2018年春季浙江沿海一次連續(xù)海霧過程分析

曹宗元，劉飛，何晴，馬恩點，李帆，李彬

（1.舟山市氣象局，浙江 舟山 316021；2.91937部隊，浙江 舟山 316000；3.定海區(qū)氣象局，浙江 舟山 316000）

1 引言

海霧是出現在海上及沿岸地區(qū)的低能見度天氣現象。隨著航運的蓬勃發(fā)展和人民生產生活需求的日益提高，海霧作為沿海主要災害性天氣之一，是天氣預報的難點。從20世紀70年代起我國開始對海霧進行系統(tǒng)研究[1-2]。黃海和東海海霧的主要成因為平流冷卻過程[3-4]，海氣邊界層內冷海面、逆溫層、海洋鋒和下沉運動等因子對海霧的形成和發(fā)展起關鍵作用[5-6]，強濃霧的持續(xù)和消散機制[7-9]及宏微觀結構[10-12]也是海霧研究的重點。眾多學者對浙江沿海海霧的發(fā)生規(guī)律和成因進行了探討。侯偉芬等[13]初步研究認為3—6月為浙江沿海霧季，平流冷卻霧影響最大。俞燎霓等[14]統(tǒng)計分析了2005—2011年浙江沿海出現大霧時的地面天氣形勢，認為當浙江處在6種天氣形勢（地面低壓倒槽東部或南部、靜止鋒或冷鋒前部、弱高壓底部、入海變性冷高壓西部、鞍形場、日本海高壓西南部）時易出現沿海大霧。陳梅汀等[15]對舟山海霧的多發(fā)季節(jié)、海霧發(fā)生時間的天氣形勢和海氣溫差等進行了統(tǒng)計分析，并根據閾值對天氣預報（Weather Research and Forecasting，WRF）模式的能見度進行訂正檢驗。

春季是浙江沿海海霧的多發(fā)季節(jié)。2018年3月27日—4月2日，浙江沿海大部地區(qū)先后出現了濃霧，多地發(fā)布大霧橙色預警信號。大霧導致長江口封航，上海港數千條船積壓，給航運造成了極大的經濟損失。這場海霧普遍具有能見度較低、影響范圍大和持續(xù)時間長等特點。本文旨在對此次海霧過程的天氣形勢及物理量進行分析，試圖找出其典型性成因及生消規(guī)律。

2 資料與方法

本文主要采用沿岸自動站及浮標站的逐小時氣象觀測數據、站點探空數據（08、20時，北京時，下同）、葵花8號（Himawari-8）可見光衛(wèi)星云圖數據、美國國家環(huán)境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）提供的空間分辨率為0.5°×0.5°的氣候預報系統(tǒng)再分析數據（Climate Forecast System Reanalysis，CFSR）中的風場、濕度和垂直速度場數據以及美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）提供的空間分辨率為0.25°×0.25°的每日最佳內插海溫資料（Daily Optimum Interpolation Sea Surface Temperature，OISST）。

本研究利用海洋氣象浮標資料，消除陸地影響，分析海上實際海霧的生消特征，結合沿海站和海島站資料，分析各站點位置反映海霧實際情況的代表性；利用衛(wèi)星云圖及再分析數據分析海霧長時間維持的原因，并著重研究了海洋鋒對浙江沿海“帶”狀霧區(qū)范圍的限定作用。本文依靠現有資料對海上海霧的實際情況進行分析，以期在海上觀測數據不足時，能夠為浙江沿海航運和漁業(yè)捕撈等提供精準的海霧預報保障和參考。

3 海霧實況

沿海地區(qū)的海霧可以深入幾十公里或更遠的陸地，但登陸后的海霧在新的環(huán)境尤其是下墊面影響下，強度和生消特征變化很大，沿海和海島站點的觀測數據對海上實際海霧狀態(tài)的代表性不盡相同。為盡量消除下墊面對海霧影響，本文自北向南選取舟山浮標站、大陳海島站和溫州浮標站（下文分別簡稱舟山、大陳和溫州）分別作為浙北、浙中和浙南的3個代表站，分析海上海霧實際情況。海霧等級分類按照《浙江省天氣預報用語業(yè)務規(guī)定》中能見度（v）相關標準劃分，具體為：輕霧（1 000 m≤v<10 000 m）、大霧(500 m≤v<1 000 m)、濃霧（200 m≤v<500 m)、強濃霧（50 m≤v<200 m）和特強濃霧(v<50 m)。通過對逐小時能見度實況數據的分析可知（見表1），3月27日12時舟山最先出現能見度小于1 km的大霧，最低能見度不足百米，大陳和溫州相繼在17時和21時開始出現輕霧甚至濃霧；28日舟山全天為大霧，12時大陳和溫州的大霧短暫減弱，能見度維持在2～5 km；直至4月2日上午這些地區(qū)的海霧一直維持。舟山海霧持續(xù)時間最長，能見度小于1 km的時間長達90 h，小于500 m的長達83 h，最小能見度僅為64 m；大陳次之，持續(xù)時間分別為54 h和42 h；溫州能見度小于1 km的持續(xù)時間也達到47 h。從表1還可以發(fā)現，在穩(wěn)定的天氣形勢下，弱冷空氣的滲透擴散導致海霧日持續(xù)時間存在明顯的波動。以舟山為例，3月28日、30日及4月1日能見度小于l km的大霧持續(xù)時間長達17～24 h，而受弱冷空氣影響，3月27日、29日、31日及4月2日則降為6～12 h。據葵花8號氣象衛(wèi)星3月30日12時和31日10時的監(jiān)測結果可知，整個浙江沿海霧區(qū)沿海岸線呈條帶狀分布，呈現北寬南窄的“楔”形結構特征，海霧北進至黃海中部海域，具備大范圍平流冷卻海霧特點（見圖1）。

圖1 葵花8號可見光衛(wèi)星云圖Fig.1 The Himawari-8 satellite cloud images

表1 2018年3月27日—4月2日自動觀測最小能見度和能見度小于1 km的持續(xù)時間Tab.1 The minimum visibility of automatic station observation and the duration of visibility less than 1 km from March 27 to April 2,2018

4 海霧成因分析

平流冷卻海霧是在天氣尺度系統(tǒng)的控制下，大范圍暖濕空氣流經冷海面逐漸凝結形成的霧。充足的水汽、穩(wěn)定的近地面大氣層結和下墊面冷海面等是驅動此次海霧過程的主要條件。

4.1 天氣形勢

此次海霧過程的地面天氣形勢為穩(wěn)定的弱高壓底后部控制，即浙江沿海受其北部—日本一線的高壓底后部控制，偏東氣流將暖濕空氣源源不斷的向浙江沿海輸送。這種海霧天氣形勢多發(fā)生于春季，發(fā)生概率為20%～25%[13]。3月30日浙江沿海3站的海霧持續(xù)時間最長，且整個大霧過程的天氣形勢穩(wěn)定，即東亞大槽東移出東亞大陸至白令海。我國北部500 hPa高度以偏西或偏西北氣流為主，多淺槽活動，地面弱冷空氣活動頻繁，對應的冷高壓主體由我國東北地區(qū)東移入海，并穩(wěn)定在日本中部地區(qū)，我國東部沿海逐漸轉為高壓底后部控制，浙江沿海開始盛行偏東氣流，出現大霧天氣（見圖2）。4月3日，一股較強冷空氣南下影響我國中東部地區(qū)，海霧天氣結束。穩(wěn)定的地面高壓底后部控制為浙江沿海長達7 d的海霧過程提供了有利的氣象背景場，穩(wěn)定的天氣形勢得益于高空無明顯大槽大脊活動、地面弱冷空氣的持續(xù)補充導致弱高壓持續(xù)存在以及西北太平洋1803號熱帶氣旋“杰拉華”對弱高壓系統(tǒng)東移的阻塞作用。

圖2 2018年3月30日20時天氣形勢分析圖（虛線：500 hPa；實線：海平面氣壓場；風向桿：地面風場）Fig.2 The weather situation at 20:00 on March 30,2018（dotted line:500 hPa;solid line:sea level pressure;wind bar:ground wind field）

4.2 水汽輸送條件

源源不斷的充足水汽條件使得連續(xù)性大霧成為可能。通過對2018年3月30日20時1 000 hPa水汽通量及900 hPa大氣垂直運動分析可知（見圖3），菲律賓以東有熱帶氣旋生成并發(fā)展，暖濕的水汽由西北太平洋沿偏東氣流向中國沿海輸送，中國近海水汽分為兩條高效輸送帶，其中一路持續(xù)向東到達浙江沿海，另一路在高壓反氣旋環(huán)流的控制下逐漸轉向偏北，向黃海及江蘇沿海輸送水汽。在水汽輸送過程中，低層風速的水平向切變減小，導致水汽在中國近海堆積，同時配合900 hPa高度上普遍存在0.1～0.2 Pa/s的下沉運動，水汽被限制在較低的近地面層。3月26日晚間，各測站相對濕度已由70%升至90%，在隨后的7 d里，相對濕度一直維持在90%以上，為連續(xù)大霧天氣提供了充足的水汽條件。

圖3 2018年3月30日20時1 000 hPa水汽通量（流線）及900 hPa垂向速度（陰影，單位：Pa/s，正值表示下沉）Fig.3 Water vapor flux at 1 000 hPa（streamline）and vertical velocity at 900 hPa（shaded area,unite:Pa/s,positive value means descending motion）at 20:00 on March 30,2018

4.3 大氣層結條件

穩(wěn)定的大氣層結能夠將大氣低層的水汽限制在近地面層。通過對臺州洪家站探空數據資料的分析可知（見圖4），大霧期間一直存在明顯的逆溫層，逆溫層底高度多維持在500 m及以下。逆溫層以下溫度露點差除3月31日0～200 m層出現最大值3.8℃外，其余均小于1.6℃，最小值僅為0.3℃，較小的溫度露點差表明500 m高度以下有充足的濕度條件成霧。同時可以看到，此次連續(xù)海霧過程的逆溫層厚度均在150 m以上，逆溫層上下溫差最大為3.8℃/100 m，逆溫層深厚，逆溫梯度大，十分有利于海霧的維持和加強。值得注意的是，3月29日和4月1日的高濕度層達到了10 000～1 500 m，通過分析地面觀測站資料可知，大霧前有部分地區(qū)出現弱降水。

4.4 下墊面冷卻條件

大范圍相對較冷的下墊面對平流冷卻型霧的形成也起到關鍵作用。圖5a為2018年3月30日海表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）分布，通過分析可知，浙閩沿岸海洋鋒以西海域為相對冷海面控制。SST剖面顯示過海洋鋒后（見圖5b），SST由23℃降至15℃，下降趨勢明顯，冷海面為平流冷卻霧的形成提供了大范圍冷卻條件，海洋鋒的位置及走向與海霧霧區(qū)的一致性較好，均呈“楔”形（見圖1）。選取3月30日進行SST梯度分析（見圖6），該日可見光云圖中霧區(qū)向東發(fā)展較好。結果顯示，浙閩沿岸鋒將條帶狀分布的霧區(qū)限制在浙江近海，黑潮鋒則將黃海廣大霧區(qū)限制在其鋒面以北海域，海洋鋒將海霧發(fā)展范圍限制在其冷水一側。此次海霧過程中霧區(qū)發(fā)展最東邊界線與海洋鋒SST梯度線走勢較為一致，且-0.02℃/km的SST梯度線與本次霧區(qū)最東邊界一致性較好，可作為霧區(qū)最東邊界的預報指標。在條件允許的情況下，浙江沿海春季霧季的航運航線應盡量安排在海洋鋒及其暖水一側。垂向速度剖面圖（見圖5b）顯示在此次連續(xù)海霧過程中，大范圍的下沉運動將越海洋鋒的暖濕氣流限制在850 hPa以下的低層大氣中，高達0.08 Pa/s的下沉運動有利于大氣逆溫層的形成，同時海洋鋒暖水側27.5°N附近的下沉運動有所減弱，過海洋鋒后，海氣邊界層從南到北有明顯的下降趨勢。因此，春季大范圍的穩(wěn)定冷海面以及地面高壓底后部帶來的大范圍適宜的下沉運動是此次海霧過程發(fā)生和持續(xù)的主要原因。

圖5 2018年3月30日SST分布圖（a）及沿虛線的SST和垂直速度剖面圖（b）（實線：SST，單位：℃；陰影：垂直速度，單位：Pa/s，正值表示下沉）Fig.5 Distribution of SST（a）and the SST and vertical velocity profile along the dashed line（b）on March 30,2018（solid line:SST,unit：℃;shaded area:vertical velocity,unit:Pa/s,positive values indicate descending motion）

圖6 2018年3月30日10時葵花8號可見光衛(wèi)星云圖及當天SST梯度圖（等值線，單位：℃/km）Fig.6 The visible cloud image of Himawari-8 satellite at 10:00 and SST gradient image（isoline,unit:℃/km）on March 30,2018

5 大霧日變化特征

5.1 基本變化特征

合適的風場條件能夠將暖濕氣流向冷海面輸送[16]。在此次連續(xù)平流冷卻霧過程中，大霧條件下3站的平均風速為4 m/s，風速小于5 m/s的時次占75%，弱的風速條件有利于海霧過程中水汽的凝結和長時間穩(wěn)定存在[17]。浙江沿海各典型區(qū)域海霧的具體生消特征有所不同，因此我們對舟山、大陳和溫州的逐小時觀測數據進行統(tǒng)計分析。從圖7可以看出，此次海霧的發(fā)生概率和強度呈北高南低形態(tài)，多以大/濃霧狀態(tài)存在，充足的水汽導致濃霧占比高達86.5%。3站海霧的發(fā)生時間基本一致，大霧多發(fā)生于傍晚—早晨，02—06時是大霧的高發(fā)期，日出后10—17時相當一部分海霧有消散跡象。3站海霧的消散也具有不同特點：舟山全天皆有大霧形成，海霧強度最強，多爆發(fā)于04—09時，19時—次日02時有20%～30%消散的可能性；大陳站在01時、06時和20時前后有3個大霧爆發(fā)區(qū)間，受日出后太陽輻射加強和陸地增溫影響，10—17時海霧消散現象十分明顯，消散概率為40%～60%；溫州海霧的持續(xù)時間和強度均相對較弱，海霧全天均可存在，多發(fā)生在夜間—凌晨，08—10時消散明顯，消散概率在50%左右。綜上表明，此次海霧特征呈現北強南弱的分布特點，即浙北沿海海霧發(fā)生在廣闊的黑潮鋒冷海面海域，海霧范圍廣，濃度大，全天均可存在，夜間消散的可能性相對較大，但也僅為20%～30%；浙中南部海霧分布在浙閩沿岸鋒以西沿海區(qū)域，海霧呈狹長的近岸條帶狀分布，受日出后下墊面升溫影響較大，白天消散現象明顯，消散可能性達50%。

圖7 2018年3月28日—4月2日不同等級海霧發(fā)生概率統(tǒng)計Fig.7 The statistics on the occurrence probability of sea fog at different levels from March 28 to April 2,2018

5.2 陸基站點位置的局限性

海霧在適宜的風向條件下會涌向陸地，下墊面的變化和風向的改變會導致霧的變性消散或變成低云。在浙江沿海，登陸后的海霧受海上海霧的不斷補充，會導致沿海地區(qū)出現持續(xù)幾天的低能見度現象。按照海霧深入陸地的影響情況，由強至弱依次選取舟山浮標站、舟山外島嵊泗站和舟山本島定海站，分析各站點位置觀測數據對海上海霧的代表性及其相關性。3月28日—4月2日，舟山浮標站顯示海霧發(fā)生時長為113 h，發(fā)生概率高達78.5%，其中大霧/濃霧占比為72.5%（濃霧為66.4%）；隨著海霧向沿海輸入，嵊泗站的海霧發(fā)生概率降至52.0%，但仍以大霧/濃霧為主，占總霧時的73.3%（濃霧為69.3%）；定海站的海霧發(fā)生概率僅為36.1%，多以輕霧為主，占總霧時的86.3%。海上海霧的實際維持時間和強度大于沿海站點的觀測結果，隨著海霧深入內陸，海霧的主要性質由大霧/濃霧向輕霧發(fā)展。圖8統(tǒng)計了3個站點的海霧生消規(guī)律，嵊泗站和定海站的日變化特征明顯，兩站分別在09—19時和06—22時存在明顯的海霧消散過程，而浮標站顯示10時開始海霧略有消散，但特征不明顯，消散多在傍晚—夜間，尤其是19—22時。因此，隨著與海洋距離的增加，沿海站點的觀測結果對海上實際海霧反映的代表性不斷變差，主要表現為觀測到的海霧強度降低和持續(xù)的時間減少，以大霧/濃霧為主要特征逐漸轉為以輕霧為主，海霧的日變化特征尤其是日出后的消散特征逐漸顯現，且消散時間不斷提前。

圖8 2018年3月28日—4月2日舟山定海、嵊泗和浮標站大霧和無霧發(fā)生概率統(tǒng)計Fig.8 Statistics on the probability of occurrence of fog and no fog at Dinghai,Shengsi and buoy station in Zhoushan from March 28 to April 2,2018

6 結論

此次典型的高壓后部平流冷卻霧過程，得益于下墊面冷海面和相對穩(wěn)定的天氣系統(tǒng)，影響天氣系統(tǒng)較弱，但提供了大范圍的下沉運動和水汽輸送條件。本文通過實況、成因及自動站的氣象要素統(tǒng)計，特別分析了陸基站點位置對海上海霧預報保障的局限性。結論如下：

（1）穩(wěn)定的高壓后部型，為此次連續(xù)海霧過程提供了天氣背景場，浙江沿海的SST分布提供了下墊面冷卻條件，并限制了海霧的發(fā)展范圍。結合海陸分布可知，海洋鋒決定了海霧北寬南窄緊貼海岸線的條帶狀分布特征，霧區(qū)發(fā)展最東邊界線與海洋鋒SST梯度線走勢較為一致，此次過程-0.02℃/km的SST梯度線與霧區(qū)東邊界一致性較好，霧季航線應盡量位于海洋鋒暖水側，此結論可為霧區(qū)東邊界的預報和航運航線選擇提供參考。

（2）此次浙江沿海海霧呈現北強南弱的分布特征，海霧多以大霧/濃霧存在，強而低的逆溫層、弱的低層風速和弱高壓導致的大范圍的下沉運動，對海霧的生成和維持起關鍵作用。

（3）舟山本島定海站、外島嵊泗站和浮標站的結果顯示，隨著海霧深入陸地，海霧強度不斷降低，持續(xù)時間不斷減少，大霧/濃霧多發(fā)轉換為以輕霧為主，日出后海霧消散特征不斷加強，站點位置對海上海霧的實際代表性不斷變差。

（4）海上海霧基本能夠全天存在，沿岸海霧具有明顯的日變化特征，大霧多發(fā)生于傍晚—早晨，尤其是02—06時，而10—17時海霧消散或減弱現象明顯，此結論有助于保障海上航運及生產作業(yè)安全。