福建沿海一次持續(xù)性海霧過程的邊界層特征分析

廖晨菲 馮志明 高聰暉 高 珊

(福建省氣象臺，福建 福州 350001)

0 引言

海霧是發(fā)生在海上或沿海地區(qū)上空，懸浮于大氣邊界層的大量水滴或冰晶使大氣水平能見度小于1 km的一種天氣現(xiàn)象[1]。海霧會使沿海及近岸的水平能見度降低，對海上平臺作業(yè)、船舶運輸及海洋漁業(yè)等海洋安全生產(chǎn)活動造成很大影響。因此，加強對海霧的分析研究，提高監(jiān)測、預(yù)報海霧的能力已越來越引起人們的關(guān)注。

近年來，不少氣象學(xué)者對福建沿海及臺灣海峽的霧進行監(jiān)測研究，取得了許多成果。張春桂等[2]利用2015—2016年風(fēng)云二號靜止氣象衛(wèi)星資料反射率閾值實現(xiàn)云霧與海洋表面的自動分離，用中紅外和熱紅外通道的歸一化差值指標(biāo)實現(xiàn)夜間海霧的自動識別。馬治國等[3]對2000—2010年福建沿海霧進行氣候統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)福建中南部沿海地區(qū)是一個海霧多發(fā)的區(qū)域，尤其以崇武、廈門和東山為最多，且以晨霧為主。蘇鴻明[4]對1971—1980年的有關(guān)氣象資料進行分析發(fā)現(xiàn)，臺灣海峽海霧主要集中于冬季、春季，尤其在下半夜至上午前表現(xiàn)明顯。翁國玲等[5]利用1961—2010年平潭氣象站地面觀測資料和再分析資料分析了平潭春季多霧年的環(huán)流特征，發(fā)現(xiàn)多霧年臺灣海峽海溫偏低，為平流霧提供了冷水面；平潭地區(qū)低空盛行下沉氣流，利于層結(jié)穩(wěn)定。張振順等[6]分析了2008—2013年三沙海霧的日變化、季節(jié)變化特征，結(jié)果顯示，閩東海霧以平流霧為主，風(fēng)速在2～8m/s之間，溫度露點差在2℃內(nèi)海霧易生成；冷高壓東移南下、風(fēng)力的增強和層結(jié)不穩(wěn)定是海霧消散的主要條件。林衛(wèi)華等[7]研究1974—2003年湄洲灣海霧時發(fā)現(xiàn)，海霧發(fā)生時海溫低于氣溫，且平均海溫低于25℃，并指出形成海霧的風(fēng)向以偏南風(fēng)向為主，風(fēng)速過大或過小都不利于海霧形成。

本文采用常規(guī)地面觀測資料和ERA-5逐時再分析資料，對2020年5月2—6日持續(xù)性海霧過程進行分析，研究海霧生成的邊界層特征，為提高福建沿海及臺灣海峽海霧的預(yù)報預(yù)警能力提供參考。

1 資料來源與數(shù)據(jù)處理

地面氣象要素資料取自2020年5月1—6日福建沿海地區(qū)183個自動站的逐時觀測資料，包括能見度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫及相對濕度。采用ERA-5逐時再分析資料作為補充，包括海溫、氣溫和相對濕度，空間分辨率為0.25°×0.25°。

本文參照福建省天氣預(yù)報技術(shù)手冊[8]中對霧的強度劃分，根據(jù)目標(biāo)物的水平能見度分為輕霧(水平能見度1000～10000m)、霧(水平能見度500～1000m)、大霧(水平能見度200～500m)、濃霧(水平能見度50～200m)、強濃霧(水平能見度小于50m)。

氣海溫差(ΔT1)指的是海水上空的空氣溫度(t2m)與海水表面溫度(SST)之間的差值，露點海溫差(ΔT2)指的是海水上空露點溫度與海水表面溫度之間的差值，當(dāng)空氣溫度和露點溫度都大于海水溫度時，即ΔT1和ΔT2都為正值時，暖濕氣流在流經(jīng)冷海面時受到海水的冷卻作用達到飽和而凝結(jié)，形成霧。計算公式如下：

ΔT1=t2m-SST

(1)

ΔT2=d2m-SST

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 過程概況

2020年5月2—6日，福建沿海地區(qū)出現(xiàn)了一次連續(xù)性海霧天氣過程(見圖1)。

圖1 2020年5月2—6日福建省區(qū)域自動站能見度的空間分布(黑色虛線右側(cè)為海霧范圍，黑色實心圓位置為楊坪頂村站的地理位置)

2日大霧主要集中在寧德至平潭一帶沿海，最強時段出現(xiàn)在2日3時，25站出現(xiàn)大霧，其中強濃霧有16站；3—4日大霧范圍有所擴大，寧德至廈門一帶沿海都出現(xiàn)大霧天氣，4日7時，有31站出現(xiàn)大霧天氣，其中強濃霧有11站；5日大霧范圍擴展至全省沿海，5日6時，全省沿海有61站出現(xiàn)大霧，其中濃霧有19站，霞浦花竹村能見度不足50 m，達到強濃霧標(biāo)準(zhǔn)，此時霧的范圍和強度達到本次大霧過程的最強階段；6日，大霧范圍有所縮小，大霧站主要集中在平潭和莆田沿海，后期隨著弱冷空氣擴散南下和降水的產(chǎn)生，大霧天氣趨于結(jié)束。此次海霧天氣過程具有持續(xù)時間長、范圍廣、強度強等特點。

2.2 環(huán)流形勢

分析海霧期間的環(huán)流形勢場(見圖2)可知，2020年5月1日20時，500hPa西太平洋副熱帶高壓(簡稱副高)呈東西向帶狀分布，副高588線北界位于華南沿海一帶，安徽北部至湖南北部一帶有一高空槽(圖略)，海平面氣壓場上福建處于均壓場內(nèi)，沿海地區(qū)等壓線稀疏(見圖3a)，風(fēng)速小，水汽充沛，在夜間的輻射冷卻作用下容易形成輻射霧。2日8時至3日20時，高空槽東移南壓，850hPa處于西南暖濕氣流控制中(見圖2a、c)，地面福建省處于華北低壓南側(cè)的相對穩(wěn)定環(huán)境場中。4日8時，四川地區(qū)淺槽移出，850 hPa低渦切變伴隨東移，地面低壓倒槽發(fā)展東伸，福建省位于地面倒槽南側(cè)的暖區(qū)中。隨著高空槽和低渦切變的東移靠近，福建上空西南氣流增強，5日8時發(fā)展成西南急流(見圖2d)，使得暖濕氣流源源不斷地輸送到福建沿海上空。從地面氣壓場來看，2日8時至5日20時，福建省始終處在地面低壓倒槽南側(cè)的暖區(qū)內(nèi)(見圖3b、c)，西南氣流帶來充沛的暖濕氣流，流經(jīng)福建沿海較冷的海面時，容易冷卻凝結(jié)成霧，這種環(huán)流形勢導(dǎo)致福建省春季平流霧出現(xiàn)地面倒槽型，占成霧類型的14.3%[8]。6日8時，低壓東移入海，地面弱冷空氣從東路擴散南下，霧區(qū)范圍減小，大霧開始減弱消散(見圖3d)。

2.3 邊界層特征分析

平潭楊坪頂村站是一個海島站(圖1中黑色實心圓位置，緯度25.65°N，經(jīng)度119.69°E，海拔高度185m)，在此次海霧過程中出現(xiàn)大霧的時次最多，達61個時次，現(xiàn)以楊坪頂村站為代表站，分析此次海霧過程的邊界層特征。

圖2 2020年5月3日8時500hPa(a)、5日8時500hPa(b)、3日8時850hPa(c)、5日8時850hPa(d)環(huán)流形勢場

圖3 2020年5月1日20時(a)、3日8時(b)、4日20時(c)、6日8時(d)地面氣壓場

2.3.1 地面要素特征

圖4給出了楊坪頂村站能見度、氣溫、相對濕度、溫度露點差、風(fēng)速以及風(fēng)向隨時間的變化趨勢(陰影部分為大霧時段)。

圖4 楊坪頂村站2020年5月1日14時—6日14時能見度、氣溫、相對濕度、溫度露點差、風(fēng)速以及風(fēng)向隨時間的演變圖

由圖4可以看出，海霧發(fā)生時的能見度基本上在200 m以下，為強濃霧級別，此時相對濕度高達97%以上，溫度露點差基本在0.2～0.5℃之間；能見度的變化具有一定的日變化特征，其與相對濕度、溫度露點差顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.678和0.644。結(jié)合氣溫、風(fēng)向及風(fēng)速的演變，可以將此次海霧過程大致分為3個階段：①輻射霧影響階段(1日21時—2日8時)，風(fēng)向變化無序，地面風(fēng)速在1～3 m/s之間，平均風(fēng)速2.4m/s，溫度日較差大(即前一日最高氣溫與當(dāng)日最低氣溫之間的差值)為6℃，微風(fēng)和夜間的輻射降溫有利于水汽凝結(jié)成霧。②平流霧影響階段(3日6—10時、3日23時—4日9時、4日19時—5日14時)，地面風(fēng)向以偏南風(fēng)為主，風(fēng)速逐日增強，普遍在4～7 m/s之間，有時超過8 m/s，最低氣溫從20.8℃上升到21.9℃，最低相對濕度從75%升高至88%，最高溫度露點差從3.5℃下降至2.1℃，由此說明較強的南風(fēng)帶來充足的暖濕氣流，使得楊坪頂村出現(xiàn)明顯的平流增溫和增濕過程，有利于平流霧的生成，這與周發(fā)琇[9]的研究結(jié)論相一致，低層增溫增濕越明顯，大霧的持續(xù)時間也就越長。③海霧遇冷消散階段(5日23時—6日13時)，這一階段以6日9時為界，前期地面風(fēng)向為偏南風(fēng)，風(fēng)速由7.1 m/s減弱至2.1 m/s，低層存在平流增溫和增濕過程，符合平流霧的生成特征；后期地面風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，風(fēng)速增大，氣溫下降，地面有弱冷空氣擴散南下，能見度先降后升，說明弱冷空氣對大霧具有加強作用，但是持續(xù)增強的偏北風(fēng)對大霧具有減弱作用。

2.3.2 溫濕垂直結(jié)構(gòu)特征

穩(wěn)定的大氣層結(jié)是海霧生成和維持的重要條件[10]。圖5、圖6分別給出了2020年5月1日14時—6日14時楊坪頂村站溫度和濕度的垂直分布特征(網(wǎng)格區(qū)域為大霧時段)，可以看出，輻射霧影響階段975hPa等壓面以下的大氣層結(jié)是先逆溫后等溫，暖中心強度在整個海霧過程中最弱，高濕區(qū)(相對濕度達到90%以上)基本上位于近地面層。平流霧影響階段，逆溫層的開始高度由950hPa逐日降低至975hPa，暖中心強度逐日增強，4日19時逆溫梯度達到最大，同時低層南風(fēng)氣流不斷增強，強烈的水汽輸送使得高濕區(qū)向上擴展至960hPa附近。海霧遇冷消散階段，前期逆溫層高度位于960hPa附近，逆溫層以下相對濕度達到90%以上，此時平流霧發(fā)展加強；后期900hPa以下氣溫明顯降低，大氣層結(jié)逐漸轉(zhuǎn)為微弱降溫，同時低層輻合上升運動明顯，使得水汽不斷向上輸送，高濕區(qū)伸展至850hPa，大霧逐漸減弱消散。

圖5 2020年5月1日14時—6日14時楊坪頂村站1000～850hPa氣溫的時間剖面圖

圖6 2020年5月1日14時—6日14時楊坪頂村站1000～850hPa相對濕度的時間剖面圖

2.3.3 氣海溫差和露點海溫差

氣海溫差和露點海溫差是決定平流霧生成的2個重要條件，只有氣海溫差和露點海溫差都為正值時，才有利于平流霧的形成。利用ERA-5逐時再分析資料計算得到平潭楊坪頂村站氣海溫差和露點海溫差的時序圖(見圖7，陰影部分為大霧時段)，可以看出，輻射霧影響階段，楊坪頂村站的氣海溫差在-0.9～0.2℃之間，露點海溫差在-1.8～-0.3℃之間，低層大氣的氣溫和露點溫度都低于海表面溫度，不可能出現(xiàn)平流霧。平流霧影響階段，氣海溫差都為正值，基本上在0.2～2.1℃之間，這與王彬華等[1]得到的平流冷卻霧成霧的氣海溫差范圍基本一致；露點海溫差在-0.1～0.5℃之間，這樣使得暖濕氣流在流經(jīng)冷海面時，氣溫降低至海表面溫度，空氣可以達到飽和、凝結(jié)成霧。海霧遇冷消散階段，氣海溫差和露點海溫差呈減弱的趨勢，特別是6日9時之后受弱冷空氣影響氣海溫差幾乎降為0℃，露點海溫差降為-1.6℃，不利于平流霧的發(fā)展。

圖7 平潭楊坪頂村站氣海溫差和露點海溫差時序圖

3 結(jié)論

①持續(xù)5天的海霧天氣過程可大致分為以下3個階段：輻射霧影響階段(1日21時—2日8時)、平流霧影響階段(3日6時—5日14時)及海霧遇冷消散階段(5日23時—6日13時)。

②輻射霧影響階段，地面風(fēng)向變化無序，平均風(fēng)速2.4m/s，溫度日較差為6℃，氣海溫差和露點海溫差都為負(fù)值；逆溫層強度弱，大于90%的高濕區(qū)主要在近地層附近。

③平流霧影響階段，地面以南風(fēng)為主，風(fēng)速普遍在4m/s以上，海霧生成前逆溫層強度增強、高濕區(qū)向上伸展至960hPa；氣海溫差和露點海溫差基本上都為正值，有利于平流霧的形成。

④海霧遇冷消散階段，前期低層持續(xù)偏南風(fēng)有利于平流霧的維持，后期弱冷空氣南下，900hPa以下氣溫明顯降低，低層輻合上升運動不斷向上輸送水汽，高濕區(qū)伸展至850hPa，大霧逐漸減弱消散。弱冷空氣一定程度上可以增強霧的強度，但是持續(xù)的偏北風(fēng)對大霧具有減弱作用。