國外海霧研究進展綜述

范悅敏

摘 要

本文將從以下幾個方面回顧近年來國外海霧研究一些進展情況，旨在為東海海霧的研究和預報提供參考。首先是基于船舶觀測得到的全球海霧發生頻率的氣候學特征，其次介紹關于海霧成因和預報的若干進展，最后由黃海海霧的季節變化特征討論其形成和消退的內在機理。

關鍵詞

海霧;氣候學特征;平流;逆溫

中圖分類號： P732 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.16.112

0 引言

海霧是一種發生在沿海地區和洋面上的低能見度天氣現象，隨著海洋經濟和海上作業的不斷發展，漁場與航道的交叉區域不斷加大，我國沿海海域較易發生海難事故，而海霧可使船只發生偏航、觸礁、擱淺甚至碰撞等事故，更是加重了海難事故的發生。據不完全統計，因海霧碰撞沉沒的事故占海上事故總數的30%左右，每年海霧事故造成的直接經濟損失就達幾百萬。隨著近年來大力發展海洋經濟及臨港型經濟，海霧對航運業的影響不容小覷，保障海上漁業生產和交通安全，已日益迫切。而提高海霧預報的準確率對保障廣大漁民的生命、財產安全和發展經濟有著十分重要的現實意義。

1 全球海霧發生頻率的氣候學特征

Koracin等人利用1950-2007年期間ICOADS（International Comprehensive Ocean Atmosphere Data Set）船舶觀測資料，首次進行了全球尺度的海霧綜合氣候學研究，在分析全球海霧發生頻率時空分布的基礎上，進一步討論了霧頻與一些氣候指數的相關性，并嘗試解釋導致其中一些顯著相關性的物理機制[1]。船舶觀測數據在時間上按照季節進行劃分，在空間上則是將非極地區域的海洋分為1°X1°經緯度的網格點。文章用格點內海霧發生次數的百分比來表示每個格點海霧的發生頻率，以消除不同格點內觀測次數不同而導致觀測到海霧頻次的差異。

1.1 海霧發生頻率的空間分布

從全球的霧頻分布情況可以看出，海霧發生頻率較大的格點集中在16個地區，這些地區可以分為4個大組。一組是三個副極區海洋環流圈的西側，在海洋大陸架上（千島群島、大淺灘和阿根廷）。第二組是具有代表性海霧發生的七個邊緣海區，五個在北半球大洋的西海岸：鄂霍次克海、日本海、黃海、南海、新斯科舍省的凹形邊緣;兩個在東海岸：波羅的海和北海。第三組是沿海岸的五個海水上涌大值區，四個在亞熱帶海洋環流圈的東側：納米比亞-南非、加利福尼亞-俄勒岡、秘魯、摩洛哥;一個在印度洋的北岸：阿拉伯半島。除了納米比亞-南非這個區域有兩個極大值中心，其他區域都只有一個極大值中心。在近極地海區暫定的凹形海區的極大值是僅有的深水區海霧極大值。而由于船舶資料的缺少，極區海洋不在研究范圍中。

1.2 海霧發生頻率的時間變化

研究中選取千島群島和大淺灘這兩個海霧發生頻率最高、觀測次數最多、信噪比最高的區域，來討論海霧的年際變化。計算去趨勢后58年的海霧數據與氣候指數的相關系數，用5年滑動平均來顯示低頻變化。

為分析霧頻與更廣泛地區的短期氣候變化的可能關系，將其與PDO和ENSO指數（千島群島）以及NAO和AMO指數（大淺灘）進行了比較。

1.2.1 千島群島霧頻與PDO和ENSO指數

太平洋年代際振蕩PDO來可以部分表示北太平洋的直接大氣強迫。PDO的振幅在夏末初秋有明顯的最小海溫異常，且中心向西北太平洋移動。千島群島的海霧數據與PDO相比有明顯的年際變化，相關性低。使用5年滑動平均抑制年際變化，相關系數提高到0.55-0.79。使用根據海表溫度計算出的Nino3.4指數來描述ENSO信號的特征。夏季3個月平均的年際ENSO指數與千島群島的海霧數據沒有顯著的相關性。

1.2.2 大淺灘霧頻與NAO和AMO指數

北大西洋濤動NAO是冰島低壓和亞速爾高壓之間的大氣海平面氣壓差，一年當中夏季最弱。大淺灘的海霧數據和NAO夏季平均的年際數據變化較一致，相關系數在0.24-0.35之間。5年滑動平均的相關系數高達0.34-0.56。

大西洋年代際振蕩AMO周期在60-80年。為了從AMO指數中去除氣候變化信號，使用NOAA地球系統研究實驗室的AMO指數。大淺灘的海霧發生頻率和夏季AMO指數有反相關關系，相關系數在-0.41到-0.58。5年滑動平均的相關系數高達-0.53到-0.75。

千島群島海霧發生頻率與PDO正相關，但與ENSO不相關。兩個海霧發生頻率極大值的區域都在海平面氣壓的高低壓中心之間。在PDO和NAO的正位相期間，氣壓梯度增加，在這兩種情況下，南風氣流帶來暖濕空氣，促使海霧形成。而在大淺灘海霧發生的頻率和AMO成反比，因為正AMO位相與包括紐芬蘭地區在內的美國東北部的干燥溫暖空氣相聯系，抑制了海霧的形成。

2 海霧成因與預報

關于海霧的成因和預報，Koracin等人在2014年做了非常詳盡的整理和歸納[2]，之后進行了進一步的擴展[4]。目前比較明確的幾種海霧成因，一是較熱的空氣流過較冷海面形成的冷海霧，二是較冷的空氣流過較暖海面形成的暖海霧，兩者都是平流霧，三是由氣團變化導致的海霧，這是一個發生在高層的過程。海表面上空的輻合輻散可以改變表面層頂部的沉降過程，而云層、霧霾和顆粒物的存在會改變向上和向下的輻射，這些因素的輕微變化都會改變原有的平衡，最終導致海霧的形成和消散。

海霧預報的主要方法是從大尺度運動出發，大尺度模式的輸出通常為次天氣模式和中尺度模式提供邊界條件，這些模式涵蓋一個連貫的地理區域，例如一個特定的海岸或海洋的一小部分及其鄰近地區，這些區域模式的水平分辨率接近10公里或更細。利用這些小尺度模型的輸出與氣候學相結合，進行海霧預報有明顯的優勢。

海霧數值預報的一個主要障礙是不能直接將霧的微物理過程加入模型中。在某種程度上，這是由于微物理參數化會增加計算需求。此外，控制霧滴微物理過程的方程很難與控制中尺度模型的方程聯系起來。也就是說，參數化并不簡單，而且通常涉及比較嚴謹的假設。在氣溶膠初始和邊界條件未知的情況下，也存在大量的不確定性。另一個挑戰是如何將大尺度氣候學與觀測數據最佳地結合起來。因此，在大尺度和小尺度上，對霧及其演變至關重要的因素都不容易納入預測系統。

3 黃海海霧季節變化

Zhang等人利用一系列臺站觀測數據和衛星探測數據研究黃海海霧的季節變化，發現黃海海霧于四月在山東半島南部沿岸突然增多，而八月開始突然消退，并進一步討論導致這一現象的內在物理機制[4]。

從三月到四月黃海的季節性變暖滯后于周圍的陸地區域。在925hPa盛行的西風帶將溫暖的大陸空氣輸送到黃海冷水上空，形成利于海霧形成的逆溫層，有助于在大氣邊界層中留住水分。海陸加熱的差異在黃海和中國東海北部形成淺薄的熱高壓，這一海面反氣旋解釋了中國（突發）和韓國（連續）海岸之間海霧的東西不對稱。反氣旋西側的南風維持暖濕平流，有利于海霧在東部海盆的形成。反氣旋東側缺少暖濕氣流的輸送，使得韓國沿岸海霧發生頻次逐漸增加，而非突然發生。

從七月到八月副熱帶西北太平洋上空的大氣對流增強激發了正壓波列。由此產生的副熱帶重力勢的徑向偶極模式加強導致盛行風向由南風變為東風，這一風向的轉變終止了四月到七月維持黃海海霧的暖濕南風平流，從而導致了八月海霧的突然消退。

4 結語

海霧出現頻率最大值的位置對應于海表面溫度和淺層海水較冷，以及有潮汐混合的區域，夏季冷水面上的暖濕空氣平流和低層有逆溫的穩定大氣都是利于海霧形成的條件。由于冬季海氣溫差急劇減小，海霧的發生頻率很低。千島群島和大淺灘海霧發生頻率與氣候指數有顯著的相關關系，說明海霧發生的頻率在一定程度上受到短期氣候變化的影響。但受到海霧觀測數據缺乏的限制，這個結果僅針對兩個觀測數據充足的區域，所以隨著未來海霧觀測數據的豐富，這種相關關系可以在更大的時空尺度上得到更深入的討論研究。海霧預報的難點在于詳細的海霧微物理過程和降水在模式參數化中常常被簡化，所以對海霧微物理過程的研究是亟待解決的問題。大尺度環流的季節性變化和逆溫層的形成是導致黃海海霧明顯季節變化的主要原因，類似的研究今后也可以在東海展開。

參考文獻

[1]Dorman CE，Mejia J，Koracin D，McEvoy D.World marine fog analysis based on 58-years of ship observations.Int J Climatol.2020;40：145-168.

[2]Koracin，D.，Dorman，C.E.，Lewis，J.M.，Hudson，J.G.，Wilcox，E.M.and Torregrosa，A. （2014） Marine fog：a review.Atmospheric Research，143，142-175.

[3]Koracin，D.and Dorman，C.（Eds.）.（2017）Marine Fog： Challenges and Advancements in Observations，Modeling，and Forecasting.Springer Atmospheric Sciences，Switzerland：Springer International Publishing.

[4]Zhang，S.-P.，Xie，S.-P.，Liu，Q.-L.，Yang，Y.-Q.，Wang，X.-G.and Ren，Z.-P.（2009）Seasonal variations of Yellow Sea fog：observations and mechanisms.Journal of Climate，22，6758-6772.