中國(guó)海霧研究簡(jiǎn)要回顧

傅　剛　李鵬遠(yuǎn)　張?zhí)K平　高山紅

（中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，青島 266100）

中國(guó)海霧研究簡(jiǎn)要回顧

傅剛李鵬遠(yuǎn)張?zhí)K平高山紅

（中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，青島 266100）

海霧是指對(duì)海上船舶航行、捕撈、港口作業(yè)以及沿海地區(qū)的公路運(yùn)輸和電力輸送等社會(huì)生活的方方面面產(chǎn)生重要影響的天氣現(xiàn)象。有研究指出，由于霧所造成的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人力資源的損失甚至與臺(tái)風(fēng)和龍卷風(fēng)造成的損失相當(dāng)。因此對(duì)近30a來(lái)我國(guó)海霧研究領(lǐng)域的重要進(jìn)展進(jìn)行了回顧，并對(duì)海霧的微物理學(xué)特征、海霧與層云的關(guān)系、北太平洋與大西洋上海霧發(fā)生頻率的氣候?qū)W特征、海霧的數(shù)值模擬、海霧的數(shù)據(jù)同化和集合預(yù)報(bào)等重要問(wèn)題進(jìn)行了討論。

海霧，中國(guó)沿海，微物理學(xué)特征，氣候?qū)W特征，數(shù)值模擬，集合預(yù)報(bào)

0　引言

海霧是受海洋的影響發(fā)生在海上或沿海地區(qū)低層大氣中的凝結(jié)現(xiàn)象，是懸浮于大氣邊界層大量水滴或冰晶使大氣水平能見(jiàn)度小于1km的天氣現(xiàn)象[1]。

大量的研究表明，我國(guó)黃渤海區(qū)域是世界上幾個(gè)重要的海霧多發(fā)區(qū)之一[1-10]。與海霧相伴隨的大氣低能見(jiàn)度會(huì)對(duì)海上航行的船舶安全帶來(lái)很大危害。例如，據(jù)舟山海事局統(tǒng)計(jì)，近200次海上發(fā)生的船舶碰撞、觸礁等海難事故中，有70%左右主要是由海霧引起的。

海霧有不同的類型，如平流霧、混合霧、輻射霧、地形霧等[1]。中國(guó)海洋大學(xué)海洋氣象系王彬華是國(guó)際上海霧研究的先驅(qū)者之一，他從20世紀(jì)40年代開(kāi)始從事海霧資料的搜集和整理工作。在隨后幾十年的科研和教學(xué)工作中，他把“海霧”作為海洋氣象學(xué)課程的內(nèi)容，在1966年編纂成講義。1983年出版了世界上第一部關(guān)于海霧研究的專著——《海霧》。該專著對(duì)海霧的生成及其分類、世界海霧的分布及變化、海霧發(fā)生時(shí)的水文氣象條件、海霧的物理性質(zhì)、海霧的預(yù)報(bào)方法等進(jìn)行了全面系統(tǒng)的論述。此后該書于1985年由海洋出版社和Springer-Verlag出版集團(tuán)聯(lián)合在海外出版發(fā)行了英文版[11]。

我國(guó)對(duì)海霧比較系統(tǒng)的研究可以追溯至20世紀(jì)60—70年代，原山東海洋學(xué)院于1965—1966年和1971—1973年先后在黃海進(jìn)行了海霧的專項(xiàng)調(diào)查，取得了第一手海霧觀測(cè)資料。1991—1995年，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所和原青島海洋大學(xué)共同完成了“八五”國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目《黃東海海霧數(shù)值預(yù)報(bào)方法的研究》。該項(xiàng)目是繼《海霧》專著出版以后，我國(guó)首次對(duì)海霧進(jìn)行比較系統(tǒng)全面的研究，包括海霧過(guò)程中大氣和海洋環(huán)境背景場(chǎng)、海霧發(fā)生時(shí)海洋上大氣邊界層特征、海霧數(shù)值預(yù)報(bào)方法研究和海霧MOS（Model Output Statistics）預(yù)報(bào)方法試驗(yàn)等內(nèi)容。“十五”期間，由于衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展，以發(fā)展海霧遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)為目標(biāo)的國(guó)家863項(xiàng)目“模塊化全天候、災(zāi)害性海霧遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)”進(jìn)行了以海霧光譜特性和紋理特征綜合分析識(shí)別云霧的技術(shù)研究，標(biāo)志著我國(guó)海霧遙感監(jiān)測(cè)研究新起點(diǎn)。

利用中國(guó)知網(wǎng)和其他手段的不完全統(tǒng)計(jì)表明，2001—2015年6月共有49篇與霧研究有關(guān)的博士和碩士學(xué)位論文，涉及的機(jī)構(gòu)主要有：中國(guó)氣象科學(xué)研究院、南京大學(xué)、蘭州大學(xué)、南京信息工程大學(xué)、大連海事大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)，表明越來(lái)越多的年輕學(xué)者，特別是研究生群體逐漸成為我國(guó)海霧研究的主力軍。

在霧的研究方面，一些高校的學(xué)者們做出了重要貢獻(xiàn)。李子華等[12]基于20世紀(jì)80年代末開(kāi)始的在國(guó)內(nèi)實(shí)施的幾個(gè)大的霧研究計(jì)劃的研究成果，詳細(xì)論述了重慶、西雙版納、南京等地的霧的物理化學(xué)特征和生消物理過(guò)程。牛生杰[13]基于對(duì)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)霧、廣東湛江海霧和南方過(guò)冷霧的研究，介紹了有關(guān)中國(guó)霧物理化學(xué)過(guò)程宏觀、微觀特征的研究成果。Fu等[8]對(duì)渤海、黃海和東海的海霧進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分析了海霧發(fā)生和消散時(shí)的天氣形勢(shì)、探空資料、大氣邊界層結(jié)構(gòu)、衛(wèi)星圖像特征、數(shù)值模擬與試驗(yàn)、海霧的季節(jié)變化特征、層云與海霧的關(guān)系等。

本文主要對(duì)近30a來(lái)我國(guó)海霧研究領(lǐng)域的一些進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述，并對(duì)以下問(wèn)題重點(diǎn)進(jìn)行討論：1） 海霧的微物理學(xué)特征研究；2）海霧與層云關(guān)系的研究；3）北太平洋和大西洋上海霧發(fā)生頻率的氣候?qū)W特征；4）海霧的數(shù)值模擬研究；5）海霧的數(shù)據(jù)同化和集合預(yù)報(bào)研究；6）未來(lái)海霧研究展望。張?zhí)K平等[14]已從海霧的氣候統(tǒng)計(jì)、海霧產(chǎn)生的水文氣象條件、海霧天氣型、大氣邊界層條件以及海霧年際變化的角度進(jìn)行了綜述。牛生杰等[15]也對(duì)霧的宏微觀結(jié)構(gòu)與湍流、輻射、氣溶膠相互作用，以及霧水的化學(xué)組分開(kāi)展了深入研究。因此，本文不再贅述這兩方面的相關(guān)內(nèi)容。

1　中國(guó)沿海海霧的微物理特性的觀測(cè)與分析

由于受觀測(cè)與霧滴采樣手段等的制約，中國(guó)沿海海霧微物理結(jié)構(gòu)的精細(xì)觀測(cè)研究并不多見(jiàn)，但這些觀測(cè)資料對(duì)于海霧數(shù)值預(yù)報(bào)模式中關(guān)于霧的微物理過(guò)程的參數(shù)化研究是必不可少的。解決這類問(wèn)題的辦法有兩種：一種是在模式中借鑒別的海域已有的觀測(cè)資料，另一種是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。在為數(shù)不多的關(guān)于中國(guó)沿海海霧的觀測(cè)研究文章中，只找到有限幾篇，下面簡(jiǎn)要介紹在青島[16]、華南沿海[17]和福建[18]海霧過(guò)程的觀測(cè)分析結(jié)果。

1.1青島海霧霧滴譜與含水量的觀測(cè)與分析

1993年6月下旬至7月初是青島的海霧多發(fā)時(shí)期，徐靜琦等利用北京大學(xué)原地球物理系大氣物理教研室研發(fā)的“三用滴譜儀”在青島市區(qū)東部近岸小麥島（120°25’33’’E，36?3’11’’N）上進(jìn)行了海霧含水量及霧滴譜的觀測(cè)[16]，所用儀器的主要工作原理詳見(jiàn)趙柏林等的工作[19]。

小麥島是位于青島市東部的一個(gè)小島，觀測(cè)是在小麥島的郵電公寓的樓頂平臺(tái)上進(jìn)行的，該平臺(tái)距離海岸大約20m，離海平面高度約15m。本次觀測(cè)共獲得可利用的霧滴譜資料9個(gè)，霧水樣品18個(gè)。從計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)值的對(duì)比可見(jiàn)，在海霧的含水量大于0.002g/m3的情況下，兩者吻合程度較好。對(duì)于很稀薄的霧，由于含水量測(cè)量不準(zhǔn)，大氣能見(jiàn)度數(shù)值也較大，目測(cè)誤差較大，所以兩者吻合程度較差。另外觀測(cè)到的海霧的含水量在0.002～0.2g/m3，在這區(qū)間之外需要更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定。

1.2華南沿海海霧的微物理特性的觀測(cè)與分析

2007年3—5月，中國(guó)氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所在廣東茂名博賀進(jìn)行了為期3個(gè)月的海霧觀測(cè)試驗(yàn)，并且捕捉到2007年3月24—25日華南沿海發(fā)生的一次海霧過(guò)程。廣東茂名博賀位于華南沿海的粵西地區(qū)，是南海發(fā)生海霧的主要地區(qū)之一。2007年3月24日06時(shí)左右觀測(cè)點(diǎn)的大氣能見(jiàn)度下降，海霧開(kāi)始發(fā)生，中午消散后傍晚又生成，并持續(xù)到25日11時(shí)前后。海霧發(fā)生期間，自動(dòng)氣象站、大氣能見(jiàn)度儀、系留探空系統(tǒng)和“三用滴譜儀”等設(shè)備對(duì)大氣能見(jiàn)度、大氣邊界層結(jié)構(gòu)和霧滴譜等有關(guān)特征參量進(jìn)行了觀測(cè)。其中，海霧滴譜分布特征和由霧滴譜數(shù)據(jù)推算含水量的計(jì)算依據(jù)的是王鵬飛等的方法[20]。

此次海霧過(guò)程是由于大氣低層西南低渦逐漸發(fā)展南下，同時(shí)海上副熱帶高壓加強(qiáng)西伸，二者共同作用下偏南風(fēng)加強(qiáng)，使暖濕氣流不斷地輸入到華南沿海地區(qū)形成的。來(lái)自海上的暖濕空氣平流到沿岸水溫較低的海面上形成的平流冷卻霧。850hPa天氣圖顯示粵西沿海地區(qū)位于大陸冷高壓、副熱帶高壓與西南低渦、東亞大槽組成的鞍型場(chǎng)中，而鞍型場(chǎng)控制下的大氣往往呈現(xiàn)穩(wěn)定或中性層結(jié)[1]。

粵西海霧的大氣邊界層垂直結(jié)構(gòu)特征在冷平流海霧（海表面氣溫低于海表面水溫）和暖平流海霧（海表面氣溫高于海表面水溫）也有所不同，Huang等[21]分別針對(duì)這兩類海霧的大氣邊界層特征進(jìn)行了比較系統(tǒng)的分析，認(rèn)為大氣邊界層結(jié)構(gòu)的不同與背景環(huán)流、霧頂長(zhǎng)波輻射和海氣界面熱量、動(dòng)量通量有關(guān)。

1.3福建海霧的觀測(cè)和分析

Li等[18]利用福建省北部距離海岸14km的崳山島風(fēng)塔上（26°57’N，120?21’E）分別安裝在海平面以上390、410、430和450m高度上四個(gè)超聲風(fēng)速儀的觀測(cè)資料，對(duì)2011年3月21日02—11時(shí)的一次海霧事件進(jìn)行了仔細(xì)分析。研究發(fā)現(xiàn)，大氣湍流對(duì)霧的形成和消散起著至關(guān)重要的作用，然而這種湍流的研究通常僅限于超聲風(fēng)速儀低于地面100m以下的觀測(cè)，較高層霧的湍流特性知之甚少。在該研究中，作者使用了高于海平面約400m的風(fēng)塔上超聲風(fēng)速儀觀測(cè)的四個(gè)高度層上的數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)刻畫了一次濃霧霧頂上的大氣湍流特性，在海霧演變過(guò)程中湍流特性的巨大差異被記錄下來(lái)。結(jié)果表明，在霧發(fā)生的初期，動(dòng)能、動(dòng)量通量以及湍流顯熱通量迅速增加，之后，在霧的上層可以觀測(cè)到強(qiáng)的湍流，只要湍流強(qiáng)度不超過(guò)臨界值，它對(duì)于提高冷卻速度并保持霧是至關(guān)重要的。在霧的生成期間，由湍流所產(chǎn)生的垂直動(dòng)量通量和感熱通量會(huì)減弱風(fēng)速并降低空氣溫度；在霧的消散階段，感熱通量的垂直分布會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)，在上層會(huì)產(chǎn)生向下的動(dòng)量通量；在霧發(fā)生期間，湍流渦的空間和時(shí)間尺度比霧發(fā)生前和發(fā)生后都大。相比低層的霧（390和410m）湍流能量在上層（海平面430和450m）最大，湍流能量的峰值沿平均風(fēng)方向。研究結(jié)果表明，湍流狀態(tài)在霧層內(nèi)是復(fù)雜的，湍流會(huì)使得霧層頂部的動(dòng)量和感熱通量通過(guò)減少或增加平均風(fēng)速，以及提高或降低空氣溫度的層結(jié)來(lái)影響霧。

1.4各地霧的微物理結(jié)構(gòu)特征比較

表1給出了浙江舟山、青島小麥島海霧以及云南勐養(yǎng)、重慶等地輻射霧的微物理結(jié)構(gòu)特征對(duì)比結(jié)果。

表1　各地霧的微物理參量比較Table 1 Comparison of the micro-physical parameters between different fog cases

2　海霧與層云關(guān)系的研究

海霧可以看作是底部接海的云，因此海霧與層云關(guān)系的研究受到了學(xué)者們的重視。利用觀測(cè)資料和數(shù)值模式，Li等[22]研究了2011年6月3日發(fā)生在黃海和東海的一個(gè)海霧與層云轉(zhuǎn)化的事件，研究關(guān)注背景環(huán)流和“海洋鋒”（即海表面溫度鋒）對(duì)層云轉(zhuǎn)化為霧的影響，與高壓天氣系統(tǒng)相伴隨的南風(fēng)把水汽傳送到黃海，為海霧/層云形成創(chuàng)造了有利條件，與高壓天氣系統(tǒng)相伴隨的下沉氣流在層云頂部形成一個(gè)逆溫層，“海洋鋒”在大氣邊界層內(nèi)驅(qū)動(dòng)一個(gè)次級(jí)環(huán)流，在“海洋鋒”低溫一側(cè)的次級(jí)環(huán)流下沉分支會(huì)促使層云進(jìn)一步降低高度到達(dá)海面。冷海面的冷卻效應(yīng)抵消了與下沉氣流相伴隨的非絕熱增溫。伴隨著“海洋鋒”逐漸變得平滑，次級(jí)環(huán)流會(huì)逐漸變?nèi)醪⑶液ｌF面積也迅速收縮。他們提出了一個(gè)黃海和東海的層云轉(zhuǎn)化為海霧的概念模型。分析表明，在全球變暖的大背景下，伴隨“海洋鋒”逐漸平滑和次級(jí)環(huán)流下沉分支的逐漸變?nèi)酰ｌF發(fā)生頻率可能會(huì)逐漸變少。

張?zhí)K平等利用多種觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)2011年3月12—13日的一次黃海海霧過(guò)程進(jìn)行分析[23]。觀測(cè)數(shù)據(jù)分析表明：此次過(guò)程與東海層云之間存在密切的聯(lián)系。地面高低壓位置為水汽從層云區(qū)向北輸送提供了有利的環(huán)流條件；黃海上空天氣尺度下沉運(yùn)動(dòng)，加強(qiáng)了海洋大氣邊界層（MABL）層結(jié)的穩(wěn)定性，MABL頂自南向北高度降低，有利于水汽在向北輸送過(guò)程中不斷向海面聚集；下沉導(dǎo)致的干層以及逆溫層對(duì)海霧的發(fā)生發(fā)展起重要作用。模式結(jié)果進(jìn)一步表明，天氣尺度下沉運(yùn)動(dòng)與MABL內(nèi)的下沉在29°～30°N同位相疊加，使得該海區(qū)上空的下沉運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)，大氣邊界層高度迅速下降。下沉可能會(huì)導(dǎo)致氣塊溫度升高，云滴蒸發(fā)，來(lái)自層云區(qū)的水汽隨流場(chǎng)向北向下輸送逐漸接近冷海面凝結(jié)成霧，近海面水汽的平流輸送使海霧進(jìn)一步向北發(fā)展。

3　北太平洋和大西洋上海霧發(fā)生頻率的氣候?qū)W特征

北太平洋和大西洋上海霧發(fā)生頻率的氣候?qū)W特征受到海霧研究者的關(guān)注。宋亞娟利用ICOADS（International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set）觀測(cè)資料，對(duì)北太平洋以及東亞海域海霧的發(fā)生頻率進(jìn)行了分析，并對(duì)海霧發(fā)生時(shí)的多種氣象要素特征進(jìn)行了研究[24]。在不同格距（北太平洋上格距為2°×2°，東亞海域?yàn)?°×1°）的網(wǎng)格上計(jì)算了網(wǎng)格內(nèi)大氣能見(jiàn)度低于1000m時(shí)的“海霧發(fā)生相對(duì)頻率”，進(jìn)而對(duì)研究海域內(nèi)的海霧頻率時(shí)空分布特征進(jìn)行詳盡的描述。利用1909—2008年共100a的資料對(duì)北太平洋上海霧發(fā)生頻率的分析表明，海霧主要發(fā)生在中高緯度海域，從北海道至千島群島并延伸到阿留申島以南海面的帶狀海域是海霧的頻發(fā)地帶，海霧發(fā)生最高頻率在40%以上，其次為中國(guó)近海和日本海海域。在低緯度海洋上海霧發(fā)生頻率幾乎為零。4—8月是北太平洋上海霧發(fā)生頻率較高的季節(jié)，海霧發(fā)生頻率大值區(qū)隨季節(jié)變化而移動(dòng)。中國(guó)的渤海、黃海、東海和南海均受到海霧影響，但海霧主要發(fā)生在黃海以及東海和渤海的部分海域。4—7月是海霧頻發(fā)的季節(jié)，霧季中海霧頻率逐漸增大，6月時(shí)黃海西北部即山東半島以南海域海霧最大頻率達(dá)到20%。進(jìn)入8月后，整個(gè)海面上海霧發(fā)生頻率突然降低到5%以下。從時(shí)空變化上來(lái)看，從南至北霧區(qū)有逐漸延遲的特點(diǎn)。

作者還對(duì)北太平洋和中國(guó)近海海域的若干條重要航線上的海霧發(fā)生頻率的時(shí)空變化進(jìn)行了分析，為海上航運(yùn)提供安全保障信息。另外還使用1982—2008年的ICOADS資料，對(duì)海霧發(fā)生時(shí)的風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫和露點(diǎn)溫度差、氣海溫差等氣象要素進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)當(dāng)海上大氣能見(jiàn)度小于1000m時(shí)，千島群島以東海域和我國(guó)近海風(fēng)向主要以南風(fēng)為主，其次為東南風(fēng)和西南風(fēng)。大洋上風(fēng)速在3～6級(jí)，黃海上風(fēng)速略小，多數(shù)在3～5級(jí)。不論在哪個(gè)海域，海霧發(fā)生時(shí)氣溫接近于露點(diǎn)溫度，甚至有部分低于露點(diǎn)溫度，表明空氣中濕度較大，水汽含量多。海氣溫差是影響海霧發(fā)生的重要物理因素。通過(guò)對(duì)27a上萬(wàn)次的海霧報(bào)告分析，給出了海霧過(guò)程中不同海域上氣海溫差的范圍分布。研究表明，北太平洋千島群島以東海域上氣海溫差多在-1～3℃，中國(guó)近海海面上適合海霧發(fā)生發(fā)展的氣海溫差介于-1～2℃。

Zhang等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，7月北海道以東的中緯度西北太平洋海區(qū)（40°—50°N，140°E—170°W）海霧頻發(fā)的主要原因是西北太平洋副熱帶高壓西側(cè)偏南風(fēng)將暖濕氣流向北輸運(yùn)，越過(guò)黑潮延伸體迅速冷卻的結(jié)果。當(dāng)副熱帶高壓位置偏東，大量暖濕氣流向中緯度西北太平洋輸送，同時(shí)該海區(qū)有高壓脊加強(qiáng)導(dǎo)致邊界層穩(wěn)定性增強(qiáng)的年份，海霧偏多；反之，當(dāng)副熱帶高壓位置偏西偏南，中緯度西北太平洋低壓槽加強(qiáng)的年份，海霧發(fā)生頻率較少。在全球變暖的條件下，該海區(qū)海霧頻率有下降的趨勢(shì)。

王冠嵐利用同樣的資料和方法，分別對(duì)北大西洋和北美東海岸海霧發(fā)生頻率的時(shí)空分布特征進(jìn)行研究[26]，并對(duì)在海霧發(fā)生過(guò)程中起重要作用的各海洋與氣象要素特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。作者也利用1909—2008年這100a的ICOADS資料分析了北大西洋海霧發(fā)生頻率的分布特征，發(fā)現(xiàn)海霧主要發(fā)生在中高緯度海區(qū)，海霧發(fā)生頻率西部高東部低。海霧頻發(fā)區(qū)位于紐約長(zhǎng)島至紐芬蘭島附近及以東海域，海霧發(fā)生最大頻率超過(guò)30%。冰島以東挪威海海域也常有海霧發(fā)生，低緯度海域幾乎無(wú)海霧。北大西洋海霧主要發(fā)生在4—8月，7月為海霧鼎盛期。北美東海岸受海霧影響范圍主要在紐約以北至拉布拉多海海域，霧區(qū)呈現(xiàn)折線形，海霧發(fā)生頻率具有兩個(gè)大值中心，分別位于新斯科舍省以南海域和紐芬蘭島以東海域，圣勞倫斯灣為海霧發(fā)生頻率低值區(qū)。霧季為4—8月，其中6—7月為海霧頻發(fā)期。還對(duì)北大西洋及北美東海岸5條重要航線（紐約—倫敦、邁阿密—倫敦、直布羅陀—紐約、邁阿密—波士頓、邁阿密—哈利法克斯）的海霧發(fā)生頻率進(jìn)行時(shí)空分析，對(duì)跨北大西洋兩岸的航線進(jìn)行不同路徑對(duì)比分析，根據(jù)海霧發(fā)生頻率高低選擇合理路徑，減小海霧影響。同時(shí)使用1982—2008年的ICOADS資料，對(duì)長(zhǎng)島至紐芬蘭島附近及以東海域和紐芬蘭島至大不列顛群島附近海域兩個(gè)區(qū)域海霧發(fā)生時(shí)的風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫和露點(diǎn)溫度差、海表面溫度以及海氣溫差等海洋、氣象要素的特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。海霧發(fā)生時(shí)，長(zhǎng)島至紐芬蘭島及以東海域主要風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)，風(fēng)速為8m/s左右，風(fēng)力以3～6級(jí)為主。海表面溫度為5～15℃時(shí)為最適宜海霧的生成；當(dāng)海表面溫度大于25℃時(shí)，無(wú)海霧發(fā)生，空氣溫度與海表面溫度差多在-1～3℃，氣溫高于海溫的頻率在55%～70%，表明海霧以平流冷卻霧為主。冰島至大不列顛群島海域，海霧發(fā)生時(shí)的主要風(fēng)向?yàn)槠稀⑵珫|風(fēng)，風(fēng)速為7m/s，風(fēng)力以3～5級(jí)為主。海表面溫度為5～15℃時(shí)，最適宜海霧的生成；海表面溫度大于20℃時(shí)，海霧不易發(fā)生，空氣溫度與海表面溫度差以-1～2℃為主。

4　海霧的數(shù)值模擬研究

霧是發(fā)生在大氣邊界層內(nèi)動(dòng)力和熱力過(guò)程十分復(fù)雜的一種天氣現(xiàn)象，依賴常規(guī)觀測(cè)資料研究霧的發(fā)生發(fā)展機(jī)制十分困難。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值模式成為研究霧越來(lái)越重要的有力工具。伴隨中尺度大氣模式的發(fā)展，霧的數(shù)值模擬研究也經(jīng)歷了一維、二維到三維高分辨率區(qū)域模式研究的過(guò)程。

4.1一維模擬

Fisher等[27]首次利用一維數(shù)值模式對(duì)陸地輻射霧進(jìn)行了模擬，雖然模式?jīng)]有考慮輻射、液態(tài)水的蒸發(fā)等物理過(guò)程，但其證明了使用數(shù)值模擬方法對(duì)霧進(jìn)行研究是可行的。Musson-Genon使用大氣邊界層一維模式模擬了1977年8月荷蘭北部地區(qū)Cabawu一次輻射霧過(guò)程[28]，模式的物理過(guò)程考慮了長(zhǎng)短波輻射以及次網(wǎng)格尺度的凝結(jié)過(guò)程。結(jié)果表明，湍流對(duì)霧形成與輸送起著重要的作用。Duynkerke[29]建立了一個(gè)一維模式研究輻射霧，對(duì)植被參數(shù)作了特別處理，該參數(shù)對(duì)氣溫，尤其是對(duì)地溫有很大影響。該模式清楚地描述了湍流交換、長(zhǎng)波輻射冷卻以及在霧發(fā)展過(guò)程中的重力液滴所帶來(lái)的影響。

20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始，我國(guó)學(xué)者逐漸使用一維模式對(duì)陸地輻射霧開(kāi)展研究。周斌斌利用一維模式對(duì)輻射霧的形成和發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[30]，模擬結(jié)果表明：輻射霧形成后會(huì)改變環(huán)境風(fēng)、溫度場(chǎng)，反之，風(fēng)、溫度場(chǎng)的改變又影響了輻射霧的發(fā)展；輻射霧的發(fā)展是在湍流場(chǎng)和輻射場(chǎng)的相互作用下引起的，湍流作用是決定輻射霧形成、發(fā)展的重要因子，它一方面阻礙了輻射霧的形成，另一方面它又能促進(jìn)已形成的霧的發(fā)展。彭虎等使用包含詳細(xì)微物理過(guò)程的一維輻射霧模式對(duì)發(fā)生在重慶的霧進(jìn)行了模擬研究[31]，模擬的溫度場(chǎng)在低層與觀測(cè)一致，模擬的霧與觀測(cè)到的霧的發(fā)展趨勢(shì)相符合。尹球等建立了包括輻射散射參數(shù)化方案并較完善地考慮碰并過(guò)程微物理方案的一維模式[32-33]，利用數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)陸地輻射霧的生消機(jī)制給出了清晰的物理圖像。

4.2二維模擬

由于一維模式存在較大的局限性，如果考慮平流和下墊面等因素的作用，就需要借助于二維模式進(jìn)行研究。張利民等對(duì)重慶地區(qū)霧使用二維非定常模式進(jìn)行了研究[34]，考慮了長(zhǎng)波輻射、地表熱收支、霧水沉降和湍流的綜合作用，這種模式突出了地形分布、水陸分布、城市熱島等因素在陸地霧形成時(shí)的作用以及對(duì)霧水平分布的影響。胡瑞金等建立了二維海霧數(shù)值模式[35]，指出黃海、東海海霧生成的機(jī)制主要是長(zhǎng)波輻射冷卻，湍流混合主要發(fā)生在海霧的初始階段，且限于低層。

胡瑞金等使用相對(duì)濕度方程和理想的二維數(shù)值模式研究了在海霧生成過(guò)程中平流、湍流和輻射的效應(yīng)[36]。結(jié)果表明，海霧生成的主要推動(dòng)力是長(zhǎng)波輻射冷卻，湍流冷卻在低層主要發(fā)生在平流的初始階段。隨著時(shí)間的推移，湍流對(duì)低層大氣很快變?yōu)榧訜嶙饔茫焕诤ｌF的生成。湍流和輻射效應(yīng)在低層大氣中符號(hào)相反（僅在海霧生成的初始階段符號(hào)相同）、量級(jí)相同，在高層大氣中湍流和輻射效應(yīng)符號(hào)相同，但輻射效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。湍流效應(yīng)和輻射效應(yīng)是影響海霧生成的主要因素，平流直接作用似乎不大。這種研究方法同時(shí)突出了平流、湍流和輻射在海霧形成中的作用，較前人的研究有所進(jìn)步。但對(duì)實(shí)際海霧的模擬必須依靠三維數(shù)值模式進(jìn)行。

4.3三維模擬

與研究其他的天氣系統(tǒng)面臨同樣的問(wèn)題，即模式的初始場(chǎng)對(duì)霧的模擬結(jié)果有重要影響。霧是發(fā)生在大氣邊界層內(nèi)的現(xiàn)象，模式中的大氣邊界層方案對(duì)霧的模擬也是影響霧模擬結(jié)果的重要因素。目前比較成熟的幾個(gè)中尺度數(shù)值模式，如MM5、RAMS、WRF和COAMPS等都具有較完善的大氣邊界層及輻射方案，逐漸成為各國(guó)學(xué)者研究霧/海霧的重要工具。中國(guó)學(xué)者開(kāi)展海霧三維數(shù)值模擬研究工作大體可以分為兩個(gè)階段：初期的單純數(shù)值模擬工作和后期的數(shù)值模擬與數(shù)值試驗(yàn)工作。

4.3.1初期的數(shù)值模擬工作

初期的海霧三維數(shù)值模擬研究工作以“模擬的相”為主要目的。傅剛等較早地開(kāi)展了海霧的三維數(shù)值模擬研究[2]，他們利用一個(gè)考慮了地形效應(yīng)、植被影響、長(zhǎng)波輻射、地表能量收支、液態(tài)水的重力沉降等影響霧的形成和發(fā)展主要因子的三維海霧模式，模擬了1995年6月1日發(fā)生在黃海的一次實(shí)際海霧過(guò)程，分析了海霧生長(zhǎng)、發(fā)展和消亡過(guò)程中液態(tài)水含量和其他物理量的三維時(shí)空分布變化特征。結(jié)果表明模式的模擬結(jié)果在相當(dāng)程度上反映了平流冷卻霧的形成過(guò)程，且該模式能較好地模擬出黃海海域?qū)嶋H的海霧生消過(guò)程，對(duì)海霧的三維結(jié)構(gòu)有一定的模擬能力。

每年春夏是黃海海域海霧頻繁發(fā)生的季節(jié)，2004年4 月11日早上，一次濃密的海霧事件出現(xiàn)在山東半島周圍，這片霧區(qū)的空間尺度為幾百千米，持續(xù)了20多個(gè)小時(shí)，在一些地方大氣水平能見(jiàn)度小于20m，引起了一系列的交通事故，在一條高速公路的沿海路段導(dǎo)致12人受傷。Fu等利用各種觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括GOES-9衛(wèi)星圖像資料、NCEP客觀再分析FNL資料、探空資料以及RAMS-4.4區(qū)域大氣模式來(lái)研究這次海霧個(gè)例[37]；利用GOES-9和NOAA-14可見(jiàn)光衛(wèi)星云圖對(duì)海霧的發(fā)生范圍、演變過(guò)程等進(jìn)行了描述，并對(duì)海霧發(fā)生前的大氣背景場(chǎng)和氣海溫差場(chǎng)進(jìn)行了分析；利用青島和韓國(guó)濟(jì)州島2個(gè)站的探空資料對(duì)海霧發(fā)生時(shí)低層大氣的穩(wěn)定度進(jìn)行了分析；設(shè)計(jì)了4km×4km分辨率的RAMS數(shù)值模擬。該模式的初始場(chǎng)由FNL資料提供，并用該數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。從2004年4月10日18時(shí)（UTC）開(kāi)始的積分30h的數(shù)值模擬抓住了此次海霧事件的主要特征，模擬的低大氣水平能見(jiàn)度區(qū)域與從衛(wèi)星云圖所顯示的海霧區(qū)域吻合得非常合理，平流冷卻過(guò)程似乎對(duì)此次海霧的形成起重要作用。

4.3.2數(shù)值模擬與數(shù)值試驗(yàn)工作

在三維海霧模擬能抓住海霧事件的主要特征的基礎(chǔ)上，研究者開(kāi)始考慮利用數(shù)值模式開(kāi)展海霧的數(shù)值模擬與數(shù)值試驗(yàn)工作。樊琦等使用MM5模式對(duì)2002年8月21日珠江三角洲地區(qū)的輻射霧進(jìn)行了模擬[38]，結(jié)果表明，地面長(zhǎng)波輻射冷卻是輻射霧形成的主要機(jī)制，而太陽(yáng)短波輻射則是輻射霧消散的主要原因，如果關(guān)閉長(zhǎng)波輻射，輻射霧就不能形成。如果關(guān)閉太陽(yáng)短波輻射，輻射霧的消散就要推遲。增加模式的垂直分辨率對(duì)模擬霧的垂直結(jié)構(gòu)有明顯的改善。模式中的下墊面改變?yōu)楸容^真實(shí)的城市類型后，霧的消散時(shí)間變得與觀測(cè)比較一致。

王菁茜對(duì)2005年3月27日黃渤海海上的一次海霧事件進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[39]。利用GOES-9， MODIS，NOAA和FY-1D可見(jiàn)光衛(wèi)星云圖對(duì)海霧發(fā)生的范圍、形態(tài)及變化進(jìn)行了觀測(cè)；利用NCEP提供的FNL資料，對(duì)海霧發(fā)生時(shí)的天氣形勢(shì)、氣海溫差和水汽的南北輸送進(jìn)行了分析；之后，利用RAMS數(shù)值模式對(duì)此次海霧事件進(jìn)行了數(shù)值模擬，并計(jì)算了水平能見(jiàn)度。結(jié)果表明：大氣能見(jiàn)度水平分布與衛(wèi)星云圖所顯示的霧區(qū)分部吻合較好，但模擬得到的霧區(qū)較大，海霧的出現(xiàn)時(shí)間較實(shí)際觀測(cè)出現(xiàn)時(shí)間延遲4h左右。大連站模擬大氣能見(jiàn)度的變化與地面觀測(cè)能見(jiàn)度值的變化趨勢(shì)相一致，模擬大氣能見(jiàn)度值顯著偏小。此外根據(jù)模式結(jié)果分析了海表面溫度與露點(diǎn)溫度的關(guān)系，并由此設(shè)計(jì)了海溫（SST）敏感試驗(yàn)。分別對(duì)海溫進(jìn)行升高2℃、升高2.5℃、降低3℃，以及將其替換為2m高度上的氣溫的試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：適當(dāng)升高海溫有利于霧的發(fā)展，海霧的面積相對(duì)較大，垂直高度也較高。當(dāng)海溫升高2.5℃時(shí)無(wú)海霧生成，過(guò)度升高SST破壞了氣海溫差條件，使下墊面不能起到有效的冷卻作用。較低的海溫對(duì)海霧發(fā)展有抑制作用，不利于海霧的垂直發(fā)展，海霧消散時(shí)間也相對(duì)滯后。當(dāng)用2m高度上的氣溫代替SST時(shí)沒(méi)有海霧生成，表明海表面溫度與低層大氣之間存在一定的溫度差是海霧生成的必要條件。

Gao等[40]對(duì)2005年3月9日發(fā)生在黃海的一次海霧事件進(jìn)行了研究。該研究利用NOAA-16和GOES-9衛(wèi)星云圖、地面觀測(cè)資料、海島和沿海地區(qū)探空資料、日本氣象局格點(diǎn)觀測(cè)資料來(lái)分析這一海霧事件。結(jié)果表明，該海霧可以被歸類為平流冷卻霧，海霧區(qū)域和運(yùn)動(dòng)主要特點(diǎn)可以用MM5模式合理地再現(xiàn)。該研究的主要發(fā)現(xiàn)是，海霧在相對(duì)持久的暖濕的偏南風(fēng)和冷海表面上易于形成，由風(fēng)切變引起的湍流混合是海洋上大氣邊界層降溫和增濕的主要機(jī)制。此外敏感性試驗(yàn)研究表明，數(shù)值模擬可以為黃海海霧的預(yù)報(bào)提供一個(gè)有前途的方法。但由于數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)模式輸入極為敏感，數(shù)據(jù)同化顯得十分重要[50-51]。

Zhang等對(duì)黃海春季海霧和夏季海霧進(jìn)行了比較系統(tǒng)氣候態(tài)和個(gè)例的對(duì)比分析[41]，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)海洋大氣邊界層穩(wěn)定性、海氣界面的穩(wěn)定性和海霧厚度的不同與春季和夏季背景環(huán)流差異導(dǎo)致霧頂長(zhǎng)波輻射強(qiáng)度不同有關(guān)。

5　海霧的數(shù)據(jù)同化和集合預(yù)報(bào)研究

從全球視野來(lái)看，海霧的發(fā)生有非常顯著的區(qū)域性，如加拿大東岸的紐芬蘭海域、堪察加半島以南的海域、美國(guó)西岸的加利福尼亞海域、英國(guó)蘇格蘭東北岸海域以及我國(guó)黃海等皆是海霧的多發(fā)區(qū)[1,42]。國(guó)內(nèi)外海霧的研究也主要集中于這些海域。已有的國(guó)內(nèi)海霧研究大致可以分為3類：海霧微物理特征的研究、海霧時(shí)空分布特征的研究，以及海霧形成機(jī)制的研究。根據(jù)這些研究成果，我們可以這樣定義，中國(guó)近海海霧是在東亞季風(fēng)氣候背景支配下，由高低壓天氣系統(tǒng)控制且受海洋影響，發(fā)生在海上大氣邊界層底部的一種水汽凝結(jié)導(dǎo)致大氣水平能見(jiàn)度低于1km的大氣現(xiàn)象。在凝結(jié)過(guò)程中，近海面的湍流混合、霧頂?shù)拈L(zhǎng)波輻射對(duì)海霧的演變起著重要的作用。

20世紀(jì)70—80年代，為了獲取有關(guān)海霧形成的海上大氣邊界層的詳細(xì)信息，美國(guó)與英國(guó)實(shí)施了一系列的海霧外場(chǎng)觀測(cè)計(jì)劃。其中比較著名的有CALSPAN，CEWCOM與Project Haar①CALSPAN：Cornell航空實(shí)驗(yàn)室與海軍研究生院合作進(jìn)行的美國(guó)加利福尼亞海岸外場(chǎng)試驗(yàn)； CEWCOM：美國(guó)西海岸海洋與氣象學(xué)合作試驗(yàn)；Project Harr：海霧研究計(jì)劃（Harr是蘇格蘭東北部海霧的當(dāng)?shù)亟蟹ǎ43-45]。這些外場(chǎng)觀測(cè)計(jì)劃拓寬了人們對(duì)海霧的認(rèn)識(shí)視野。與此同時(shí)，利用這些外場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)展起了海霧形成機(jī)制的數(shù)值模擬研究[45-48]。它們不僅豐富發(fā)展了早期的海霧形成機(jī)制猜測(cè)，還發(fā)現(xiàn)了其他新機(jī)制，并且第一次嘗試了海霧的數(shù)值預(yù)報(bào)[49]。

有三個(gè)主要問(wèn)題將直接影響海霧的數(shù)值模擬質(zhì)量：大氣邊界層湍流方案、云微物理方案、初始場(chǎng)。已有的數(shù)值模擬研究工作表明：對(duì)于前面兩者，在模式提供的眾多選項(xiàng)中挑選合適的方案，一些較典型的黃海海霧過(guò)程可以很成功地模擬再現(xiàn)，如Gao等[40]采用了MM5模式的研究個(gè)例。但當(dāng)我們?cè)俅问褂门c文獻(xiàn)[40]相同的模式分辨率與物理方案運(yùn)行MM5模擬其他典型黃海海霧個(gè)例時(shí)，卻得不到較理想的結(jié)果。究其原因，這很可能是由模擬初始場(chǎng)的質(zhì)量問(wèn)題所致。因此，改進(jìn)海霧數(shù)值模擬初始場(chǎng)質(zhì)量（即海霧的數(shù)據(jù)同化）應(yīng)該高度重視，是必須先行的研究任務(wù)之一。只有高質(zhì)量的初始場(chǎng)才能保證對(duì)控制海霧形成的天氣系統(tǒng)與大氣邊界層狀態(tài)演變過(guò)程的準(zhǔn)確刻畫，才能更好地進(jìn)行海霧的演變機(jī)制研究。

為了充分發(fā)揮常規(guī)觀測(cè)探空、地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的作用，高山紅等基于WRF模式及其先進(jìn)的3DVAR同化模塊，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了循環(huán)3DVAR同化方案[50]。此方案的目的是擴(kuò)展海霧模擬之前的數(shù)據(jù)同化窗，讓更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)被同化，從而改進(jìn)初始場(chǎng)質(zhì)量。以2006年3月6—8日的一次黃海大范圍海霧過(guò)程為研究對(duì)象，他們利用該同化方案（3h循環(huán)一次3DVAR，同化窗為12h）進(jìn)行了一系列WRF數(shù)值模擬對(duì)比試驗(yàn)。模擬結(jié)果顯示，該同化方案能有效改進(jìn)黃海海霧數(shù)值模擬初始場(chǎng)質(zhì)量，主要體現(xiàn)在增加低層大氣溫度層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與改變大氣邊界層下層的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，從而顯著改善海霧的模擬結(jié)果。針對(duì)RAMS模式數(shù)據(jù)同化能力較弱的缺點(diǎn)，高山紅等[51]提出利用WRF循環(huán)3DVAR形成的初始場(chǎng)驅(qū)動(dòng)RAMS模式的思路。RAMS數(shù)值模擬的結(jié)果表明，WRF循環(huán)3DVAR提供的初始場(chǎng)明顯優(yōu)于RAMS模式自身等熵面客觀分析方法生成的初始場(chǎng)，它在動(dòng)力與物理上非常協(xié)調(diào)且對(duì)模擬結(jié)果的改善相當(dāng)顯著。這說(shuō)明WRF循環(huán)3DVAR可以為RAMS模式改進(jìn)其初始場(chǎng)提供一條切實(shí)可行的途徑。

隨著觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)、飛機(jī)與衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)成為常規(guī)數(shù)據(jù)嚴(yán)重匱乏海域最主要的觀測(cè)信息來(lái)源，特別是衛(wèi)星數(shù)據(jù)，所占的比重越來(lái)越大。例如，歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心（ECMWF）預(yù)報(bào)系統(tǒng)所同化的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)所占比例達(dá)到90%以上。目前在國(guó)內(nèi)，衛(wèi)星數(shù)據(jù)在臺(tái)風(fēng)、暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的數(shù)值模擬與預(yù)報(bào)方面的同化研究與業(yè)務(wù)應(yīng)用較多，而在具有“弱信號(hào)”特征的海霧數(shù)值模擬中的同化研究相當(dāng)少，它們更多地被應(yīng)用于海霧的監(jiān)測(cè)[7,52]。李冉等[53]在高山紅等[50]工作的基礎(chǔ)上，利用循環(huán)3DVAR開(kāi)展了黃海海霧數(shù)值模擬的TOVS輻射數(shù)據(jù)的同化研究。他們針對(duì)6次明顯的黃海海霧過(guò)程，實(shí)施了一系列直接同化ATOVS衛(wèi)星輻射數(shù)據(jù)的數(shù)值試驗(yàn)。結(jié)果表明，分別單獨(dú)同化常規(guī)觀測(cè)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星輻射數(shù)據(jù)對(duì)模擬霧區(qū)的影響互有優(yōu)劣。總體平均而言，同時(shí)同化它們所給出的模擬霧區(qū)最好。

李冉等[53]的研究還發(fā)現(xiàn)，盡管同化衛(wèi)星輻射數(shù)據(jù)后海上大氣邊界層的溫度結(jié)構(gòu)得到了改善，但是濕度場(chǎng)幾乎沒(méi)有改進(jìn)。Wang等[9]提出了一種改進(jìn)濕度場(chǎng)的思路：如果模擬起點(diǎn)之前已經(jīng)發(fā)生了一片海霧，那么利用MTSAT衛(wèi)星的紅外和可見(jiàn)光衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)反演這片海霧的水平分布與垂直厚度信息，然后假定海霧霧體內(nèi)部的相對(duì)濕度為100%，將此濕度信息利用高山紅等[50]構(gòu)建的循環(huán)3DAR方案加以同化。他們首先選取了2個(gè)典型海霧個(gè)例將此思路付諸于數(shù)值預(yù)報(bào)試驗(yàn)，詳細(xì)分析了同化效果及其改進(jìn)的原因。然后進(jìn)行了10個(gè)海霧的同化試驗(yàn)，進(jìn)一步評(píng)估了該方法的綜合效果。個(gè)例一海霧發(fā)生面積大且廣泛分布于黃海上，個(gè)例二僅局限于青島沿岸。結(jié)果顯示，同化海霧濕度信息后，前者的預(yù)報(bào)霧區(qū)集中率POD（Probability of Detection）與公正預(yù)兆得分ETS（Equitable Threat Score）分別提高了20%與15%。對(duì)于后者，若不同化，海霧則無(wú)法預(yù)報(bào)出來(lái)。多個(gè)例的數(shù)值試驗(yàn)中同化過(guò)程運(yùn)行穩(wěn)定，12h同化窗的結(jié)果顯示，POD與ETS的平均改進(jìn)率分別為76%與72%，大氣邊界層內(nèi)的比濕與溫度分別改進(jìn)了16%與9%。Wang等[9]提出的方法對(duì)于海霧的數(shù)值業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)非常有用，因?yàn)轭A(yù)報(bào)模式每天運(yùn)行少則2次多則4次，如果碰到海霧天氣，其中至少有1次預(yù)報(bào)的模擬起點(diǎn)之前一定存在海霧。除了通過(guò)數(shù)據(jù)同化手段提高海霧數(shù)值模擬的初始場(chǎng)之外，還必須選擇合適的大氣邊界層（PBL）方案與云微物理（CMP）方案。陸雪等利用2005—2011年10個(gè)春季黃海海霧個(gè)例[54]，開(kāi)展了WRF模式的PBL方案與CMP方案的敏感性研究。總體來(lái)講，PBL方案對(duì)WRF模式霧區(qū)模擬結(jié)果起決定性作用，而CMP方案影響較小，主要影響海霧的濃度和高度。大氣邊界層方案與微物理方案的最佳組合為YSU方案與Lin方案，最差為Mellor-Yamada方案與WSM5方案。Mellor-Yamada方案和QNSE方案模擬的近海面湍流過(guò)強(qiáng)，導(dǎo)致大氣邊界層過(guò)高，不利于海霧的發(fā)展與維持。而MYNN方案與YSU方案刻畫的湍流強(qiáng)度與大氣邊界層高度合適，有利于海霧發(fā)展與維持。

一些研究工作[9,50-51,54]皆是在事先確定好最優(yōu)CMP，PBL方案以及SST的情形下得到的。陸雪等[54]的研究表明，MYNN方案雖與YSU方案相當(dāng)，但在大多數(shù)海霧個(gè)例中，后者明顯優(yōu)于前者，而在有些個(gè)例中卻剛好相反。因此對(duì)于某一具體海霧個(gè)例而言，所用大氣邊界層方案仍需在它們之中選擇最優(yōu)者。這意味著在對(duì)一次海霧進(jìn)行確定性預(yù)報(bào)之前，難以知道誰(shuí)是最優(yōu)的PBL方案。此外如果沒(méi)有耦合海洋模式來(lái)進(jìn)行SST的預(yù)報(bào)，那么在整個(gè)海霧數(shù)值預(yù)報(bào)過(guò)程中不得不采用固定不變的SST場(chǎng)，這極有可能會(huì)嚴(yán)重影響預(yù)報(bào)結(jié)果。假若采用集合預(yù)報(bào)途徑，初始場(chǎng)誤差、CMP與PBL方案的選擇以及SST場(chǎng)等問(wèn)題，理論上講皆可以迎刃而解。因?yàn)槌跏紙?chǎng)集合體中可以包含不同的初始場(chǎng)誤差，在預(yù)報(bào)過(guò)程中不同的集合成員可以采用不同的CMP與PBL方案以及擾動(dòng)的SST場(chǎng)。

在霧的集合預(yù)報(bào)方面，Zhou等的工作[55]是開(kāi)創(chuàng)性的。他們利用多模式的區(qū)域中尺度集合系統(tǒng)對(duì)中國(guó)東部的霧事件進(jìn)行了連續(xù)8個(gè)月（2008年2—9月）的預(yù)報(bào)試驗(yàn)，結(jié)果表明集合預(yù)報(bào)，特別是多模式的集合預(yù)報(bào)可以比單一確定預(yù)報(bào)提供更全面的有用信息，基于集合預(yù)報(bào)的中值預(yù)報(bào)也可以大大地提高霧預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。現(xiàn)在霧的集合預(yù)報(bào)方法已在NCEP投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。在此工作的鼓舞下，高山紅等基于WRF模式及其雜合三維變分（Hybird-3DVAR）同化模塊，對(duì)2006年3月黃海海域發(fā)生的一次大范圍海霧進(jìn)行了集合預(yù)報(bào)嘗試[56]，詳細(xì)分析了其預(yù)報(bào)效果，并與確定性預(yù)報(bào)結(jié)果做了比較。此次集合預(yù)報(bào)采用隨機(jī)擾動(dòng)法生成了40個(gè)初始成員，海溫進(jìn)行了擾動(dòng)，在數(shù)據(jù)同化過(guò)程中借助雜合三維變分引入了來(lái)自集合體的“流依賴”背景誤差信息。研究顯示，集合預(yù)報(bào)50%概率霧區(qū)預(yù)報(bào)的ETS得分優(yōu)于決確性預(yù)報(bào)29%左右，集合預(yù)報(bào)中加入海溫?cái)_動(dòng)非常必要，它對(duì)濃霧預(yù)報(bào)改善作用顯著，ETS至少提高10%。在集合預(yù)報(bào)中混用大氣邊界層YSU方案與MYNN方案的做法，可以降低只使用其中之一可能導(dǎo)致的預(yù)報(bào)誤差。研究表明，借助Hybrid-3DVAR開(kāi)展黃海海霧的集合預(yù)報(bào)技術(shù)上可行，集合預(yù)報(bào)將成為黃海海霧數(shù)值預(yù)報(bào)的一種有希望的途徑。

6　結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)近30a來(lái)我國(guó)海霧研究領(lǐng)域的一些重要進(jìn)展進(jìn)行了回顧，并對(duì)海霧的微物理學(xué)特征、海霧與層云的關(guān)系、北太平洋與大西洋上海霧發(fā)生頻率的氣候?qū)W特征、海霧的數(shù)值模擬、海霧的數(shù)據(jù)同化和集合預(yù)報(bào)等重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)與討論。然而必須指出，海霧研究還面臨諸多困難和挑戰(zhàn)，未來(lái)的海霧研究要想取得進(jìn)展，海霧研究者還必須認(rèn)真思考以下問(wèn)題。

1）海霧可以看作是與海面相接的云。眾所周知，云霧的形成、演變和消散過(guò)程涉及非常復(fù)雜的微物理學(xué)過(guò)程和化學(xué)過(guò)程。未來(lái)加強(qiáng)對(duì)云霧的物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程以及海霧與氣溶膠相互作用過(guò)程的深入認(rèn)識(shí)，將是推動(dòng)海霧研究向前發(fā)展的一個(gè)重要研究方向。

2）海霧發(fā)生在海上的大氣邊界層內(nèi)。我們對(duì)大氣邊界層的認(rèn)識(shí)大多來(lái)自陸地上大氣邊界層的研究[57]。由于缺乏足夠的海上直接觀測(cè)資料，我們對(duì)中國(guó)近海海霧天氣過(guò)程中的海上大氣邊界層的結(jié)構(gòu)、海霧特性等認(rèn)識(shí)程度還相當(dāng)有限，這與美國(guó)、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家尚有較大差距[42,58-59]。隨著我國(guó)對(duì)海洋氣象觀測(cè)的逐步加強(qiáng)，如浮標(biāo)站、自動(dòng)站的布設(shè)和船舶觀測(cè)資料的積累，有理由相信對(duì)海霧的認(rèn)識(shí)程度會(huì)逐步加深。

3）數(shù)值模擬不僅是海霧機(jī)制研究的重要手段，而且更是海霧客觀預(yù)報(bào)的必然途徑。目前被國(guó)內(nèi)外研究者廣泛使用海霧研究的數(shù)值模式，如RAMS，MM5與WRF等中的大氣邊界層與微物理方案并不是直接針對(duì)海霧研究而設(shè)計(jì)的。盡管海霧是接海的云，但它與一般意義上的云還是有很大的區(qū)別。云通常可以看成絕熱膨脹降溫的產(chǎn)物，而海霧卻是底部與海面之間通過(guò)湍流混合、霧頂通過(guò)長(zhǎng)波輻射進(jìn)行熱量交換的一個(gè)非絕熱過(guò)程的產(chǎn)物。因此大力推進(jìn)能細(xì)致地刻畫近海面湍流過(guò)程的大氣邊界層方案、精確描述氣溶膠作用下霧頂長(zhǎng)波輻射過(guò)程中的輻射方案，以及水汽凝結(jié)的微物理方案的改進(jìn)工作，是我們亟待努力的重要研究方向。

4）海霧主要發(fā)生在常規(guī)觀測(cè)資料稀少的海上。因此一方面要利用先進(jìn)的能夠體現(xiàn)“流依賴”特性的數(shù)據(jù)同化方法（如ENKF，Hybrid-3DVAR，4DVAR等）充分消化吸收已有的常規(guī)觀測(cè)的信息，另一方面要盡可能地同化大量分布于海上的非常規(guī)觀測(cè)資料。同化的目的不僅僅是改進(jìn)控制海霧的高低壓天氣系統(tǒng)，更重要的是要改善海上大氣邊界層內(nèi)的濕度與溫度分布狀態(tài)。當(dāng)然海霧對(duì)初始場(chǎng)、海溫以及參數(shù)化方案的高度敏感性，決定了集合預(yù)報(bào)應(yīng)該是今后要重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)研究方向。

5）從社會(huì)服務(wù)的角度來(lái)看，我們不能只滿足于海霧的機(jī)制研究，以及某片海域上海霧有無(wú)的預(yù)報(bào)。跟海霧有關(guān)的社會(huì)最迫切的需求是大氣水平能見(jiàn)度的預(yù)報(bào)。因此如何從海霧的數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果中進(jìn)行大氣能見(jiàn)度的準(zhǔn)確診斷，是一個(gè)看起來(lái)簡(jiǎn)單，實(shí)際做起來(lái)卻非常不易的工作。

6）在太平洋西岸等的一些國(guó)家和地區(qū)，由于海霧是以與其相伴隨的大氣低能見(jiàn)度形式出現(xiàn)的，會(huì)對(duì)空中、海上和沿岸的交通運(yùn)輸帶來(lái)嚴(yán)重影響，因此海霧是被當(dāng)做“災(zāi)害”來(lái)研究的。在南部非洲的納米比亞等國(guó)家的內(nèi)陸沙漠地區(qū)，受海洋的影響每年有200多天會(huì)發(fā)生海霧。但由于沙漠地區(qū)淡水資源奇缺，這些常年滯留在空氣中的霧是被當(dāng)做珍貴的“空中水源”來(lái)對(duì)待的，有科學(xué)家研究不同材質(zhì)的“俘獲網(wǎng)”在空中取水的效率問(wèn)題，期盼能利用高效率的“俘獲網(wǎng)”從霧中獲得更多的淡水資源。如何減少海霧帶來(lái)的負(fù)面影響，提高其作為正面的淡水資源的利用效率？這是值得海霧研究工作者認(rèn)真思考的另一個(gè)重要問(wèn)題。

致謝：衷心感謝美國(guó)NCEP的杜鈞博士對(duì)本文編寫過(guò)程的關(guān)心和指導(dǎo)。

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A Brief Overview of the Sea Fog Study in China

Fu Gang, Li Pengyuan, Zhang Suping, Gao Shanhong
（College of Oceanic and Atmospheric Sciences， Ocean University of China， Qingdao 266100）

Sea fog is one kind of severe weather phenomenon that exerts important infuence on many aspects of social life， such as marine transportation， fshing， port operations， as well as the high-way transportation and the electric power transportation in coastal areas. Previous researches indicated that the financial and human losses related to fogs and low visibility became comparable to the losses resulted from other weather events, e.g., tornadoes or even hurricanes, in some situations. In this paper, some important progresses were reviewed on the sea fog study in China in recent 30 years. Also the authors paid much attention to discuss the following important issues on sea fog researches, i.e., the microphysics of sea fog, the relationship between sea fog and stratus， the sea fog occurrence frequency over the Northern Pacifc and Northern Atlantic， the numerical simulation of sea fog，the data assimilation and ensemble forecasting of sea fog. This paper may provide useful information for those who want to know the latest progress of sea fog study in China.

sea fog, China seas, microphysical characteristics of sea fog, climatology of sea fog, numerical modeling, ensemble prediction of sea fog

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.02.002

2015年9月1日；

2015年10月20日

傅剛（1963—），Email:fugang@ouc.edu.cn

資助信息：國(guó)家自然科學(xué)基金（41275049，41305086，41175006，41576108，41276009）