上海近海一次低壓控制下春季海霧空間差異分析

王紫竹，胡松,2,3，劉旺

（1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海201306；2.國家漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海201306；3.上海河口海洋測繪工程技術(shù)研究中心，上海201306；4.上海海洋氣象臺，上海201306）

1 引言

上海地處東海之濱，又屬長江三角洲之地，是我國重要的經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)域。上海近海屬于海霧頻發(fā)區(qū)，春冬多霧，夏秋少霧[1]。上海港船只眾多，且航道大部分狹窄（見圖1），在此區(qū)域內(nèi)，若發(fā)生海霧則極易引發(fā)事故，經(jīng)粗略估計，上海沿海因海霧造成的海上事故大約占海上各類事故總數(shù)的40%[1]。對此區(qū)域的海霧研究相對較少，且研究往往以統(tǒng)計分析為主[2-4]，因此研究上海近海海霧有重要意義。

以往研究表明，海霧時空結(jié)構(gòu)復(fù)雜，例如2008年4月黃海發(fā)生兩次連續(xù)海霧過程，兩次過程對沿海地區(qū)的影響程度不同，孫建翔等[5]通過對水汽來源，垂直層結(jié)構(gòu)以及霧頂長波輻射的分析，解釋了其影響程度不同的原因；朱佳蓉等[6]則對上海一次長時間，且變化劇烈的輻射霧過程進(jìn)行研究，分析了其演變過程，發(fā)現(xiàn)輻射降溫冷卻是此次輻射霧起霧時間較早的原因。海霧形成主要是由降溫以及增濕引起[7]，變化復(fù)雜，因此對于海霧的高精度時空結(jié)構(gòu)研究十分必要。

圖1 站點示意圖

空間上需要有海上不同站點觀測浮標(biāo)數(shù)據(jù)的支撐，以及高精度衛(wèi)星圖片的支持，才能捕捉到海霧的精細(xì)結(jié)構(gòu)，時間上需要有連續(xù)的遙感資料或者各類天氣要素實測數(shù)據(jù)的支撐，才能監(jiān)控到海霧隨時間變化的過程。實測數(shù)據(jù)十分寶貴，尤其是多個站點連續(xù)時間的實測數(shù)據(jù)，在實測數(shù)據(jù)的幫助下能夠具體分析海霧過程每個小時的精細(xì)結(jié)構(gòu)。過去缺乏長時間多站點精確的氣象數(shù)據(jù)，包括能見度、風(fēng)速方向、相對濕度等，而現(xiàn)在能獲取到時間分辨率為1h的長江口南北部兩個站點的氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)時的天氣情況，可以更加準(zhǔn)確的分析南北兩個站點在這種天氣過程中海霧發(fā)生的精細(xì)過程。

上海近海海霧持續(xù)時間一般在1 d左右，持續(xù)2 d及以上的海霧過程較為少見。2016年4月20—23日，上海近海發(fā)生了一次大范圍持續(xù)性海霧過程，過去認(rèn)為長江口附近的海霧空間上差異性不大，但對多個海上浮標(biāo)站點的實測數(shù)據(jù)研究之后發(fā)現(xiàn)并非如此。本文利用實測資料，結(jié)合再分析數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星遙感圖像，對此次海霧過程大氣層結(jié)特征、天氣形勢、水汽條件、海氣交換特征的對比，結(jié)果表明此次海霧過程空間差異性較大是由于低壓過境風(fēng)向驟變所導(dǎo)致。本文對此次海霧過程精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析為海霧預(yù)報提供參考。

2 資料與方法

本研究采用日本高知大學(xué)提供的Himawari衛(wèi)星可見光衛(wèi)星云圖，以用于分析霧過程的整體變化趨勢，采用歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）所提供的ERA-Interim格點再分析數(shù)據(jù)，時間分辨率為6 h，水平分辨率為0.75°×0.75°，包括位勢高度、風(fēng)速風(fēng)向以及各層溫度；海表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）采用 ECMWF所提供的 SST 數(shù)據(jù)，時間分辨率為6 h，水平分辨率為0.125°×0.125°；實測資料采用長江口外北部站點A（121.93°E，31.49°N）、長江口外南部站點 B（122.1696°E，30.8135°N）和站點C（122.08°E，30.6°N）以及站點D（122.8°E，31°N）的實測資料，包括氣溫、露點溫度、能見度、相對濕度、風(fēng)速風(fēng)向等。

利用上述資料對2016年4月20—23日的一次典型上海近海春季海霧的天氣環(huán)流背景、氣象要素、水汽輸送以及海氣溫差等方面進(jìn)行分析。

3 海霧特征觀測

3.1 衛(wèi)星圖像分析

近年來隨著衛(wèi)星的不斷發(fā)展，空間以及時間分辨率的大幅度提高，它所能提供給海霧監(jiān)測的保障日益強(qiáng)大。根據(jù)傅剛等[8]提供海霧的判別方法：海霧云團(tuán)無積云結(jié)構(gòu)，外表質(zhì)地相對光滑且均一，邊界明顯且移動速度較慢。因圖2a和圖2b受到高云的遮擋，無法清晰的判別出海霧的發(fā)生情況，因此結(jié)合站點B和站點D的能見度，參考日本高知大學(xué)提供的可見光衛(wèi)星云圖進(jìn)行分析，2016年4月20日08時（北京時，下同，見圖2a），上海近海海域海霧逐漸于近海岸生成。20日15時海霧逐漸向東擴(kuò)散并逐漸變濃（見圖2b），擴(kuò)散至上海近海整個海域，根據(jù)B站點和D站點的能見度（見圖2f），20日18時D站點能見度小于10 km，出現(xiàn)輕霧，B站點能見度明顯下降并于20日14時降至1 km以下。盡管D站點能見度小于B站點，但在4月20日08—15時，D站點能見度呈明顯下降趨勢的時間晚于B站點，B站點較D站點位于偏西位置，因此可以判定在此時間段內(nèi)，海霧在上海近海海域內(nèi)生成，并東向移動。21日16時，霧氣逐漸消散，但上海近海海域仍受輕霧影響（見圖2c）。22日10時之后霧區(qū)逐漸消散（見圖2d）。

3.2 站點數(shù)據(jù)分析

圖2 日本高知大學(xué)Himawari衛(wèi)星可見光衛(wèi)星云圖（單位：km）

本文選取了長江口外南北兩個站點的實測資料具體分析4月20—23日海霧過程。A、B站點分別位于長江口北部和南部（見圖1），A站點毗鄰崇明島，位于上海近海偏北位置，靠近陸地，受陸地影響較大。B站點位于偏南位置的舟山群島北部，較A站點相比更遠(yuǎn)離內(nèi)陸，受陸地影響相對較小。根據(jù)能見度數(shù)據(jù)從整體上看，A站點的能見度起伏較為劇烈且平均能見度較高，其平均能見度達(dá)到23 271 m，能見度最高為70 245 m，最低為741 m，達(dá)到了大霧的狀態(tài)。而相對遠(yuǎn)離陸地的B站點能見度起伏較為平緩，且能見度較低，平均能見度為6 466 m，最大能見度為20 657 m，最低時能見度為72 m，為強(qiáng)濃霧。兩個站點能見度發(fā)展趨勢基本一致，但A站點海霧發(fā)生時間明顯晚于B站點，并且可以觀察到此次海霧過程中A、B站點均出現(xiàn)一次能見度好轉(zhuǎn)的情況，但A站點發(fā)生能見度好轉(zhuǎn)情況的時間早于B站點，隨后能見度再次下降，大霧再次生成，與初始階段生成的平流霧不同，此時生成的為雨霧，本文將對此情況進(jìn)行具體分析。

根據(jù)中國氣象局地面觀測規(guī)范[9]，基于能見度（V）可將霧劃分為：輕霧（1 km≤V＜10 km）、大霧（500 m≤V＜1 km）、濃霧（200 m≤V＜500 m）、強(qiáng)濃霧（50 m≤V＜200 m）、特強(qiáng)濃霧（V＜50 m）。本文將此次海霧過程分為5個階段（見圖3）：

海霧生成階段：4月20日00—12時，A站點海霧生成時間遲于B站點，能見度于20日22時后降至10 km，此前B站點能見度為20 km左右，A站點能見度為20 km以上。

圖3 長江口南支兩個站點A、B的能見度（單位：km）

維持階段：4月20日12時—4月21日08時，A站點能見度持續(xù)下降至5 km左右，并于4月21日04時出現(xiàn)能見度好轉(zhuǎn)的情況，B站點能見度維持在500 m左右，最低能見度為72 m，出現(xiàn)強(qiáng)濃霧。

能見度好轉(zhuǎn)階段：4月21日08—20時，此時B站點能見度明顯好轉(zhuǎn)，但能見度仍小于10 km，屬于輕霧，A站點能見度好轉(zhuǎn)明顯并且大于10 km，此時A站點屬于無霧狀態(tài)，并且A站點出現(xiàn)能見度好轉(zhuǎn)的情況時間早于B站點。A站點能見度好轉(zhuǎn)的過程中出現(xiàn)一次能見度急劇下降的過程，主要是由于雨霧的產(chǎn)生，雨霧是指在發(fā)生霧之前幾小時或者霧過程中出現(xiàn)降水現(xiàn)象[10]，通常發(fā)生在暖鋒前期[11-13]。

大霧再次生成階段：4月21日20時—4月22日07時，A、B站點的能見度下降到1 km以下，A站點能見度下降顯著，根據(jù)后文分析，能見度下降的過程伴隨著短時小雨天氣，故此時為雨霧過程，在此過程中風(fēng)場對水汽的輸送也有幫助作用。

消散階段：4月22日7時之后由于溫度的上升，空氣中水汽逐漸消散，A、B站點能見度上升至10 km以上，海霧逐漸消散。

4 大氣層結(jié)特征

以往研究表明，合理的大氣環(huán)境配置，穩(wěn)定的高空層結(jié)有助于海霧的產(chǎn)生[14]。圖4為利用ERA-interim數(shù)據(jù)所繪制的4月20日14時、4月21日08時以及4月21日20時1000hPa，850hPa以及500hPa的天氣形勢圖，包括位勢高度、風(fēng)場以及溫度場。圖4a、圖 4b、圖 4c為 500hPa，圖 4d、圖 4e、圖 4f為850hPa，圖4g、圖 4h、圖4i為1000hPa。根據(jù)前文將海霧整體分為5個階段，選取的3個時間分別為海霧生成階段、能見度好轉(zhuǎn)階段以及大霧再次生成時刻，重點分析此次能見度好轉(zhuǎn)而后又迅速下降的原因。

4月20日20時（見圖4a、4d、4g），500 hPa高空處上海近海區(qū)域處于低壓槽槽前位置，受到低壓槽東移以及副熱帶高壓的影響，盛行西南氣流，高空層結(jié)略有不穩(wěn)。中層850 hPa處，上海近海區(qū)域受我國內(nèi)陸低壓外緣及日本海延伸出來的高壓影響，為西南氣流控制。低空1 000 hPa處上海近海區(qū)域處于大陸低壓邊緣，大陸低壓呈東北向移動，上海近海長江口處于低壓邊緣，盛行東南氣流，在海霧生成之前12 h內(nèi)長江口處一直處于偏南氣流控制，偏南氣流將南方的暖濕氣流輸送至長江口附近為海霧的生成提供了水汽基礎(chǔ)。

4月21日08時（見圖4b、4e、4h），高空500 hPa處上海近海處于槽前區(qū)域，等壓線密集說明風(fēng)速較大，盛行西風(fēng)。850 hPa長江口附近受到朝鮮半島低壓冷渦外圍影響，產(chǎn)生對流天氣，西南氣流與東北氣流在長江口處交匯，低空1 000 hPa長江口附近處于切變線自西北向東南移動的影響，長江口南北部出現(xiàn)風(fēng)向驟變的情況，結(jié)合后文實測天氣要素分析，此時長江口北部A站點受到西北氣流控制，長江口南部站點B仍受東南氣流影響，A站點風(fēng)向的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致水汽的流失。

4月21日20時（見圖4c、4f、4i），長江口附近高空處于較為平直的西風(fēng)控制，850 hPa處于弱脊區(qū)，逐漸受到內(nèi)陸風(fēng)影響，但在低空1 000 hPa出現(xiàn)較弱的溫帶氣旋，溫帶氣旋帶來的暖鋒使得長江口附近出現(xiàn)暖切現(xiàn)象，在暖鋒過境的作用下使得長江口附近出現(xiàn)短時降水，伴隨能見度下降的情況，出現(xiàn)雨霧。

圖4 不同時刻的位勢高度場（等值線）、風(fēng)場和溫度場（填色，單位：℃）

根據(jù)不同時刻的天氣形勢圖，發(fā)現(xiàn)在此次海霧過程中，天氣背景形勢的不同導(dǎo)致大氣出現(xiàn)不同的天氣狀況，而伴隨著能見度下降海霧的生成，不同的天氣狀況會對海霧產(chǎn)生不同的影響。在本次上海近海海霧過程中，生成階段受到長時間東南氣流的控制，上海近海受到暖濕空氣影響，水汽增加，為平流霧過程，但在能見度好轉(zhuǎn)至再次下降的過程中，出現(xiàn)了短時小雨天氣，因此海霧后階段為雨霧過程。值得一提的是，低壓過境導(dǎo)致風(fēng)向驟變，貨運(yùn)密集的長江口區(qū)域風(fēng)向相反（見圖4b），從而影響北站的水汽持續(xù)供給。

5 海霧變化原因分析

5.1 天氣要素分析

圖5 A、B站點各天氣要素（黑線為A站點，紅線為B站點，風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)由C站點提供）

通過對比站點實測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在風(fēng)速較小的情況下，B站點的風(fēng)向誤差較大，而B站點與C站點相距約20 km，通過對比分析B站點與C站點各氣象要素（圖略），B站點與C站點天氣情況相似，且C站點風(fēng)場要素數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確，故用C站點的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)代替B站點的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對比A、B站點各氣象要素（見圖5），發(fā)現(xiàn)在海霧生成階段，A、B站點相對濕度較大，皆高于80%，其中B站點相對濕度甚至達(dá)到90%以上，根據(jù)上文分析此時長江口附近盛行東南風(fēng)，持續(xù)時間在12 h以上，東南氣流將南方的暖濕空氣輸送至上海近海表面，空氣中水汽充足，有利于海霧的形成。根據(jù)以往的研究表明海霧多發(fā)生在風(fēng)速小于7 m/s的情況下[15]，A站點實測平均風(fēng)速為5.31 m/s，C站點實測平均風(fēng)速為6 m/s，有助于海霧形成。在海霧維持階段，A、B氣壓均略有下降，在維持階段的前半段，氣溫基本保持不變，而在維持階段的后半段，即能見度即將出現(xiàn)好轉(zhuǎn)時A、B站點出現(xiàn)氣溫小幅度降溫，A站點降溫出現(xiàn)在B站點之前。4月21日08時出現(xiàn)能見度好轉(zhuǎn)的情況，是由于風(fēng)向突然轉(zhuǎn)變，C站點由此前盛行的偏南風(fēng)突變?yōu)槲鞅憋L(fēng)，西北風(fēng)將北方的干冷空氣輸送至上海近海表面，氣溫降低能見度轉(zhuǎn)好，但此時空氣中相對濕度仍然較大，故仍有輕霧，而A站點由偏南風(fēng)突然轉(zhuǎn)向為西北內(nèi)陸風(fēng)，并且先于C站點發(fā)生風(fēng)向的轉(zhuǎn)變，內(nèi)陸風(fēng)使水汽加速消散，此時A站點相對濕度降至80%以下，故能見度較高。21日14時之后，A、B站點溫度下降，A站點此時受到南風(fēng)影響，C站點此時受到西南風(fēng)控制，皆能帶來水汽，故空氣中水汽含量較高，相對濕度較大，根據(jù)上文天氣形勢圖以及上海歷史天氣查詢，此時出現(xiàn)短時降水，故此時生成的霧為雨霧。22日07時之后，A、B站點氣溫升高，相對濕度顯著下降，導(dǎo)致霧氣逐漸消散。

5.2 海氣界面

海氣溫差在海霧過程中有著重要影響，在黃海海域，出現(xiàn)海霧時，氣溫明顯下降，海霧消散時，氣海溫差加大[16]，對于上海沿海區(qū)域，海氣溫差在±3℃以內(nèi)，則都有可能形成海霧[1]，海氣溫差在-1～2℃之間時是成霧的適宜條件[17]，但合適的海氣溫差是海霧形成的必要非充分條件[18]，前人研究表明大部分平流冷卻霧中氣溫（Surface Air Temperature，SAT）大于SST的霧發(fā)生時，其主導(dǎo)因子為暖濕空氣的輸送[19]。

本文海表溫數(shù)據(jù)為ECMWF所提供的ERA-interim數(shù)據(jù)提供的SST，海氣溫差主要由SAT所決定。根據(jù)上文分析以及海氣溫差值（見表1），在本次海霧過程發(fā)生前，上海近海長時間受到來自南方暖濕氣流的影響（見圖4a），氣溫略有上升。根據(jù)表1，在海霧生成以及發(fā)展維持過程中A、B站氣海溫差處于1～3℃之間，有助于海霧的形成。在起霧階段，A站點海氣溫差條件甚至略好于B站點，但并未產(chǎn)生濃霧，說明風(fēng)向和水汽輸運(yùn)在此次過程中更為重要。

表1 A、B站點的氣海溫差（單位：℃）

5.3 水汽條件分析

根據(jù)前文的分析，上海近海附近以及舟山附近受偏南氣流的影響，來自南方的暖濕空氣流經(jīng)冷海水面時，由于冷卻作用，空氣中的水汽凝結(jié)成為小水珠并懸浮在空氣中，因此能見度下降，從而導(dǎo)致海霧發(fā)生。如圖6表示4月20日14時、4月21日08時、4月21日20時以及4月22日08時的水汽通量和水汽通量散度，箭頭表示水汽通量，表現(xiàn)了水汽的輸送方向以及大小，水汽通量散度表示水汽的輻合與輻散的情況，當(dāng)水汽通量散度為正時，水汽輻散，水汽通量為負(fù)時，水汽輻合。

4月20日14時（見圖6a），上海近海長江口低層大氣受偏南氣流的控制，東南向水汽輸送至上海近海長江口附近，出現(xiàn)水汽輻合高值區(qū)，圖5中A、B站點相對濕度也印證此點，上海近海附近相對濕度達(dá)到90%～95%。隨后由于東南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，因此水汽輻合高值區(qū)并未繼續(xù)向北或者內(nèi)陸發(fā)展，而是由西南風(fēng)輸送至朝鮮半島以及東海外海發(fā)展。

此后由于切變線東移，西北氣流逐漸增強(qiáng)，南方水汽的北向輸運(yùn)受到阻礙，于4月21日08時左右（見圖6b），原本出現(xiàn)在上海近海的水汽輻合高值區(qū)逐漸東向發(fā)展并在日本海附近逐漸減小最終消散，上海近海出現(xiàn)小范圍水汽輻散，結(jié)合前文站點的相對濕度數(shù)據(jù)，此時上海近海海域相對濕度降至70%～80%。水汽輻合高值區(qū)的移動以及相對濕度高值區(qū)的移動與從衛(wèi)星云圖上觀測到的海霧的發(fā)展基本一致。

4月21日20時（見圖6c），由于暖鋒過境，上海近海附近受溫帶氣旋影響產(chǎn)生短時降水，我國北部沿海地區(qū)均出現(xiàn)水汽輻合現(xiàn)象，以上海近海地區(qū)尤其明顯，出現(xiàn)水汽輻合區(qū)，此時為能見度再次下降的時刻，隨后由于西向氣流加強(qiáng)，暖鋒過境之后上海近海地區(qū)受到暖空氣的控制，溫度上升，長江口附近水汽逐漸消散。4月22日08時（見圖6d），上海近海處于水汽輻散區(qū)，水汽得不到補(bǔ)充，海霧逐漸消散。

上述分析表明，底層充足的水汽為海霧的形成以及發(fā)展維持提供了條件。此次海霧過程的水汽主要來自于東南方的暖濕氣流，而這股暖濕氣流來自于西北太平洋。氣流首先經(jīng)過舟山群島附近，隨后逐漸向北推移，水汽隨之推移，最后在上海近海海域聚集，相對濕度逐漸增大，上海近海出現(xiàn)海霧，當(dāng)風(fēng)向轉(zhuǎn)為西北風(fēng)時，切變線東南向移動，水汽也向東南方推移，上海近海海域能見度逐漸轉(zhuǎn)好，隨后由于暖鋒過境的影響，能見度下降的同時產(chǎn)生降水過程而產(chǎn)生雨霧，暖鋒過境之后溫度上升導(dǎo)致海霧消散，發(fā)展趨勢與衛(wèi)星所觀測到的趨勢基本一致。

圖6 不同時刻1 000 hPa水汽通量（箭頭，單位：g/（cm·hPa·s））以及水汽通量散度（填色區(qū)域，單位：10-5g/（cm2·hPa·s））

6 結(jié)論

本文通過對2016年4月20—23日一次典型上海近海春季海霧南北差異分析，分析了天氣形勢、大氣層結(jié)、海氣界面以及水汽輸送對此次海霧過程的影響，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致此次海霧過程發(fā)生的主要原因是東南氣流帶來的暖濕空氣，而低壓過境風(fēng)向驟變影響海霧發(fā)展和分布，具體結(jié)論如下：

（1）此次海霧過程先后經(jīng)歷了平流霧和雨霧過程，在第一次生成發(fā)展階段，底層盛行偏南風(fēng)，高空層結(jié)穩(wěn)定有利于平流霧形成，隨后低壓過境風(fēng)向驟變，從而導(dǎo)致長江口北部能見度好轉(zhuǎn)，而后由于暖鋒過境，出現(xiàn)短時小雨天氣導(dǎo)致雨霧過程；

（2）長江口南北海霧存在復(fù)雜的空間和時間變化，特定的天氣形勢會影響海霧的生成發(fā)展與消散。長江口外北部站點能見度明顯好于南部站點，并且北部站點先于南部站點出現(xiàn)能見度好轉(zhuǎn)的情況，這是由于低壓槽控制下的低壓過境，切變線東移所導(dǎo)致。其后由于暖鋒過境產(chǎn)生雨霧，導(dǎo)致能見度再次下降，隨后暖鋒過境、溫度上升導(dǎo)致海霧消散。因此，此次海霧過程受到低壓槽控制下的低壓過境、切變線東移以及暖鋒過境的共同作用，導(dǎo)致長江口南北能見度差異較大的情況發(fā)生；

（3）通過對此次上海近海海霧過程中天氣要素、海氣界面以及水汽條件的分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)為此次上海近海海霧南北差異性較大的主要影響因子，主要控制該海域水汽的聚集與消散。盛行南風(fēng)時水汽充足，來自南方的水汽在上海近海海域聚集，濕度較大，容易產(chǎn)生海霧，而受西北風(fēng)主導(dǎo)時，水汽向東南方向推移，容易出現(xiàn)海霧消散的情況。

考慮到長江口深水航道區(qū)域航運(yùn)密集，監(jiān)測長江口風(fēng)向驟變過程以及海上水汽通量是該天氣特征下精細(xì)化預(yù)報海霧的關(guān)鍵。此外，此種天氣過程發(fā)生的歷史頻率，以及在全球氣候變化背景下的未來變化趨勢也需進(jìn)一步研究。