長江沿海地區(qū)霧的特征及影響因子分析*

田小毅，張志薇

(1.中國氣象局交通氣象重點開放實驗室，江蘇 南京 210008；2.江蘇省氣象服務中心，江蘇 南京 210008)

大霧是影響長江航運安全最危險的災害性天氣，素有長江水上航運安全的頭號“隱形殺手”之稱；而長江作為世界第三、中國第一大河，在中國航運業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。根據(jù)最近的統(tǒng)計表明，進出長江江蘇段的船舶日平均流量達2 700多艘次，高峰時達到5 000艘次，長江成為了名副其實的黃金水道[1]。尤其是長江南通段位于長江入海處，江面寬闊，最寬處有20 km，支流較多，航道彎曲狹窄交叉，水流條件復雜，常常受到大霧這種災害性天氣影響，使得船只無法正常航行,造成船只相撞、觸礁等事故，嚴重威脅水上交通安全。2002年2月19日，一場海霧籠罩浙滬海域，上午7時許，在浙江洋山港水域航行的“浙象漁70031”被一迎面駛來的船舶撞擊沉沒，船上7人全部落水；上午09:05分，在長江口南支航道航行的890 t的貨運船“浙岱66210”與一艘100 t左右的“蘇天航2號”發(fā)生嚴重碰撞，約10min后被撞船“蘇天航2號”沉沒；2007年1月18日晚，在外高橋航道發(fā)生一起因能見度不良導致的船舶碰撞事故，一船沉沒，14名船員遇險，30個集裝箱漂失。類似事故幾乎每年都有發(fā)生，給人民生命財產(chǎn)帶來嚴重損失，必須引起人們的警覺。而且下墊面水陸的變化往往是引起氣象要素突變而引發(fā)氣象災害的直接原因，氣象部門常規(guī)的地面氣象觀測站，距離江邊較遠，統(tǒng)計結果不能準確地反映出江邊及江面上的氣象狀況。于是2009年江蘇省氣象局和江蘇海事局聯(lián)合在長江江蘇段全線364 km江段上共布設36個自動監(jiān)測站，可以獲得1 min一次的能見度、降雨量、溫度、相對濕度、風向風速等高密度實況監(jiān)測資料。

我國沿海地區(qū)多有霧發(fā)生，在一定條件下，海霧能夠深入內陸幾十、甚至幾百公里遠，造成沿海地區(qū)出現(xiàn)低能見度的大霧天氣，對海上航行、沿海地區(qū)交通航運、海洋捕撈和水產(chǎn)養(yǎng)殖、港務活動及農(nóng)作物和人類身體健康等帶來不利影響，長江南通段由于其特殊地理位置，在適宜的條件下，海霧也會向沿海以及長江口江面一帶移動，導致沿海周邊地區(qū)大氣水平能見度降低，從而對長江航道船只安全航行產(chǎn)生影響。許多專家學者對陸地霧和沿海霧從天氣形勢背景、出現(xiàn)的統(tǒng)計規(guī)律和成因、發(fā)生的氣象條件、海面風、大氣層結穩(wěn)定性、海表溫、水汽輸送以及霧災對交通的影響等多方面進行研究[2-11]；對長江山區(qū)的霧情陳正洪等也做過一些研究[12-17]，孫錦銓等[18]也只是簡單提出海霧在適當?shù)娘L向風速條件下，可以平流輸送到長江口江面。但是對因海霧的移動造成的長江東部沿海地區(qū)能見度下降的規(guī)律和影響因子并沒有進行深入的研究。本文主要利用長江沿海地區(qū)布設的自動站1 min一次高密度資料，對大霧發(fā)生時的氣象要素特征以及發(fā)生前1 h的氣象要素的變化特征進行分析，提煉出預報指標，在大霧發(fā)生前0.5～1 h向江蘇海事局決策部門提供準確的預警預報信息，為其采取相應防范措施提供依據(jù)并爭取時間，減少或避免事故發(fā)生，同時也減少了無效的封航時間。

1 資料說明

本文選用2010年1月至2016年12月長江沿海地區(qū)啟東中遠海工站1 min一次的氣象要素實況觀測數(shù)據(jù)資料，包括能見度、溫度、相對濕度、風向風速、降水量等要素，因其處于長江東部最靠近沿海的位置，而且又在36站中以最早出現(xiàn)霧的概率最高，占73%，因此可以作為海霧西移對長江航運影響的指標站來研究。

文中將一次霧過程定義為從能見度下降至1 000 m或以下開始，到下次能見度上升為1 000 m以上結束，其間至少有一個連續(xù)30 min能見度小于1 000 m的過程。

2 長江沿海霧的分布特征

2.1 月分布特征

通過對2010-2016年長江沿海地區(qū)啟東中遠海工站實況監(jiān)測資料進行分析，其月平均次數(shù)占總次數(shù)的百分率顯示(圖1)，長江沿海霧主要出現(xiàn)在2月、6月和11月，以6月最多，占全年26.7%，2月和11月次之，8-10月最少。從季節(jié)分布來看，秋季霧最少，其它三季霧分布較多，這與田心如等[19]，魏建蘇等[20]研究的江蘇陸地和沿海地區(qū)陸地霧的分布特征有些差異。

圖1 長江沿海霧的平均月分布

2.2 日分布特征

長江沿海霧的生消具有明顯的日變化特征(圖2)，日落至早晨能見度逐漸下降，日出后能見度逐漸上升。其開始時間主要集中在19時至次日04時，占總次數(shù)95.6%；消散時間一般在日出前后至正午前，其中02-11時消散占總次數(shù)87.0%，又以06-09時消散最為集中，占總次數(shù)56.5%。統(tǒng)計沿海霧持續(xù)時間(圖3)，發(fā)現(xiàn)沿海霧持續(xù)時間有長有短，以持續(xù)2～11 h的概率較大，占總次數(shù)的78.3%。

圖2 長江沿海霧的開始時間和消散時間分布

圖3 長江沿海霧維持時間所占比例

2.3 能見度下降的類型

分析長江沿海霧在出現(xiàn)前1 h的能見度和相對濕度的數(shù)據(jù)資料(圖4)，發(fā)現(xiàn)能見度值比較離散，范圍較為寬泛，最低值在400 m，最高值達5 000 m，這就給預報增加了難度，于是將能見度在下降至1 000 m或以下前，根據(jù)能見度下降的特征，將其分為3種類型(圖5)，分別是緩慢下降類(能見度在2～3 h以上從3 000 m左右下降到1 000 m以下)、快速下降類(能見度在幾分鐘至十幾分鐘內從3 000 m以上下降到1 000 m以下)和有“象鼻形”前兆類[21]。長江沿海霧以出現(xiàn)“象鼻形”前兆和快速下降類為主，占總次數(shù)的93.5%,其中出現(xiàn)“象鼻形”前兆占總次數(shù)的52.2%。

圖4 長江沿海霧出現(xiàn)前1 h能見度與相對濕度散點圖

圖5 長江沿海霧能見度下降類型所占的比例

3 長江沿海霧與氣象因子的關系

從本質上講霧的產(chǎn)生，首先在空氣中必須有凝結核作為依附，其次便是在降溫和增濕兩種過程作用下，空氣中相對濕度增加到一定程度使水汽達到飽和從而凝結而成；同時適宜的風向和風速是霧產(chǎn)生的重要條件。于是將溫度、相對濕度、風向風速作為沿海霧的影響因子進行研究。提煉出長江沿海霧發(fā)生時的特征及其與發(fā)生前1 h氣象影響因子的變化特征指標，為今后長江沿海霧的預報服務提供參考依據(jù)。

3.1 與風向及其變化的關系

霧的生成與風向有密切的關系。通過對霧發(fā)生時和霧發(fā)生前1 h的風向資料統(tǒng)計分析(圖6)，發(fā)現(xiàn)霧發(fā)生前1 h主要以東到東南風為主，西風和南風出現(xiàn)的概率很小；霧發(fā)生時以東北風和東風至東到東南風為主，占56.5%，西到西北風至西北風和東到東南風至東南風概率減小，東風和東北風概率增大，這說明了東風和東北風不僅為霧的產(chǎn)生帶來海上的水汽，而且?guī)磔^冷的溫度，使得氣溫下降，有利于水汽達到飽和狀態(tài)。從季節(jié)分布來看(圖7)，春季霧發(fā)生前1 h主要以東到東南風為主，其次是東到東北風；發(fā)生時以東風至東到東南風為主，西風至北風概率減小，東風概率明顯增大。夏季霧發(fā)生前1 h主要以東到東南風為主；發(fā)生時以東風至東到東南風為主，西風概率減小，北風至東風概率增大。秋季霧發(fā)生前1 h主要以東到東南風為主；發(fā)生時以東到東南和東北風為主，北風概率明顯減小，東北風和西南風概率增大。冬季霧發(fā)生前1 h主要以東南風為主；發(fā)生時以東北風為主，西風至北風概率增大，東風至南風概率明顯減小。

圖6 長江沿海霧發(fā)生前1 h和霧發(fā)生時風向概率分布

3.2 與風速及其變化的關系

長江沿海霧發(fā)生前1 h風速在0.4～5.3 m/s，霧發(fā)生時風速略有減小，基本在0.4～5 m/s,最集中在3 m/s以內，霧發(fā)生時0.4～2 m/s的概率由68%增大到78%，可見適宜的風速既能使冷卻作用擴展至適當?shù)臍鈱又腥?，又不影響下層空氣的充分冷卻和水汽的保存，最有利于霧的形成；最小風速不是靜風，這說明風速過小或靜風時既不利于江面降溫效應向近地層空氣的傳送及水汽的湍流輸送，也不利于霧滴間的初始碰并增長，難以形成因霧滴曲率差異而導致的鏈鎖反應，因而不利于濃霧的形成(圖8)。

不同季節(jié)的風速及其變化也有所不同，春季霧發(fā)生時風速在0.6～3.5 m/s，較發(fā)生前基本是減小的；夏季霧發(fā)生時風速在0.7～5 m/s，較發(fā)生前以增大為主；秋季霧發(fā)生時風速在0.8～2.6 m/s，較發(fā)生前既有減小也有增大，但幅度基本在1 m/s以內；冬季霧發(fā)生時風速在0.4～2.7 m/s，較發(fā)生前基本是減小的。由此可見，冬季霧發(fā)生時風速比較小，且發(fā)生時比發(fā)生前是減小的；而夏季霧發(fā)生時風速比較大，且發(fā)生時比發(fā)生前是增大的。

3.3 與相對濕度及其變化的關系

霧的形成與發(fā)展和大氣濕度有密不可分的關系。形成霧時的大氣濕度應該是飽和或者接近飽和，由于空氣中有大量的凝結核存在，因此相對濕度不一定達到100%時就可能達到飽和從而形成霧或濃霧。

圖7 長江沿海霧不同季節(jié)發(fā)生前1 h和霧發(fā)生時風向概率分布

圖8 長江沿海霧發(fā)生前1 h和霧發(fā)生時風速分布

長江沿海霧形成時相對濕度基本在85%以上，當相對濕度在90%以上時霧發(fā)生的頻率為89%。統(tǒng)計霧發(fā)生前1 h的相對濕度(圖9a)，發(fā)現(xiàn)霧在形成前相對濕度基本是增加的，只有當相對濕度達到97%以上時，個別個例相對濕度會有小幅減小，但減小幅度在0.1%～0.2%。統(tǒng)計不同季節(jié)霧發(fā)生時與發(fā)生前1 h的相對濕度差值(圖9b)，相對濕度增幅概率較大區(qū)間為：春季0～1.6%；夏季0～0.9%；秋季0～0.5%；冬季0～3.6%，可見冬季霧發(fā)生時相對濕度增幅最大，其次是春季，秋季增幅最小。

圖9 長江沿海霧發(fā)生前1h相對濕度散點圖和發(fā)生時與發(fā)生前1h的相對濕度差

3.4 與溫度及其變化的關系

由于飽和水汽壓是隨著溫度的下降而降低，因此空氣溫度的變化對霧的形成具有重要影響，溫度下降，如果此時近地層的空氣又相當潮濕，那么當氣溫降到一定程度時，空氣中一部分水汽就會凝結成微小水滴，懸浮在近地層空氣中，從而形成霧。統(tǒng)計長江沿海霧出現(xiàn)時的溫度，最高溫度在24.9℃，最低溫度在1.9℃，其中溫度在4～23℃之間時霧發(fā)生頻率為96%，這比長江江蘇段霧發(fā)生時溫度范圍要小一些[21]。

分析不同季節(jié)霧發(fā)生時的溫度(圖10a)，發(fā)現(xiàn)春季溫度在7.5～20.0℃，溫度在8～15℃霧發(fā)生的頻次較高；夏季溫度在19.5～24.9℃，溫度在20～23℃霧發(fā)生的頻次較高；秋季溫度在9.4～17.1℃，溫度在15～17℃霧發(fā)生的頻次較高；冬季溫度在1.9～10.1℃，溫度在4～10℃霧發(fā)生的頻次較高。分析霧發(fā)生時和發(fā)生前1h的溫度變化特征(圖10b)，發(fā)現(xiàn)其中有17%個例溫度是上升的，13%個例溫度不發(fā)生變化，70%個例溫度出現(xiàn)下降，溫度變化范圍為：春季-1.6～0.4℃；夏季-1.6～0.2℃；秋季-0.6～0.9℃；冬季-3.1～0.7℃，其中霧發(fā)生頻次較高的溫度變化范圍為：春季-0.5～0℃；夏季-0.3～0℃；秋季-0.6～0℃；冬季-1.0～0℃和0.5～0.7℃，說明春夏秋三季霧發(fā)生時溫度以下降為主，冬季除了溫度下降外，溫度上升0.5～0.7℃也是霧的頻發(fā)期。

圖10 長江沿海霧不同季節(jié)溫度及溫度變化分布

4 結論

(1) 長江沿海霧主要發(fā)生于6月，2月和11月次之；主要形成于19時至次日04時，結束于06-09時，而且持續(xù)時間較長，以2～11 h霧為主。

(2) 霧發(fā)生前1 h主要以東到東南風為主，西風和南風出現(xiàn)的概率很?。混F發(fā)生時以東北風和東風至東到東南風為主，占56.5%，東風和東北風概率增大，這說明了東風和東北風為霧的形成提供充足的水汽條件。

(3) 霧發(fā)生時風速比發(fā)生前1 h總體是減小的，但夏季霧發(fā)生時風速比春夏秋三季都大，而且比發(fā)生前是增大，這與其它三個季節(jié)是不同的。

(4) 霧在形成前相對濕度基本是增加的，冬季霧發(fā)生時相對濕度的增幅最大，其次是春季，秋季增幅最小。

(5) 霧發(fā)生時的溫度范圍在1.9～24.9℃，出霧頻次較高溫度范圍為：春季8～15℃；夏季20～23℃；秋季15～17℃；冬季4～10℃。與霧發(fā)生前1 h的溫度比較，83%的個例溫度是下降或維持不變，只有17%個例溫度是上升的；春夏秋三季溫度下降時，霧發(fā)生的頻次較高，而冬季除了溫度下降外，當溫度上升0.5～0.7℃也為霧的頻發(fā)期。

(6) 長江沿海霧以出現(xiàn)“象鼻形”前兆和快速下降類為主，其中出現(xiàn)“象鼻形”前兆占總次數(shù)的52.2%，為霧的預報提供參考依據(jù)。