2020年5月5日凌晨福建中南沿海海霧過程特征及成因分析*

鄭澤華 張 偉 陳德花

(1.海峽氣象開放實驗室，福建 廈門 361012；2.廈門市氣象臺，福建 廈門 361012)

海霧是指直接受海洋影響，發(fā)生在海上或沿海地區(qū)上空，使大氣能見度小于 1km 的天氣現(xiàn)象[1]。海霧的形成，主要是空氣在海洋下墊面的作用下，在海上、島嶼或沿海地區(qū)達(dá)到飽和、凝結(jié)，并長時間懸浮空中，使得能見度較低，從而對海上航運及交通造成嚴(yán)重影響。

馬治國等[2]在對福建沿海站點資料分析研究中發(fā)現(xiàn)，福建省中南部沿海地區(qū)為多霧區(qū)域，尤其是崇武、廈門和東山最多。前人針對有利于福建海霧發(fā)生的天氣形勢進(jìn)行了十分詳細(xì)的歸納總結(jié)：魏錦成[3]統(tǒng)計了1997—2006年的歷史資料，將海霧日前一天的天氣形勢劃分為地面冷鋒型、地面低壓倒槽型、地面高壓入海型、陸地低壓環(huán)流暖區(qū)型及弱氣壓場型；李昀英等[4]則將典型天氣形勢劃分為冷平流主導(dǎo)型(冷鋒型、準(zhǔn)靜止鋒型、冷高壓型)，暖平流主導(dǎo)型(氣旋型、入海變性高壓型)，均壓場型，臺風(fēng)外圍型。對于海峽海霧的觀測研究，主要技術(shù)有人工觀測、燈塔觀測、探空觀測、飛機(jī)觀測等，其中衛(wèi)星遙感技術(shù)以其覆蓋范圍廣、實時及動態(tài)性強(qiáng)等優(yōu)點，在海霧監(jiān)測中廣泛應(yīng)用。錢峻屏等[5-6]通過能見度遙感監(jiān)測和定量反演試驗發(fā)現(xiàn)，水平能見度與MODIS衛(wèi)星監(jiān)測的反照率存在函數(shù)關(guān)系并建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀ｊP(guān)于福建沿海海霧過程的邊界層條件分析，前人研究已取得一定成果。何秀戀等[7]研究發(fā)現(xiàn)，福建南部緯度較低，在西南暖濕氣流影響下形成平流霧，生成過程中邊界層具有逆溫層，相對濕度較大，氣溫比較低且風(fēng)力較??；黃惠镕等[8]在對春季福建一次海霧過程分析中發(fā)現(xiàn)，近地面逆溫層、大濕度區(qū)維持、中層“干暖蓋”、風(fēng)速適宜、溫度露點差小、垂直風(fēng)切變減小、氣溫高于海溫都是海霧過程發(fā)生的有利條件。盡管如此，福建沿海海霧數(shù)值模擬預(yù)報仍處于較低水平，福建省氣象臺基于MM5模式集合預(yù)報系統(tǒng)生成臺灣海峽霧、濃霧和強(qiáng)濃霧的概率預(yù)報，在海霧預(yù)報上起到了一定的預(yù)警作用，但依舊存在模式成員少，海霧生消的物理機(jī)制、邊界層參數(shù)化方案和下墊面條件需進(jìn)一步研究確定等問題[9]。

2020年5月4日夜間到5日凌晨，福建沿海自北向南發(fā)生一次海霧過程，范圍覆蓋中南沿海大部，持續(xù)時間超過8h，廈門沿海地面自動站能見度小于500m超過6h，對內(nèi)海航線及各大橋通行都造成了較大影響。本文利用衛(wèi)星監(jiān)測、地面自動站、微波輻射計、風(fēng)廓線雷達(dá)等觀測手段，結(jié)合第五代ECMWF大氣再分析全球氣候數(shù)據(jù)(ERA5)再分析資料，對此次過程進(jìn)行分析，以期為廈門沿海海霧預(yù)報提供參考依據(jù)。

1 資料分析與處理

本文利用葵花8衛(wèi)星(Himawari—8)紅外雙通道亮溫差代表海霧；地面自動站(翔安站、張埭橋水庫站、土嶼站)逐5min氣象觀測資料，主要采用的要素有風(fēng)速、風(fēng)向及能見度；ERA5再分析資料，包含的物理量有：1000hPa及地面風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、相對濕度，海表溫度等(水平分辨率為0.25°×0.25°)；翔安微波輻射計及風(fēng)廓線雷達(dá)觀測資料；MICAPS站點觀測資料。

2 海霧過程時空演變特征

2.1 衛(wèi)星遙感監(jiān)測

利用葵花8衛(wèi)星的長波紅外與短波紅外差異大值區(qū)表征大致海霧范圍。如圖1所示，在2020年5月5日2時，在閩中南部海上就已出現(xiàn)雙通道亮溫差大值區(qū)，與海岸線平行，呈線狀分布，大部分區(qū)域差值超過2℃，意味著此時海霧厚度較厚；后大值區(qū)逐漸向廈門沿海移動，亮溫差值進(jìn)一步增大，最大區(qū)域超過3℃，大霧強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)。從4時的差異圖可以看到，廈金海域上空的雙通道亮溫差已達(dá)到2.5℃附近，意味著海霧已移動至廈門內(nèi)海，此時翔安南部及廈門島東部已明顯處于濃霧覆蓋中；隨后海霧繼續(xù)緩慢南壓，從5時30分的差異圖上可以看到，亮溫差逐漸減小，介于0.5～1℃，海霧厚度逐漸減小，但濃霧范圍為塊狀，范圍較大，且恰好覆蓋廈門全市及近海大部，因此此時為本次過程的成熟階段；隨后海霧停滯維持，6時后伴隨日出，亮溫差逐漸減小接近于0℃，結(jié)構(gòu)逐漸松散，大霧逐漸消散，此次過程趨于結(jié)束。

圖1 2020年5月5日2時、4時、5時30分及6時葵花8衛(wèi)星長波紅外與短波紅外亮溫差異圖

2.2 廈門沿海站點氣象要素演變

選取3個沿海自動站作為此次過程的典型代表站，其中張埭橋水庫站(F2283)位于翔安南部沿海，以此站點表征海霧對廈門內(nèi)海的影響；土嶼站(F2128)位于廈門島南部沿海，代表廈門近海氣象要素變化特征；翔安站(59140)位于大嶝島，用于8表征此次過程對廈金海域的影響。

從翔安站要素時序圖上可以看到(圖2)，5日2時20分前后，能見度快速下降，海霧開始影響廈金海域，此時風(fēng)力維持在2m/s附近，從風(fēng)向上看，其偏南分量明顯增加；從5日6時前后起(過程消散階段)，雖能見度上升較為緩慢(5日9時后上升至1km以上)，但風(fēng)有明顯變化，風(fēng)力明顯增強(qiáng)，且風(fēng)向轉(zhuǎn)向為西南風(fēng)。張埭橋水庫能見度下降時間稍晚于翔安站(5日3時前后)，此時海霧逐漸由廈金海域蔓延進(jìn)入廈門內(nèi)海，此時風(fēng)向短暫由偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，隨后逐漸轉(zhuǎn)為西南風(fēng)控制；消散階段風(fēng)演變特征與翔安站相似，風(fēng)力逐漸增強(qiáng)，而能見度轉(zhuǎn)好時間略早于廈金海域。海霧于5日3時30分前后南壓至廈門南部沿海(圖2)，風(fēng)向逐漸由偏東風(fēng)轉(zhuǎn)向為偏南風(fēng)，風(fēng)力有所增強(qiáng)，但整體仍屬于弱風(fēng)控制(3m/s左右)；海霧消散時間則大致與內(nèi)海相同，能見度都于5日7時前后上升至1km左右，該階段風(fēng)向無明顯變化，風(fēng)力同樣明顯上升。

圖2 2020年5月5日0時至10時沿海代表站風(fēng)及能見度演變情況

3 海霧過程成因分析

3.1 環(huán)流背景

相對靜穩(wěn)的天氣形勢是海霧過程生成、維持的背景條件。圖3分別給出了2020年5月4日20時500hPa、850hPa、925hPa及地面形勢圖，以討論此次過程發(fā)生前的天氣背景。

圖3 2020年5月4日20時500hPa高空觀測(a)、850hPa高空觀測(b)、925hPa高空觀測(c)、地面填圖(d)

如圖3a所示，2020年5月4日20時500hPa上福建南部主要受副高北部弱脊區(qū)控制，偏西氣流控制；850～925hPa上為弱西南氣流，且華南地區(qū)為明顯暖區(qū)控制；低層大氣層結(jié)較為穩(wěn)定，有利于海峽內(nèi)海霧的生成。從地面圖上看(圖3d)，福建沿海位于低壓東側(cè)的弱偏南氣流控制，海上的弱暖濕氣流為此次海霧過程提供了水汽條件，且弱風(fēng)條件下有利于層結(jié)穩(wěn)定的維持。

3.2 水汽通量及散度變化

從1000hPa水汽通量及散度圖上可以看出，在4日22時(圖4a)，受偏南暖濕氣流影響，臺灣海峽內(nèi)有較強(qiáng)水汽通量輸送，其來源主要為我國南海；弱水汽通量散度負(fù)值區(qū)主要集中在福建中部沿海，有利于海霧海上逐漸形成；在地面要素場上(圖4b)，閩中北部開始出現(xiàn)相對濕度超過95%區(qū)域，海霧開始生成；在海峽北部，雖然有明顯的水汽條件，但水汽通量輻合強(qiáng)度較大，結(jié)合云圖(圖1)可知，并無強(qiáng)海霧生成，這也說明適宜的輻合作用對于海霧生成的重要性。而海峽南部沿海為從海上吹來的偏南風(fēng)，且風(fēng)向垂直于溫度梯度，有利于水汽的凝結(jié)冷卻。到5日02時(圖4b)，散度負(fù)值區(qū)南移，覆蓋整個閩南沿海，此時沿海大部相對濕度超過95%，能見度下降，海霧開始逐漸影響廈門內(nèi)海。此時10m風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，而從溫度場上看，較冷區(qū)域(小于25℃)逐漸向南延伸。

填色為水汽通量散度，單位：g/hPa×cm×s；箭頭為水汽通量，單位：10-5g/hPa×cm2×s; 填色為相對濕度；箭頭為10m風(fēng)場，單位：m/s；紅線為2m氣溫，單位：℃圖4 2020年5月4日22時(a、c)、5日02時(b、d)1000hPa水汽通量及散度、地面要素分布圖

填色為水汽通量散度，單位：g/hPa×cm×s；箭頭為水汽通量，單位：10-5g/hPa×cm2×s; 填色為相對濕度；箭頭為10m風(fēng)場，單位：m/s；紅線為2m氣溫，單位：℃圖5 2020年5月5日06時(a、c)、08時(b、d)1000hPa水汽通量及散度、地面要素分布圖

5日06時，海峽內(nèi)的西南水汽通量較前幾個時次明顯減小(圖6a)，沿海地區(qū)的散度負(fù)值區(qū)維持，而海上負(fù)值區(qū)進(jìn)一步向南延伸，此時海峽中部已無明顯水汽通量輻合，不利于海霧的生成和維持；而從地面要素分布看(圖5c)，相對濕度超過95%的區(qū)域覆蓋整個沿海地區(qū)及海峽南部，風(fēng)則仍為偏南風(fēng)，溫度也較上個時次變化不大。之后海霧過程進(jìn)入消散階段，相對濕度大值范圍開始逐漸減小，地面偏南氣流減弱(圖5d)，水汽通量也逐漸減小，而沿海地區(qū)有水汽通量輻合，但此時輻合強(qiáng)度較強(qiáng)，不利于海霧繼續(xù)維持(圖5b)。

3.3 逆溫層

從5月4日20時廈門站探空圖(圖6左)可以看到，此時并沒有逆溫層存在，且低層的濕層淺薄，僅850hPa上濕度較大，而此時925hPa以上風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，說明低層有弱的暖平流；到5月5日08時(圖6右)，由于邊界層頂?shù)呐搅饕约耙归g地面的降溫，導(dǎo)致925hPa高度附近逐漸有逆溫層產(chǎn)生，且濕度超過80%。逆溫層的形成抑制了對流的發(fā)展，阻止生成的海霧抬升轉(zhuǎn)化為低云。但逆溫層內(nèi)溫差較小，逆溫強(qiáng)度較弱，也是此次海霧過程沒有進(jìn)一步發(fā)展的原因之一。

圖6 2020年5月4日20時(左)、5日08時(右)廈門站(59134)探空圖

4 邊界層氣象要素演變特征分析

4.1 海溫分布及海氣溫差

從海峽海溫分布圖(圖7a)可以看到，福建沿海地區(qū)為一個明顯的冷水區(qū)，而海峽內(nèi)及南部海域則溫度明顯高于沿海，在弱的偏東風(fēng)或偏南風(fēng)下，暖水區(qū)上空的暖濕氣流輸送至冷水區(qū)上空，海洋對海上空氣有冷卻作用，小水滴的冷卻凝結(jié)有利于海霧過程的發(fā)生。

從海氣溫差的演變圖可以發(fā)現(xiàn)，在海霧發(fā)展南壓階段，閩中南部沿海海氣溫差有一個明顯的減小。5月5日02時(圖7b)，此時海霧在閩中部沿海發(fā)展，此時福建中南部及廣東北部沿海大部海氣溫差都為正值，且閩南部沿海差值在1℃附近，氣溫略高于海溫，說明有偏南暖濕氣流輸送，并在冷洋面上凝結(jié)，并且氣流強(qiáng)度較弱，不易形成降水；而后海氣溫差逐漸減小，直到5日06時左右(圖7b)，海氣溫差接近0℃，并且海峽南部海域海氣溫差為負(fù)，說明此時南部暖濕輸送逐漸減少，海霧過程停止發(fā)展，并逐漸進(jìn)入消散階段；之后伴隨日出，輻射加溫，海氣溫差快速增大，海霧逐漸消散，此次過程結(jié)束；福建北部沿海海氣溫差則始終為正距平。

圖7 2020年5月5日02時(a)海表氣溫圖及02時(b)、06時(c)、10時(d)海氣溫差圖

4.2 風(fēng)向、風(fēng)速及相對濕度垂直分布演變

結(jié)合微波輻射計、風(fēng)廓線雷達(dá)探測結(jié)果和翔安自動站觀測結(jié)果(圖8)可以發(fā)現(xiàn)，在翔安站能見度下降前(5日2時前后)，濕度的大值區(qū)主要維持在底層(1km以下)，底層主要以東北風(fēng)為主；在能見度下降初期，海霧仍聚集在底層(1km以下)，但風(fēng)向逐漸由東北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)控制；5日3時30分前后，大霧開始向上層擴(kuò)散，此時霧的厚度明顯增加，且底層風(fēng)向以偏北風(fēng)為主，受風(fēng)向影響，此時海霧進(jìn)一步南壓，開始影響廈門島東部地區(qū)；到了消散階段(5日6時30分前后)，此時2～3km高度上東北風(fēng)明顯增強(qiáng)，穩(wěn)定層結(jié)逐漸破壞，不利于海霧的繼續(xù)維持，但底層濕度仍較大，且地面風(fēng)速較小，因此大霧消散速度較慢，翔安站能見度直至5日9時后才逐漸好轉(zhuǎn)。

填色為相對濕度,單位：%圖8 2020年5月5日0時至9時翔安微波輻射計、風(fēng)廓線雷達(dá)探測結(jié)果時序圖

5 結(jié)論

利用各類觀測手段及再分析資料，對2020年5月5日凌晨福建中南部沿海海霧過程的演變特征及海洋氣象條件進(jìn)行分析，并針對廈門的海霧預(yù)報預(yù)警進(jìn)行討論，主要得到以下幾點結(jié)論。

①通過葵花8衛(wèi)星雙通道亮溫差的分布，結(jié)合自動站觀測結(jié)果，可以較清楚地描述此次海霧過程。此次過程維持時間超過8h。5日2時之前，已在閩中南部海上形成，與海岸線平行，呈帶狀分布，后逐漸南壓，強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)；2時20分前后開始影響廈金海域，地面以弱南風(fēng)為主；3時前后，海霧蔓延進(jìn)入廈門內(nèi)海，地面風(fēng)開始轉(zhuǎn)向；5時30分濃霧已變?yōu)閴K狀停滯維持，強(qiáng)度較強(qiáng)，覆蓋廈門全市及近海大部；6時后伴隨日出，海霧結(jié)構(gòu)逐漸松散。

②此次海霧過程發(fā)生前(4日夜間)，整層大氣環(huán)流較為靜穩(wěn)：高層受副高北側(cè)弱脊區(qū)控制，中低層大氣層結(jié)較為穩(wěn)定，且有弱西南暖濕氣流輸送，也導(dǎo)致925hPa上有逆溫層形成，維持底層大氣的穩(wěn)定，抑制了暖濕空氣向上發(fā)展，使其維持在邊界層內(nèi)，保證了此次海霧過程在1km高度內(nèi)維持發(fā)展；隨后由于2～3km高度上東北風(fēng)明顯增強(qiáng)，導(dǎo)致逆溫層逐漸破壞，此次過程趨于結(jié)束。

③4日夜間到5日白天，整個臺灣海峽內(nèi)都有較強(qiáng)的水汽輸送，且主要來自我國南海。福建南部沿海有明顯的溫度梯度及風(fēng)的弱輻合，且維持時間較長，配合海峽內(nèi)充足的水汽條件，導(dǎo)致此次海霧過程強(qiáng)度較強(qiáng)且維持時間較長；而在海峽北部，雖然具備水汽條件，但水汽輻合較強(qiáng)，不具備凝結(jié)懸浮條件，因此并無強(qiáng)海霧生成。

④此次海霧過程中，福建沿海海溫為明顯的冷水區(qū)，一定強(qiáng)度的暖濕平流使得氣溫略高于海表溫度，使得水汽凝結(jié)懸浮。海霧發(fā)展階段海表氣溫略高于海溫，差值在1℃左右；后溫差逐漸減小，到海霧成熟階段，此時海氣溫差接近0℃；而后海溫逐漸高于氣溫，海霧過程開始趨于消散。因此，1℃的海氣溫差可能是廈門沿海海霧預(yù)報預(yù)警的指標(biāo)之一。