閩東海霧天氣概念模型與基于LORA監測技術的檢驗分析

陳勝軍，孫巍巍，陳 驥

福建省寧德市氣象局，福建寧德 352100

閩東地處福建東北部，位于我國大陸黃金海岸線中段，其中三都澳港區位于寧德市東南部，屬半封閉海灣，灣口狹長、灣內分區短、群山遮擋、島嶼掩護，是天然避風港，因此容易造成海霧的形成和維持。海霧是閩東冬、春季節重大海洋氣象災害之一，給大氣海洋災害頻發的氣候系統脆弱地區帶來較大壓力，嚴重影響航運、港口生產、海洋漁業、海上搜救、涉海工程、特色旅游等。因此加強對閩東沿海地區海霧的觀測和預報研究工作很有必要。

近幾年，國內外對海霧的研究不斷取得顯著成果[1-3]。在ISI Web of Knowledge的SCIE平臺，可以檢索到很多海霧相關文獻。但研究閩東沿海海霧較少且基礎薄弱，尤其是海霧精細化預報服務、海霧觀測能力不高，依托“海上福建”項目，近年來，在閩東沿海逐步建設了激光能見度雷達、六要素自動站氣象觀測站、基于LORA的海霧觀測系統，為提高海霧監測與預報水平提供了更多的手段，海洋氣象儀器更加精密，海洋氣象區域預報更加精準，為海霧預報與機理研究提供了思路與方法。

1 資料與方法

選取2017—2021年閩東沿海海霧實況數據，再利用6 h一次的1°×1°的NCEP再分析資料對海霧發生時的500 hPa和850 hPa環流形勢和地面氣壓場特征進行分析，得到有效、關鍵的天氣概念模型，并利用基于LORA技術的海霧協同觀測資料對典型海霧過程進行實況檢驗，提高LORA海霧監測系統的可用性和有效性。

根據閩東有LORA觀測數據以來的數據表明，在能見度＜2 km時，LORA反演效果普遍較好，因此將海霧過程定義為：選取的沿海自動站中有至少一個站點能見度＜2 km，能見度＜2 km的時間至少≥2 h。

2 海霧出現頻次的變化特征

從圖1可看出，閩東海霧天氣多發生于冬、春季，12月至翌年5月為多發期，其中春季多平流霧，冬季多輻射霧，夏季霧日天數相對較少。由圖2可看出，受太陽輻射和海陸差異的共同影響，閩東海霧過程日變化特征明顯，多發生于21:00至次日09:00（占77%），07:00、08:00出現頻次最多，其他時刻發生海霧頻次極少。受海陸分布和局地熱力環流影響，沿岸處具有明顯的陸地特征，尤其是在三都澳一帶，其日變化特征接近陸地特征，表現為明顯日變化幅度。

圖1 2017—2021年閩東海霧總天數月分布

圖2 2017—2021年閩東海霧日變化特征

3 海霧發生的天氣形勢與概念模型

海霧主要發生于邊界層內，但與大尺度天氣形勢有密切關系，中層大氣環流所具備的引導氣流對近地面風向風速均有影響。當地面邊界層靜風時，空氣中凝結的小水滴不易被吹散或抬升成云，懸浮在近地面層，一旦邊界層有較好水汽條件極易形成霧，而水汽條件輻散輻合與大氣環流又有密切關系，因此分析中低層環流特征和地面形勢為提高海霧預報準確率提供幫助。經統計分析發現（表1），閩東海霧發生可總結為4類概念模型（以地面分型為主，配合對應的500 hPa和850 hPa環流形勢）。

表1 閩東海霧過程天氣形勢分型

從表1可看出，在四類天氣分型中，均壓場型占比最高，約占所有模型的44.8%。在這模型下，閩東地區介于新舊系統轉換之間，或處于減弱的弱高壓范圍內，或者原來影響的天氣系統已離開或減弱消失，無明顯系統影響，也沒有明顯氣壓梯度，閩東地區氣壓場均勻，而850 hPa在切變南側偏南氣流的影響下，有利于輸送水汽，為大霧形成提供了低層水汽條件。配合均壓場控制，風速較小，大氣垂直環境穩定，亂流作用不強，不至于將水汽抬升至過高的高度而凝結成云，在這種形勢下，當夜間輻射冷卻時易使邊界層水汽凝結成小水滴并懸浮在近地面層。

占比次高的是冷鋒前側型，此時鋒面常在上游浙江、江西、閩西北一帶，閩東處在冷鋒前側，地面冷空氣多以中西路南下為主，因為海面持續有大量水汽蒸發，一旦冷空氣滲透南下，在其冷卻作用下，便在沿海一帶形成海霧。這種形勢下，500 hPa高空槽位置偏西偏北，而850 hPa切變東移南壓，閩東在切變南側偏南氣流的影響下，水汽條件較好，遇冷凝結易形成海霧。

另外，高壓后部型和倒槽型。當地面和低層處于高壓后部時，低層850 hPa偏東氣流或偏南氣流將外海暖濕氣流輸送到沿海一帶，而由于海陸熱力差異作用，沿?；騼群：u一帶低層溫度較低，形成逆溫層，輸送的充足水汽缺少向高層抬升條件，便形成霧。地面倒槽型常配合850 hPa切變南側偏南氣流影響，此時500 hPa處于槽前西南氣流控制，而地面倒槽是低層暖平流作用的結果，有利于在地面形成弱的負變壓，使底層水汽過飽和凝結成霧（圖3）。

圖3 閩東海霧天氣概念模型

4 基于LORA監測技術的檢驗分析

LORA是指一種基于遠距離物聯網無線電通信技術，LORA技術融合數字擴頻、數字信號處理和前向糾錯編碼技術，具有通訊站可獨立組網、抗干擾能力強、超低功耗、靈敏度高等優勢，便于海上組網監測海霧天氣過程。LORA信號對海霧過程十分敏感，根據李效東等[4]研究表明，LORA監測數據在能見度＞3 km時數據波動較大，誤差＞±20%，在低能見度時監測數據有效性更強。閩東有LORA觀測數據以來的數據表明，在能見度＜2 km時，反演效果普遍較好，因此依托福建省海霧監測平臺，選取2022年1月1日—5月15日寧德市港務集團(C0A8167F)、福安市灣塢村(C0A 81673)、福安市藟尾村(C0A81693)、蕉城區三都鎮(C0A817B8)、七星村月爿嶼(C0A817C2)、蕉城區海上餌料交易市場(C0A806CB)、霞浦縣盤前村(C0A8167D)LORA海霧觀測站點數據＜2 km的樣本進行檢驗分析，同時檢驗分析海霧監測數據與自動站數據，自動站選取站點分別是蕉城城南鎮（F3825）、蕉城三都鎮斗帽島2（F3813）、蕉城三都鎮海上社區（F3821）、霞浦北壁鄉沙塘村（58854）。

通過LORA海霧監測平臺數據與自動站能見度檢驗對比，定義準確率為平臺與自動站均出現霧，漏報率為平臺無體現但自動站監測有霧，空報率為平臺有體現但自動站監測無霧。為提高數據的有效性，選取的樣本均為能見度＜2 km的時刻，且維持時刻≥2 h均定義為霧時。根據樣本統計結果，得到以下檢驗指標（表2）。

表2 LORA海霧監測系統檢驗指標占比

以上結果表明，LORA較好地反映了海霧的反演結果，但存在漏報率、空報率，根據天氣概念模型結果對比分析可看出，漏報率出現時刻均是均壓場型和冷鋒前側型，這2種模型下地面風速較小，而空報率出現的時刻多是地面南風偏強的情形，說明大氣中的風對LORA信號強度指標具有一定的影響，與李效東等分析結果一致，但準確率較低。這是因為LORA信號強度與傳輸距離呈對數相關，閩東沿海部署的LORA海霧觀測站相較于自動站位置均處于相對靠外海位置，而自動站分布密度較低，且主要在沿岸或海島一側，存在擋角，綜合以上誤差原因與檢驗評估指標，在優化上述觀測網絡的基礎上，LORA海霧觀測站對海霧的過程有較好的反演效果，可作為海霧預報預警的有效技術解決方案，為提高海霧監測與預報水平提供了更多的手段。

5 典型海霧過程監測對比

根據氣象自動站資料，2022年3月30日20:00起觀測到有海霧生成，且能見度長時間維持小于500 m的濃霧狀態，持續至31日08:00，然后能見度上升到2 km以上，海霧逐漸消散，過程結束。從LORA海霧監測系統反演結果可看出，3月30日17:35開始已經監測到有輕霧生成，且RSSI信號強度顯示，低能見度維持到4月1日06:00，僅在3月31日10:30~11:30能見度有所上升，其他時刻平臺均計算出有輕霧，海霧生成階段反演結果早于自動站觀測時間，消散階段反演結果晚于自動站觀測時間。這種誤差與站點分布差異有關，LORA海霧觀測站主要分布在三都澳海區中部和東部，而自動站主要分布在三都澳西部和南部，存在地理位置上的擋角。就整體海霧天氣來看，LORA海霧監測系統與海霧過程基本吻合，能夠較好地反映出海霧維持過程。

之所以會出現LORA監測海霧生成時次過早和消散時次過晚，與大氣環流所造成的水汽條件和風速有關。從圖4可看出，此次過程起始階段冷鋒位置偏北，閩東地面處于均壓場，850 hPa受切變南側偏南風控制，且風速弱輻合帶來低層水汽弱輻合，而500 hPa處于南支槽前平直偏西氣流，系統抬升條件較弱，是典型的均壓場天氣概念模型。從925 hPa水汽通量散度可看出（A處），在3月30日17:00閩東沿海一帶邊界層有弱的水汽通量輻合，與LORA海霧監測系統反演出的低能見度相對應，而實際上到3月30日20:00，冷鋒逐漸南壓，此時冷空氣從沿海回流南下，溫度下降才使得水汽凝結成霧[5]。3月31日14:00，邊界層水汽已明顯減少（B處），但LORA海霧監測系統反演結果一直顯示有輕霧，這除了與降水干擾有關外，還與邊界層風速有關，因為3月31日08:00—4月1日06:00，閩東沿海一帶有7個鄉（鎮、街道）極大風速大于20.8 m/s（9級），3個鄉（鎮、街道）大于24.5 m/s（10級），而風速較大時，有利于霧消散。因此，LORA海霧監測系統信號強度指標受大氣中的水汽條件、風速和降水的干擾而產生誤差。在實際日常預報中，這些干擾因素都是預報員可以排除的因子，不影響LORA海霧監測系統的有效性。從以上分析可見，LORA海霧監測系統對海霧落區和整個起始、維持階段都有較好的反映，且存在一定的準確率，對海霧天氣告警具有提前性，可作為增強海霧協同觀測能力的有效手段，對提高海霧精細化預報能力有較好的指示作用。

圖4 2022年3月30日天氣形勢

6 結論

（1）閩東海霧天氣多發生于冬春季，12月至翌年5月為多發期，受太陽輻射和海陸差異的共同影響，日變化特征明顯，多發生于21:00至次日09:00（占77%），其中07:00、08:00出現頻次最多，其余時刻發生海霧頻次極少。

（2）閩東海霧的發生有均壓場型、冷鋒前側型、高壓后部型、倒槽型4種特定天氣形勢。其中，均壓場型和冷鋒前側型占比最高（79.3%），高壓后部型和倒槽型出現頻率相對較低，占20.7%。

（3）LORA較好地反映出海霧反演結果，但其信號強度指標受大氣中水汽條件、風速和降水干擾而產生誤差，在預報預警中剔除這些要素影響后，可將LORA作為增強海霧協同觀測能力的有效技術解決方案，對提高海霧精細化預報預警能力有較好的指示作用。