胡利軍 楊豪 高愛臻 鄭錚

(1 浙江省寧波市氣象網(wǎng)絡(luò)與裝備保障中心，寧波 315012； 2 浙江省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心，杭州 310017；3 浙江省寧波市氣象臺，寧波 315012)

引言

寧波舟山港位于中國大陸海岸線中段，是“21世紀海上絲綢之路”東方始發(fā)港，“絲綢之路經(jīng)濟帶”和“21世紀海上絲綢之路”的交匯點，是“一帶一路”的重要節(jié)點城市[1]。北侖港區(qū)、近海航道海霧多發(fā)，嚴重影響海上交通和港區(qū)的作業(yè)安全。國內(nèi)早于1948年王彬華就對海霧進行了研究，2000年左右國內(nèi)研究渤海灣、黃海海霧比較多(張紅巖等[2]，2005；任兆鵬等[3]，2011；黃彬等[4]，2011；孫明生等[5]，2017)，2004年侯偉芬等[6]對浙江沿海海霧進行了分析，2015年周福等[7]對寧波海霧特征進行了分析，但近海航道區(qū)域性特征比較明顯，針對北侖港區(qū)近海海霧研究相對較少。前些年基于地基的海霧監(jiān)測儀器以前向散射能見度儀為主，2016年開始在寧波舟山港北侖港區(qū)出現(xiàn)利用毫米波雷達[8-9]、激光云高儀等進行海霧監(jiān)測的試驗。經(jīng)過多年現(xiàn)代化項目建設(shè)，寧波初步建成了較為完善的近海海洋綜合監(jiān)測系統(tǒng)。2011年，北侖港區(qū)附近涼帽山370 m高塔梯度觀測系統(tǒng)建成，用于監(jiān)測港區(qū)附近不同高度風(fēng)向、風(fēng)速、濕度、氣壓等氣象要素；2016年底，在北侖港區(qū)架設(shè)全國首部毫米波測霧雷達，用于30 km徑向范圍內(nèi)非降水云、弱降水和霧的監(jiān)測；2018年，凱邁CYY-2B型激光云高儀在北侖港區(qū)(29.9058°N，122.1299°E)試用，用于對航道和港區(qū)附近的云霧等大氣顆粒物的監(jiān)測。分析中發(fā)現(xiàn)通過激光云高儀分析霧、霾在垂直方向上的光學(xué)特性差異可以區(qū)分霧、霾。綜合風(fēng)廓線、370 m高塔、毫米波雷達、激光云高儀、自動站和沿海能見度儀監(jiān)測資料，以2018年2月15日的一次海霧過程為例，對航道海霧的特性進行分析。

1 港區(qū)海霧監(jiān)測

云、霧、霾都是常見的天氣現(xiàn)象，它們的主體成分都是氣溶膠顆粒，其差別在于氣溶膠顆粒的大小和種類不同[10]。霧是由大量微小水滴浮游在空中，常呈乳白色，使水平能見度小于1.0 km，其中能見度大于0.05 km小于0.5 km為濃霧，小于0.05 km為強濃霧。輕霧則是由微小水滴或已濕的吸濕性質(zhì)粒所構(gòu)成的灰白色的稀薄霧幕[11]，水平能見度大于等于1.0 km至小于10.0 km。

文中主要用到了能見度或濕度要素(圖1，K2102、K2391、K2321、K2287、K2295、K2288、K2390)、高塔、激光云高儀等監(jiān)測數(shù)據(jù)，相關(guān)設(shè)備安裝在港區(qū)、航道附近(圖1)。370 m高塔梯度觀測系統(tǒng)(圖2b)監(jiān)測57 m、84 m、116 m、165 m、198 m、234 m、285 m、320 m等8層不同高度的風(fēng)向、風(fēng)速、濕度等氣象信息。激光云高儀(圖2a)用來測量北侖港區(qū)的航道海霧信息，通過固定在內(nèi)芯發(fā)射筒中的發(fā)射器發(fā)出紅外脈沖激光信號，經(jīng)由接收光學(xué)系統(tǒng)接收大氣回波信號。激光束掃描大氣中的信息，通過與顆粒物和氣態(tài)分子相互作用后產(chǎn)生散射光來獲取不同高度處污染物的濃度分布信息[12]，從而得到污染物的空間垂直分布。所用的大氣顆粒物監(jiān)測激光云高儀是基于Mie散射原理，激光波長910 nm，每2 min觀測1次，空間分辨率為50 m。

圖1 寧波北侖港區(qū)監(jiān)測設(shè)備布局

圖2 寧波北侖港區(qū)監(jiān)測設(shè)備激光云高儀(a)和 370 m高塔梯度觀測(b)

2 海霧過程

激光云高儀和毫米波雷達均架設(shè)在臻德環(huán)保廠區(qū)內(nèi)，所選的港區(qū)螺頭水道航道海霧過程出現(xiàn)在2018年2月15日07:50—11:18，整個海霧過程從發(fā)生、發(fā)展、消散差不多持續(xù)3 h 10 min，毫米波雷達監(jiān)測到海霧的霧頂高度在300～500 m間[8]。

2.1 天氣形勢

2月15日03:00—04:00，舟山北部首先出現(xiàn)大霧，然后大霧逐漸南壓，08:00—10:00主要位于寧波的鎮(zhèn)海、北侖至舟山的定海、岱山一帶，10:00以后大霧逐漸減弱消散，這一帶小范圍出現(xiàn)的大霧是鋒前霧。從自動觀測站資料看(圖略)，15日02:00舟山北部至杭州灣一帶轉(zhuǎn)為北風(fēng)，04:00—05:00鎮(zhèn)海、北侖至定海、岱山一帶轉(zhuǎn)為北風(fēng)。08:00地面和高空形勢(圖3a～3c、3g)顯示，850 hPa到500 hPa是槽前西南氣流，925 hPa弱切變正好位于象山港北岸至舟山一帶，地面鋒面已經(jīng)移入東海海面。對于鎮(zhèn)海、北侖至定海、岱山一帶，08:00前后冷空氣已經(jīng)影響到低空的925 hPa(800 m左右)，而925 hPa上面仍是暖空氣。到了20:00(圖3d～f)，850 hPa以上仍是槽前西南氣流，850 hPa象山港北岸至舟山一帶有弱切變，925 hPa寧波、舟山是東北氣流。形勢表明，這次冷空氣強度很弱，沿海只影響到寧波、舟山一帶，并且非常淺薄；由于白天一直維持著上暖下冷的鋒面結(jié)構(gòu)，這為鋒前霧的發(fā)生提供了有利的天氣背景。

2.2 高空風(fēng)場

2月15日的北侖港航道的海霧天氣過程，高空風(fēng)場所用資料主要有2018年2月15日03:00—13:00余姚市氣象觀測站(30.0239°N，121.1401°E)的風(fēng)廓線雷達觀測資料。風(fēng)廓線雷達為北京無線電研究所生產(chǎn)的6～8 km風(fēng)廓線雷達(型號：CFL06)，最小探測高度為150 m，最大探測高度為8000 m以上，垂直探測分辨率分別為120 m(150～3 km)、240 m(3～8 km)。從8 km風(fēng)廓線的資料(圖4)分析發(fā)現(xiàn)高空處于西風(fēng)氣流中，風(fēng)速平穩(wěn)，5000 m以上40 m/s，3 km～5 km風(fēng)速在16～20 m/s之間，1.2～1.8 km西南風(fēng)為主，1.2 km以下由03:00西風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為06:00后東北風(fēng)5～6 m/s，上述分析跟天氣形勢一致。而且06:00后的東北風(fēng)將海上潮濕空氣往港區(qū)航道輸入，濕度增加。另外，高空西南風(fēng)低空東北風(fēng)，上下大氣風(fēng)向不一致，不利于垂直方向空氣交換[13]，有利于霧霾的產(chǎn)生。

圖3 2018年2月15日08:00 500 hPa(a)、850 hPa(b)、 925 hPa(c)、20:00 500 hPa(d)、850 hPa(e)、 925 hPa(f)風(fēng)場、高度場、溫度場和08:00地面場(g) (紫線為高度等值線，單位：dagpm；紅線為溫度等值線， 單位：℃;棕色線為槽線或切變線;藍色線為地面鋒面)

圖4 2018年2月15日寧波余姚6～8 km風(fēng)廓線監(jiān)測風(fēng)場

2.3 地面要素

2.3.1 高塔梯度觀測

選取2018年2月15日寧波北侖涼帽山無人島(29.9107°N，122.0242°E)上370 m高塔梯度觀測的57 m、234 m、285 m、320 m 4層的風(fēng)速和溫度(圖5)進行分析(84 m、116 m、165 m、198 m的數(shù)據(jù)因為設(shè)備故障當天出現(xiàn)缺測)。受弱冷空氣影響，近地面氣溫首先下降，且較明顯，從圖5b來看，07:00—08:00，高塔梯度觀測最低層57 m的溫度從10.7 ℃下降到9.4 ℃，下降1.3 ℃/h；08:00—09:00，從9.4 ℃下降到8.3 ℃，下降1.1 ℃/h。09:00—10:00，從8.3 ℃下降到8.0 ℃，下降0.3 ℃/h，溫度略微波動，基本上沒有下降。而處于234 m以上的3層溫度在07:50左右不降反升，08:10左右又開始出現(xiàn)下降。霧在形成過程中低層的溫度仍在持續(xù)下降，高層溫度先上升后下降，逆溫層持續(xù)加強，在08:50左右達到最強。但是霧形成后又阻礙了溫度的下降，霧內(nèi)因凝結(jié)潛熱的加熱作用，湍流開始發(fā)展，霧內(nèi)層結(jié)結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定，逆溫層開始減弱并消失。從氣溫上看，10:00左右溫度開始呈波動式上升，到了11:00左右，逆溫層徹底破壞。從溫度變化曲線上來看，隨著冷空氣的滲透，高層的氣溫在緩慢下降，逐漸與低層保持一致，霧處于消散期。冷空氣影響到高空以后，高層氣溫近一步下降，低于近地面氣溫，霧消散。

圖5 2018年2月15日寧波北侖涼冒山370 m高塔風(fēng)速(a)、溫度梯度(b)觀測

2.3.2 地面自動站觀測

主要利用港區(qū)激光云高儀周邊自動站和能見度儀的資料，選取周邊距離最近的臻德環(huán)保(K2288)、峙頭(K2390)和遠東碼頭(K2321)等氣象自動觀測站，其中K2390離激光云高儀最近，同時是東側(cè)離海最近的站點，K2288只有能見度要素；而在整個港區(qū)、航道海霧的影響區(qū)域最西邊選擇大榭東(K2391)和大榭南(K2102)兩個站。圖5、圖6是2月15日海霧過程的溫度、風(fēng)速、相對濕度、能見度等氣象要素變化趨勢圖。起霧前幾個小時航道左側(cè)附近有雨，水汽比較充足，相對濕度逐漸增加。將2月15日航道海霧過程分為3個階段：初發(fā)生階段(07:00—08:00)、成熟階段(09:00—10:00)和消散階段(11:30-12:30)。

圖6 2018年2月15日大貓島(K2287)、白鵝山礁(K2295)、 臻德環(huán)保(K2288)能見度和大榭南(K2102)相對濕度變化

初發(fā)生階段，海面上開始出現(xiàn)薄霧，先于陸地起霧，07:50前后沿海能見度開始下降，大貓島K2287能見度由7135 m變?yōu)?571 m，附近濕度大榭南K2102由76%變?yōu)?6%，K2391濕度由88%變?yōu)?9%，相對濕度都處于75%～90%之間，能見度下降到5 km左右，呈持續(xù)下降趨勢，此時處于輕霧天氣。成熟階段，低能見度高相對濕度的維持時期[14]，K2102相對濕度持續(xù)在95%以上，K2288能見度08:55開始降到1000 m以下至892 m，09:40達到最低217 m。航道海面產(chǎn)生濃霧，低能見度狀態(tài)維持了1～2 h。消散階段，10:30以后風(fēng)速變化不大，氣溫有所回升，能見度迅速升高到11:30的5 km左右，但相對濕度相對變化滯后，11:25由100%下降到1 h后的90%以下，處于霧消散期。2月15日08:00—11:00，天氣陰天，寧波鎮(zhèn)海、北侖至舟山定海、岱山一帶的濕度都非常大，在95%以上，而且風(fēng)力不大，維持在3～4級(表1)。地面水汽充分，風(fēng)力柔和，08:00—10:00逆溫層結(jié)穩(wěn)定，合適的氣象條件有利于近地層冷卻，而使空氣達到過飽和，從而導(dǎo)致了寧波東北部和舟山地區(qū)的大霧天氣。11:00以后，風(fēng)力增大不明顯，但濕度明顯減小，大氣層結(jié)破壞，大霧逐漸消散。

綜合分析此次海霧的天氣形勢、地面要素、近地層層結(jié)，以及能見度變化趨勢，可見這是一次以鋒前霧為主的海霧過程，在上暖下冷的鋒面背景下，地面水汽充沛、風(fēng)力柔和，近地層逆溫結(jié)構(gòu)[15]，都為海霧的形成和維持提供了有利條件。

表1 周邊站觀測數(shù)據(jù)

3 傅里葉變換海霧識別

3.1 傅里葉變換原理

傅里葉變換(圖7)主要包括兩種方式：①將信號描述成時間的函數(shù)，②是將信號描述成頻率的函數(shù)。時域中波形變換速度越快(上升時間越短)，對應(yīng)頻域的頻率點越豐富。傅立葉變換將原來難以處理的時域信號轉(zhuǎn)換成了易于分析的頻域信號(信號的頻譜)，可以利用一些工具對這些頻域信號進行處理、加工。時域N個點→頻域為N/2+1個點，采樣頻率為fs時，頻譜圖的最高頻率為fs/2。

圖7 傅里葉變換原理

3.2 海霧識別方法

將信號描述成頻率的函數(shù)，當遇到不同的天氣過程時，空氣中氣溶膠粒子的波動頻率不同，頻譜分布也不一樣。利用傅里葉變換的方式研究海霧天氣過程時粒子對應(yīng)的頻率分布，應(yīng)用到激光雷達海霧監(jiān)測數(shù)據(jù)分析中，海霧顆粒主要是微小水滴分子，霧滴粒子小且輕，波動幅度比較大，以高頻為主[16]。與霾顆粒中粒子波動和頻率表現(xiàn)不同，霾主要是顆粒物分子，霾顆粒物粒子大且重，波動幅度比較小，以低頻為主，以此可以用來區(qū)分霧、霾天氣。

3.2.1 后向散射系數(shù)時空分布

2018年2月15日寧波北侖港區(qū)沿海航道的海霧過程，發(fā)生時段在07:50—11:18間。利用激光云高儀給出當天24 h的后向散射系數(shù)時序(圖8)，從時序圖上看，1 km以下07:50之前后向散射系數(shù)在0(km-1·sr-1)以下，然后到12:00之間近地面500 m左右后向散射強度比較強，可以比較清晰地看到后向散射系數(shù)明顯增大，近地面后向散射強度最強達到0.5(km-1·sr-1)，顆粒物在近地層堆積，分布極不均勻。

圖8 2018年2月15日寧波北侖云高儀后向散射系數(shù)時序

圖9 2018年2月15日海霧過程垂直廓線

選取2月15日海霧過程中比較關(guān)鍵的四個時間點07:50、09:00、10:00、11:50的激光云高儀后向散射系數(shù)進行分析，從高度廓線上(圖9)可以看出，此次海霧過程云高儀后向散射系數(shù)峰值高度經(jīng)歷了先下降后上升的一個過程。從廓線圖中可以大致看出海霧發(fā)生過程中散射系數(shù)峰值的變化情況，07:50左右，海霧開始出現(xiàn)，散射系數(shù)在250 m高度達到最大，最大值達到800(km-1·sr-1)，說明此時東北方向海上來的冷空氣到達后，帶來了充沛的水汽，濕度增加，氣溶膠粒子吸濕后下沉，低云或者水汽下沉，與近地面水滴融合，形成霧；隨著地面霧滴粒子濃度的不斷增大，散射系數(shù)峰值高度也是持續(xù)下降，09:00、10:00的散射系數(shù)在100 m左右達到了最大值，最大值超過1000(km-1·sr-1)；隨著海風(fēng)的不斷增大，東北部濕度又明顯減小，大氣層結(jié)被破壞，海霧逐漸擴散，散射系數(shù)峰值的高度逐漸升高，11:50最大值減小到200(km-1·sr-1)。通過激光云高儀不同時次的后向散射系數(shù)廓線可以看出海霧從發(fā)生到消散的整個過程趨勢，這與地面氣象要素記錄的海霧發(fā)生過程具有較好的吻合性。

3.2.2 傅里葉變換

毫米波雷達監(jiān)測到本次海霧過程的霧頂高度在300～500 m間，因此我們選取250 m處的激光云高儀監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，從250 m高度后向散射系數(shù)廓線圖(圖10a)上看，07:50、11:20左右有兩個比較明顯的脈沖凸起，在這兩個時間點附近后向散射系數(shù)數(shù)值比較大，有比較明顯的回波。兩次脈沖凸起與毫米波雷達監(jiān)測到的起霧時間(07:50)、消散時間(11:18)對應(yīng)；與能見度、濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)也有明顯的相關(guān)，100 m開外的K2288能見度站點08:00左右能見度數(shù)據(jù)從9000 m左右急劇下降，08:55開始降到1000 m以下至892m，09:00降到662 m，09:40最低217 m，然后從09:50的384 m快速上升到10:00的1721 m，11:30能見度回落10 min后繼續(xù)上升；附近K2102濕度從07:50的95%上升到09:10的100%，又從11:15開始急劇下降，12:30到90%以下。

進行傅里葉變換，對應(yīng)250 m高度傅里葉變換頻譜圖(圖10b)，采樣頻率(fs)取1；頻率從08:00—12:00點明顯數(shù)值較大，通過計算得到的高頻百分比(圖10c)所示，海霧過程中頻率明顯高于其他時間段，并且多數(shù)超過50%，與上面地面氣象要素分析吻合度較好。

結(jié)合能見度和相對濕度數(shù)據(jù)(圖6)，對激光云高儀監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，可以看出在此時期間激光云高儀捕捉到了一次明顯的海霧過程。

4 結(jié)論

(1)本次海霧過程是一次以鋒前霧為主的海霧過程，在上暖下冷的鋒面背景下，地面水汽充沛、風(fēng)力溫和，近地層逆溫結(jié)構(gòu)，為海霧的形成和維持提供了有利條件。

(2)通過對風(fēng)廓線雷達資料分析，上下大氣風(fēng)向不一致，不利于垂直方向空氣交換，有利于霧霾的產(chǎn)生。

(3)激光云高儀后向散射系數(shù)可以比較清晰的得出霧滴粒子的光學(xué)特性和過程演變趨勢。海霧發(fā)生和消散時，后向散射系數(shù)大，并且有觸發(fā)脈沖式凸起。霧滴粒子隨著海霧的生成、發(fā)展、消散，后向散射系數(shù)強度也呈增強、強、逐漸減弱的變化。

(4)霧天氣現(xiàn)象下霧滴粒子小且輕，波動幅度比較大，某一高度粒子的傅里葉變換頻率譜對應(yīng)頻率較高，高頻所占比多數(shù)大于50%。