陸芊芊，鄭鳳琴*，畢瑞迪，陸雪婷

（1.廣西壯族自治區(qū)氣候中心，南寧 530022；2.潿洲島氣象站，北海 536004）

引言

海霧是指發(fā)生在洋面上或者海域附近上空，由于邊界層中的水汽大量凝結(jié)造成的大氣能見度低于1km 的天氣現(xiàn)象［1］。海霧對航海交通、海洋漁業(yè)及軍事活動都有不利影響［2］。開展海霧外場觀測有助于加深對海霧微物理特征的認(rèn)識，進而提高海霧預(yù)報的準(zhǔn)確性［3］，有效預(yù)防或減輕海霧對海上生命財產(chǎn)安全帶來的威脅。

中國對海霧的外場觀測研究始于20 世紀(jì)80 年代，楊中秋等［4］對舟山地區(qū)海霧進行了外場觀測，初步分析了微物理量的時間演變特征和霧滴譜分布特征。近年來，我國學(xué)者在華東、華南、福建等沿海地區(qū)開展海霧外場觀測，取得了較大的成果。徐靜琦等［5］基于觀測得到的微物理特征，建立了青島海霧能見度與消光系數(shù)的線性關(guān)系。呂晶晶等［6-7］發(fā)現(xiàn)，湛江地區(qū)海霧的霧滴譜分布呈單調(diào)遞減特征，多數(shù)時段霧滴數(shù)濃度與平均直徑呈正相關(guān)關(guān)系（海霧成熟階段除外）。張悅等［8］探討了廈門地區(qū)海霧微物理結(jié)構(gòu)與氣象要素之間的關(guān)系，海霧爆發(fā)性增長時，風(fēng)速風(fēng)向會發(fā)生明顯變化，而微結(jié)構(gòu)的起伏則與風(fēng)速無關(guān)。

潿洲島位于北部灣海域中部，每年冬、春季海霧頻發(fā)［9］，對客運、海上捕撈等造成了不利影響。然而到目前為止，鮮有關(guān)于北部灣海霧外場綜合觀測研究的相關(guān)文獻(xiàn)記載，缺乏對北部灣海霧過程中微物理特征的研究。因此，本文根據(jù)2021 年2 月—4 月項目組在潿洲島進行外場觀測得到的海霧霧滴譜及相關(guān)的氣象資料，總結(jié)分析4 次海霧過程中氣象要素及微物理量的基本特征，并對一次海霧過程的微物理結(jié)構(gòu)進行重點分析，給出霧滴譜分布特征，以期為海霧預(yù)報提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 觀測地點及時間

觀測地點設(shè)在潿洲島國家基準(zhǔn)氣候站內(nèi)，地處潿洲島西南角，南側(cè)為北部灣海域，觀測儀器架設(shè)于站內(nèi)一棟2 層小樓樓頂，采樣點正對大海，距離海邊200m 左右，海拔高度55m，無障礙物遮擋。

外場觀測于2021 年2 月1 日開始，2021 年4月30 日結(jié)束。為確保試驗期間采樣通道不受海氣污染，觀測人員在每次海霧過程前啟動儀器，過程結(jié)束立即停止采樣，其它時間處于待機狀態(tài)。

1.2 觀測儀器

FM-100 型霧滴譜儀由美國DMT 公司研發(fā)，可實現(xiàn)霧粒子尺度及數(shù)濃度的連續(xù)測量，霧滴譜儀主要由真空腔、光具座、電子信號處理器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4 部分組成［10］，其中，真空腔可控制氣流速度，計算粒子數(shù)濃度，光具座可接收霧滴粒子的前向散射光，電子信號處理器將收集到的光信號轉(zhuǎn)化為電壓差并傳輸，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對光信號進行處理，打包成數(shù)據(jù)文件存儲起來。本次觀測中設(shè)置采樣頻率為1Hz，測量的直徑范圍（1～50μm）分為20 檔。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本次觀測獲得4 個數(shù)據(jù)文件，共計210 余萬條數(shù)據(jù)，觀測數(shù)據(jù)的處理流程為：首先剔除異常值，剔除后采用缺省值代替；根據(jù)公式（1—3）［10］計算各微物理參量，計算時舍棄第一檔（1～2μm）數(shù)據(jù)；根據(jù)能見度數(shù)據(jù)，篩選海霧過程時段，在該時段內(nèi)，求出所有物理參量的1min 去尾平均值。

其中，N 為總數(shù)濃度（單位：cm-3），LWC 為液態(tài)水含量（單位：g·m-3），是平均直徑（單位：μm），n（r）是每檔粒子的數(shù)濃度（單位：cm-3），r 是霧滴半徑（單位：μm），ρ 為液水密度（取1g·cm-3）。

1.4 輔助資料

本文使用的資料還有廣西壯族自治區(qū)氣象信息中心提供的潿洲島國家基準(zhǔn)氣候站的水平能見度（下簡稱“能見度”，Vis）及地面氣象要素（風(fēng)速、風(fēng)向、相對濕度、氣溫等）數(shù)據(jù)，時間分辨率為1min。

本文規(guī)定海霧過程的判斷依據(jù)［11］是：（1）起霧：Vis＜1km 且持續(xù)10min 以上，同時滿足上述條件定為起始時間；（2）消散：能見度大于10km 時，最后一個Vis≤1km 的時刻記為結(jié)束時間。

2 結(jié)果與分析

2.1 海霧過程總體特征

2021 年2—4 月，潿洲島共觀測到4 次海霧過程（表1）。4 次海霧的起霧時間均在凌晨，早晨八點之前消散，有3 次過程發(fā)生在凌晨03∶00—05∶00，與葉庚姣等［12］統(tǒng)計的北部灣海霧最易出現(xiàn)海霧的時段一致。潿洲島海霧持續(xù)時間較短，4 次過程中有3 次持續(xù)時間小于1h，平均持續(xù)時間為1.1h，遠(yuǎn)小于我國福建沿海［13］及廣東沿海［14］海霧 的持續(xù)時間，可能是霧團尺度較小。

表1 2021 年潿洲島4 次海霧過程概況

此次觀測期間，海霧過程平均氣溫為20℃，與較低的海面溫度之間形成溫度差，水汽冷卻凝結(jié)，易形成海霧，平均相對濕度均大于90%，平均風(fēng)速基本在3m·s-1以下（表2），與古明悅等［15］統(tǒng)計結(jié)果基本一致，適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速有利于海霧的生成和維持；風(fēng)速過大，湍流交換強，不利于海霧的形成；風(fēng)速過小，不利于水汽和霧滴的垂直輸送及暖濕空氣的水平輸送［16］。這4 次海霧過程中，主要風(fēng)向為東北風(fēng)，占全部過程的83%，這是潿洲島海霧與其他地區(qū)較顯著的區(qū)別。

表2 4 次海霧過程氣象要素變化范圍和平均值

表1 還統(tǒng)計了2021 年3 次海霧過程的微物理特征，包括數(shù)濃度、液態(tài)水含量和平均直徑的變化范圍和平均值，個例1 發(fā)生時儀器啟動不及時導(dǎo)致數(shù)據(jù)不全，故未統(tǒng)計。3 次過程平均霧滴數(shù)濃度為79.5cm-3，變化范圍為3.8～454.9cm-3；平均液態(tài)水含量為0.01g·m-3，最大含水量為0.18g·m-3；粒子尺度的平均值為4.3μm，變化范圍為3.8～6.9μm，對比國內(nèi)其他地區(qū)海霧，潿洲島海霧的液態(tài)水含量和平均直徑均略小。

2.2 典型個例分析

2.2.1 宏觀特征分析

2021 年2 月28 日凌晨，北部灣地區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的海霧天氣，最低能見度為464m，此次霧過程在28 日05∶57 消散，凌晨有兩次短時間的間歇，過程持續(xù)了4.5h。27 日20∶00 500hPa 潿洲島位于副高西側(cè)的西南氣流中，同時低槽東移，帶來充分的水汽。850hPa 切變線南壓，潿洲島主要受切變線南側(cè)的西南暖濕氣流影響。地面場上，潿洲島位于低壓前部，偏北偏東風(fēng)向。地面與高空流場配合，不斷給北部灣補充水汽和熱量，促成本次霧過程。

圖1 顯示了2021 年2 月27—28 日能見度和氣象要素隨時間的變化。海霧發(fā)生前，能見度波動下降，與此同時，相對濕度呈階梯式上升，風(fēng)速也有明顯的下降趨勢，01∶00 之后能見度維持在1200m 左右，01∶28 能見度降到1km 以下，開始起霧。海霧過程中氣溫維持在一個相對較低的狀態(tài)，在17～19°C的范圍內(nèi)變化，04∶00 氣溫上升，海霧進入間歇階段，05∶00 能見度降低，持續(xù)半小時后能見度再次大于1km，隨后溫度逐漸上升，海霧逐漸消散。海霧過程風(fēng)向為穩(wěn)定的東北偏北風(fēng)，06∶00 風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，能見度好轉(zhuǎn)，海霧消散，風(fēng)速基本在3～4m·s-1之間，相對濕度一直維持在97%～98%，除氣溫之外的氣象要素狀態(tài)相對穩(wěn)定。

圖1 2021 年2 月28 日地面氣象要素隨時間的變化

2.2.2 微物理特征分析

如圖2 所示，能見度與液態(tài)水含量LWC 和數(shù)濃度N 的變化趨勢相反，2 月28 日01∶57 能見度下降，海霧迅速發(fā)展，數(shù)濃度迅速增大，液態(tài)水含量也處于上升階段，此時平均直徑在下降；01∶57 至04∶12時段為海霧成熟階段，液態(tài)水含量和數(shù)濃度均處于高值狀態(tài)，無明顯的峰值；04∶21 能見度回升，進入約0.5h 的間歇期，這一階段液態(tài)水含量、數(shù)濃度及平均直徑均維持在一個較低的水平；05∶00 能見度降到1km 以下，液態(tài)含水量、數(shù)濃度及平均直徑均波動上升，并且在05∶30 左右達(dá)到峰值，05∶28 霧開始消散，液態(tài)含水量、數(shù)濃度及平均直徑開始下降，到05∶57此次海霧過程結(jié)束。

圖2 2021 年2 月28 日海霧過程中能見度及各微物理參量的1min 平均值隨時間的演變

表3 統(tǒng)計了本次海霧過程與國內(nèi)其他地區(qū)海霧的特征參量，此次海霧過程最大粒子數(shù)濃度達(dá)到454.9cm-3，與南海西北部［17］、廈門［18］的觀測值相當(dāng)，高于華東［4-5］（舟山、青島）與華南沿海［6］（湛江、茂名）部分區(qū)域，霧過程中平均粒子數(shù)濃度為76.7cm-3，明顯低于華南沿海區(qū)域多次試驗的觀測值，主要是因為潿洲島孤立于海洋中，與城市距離較遠(yuǎn)，城市可吸入顆粒物的影響小。此次過程，液態(tài)水含量最高值及平均值分別僅有0.03g·m-3和0.006g·m-3，均低于國內(nèi)目前開展的外場試驗觀測值，可能的原因是相比于國內(nèi)其他觀測，此次海霧過程持續(xù)時間短、且未有達(dá)到濃霧等級的時段、最低能見度偏高，導(dǎo)致液態(tài)含水量較小。平均直徑為4.0μm，與國內(nèi)其他典型海霧過程相比雖偏小但差異不大，表明海霧以小粒子為主，直徑較大的顆粒物含量少。

表3 潿洲島海霧與國內(nèi)典型海霧過程微物理特征比較

2.2.3 霧滴譜分布特征

圖3 為此次海霧過程的平均譜分布及擬合曲線，根據(jù)實測資料，利用最小二乘法擬合了平均霧滴譜公式。結(jié)果表明，平均譜滿足Junge 分布，即：N（D）=984.12D-2.67，擬合優(yōu)度確定系數(shù)R2=0.97。其中7.25μm 以下的實測值大于理論值，其他區(qū)間的實測值均小于或等于理論值，實測值與擬合曲線十分接近，表明該分布函數(shù)能很好反映本次海霧的平均狀況。霧過程的平均譜分布呈單調(diào)遞減變化，霧滴主要集中在4～12μm，整個譜分布偏向小粒子一端，這是華南沿海海霧典型的譜分布特征［7，10］，但區(qū)別于舟山地區(qū)［4］及廈門地區(qū)［18］的海霧霧滴譜分布，這兩個地區(qū)的譜分布呈雙峰變化，更符合Deirmendjian 分布。由此可知，海霧的譜分布具有鮮明的局地特征，是由各個因子復(fù)雜的影響形成的，需要具體分析。

圖3 平均譜分布

3 結(jié)論

利用2021 年2—4 月在潿洲島觀測獲得的微物理參量、能見度等資料，總結(jié)分析4 次海霧過程的整體特征，并對個例3 的宏微觀特征進行重點分析，得到以下結(jié)論。

（1）潿洲島海霧的形成不具備明顯的日變化，多出現(xiàn)在凌晨03∶00—05∶00，海霧持續(xù)時間較短，平均為1.1h。海霧期間的綜合氣象條件為：平均氣溫為20℃，平均相對濕度為97%，平均風(fēng)速為3m·s-1，地面以偏北、偏東風(fēng)為主。2021 年潿洲島冬春季的4次海霧過程，數(shù)濃度的變化范圍為3.8～454.9cm-3，液態(tài)水含量為0.00009～0.18g·m-3，平均直徑為3.8～6.9μm。

（2）西南氣流為海霧發(fā)展提供了充沛的水汽條件和熱量。海霧過程中溫度、風(fēng)速保持相對低的水平，地表相對濕度較高，地面以偏北風(fēng)為主。能見度與液態(tài)含水量及霧滴數(shù)濃度的變化趨勢相反，能見度下降，霧滴數(shù)濃度及液態(tài)水含量隨之增加，海霧過程中最大粒子數(shù)濃度達(dá)到454.9cm-3，平均粒子數(shù)濃度為76.7cm-3，平均液態(tài)水含量為0.006g·m-3，平均直徑為4.0μm，與國內(nèi)其他區(qū)域的海霧相比，潿洲島海霧的霧滴數(shù)濃度、液態(tài)含水量均較小，霧滴尺度與其他地區(qū)相當(dāng)。

（3）潿洲島海霧的霧滴譜分布呈單調(diào)遞減特征，霧滴主要集中在4～12μm，整個譜分布偏向小粒子一端，符合Junge 分布，與華南沿海和青島地區(qū)的海霧滴譜分布類似。