韓苗苗，高雅文，鐘劍，杜樹浩，周彤

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰 214431）

0 引言

霧是一種局地性很強(qiáng)的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象[1]。發(fā)生在長(zhǎng)江的江面霧往往會(huì)導(dǎo)致能見度迅速下降，由于長(zhǎng)江口水道狹窄、明沙暗礁星羅棋布，當(dāng)大霧迷蒙時(shí)，船體容易迷失方向，往往會(huì)引起擱淺、觸礁或與其他船只碰撞的事故[2-3]。因此，加強(qiáng)對(duì)霧的分析研究，提高霧的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)能力，對(duì)于船舶在長(zhǎng)江口的航行安全具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。但由于缺乏足夠的觀測(cè)資料，江面霧的預(yù)報(bào)往往困難重重，尤其是霧的生消時(shí)間預(yù)報(bào)。因此，在監(jiān)測(cè)手段尚未有效改善之前，對(duì)江面霧的形成、維持和消散的環(huán)流條件進(jìn)行必要的分析和歸納，不失為改善其預(yù)報(bào)能力的一種手段。

國(guó)外海霧的研究開始于加利福尼亞沿海地區(qū)。BYERS[4]認(rèn)為冷海面對(duì)近海面層的空氣冷卻是海霧的主要成因；TELFORD 等[5]的研究表明暖水上方湍流加強(qiáng)對(duì)海霧的消散起到重要作用。我國(guó)對(duì)長(zhǎng)江口霧比較系統(tǒng)的研究可以追溯至20 世紀(jì)六七十年代。國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心通過對(duì)東海沿海數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)沿海海域上午有霧的情況最多，下午次之，夜間有霧的情況偏少[6]。王紫竹等[7]通過分析長(zhǎng)江口航道附近的海霧，發(fā)現(xiàn)海霧過程受風(fēng)場(chǎng)的影響較大，南風(fēng)盛行時(shí)水汽充足、濕度較大、容易產(chǎn)生海霧，而西北風(fēng)主導(dǎo)時(shí)，海霧容易消散。鋒面霧的研究多集中于內(nèi)陸地區(qū)，很少涉及海上，周福等[8]通過對(duì)寧波地區(qū)長(zhǎng)江口霧的研究，認(rèn)為鋒面南側(cè)的風(fēng)速小且水汽含量大，有利于長(zhǎng)江口霧的形成。

2022 年3 月11—14 日，在江蘇東部、上海、黃海海域及周邊地區(qū)出現(xiàn)了一次大范圍持續(xù)性的長(zhǎng)江口霧，多個(gè)沿岸測(cè)站均觀測(cè)到能見度長(zhǎng)時(shí)間維持在100 m 左右，達(dá)到了強(qiáng)濃霧級(jí)別，嚴(yán)重影響了長(zhǎng)江航道的船舶航行，帶來了較大的安全隱患。本文主要從實(shí)況要素、云圖特征、大氣環(huán)流等方面探尋長(zhǎng)江口霧的生消機(jī)理，歸納總結(jié)預(yù)報(bào)的實(shí)用性方法，為后續(xù)船舶航行保障提供參考。

1 資料來源及研究方法

1.1 資料來源

本文采用的資料包括：①美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）開發(fā)的FNL 全球分析資料（Final Operational Global Analysis data），資料時(shí)間分辨率為6 h，水平分辨率為1°×1°，數(shù)據(jù)格式為Grib2，主要使用海平面氣壓場(chǎng)和海平面風(fēng)場(chǎng)兩個(gè)變量；②船載自動(dòng)氣象站測(cè)量的逐5 min 數(shù)據(jù)，包括氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)向風(fēng)速和能見度；③日本“葵花8 號(hào)”（Himawari-8）衛(wèi)星云圖資料，主要使用紅外和可見光云圖資料。

1.2 研究方法

溫度露點(diǎn)差是空氣溫度與露點(diǎn)溫度的差值，是用來衡量空氣濕度的參量。本文計(jì)算溫度露點(diǎn)差的方法如下：

①由氣溫計(jì)算出飽和水汽壓：

②通過飽和水汽壓計(jì)算露點(diǎn)溫度和溫度露點(diǎn)差：

式中：T為傳感器所測(cè)氣溫，單位：℃；P為空氣的飽和水汽壓，單位：hPa；U為空氣的相對(duì)濕度，單位：%；Td為露點(diǎn)溫度，單位：℃；TC為溫度露點(diǎn)差，單位：℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)江口霧生消演變過程

根據(jù)中國(guó)氣象局地面觀測(cè)規(guī)范[9]，本文基于能見度（V）將霧劃分為：輕霧（1 km ≤V＜10 km）、大霧（500 m ≤V＜1 km）、濃霧（200 m ≤V＜500 m）、強(qiáng)濃霧（50 m ≤V＜200 m）、特強(qiáng)濃霧（V＜50 m）。2022年3月11—15日船舶觀測(cè)的各氣象要素結(jié)果見圖1。

圖1 2022年3月11—15日船舶觀測(cè)要素Fig.1 Ship observation elements on 11—15 March,2022

形成階段：11日01時(shí)（北京時(shí)，下同），船舶周圍沒有霧，能見度超過10 km；05時(shí)開始長(zhǎng)波輻射作用增強(qiáng)，氣溫開始迅速下降，風(fēng)向由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，平均風(fēng)速降至1 m/s，濕度迅速上升到88%，溫度露點(diǎn)差也驟降為1.95 ℃，能見度逐漸轉(zhuǎn)差至5 km左右，船舶開始受輕霧影響。

首次發(fā)展階段：從11 日07 時(shí)開始，氣溫以1.4 ℃/h 的速率迅速回升，相對(duì)濕度迅速下降，但此時(shí)江面霧卻沒有明顯消散，能見度甚至略有下降，一直持續(xù)到至11 日13 時(shí)，相對(duì)濕度降至60%，氣溫回升到21℃，江面霧才趨于消散，能見度轉(zhuǎn)好。11日16 時(shí)開始，氣溫開始降低，濕度同步上升，近30 min的能見度從15 km下降至10 km，長(zhǎng)江江面又開始出現(xiàn)輕霧，能見度隨著氣溫的不斷降低而降低，12 日00 時(shí)后晝夜溫差達(dá)到最大，最低氣溫為11.5 ℃，溫度露點(diǎn)差達(dá)到0.15 ℃，整個(gè)江面被強(qiáng)濃霧籠罩，能見度最低只有100 m，而風(fēng)向、風(fēng)速?zèng)]有明顯變化，始終穩(wěn)定為偏東風(fēng)，風(fēng)速只有2～4 m/s，有利于濃霧的發(fā)展加強(qiáng)，整個(gè)過程持續(xù)了9 h。

好轉(zhuǎn)階段：12 日上午，由于日出后太陽輻射加強(qiáng)，溫度迅速上升，低層水汽快速流失，溫度露點(diǎn)差從0.15 ℃上升至16 ℃，盛行風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，風(fēng)速明顯增大至6～8 m/s，大氣擴(kuò)散條件較好，濃霧開始快速消散，能見度轉(zhuǎn)好至20 km。

再次發(fā)展階段：13 日凌晨，受鋒面過境影響，江蘇、上海和東海海域有連續(xù)性降雨，低層水汽充沛，溫度露點(diǎn)差迅速下降至0.97 ℃，江面霧迅速生成，僅僅15 min 內(nèi)能見度從10 km 急劇下降至2 km，風(fēng)速減小至2 m/s 以下；隨后，氣溫迅速回升，12 時(shí)前后達(dá)到當(dāng)日最高溫度25 ℃，空氣的相對(duì)濕度也陡降至62%，能見度略有好轉(zhuǎn)，但江面霧卻沒有消散。從13 日13 時(shí)開始，風(fēng)向轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的偏北風(fēng)，風(fēng)速始終維持在4 m/s 以下，濕度穩(wěn)步上升至90%以上，江面霧的濃度越來越大，能見度降至200 m 以下，達(dá)到了強(qiáng)濃霧級(jí)別。14 日凌晨，長(zhǎng)江口再次出現(xiàn)降雨，風(fēng)向由穩(wěn)定的偏北風(fēng)轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，溫度和濕度卻沒有明顯變化，強(qiáng)濃霧依然維持。

消散階段：14 日上午，盛行風(fēng)向由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，風(fēng)速明顯增大至6～8 m/s，溫度露點(diǎn)差快速增大，船舶周圍能見度明顯轉(zhuǎn)好，江面霧開始消散，14日16時(shí)，霧完全消散，能見度轉(zhuǎn)好至10 km以上。

整個(gè)過程中濕度和能見度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)能見度低于2 km 時(shí)，濕度都大于95%，在濃霧消散過程中，當(dāng)能見度達(dá)到10 km 時(shí)，濕度為65%左右。溫度和溫度露點(diǎn)差與能見度存在正相關(guān)關(guān)系，能見度最差往往發(fā)生在凌晨時(shí)段溫度最低時(shí)，當(dāng)能見度降至2 km以下時(shí)，溫度露點(diǎn)差小于1 ℃。

2.2 云圖特征分析

本文選取日本“葵花8號(hào)”的可見光云圖和紅外云圖（見圖2），圖中紅點(diǎn)為船舶所在位置。3 月12日08時(shí)，可見光云圖上整個(gè)黃海海域和江蘇北部存在十分均勻的灰白區(qū)域，呈現(xiàn)東北—西南向的均勻帶狀分布特點(diǎn)，內(nèi)部紋理光滑，邊界整齊清楚，其西北部的白亮云系呈東北—西南向的均勻帶狀分布，帶狀中間顏色更白亮[10]，越到邊緣顏色越灰暗，邊界模糊混亂，外圍帶有纖維狀的云系向外延伸擴(kuò)展，屬于典型的鋒面云系。而紅外云圖上黃海海域和江蘇北部沒有明顯的白色區(qū)域，只能隱約看出其邊界處存在色差，鋒面云系清晰白亮，比可見光上顯示的范圍更大，顏色更白，內(nèi)部紋理更柔順。13 日08 時(shí)該鋒面云系影響到朝鮮半島—長(zhǎng)江口一帶，而江南地區(qū)的灰白區(qū)域與其相連呈塊狀分布，顏色更加灰暗，且分布不均勻，灰白區(qū)中間有許多純黑斑點(diǎn)，邊界模糊不齊，外圍無纖維云系，船舶周圍能見度為3.5 km 左右，結(jié)合觀測(cè)實(shí)況可知覆蓋江南地區(qū)的灰白區(qū)域?qū)儆谳p霧區(qū)，但其特征與12日霧區(qū)的紋理均勻特點(diǎn)并不相同，霧區(qū)呈局地性的塊狀分布，維持時(shí)間不長(zhǎng)，分析可能是地面輻射降溫導(dǎo)致出現(xiàn)了輻射霧；而其北部的云系呈現(xiàn)出東西帶狀分布、表面均勻光滑的特點(diǎn)，顏色均勻灰白，較鋒面云系更暗，但邊界清晰整齊，無云系向外延伸擴(kuò)展，在紅外云圖上難以分辨，十分符合霧的特征。14 日凌晨，灰白云系南移至船舶上空，能見度持續(xù)轉(zhuǎn)差至200 m 左右，達(dá)到強(qiáng)濃霧級(jí)別，隨后灰白區(qū)域繼續(xù)南移，霧區(qū)緩慢消散，直至當(dāng)日下午，能見度轉(zhuǎn)好至10 km以上。

圖2 不同時(shí)刻衛(wèi)星云圖Fig.2 Satellite cloud images at different times

2.3 天氣形勢(shì)背景分析

以往研究表明[11]，合理的大氣環(huán)境配置、穩(wěn)定的高空層結(jié)有助于長(zhǎng)江口霧的產(chǎn)生。圖3 為3 月11—14日500 hPa、850 hPa和地面天氣形勢(shì)圖，包括位勢(shì)高度和溫度場(chǎng)。

圖3 不同時(shí)刻形勢(shì)場(chǎng)Fig.3 Situation fields at different times

11 日20 時(shí)，500 hPa 和850 hPa 均受高壓脊控制，有下沉運(yùn)動(dòng)，層結(jié)穩(wěn)定，空中云量較少，因此夜間輻射降溫明顯，并導(dǎo)致了12 日凌晨出現(xiàn)了輻射霧。而地面風(fēng)向在霧生前后沒有變化，始終維持偏東風(fēng)，等壓線稀疏，風(fēng)速小，擴(kuò)散條件差，有利于霧的維持加強(qiáng)。

13 日08 時(shí)，500 hPa 和850 hPa 有高空槽過境，江陰經(jīng)歷了一次降雨過程，大氣上空逐漸由層結(jié)不穩(wěn)定轉(zhuǎn)為層結(jié)穩(wěn)定，低層相對(duì)濕度較大，有利于霧的生成，但中層受較為平直的西風(fēng)控制，水汽輸送不充沛，且地面無穩(wěn)定風(fēng)向，導(dǎo)致13 日只有長(zhǎng)時(shí)段的輕霧出現(xiàn)，能見度始終超過2 km。

14 日凌晨，受850 hPa 東北冷渦外圍影響，對(duì)流天氣產(chǎn)生，西南氣流與東北氣流在長(zhǎng)江口處交匯，并伴隨持續(xù)性降雨，地面處于均壓場(chǎng)，風(fēng)速較小，盛行偏南風(fēng)，水汽充沛和擴(kuò)散條件差導(dǎo)致能見度迅速下降，輕霧加重為強(qiáng)濃霧，08 時(shí)之后隨著東北冷渦東移，850 hPa 逐漸受槽后西北氣流控制，地面風(fēng)向也發(fā)生突變，從偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，濕度隨之迅速下降，能見度逐步轉(zhuǎn)好，濃霧開始消散。

2.4 大氣層結(jié)和水汽特征分析

許多研究表明，霧發(fā)生時(shí)大氣邊界層中總伴有逆溫或等溫現(xiàn)象，穩(wěn)定的大氣層結(jié)是長(zhǎng)江口霧發(fā)生和維持的重要條件[12]。圖4 為3 月12—14 日08 時(shí)船舶位置的探空T-lnp圖，通過分析可以發(fā)現(xiàn)，大霧期間逆溫現(xiàn)象始終存在。12 日08 時(shí)和13 日08 時(shí)700 hPa 以下風(fēng)向穩(wěn)定一致，垂直風(fēng)切變小，湍流作用微弱，逆溫層頂抬升到900 hPa ，地面都有霧區(qū)出現(xiàn)，而14 日08 時(shí)700 hPa 以下風(fēng)向隨高度的增加呈順時(shí)針變化，暖平流導(dǎo)致氣溫迅速回升，逆溫層頂高度達(dá)950 hPa，較13 日逆溫層頂高度有所下降，層結(jié)穩(wěn)定性有所減弱，有利于濃霧的消散。

圖4 船舶位置T-Inp圖Fig.4 T-Inp diagram of ship positions

圖5 為3 月12—14 日08 時(shí)的水汽通量和水汽通量散度，箭頭表示水汽通量，表現(xiàn)了水汽的輸送方向以及大?。凰可⒍缺硎舅妮椇吓c輻散的情況，當(dāng)水汽通量散度為正時(shí)，水汽輻散，水汽通量散度為負(fù)時(shí)，水汽輻合。12 日08 時(shí)長(zhǎng)江口低層大氣受偏南氣流的控制，東南向水汽輸送至長(zhǎng)江口附近，出現(xiàn)水汽輻合區(qū)，實(shí)況中相對(duì)濕度也印證這個(gè)結(jié)論，船舶附近相對(duì)濕度達(dá)到95%以上，隨后由于東南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，因此水汽輻合區(qū)并未繼續(xù)向北或者內(nèi)陸發(fā)展。13日08時(shí)，長(zhǎng)江口正處于偏南氣流和偏北氣流的交匯區(qū)，東海和黃海的水汽都往長(zhǎng)江口輸送，導(dǎo)致出現(xiàn)了水汽輻合區(qū)，相對(duì)濕度上升至95%，隨后風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，內(nèi)陸水汽不足，相對(duì)濕度迅速下降至62%，午后風(fēng)向又轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的偏北風(fēng)，此時(shí)黃海水汽持續(xù)輸送至長(zhǎng)江口，導(dǎo)致相對(duì)濕度再次攀升到95%以上。14 日08 時(shí)長(zhǎng)江口水汽輸送為西北向，并出現(xiàn)水汽輻散區(qū)，水汽得不到補(bǔ)充，長(zhǎng)江口霧逐漸消散。

圖5 不同時(shí)刻1 000 hPa水汽通量（箭頭，單位：g/（cm·hPa·s）），以及水汽通量散度（填色區(qū)域，單位：g/（hPa·cm2·s））Fig.5 Water vapor flux of 1 000 hPa at different times(arrow,unit:g/(cm·hPa·s))and water vapor flux divergence(shaded area,unit:g/(hPa·cm2·s))

上述分析表明，低層充足的水汽和穩(wěn)定的層結(jié)為長(zhǎng)江口霧的形成以及發(fā)展維持提供了條件。此次濃霧過程的水汽主要來自于東海和黃海，通過東南氣流或偏北氣流被輸送至長(zhǎng)江口，而低層逆溫的存在大大阻礙了空氣的垂直運(yùn)動(dòng)，水汽聚積在大氣低層，為大霧的持續(xù)提供了條件。

3 結(jié)論

本文對(duì)2022 年3 月11—14 日發(fā)生于長(zhǎng)江口的濃霧天氣過程的實(shí)況特征和生消演變進(jìn)行了分析。結(jié)論如下：

①3 月12 日凌晨江面輻射霧的生成是由于低空層結(jié)穩(wěn)定，下沉氣流盛行，空中云量較少，夜間輻射冷卻降溫直接導(dǎo)致濃霧形成，而13日之后的濃霧過程發(fā)生在鋒面過境前后，濃霧形成前的持續(xù)性降水提供了充足的水汽，穩(wěn)定的偏南風(fēng)或偏北風(fēng)將水汽輸送至長(zhǎng)江口，由于逆溫層的存在，水汽一直聚積在大氣低層，有利于濃霧的維持加強(qiáng)。

②利用衛(wèi)星云圖可在白天實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)霧區(qū)，長(zhǎng)江口霧在可見光云圖上的特征較為明顯，顏色紋理均勻分布，邊界清晰整齊，外圍無絲狀或纖維狀云系擴(kuò)散，而紅外云圖上霧區(qū)通常是一片灰暗區(qū)。通過對(duì)比分析能較好地區(qū)分云區(qū)和霧區(qū)，但缺陷是霧的維持和加強(qiáng)多發(fā)生于氣溫下降的凌晨時(shí)段，無法用可見光云圖監(jiān)測(cè)其發(fā)展變化。

③本文計(jì)算得出的溫度露點(diǎn)差能較好地反映濃霧的整個(gè)過程，當(dāng)能見度低于2 km 時(shí)，溫度露點(diǎn)差小于1 ℃，而溫度露點(diǎn)差大于3 ℃時(shí)也有霧生成，但能見度不低于3 km，可用于長(zhǎng)江口能見度精細(xì)化預(yù)報(bào)。

④風(fēng)向、風(fēng)速對(duì)長(zhǎng)江口霧的形成和消散有至關(guān)重要的作用，霧生時(shí)段通常盛行南向風(fēng)，但由于長(zhǎng)江口的特殊位置，偏北風(fēng)也可輸送充足的黃海水汽，有利于霧的生成和發(fā)展。當(dāng)出現(xiàn)西北風(fēng)或者偏西風(fēng)時(shí)，低層水汽輸送不足，往往會(huì)導(dǎo)致相對(duì)濕度迅速下降，且風(fēng)向變化往往會(huì)引起平流霧的生消演變，而對(duì)輻射霧的影響不大，風(fēng)速穩(wěn)定地維持在1～3 m/s 時(shí)有利于濃霧的生成和加強(qiáng)，而風(fēng)速達(dá)到6 m/s以上時(shí)不利于霧的發(fā)展和維持。