2020 年12 月一次北部灣海霧過程的生消特征分析

伍麗泉，鄭鳳琴，覃 皓，郭曉薇

（1.廣西壯族自治區(qū)氣候中心，南寧 530022；2.廣西壯族自治區(qū)氣象臺，南寧 530022；3.廣西壯族自治區(qū)氣象災害防御技術中心，南寧 530022）

引言

海霧是出現(xiàn)在海上、海島和沿岸的大氣水平能見度小于1km 的一種天氣現(xiàn)象［1］，受海洋下墊面的影響較大。廣西北部灣沿海地區(qū)是海霧災害性天氣多發(fā)地區(qū)之一。海霧的出現(xiàn)對北部灣沿岸交通、漁業(yè)生產、船舶航行和石油天然氣平臺作業(yè)等都有較大影響。因此，研究北部灣海霧過程的生消特征，為北部灣海霧預報預警、海洋經濟活動體的防災減災提供重要參考具有積極的意義。

近年來學者利用沿海、近海臺站觀測資料研究了中國沿海大霧，指出天氣形勢、平流、輻射、大氣穩(wěn)定度、水汽等因子主要影響海霧的發(fā)生、發(fā)展和消散［2-3］。此外，黃彬［4］通過氣候統(tǒng)計分析指出，黃海海霧與海溫、海氣溫差密切相關。數(shù)值模擬試驗也證實海溫變化明顯影響著黃海霧區(qū)的范圍和頻次［5-6］。還有學者利用海上監(jiān)測資料，研究黃、渤海海霧個例。楊偉波［7］利用青島浮標站等觀測資料，指出在冬季一次黃海海霧過程中冷海面對平流冷卻霧有著關鍵的作用。史得道［8］利用黃渤海浮標站等觀測資料，進一步分析了一次渤海海霧過程的成因，著重研究了海霧過程中的邊界層特征和海氣相互作用，加深了對海霧形成機理的認知。

廣西北部灣沿海地區(qū)的年霧日頻數(shù)為20～30d，大多發(fā)生在冬、春季節(jié)（12 月—次年4 月），霧生成時間多集中在02—05 時［2］，且大多是平流冷卻霧［9］。過去研究北部灣海霧過程大多是利用陸地上觀測站點的有限數(shù)據(jù)。古明悅等［10］、葉庚姣等［11］研究了北部灣沿海霧的特征、天氣形勢背景以及氣象要素的變化等。鄭鳳琴等［12］對2011—2016 年間北部灣海霧過程的地面天氣形勢進行了初步分析，總結了海霧過程6 類天氣學概念模型，分析了各類海霧的出現(xiàn)時段、持續(xù)時長和穩(wěn)定度特點。

然而廣西陸上測站多位于海霧邊緣，這些數(shù)據(jù)較難真實反映海島、海上霧的特征。近年來北部灣海洋監(jiān)測網不斷完善，本文利用14 個海島站和1 個浮標站海洋監(jiān)測資料，以求更好地了解2020 年12 月26—28 日北部灣持續(xù)性海霧的生消特征。北部灣三面均為陸地，海岸線復雜，曲率較大，海霧的發(fā)生具有較強的局地性。本工作將北部灣海域劃分為6 個海區(qū)進行相關的分析，有利于進一步認識海霧的局地性。前人針對北部灣海霧過程中海洋下墊面的影響的研究較少。因此，本文采用常規(guī)地面觀測資料和ERA5 逐小時再分析資料，對海霧過程的環(huán)流型、大氣層結條件、水汽條件和海洋下墊面條件等方面進行分析，以期為北部灣海霧的認識和預報提供參考依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料

所用資料包括：北部灣沿岸14 個海島站和1 個浮標站逐小時風向、風速、能見度和相對濕度等資料。另外，采用廣西壯族自治區(qū)氣象信息中心提供的常規(guī)地面觀測資料、歐洲中心提供的ERA5 逐小時比濕、相對濕度、風場、溫度場、2m 氣溫、海溫和逐月海溫等再分析資料，格點分辨率為0.25°×0.25°。

1.2 海霧監(jiān)測分區(qū)

根據(jù)北部灣海域的地理分布以及自動氣象站的地理位置，將北部灣海域分成北部灣西部海岸（代表站為防城港雙墩島、白須公礁、萬歐燈架嶺）、北部灣東部海岸（代表站為北海市北海港、鐵山港石頭埠）、北部灣中部海岸（代表站為欽州市大廟墩島、青菜頭島、炮臺角島）、欽州灣（代表站為欽州市黃姜山島、欽南大番坡和防城港市茅墩島）、潿洲島及鄰海海域（代表站為北海市潿洲島盛塘、潿洲島竹蔗寮、斜陽島）、潿洲島近海海域（代表站為北部灣一號浮標站）。北部灣海域6 個海區(qū)、沿岸14 個海島站和1 個浮標站地理位置分布如圖1 所示。

圖1 北部灣海域6 個海區(qū)（方框）、沿岸海島站和浮標站（空心圓）地理位置

按照能見度的大小將霧劃分為大霧（能見度≤1000m）、濃霧（能見度≤500m）和重霧（能見度≤50m）三個等級［13］。海霧過程統(tǒng)計規(guī)定如下：當北部灣6 個海區(qū)中3 個海區(qū)及以上出現(xiàn)連續(xù)2d 及以上的大霧天氣，計為一次大霧天氣過程，若過程中≤1d有2 個海區(qū)大霧，計為同一次大霧天氣過程。

2 結果與分析

2.1 海霧過程概況

由北部灣沿岸14 個海島站、1 個浮標站逐小時能見度資料統(tǒng)計可知，2020 年12 月26—28 日北部灣連續(xù)3d 出現(xiàn)3 個海區(qū)的大霧，主要分布在西部海岸、欽州灣、中部海岸。多數(shù)站點連續(xù)3d 都有大霧且維持時間長，中部海岸的炮臺角站大霧持續(xù)最長，連續(xù)35h 能見度低于1000m，并且能見度最低（59m）。能見度的下降造成船舶瞭望、陸標定位困難，阻滯了船舶航行。大霧在26 日02 時先從欽州灣和中部海岸生成，08—09 時西部海岸站點能見度也降到1000m 以下。大部站點大霧持續(xù)到27 日中午，之后能見度有一定回升，27 日晚上能見度再次降到1000m 以下，持續(xù)到28 日11 時左右，大霧過程結束。

考慮各站點出現(xiàn)大霧的持續(xù)時間和低能見度，進一步選擇炮臺角島、茅墩島、雙墩島分別作為中部海岸、欽州灣、西部海岸代表站點。海霧發(fā)生期間，炮臺角站和茅墩站的大霧維持時間明顯比雙墩站的長（圖2）。欽州站在26 日04—11 時和27 日凌晨都有大霧，防城港站和防城站只在26 日上午出現(xiàn)了大霧。3 個代表站點和3 個國家站存在明顯的東到東北風，風速在1～4m·s-1之間，有利于平流霧的維持?？偟膩碚f，北部灣中部海岸和欽州灣的霧要比西部海岸的嚴重，東部海岸沒有大霧出現(xiàn)。

圖2 2020 年12 月25 日20 時—28 日14 時炮臺角島（實線）、茅墩島（點線）和雙墩島（虛線）能見度（灰色虛線為1km 值參考線）

2.2 環(huán)流形勢

天氣系統(tǒng)的變化直接影響海霧發(fā)生、發(fā)展和消散［14］。此次海霧的持續(xù)時間與變性高壓維持時間密切相關。12 月25 日20 時至26 日08 時，華東、華南地區(qū)地面主要受冷高壓控制，高壓中心在長江口以東的海面上。廣西沿海處于入海高壓后部，氣壓梯度力較小的區(qū)域，等壓線呈現(xiàn)西北-東南向分布，因此受到高壓后部偏東或東南氣流影響。在偏東氣流作用下，來自南海、西太平洋的水汽向廣西和北部灣不斷輸送。26 日20 時地面變性高壓東移至日本南部附近。25 日20 時850hPa 上弱的西南氣流影響北部灣，26 日08 時西南氣流明顯加強，為海霧發(fā)展提供了有利條件。25 日20 時和26 日20 時500hPa 上北部灣主要受南支槽前西南氣流影響。27 日08 時之后850hPa 西南急流有所減弱，地面變性高壓東移遠去，對北部灣的影響逐漸減弱。因此27 日白天北部灣西北部能見度有所回升。但27 日20 時，地面第二個弱的冷高壓補充并東移入海，北部灣又受高壓后部東南氣流影響，500hPa 南支槽東移，廣西受槽底偏西氣流影響。28 日08 時海上變性高壓東移消散，不再影響北部灣，本次海霧過程趨于結束。

2.3 大氣層結特征

從圖3a 相對濕度、溫度和風場沿108.5°E 剖面可以看出，25 日20 時21°N 以南800hPa 以下高度濕度基本大于80%，局部超過95%，但21°N 以北近地面濕度基本小于80%。隨著低層偏南風加強，26日02 時北部灣和廣西沿海地區(qū)上空濕度有所增大，最大濕度達到100%，并且超過95%的大濕區(qū)從800hPa 向下延伸至925hPa，濕區(qū)增厚（圖3b）。近地面濕區(qū)也逐漸向北延伸，北部灣西部海岸、欽州灣、中部海岸3 個海區(qū)的海霧逐漸形成。

海霧維持期間，北部灣北部和廣西上空近地面層相對濕度都大于95%，并且北部灣中部海岸和欽州灣上空濕層最為深厚，深厚濕層維持時間長，其中26 日08 時超過95%的大濕度區(qū)最高可以擴展到825hPa（圖3c）。低層風場隨高度順時針旋轉，說明北部灣北部和廣西上空有暖平流。低層偏南風增強，輸送暖濕氣流，因此暖平流不斷增強，有利于逆溫層的形成。結合溫度層結的分布可知，26 日北部灣和廣西上空存在明顯逆溫層，其高度維持在800hPa 附近，阻礙了熱量交換。逆溫層以下高濕區(qū)和以上的低濕區(qū)形成穩(wěn)定狀態(tài)。低層大氣層結較穩(wěn)定，有利于3個海區(qū)海霧形成和維持所需要的低層水汽不斷積聚。27 日08 時之后，低層偏南風減弱，暖平流隨之變化，因此27 日白天能見度有明顯的回升。27 日夜間低層南風和暖平流又再次加強，能見度降低。

圖3 2020 年12 月25 日20 時（a）、26 日02 時（b）、26 日08 時（c）、28 日14 時（d）相對濕度（陰影，＞80%）、溫度（等值線，單位：℃）和風場沿108.5°E 剖面

如圖3d 所示，28 日14 時900hPa 以下是一 致的南風，暖平流已經消失，低層大濕區(qū)范圍明顯縮減，近地層相對濕度急劇下降，導致北部灣3 個海區(qū)的平流冷卻霧消散。

2.4 水汽輸送條件

海霧的形成機制主要是降溫和增濕［1，15］。25 日20 時和26 日08 時1000hPa 水汽通量和水汽通量散度空間分布情況如圖4 所示，其他時次圖略。隨著長江口附近的入海高壓不斷東移，北部灣北部1000hPa 水汽輸送從25 日20 時到26 日02 時發(fā)生了明顯轉折。25 日20 時，水汽通量輻散區(qū)分布在北部灣大部海域（圖4a）。26 日02 時北部灣有明顯的東到東南向的水汽平流，且在北部灣欽州灣、中部海岸有一定的水汽通量輻合，邊界層增濕作用有利于海霧在此2 個海區(qū)生成。

26 日08 時，來自南海的水汽在偏東風作用下不斷輸送至北部灣，水汽通量強度可觀，絕對值達10g·cm-1·hPa-1·s-1，水汽通量輻合范圍擴大，強度增強（圖4b）。因此有利于海霧發(fā)展，并擴散至北部灣西部海岸。在海霧生成、發(fā)展的過程中，北部灣一直存在著東至東南向的水汽輸送和水汽通量輻合。27日白天北部灣水汽輸送條件明顯不佳，水汽通量輻散，對應能見度轉好。27 日夜間水汽輸送又有所加強，水汽輻合，大霧形成。直到28 日14 時，北部灣北部轉為水汽輻散，本次海霧過程結束。

圖4 2020 年12 月25 日20 時（a）和26 日08 時（b）1000hPa 水汽通量（箭頭，單位：g·cm－1·hPa－1·s－1）和水汽通量散度（填色，單位：10－5g·cm－2·hPa－1·s－1）空間分布

2.5 海洋下墊面條件

研究表明，當海溫19～21℃時，2016—2017 年北部灣海霧出現(xiàn)頻率最高達35.5%，當海溫17～19℃時，海霧出現(xiàn)頻率次高達33.2%［16］。2020 年12 月25—27 日北部灣北部的海表層溫度（18～21℃）適宜，在廣西沿岸海域有東西向的狹長海溫低值區(qū)域，28 日海溫低值區(qū)略有縮減。

適宜的海氣溫差是海霧形成的必要條件［8］。氣溫高于海溫時，此時有暖濕空氣的輸送，海氣界面穩(wěn)定，有利于海霧發(fā)展。12 月25 日20 時，北部灣北部海域氣海溫差（氣溫減海溫）為負值（0～-1.5℃），26日02 時開始氣海溫差逐漸增大為-0.5～0℃。26 日08 時氣海溫差轉為正值（0～1.5℃）。總的來說，北部灣海霧影響階段，氣海溫差大多介于0～1.5℃之間，這與王彬華等［1］指出的平流冷卻霧凝結成霧的溫差范圍大致一致。氣海溫差正值區(qū)且水汽輻合的區(qū)域，與海霧的影響范圍相對應，即西部海岸、欽州灣、中部海岸3 個海區(qū)。

為更好地探究海霧過程中溫度、氣海溫差與能見度的對應關系，圖5 給出了12 月24 日20 時—28日20 時21.5°N，108.5°E（代表欽州灣和中部海岸，離海區(qū)海島站最近的海上格點）和21.25°N，108°E（代表西部海岸，同上）氣溫、海溫、氣海溫差逐小時變化?？偟膩碚f，3 個海區(qū)氣溫變化較大，海溫變化幅度較小，氣海溫差變化趨勢與氣溫相似。海霧發(fā)生之前（24 日20 時—25 日10 時），北部灣先是受冷空氣影響，氣溫明顯降低，并且低于海溫，氣海溫差絕對值增大。冷空氣影響趨于結束后，廣西沿海處于地面入海高壓后部，來自南海的偏南暖濕氣流到達冷海域。25 日中午之后，3 個海區(qū)氣溫回升，氣海溫差絕對值減小。在海霧形成和維持階段，欽州灣海域和中部海岸（26 日02 時—28 日08 時）、西部海岸（26日08 時—28 日08 時），氣溫高于海溫，氣海溫差值多在0～1.5℃之間，或者接近于0℃。

圖5 2020 年12 月25 日20 時—28 日14 時21.5°N，108.5°E（a）和21.25°N，108°E（b）氣溫（點線）、海溫（虛線）、氣海溫差（黑色實線）變化（灰色實線為0℃值參考線）

3 結論與討論

本文利用北部灣沿岸14 個海島站、1 個浮標站等觀測資料和再分析數(shù)據(jù)，對2020 年12 月26—28日北部灣3 個海區(qū)海霧過程的生消特征進行了分析，得到以下結論：

（1）北部灣欽州灣、中部海岸、西部海岸連續(xù)3d出現(xiàn)大霧，維持時間長。26 日02 時海霧先在欽州灣和中部海岸生成，08—09 時擴散至西部海岸，27 日中午后大部站點能見度回升，27 日晚上再次降到1000m 以下，海霧持續(xù)至28 日11 時結束。

（2）此次海霧過程是受地面形勢場上入海高壓后部東到東南氣流和850hPa 西南氣流影響，來自南海的水汽向廣西和北部灣不斷輸送，且在北部灣欽州灣、中部海岸、西部海岸有明顯水汽通量輻合。北部灣上空暖平流增強，形成逆溫層，大氣層結穩(wěn)定，濕層深厚且維持時間長。暖濕氣流到達北部灣北部冷海域，北部灣3 個海區(qū)氣海溫差大多為0～1.5℃，海氣界面穩(wěn)定。這些都有利于平流冷卻霧的生成和發(fā)展，對海霧預報也有一定指示意義。

（3）海上變性高壓逐漸東移消散，北部灣水汽輸送條件明顯不足，水汽通量為輻散，暖平流逐漸消失，低層大濕區(qū)范圍明顯縮減，近地層相對濕度也急劇下降，最終導致3 個海區(qū)海霧消散。

本文對北部灣一次持續(xù)時間較長的典型海霧過程的生消特征進行了分析，在一定程度上表征了該地區(qū)入海高壓后部型海霧的特征，為北部灣平流冷卻霧的認識和預報提供了參考。北部灣海霧的成因復雜，環(huán)流形勢多樣，其他類型如西南倒槽型等的海霧生消特征也值得進一步探討。