長江口一次持續性強濃霧過程特征和成因分析

韓苗苗，高雅文，鐘劍，杜樹浩，周彤

（中國衛星海上測控部，江蘇江陰 214431）

0 引言

霧是一種局地性很強的災害性天氣現象[1]。發生在長江的江面霧往往會導致能見度迅速下降，由于長江口水道狹窄、明沙暗礁星羅棋布，當大霧迷蒙時，船體容易迷失方向，往往會引起擱淺、觸礁或與其他船只碰撞的事故[2-3]。因此，加強對霧的分析研究，提高霧的監測、預報能力，對于船舶在長江口的航行安全具有很強的實際意義。但由于缺乏足夠的觀測資料，江面霧的預報往往困難重重，尤其是霧的生消時間預報。因此，在監測手段尚未有效改善之前，對江面霧的形成、維持和消散的環流條件進行必要的分析和歸納，不失為改善其預報能力的一種手段。

國外海霧的研究開始于加利福尼亞沿海地區。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；TELFORD 等[5]的研究表明暖水上方湍流加強對海霧的消散起到重要作用。我國對長江口霧比較系統的研究可以追溯至20 世紀六七十年代。國家海洋環境預報中心通過對東海沿海數據進行分析，發現沿海海域上午有霧的情況最多，下午次之，夜間有霧的情況偏少[6]。王紫竹等[7]通過分析長江口航道附近的海霧，發現海霧過程受風場的影響較大，南風盛行時水汽充足、濕度較大、容易產生海霧，而西北風主導時，海霧容易消散。鋒面霧的研究多集中于內陸地區，很少涉及海上，周福等[8]通過對寧波地區長江口霧的研究，認為鋒面南側的風速小且水汽含量大，有利于長江口霧的形成。

2022 年3 月11—14 日，在江蘇東部、上海、黃海海域及周邊地區出現了一次大范圍持續性的長江口霧，多個沿岸測站均觀測到能見度長時間維持在100 m 左右，達到了強濃霧級別，嚴重影響了長江航道的船舶航行，帶來了較大的安全隱患。本文主要從實況要素、云圖特征、大氣環流等方面探尋長江口霧的生消機理，歸納總結預報的實用性方法，為后續船舶航行保障提供參考。

1 資料來源及研究方法

1.1 資料來源

本文采用的資料包括：①美國環境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）開發的FNL 全球分析資料（Final Operational Global Analysis data），資料時間分辨率為6 h，水平分辨率為1°×1°，數據格式為Grib2，主要使用海平面氣壓場和海平面風場兩個變量；②船載自動氣象站測量的逐5 min 數據，包括氣溫、濕度、氣壓、風向風速和能見度；③日本“葵花8 號”（Himawari-8）衛星云圖資料，主要使用紅外和可見光云圖資料。

1.2 研究方法

溫度露點差是空氣溫度與露點溫度的差值，是用來衡量空氣濕度的參量。本文計算溫度露點差的方法如下：

①由氣溫計算出飽和水汽壓：

②通過飽和水汽壓計算露點溫度和溫度露點差：

式中：T為傳感器所測氣溫，單位：℃；P為空氣的飽和水汽壓，單位：hPa；U為空氣的相對濕度，單位：%；Td為露點溫度，單位：℃；TC為溫度露點差，單位：℃。

2 結果與分析

2.1 長江口霧生消演變過程

根據中國氣象局地面觀測規范[9]，本文基于能見度（V）將霧劃分為：輕霧（1 km ≤V＜10 km）、大霧（500 m ≤V＜1 km）、濃霧（200 m ≤V＜500 m）、強濃霧（50 m ≤V＜200 m）、特強濃霧（V＜50 m）。2022年3月11—15日船舶觀測的各氣象要素結果見圖1。

圖1 2022年3月11—15日船舶觀測要素Fig.1 Ship observation elements on 11—15 March,2022

形成階段：11日01時（北京時，下同），船舶周圍沒有霧，能見度超過10 km；05時開始長波輻射作用增強，氣溫開始迅速下降，風向由偏南風轉為偏東風，平均風速降至1 m/s，濕度迅速上升到88%，溫度露點差也驟降為1.95 ℃，能見度逐漸轉差至5 km左右，船舶開始受輕霧影響。

首次發展階段：從11 日07 時開始，氣溫以1.4 ℃/h 的速率迅速回升，相對濕度迅速下降，但此時江面霧卻沒有明顯消散，能見度甚至略有下降，一直持續到至11 日13 時，相對濕度降至60%，氣溫回升到21℃，江面霧才趨于消散，能見度轉好。11日16 時開始，氣溫開始降低，濕度同步上升，近30 min的能見度從15 km下降至10 km，長江江面又開始出現輕霧，能見度隨著氣溫的不斷降低而降低，12 日00 時后晝夜溫差達到最大，最低氣溫為11.5 ℃，溫度露點差達到0.15 ℃，整個江面被強濃霧籠罩，能見度最低只有100 m，而風向、風速沒有明顯變化，始終穩定為偏東風，風速只有2～4 m/s，有利于濃霧的發展加強，整個過程持續了9 h。

好轉階段：12 日上午，由于日出后太陽輻射加強，溫度迅速上升，低層水汽快速流失，溫度露點差從0.15 ℃上升至16 ℃，盛行風向轉為偏南風，風速明顯增大至6～8 m/s，大氣擴散條件較好，濃霧開始快速消散，能見度轉好至20 km。

再次發展階段：13 日凌晨，受鋒面過境影響，江蘇、上海和東海海域有連續性降雨，低層水汽充沛，溫度露點差迅速下降至0.97 ℃，江面霧迅速生成，僅僅15 min 內能見度從10 km 急劇下降至2 km，風速減小至2 m/s 以下；隨后，氣溫迅速回升，12 時前后達到當日最高溫度25 ℃，空氣的相對濕度也陡降至62%，能見度略有好轉，但江面霧卻沒有消散。從13 日13 時開始，風向轉為穩定的偏北風，風速始終維持在4 m/s 以下，濕度穩步上升至90%以上，江面霧的濃度越來越大，能見度降至200 m 以下，達到了強濃霧級別。14 日凌晨，長江口再次出現降雨，風向由穩定的偏北風轉為東南風，溫度和濕度卻沒有明顯變化，強濃霧依然維持。

消散階段：14 日上午，盛行風向由偏南風轉為偏北風，風速明顯增大至6～8 m/s，溫度露點差快速增大，船舶周圍能見度明顯轉好，江面霧開始消散，14日16時，霧完全消散，能見度轉好至10 km以上。

整個過程中濕度和能見度存在負相關關系，當能見度低于2 km 時，濕度都大于95%，在濃霧消散過程中，當能見度達到10 km 時，濕度為65%左右。溫度和溫度露點差與能見度存在正相關關系，能見度最差往往發生在凌晨時段溫度最低時，當能見度降至2 km以下時，溫度露點差小于1 ℃。

2.2 云圖特征分析

本文選取日本“葵花8號”的可見光云圖和紅外云圖（見圖2），圖中紅點為船舶所在位置。3 月12日08時，可見光云圖上整個黃海海域和江蘇北部存在十分均勻的灰白區域，呈現東北—西南向的均勻帶狀分布特點，內部紋理光滑，邊界整齊清楚，其西北部的白亮云系呈東北—西南向的均勻帶狀分布，帶狀中間顏色更白亮[10]，越到邊緣顏色越灰暗，邊界模糊混亂，外圍帶有纖維狀的云系向外延伸擴展，屬于典型的鋒面云系。而紅外云圖上黃海海域和江蘇北部沒有明顯的白色區域，只能隱約看出其邊界處存在色差，鋒面云系清晰白亮，比可見光上顯示的范圍更大，顏色更白，內部紋理更柔順。13 日08 時該鋒面云系影響到朝鮮半島—長江口一帶，而江南地區的灰白區域與其相連呈塊狀分布，顏色更加灰暗，且分布不均勻，灰白區中間有許多純黑斑點，邊界模糊不齊，外圍無纖維云系，船舶周圍能見度為3.5 km 左右，結合觀測實況可知覆蓋江南地區的灰白區域屬于輕霧區，但其特征與12日霧區的紋理均勻特點并不相同，霧區呈局地性的塊狀分布，維持時間不長，分析可能是地面輻射降溫導致出現了輻射霧；而其北部的云系呈現出東西帶狀分布、表面均勻光滑的特點，顏色均勻灰白，較鋒面云系更暗，但邊界清晰整齊，無云系向外延伸擴展，在紅外云圖上難以分辨，十分符合霧的特征。14 日凌晨，灰白云系南移至船舶上空，能見度持續轉差至200 m 左右，達到強濃霧級別，隨后灰白區域繼續南移，霧區緩慢消散，直至當日下午，能見度轉好至10 km以上。

圖2 不同時刻衛星云圖Fig.2 Satellite cloud images at different times

2.3 天氣形勢背景分析

以往研究表明[11]，合理的大氣環境配置、穩定的高空層結有助于長江口霧的產生。圖3 為3 月11—14日500 hPa、850 hPa和地面天氣形勢圖，包括位勢高度和溫度場。

圖3 不同時刻形勢場Fig.3 Situation fields at different times

11 日20 時，500 hPa 和850 hPa 均受高壓脊控制，有下沉運動，層結穩定，空中云量較少，因此夜間輻射降溫明顯，并導致了12 日凌晨出現了輻射霧。而地面風向在霧生前后沒有變化，始終維持偏東風，等壓線稀疏，風速小，擴散條件差，有利于霧的維持加強。

13 日08 時，500 hPa 和850 hPa 有高空槽過境，江陰經歷了一次降雨過程，大氣上空逐漸由層結不穩定轉為層結穩定，低層相對濕度較大，有利于霧的生成，但中層受較為平直的西風控制，水汽輸送不充沛，且地面無穩定風向，導致13 日只有長時段的輕霧出現，能見度始終超過2 km。

14 日凌晨，受850 hPa 東北冷渦外圍影響，對流天氣產生，西南氣流與東北氣流在長江口處交匯，并伴隨持續性降雨，地面處于均壓場，風速較小，盛行偏南風，水汽充沛和擴散條件差導致能見度迅速下降，輕霧加重為強濃霧，08 時之后隨著東北冷渦東移，850 hPa 逐漸受槽后西北氣流控制，地面風向也發生突變，從偏南風轉為偏北風，濕度隨之迅速下降，能見度逐步轉好，濃霧開始消散。

2.4 大氣層結和水汽特征分析

許多研究表明，霧發生時大氣邊界層中總伴有逆溫或等溫現象，穩定的大氣層結是長江口霧發生和維持的重要條件[12]。圖4 為3 月12—14 日08 時船舶位置的探空T-lnp圖，通過分析可以發現，大霧期間逆溫現象始終存在。12 日08 時和13 日08 時700 hPa 以下風向穩定一致，垂直風切變小，湍流作用微弱，逆溫層頂抬升到900 hPa ，地面都有霧區出現，而14 日08 時700 hPa 以下風向隨高度的增加呈順時針變化，暖平流導致氣溫迅速回升，逆溫層頂高度達950 hPa，較13 日逆溫層頂高度有所下降，層結穩定性有所減弱，有利于濃霧的消散。

圖4 船舶位置T-Inp圖Fig.4 T-Inp diagram of ship positions

圖5 為3 月12—14 日08 時的水汽通量和水汽通量散度，箭頭表示水汽通量，表現了水汽的輸送方向以及大??；水汽通量散度表示水汽的輻合與輻散的情況，當水汽通量散度為正時，水汽輻散，水汽通量散度為負時，水汽輻合。12 日08 時長江口低層大氣受偏南氣流的控制，東南向水汽輸送至長江口附近，出現水汽輻合區，實況中相對濕度也印證這個結論，船舶附近相對濕度達到95%以上，隨后由于東南風逐漸轉為西南風，因此水汽輻合區并未繼續向北或者內陸發展。13日08時，長江口正處于偏南氣流和偏北氣流的交匯區，東海和黃海的水汽都往長江口輸送，導致出現了水汽輻合區，相對濕度上升至95%，隨后風向轉為偏西風，內陸水汽不足，相對濕度迅速下降至62%，午后風向又轉為穩定的偏北風，此時黃海水汽持續輸送至長江口，導致相對濕度再次攀升到95%以上。14 日08 時長江口水汽輸送為西北向，并出現水汽輻散區，水汽得不到補充，長江口霧逐漸消散。

圖5 不同時刻1 000 hPa水汽通量（箭頭，單位：g/（cm·hPa·s）），以及水汽通量散度（填色區域，單位：g/（hPa·cm2·s））Fig.5 Water vapor flux of 1 000 hPa at different times(arrow,unit:g/(cm·hPa·s))and water vapor flux divergence(shaded area,unit:g/(hPa·cm2·s))

上述分析表明，低層充足的水汽和穩定的層結為長江口霧的形成以及發展維持提供了條件。此次濃霧過程的水汽主要來自于東海和黃海，通過東南氣流或偏北氣流被輸送至長江口，而低層逆溫的存在大大阻礙了空氣的垂直運動，水汽聚積在大氣低層，為大霧的持續提供了條件。

3 結論

本文對2022 年3 月11—14 日發生于長江口的濃霧天氣過程的實況特征和生消演變進行了分析。結論如下：

①3 月12 日凌晨江面輻射霧的生成是由于低空層結穩定，下沉氣流盛行，空中云量較少，夜間輻射冷卻降溫直接導致濃霧形成，而13日之后的濃霧過程發生在鋒面過境前后，濃霧形成前的持續性降水提供了充足的水汽，穩定的偏南風或偏北風將水汽輸送至長江口，由于逆溫層的存在，水汽一直聚積在大氣低層，有利于濃霧的維持加強。

②利用衛星云圖可在白天實時監測霧區，長江口霧在可見光云圖上的特征較為明顯，顏色紋理均勻分布，邊界清晰整齊，外圍無絲狀或纖維狀云系擴散，而紅外云圖上霧區通常是一片灰暗區。通過對比分析能較好地區分云區和霧區，但缺陷是霧的維持和加強多發生于氣溫下降的凌晨時段，無法用可見光云圖監測其發展變化。

③本文計算得出的溫度露點差能較好地反映濃霧的整個過程，當能見度低于2 km 時，溫度露點差小于1 ℃，而溫度露點差大于3 ℃時也有霧生成，但能見度不低于3 km，可用于長江口能見度精細化預報。

④風向、風速對長江口霧的形成和消散有至關重要的作用，霧生時段通常盛行南向風，但由于長江口的特殊位置，偏北風也可輸送充足的黃海水汽，有利于霧的生成和發展。當出現西北風或者偏西風時，低層水汽輸送不足，往往會導致相對濕度迅速下降，且風向變化往往會引起平流霧的生消演變，而對輻射霧的影響不大，風速穩定地維持在1～3 m/s 時有利于濃霧的生成和加強，而風速達到6 m/s以上時不利于霧的發展和維持。