嚴 韜 韓 賡

(泉州市氣象局，福建 泉州 230036)

0 引言

霧是由大量懸浮于近地層大氣中的氣溶膠粒子、微型水滴或小型冰晶所組成的混合氣溶膠體系，是一種使大氣水平能見度小于1km的常見天氣現象[1]。海霧是指在海上、岸濱、島嶼區(qū)由于水汽凝結而產生的大量水滴使得低層大氣水平能見度小于1km的一種常見的海上災害性天氣現象，通常會導致水平能見度降低，嚴重影響海上交通，給船舶的航行安全帶來極大隱患和危害[2]。海霧根據其成因劃分，主要有平流霧、混合霧、輻射霧、地形霧等，其中比較常見的是平流霧，同時因為沿海地區(qū)沿岸霧的成因與海霧之間密切相關，因此海霧分析一般也包含沿岸霧[3]。

海霧生消機制非常復雜,目前預報水平還遠不能滿足社會服務的需求[4]。海霧監(jiān)測是開展此類天氣事件決策服務工作的前提，而岸基和?；O(jiān)測站點較為稀疏且部署位置相對固定，難以滿足監(jiān)測海霧動態(tài)發(fā)展的需要。20世紀70年代起，隨著人類探索太空腳步的加快以及星載探測器實現高效數據傳輸、大范圍連續(xù)觀測的功能，人們針對海霧的探測由原先常規(guī)的船舶以及沿海氣象站點觀測逐漸向星載探測器遙感探測轉換[5]。采用覆蓋范圍廣、時空分辨率高的氣象衛(wèi)星進行海霧監(jiān)測，可以較好地實現海霧持續(xù)變化過程的動態(tài)觀測。目前福建省氣象局衛(wèi)星遙感創(chuàng)新團隊開發(fā)了基于遙感的海霧監(jiān)測產品，但與實況存在40min的滯后。本研究旨在明確該產品在實際業(yè)務中應用的可行性，結合沿岸霧的氣候統(tǒng)計特征為沿岸霧的預報預警提供參考。

1 數據和研究方法

1.1 數據

1.1.1 能見度資料

本文所用能見度資料為2014—2020年每天0—23時泉州崇武站能見度儀觀測資料。崇武站(站號59133)是泉州沿岸唯一的國家基準氣候站，位于泉州東部沿海中段，是根據國家氣候區(qū)劃及全球氣候觀測系統(tǒng)的要求，為獲取具有充分代表性的長期、連續(xù)資料而設置的地面氣象觀測站，能夠滿足數據完整性及可靠性要求。采用Python3.8對泉州地區(qū)沿岸霧的年際、月際、日變化特征進行統(tǒng)計分析。

1.1.2 海霧遙感監(jiān)測產品

本文所用海霧遙感監(jiān)測產品包含福建省2017—2021年海霧遙感監(jiān)測產品，以及其對應時次的福建沿海自動站和海上浮標站的能見度數據，站點名稱見表1。海霧圖像涵蓋了詳細的觀測時間和地理邊界，其空間分辨率為1km，時間分辨率為60min/次，地理范圍為21°N～30°N，114°E～123°E。

1.2 研究方法

1.2.1 霧的預報等級劃分

本文參照GB/T 27964—2011[6],以當時的能見度對霧的等級進行劃分，以V表示能見度(見表1)。

表1 霧的預報等級

1.2.2 質量統(tǒng)計TS評分法

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)—式(4)中，NAk為預報正確站(次)數；NBk為空報站(次)數；NCk為漏報站(次)數；k代表發(fā)生能見度低于1000m的大霧天氣，檢驗評價方法見表2。

表2 海霧產品檢驗統(tǒng)計表

2 結果與分析

2.1 泉州沿岸2014—2020年霧日數氣候變化特征

由于泉州沿岸輕霧日數過多，普遍達到全年日數的70%以上，因此本文僅對大霧、濃霧、強濃霧、特強濃霧四個級別進行統(tǒng)計，2014—2020年崇武站未出現過特強濃霧，因此僅統(tǒng)計大霧、濃霧、強濃霧三個級別的霧日數。

2.1.1 年際變化特征

圖1為泉州沿岸2014—2020年的霧日數階梯圖，從霧日數的年際變化來看，2014—2020年泉州年均海霧發(fā)生天數為44.29d，其中2014—2016年、2019年具有高發(fā)性特點。

圖1 泉州沿岸2014—2020年霧日數

2016年海霧發(fā)生天數最多，各強度級別的累計霧日天數達到82d，占全年日數的22.47%。2018年和2020年海霧發(fā)生天數最少，各強度級別的累計霧日天數為18d,占全年日數的4.93%，從2017年開始，各級別的霧日數均有明顯下降的趨勢，尤其是強濃霧級別的霧日天數，2020年降至0d。

2.1.2 月際變化特征

2014—2020年泉州沿岸月累積霧日數則呈現出明顯的“單峰型”，有明顯的季節(jié)變化特征(見圖2)，其中3—5月(春季)為霧日高發(fā)期，占全年海霧發(fā)生天數的64%，其中又以4月為最多，月內累計年平均大霧及以上級別的天數超16d；8—10月是海霧發(fā)生最少的時間段，基本無霧；11月至次年1月偶有海霧發(fā)生，屬于略微增長并維持的階段。

圖2 泉州沿岸2014—2020年月累計霧日數

總的來說，春季和初夏是泉州沿岸發(fā)生海霧頻率最高的季節(jié)，全年海霧結束時間早，7月中旬已基本沒有海霧發(fā)生，夏末和初秋海霧發(fā)生的次數非常少，基本無霧。

2.1.3 日變化特征

從海霧各時次出現的頻數來看,泉州沿岸霧最易發(fā)生在2—8時，11—17 時則相對較少(見圖3)。

從具體的強度來看，各級別的霧在一天中各時刻的分布特征均具有“波狀”結構，其中濃霧和強濃霧是典型的“單峰型”結構，最高值出現在5—6時；大霧的時次分布則為“雙峰型”，兩個峰值分別出現在3—4時和7—9時。

對各個級別霧日數和時次數的統(tǒng)計可以發(fā)現，大霧發(fā)生的天數最多，但時次數卻低于濃霧和強濃霧，這反映出濃霧和強濃霧往往持續(xù)的時間更長，更不易消散，故而時次數較多。

圖3 泉州沿岸2014—2020年累計年平均逐時段霧時次數

2.2 福建省海霧遙感產品的檢驗評價

結合福建沿海自動站及浮標站實況，可按照表2將海霧遙感監(jiān)測產品劃分為四類。第一類為正確(NA)，即實況出現海霧且產品也監(jiān)測出海霧；第二類為空報(NB)，即實況未出現海霧但產品也監(jiān)測出海霧；第三類為漏報(NC)，即實況出現海霧但產品未監(jiān)測出海霧；第四類為不評，即實況未出現海霧且產品也未監(jiān)測出海霧。以上實況出現海霧指大霧及以上級別，即能見度低于1000m。圖4分別是代表將該產品判定為正確、空報、漏報、不評的示例。

經統(tǒng)計，2017—2021年福建省海霧遙感監(jiān)測產品共13490個樣本，按照類別劃分，其中正確的有564個樣本，占4.18%；空報的有563個樣本，占4.17%；漏報的有847個樣本，占6.28%；不評的樣本有11516個，占比最高，為85.37%。從各年份的樣本量來看，2017年的樣本數最少，為1170個，占總樣本量的8.67%；2020年的樣本數最多，為7165個，占總樣本量的53.11%。參照上文質量統(tǒng)計TS評分法對所有樣本進行分類判別和統(tǒng)計分析，得到2017—2021年福建省海霧遙感監(jiān)測產品檢驗統(tǒng)計結果(見表3)。

(a)正確(NA)

表3 2017—2021年福建省海霧遙感監(jiān)測產品檢驗統(tǒng)計結果

繪制2017—2021年福建省海霧遙感監(jiān)測產品的TS評分、漏報率PO、空報率FAR、命中率POD的變化趨勢示意圖(見圖5)。由圖5可知，近五年福建省海霧遙感監(jiān)測產品的TS評分有一定提高，2021年TS評分已提升至50.00%；空報率顯著下降至20.59%，下降逾70%；漏報率仍然較高，均在40%以上，命中率相應升至57.45%。

圖5 2017—2021年福建省海霧遙感監(jiān)測產品TS評分、漏報率、空報率、命中率變化趨勢

綜合各項評分，認為該產品空報率較低、漏報率較高、TS評分和命中率在50%及以上，有一定的參考價值，但應用時應結合具體天氣形勢、氣象要素值及其他預報模式進行判別診斷。

3 結論

近年來泉州沿岸霧發(fā)生日數明顯下降,這或與人工觀測轉全自動觀測有關。從月際變化來看,3—5月為泉州沿岸霧高發(fā)期,其中4月最多,8—10月則基本無霧。從日變化來看,泉州沿岸霧最易發(fā)生在2—8時,11—17時發(fā)生的可能性低。大霧、濃霧、強濃霧三個級別的霧日數相比,大霧發(fā)生的天數最多,但時次數卻低于濃霧甚至強濃霧。這說明能見度越低的霧,從發(fā)生到消散所需的時長更久,可為霧的預警服務提供參考。

福建省海霧遙感監(jiān)測產品對于泉州沿岸霧的空報率較低、漏報率相對較高,TS評分和命中率均在50%及以上，具體業(yè)務應用時可結合風向、露點等氣象要素進行綜合判別診斷。