珠江口海霧天氣氣候特征及成因分析

周群，黃煥卿，鄧小花，張潤宇，陳越

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京 100081；2.深中通道管理中心，廣東 中山 528400）

1 引言

海霧是在海洋與大氣相互作用特定條件下出現(xiàn)在低層大氣貼近下墊面的一種凝結(jié)現(xiàn)象，是海上和沿海一帶的災(zāi)害性天氣之一[1-2]。出現(xiàn)海霧時，沿海地區(qū)的能見度顯著降低，較差的水平能見度會導(dǎo)致航行船只偏航、碰撞及觸礁等事故，較差的垂直能見度一方面嚴(yán)重影響飛行安全，另一方面阻隔太陽輻射，使海水水質(zhì)惡化，造成海水養(yǎng)殖的蝦貝等大量死亡[3-4]。以上均表明海霧會給我國海上交通運(yùn)輸、工農(nóng)漁業(yè)生產(chǎn)及人類生活健康等帶來極大危害，因此海霧一直都是海洋氣候?qū)W的研究重點之一。

我國近海海霧多集中在黃海和東海，以平流霧為主，這與黑潮暖流的作用密不可分[4-6]?；跉v史資料的氣候統(tǒng)計結(jié)果，許多研究得出我國各海域海霧的氣候及年際變化特征，并對相應(yīng)的大氣環(huán)流背景場予以分析[7-10]。由于沿岸測站、海上浮標(biāo)和船舶觀測在覆蓋范圍和時段上均有限制，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)則完善了我國海霧分布特征的系統(tǒng)研究[11]。然而，在有云系遮擋時，目前的衛(wèi)星遙感技術(shù)依然難以實現(xiàn)對淺薄海霧的有效觀測，這也是利用衛(wèi)星遙感資料的重要缺陷之一。新近的研究從建立數(shù)值模式入手，探究海霧的生成機(jī)制[12]，為海霧預(yù)報提供了一定的參考依據(jù)。

早在20 世紀(jì)80 年代，王彬華[7]分析發(fā)現(xiàn)，南海霧日較少，且相較于海區(qū)總面積來說霧區(qū)面積較小。事實上，南海中南部海域由于水溫常年偏高，空氣露點溫度低于其下的海面溫度，空氣難以達(dá)到飽和狀態(tài)，不能凝結(jié)成霧，故而不利于海霧過程的發(fā)生。針對南海北部海霧的研究，前人從個例分析和歷史資料統(tǒng)計等角度出發(fā)，揭示了南海北部海域的海霧多集中在近岸海域，且主要出現(xiàn)冬、春季節(jié)，并對海霧日數(shù)年際變化相關(guān)的水汽輸送異常及成霧的典型天氣形勢做了較為深入的分析[13-16]。然而，這些研究大多利用沿岸海洋臺站的能見度人工觀測記錄，不但容易受觀測方法和人為主觀因素如經(jīng)驗或視覺閾值等的影響[17]，而且每日4 次的常規(guī)氣象觀測無法實現(xiàn)對海霧生消時刻等的細(xì)致刻畫，因此，用客觀儀器獲取的能見度加密觀測數(shù)據(jù)來研究海霧的天氣氣候特征更具有說服力。

珠江口海域北靠歐亞大陸，南鄰我國南海，受東亞大陸和熱帶海洋的交替影響，海霧過程頻發(fā)，濃霧事件對海上船只航行和施工作業(yè)等都構(gòu)成直接威脅。因此，提高對該海域海霧基本規(guī)律的認(rèn)識，能更好地保障海事工程和交通運(yùn)輸?shù)捻樌_展，具有重要的學(xué)術(shù)意義和實踐價值。已有的研究揭示了珠江口海霧具有年際和年代際等多時間尺度的復(fù)雜變化[18]，由于海洋探測手段及資料的限制，這些研究主要依賴于氣象要素的常規(guī)人工觀測。為此，本文利用近幾年來具有較高時間分辨率的自動氣象站的觀測資料，研究珠江口海霧的天氣氣候特征并進(jìn)行天氣學(xué)分型，探討成霧所需要的氣象和水文因子配置，這將對提高珠江口海霧的預(yù)報水平、減少因海霧災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡帶來幫助。

2 資料與方法

為滿足港珠澳大橋島隧工程施工作業(yè)區(qū)海洋環(huán)境預(yù)報保障的需求，提供數(shù)值模式研制和預(yù)報結(jié)果檢驗所需的高密度實時數(shù)據(jù)，2011—2012 年國家海洋環(huán)境預(yù)報中心先后在珠江口海域建成了人工島自動氣象站和其南偏東15 km 的牛頭島自動氣象站。本文使用的觀測資料來自珠江口內(nèi)伶仃島以南、赤鱲角以西的人工島自動氣象站（22.2°N，113.8°E）資料包含風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、海溫、相對濕度、能見度、降水和氣壓記錄，時間分辨率為10 min一次。定義能見度小于1 km 且持續(xù)時間在3 h以上為一個霧日[10]。資料范圍為2012 年2 月—2016 年4月。

選取的再分析數(shù)據(jù)資料主要是歐洲中期數(shù)值預(yù)報中心（European Centre for Medium-range Weather Forecasts，ECMWF）提供的自1979 年1 月至今的逐日再分析資料ERA-Interim，空間分辨率為0.75°×0.75°，垂直方向從1 000～1 hPa 共計37 層，時間分辨率為每6 h 一次。所用的變量包括位勢高度、海平面氣壓、10 m 高度經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)、垂直速度、溫度和相對濕度等資料，用于描述和計算與海霧生成相聯(lián)系的大氣環(huán)流異常情況。

按照慣例，將12 月、次年1 月和2 月劃為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。本文首先分析了珠江口海霧的月際變化和日變化特征，通過對典型的海霧過程的合成分析，將珠江口海霧進(jìn)行天氣學(xué)分類，在此基礎(chǔ)上，分析各類型海霧的氣象和水文要素特征。

3 珠江口海霧的天氣氣候特征

我們計算了月平均海霧日數(shù)占當(dāng)月日數(shù)的百分比，得到珠江口海霧出現(xiàn)頻率的月際變化。從統(tǒng)計結(jié)果來看，珠江口海霧從每年11 月開始逐漸增多，冬、春季節(jié)是海霧頻發(fā)的季節(jié)，其中以2—4月最多，4 月海霧日數(shù)占當(dāng)月日數(shù)的近20%（約6 d）。5月開始，海霧日數(shù)急劇減少，僅占約6%（約2 d），6—9 月海霧過程較少，月平均海霧日數(shù)在1 d 左右（見圖1）。由此可見，珠江口海霧日數(shù)月際變化顯著，這也與南海北部海霧特征的研究結(jié)果較為一致[8,14]。以能見度下降（恢復(fù)）到1 km 以下（以上）的時刻定義為海霧生成（消散）時刻，將該時刻四舍五入計入整點，統(tǒng)計海霧生成（消散）時刻的逐時分布。根據(jù)逐小時海霧生成（消散）次數(shù)占海霧生成（消散）總次數(shù)的百分比，分析珠江口海霧生消的日變化情況。圖2 是珠江口海霧生成和消散時間的頻率分布，從中可以清楚地看到，海霧多生成于夜間—凌晨時段，00—04時（北京時，下同）的生成頻率最大，15—17 時的生成頻率最?。缓ｌF多消散于清晨—上午時段，05—10時的消散頻率最大，18—20時的消散頻率最小。也就是說，珠江口海霧日變化顯著，多見于午夜—上午時段，而下午—傍晚時段相對較少。

圖1 珠江口海霧日數(shù)百分率的月際變化曲線Fig.1 Monthly percentage of days of sea fog in the Pearl River Estuary

圖2 珠江口海霧生成（紅線）和消散（藍(lán)線）時間的頻率分布Fig.2 Percentage of the formation（red line）and vanishing（blue line）time of sea fog over the Pearl River Estuary

珠江口地處低緯，面臨海洋。2—4 月，低層來自海洋的西南水汽輸送逐漸加強(qiáng)，與北方冷空氣前鋒易形成對峙形勢，使得水汽凝結(jié)并發(fā)生以平流霧為主的海霧天氣。這是珠江口區(qū)域其他月份所不具有的大氣環(huán)流形勢，與本文所用實測數(shù)據(jù)分析的月際變化結(jié)果一致（見圖1），也驗證了前人研究成果[8,14]。輻射霧和平流霧是霧的兩種主要形式，本文用實測數(shù)據(jù)分析日變化得到（見圖2），00—04時霧生成頻率最大，05—10 時，即太陽出來后，隨著地面溫度上升，部分水汽蒸發(fā)，輻射霧逐漸消散，大氣能見度好轉(zhuǎn)（＞1 km）[3,16]。

4 海霧天氣過程的環(huán)流特征

海霧過程的發(fā)生與一定的大尺度環(huán)流形勢密切相關(guān)[4,9-10,13]。利用天氣圖資料結(jié)合觀測數(shù)據(jù)，依據(jù)珠江口海霧生成時的海平面氣壓場的特征劃分出珠江口海霧類型，從中選取冷鋒型（2012 年11 月25—26 日、2013 年2 月19 日、2016 年1 月3—4 日）、均壓場型（2013年4月15日、2013年5月12日、2014年4 月9 日）、低壓前部型（2013 年4 月17—19 日、2014 年3 月18—20 日）和高壓后部型（2012 年4 月4日、2012 年12 月16—17 日）的典型個例，分別對各類型海霧生成時對應(yīng)的海平面氣壓場和生成前48 h對應(yīng)的500 hPa 位勢高度場進(jìn)行合成分析。一方面考察各類型海霧生成時刻的環(huán)流形勢特征，另一方面得到未來48 h 珠江口海域霧形成的高空形勢，以期用于業(yè)務(wù)預(yù)報。

4.1 冷鋒型

該類型海霧多見于冷空氣活動較為活躍的秋、冬季節(jié)（11 月—次年2 月），霧日占珠江口年平均霧日總數(shù)的30%。海霧生成前48 h，500 hPa 高度上，西北太平洋副熱帶高壓呈東西帶狀，但強(qiáng)度較弱，中高緯度在西伯利亞地區(qū)為顯著的高壓脊覆蓋，貝加爾湖附近冷渦不斷分裂出西風(fēng)槽并向東移動，貝加爾湖以西存在明顯的東西向橫槽，在隨后東移過程中逐漸轉(zhuǎn)豎并加強(qiáng)（見圖3a）。與之相對應(yīng)，大陸上的冷高壓范圍不斷向南擴(kuò)展，較強(qiáng)冷空氣自北向南影響我國，海霧生成時，冷空氣前鋒抵達(dá)珠江口海域，地表干冷空氣與珠江口暖濕氣流交會混合，形成海霧過程（見圖3b—d）。

圖3 冷鋒型海霧生成前后大氣環(huán)流形勢分布（D和G分別表示低壓和高壓中心，下同）Fig.3 Atmospheric circulation field before and after the formation of the cold-front type sea fog（D and G denote the center of low and high pressure,respectively，similarly hereinafter）

4.2 均壓場型

該類型海霧多出現(xiàn)在春、秋過渡季節(jié)有勢力較弱的冷空氣影響時，霧日約占珠江口年平均霧日總數(shù)的8%。海霧生成前48 h，整個歐亞大陸地區(qū)以緯向環(huán)流為主，中高緯度西風(fēng)帶以短波槽活動為主，槽底較淺且強(qiáng)度較弱，西太副高偏強(qiáng)，控制南海大部海域，珠江口位于低層南海海域反氣旋的北側(cè)，主要受東—東北氣流控制（見圖4a 和4c）。海霧出現(xiàn)時，珠江口海域氣壓梯度很小，風(fēng)力明顯減弱，臺灣以東洋面有弱的低壓倒槽，與其西側(cè)弱的冷高壓系統(tǒng)對峙，造成珠江口出現(xiàn)海霧和毛毛雨交錯的天氣，能見度較差（見圖4b和4d）。

圖4 均壓場型海霧生成前后大氣環(huán)流形勢分布Fig.4 Atmospheric circulation field before and after the formation of the uniform-pressure-field type sea fog

4.3 低壓前部型

該類型海霧主要發(fā)生在春季有明顯的南支槽活動的時候，霧日占珠江口年平均霧日總數(shù)的40%，這主要是由于該類型海霧持續(xù)時間較長所致。一般來說，南支槽秋季在孟加拉灣北部建立，冬季加強(qiáng)，春季活躍。研究表明，春季南支槽的發(fā)展變化對華南地區(qū)的天氣和氣候異常有顯著作用[19]。海霧生成前48 h，500 hPa 高空場上，孟加拉灣附近地區(qū)存在南支槽活動（見圖5a），隨著其東移，在地面誘導(dǎo)產(chǎn)生中心位于我國西南地區(qū)的低壓，低壓前部西南氣流將較低緯度的暖濕氣流向我國近海輸送，為珠江口成霧提供了有利的水汽條件（見圖5b—d）。

圖5 低壓前部型海霧生成前后大氣環(huán)流形勢分布Fig.5 Atmospheric circulation field before and after the formation of the front-of-low-pressure type sea fog.

4.4 高壓后部型

該類型海霧多見于地面冷高壓東移出海的冬、春季節(jié)，霧日約占珠江口年平均霧日總數(shù)的22%。相較于冷鋒型，高壓后部型海霧生成前48 h，中高緯地區(qū)高空冷渦位置偏東，中心位于鄂霍次克海附近，槽后西北風(fēng)和上游高壓脊前東北風(fēng)形成的橫槽位置也偏東，主要位于貝加爾湖以東地區(qū)（見圖6a）。在地面圖上，海霧生成時，冷高壓中心位于長江口附近，此后逐漸東移入海，珠江口位于高壓后部，外海的暖濕空氣吹向珠江口的冷海面，易于形成海霧過程（見圖6b—d）。

圖6 高壓后部型海霧生成前后大氣環(huán)流形勢分布Fig.6 Atmospheric circulation field before and after the formation of the rear-of-high-pressure type sea fog

5 討論

以上，我們對珠江口海霧形成的天氣形勢特征進(jìn)行了分析。事實上，海霧的生成不僅僅取決于天氣形勢，還與當(dāng)時的穩(wěn)定度條件和下墊面條件有密切的聯(lián)系[4,16,20]，因此，有必要對各類型海霧發(fā)生發(fā)展過程中觀測資料中的大氣穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)、相對濕度、海-氣溫差及風(fēng)場等氣象和水文要素的平均情況進(jìn)行詳細(xì)分析。海霧是大氣處于穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)下的凝結(jié)現(xiàn)象，在成霧過程中，低層大氣通常存在逆（等）溫層，這一特征在珠江口冷鋒型海霧和低壓前部型海霧過程中較為明顯。從圖7a和7c中可見，邊界層上部均存在一個有利于海霧長時間維持的逆（等）溫穩(wěn)定層結(jié)，垂直上升運(yùn)動微弱，其中冷鋒型海霧主要是由于陸上的冷空氣從底部入侵海上暖氣團(tuán)，下層冷平流導(dǎo)致逆（等）溫；而低壓前部型海霧則是由于偏南暖濕氣流平流到珠江口冷海面，偏南氣流長時間作用，近海面湍流冷卻和感熱降溫形成逆（等）溫。在均壓場型海霧過程中，低層上升運(yùn)動略有加強(qiáng)，但溫度露點差很小，珠江口海域低層良好的濕度條件有利于海霧的形成和維持（見圖7b）。在高壓后部型海霧過程中，大氣低層溫度露點差很小，空氣近乎飽和，垂直上升運(yùn)動明顯；大氣中層露點溫度的垂直遞減率很大，空氣干燥，存在弱的下沉運(yùn)動，故該類型海霧即使形成卻難以維持，在4類海霧過程中持續(xù)時間最短（見圖7d）。

圖7 各類型海霧過程中平均溫度（黑色實線：℃）、露點溫度（黑色虛線：℃）和垂直速度（藍(lán)色實線：10-2 m/s）隨高度變化曲線Fig.7 Vertical section of average temperature(black solid lines:℃),dew point temperature(black dotted lines:℃)and vertical velocity(blue solid lines:10-2 m/s)during different types of sea fog

近地面相對濕度的觀測結(jié)果表明，珠江口海霧過程發(fā)生時，近地面空氣的相對濕度一般在85%以上，這主要是由于海霧發(fā)生時，近地面水汽大多處于飽和或接近飽和的狀態(tài)（見表1）。眾所周知，大氣低層貼近下墊面的湍流熱交換等與風(fēng)速有直接關(guān)系，風(fēng)速增強(qiáng)時，海面的動量交換增強(qiáng)，海霧易于消散或升高為低云。從表1中風(fēng)向和風(fēng)速的分析可以看到，珠江口海霧多發(fā)生在風(fēng)速低于5 m/s的環(huán)境條件下，值得一提的是，均壓場型海霧過程中，測得的東北向風(fēng)速最小，一般不超過3 m/s，這與此時珠江口的氣壓梯度較小相一致（見圖4b）。這里的結(jié)果與黃彬等[4]提出的風(fēng)速太?。?2 m/s）不利于黃海海霧生成發(fā)展的研究結(jié)論存在分歧，這是因為珠江口海域毗鄰陸地，與廣闊的外海相比，風(fēng)速總體偏小。通過繪制風(fēng)向玫瑰圖（圖略），我們發(fā)現(xiàn)各類型海霧對應(yīng)風(fēng)向存在明顯差別，這主要是由不同的大氣環(huán)流背景場所決定的。當(dāng)珠江口位于地面低壓前部時，南支槽前的引導(dǎo)氣流造成風(fēng)向以偏南為主；當(dāng)其位于高壓后部時，地面冷高壓東移出海引起的回流使得此時風(fēng)向以偏東為主。低壓前部型和高壓后部型海霧對應(yīng)的海-氣溫差一般為負(fù)（見表1），這表明暖濕空氣平流輸送到表層水溫較低的冷水海面，該過程中暖濕空氣冷卻達(dá)到飽和形成了平流冷卻霧。與此不同的是，冷鋒型海霧發(fā)生時，珠江口位于大陸高壓前緣，西北向氣流較弱，地面的干冷空氣和海上的暖濕空氣相遇，經(jīng)混合達(dá)到飽和成霧，也稱混合霧，這也與此時海-氣溫差明顯成正值（0.54 ℃）相一致（見表1）。前人的結(jié)果證實，中國鄰近海域的海霧以平流冷卻霧為主[8]，這里的分析表明，由于珠江口海域毗鄰陸地，在冷空氣勢力較強(qiáng)的秋、冬季節(jié)，也易于發(fā)生混合霧過程。

為了更好地揭示海霧發(fā)生和消亡前后的氣象和水文要素特征變化，以期對珠江口海霧生消預(yù)報有一定的指示意義，圖8 給出了全部典型海霧個例中各要素隨時間演變的合成分析，考察時段是海霧發(fā)生（紅色實線所示）和消散（藍(lán)色虛線所示）前后各2 h。從圖8 中可以清楚地看到，海霧發(fā)生前后海-氣溫差穩(wěn)定波動，風(fēng)速略有減小，相對濕度明顯升高。眾所周知，穩(wěn)定的低風(fēng)速、較小的海-氣溫差和較高的水汽含量均有利于海霧形成；與之相反，海霧消散前后海-氣溫差迅速上升到3 ℃以上、風(fēng)速陡然增大到5 m/s 以上且相對濕度在海霧消散之后迅速下降，成霧所需的水文和氣象條件遭到破壞，導(dǎo)致珠江口海霧迅速消散。類似表1，我們對各類型海霧消散時各要素的特征分別予以分析（表略），統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)珠江口海霧的消散大多伴隨風(fēng)速驟增（約占45%），而相對濕度顯著降低常見于均壓場型海霧的消散，風(fēng)向的改變（西北風(fēng)轉(zhuǎn)東北風(fēng)）則常見于冷鋒型海霧的消散。由此可見，珠江口海霧的發(fā)生和消散與水文和氣象條件密切相關(guān)。

表1 各類型海霧過程中平均相對濕度、風(fēng)速風(fēng)向及海-氣溫差統(tǒng)計Tab.1 The average relative humidity,wind velocity,wind direction and sea-air temperature differences during different types of sea fog

圖8 珠江口海霧生成（紅色實線）和消散（藍(lán)色虛線）前后各2 h內(nèi)各要素隨時間的演變情況Fig.8 The evolution of different factors of sea fog over the Pearl River Estuary from 2 hours before to 2 hours after the formation time(red solid lines)and vanishing time(blue dotted lines),respectively

6 結(jié)論

本文通過對時間分辨率較高的自動氣象站觀測資料和再分析資料的統(tǒng)計分析，研究了珠江口海霧的天氣氣候和大氣環(huán)流特征，并對相關(guān)的氣象和水文要素做了深入分析。主要結(jié)論如下：

（1）珠江口海霧集中發(fā)生在冬、春季節(jié)，以2—4月最多。5月開始海霧日數(shù)急劇減少，6—10月海霧過程較少。日變化特征表現(xiàn)為：海霧多生成于午夜—凌晨時段（00—04 時），消散于清晨—上午時段（05—10時）。

（2）通過對典型海霧過程發(fā)生前48 h 高空環(huán)流場分別進(jìn)行合成分析，得到與珠江口海霧發(fā)生密切相關(guān)的大尺度環(huán)流形勢主要有4種：冷鋒型、均壓場型、低壓前部型和高壓后部型。

（3）海霧過程發(fā)生時，珠江口海域近地面相對濕度大多在85%以上，風(fēng)速一般不大于5 m/s。均壓場型海霧發(fā)生時，風(fēng)速最小（<3 m/s）。進(jìn)一步分析表明，低壓前部型（高壓后部型）海霧為較低緯度（外海）而來的南-東南向（偏東向）的暖濕氣流途經(jīng)冷海面形成的平流冷卻霧，相應(yīng)的海-氣溫差小于0 ℃；相反，冷鋒型海霧為冬季風(fēng)盛行期間，干冷空氣途經(jīng)暖海面而形成的混合霧，此時海-氣溫差往往大于0 ℃，風(fēng)向以西北向為主。進(jìn)一步地診斷分析顯示，珠江口冷鋒型海霧和低壓前部型海霧過程中，低層大氣存在逆（等）溫層，有利于海霧的長時間維持；而高壓后部型海霧發(fā)生時，大氣垂直上升運(yùn)動明顯，不利于海霧過程的維持。

（4）對關(guān)鍵的水文和氣象因子隨時間的演變進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)海霧生成（消散）前后海-氣溫差穩(wěn)定波動（迅速上升），風(fēng)速略有減?。ǘ溉辉龃螅┣蚁鄬穸让黠@升高（迅速下降）。珠江口海霧迅速消散或成霧與所需的水文和氣象條件的變化密切相關(guān)。

需要說明的是，本研究只是根據(jù)2012—2016 年珠江口海域的觀測資料，從統(tǒng)計角度出發(fā)分析該海域海霧的天氣氣候特征，并從大尺度環(huán)流形勢和相對濕度、海-氣溫差和風(fēng)速風(fēng)向等要素進(jìn)行的海霧分型說明。未來的研究還需要利用更長期的觀測數(shù)據(jù)加以驗證，更為重要的是，利用三維數(shù)值模式對海霧的發(fā)生發(fā)展過程進(jìn)行模擬將是未來海霧研究工作與預(yù)報業(yè)務(wù)的必然發(fā)展趨勢。