閩南沿海大霧天氣地面氣象要素統(tǒng)計(jì)分析*

鄭澤華 張 偉 陳德花

(福建省廈門市氣象臺(tái)，福建 廈門 361012)

海霧是懸浮于大氣邊界層大量水滴或者冰晶，使大氣水平能見度小于1km的天氣現(xiàn)象[1]。海霧降低海上或沿海能見度，嚴(yán)重影響海上航行作業(yè)，是影響在海上和沿岸的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和軍事活動(dòng)的重要因素。福建是我國沿海幾個(gè)相對(duì)多霧區(qū)之一，每年霧頻數(shù)20～30d，而廈門附近的多霧中心頻數(shù)高于平均值，為39.5d[2]。

暖濕氣流輸送的風(fēng)向風(fēng)速條件和海表面溫度條件是海霧形成的主要影響因素，海霧出現(xiàn)時(shí)的具體風(fēng)速及風(fēng)向因地區(qū)不同具有較大的差異性，而海霧成霧的海表?xiàng)l件較為一致，海氣溫差范圍為-3～-0.5℃、海表溫度小于25℃[1]。近年來，許多專家根據(jù)新的資料重新對(duì)海氣特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本仍在以上范圍內(nèi),且更為具體[3-5]。黃渤海海霧過程的統(tǒng)計(jì)研究已有許多成果，可基本解釋海霧生消時(shí)邊界層的若干特征[6-8]。近年來，對(duì)福建沿海海霧生消水文條件的研究有了一定成果，華南沿岸近海存在一個(gè)帶狀冷水區(qū)，春季出現(xiàn)暖濕氣流輸送至近岸冷水區(qū)時(shí)，容易出現(xiàn)海霧[9]。馬治國等[10]分析發(fā)現(xiàn)，福建南部沿海海霧發(fā)生頻率高于北部沿海，中南部沿海地區(qū)是多霧的區(qū)域。在對(duì)莆田沿海海霧進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，海霧過程多發(fā)生于海溫低于25℃，海溫低于氣溫、且風(fēng)向?yàn)榉€(wěn)定較弱的偏南風(fēng)時(shí)[11]。關(guān)于影響福建海霧生消的風(fēng)向風(fēng)速研究則較為有限，閩北沿海海霧發(fā)生前地面為西南風(fēng)到偏北風(fēng)，發(fā)生時(shí)為東北至東南風(fēng)，且風(fēng)速小于5 m/s[12]。何秀戀等[13]在對(duì)福建南部的大霧過程研究中發(fā)現(xiàn)，福建南部緯度較低，初春易受弱西南暖濕氣流影響，導(dǎo)致平流霧產(chǎn)生。

福建沿海海霧的研究仍有許多不足，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率還處于較低水平。臺(tái)灣海峽海霧數(shù)值模擬工作是下一步的研究重點(diǎn)[14]。本文利用2015—2018年常規(guī)觀測(cè)資料及新型探測(cè)資料，研究閩南沿海海霧過程相關(guān)氣象要素的統(tǒng)計(jì)特征，為閩南沿海海霧的預(yù)報(bào)、預(yù)警、數(shù)值模擬提供參考依據(jù)。

1 資料數(shù)據(jù)

資料數(shù)據(jù)包括：2015—2018年廈門站(59134)及沿海6個(gè)(59136、F2288、59140、F2286、F2273、59321)地面自動(dòng)站(見圖1)觀測(cè)數(shù)據(jù)，主要采用的氣象要素有溫度、風(fēng)力、風(fēng)向、能見度；廈門海洋氣象浮標(biāo)站資料(59334)，由于2018年起浮標(biāo)站的資料缺失較為嚴(yán)重，因此資料選用時(shí)段為2015—2017年，所用氣象要素主要為海表氣溫及海溫。所有資料時(shí)間分辨率均為1小時(shí)。

圖1 廈門站(59134)、廈門浮標(biāo)(59334)及沿海6個(gè)自動(dòng)站位置分布

2 廈門站能見度天氣氣象要素的統(tǒng)計(jì)特征

首先分別對(duì)雨霧及非雨霧天氣下廈門國家基準(zhǔn)站(59134)的能見度及相關(guān)氣象要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以“站點(diǎn)發(fā)生低能見度天氣的同時(shí)是否有降水產(chǎn)生”區(qū)分雨霧及非雨霧天氣。

2.1 雨霧天氣下氣象要素的統(tǒng)計(jì)特征

基于廈門站每小時(shí)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)降水時(shí)段內(nèi)的氣象要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，廈門站雨強(qiáng)小于1mm時(shí)，更易出現(xiàn)低能見度的情況，且能見度大小與降水強(qiáng)度關(guān)系明顯：降水強(qiáng)度越弱，濃霧天氣發(fā)生次數(shù)越多(圖2)，能見度的高低主要取決于降水粒子大小及濃度，這也與前人研究相一致[15]。

圖2 廈門站不同能見度(雨霧天氣)與溫度、降水量的關(guān)系分布

在此基礎(chǔ)上，不同能見度下溫度的分布如圖3a：當(dāng)能見度小于200m時(shí)，主要有兩個(gè)峰值，分別為14℃和18℃，當(dāng)能見度上升時(shí)，兩個(gè)峰值逐漸向兩極偏移；強(qiáng)濃霧天氣(能見度在0～200m范圍內(nèi))在13～19℃范圍內(nèi)的概率明顯大于一般大霧天氣(能見度大于200m)。因此，當(dāng)溫度在13～19℃范圍內(nèi)時(shí)，有利于雨霧天氣的發(fā)生，且越接近14℃、18℃，強(qiáng)濃霧天氣發(fā)生概率越大，溫度超過該范圍時(shí)，雨霧天氣發(fā)生概率明顯減小。對(duì)比不同能見度下風(fēng)力的分布概率(圖3b)可以發(fā)現(xiàn)，能見度小于500m的情況下，風(fēng)力在1.5～2.5m/s時(shí)，低能見度天氣發(fā)生的概率最大，大于500m時(shí)落在2～3m/s的面積最大；對(duì)比不同檔次能見度可知，能見度越低，峰值越向1.5m/s靠近，且概率增加。因此，當(dāng)風(fēng)力在1.5～2m/s時(shí)，有利于較強(qiáng)雨霧天氣的發(fā)生，這也與萬小雁[16]等人的研究結(jié)果相一致：降水為霧的形成提供了充足的水汽條件，并使溫度降低，空氣快速飽和，弱的降水強(qiáng)度及弱風(fēng)不易破壞大氣的層結(jié)穩(wěn)定，使霧得到維持。因此，當(dāng)雨強(qiáng)增大、溫度較高、風(fēng)力增大時(shí)，低能見度天氣發(fā)生頻次明顯減少。

圖3 廈門站(59134)(小時(shí)降水小于1mm)不同能見度下溫度(a)、風(fēng)速(b)的概率分布

2.2 非雨霧天氣下氣象要素的統(tǒng)計(jì)特征

非雨霧情況下，對(duì)比不同能見度大小和溫度的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)(如圖4)，當(dāng)能見度大于1000m時(shí)，溫度及風(fēng)速分布范圍較廣，隨著能見度降低，其溫度分布范圍快速減小，當(dāng)能見度小于500m時(shí)，風(fēng)速集中在2～4m/s，溫度則主要分布在11～23℃內(nèi)。從濃霧天氣發(fā)生時(shí)風(fēng)力的概率分布上可以看到(圖5a)，僅有一峰值(2m/s左右)，風(fēng)力在1～3m/s范圍內(nèi)時(shí)低能見度天氣發(fā)生概率最大，且不同能見度下(小于3km)差異并不明顯，這與圖4結(jié)論相似；從圖5b可知，當(dāng)能見度小于200m時(shí)有一明顯峰值(16～17℃)，且發(fā)生概率較為集中，而當(dāng)能見度大于200m時(shí)則無此特征。結(jié)合圖4、圖5可知，當(dāng)溫度在17℃左右、風(fēng)速在1～3m/s時(shí)，有利于強(qiáng)濃霧天氣(能見度小于200m)的發(fā)生。

圖4 廈門站不同能見度(非雨霧天氣)與溫度、風(fēng)速的關(guān)系分布

圖5 廈門站不同能見度(非雨霧天氣)下風(fēng)力(a)、溫度(b)的概率分布

2.3 不同情況下強(qiáng)濃霧天氣對(duì)比討論

在強(qiáng)雨霧天氣發(fā)生時(shí)，東風(fēng)主導(dǎo)，其次為偏西風(fēng)(圖6左)，整體風(fēng)力較小，且與降水強(qiáng)度明顯相關(guān)，降水強(qiáng)度越弱，風(fēng)力越小，越有利于微小粒子在空中懸浮，使得能見度明顯下降，與溫度的關(guān)系并不明顯。

非雨霧天氣情況下存在明顯不同。首先溫度分布集中，強(qiáng)濃霧天氣發(fā)生時(shí)溫度主要集中在17℃附近，以弱東風(fēng)為主，且東風(fēng)所占比例明顯高于其他方向(圖6b)，且風(fēng)力略大于強(qiáng)雨霧天氣，由此可以推斷，強(qiáng)非雨霧天氣主要是以平流霧為主，因此體現(xiàn)出更為明顯的溫度、風(fēng)向特征。

以上針對(duì)雨霧及非雨霧天氣分別對(duì)廈門站進(jìn)行了氣象要素的統(tǒng)計(jì)分析，由于廈門站海拔較沿海略高，且位置較靠近內(nèi)陸，具有一定的特殊性，并不能完全代表廈門沿海海霧過程，因此，下文將對(duì)閩南沿海代表站點(diǎn)氣象要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

(a)雨霧 (b)非雨霧

2.4 沿海代表站點(diǎn)氣象要素統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)地面自動(dòng)站的位置及資料的完整程度，在閩南沿海挑選了6個(gè)代表站(59136、F2288、59140、F2286、F2273、59321)進(jìn)行分析。由于雨霧天氣能見度受降水影響較明顯，且較少出現(xiàn)大范圍低能度天氣，因此下文僅針對(duì)非雨霧天氣進(jìn)行分析討論，以期得到可用于預(yù)報(bào)閩南沿海大范圍海霧過程發(fā)生的氣象要素條件。

圖7分別是閩南沿海所選6個(gè)站點(diǎn)自北向南所做的溫度、風(fēng)力特征統(tǒng)計(jì)。從溫度上看，沿海各站整體溫度分布較廣，主要在14～28℃之間，且在不同能見度檔次內(nèi)，溫度差別并不明顯，值得注意的是，以廈門為界，廈門以北的站點(diǎn)溫度主要集中在15～24℃之間，而南部沿海溫度主要集中于16～27℃，這可能是由于南部沿海整體溫度、水汽條件較北部略好，更有利于低能見度天氣的產(chǎn)生，因此出現(xiàn)以上區(qū)別。

從風(fēng)力上看，除了F2286(圖7d)以外，其余站點(diǎn)在大霧過程中風(fēng)力都小于8m/s(4級(jí))，且在2～5m/s范圍內(nèi)的頻率較高，F(xiàn)2286風(fēng)力分布略大于其他各站，但大部分也小于10.8m/s(5級(jí))。圖8給出了能見度小于1km時(shí)站點(diǎn)的風(fēng)玫瑰圖，由于各站點(diǎn)風(fēng)向分布較為相似，在此僅展示F2288及F2273的結(jié)果。從圖8可以看出，在海霧發(fā)生時(shí)，主要以東北風(fēng)到偏北風(fēng)為主，出現(xiàn)頻率及平均風(fēng)力也遠(yuǎn)大于其他方向；其次則主要以西南風(fēng)為主，其平均風(fēng)力在4～5m/s。

(a)59136 (b)F2288 (c)59140 (d)F2286 (e)F2273 (f)59321

(a)F2288 (b)F2273圖8 低能見度(小于1km)情況下風(fēng)玫瑰圖

3 閩南海霧生消過程氣象要素演變特征

本文利用所挑選的閩南沿海6個(gè)自動(dòng)站，選取能見度同時(shí)小于1km的時(shí)間段作為海霧發(fā)生時(shí)段，挑選了16次海霧過程，共計(jì)59個(gè)時(shí)次。規(guī)定起始時(shí)刻前3h作為海霧發(fā)展時(shí)段，結(jié)束時(shí)刻后3h作為消散時(shí)段，對(duì)氣象要素特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3.1 沿海站點(diǎn)氣象要素特征統(tǒng)計(jì)

圖9給出了海霧發(fā)展階段的風(fēng)玫瑰圖，由于各個(gè)站點(diǎn)所處的地理位置不同，風(fēng)向、風(fēng)速有所差異。整體來說，在所挑選的海霧過程中，地面主要以南風(fēng)或西南風(fēng)為主，且平均風(fēng)力在2～4m/s，弱的南風(fēng)維持了大氣的層結(jié)穩(wěn)定，且有持續(xù)的水汽輸送，有利于大霧天氣的形成；其次部分站點(diǎn)有明顯的弱偏東風(fēng)或者東北風(fēng)，這說明了弱冷空氣在海霧形成中的作用(鋒前霧)。圖10為成熟階段的風(fēng)玫瑰圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，仍然是以西南風(fēng)為主，但是其比重明顯下降，而東風(fēng)、東北風(fēng)或北風(fēng)的出現(xiàn)比例明顯上升，略低于偏南風(fēng)，且平均風(fēng)速明顯小于發(fā)展階段；消散階段風(fēng)(圖11)的情況與成熟階段差異較小，因此風(fēng)并不是導(dǎo)致以上海霧過程消散的主要原因。

(a)59136 (b)F2288 (c)59140 (d)F2286 (e)F2273 (f)59321

(a)59136 (b)F2288 (c)59140 (d)F2286 (e)F2273 (f)59321圖10 海霧成熟階段風(fēng)玫瑰圖

(a)59136 (b)F2288 (c)59140 (d)F2286 (e)F2273 (f)59321圖11 海霧消散階段風(fēng)玫瑰圖

3.2 浮標(biāo)站要素統(tǒng)計(jì)

由于2018年起廈門浮標(biāo)資料大部分缺失，因此此處僅統(tǒng)計(jì)2015—2017年的海霧過程(13次)的浮標(biāo)資料。

從海溫分布看(圖12a)，所選海霧過程中，海溫主要分布在14～20℃范圍內(nèi)，且在15℃、19℃附近有明顯峰值，而在23℃附近也有一峰值，但其概率密度明顯小于前者。而對(duì)比不同階段的海溫分布特征可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)海溫在14～20℃時(shí)，海霧成熟階段的海溫較生消階段的明顯偏高；而在23℃附近時(shí)結(jié)論則剛好相反，這可能是由于海霧過程性質(zhì)不同所導(dǎo)致的(平流霧、鋒前霧)。

從海氣溫差上看(圖12b)，海霧過程中溫差主要集中在1.5℃以內(nèi)，且海溫略低于氣溫。發(fā)展-成熟-消亡過程中溫差呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)：在海霧生消過程中，海氣溫差較小，而在成熟階段，其溫差主要集中在0.5～1℃，說明一定的海氣溫差有利于海霧過程的維持。

圖12 海霧過程發(fā)展(紅線)、成熟(黑線)、消亡階段(藍(lán)線)海溫(a)及海氣溫差(b)的概率密度

4 結(jié)論

對(duì)于廈門站而言，在雨霧天氣下，低能見度(小于1km)天氣主要出現(xiàn)在小時(shí)雨強(qiáng)小于1mm，且溫度在9～23℃、風(fēng)力在1～3m/s的情況；溫度過高或者過低、降水強(qiáng)度較大或風(fēng)力較大的情況下，都不易出現(xiàn)低能見度天氣。非雨霧天氣下，當(dāng)溫度接近17℃，且風(fēng)力在1～3m/s范圍內(nèi)，有利于強(qiáng)濃霧天氣的出現(xiàn)，溫度過高或者過低、風(fēng)力過大或過小都不利于濃霧天氣的產(chǎn)生。

在針對(duì)閩南沿海所選6個(gè)站點(diǎn)的特征統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，各站點(diǎn)溫度分布主要在14～28℃，且在不同能見度檔次內(nèi)，溫度差別并不明顯，廈門以北的沿海站點(diǎn)溫度較南部偏低；從風(fēng)力上看，大霧過程中風(fēng)始終較小，主要集中在2～5m/s范圍內(nèi)，各站主要以東北風(fēng)到偏北風(fēng)為主，其次是西南風(fēng)。

當(dāng)海溫接近15℃、19℃時(shí)，有利于閩南沿海大范圍海霧過程的發(fā)生，不同性質(zhì)海霧過程中海溫變化具有不同特點(diǎn)；海霧過程中海氣溫差主要集中在1.5℃以內(nèi)，氣溫略高于海溫。過程中呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，一定的海氣溫差(0.5～1℃)有利于海霧過程的維持；海霧發(fā)展階段風(fēng)向主要以偏南風(fēng)為主，其次部分站點(diǎn)有明顯的弱偏東風(fēng)或者東北風(fēng)，風(fēng)力主要在3～6m/s，而在海霧成熟階段偏東風(fēng)及偏北風(fēng)比例明顯增加，且風(fēng)速明顯減小，但風(fēng)的變化并不是海霧消散的主要原因。