時(shí)曉曚,孫柏堂,劉雪映,劉樹(shù)霄

(1.青島市氣象局,山東 青島 266003; 2.萊西市氣象局,山東 青島 266622; 3.膠州市氣象局,山東 青島 266300)

引 言

海霧是受海洋的影響,發(fā)生在海上或沿海地區(qū)使大氣水平能見(jiàn)度小于1 km的天氣現(xiàn)象[1-3]。海霧發(fā)生后,海面水平能見(jiàn)度低于1 000 m,有時(shí)甚至低于50 m,這對(duì)在海上和港口航行船舶的安全帶來(lái)很大危險(xiǎn),稱(chēng)為海上“無(wú)聲殺手”,而據(jù)青島海事局不完全統(tǒng)計(jì),海上船舶碰撞或擱淺事故中,近50%與海霧有關(guān)。

我國(guó)沿海自南向北有五個(gè)相對(duì)多霧區(qū):雷州半島和瓊州海峽、福建沿海、舟山群島、青島—朝連島附近海域、成山頭附近海域[4],黃海包含其中的兩個(gè)海域,近年來(lái),對(duì)黃海海霧分布特征、形成條件、監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)等方面的研究受到學(xué)者們的青睞[5-9]。前人研究表明,我國(guó)黃海海霧多平流冷卻霧,且大多是由偏南暖濕氣流平流到冷海面上后生成。春夏季節(jié)(4—7月),黃海為冷源,陸地為熱源,海氣界面穩(wěn)定性強(qiáng)。在此大背景下,偏南的暖濕氣流平流至冷海面,容易形成平流冷卻霧[10-13],傅剛等[14]數(shù)值模擬研究表明,黃海春季海霧反映了平流冷卻霧的形成過(guò)程。此外,其他氣象條件下也常有海霧的發(fā)生,如冷空氣影響下黃東海也會(huì)有海霧形成和發(fā)展[15],較強(qiáng)的溫度梯度也容易導(dǎo)致局地岸濱霧在較冷的岸濱海面上形成等。

2021年4月27日,青島近海海域出現(xiàn)較明顯的海霧天氣過(guò)程。上午9時(shí)許(北京時(shí),下同),巴拿馬籍雜貨船“義?！陛喤c利比亞籍油船“交響樂(lè)”輪在青島近海的朝連島東南側(cè)發(fā)生碰撞事故。根據(jù)交通部海事局公布的《青島“4·27”船舶污染事故調(diào)查報(bào)告》[16]披露,事發(fā)時(shí)青島外海有大霧,能見(jiàn)度不良,“義?！陛喸谀芤?jiàn)度不良水域航行,未保持正規(guī)瞭望、未使用安全航速、未及時(shí)采取有效的避讓行動(dòng)等是造成碰撞的主要原因。該事故導(dǎo)致約9 400 t船載貨油泄漏入海,事故區(qū)域天然漁業(yè)資源恢復(fù)至污染前水平需要花費(fèi)10 a以上時(shí)間。事故產(chǎn)生的應(yīng)急處置、漁業(yè)及生態(tài)環(huán)境損失等費(fèi)用共計(jì)約62億元,是特別重大海洋環(huán)境污染事故。本文將利用地面觀測(cè)及再分析資料,對(duì)青島近海此次海霧過(guò)程的生消演變過(guò)程進(jìn)行研究與分析。

1 資料和方法

本文使用的資料主要包括:(1)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)提供的ERA5(ECMWF Reanalysis v5)格點(diǎn)數(shù)據(jù),水平分辨率為0.25 ° × 0.25 °,時(shí)間分辨率為1 h,垂直方向包括海平面層和從1 000 hPa到1 hPa的37層,包括位勢(shì)高度、散度、氣溫、經(jīng)向風(fēng)速和緯向風(fēng)速等物理量;(2)朝連島自動(dòng)站氣象資料(包括氣溫、露點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)場(chǎng)等要素)、青島站(站號(hào)54857)探空數(shù)據(jù)。

本文使用了美國(guó)海洋和大氣管理局和澳大利亞氣象局共同開(kāi)發(fā)的HYSPLIT模型(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory model),也即拉格朗日混合單粒子軌道模型進(jìn)行海霧氣塊的軌跡分析。

2 天氣形勢(shì)分析

26日20時(shí),500 hPa(圖1a1)山東半島上空淺槽過(guò)境,上游低渦發(fā)展加深。850 hPa(圖1a2)半島位于槽底,槽前上升運(yùn)動(dòng)利于降水產(chǎn)生。海平面(圖1a3)場(chǎng)中,黃淮、江淮內(nèi)陸已經(jīng)出現(xiàn)降水和大霧天氣,山東半島位于均壓場(chǎng)中,低層風(fēng)力弱,形勢(shì)穩(wěn)定,利于海霧形成。

圖1 2021年4月26日20時(shí)500 hPa (a1),850 hPa (a2)和海平面氣壓場(chǎng)(a3) 、27日08時(shí)500 hPa (b1),850 hPa (b2)和海平面氣壓場(chǎng)(b3)天氣圖(G、D代表不同層高壓、低壓中心;紅色實(shí)線代表槽線;藍(lán)色鋸齒線代表地面鋒面,綠色為降水區(qū)域,橙色為霧區(qū))。

27日08時(shí),500 hPa(圖1b1)低渦東移。850 hPa(圖1b2)低槽位于山東中部至半島一帶。海平面(圖1b3)場(chǎng)中,半島位于地面冷鋒前,等壓線稀疏,黃淮、江淮、黃海有大范圍的霧區(qū)。27日20時(shí),高空槽后西北氣流完全控制了山東半島及近海地區(qū),海平面等壓線密集程度增加,風(fēng)速增大,青島近海霧區(qū)消散(圖略)。

3 觀測(cè)與診斷分析

朝連島能見(jiàn)度和2 m風(fēng)速、氣溫、露點(diǎn)如圖2所示,在海霧開(kāi)始階段(0—6時(shí)),風(fēng)速由4 m/s逐漸增加到約7 m/s,弱風(fēng)速的緩慢增加利于水汽的輸送;由于氣溫日變化的影響,4—6時(shí)氣溫有所下降,但是溫度-露點(diǎn)差由1 ℃縮小至0.2 ℃,朝連島能見(jiàn)度逐漸降低,6時(shí)能見(jiàn)度小于1 km。海霧維持階段(6—12時(shí)),風(fēng)速又逐漸減弱,低溫度-露點(diǎn)差維持,較穩(wěn)定的狀態(tài)對(duì)海霧的維持有利。海霧消散階段(12時(shí)之后),風(fēng)向轉(zhuǎn)為西北風(fēng),能見(jiàn)度明顯上升,海霧消散。一般認(rèn)為,低層風(fēng)速的增加對(duì)海霧的消散有利[17],但此次海霧的消散并未伴隨風(fēng)速的明顯增強(qiáng)。

圖2 朝連島2021年4月27日00—13時(shí)(北京時(shí),LST)能見(jiàn)度(折線,單位:m)、2 m溫度(紅色實(shí)線,單位:℃)、2 m露點(diǎn)(藍(lán)色虛線,單位:℃)和風(fēng)速風(fēng)向時(shí)間序列。

3.1 垂直剖面分析

對(duì)青島站(海拔高度77 m)08時(shí)探空曲線(圖3a)分析可知,地面仍以偏南氣流為主,而300 m以上已經(jīng)轉(zhuǎn)為西北氣流;青島在200 m、750 m高度附近有兩層逆溫層,厚度均在100 m左右,低層逆溫層底的高度較低(150 m),對(duì)形成較厚海霧不利。在兩層逆溫層的下方,有兩處相對(duì)濕度大值區(qū),一層位于地面至100 m高度,一層位于離地700 m高度附近,從垂直方向來(lái)看,相對(duì)濕度隨高度減少,但低層基本維持在80%以上。在整個(gè)海霧發(fā)展過(guò)程中,青島近海大部分區(qū)域的氣溫均略高于海溫(圖4)。

圖3 青島站2021年4月27日08、20時(shí)探空?qǐng)D

圖4 2021年4月27日08時(shí)(a)和11時(shí)(b)青島近海氣海溫差(單位:℃)(氣溫-海溫)

根據(jù)事故最近站點(diǎn)(朝連島站)的溫度、濕度、垂直運(yùn)動(dòng)場(chǎng)分析可知(圖略),在海霧開(kāi)始階段,低層風(fēng)向隨高度由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng),受暖平流影響,暖空氣移動(dòng)至較冷的洋面上,對(duì)平流冷卻霧的形成有利。在海霧發(fā)生維持階段,朝連島附近低層存在較弱的下沉運(yùn)動(dòng),維持穩(wěn)定的大氣狀態(tài);低層的相對(duì)濕度較高,朝連島上空900 hPa以下一直保持90%以上的相對(duì)濕度;另外有一層相對(duì)濕度大值區(qū)中心由約900 hPa下降到約925 hPa(27日08時(shí))。在海霧消散階段,27日11時(shí)后,低層逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿跎仙\(yùn)動(dòng),近地面層的相對(duì)濕度大值區(qū)也逐步消失,12時(shí)后,近地面層相對(duì)濕度繼續(xù)降低,從偏南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為西北風(fēng),海霧逐步消散。海霧消散之后,27日20時(shí)探空曲線(圖3b)可見(jiàn),整層大氣明顯變暖,底層濕度變化不大,500 m以上高度的水汽減少,導(dǎo)致整層的相對(duì)濕度都在變小,尤其是500 m以上。

綜上可見(jiàn),此次過(guò)程在海霧的形成和發(fā)展階段有較明顯的平流特征,在消散期受到弱鋒面以及風(fēng)向轉(zhuǎn)變影響,伴隨著暖濕平流而霧生,同樣的隨著風(fēng)向轉(zhuǎn)化且相對(duì)濕度降低而霧散。

3.2 水平場(chǎng)分析

對(duì)青島近海的氣海溫差(圖4)分析表明,在海霧存續(xù)期間,黃海中西部靠近青島近海部分區(qū)域存在一個(gè)較為明顯的“冷池”,該冷池附近海溫比氣溫低1～2 ℃,當(dāng)有大陸暖濕氣團(tuán)移動(dòng)至冷池附近時(shí),海洋巨大的熱容量使氣團(tuán)溫度迅速降低,對(duì)平流冷卻霧的形成非常有利。

對(duì)低層溫濕場(chǎng)(圖5)進(jìn)行分析可以看出,26日14時(shí)(圖略),半島東部1 000 hPa以東南風(fēng)為主,根據(jù)衛(wèi)星海霧反演圖,此時(shí)黃海中部已經(jīng)有霧區(qū)形成,但由于風(fēng)速較弱,向青島近海移動(dòng)較緩慢;925 hPa青島近海相對(duì)濕度較低。26日20時(shí)伴隨高壓東移,1 000 hPa在江蘇中部和黃海西岸形成暖舌,偏南氣流的維持為海霧的形成提供了水汽條件和一定的層結(jié)基礎(chǔ)。925 hPa山東上空已經(jīng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng),青島近海區(qū)域相對(duì)濕度開(kāi)始增大。

27日02時(shí)1 000 hPa風(fēng)向轉(zhuǎn)為西南風(fēng),暖濕空氣經(jīng)江蘇北部向青島近海平流,離岸風(fēng)攜帶暖濕空氣,遇冷海面導(dǎo)致平流冷卻霧的生成。925 hPa濕區(qū)維持;伴隨垂直方向剖面(圖略),850 hPa到低層為弱的下沉運(yùn)動(dòng),也利于925 hPa的增濕。27日08時(shí)925 hPa以上層半島附近受冷空氣影響已經(jīng)出現(xiàn)4 ℃左右降溫,但在1 000 hPa東南側(cè)依舊存在著較為顯著的西南暖濕氣流,低層霧區(qū)得以維持。27日11時(shí)(圖略)山東半島被西北氣流控制,低層濕度明顯轉(zhuǎn)差,14時(shí)(圖略)濕度進(jìn)一步轉(zhuǎn)差,海霧消散。

4 后向追蹤

為研究朝連島附近水汽的來(lái)源,同時(shí)了解兩層逆溫層下氣塊的走向,本文利用HYSPLIT氣塊追蹤模型對(duì)不同層上的氣塊進(jìn)行分析(圖6),結(jié)果表明,受海平面高壓的影響,150 m高度上氣塊來(lái)源于朝鮮半島西側(cè),垂直運(yùn)動(dòng)不明顯,近地面層氣塊以平流為主,并存在從東南來(lái)向轉(zhuǎn)西南來(lái)向的轉(zhuǎn)變,與近地層風(fēng)向的轉(zhuǎn)變較為一致,與之前分析吻合。500～1 000 m高度氣塊來(lái)源雖有所不同,但在后半段均經(jīng)歷了弱下沉運(yùn)動(dòng),與此前分析的上層逆溫層下方云區(qū)的下沉一致。對(duì)氣塊的去向分析結(jié)果表明,氣塊在海霧存在的幾小時(shí)內(nèi)繼續(xù)向東北方向移動(dòng),說(shuō)明受到低空西南氣流的顯著影響,150 m高度上的氣塊仍主要表現(xiàn)為水平運(yùn)動(dòng),而500 m和1 000 m高度的氣塊主要為緩慢抬升至較為迅速抬升的形勢(shì)。抬升改變了低層較為穩(wěn)定的環(huán)流形勢(shì),對(duì)海霧的維持不利。

圖6 HYSPLIT氣塊追蹤模型對(duì)朝連島附近1 000 m(紅色實(shí)線),500 m(藍(lán)色實(shí)線)和150 m(綠色實(shí)線)的氣塊來(lái)源(a)和氣塊去向(b),(世界時(shí),UTC)。

5 總結(jié)討論

本文利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的ERA5再分析數(shù)據(jù)和青島探空、自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù),使用觀測(cè)、診斷分析和氣塊追蹤方法,對(duì)“20210427”青島近海海霧過(guò)程進(jìn)行研究,得到結(jié)論如下:

(1)天氣形勢(shì)分析表明,海霧生成之前,500 hPa山東半島上空淺槽過(guò)境,上游低渦發(fā)展加深東移,850 hPa半島位于槽前。海平面場(chǎng)中,冷鋒處于華北中部,黃淮、江淮內(nèi)陸地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了降水和大霧天氣,山東半島位于均壓場(chǎng)中,低層風(fēng)較弱,形勢(shì)相對(duì)比較穩(wěn)定,利于海霧形成。

(2)在海霧生成階段,黃淮和江淮的降雨為表層大氣提供了充沛的水汽。伴隨地面風(fēng)向轉(zhuǎn)為西南風(fēng),暖濕空氣經(jīng)江蘇北部向青島近海平流,當(dāng)暖濕氣團(tuán)移動(dòng)至青島近海海域的較為明顯的“冷池”時(shí),海水通過(guò)感熱和湍流熱輸送冷卻暖氣團(tuán),氣團(tuán)凝結(jié)出懸浮于空氣中的液態(tài)小水滴,導(dǎo)致能見(jiàn)度低于1 km形成海霧。探空數(shù)據(jù)分析表明,此次過(guò)程存在兩個(gè)逆溫層,下層的逆溫層以下有海霧生成,且霧層較薄;上層逆溫層以下存在低云,并受弱下沉運(yùn)動(dòng)的影響高度降低,HYSPLIT氣塊追蹤模型結(jié)果也與此吻合。

(3)海霧的維持階段,低層較強(qiáng)西南暖濕氣流持續(xù)貢獻(xiàn)水汽,加之冷空氣發(fā)展移動(dòng)較慢利于海表面維持穩(wěn)定的溫度層結(jié),使海霧維持。海霧消散階段,青島近海從低層到高層先后轉(zhuǎn)為西北氣流,海表相對(duì)濕度下降,能見(jiàn)度上升。