較常規(guī)資料更有優(yōu)勢。衛(wèi)星資料覆蓋面廣、觀測點均勻, 可以更加宏觀地反映中國南海海霧的實際分布狀況，克服海上海霧觀測資料的不足，通過FY-3B衛(wèi)星資料得到的海霧分布和頻次更有代表性。

通過2011—2016年1—3月衛(wèi)星資料分析，可以更加直觀地了解中國南海海霧的時空分布特征。

從時間上看，南海出現(xiàn)高頻次海霧的時間多在2月，1月次之，3月最少。在空間上，南海海霧多出現(xiàn)在華南沿海、北部灣沿海、瓊州海峽和海南島東北部沿海海區(qū)，而在南海南部海域出現(xiàn)海霧的概率較低。

中國南海海霧具有很強的區(qū)域性特征，海霧多發(fā)區(qū)域范圍小, 緊貼大陸，海霧往往和沿海陸地霧相連，其主要原因在于南海特定的天氣氣候與水文條件。通過南海大霧的特征分析，可以全面掌握南海大霧發(fā)生的高分布區(qū)域，可為大霧的預報提供背景資料。

關于中國南海海霧的形成機理和年際變化的研究需要更長時間序列的海霧資料作為支撐。本研究僅利用2011—2016年的1—3月的衛(wèi)星資料開展分析，難免存在不足。從2011—2016年衛(wèi)星觀測反演的海霧產品統(tǒng)計分析可以看出，在中國南海最南部出現(xiàn)的海霧(曾母暗沙附近)，由于缺乏實際觀測數據，需要進一步觀測與驗證來確定是否存在海霧，如存在海霧，需更深入地了解該海區(qū)海霧的形成機理；當然也不排除是海霧反演算法中云的影響而形成的誤判。由于海上觀測資料較少，大霧出現(xiàn)的范圍可能存在偏差；由于FY-3B衛(wèi)星過境的時間與大霧生消時間并不能同步，可能導致部分海霧漏報。

圖6 2015年1月(a)、2月(b)和3月(c)南海月平均海溫分布Fig.6 Monthly mean sea surface temperature in the South China Sea from January to March in 2015 (a. January, b. February,c. March)

致謝：感謝國家衛(wèi)星氣象中心提供FY-3B衛(wèi)星數據。

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Studyonspatial-temporaldistributionofseafogintheSouthChinaSeafromJanuarytoMarchbasedonFY-3Bseafogretrievaldata

LIU Shaojun1, WU Sheng’an2, LI Weiguang1, CAI Daxin1,TIAN Guanghui1,ZHANG Guofeng1

(1.KeyLaboratoryofSouthChinaSeaMeteorologicalDisasterPreventionandMitigationofHainanProvince,HainanInstituteofMeteorologicalSciences,Haikou570203,China; 2.HainanClimateCenter,HaiKou570203,China)

To provide basic background information for weather service in the South China Sea, the temporal and spatial distribution characteristics of sea fog in the South China Sea from January to March is studied using sea fog retrieval products of 2011-2016 from FY-3B. The results show that sea fog has specific spatial distributions in the South China Sea. Sea fog tends to present in inshore areas of Southern China, the Beibu Gulf, Qiongzhou Strait and the northeastern coast of Hainan Island, while south of the South China Sea see less sea fog. In the South China Sea, the highest frequency of sea fog occurs in February, while the lowest in March. This study is expected to provide background information for further sea fog researches over the South China Sea.

FY-3B; satellite data; sea fog

劉少軍，吳勝安，李偉光，等.基于FY-3B衛(wèi)星資料的中國南海海區(qū)1—3月海霧時空分布特征研究[J].海洋氣象學報，2017,37(4)：85-90.

Liu Shaojun, Wu Sheng’an, Li Weiguang, et al. Study on spatial-temporal distribution of sea fog in the South China Sea from January to March based on FY-3B sea fog retrieval data[J]. Journal of Marine Meteorology,2017,37(4):85-90.

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.04.010.(in Chinese)

P426.2

A

2096-3599(2017)04-0085-06

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.04.010

2017-08-14；

2017-09-14

國家自然科學基金項目(41465005, 41675113，41765005)；中國氣象局風云三號(02)批氣象衛(wèi)星地面應用系統(tǒng)工程應用示范項目(FY-3(02)-UDS-1.10.3)

劉少軍(1980—)，男，博士，副研究員，主要從事衛(wèi)星遙感應用研究，cdutlsj@163.com。

吳勝安(1974—)，男，博士，高級工程師，主要從事氣候預測和氣候變化研究，wsa01@sohu.com。