黃、東海春季海霧“楔”形霧區分布特征及其成因分析

曹宗元，劉 飛, 郭文明, 王堅侃，陳梅汀

(1.舟山市氣象局，浙江 舟山 316021；2.中國人民解放軍91937部隊，浙江 舟山 316000；3.中國人民解放軍91876部隊，河北 秦皇島 066200)

引 言

黃、東海是海霧多發區[1]。海上低能見度天氣嚴重影響海上交通及作業安全[2]。準確的海霧預報需要對黃、東海海霧的分布特征及大尺度氣象水文背景成因有更清晰和透徹的了解。黃、東海位于太平洋的暖海流黑潮與冷海流親潮交匯處，季節性南風將東海暖濕空氣吹向黃海冷海面上成霧，這是海霧的氣候學成因[3]。早在1930年，Byers[4]認為冷海面對近海面層的空氣冷卻是海霧的主要成因。國內研究表明，黃海海霧多屬于平流冷卻霧[5-7]，即暖濕空氣流經冷海面，底層空氣降溫達到其露點凝結而形成霧。天氣形勢為海霧提供了背景場。趙永平等[8]將黃、東海海霧生成的天氣型劃分為5類，有利的天氣系統不僅形成了穩定的大氣層結，更為海霧提供了水汽條件。Lewis等[9]認為高壓造成的大規模下沉運動、邊界層內的逆溫等均為海霧的形成提供了環境場。

春季華南多云雨，黃、東海多海霧，下墊面海表面溫度(SST)也呈現出南高北低的分布。本文選取黃、東海連片大范圍霧區海霧個例，消除以地理位置割裂中國沿海海霧整體性的弊端，分析黃、東海連片霧區海霧的典型分布特征，探索氣象水文背景條件在海霧過程中的作用。

1 資料與方法

本文所用的資料有中國氣象衛星中心風云2E、2G及日本氣象廳MTSAT(The Multi-functional Transport Satellite)可見光云圖，韓國氣象廳KMA(Korea Meteorological Adiministration)提供的逐3 h地面分析圖、氣象傳真圖等地面站點觀測數據，ICOADS(The International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set)的能見度數據,美國國家預報中心(NCEP)提供的空間分辨率為0.5°×0.5°的CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)風、濕度、垂直速度等再分析資料,美國國家海洋和大氣管理局 NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)提供的 OISST(Daily Optimum Interpolation Sea Surface Temperature)每日下墊面海溫資料,懷俄明大學(uw.vo.edu)提供下載的探空數據(08、20時)。

衛星遙感霧區圖像特征為顏色乳白、表面光滑、質地均勻，白天受陸地熱力影響較大，霧區與海岸線吻合較好[10-12]。對2009-2018年近10年海霧過程進行統計分析，并利用個例分析方法，對典型個例環流形勢、水汽條件、下沉運動、下墊面海溫、層結條件等方面展開研究，揭示海霧成因，以個性發掘“楔”形霧區共性特征[7]。為進一步了解其共性特征，還采用數理統計方法，對1980-2018年霧頻進行統計，結合春季下墊面海溫情況[1]，進而獲得海霧霧區“楔”形成因概念圖。

2 結果與分析

2.1 “楔”形海霧空間分布特征

通過可見光衛星云圖，結合地面觀測數據,對海霧霧區統計分析發現,大范圍、連片且覆蓋黃、東海海域的海霧霧區具有相似的分布特征(圖1)。由圖1大范圍的具有代表性的6個海霧個例衛星云圖可知：

(1)海霧霧區范圍較大，且覆蓋整個黃、東海海域，霧區形狀具有相似分布特征，黃海霧區較為明顯，由于30°N以南的東海海域常伴有惡劣天氣，云系較多，給衛星云圖判別海霧帶來困難。

(2)霧區形狀呈現為北部寬廣、南部細長的“楔”形分布特征，也就是北部霧區覆蓋整個黃海海區，有部分霧區向渤海發展，顏色呈乳白色，邊界整齊，與山東、江蘇、朝鮮半島海岸線吻合較好，地理環境因素也決定了此霧區的分布特征[13-14]。以長江口附近為界，南部霧區覆蓋東海近岸，沿浙閩沿海呈細長條帶狀分布，霧區多斷裂，紋理較不均勻，且多有零散云系覆蓋。

2.2 “楔”形海霧時間分布特征

春季和初夏是中國沿海海霧高發季節[15-16]。本文統計的黃、東海“楔”形海霧發生的頻率占春季大范圍海霧的30%左右，黃、東海延伸至臺灣島連片霧區海霧多發于4月，其次是3月，5月的最少。近10年衛星云圖可明顯分辨出“楔”形結構的海霧有19例，4月份發生9次，占42%，3月份發生6次，3、4月份“楔”形霧區發生的概率要明顯大于5月份的，其中黃海為明顯“楔”形霧區，東海一半以上為云層覆蓋。此外，觀測事實表明，在海霧消散過程中，東海近岸條帶狀霧區要先于黃海大范圍霧區消散。

海上船舶實測能見度是研究海霧的有效手段[17]。分析1980-2018年黃、東海春季(3-5月)ICOADS觀測數據反演出的霧頻(圖2)可知，3月份霧區空間分布特征為沿海岸線呈東北-西南走向分布，黃海大部及東海近岸海霧發生頻率在4%左右，4%頻率等值線平行于朝鮮半島至臺灣島連線，向西南延伸至廣東沿海。4月份霧頻明顯增大，黃海北部和長江三角洲東部海域為兩處霧頻大值區，霧頻最大在12%以上，4%等值線空間分布與3月份的相似，并由近岸向遠海呈遞減趨勢。5月份黃海為海霧多發區，霧頻在16%以上，但福建沿海霧頻由4%降為2%，廣東沿海霧季基本結束。總體而言，黃、東海春季霧頻分布呈東北-西南向，霧頻等值線與朝鮮半島和臺灣島連線平行，也呈明顯的“楔”形分布特征。

圖2 黃、東海海域1980-2018年3月(a)、4月(b)和5月(c)月平均能見度小于1 km的海霧頻率分布圖

2.3 “楔”形海霧形成原因

從理論上講，海霧是在海洋影響下出現在低層大氣中的天氣現象。適宜的大尺度天氣環流背景、充足的水汽輸送、穩定的大氣層結、大范圍的下墊面冷卻條件，對黃、東海“楔”形海霧的形成起到了關鍵作用。本文選取2011年3月12-13日、2014年4月9-11日、2018年3月31日-4月1日3次典型個例對“楔”形霧區成因進行分析。

2.3.1 大氣環流形勢

海霧是在一定天氣背景下產生的，通過大尺度流場分析，能夠得到宏觀的海霧生成特征[18]。為消除日出后下墊面增溫導致的霧區消散，確保沿海站點對海霧的代表性，選取3次典型海霧個例2011年3月13日08時、2014年4月9日08時、2018年4月1日08時及其前3 h的地面圖(圖3)進行分析。沿海站點霧的觀測事實證實了衛星云圖上黃、東海海霧的“楔”形結構分布特征。3次海霧過程具有相似的天氣形勢和環流背景，均屬于北太平洋高壓后部型的平流冷卻霧過程[11]，也就是位于日本東南附近海域的西北太平洋高壓較弱，其高壓脊西伸至我國東南地區，阻礙了北方天氣系統的東移，黃、東海處于其底后部控制，穩定的偏南氣流將暖濕氣流源源不斷地向沿海輸送，臺灣島附近低壓槽呈東北-西南走向。高低壓配置形成穩定背景場，為海霧產生提供了較適宜的風場條件[19]。高壓后部黃海大部海域盛行偏南氣流，東海近岸以偏東風為主，風速為3～6 m·s-1，東海及其以南霧區風速要大于黃海海域的風速。有利的風場條件將東海偏東暖海面的水汽不斷地向冷海面輸送，提供了海霧形成和維持充足的水汽條件[20]。值得注意的是，在大范圍霧區形成的05時，沿岸基本以南-東南向氣流為主(圖3a、c、e)，而在08時(圖3b、d、f)，江蘇、浙江沿岸基本轉為東北風，也就是說大范圍霧區形成后，偏北風條件下海霧仍能夠維持。

圖3 海霧發生時韓國遠東地面天氣形勢圖

2.3.2 水汽條件及下沉運動

良好的水汽輸送是大范圍海霧形成的物質基礎[21-22]。圖4為CFSR再分析資料的850 hPa垂向速度與1000 hPa水汽通量圖。3次海霧個例存在共同的特點(圖4a、b、c)：東海偏東海域是海霧形成的水汽源，強勁的水汽輸送為海霧的形成提供了充足的水汽，霧區范圍與水汽通量大值區有較好的對應關系。以30°N附近為界，水汽輸送分為南北兩路：一路是由東海北部的偏東到黃海的偏南氣流反氣旋性彎曲向黃、渤海輸送水汽，到朝鮮半島轉為北略偏東向，最終導致霧區向朝鮮半島北部發展，水汽通量較強區在東海北部及黃海，呈現“北寬南窄”的下尖型分布；另一路是氣旋式輸送，基本平行于浙閩沿岸地形向南略偏西向輸送水汽，不強的西向水汽輸送分量也解釋了東海海霧的沿岸帶狀分布成因。與水汽通量配合的是天氣系統分布[23-24]導致的黃、東海大范圍下沉運動，下沉有助于等溫或逆溫等穩定大氣層結出現，同時將暖濕水汽限制在較低的海氣邊界層內，東海大部雖為下沉運動控制，但有時存在上升運動區，這可能是東海云霧共存復雜性的誘因。圖4(a)和圖4(c)中黃海東南部下沉大值中心雖有較強水汽輸送，但云圖上無明顯霧區，這可能是過強的下沉絕熱加熱不利于液態水汽的形成和維持。

圖4 黃、東海海域海霧過程850 hPa垂直速度與1000 hPa水汽通量圖

2.3.3 下墊面海溫條件

下墊面熱力狀況是平流冷卻霧成霧機制中的重要條件[25]，冷海面為暖濕空氣的降溫凝結提供了冷源。利用NOAA提供的基于觀測和衛星資料混合的日平均OISST分析可知(圖5a、b、c)，黃海大部、東海西北部、浙閩沿岸存在相對冷水區，為春季海霧的形成提供了必需條件。以2011年3月12-13日海霧過程為例(圖5a)，下墊面海溫呈南高北低梯度變化，除黃海中部冷水團外，中國近海普遍存在溫度梯度鋒，較為典型的有浙閩沿岸鋒、黑潮鋒及黃海暖流鋒[26]。結合衛星云圖(圖1b)可以發現，海霧發生在海表面溫度梯度鋒(SSTF)冷水一側。春季偏南暖濕氣流活躍，暖濕氣流過SSTF后，冷海面起到冷卻作用，形成典型的平流冷卻霧。2014年4月9日、2018年4月1日SST也存在同樣的分布特征，即海霧多發生于黃、東海SSTF的冷水一側，霧區范圍受海陸分布和SSTF位置共同影響，形成了“楔”形分布霧區。以4月份為例(圖5d)，“楔”形海霧在25°N以南海域發生在平均海溫小于23 ℃的范圍內[27]，25°-30°N的發生在小于18 ℃的范圍內，30°N以北的則發生在海溫小于15 ℃的黃海冷水區，即海洋鋒冷水一側。春季東海SSTF強度達到最強[28]。春季海溫的水平分布對海霧有兩點貢獻：一是海洋鋒的加強有助于增強冷區的下沉運動和暖區的上升運動，鋒區附近邊界層高度明顯下降，有利于水汽在低層大氣的累積；二是越海洋鋒后，穩定邊界層形成，限制在低層的暖濕空氣平流于較冷的海面上，易凝結成霧。

2.3.4 大氣層結條件

穩定的大氣層結，海氣邊界層等溫或逆溫的存在，有利于海霧的生成和維持，其厚度變化也決定了霧的發展程度[29]。自南向北選取臺北、洪家、射陽3站探空數據進行分析(站位見圖5a)，結果發現，臺北為非霧區，且處于浙閩沿岸鋒暖水一側，洪家位于鋒區西側東海條帶狀霧區中，射陽則能代表黃海冷水區的層結特點。以2014年4月9-11日海霧個例為例(圖6,另外2個個例圖略)，9日08時臺北低層有弱逆溫層，溫度露點差低值區位于700-800 hPa高度，反映出云的存在;洪家站存在明顯的逆溫層，逆溫層頂以下濕度逐漸增大,濕度層降至900 hPa高度，存在云霧共存的形態；射陽站逆溫層強度進一步加強，水汽被限制在逆溫層底1000 hPa以下且已飽和[30]，表明有霧的存在。3個海霧個例均表明，在海洋鋒暖水側，基本無逆溫或弱逆溫，高濕區可達700 hPa高度。暖水面的水汽輸送至鋒區冷水側時，逆溫層逐漸形成，同時暖濕水汽被進一步限制在850 hPa以下的低層內，此階段水汽可能以霧或低云的形態存在。水汽繼續向北至黃海冷水團時，逆溫層強度繼續加強(貼近海面)，同時逆溫層頂為干冷空氣，霧頂的輻射降溫更有利于海霧的維持[31]。總的來說，濕區的高度由南向北降低，逆溫層從無到有建立發展，并伴有強度加強和高度降低的分布特征。

圖5 黃、東海海域下墊面海表面溫度圖

圖6 2014年4月9日08時臺北(a)、洪家(b)、射陽(c)探空曲線圖

2.4 “楔”形海霧概念模型初探

“楔”形海霧個例的發生是在氣象與海洋水文背景下，由特定海陸分布作用的結果。通過成因分析，總結出“楔”形霧區成因概念圖(圖7)。高壓反氣旋氣流，將東海東部暖濕氣團分別以偏南和偏東氣流向黃海及東海近岸輸送(高效率水汽輸送在幾百米高度上)，在SSTF暖水一側暖濕氣流以云或氣態存在，跨海洋鋒后下沉運動導致低云向海霧轉化[32]，在850 hPa大范圍下沉運動的影響下，強逆溫層的形成將暖濕氣團限制在黃海大部和東海近岸冷海面上，逆溫層頂的干冷空氣輻射冷卻及下墊面冷海面的平流冷卻，導致暖濕氣團凝結成霧。同時，也可以大膽猜測，東海近岸海霧發生在距SSTF較近的冷水側，且容易出現云霧共存或者霧頂高度較高的狀態；黃海海霧由于受強下沉運動及黃海冷水團影響，逆溫層高度低且強度強，海霧被限制在幾百甚至幾十米的高度范圍內。

圖7 海霧成因概念圖

3 結論與討論

本文利用地面觀測資料、探空資料、海洋水文資料、衛星云圖及多種再分析數據,對發生在黃、東海的“楔”形分布特征海霧個例進行研究，分析了其時空分布及成因，得到以下結論：

(1)春季“楔”形霧區海霧個例多發，尤其以3、4月份的居多，形態表現為黃海為大范圍的濃霧區覆蓋，浙閩沿海岸線多為云霧共存的條帶狀，整體呈現出北部寬廣、南部細長的“楔”形分布特征。

(2)春季黃、東海霧頻分布及SST分布均具有“楔”形特征，海陸分布及SSTF位置共同限定了黃、東海海霧霧區形狀。

(3)天氣形勢分析表明，春季大尺度天氣環流有利于海霧的生成，黃海海上高壓的反氣旋性以偏南及偏東氣流分別向黃海大部和東海近岸兩個方向輸送水汽，大范圍的下沉運動導致了逆溫的形成，為“楔”形霧區的形成提供了有利的大尺度背景場，但強下沉運動不利于海霧的維持。

(4)大范圍下沉運動及逆溫層的形成,將水汽限定在較低的冷海面上冷凝成霧[33]。海霧所需的暖濕水汽基本來源于東海偏東海域。水汽由暖水區越過SSTF后，隨著逆溫層的形成、加強和高度下降，高濕水汽層從SSTF暖水區至SSTF附近冷水區由800 hPa下降至900 hPa高度，直至黃海冷水區的1000 hPa高度上，同時逆溫層頂的干冷狀態導致的輻射冷卻更有利于海霧的維持和發展。

本文僅從現象上描述了黃、東海春季海霧“楔”形霧區分布特征，對其成因也僅從大尺度動力條件上進行了簡單的探索，對其發生、發展、維持、消散的過程和微物理機制涉及較少，尤其缺乏下墊面熱力條件、水汽越過海表面溫度梯度鋒SSTF的前后相態變化和SSTF的關鍵作用缺乏更細致的說明，對成霧概念模型也僅是大膽的猜想。下一步將通過更多個例和多樣的分析手段，對這種特征給予詳盡的分析與成因解釋，以此為海霧預報提供新的思路。