劉雪映，時曉曚

（1.膠州市氣象局，山東 膠州 266300；2.青島市氣象臺（青島市海洋氣象臺），山東 青島 266003）

1 引言

大霧天氣的低能見度會對航空、航運和公路交通產生嚴重危害，大霧已成為影響經濟發(fā)展的重要災害性天氣之一。膠州灣位于黃海中部，不僅擁有中國沿海重要的吞吐口岸，也位于國內重要的區(qū)域性樞紐機場的降落區(qū)。膠州灣及沿岸地區(qū)的大霧天氣對膠州灣海陸空交通安全具有十分重要的影響。

目前針對沿海海霧的機理分析和數值模擬已有較為深入的研究[1-8]，但海灣內大霧的研究成果較少。早在1902 年，Proctor[9]發(fā)現巴澤滋灣內的夏季霧盛行西南風，海灣沿岸的陸地地形對大霧的產生和引導有重要作用。Varney[10]通過對加利福尼亞灣的一次大霧過程進行分析后發(fā)現，灣內海岸線的摩擦作用會使灣區(qū)內暖空氣移動速度減慢，形成楔形斜面，冷空氣沿斜面上升形成對流冷卻從而使水汽凝結形成大霧。我國東海和南海不同位置灣區(qū)的大霧特征不同。湄洲灣最常見的海霧類型為平流輻射霧，由于“熱島效應”和地形的共同影響，灣內偏內陸的莆田站霧日數比沿海站霧日數明顯降低[11]。寧波灣海霧通常出現在江淮氣旋和冷空氣影響前以及梅雨鋒中低渦東移前，且自西向東具有不同的霧頻分布特點，在一定的氣象條件下，該灣海霧的發(fā)生概率隨著濕度的增加和氣壓的減小而增加[12]。北部灣的氣溫、相對濕度和風速是大霧形成的關鍵影響因子[13]，灣區(qū)中輻射霧的氣溫與能見度呈同位相變化，鋒面霧的氣溫和露點溫度與能見度分別呈反相和同相變化，平流霧的氣溫和露點溫度呈逐日升高趨勢[14]。

下墊面的特征對大霧的形成有重要作用。史得道等[15]通過分析黃渤海春季一次海霧過程的下墊面海洋特征發(fā)現，霧區(qū)的分布與相對濕度大于90%和海氣溫差在4 ℃以內的區(qū)域分布較一致，海霧形成的水汽來源于黃海南部的水汽輸送大值中心。Wang 等[16]對梅雨季節(jié)杭州灣的一次濃霧過程進行研究，發(fā)現陸地-海洋的熱對比度在大霧過程中起重要作用。目前針對灣區(qū)大霧的研究聚焦于灣內霧的氣候特征和發(fā)展機理，但未考慮到灣內地形影響下下墊面差異對大霧的影響。膠州灣地處黃海西北部，三面被陸地環(huán)抱，南面與黃海相連，地形復雜，同時受海洋和陸地的影響，灣內不同位置的大霧受海洋和陸地的影響程度不同。目前還沒有研究對膠州灣不同下墊面的大霧特點進行系統(tǒng)分析。作為三面環(huán)陸的海灣，不同灣區(qū)的大霧特征具有相似性，膠州灣作為我國沿海地區(qū)的代表性灣區(qū)，探究灣內不同下墊面影響下的大霧氣候特征，能夠為其他灣區(qū)的大霧研究提供借鑒。

2 資料和方法

本文使用的資料包括：2013—2019年膠州灣沿岸及跨海大橋上17個自動氣象觀測站（具體位置見圖1，各站代碼見表1，本文提到的站點均用代碼表示）的10 min 平均能見度觀測資料和地面氣象要素（溫度、相對濕度、10 min 平均風向、10 min 平均風速、降水量）逐小時觀測資料。17 個觀測站均為江蘇省無線電科學研究所DZZ4 型自動氣象站。該自動氣象站基于現代總線和嵌入式系統(tǒng)技術構建，可完成對氣溫、濕度和能見度等要素的數據采集、質控和存儲傳輸。觀測數據均根據《自動氣象站觀測規(guī)范》和《氣象資料業(yè)務系統(tǒng)數據質量控制作業(yè)指導書》相關要求進行質量控制。

表1 膠州灣3類觀測站代碼表Tab.1 Codes of three types of observation stations in Jiaozhou Bay

圖1 膠州灣觀測站分布Fig.1 Distribution of observation stations in Jiaozhou Bay

本文的霧日判別標準：10 min 平均能見度數據低于1 km且持續(xù)30 min以上、出現霧的站數超過總站數的1/4（≥5 個）并且剔除雨雪影響，算作一個霧日。剔除雨雪影響的方法為根據人工觀測經驗，利用觀測站逐小時降水量數據，若能見度低于1 km 時有超過0.0 mm的降雨（雪）量，則判斷低能見度受雨（雪）影響，剔除該霧日。

大霧分類方法為：將大霧過程中膠州灣觀測站和青島黃海沿岸觀測站的大霧開始時間進行對比，并結合國家衛(wèi)星氣象中心下發(fā)的衛(wèi)星產品進行分類。青島的海霧類型主要為平流霧[1,17-19]，膠州灣內的海霧主要為青島沿海平流霧入侵導致。如果霧區(qū)僅限于膠州灣區(qū)域，則判定此次大霧個例為局地輻射霧；如果兩地均有大霧，黃海沿岸觀測站的大霧開始時間早于膠州灣觀測站，則說明膠州灣大霧為青島平流霧入侵。如果膠州灣觀測站的大霧開始時間早于黃海沿岸，且衛(wèi)星產品未顯示在黃海海岸線形成大范圍霧區(qū)，則為輻射霧。

3 站點分類方法及結果

膠州灣地形復雜，不同觀測站所處的下墊面不同，各站大霧受海洋和陸地的影響程度不同，大霧類型及特征均不相同。根據觀測站的地理位置、霧日季節(jié)分布特征以及大霧類型占比將膠州灣觀測站進行分類。

研究表明，山東半島輻射霧多發(fā)于冬季，青島海霧多在4—7 月生成[1]。分類方法如下：主要受海洋下墊面影響，大霧季節(jié)特征與海霧接近，大霧主要類型為海霧的站點為第一類站點；受陸地下墊面影響，霧日季節(jié)分布特征與輻射霧接近，主要受輻射霧影響的站點為第二類站點；能同時受海洋和陸地影響，霧日季節(jié)分布較均勻，海霧和輻射霧占比接近的站點為第三類站點。

依據站點分類方法分析每個觀測站的地理位置、霧日季節(jié)分布特征及大霧類型占比，將膠州灣觀測站分為3類（見圖1b）。第一類站點（紅色站點）均位于跨海大橋上，主要受海洋影響，霧日季節(jié)分布與海霧相似，海霧占比均在70%以上（見圖2），大霧類型主要為海霧；第二類站點（紫色站點）位于灣區(qū)內陸或東北方向，主要受陸地影響，大霧季節(jié)分布與輻射霧接近，海霧占比在50%以下；第三類站點（綠色站點）位于膠州灣沿岸或西北方向，所處位置同時受海洋和陸地下墊面影響，海霧和輻射霧占比相當。

圖2 膠州灣觀測站2013—2019年海霧占比Fig.2 Proportion of sea fog at Jiaozhou Bay observation stations from 2013 to 2019

為驗證上述分類的準確性，本文分別選取影響3 類站點、每個季節(jié)均有發(fā)生、持續(xù)時間為8～36 h的20次大霧過程，統(tǒng)計每類站點大霧發(fā)生時的平均溫度日變化（見圖3）。結果表明：第一類站點大霧發(fā)生時的溫度為12～16 ℃，日變化較小，最高和最低溫度僅相差3.0 ℃；第二類站點的溫度日變化較明顯，最高與最低溫度相差8.0 ℃，20 時—次日07時（北京時，下同）溫度不斷下降至6.1 ℃，之后溫度開始回升，15 時達到最高14.1℃；第三類站點的溫度日變化特點介于第一、二類之間，溫度的日變化趨勢與第二類站點基本相同，但變化幅度遠小于第二類站點，高于第一類站點，溫度變化范圍為9.9～15.0 ℃。海霧發(fā)生時溫度平穩(wěn)，變化范圍較小，而輻射霧由于夜間輻射冷卻作用，地面散熱迅速，降溫幅度較大。由此驗證膠州灣觀測站的分類較為準確，可以作為后續(xù)分析的基礎。

3)根據頂板下沉量確定頂板控頂效果，提出來壓時支架均值偏阻力p1、來壓時支架均值上阻力p2；利用位態(tài)方程，分別計算支架均值阻力p、來壓時支架均值偏阻力p1、來壓時支架均值上阻力p2及額定工作阻力p相對應的頂板下沉量，分析比較支架不同阻力時頂板控頂效果及支架循環(huán)末阻力超限比例，最終確定新支架額定工作阻力為21 000 kN，并對支架結構進行優(yōu)化，工作面換用新支架后，實測表明頂板下沉量小于300 mm。

圖3 3類站點大霧過程的平均溫度日變化Fig.3 Daily variation of average temperature during heavy fog events at three types of stations

4 膠州灣大霧氣候特征

利用2013—2019 年膠州灣觀測站10 min 平均能見度數據，分析膠州灣大霧整體氣候特征，并依據站點分類結果，對各類站點的季節(jié)和日變化特征進行分類探究。

4.1 灣區(qū)大霧年際變化特征

膠州灣沿岸觀測站2013—2019 年平均霧日年際變化特征表明（見圖4），灣區(qū)平均霧日44 d，霧日最多年份為2014 年和2016 年，兩年合計占比34.6%，霧日最少年份為2019 年，僅有35 d。我國不同灣區(qū)的霧日年際差異較明顯，福建海岸的湄洲灣1974—2003 年年平均霧日數整體呈下降趨勢，最多霧日天數與最少霧日天數差值為17～44 d[11]；2002—2011年，渤海的遼東灣西岸海霧霧日數在2010年最多，為33 d，2002 年最少，為10 d[20]。膠州灣位于黃海，其地理環(huán)境與其他海灣均不相同，霧日年際變化特點與其他灣區(qū)具有差異性。

圖4 2013—2019年膠州灣觀測站平均霧日年際分布Fig.4 Interannual distribution of average foggy days at Jiaozhou Bay observation stations from 2013 to 2019

4.2 灣區(qū)大霧季節(jié)變化特征

2013—2019 年膠州灣觀測站總霧日數占比的季節(jié)變化顯示（見圖5），灣內每月均有大霧發(fā)生，其中1 月和12 月的霧日占比最多，分別為11.5%和13.6%；8 月和9 月霧日發(fā)生頻次最少，合計占比僅為12.0%。由此可見，膠州灣大霧的季節(jié)變化特征為大霧多發(fā)生在冬季，晚夏和初秋最少。青島市霧季一般為4—7 月，海霧占比達50%以上，6—7 月為海霧高發(fā)期，而3 月之前和8 月之后海霧發(fā)生較少[19]。由此可見，膠州灣雖位于青島地區(qū)，但由于灣區(qū)特殊的地理環(huán)境，其大霧季節(jié)變化特征與青島市區(qū)有很大區(qū)別。

統(tǒng)計膠州灣3類觀測站的平均霧日季節(jié)分布特征發(fā)現（見圖5），不同類型站點的大霧季節(jié)分布互不相同。第一類站點位于距離海面上方50 m 的跨海大橋上，主要受海洋下墊面影響，其平均霧日的季節(jié)變化特征與海霧接近。大霧集中在5—7月，總占比達42.2%，8—9月霧日最少，占比僅為5.4%。

圖5 2013—2019年3類站點平均霧日及所有站點總霧日的季節(jié)分布Fig.5 Seasonal distribution of average foggy days at three types of stations and total foggy days at all stations from 2013 to 2019

第二類站點位于膠州灣內陸與東北方向，受膠州灣東南海風影響較小，黃海海霧對站點的影響較低，發(fā)生的大霧多為內陸輻射霧，過程大多發(fā)生在深秋和冬季。其霧季分布規(guī)律與第一類站點相反，大霧多發(fā)生于1—2 月和11—12 月，合計占比達到59.6%，6—8 月霧日最少，僅占全年的10.5%。霧季分布規(guī)律與輻射霧相似，主要受輻射霧影響。

第三類站點位于灣內沿海地區(qū)及西北方向，能同時受到膠州灣東南海風和陸地影響，輻射霧和海霧占比相當。平均霧日的季節(jié)分布較均勻，每月霧日占比集中在6%～14%之間，1 月和12 月霧日最多，但和夏季差距較小。

4.3 灣區(qū)大霧日變化特征

對膠州灣3 類觀測站大霧過程起、止時次的日變化特征進行分類統(tǒng)計（見圖6、7）。第一類站點大霧的日變化特征為開始時次分布較均勻，每個時次均有大霧生成，但04—07 時發(fā)生大霧最多，合計占比32.9%，其次為19—23 時，發(fā)生大霧也較多，合計占比21.2%；大霧結束時次集中在06—09 時和22時，合計占比達41.2%。青島海霧易在03—06 時和17—19 時出現，08—11 時和22 時消散[17]。 國內不同灣區(qū)海霧生消時次接近，海霧出現的峰值時間為03—07 時，消散峰值為06—10 時[11,20-21]。第一類站點與海霧起、止時次的日變化特征接近。

圖6 3類站點大霧開始時次的日變化Fig.6 Daily variation of the beginning time of heavy fog events at three types of stations

第二類站點大霧的日變化特征為開始時次集中在22 時—次日05 時，合計占比68.2%，11—14 時大霧生成較少；大霧結束時次集中在06—08 時，占比為39.9%，16—23 時霧消散頻次較低。輻射霧在20時—次日08時最容易生成，大多數輻射霧在07—14 時消散，08—11 時霧消散頻率較高[22]。對比發(fā)現，第二類站點大霧起、止時次的日變化特征與輻射霧吻合。

以上分析表明，膠州灣內不同類型的站點由于所處下墊面的不同，受海霧和輻射霧影響的比例也不同，其大霧季節(jié)和日變化特征均不相同。第一類站點主要受海洋影響，大霧季節(jié)和日變化特征與海霧接近；第二類站點受海洋影響少，主要受陸地下墊面影響，其大霧季節(jié)和日變化特征與輻射霧相似；第三類站點同時受海洋和陸地下墊面影響，大霧季節(jié)和日變化規(guī)律介于第一、二類站點之間。

4.4 灣區(qū)大霧空間分布特征

2013—2019 年膠州灣17 個站點的霧日頻次顯示（見圖8），膠州灣西部地區(qū)霧日頻次明顯多于東部地區(qū)，西部站點JZ、DGH、TJY、TBT、LQ 和HTG霧日頻次占所有站點的51.5%。膠州灣大霧呈現“西多東少”的空間分布特征。第5部分將通過分析不同大霧類型中受不同下墊面影響的東、西站點氣象要素的變化規(guī)律討論膠州灣大霧“西多東少”空間分布的原因。

圖7 3類站點大霧結束時次的日變化Fig.7 Daily variation of the end time of heavy fog events at three types of stations

圖8 2013—2019年膠州灣自西向東站點的霧日頻次Fig.8 Frequency of foggy days at the stations from west to east in Jiaozhou Bay from 2013 to 2019

5 海霧和輻射霧影響下不同下墊面的氣象要素變化

5.1 個例對比分析

本文選取膠州灣的兩次典型大霧過程，分別分析東、西部受不同下墊面影響的典型站點SBG 和DGH 在兩次大霧過程發(fā)生前6 h、發(fā)生過程中、發(fā)生后6 h 地面各氣象要素的演變過程，探究灣內大霧“西多東少”空間分布的原因。兩次過程分別為2014 年4 月2 日04—09 時的海霧過程（以下簡稱A過程）和2018年12月21日19時—22日11時的輻射霧過程（以下簡稱B 過程）。A 過程中黃海海霧于2日04 時入侵膠州灣（見圖9），09 時結束，西部站點能見度下降，而對東部站點無影響。B 過程開始于溫度較低的夜晚，在溫度較高的中午結束，不僅使西部站點能見度降低，還對SBG 和LTS 等東部站點能見度有所影響。

圖9 A和B大霧過程DGH（實線，上排風向桿）和SBG（虛線，下排風向桿）的地面氣象要素演變情況Fig.9 Evolution of surface meteorological elements at DGH（solid line，upper row wind shaft）and SBG（dotted line,lower row wind shaft）during heavy fog processes A and B

受觀測站分布密度和再分析數據分辨率的限制，現有數據不能精細地刻畫大霧發(fā)展過程，但可以大致描述大霧發(fā)展過程中受不同下墊面影響站點的氣象要素變化。本文選取的SBG 站位于膠州灣東北部，主要受陸地下墊面影響，DGH 站位于膠州灣西北部，同時受海洋和陸地下墊面影響。

A 過程只影響了膠州灣西部觀測站，DGH 站和SBG站的能見度與相對濕度呈反位相變化。DGH站的能見度于1 日22 時開始下降，2 日06 時達到最低的0.197 km，產生濃霧。SBG 站的能見度為2～5 km，沒有大霧生成。DGH站在海霧過程中的相對濕度均在70%以上，在海霧發(fā)生時維持在90%以上，為海霧的發(fā)展提供了充足的水汽條件。SBG 站的相對濕度在50%～80%，不能為海霧的維持提供充足的水汽條件。在A 過程中，兩站溫度變化幅度較平緩，與能見度呈同位相變化，DGH 站的溫度一直低于SBG 站且變化幅度比SBG 站小，DGH 站的溫度降低有利于水汽凝結形成水滴，為海霧的維持發(fā)展提供條件。SBG 站由于溫度偏高，水汽無法凝結形成霧滴，不能形成霧。在1 日22 時—2 日08 時海霧發(fā)生前及過程中，DGH 站一直為東南風，09 時海霧結束后轉為西南風。SBG 站在海霧發(fā)生前及過程中主要為偏北風，短時偏南風。東南風將黃海沿岸的平流海霧通過灣口輸送進膠州灣西北部，同時將黃海的暖濕水汽帶到膠州灣西部，使膠州灣西部水汽條件優(yōu)于東部，為海霧的持續(xù)發(fā)展提供條件。東部站點在A 過程中主要為偏北風，無法從黃海為站點提供充足的水汽供應，故沒有海霧發(fā)展。

B 過程中，兩站的能見度與相對濕度呈反位相變化，與溫度呈同位相變化。21日17時開始能見度下降，22日01時和06時DGH 站與SBG 站分別達到最低能見度0.062 km 和0.086 km，兩站均有輻射霧發(fā)生且DGH 站的強度高于SBG 站。21 日21 時—22 日12 時，DGH 站 的 相 對 濕 度 維 持 在90%～100%，SBG 站在過程中的相對濕度一直在80%～95%，相對濕度低于DGH 站。22 日12 時之后，兩站相對濕度開始降低，輻射霧消散。整個輻射霧過程中，DGH站一直為東南風，SBG站主要為西北風，東南風將灣區(qū)內海洋的暖濕水汽輸送到DGH站，因此DGH 站的水汽條件好于SBG 站，水汽更充足。在大霧過程中，兩站均受地面輻射冷卻作用形成輻射霧，由于DGH 站有東南風提供的充足水汽，輻射冷卻作用更強，輻射霧強度也更強，因此在大霧發(fā)展前期溫度下降幅度大，但整個輻射霧過程中，SBG站由于主要受陸地下墊面影響，熱容量小，降溫幅度最高達9 ℃，大于DGH站。

5.2 風向統(tǒng)計分析

根據兩次個例的氣象要素變化結果可知，膠州灣內的風場使東西兩邊站點的溫度和濕度產生較大差異，從而影響大霧的發(fā)展，這是膠州灣大霧形成“西多東少”空間分布的關鍵因素。為探究膠州灣內海霧和輻射霧發(fā)生時的盛行風向，本文分別選取2013—2019 年10 個只影響西部站點的輻射霧、同時影響東部和西部的輻射霧、只影響西部的海霧以及同時影響東部和西部的海霧個例，分別以DGH站和SBG 站為西部和東部站點代表，對大霧發(fā)生前6 h、大霧發(fā)生時以及發(fā)生后6 h的風向進行平均，統(tǒng)計結果如表2所示。

表2 DGH和SBG不同類型大霧個例的平均風向（單位:°）Tab.2 Average wind directions of different types of heavy fog at DGH and SBG（units:°）

在海霧發(fā)生的前、中、后期，DGH 站和SBG 站均為東南風（129°～185°），海霧發(fā)生時，膠州灣內盛行東南風，能夠將黃海的海霧沿東南方向吹向灣內西部地區(qū)，為西部站點持續(xù)提供暖濕空氣，形成平流海霧，所以西部站點的水汽條件優(yōu)于東部，西部海霧多于東部。在輻射霧發(fā)生過程中，DGH站均為東南風（99°～106°），灣區(qū)內的海洋下墊面可以為DGH站提供充足的水汽，為輻射霧的輻射冷卻提供水汽條件；SBG 站平均風向為東北風（67°），帶來干空氣，水汽條件較差，不利于SBG 站輻射霧的生成，東部水汽條件差，輻射霧僅在西部生成。所以西部站點海霧和輻射霧的數量均多于東部。膠州灣內盛行的東南風是膠州灣西部大霧多于東部至關重要的因素。

膠州灣內的風場對膠州灣東、西部的濕度和溫度均有影響，從而造成大霧“西多東少”的空間分布特征。膠州灣東北部站點主要受陸地下墊面影響，膠州灣盛行的東南風影響微弱，水汽條件較差，大霧類型多為輻射霧。西部站點由于位于近海區(qū)域，同時受海洋和陸地的影響，且膠州灣內盛行的東南風可以將黃海沿岸的海霧及暖濕空氣吹向西部站點，為站點提供充足的水汽和適宜的溫度條件，因此西部站點的相對濕度高于東部，能夠為海霧及輻射霧的輻射冷卻作用提供更充足的水汽條件，所以西部站點的海霧和輻射霧均多于東部。

6 結論與展望

本文利用2013—2019 年膠州灣沿岸17 個氣象觀測站的觀測資料，對膠州灣大霧的氣候特點和氣象要素特征進行了統(tǒng)計分析。結論如下：

（1）根據下墊面及每個站點的霧日季節(jié)分布規(guī)律，將膠州灣沿岸觀測站分為3類：位于跨海大橋上的站點，主要受海洋影響，大霧季節(jié)分布與海霧相似，主要為海霧；位于膠州灣內陸及東北方向的站點，主要受陸地下墊面影響，大霧類型主要為輻射霧；位于膠州灣沿岸及西北方向的站點，所處位置同時受海洋和陸地下墊面影響，大霧同時具有海霧和輻射霧的氣候特征。

（2）膠州灣大霧具有顯著的年際、季節(jié)、日變化及空間分布特征。膠州灣平均霧日為44 d，2014 年和2016年霧日最多，為57 d，最少年份為2019年，僅有35 d。膠州灣冬季1 月和12 月大霧過程最多，晚夏和初秋8—9 月霧日最少。由于膠州灣3 類站點海霧和輻射霧的占比不同，大霧起、止時次的日變化特征及季節(jié)特征也互不相同，分別接近各類站點的主類型大霧特征。灣區(qū)大霧日數的空間分布特征為西部多東部少。

（3）大霧發(fā)生時，膠州灣西部站點大霧強度高于東部，水汽條件好于東部，且西部站點盛行東南風，東部站點盛行偏北風。膠州灣內盛行的東南風是膠州灣西部大霧多于東部的重要原因。東南風將黃海沿岸的海霧及暖濕空氣吹向西部，為站點提供充足的水汽及適宜的溫度條件，西部站點相對濕度高于東部，為海霧及輻射霧的輻射冷卻作用提供更充足的水汽條件，所以西部站點的海霧和輻射霧均多于東部。

本文根據觀測資料分析總結出了膠州灣大霧的氣候特征及氣象要素變化特點。但針對不同下墊面氣象要素變化的研究，本文選取的個例較少，得到的結論是否具有普適性還需要進一步探究。后期需要利用數值模式來驗證風場等物理量對灣內大霧的影響，進一步提高膠州灣大霧的預報水平。