閆智超，李冉，易笑園，解以揚(yáng)

（1.國(guó)家海洋局秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，河北秦皇島 066002；2.天津市氣象臺(tái),天津 300074）

1 引言

海霧是指發(fā)生在海上、岸濱和島嶼上空低層大氣中,由于水汽凝結(jié)而產(chǎn)生的大量水滴或冰晶懸浮在海面的大氣中，使水平能見(jiàn)度小于1 km的一種天氣現(xiàn)象，也可理解為大氣中含有微小的懸浮水滴或冰晶使得大氣水平能見(jiàn)度小于1 km著地的云[1]。海霧直接威脅著海上交通運(yùn)輸、漁業(yè)生產(chǎn)、石油開(kāi)采等活動(dòng)，嚴(yán)重影響到沿海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，甚至造成海難。因此，海霧作為一種嚴(yán)重的災(zāi)害性海洋天氣，受到越來(lái)越多的關(guān)注。通過(guò)對(duì)海霧的觀測(cè)和調(diào)查，了解它的屬性和分布變化的規(guī)律，對(duì)海霧的預(yù)報(bào)有很好的參考意義[2-4]；通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)得到的高分辨率的數(shù)據(jù)，對(duì)了解海霧形成機(jī)制提供了有益的幫助[5-7]。張紅巖等[8]還針對(duì)海霧的年際變化展開(kāi)研究。同時(shí)，分析海霧天氣的影響系統(tǒng)及環(huán)流形勢(shì)，對(duì)于實(shí)際預(yù)報(bào)工作也有非常重要的參考價(jià)值[9-10]。然而，由于區(qū)域和季節(jié)等環(huán)境的不同，海霧過(guò)程發(fā)生的物理?xiàng)l件差異很大，因此，本文選取了2011年2月22—24日發(fā)生在黃渤海的一次持續(xù)性大霧過(guò)程，對(duì)相應(yīng)的影響系統(tǒng)及環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行了分析。此次海霧濃厚、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣，黃海北部以及大連、丹東、山東半島能見(jiàn)度在1 km以下。受此次大霧過(guò)程的影響，2011年2月21—22日，渤海的秦皇島、黃驊均有能見(jiàn)度在1 km以下霧的記錄。據(jù)估算，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到的海上大霧影響面積約為10.8×104km2。本文利用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)資料、環(huán)黃海北部陸地氣象自動(dòng)站、常規(guī)資料、NCEP1o×1o再分析資料對(duì)此次大霧過(guò)程的成因和生消特點(diǎn)等展開(kāi)分析。

2 大尺度環(huán)流背景和物理量場(chǎng)分布

圖1 a.2011年2月22日20時(shí)925 hPa上地面氣壓場(chǎng)（hPa），b.水汽通量散度（g/（hPa·cm2·s））c.22日20時(shí)溫度平流（藍(lán)線）和等溫線（黑線）圖（℃）d.24日20時(shí)溫度平流（藍(lán)線）和等溫線（黑線）圖（℃）

22日20時(shí)（北京時(shí)間）（見(jiàn)圖1a）海霧已經(jīng)出現(xiàn)，24日20時(shí)海霧消散。黃海北部海區(qū)處于高壓后部、東北氣旋前部的偏南氣流中，黃海北部海區(qū)處于冷槽中，近海面為冷中心，有利于水汽凝結(jié)成霧（圖略）。圖1b為925 hPa水汽通量散度圖，可見(jiàn)黃海北部海區(qū)為水汽通量散度負(fù)值中心，說(shuō)明在對(duì)流層低層有水汽在黃海北部海區(qū)聚集，源源不斷的水汽輸送和聚集為海霧的形成提供水汽條件。圖1c和1 d分別為925 hPa高度的22日20時(shí)和24日20時(shí)溫度平流圖?？梢?jiàn)在海霧形成初期，對(duì)流層低層的西南氣流向黃海北部輸送正溫度平流，有利于上暖下冷逆溫層的形成（即22日20時(shí)）。而當(dāng)對(duì)流層低層西北氣流向黃海北部輸送負(fù)溫度平流時(shí)，海霧自西向東開(kāi)始消散，這是因?yàn)樯吓吕涞姆€(wěn)定結(jié)構(gòu)被破壞。

3 資料介紹

探空站的探測(cè)資料可以代表站點(diǎn)上空200平方公里范圍內(nèi)的大氣情況。沿海自動(dòng)站的資料也能反應(yīng)海上風(fēng)、溫、濕的變化情況。本文使用的資料有以下幾種：

（1）MSMAT可見(jiàn)光云圖。時(shí)間間隔1 h。受日照影響只有白天的圖像；

（2）成山頭、大連、丹東、平壤探空資料，要素有溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速。上述資料基本能反映黃海北部海洋上空大氣層結(jié)變化特征；

（3）近海成山頭、大連、丹東、平壤氣象自動(dòng)站觀測(cè)資料。要素包括溫度、濕度、氣壓、能見(jiàn)度、風(fēng)向、風(fēng)速；

（4）美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心提供的NCEP再分析資料，水平分辨率1o×1o，垂直分辨率17層，時(shí)間間隔6 h；

（5）中國(guó)氣象局MICAPS系統(tǒng)提供的業(yè)務(wù)系統(tǒng)常規(guī)資料。

4 觀測(cè)分析

海霧觀測(cè)資料的獲取往往是通過(guò)沿海岸的氣象站來(lái)獲得的。利用高分辨率的探空站、自動(dòng)氣象站等資料，分析海霧過(guò)程中，海洋與大氣界面水文氣象條件和海洋上空大氣邊界層的層結(jié)條件，對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)海霧過(guò)程非常重要。另外高分辨率的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)資料，可以從空中俯瞰洋面，提供海霧的范圍、形態(tài)和移動(dòng)變化方向等，是目前獲得海霧信息的最有效的觀測(cè)資料之一。

圖2 2011年2月22—24日MTAST衛(wèi)星可見(jiàn)光云圖演變（間隔3 h）

圖3 環(huán)黃海北部的氣象觀測(cè)站（成山頭、大連、丹東、平壤）溫度（紅色線）、濕度（綠色線）、能見(jiàn)度（藍(lán)色線）和風(fēng)向風(fēng)速的演變曲線（藍(lán)色圓點(diǎn)為能見(jiàn)度＜1 km）

4.1 衛(wèi)星云圖特征

從2011年2月22—24日白天的MTSAT可見(jiàn)光衛(wèi)星云圖（見(jiàn)圖2）上看，海霧發(fā)生在黃海北部，從22日08時(shí)—24日17時(shí)，持續(xù)了58 h。22日海霧主要存在于黃海北部及中部沿朝鮮半島西海岸海域，為圖中乳白色反照率較高的區(qū)域，從范圍和亮度上看中午與早晨、傍晚區(qū)別不大，一天中維持少動(dòng)，具有平流霧的特點(diǎn)。23日早晨海霧向南部擴(kuò)散，霧區(qū)范圍擴(kuò)大，覆蓋黃海北部和中部，且向遼寧省陸地蔓延，23日11時(shí)可見(jiàn)光圖上的乳白色霧區(qū)邊界的形狀與海岸線吻合，乳白色區(qū)域比前一天更濃厚、顏色更白亮。24日乳白色霧區(qū)的亮度比前一天變暗，霧的厚度變薄，08時(shí)之后，自西向東，大霧開(kāi)始消散，直到17時(shí)，黃海北部的霧已全部消散。

4.2 自動(dòng)站資料分析

圖3為環(huán)黃海北部各氣象站（成山頭、大連、丹東、平壤）從19日08時(shí)—24日20時(shí)溫度（紅色線）、濕度（綠色線）、能見(jiàn)度（藍(lán)色線）和風(fēng)向風(fēng)速的演變曲線。19日08時(shí)—21日20時(shí)為大霧形成前，21日20—24日08時(shí)為大霧維持時(shí)段。藍(lán)色圓點(diǎn)為能見(jiàn)度小于1 km的時(shí)刻。從圖4可見(jiàn)以下幾種特點(diǎn)：

（1）溫度、濕度曲線有明顯的周期性，即白天溫度出現(xiàn)高峰值、夜晚出現(xiàn)低峰值；

（2）溫度曲線與濕度曲線接近時(shí)，也就是溫度露點(diǎn)差較小時(shí)，能見(jiàn)度較低，能見(jiàn)度在1 km以下時(shí)，兩條曲線甚至重合，表明濃霧時(shí)，大氣接近水汽飽和狀態(tài)；

（3）24日11時(shí)以后，黃海北部自西向東地面風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，本次持續(xù)性海霧天氣結(jié)束。說(shuō)明西北干冷空氣的侵入是導(dǎo)致平流霧逐步消散原因；

圖4 環(huán)黃海北部各探空站不同高度處的溫度（陰影）、相對(duì)濕度（實(shí)線）和風(fēng)場(chǎng)隨時(shí)間的演變（北京時(shí)）

（4）分析位于山東半島東端的成山頭（見(jiàn)圖4a）可見(jiàn)：22日17時(shí)—23日14時(shí)，連續(xù)13個(gè)時(shí)次能見(jiàn)度近乎為零，而且地面持續(xù)西南風(fēng)4 m/s以上，最大時(shí)西南風(fēng)為8 m/s，在如此大的風(fēng)速下，維持濃霧天氣，進(jìn)一步說(shuō)明，這是一次平流霧。圖4b黃海西端-大連的要素曲線圖分析可見(jiàn)：在成山頭出現(xiàn)濃霧的時(shí)段，大連出現(xiàn)的都是輕霧，能見(jiàn)度為1—10 km，兩次大霧（能見(jiàn)度低于1 km）均出現(xiàn)于早晨05—08時(shí)，并且風(fēng)速不大，均為2 m/s。能見(jiàn)度具有明顯的晝夜差別，說(shuō)明大連的霧有輻射霧的成分。圖4c是黃海最北端的丹東要素曲線圖，從22日17時(shí)以后至23日11時(shí)，能見(jiàn)度始終低于5 km，特別是23日早晨至24日上午，能見(jiàn)度維持在1km以下，甚至為0 m，霧呈晝夜周期性變化，風(fēng)速2 m/s，風(fēng)向?yàn)闁|南，表明為輻射霧特征。朝鮮平壤位于黃海北部的東側(cè)（見(jiàn)圖4d），大霧發(fā)生在23日入夜以后，并持續(xù)了15 h，大霧時(shí)風(fēng)速維持0—1 m/s。23日20時(shí)平壤的能見(jiàn)度維持在12 km，3 h后能見(jiàn)度急降至1 km，所以，平壤的濃霧應(yīng)為平流輻射霧，既有平流因素，也有地表冷卻輻射作用。

4.3 探空資料分析

由探空資料分析可見(jiàn)圖4，具有如下共同特征：

（1）可以看到，在霧形成之前（22日08時(shí)），在700 hPa之下、900 hPa之上均存在著暖性的西南氣流，西南風(fēng)風(fēng)速為8 m/s左右。且西南氣流存在一段時(shí)間后，大濕度區(qū)厚度快速地、顯著地形成增厚的情形。這說(shuō)明對(duì)流層低層的西南氣流起到增濕和增加該層內(nèi)溫度的作用，此時(shí)暖的氣團(tuán)疊加在冷的氣層之上，促進(jìn)了逆溫層的形成，并且逆溫層形成的“暖蓋”，阻止了動(dòng)量和熱量的垂直交換，不利于水汽向高層湍流混合的發(fā)生，使低空積聚的水汽在冷海面的作用下冷卻凝結(jié)成霧，有利于霧的持續(xù)。因此，西南暖濕氣流為霧的形成和長(zhǎng)時(shí)間維持提供了逆溫和濕度條件，是大霧發(fā)展持續(xù)的重要因子；

（2）分析可見(jiàn)，在22日08時(shí)—24日08時(shí)，各站在邊界層內(nèi)的風(fēng)向有區(qū)別，如成山頭（122°E,37°N）是南風(fēng)和西南風(fēng)，大連（121°E,39°N）和丹東（124°E,40°N）是南風(fēng)和東南風(fēng)，朝鮮（126°E,39°N）為弱的偏西風(fēng)，根據(jù)它們的地理位置可知，沿岸陸地站的邊界層內(nèi)的水汽來(lái)源于洋面。

5 水汽及輸送特征

黃海北部海區(qū)（123o—126oN）上空，水汽來(lái)源和增濕過(guò)程與物理量分布有密切關(guān)系，然而，通過(guò)NCEP再分析資料展現(xiàn)的沿39°N相對(duì)濕度與風(fēng)的剖面圖（見(jiàn)圖5）,能更進(jìn)一步清楚地了解黃海北部海域水汽及水汽輸送情況。

122.5°—124.5°E對(duì)應(yīng)黃海北部海區(qū)，從21日08時(shí)起，黃海北部海域濕度高于周圍地區(qū)，最大相對(duì)濕度70%，與風(fēng)場(chǎng)配合可見(jiàn)，該區(qū)域有弱的南風(fēng)，風(fēng)速2—4 m/s。白天在太陽(yáng)輻射的影響下，強(qiáng)度略有減弱，入夜后濕度層厚度迅速增厚，23日02時(shí)50%濕層高度達(dá)到850 hPa，最大值達(dá)到100%，且飽和濕度層的厚度也達(dá)到900 hPa。配合風(fēng)場(chǎng)可知，在1000—850 hPa，水汽是在西南氣流作用下向黃海北部輸送，即這支水汽來(lái)源于黃海南部或東海海面；與此同時(shí)，在750 hPa高度，還有一支在西到西北氣流輸送來(lái)的水汽層。至23日14時(shí)，黃海上空高低兩條水汽通道打通合并，使50%濕度層的高度達(dá)到700 hPa。充沛的水汽為霧的形成提供了有利條件。此時(shí)海霧強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)、范圍最大。23日20時(shí)—24日02時(shí)，750 hPa偏西風(fēng)加大到8 m/s，高低空風(fēng)速切變?cè)龃螅欣诋a(chǎn)生上升氣流，而上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)會(huì)使穩(wěn)定的大氣層結(jié)被破壞，低層水汽向上傳輸，相對(duì)濕度80%邊界從900 hPa下降至975 hPa，低層水汽強(qiáng)度明顯降低。這是24日霧氣逐漸減弱、消散的原因之一。

6 動(dòng)力特征

圖6分別為23日濃霧期間沿39°N散度和垂直速度四個(gè)時(shí)次（08時(shí)，14時(shí)，20時(shí)，02時(shí)）的垂直剖面。從圖可見(jiàn)黃海北部海域上空在23日08時(shí)、20時(shí)、02時(shí)均出現(xiàn)低層負(fù)散度、高層正散度的情況。其中08時(shí)和02時(shí)負(fù)散度高度在975—950 hPa之間，20時(shí)負(fù)散度高度達(dá)到900—850 hPa，說(shuō)明在這三個(gè)時(shí)次，對(duì)流層低層有輻合、高層有輻散，有利于產(chǎn)生上升氣流，但由于輻合層的高度較低，上升氣流的厚度遠(yuǎn)不能達(dá)到產(chǎn)生對(duì)流天氣的程度。以上說(shuō)明，在大霧期間，淺薄的低層輻合層有利于上升氣流的形成，對(duì)大霧中的水汽凝結(jié)是有利的。另外中午14時(shí)對(duì)流層低層的輻合層和輻散層中心位置與其它三個(gè)時(shí)次相反，說(shuō)明白天對(duì)流層存在高層輻合低層輻散的動(dòng)力特征，此時(shí)對(duì)流層低層層結(jié)穩(wěn)定，這與中午太陽(yáng)輻射使上層大氣增溫有關(guān)。以上演變可知大霧在維持階段，夜間的散度的垂直分布特征有利于霧的凝結(jié)，白天散度分布特征有利于大氣層結(jié)穩(wěn)定。這都對(duì)大霧的維持起著積極作用。

圖5 沿39oN黃海北部海區(qū)（123o—126oN）相對(duì)濕度、風(fēng)剖面圖（北京時(shí)）

圖6 23日08時(shí)—24日02時(shí)沿39°N做散度的垂直剖面圖

7 結(jié)論

本文選取了2011年2月22—24日發(fā)生在黃渤海的一次持續(xù)性大霧過(guò)程，結(jié)合高分辨率可見(jiàn)光衛(wèi)星云圖提供的海霧發(fā)生范圍和演變過(guò)程等信息,根據(jù)常規(guī)觀測(cè)資料對(duì)海霧發(fā)生前的大氣背景和物理量場(chǎng)進(jìn)行了描述，并利用環(huán)黃海北部4個(gè)站的探空、NCEP1o×1o再分析資料和氣象自動(dòng)站資料對(duì)海霧發(fā)生時(shí)低層大氣的溫度、風(fēng)、逆溫特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，最終得出以下主要結(jié)論：

（1）環(huán)黃海北部4個(gè)氣象自動(dòng)站的觀測(cè)表明：在4個(gè)站中，成山頭以平流霧為主、大連和丹東以輻射霧為主、平壤即有平流霧特征，也有輻射霧特征；

（2）利用探空站資料得到不同高度物理量隨時(shí)間變化可以看到，此次海霧過(guò)程沿岸站點(diǎn)上空都有逆溫層維持，而且，對(duì)流層低層暖平流的輸入明顯，其有助于維持大氣層結(jié)穩(wěn)定、保持逆溫層；

（3）分析水汽空間輸送分布特征得到：在850 hPa以下和750 hPa分別存在兩條水汽輸送帶，一條來(lái)自黃海中南部的西南氣流，一支來(lái)源于中層的偏西氣流，兩條水汽輸送帶的共同作用為持續(xù)性大霧的形成和維持提供了水汽條件；

（4）通過(guò)海霧發(fā)生時(shí)的散度和垂直速度剖面分析動(dòng)力因素可知：夜晚對(duì)流層低層（700 hPa以下）輻合和高層輻散的動(dòng)力分布，有助于逆溫層內(nèi)弱的上升氣流維持，對(duì)水汽凝結(jié)有利；同時(shí)，白天低層輻散、高層輻合的動(dòng)力分布于有助于下沉氣流，有利于穩(wěn)定度和逆溫的維持；

（5）負(fù)（冷）溫度平流南下，即西北干冷空氣入侵是使大霧消散的動(dòng)力熱力因子。

[1]傅剛,王菁茜,張美根,等.一次黃海海霧事件的觀測(cè)與數(shù)值模擬研究[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,34(5):720-726.

[2]張?zhí)K平,鮑獻(xiàn)文.近十年中國(guó)海霧研究進(jìn)展[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,38(3):359-366.

[3]周發(fā)琇,王鑫,鮑獻(xiàn)文.黃海春季海霧形成的氣候特征[J].海洋學(xué)報(bào),2004,26(3):28-37.

[4]王鑫,黃菲,周發(fā)琇.黃海沿海夏季海霧形成的氣候特征[J].海洋學(xué)報(bào),2006,28(1):26-34.

[5]傅剛,張濤,周發(fā).一次黃海海霧的三維數(shù)值模擬研究[J].青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2002,32(6):859-867.

[6]高山紅,齊伊玲,張守寶,等.利用循環(huán)3DVAR改進(jìn)黃海海霧數(shù)值模擬初始場(chǎng)Ⅰ:WRF數(shù)值試驗(yàn)[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào),自然科學(xué)版,2010,40(10):1-9.

[7]張?zhí)K平,任兆鵬.下墊面熱力作用對(duì)黃海春季海霧的影響觀測(cè)與數(shù)值試驗(yàn)[J].氣象學(xué)報(bào),2010,68(1):116-125.

[8]張紅巖,周發(fā),張曉慧.黃海春季海霧的年際變化研究[J].海洋與湖沼，2005,36(1):36-42.

[9]宋潤(rùn)田.平流霧和輻射霧時(shí)邊界層溫度場(chǎng)及風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征的對(duì)比分析[J].海洋預(yù)報(bào)，2000,17(3):11-20.

[10]宋潤(rùn)田,金永利.一次平流霧邊界層風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)特征及其逆溫控制因子的分析[J].熱帶氣象學(xué)報(bào),2001,17(4):443-451.