孫藝，楊悅，甄晴

（1.煙臺市人民政府人工影響天氣辦公室，山東煙臺264003；2.中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海洋與大氣學(xué)院，山東青島266100；3.龍口市氣象局，山東煙臺265700）

1 引言

黃海是我國海霧發(fā)生頻率最高的海區(qū)之一，青島年霧日數(shù)為50 d以上，山東半島東部的成山頭年霧日數(shù)可達(dá)80 d以上[1-2]。黃海海霧以暖濕空氣經(jīng)過冷海面形成的平流霧為主，其主要特點(diǎn)是分布范圍廣、大氣水平能見度低、持續(xù)時間較長。張?zhí)K平等[1]在統(tǒng)計(jì)黃海海霧的氣候特征時發(fā)現(xiàn)，海霧一般在每年4—7月的春夏季達(dá)到最盛期，8月霧季結(jié)束，標(biāo)志是海上盛行風(fēng)由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)。關(guān)于海霧的形成，王彬華[2]總結(jié)了我國沿海海霧發(fā)生的海洋和氣象條件，海洋條件主要包含海表面溫度和冷暖洋流的作用，而氣象條件中，近海面大氣溫度、濕度和穩(wěn)定度是發(fā)揮作用的主要因素；同時還歸納了幾種我國沿海海域極有可能生成海霧的天氣類型，即北太平洋脊、我國大陸東移的低槽或低壓系統(tǒng)、入海變性的高壓。楊悅等[3]在此基礎(chǔ)上又將黃海海霧天氣型中的入海變性高壓型細(xì)分為南高北低、東高西低、獨(dú)立高壓3種配置，并補(bǔ)充了入西太平洋高壓型。在上述天氣系統(tǒng)的控制下，當(dāng)?shù)途暤呐瘽窨諝馄揭浦咙S海的冷海面，穩(wěn)定層結(jié)使低層的暖濕空氣不易向上發(fā)展，聚集在近海面而形成海霧[4-5]。除了天氣系統(tǒng)的支配，成霧之后，霧體內(nèi)部的湍流與霧頂?shù)拈L波輻射冷卻對海霧的維持和演變必不可少。夏季海上大氣邊界層中溫度層結(jié)近于等溫或較弱逆溫，靜力穩(wěn)定度下降，有利于湍流的發(fā)展，加之水汽量較大，霧頂高度較高[6]。胡瑞金等[7]認(rèn)為平流作用在黃海海霧形成的初期有明顯影響，輻射在海霧發(fā)展的中后階段影響更加顯著。楊悅等[8]通過加密垂直分辨率進(jìn)行天氣預(yù)報模式（Weather Research and Forecasting，WRF）試驗(yàn)時指出，霧頂液態(tài)水含量的增多會使霧頂長波輻射冷卻率增強(qiáng)，霧頂降溫幅度增大，進(jìn)一步促進(jìn)霧頂液態(tài)水含量的積累，這種正反饋機(jī)制有助于霧頂高度的抬升。

由于海霧多發(fā)于冷暖海流交匯的特定海域，這決定了對它的研究也因海域而不同。在雷州半島附近海域，趙麗娟[9]分析了海霧的宏微觀特征，發(fā)現(xiàn)在海霧的發(fā)展和成熟階段湍流運(yùn)動增強(qiáng)可以促進(jìn)水汽和霧滴的湍流輸送，使海霧增厚。除了國內(nèi)對于海霧的研究，國際上針對其他類型霧的高度特征研究也取得了一定的成果。Leipper等[10]研究加州沿海的海霧時表明，近海面湍流促使海霧生成，成霧后霧頂長波輻射冷卻也會導(dǎo)致湍流而促進(jìn)海霧發(fā)展，霧頂高度增高。沿岸海霧發(fā)展至厚度超過100 m后，霧頂長波輻射冷卻比近海面湍流混合冷卻占優(yōu)勢，成為海霧向上發(fā)展和維持的推動力[11]。在英格蘭地區(qū)陸地輻射霧的觀測研究中，Roach[12]發(fā)現(xiàn)成霧后霧滴的輻射冷卻會導(dǎo)致霧頂高度的升高，這對海霧的研究有借鑒意義。

海霧高度特征的變化會影響不同高度的大氣水平能見度。隨著山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)的發(fā)展和“21世紀(jì)海上絲綢之路”的建設(shè)，海上經(jīng)濟(jì)、社會和軍事活動的日益增多使得黃海海霧霧頂高度的信息對沿岸航空、海上航運(yùn)和漁業(yè)作業(yè)等至關(guān)重要。但已有對黃海海霧的研究中，有關(guān)海霧垂直特征的分析較少，所以有必要深入探究黃海海霧的高度特征?？紤]到CALIPSO（The Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation）衛(wèi)星在邊界層內(nèi)的垂直分辨率高達(dá)30 m，因此利用CALIPSO衛(wèi)星資料不僅可以一定程度彌補(bǔ)海上觀測數(shù)據(jù)的匱乏，還能細(xì)致刻畫霧頂高度的特征。

由于海上觀測匱乏，預(yù)報員無法獲取海霧發(fā)生時其內(nèi)部的湍流和輻射狀況，因而無法對霧頂高度進(jìn)行估計(jì)。而可見光衛(wèi)星云圖和地面天氣圖是預(yù)報員能及時獲取的可靠資料。為了給春夏季黃海海霧的預(yù)報提供參考，有必要據(jù)此建立不同天氣型與黃海海霧霧頂高度變化之間的聯(lián)系。影響黃海海霧生成的天氣型的一個共同特點(diǎn)是支配黃海上空吹偏南方向的風(fēng)[13]。海表面風(fēng)（主要是風(fēng)向）和散度是影響黃海海霧形成的主要因素。南風(fēng)分量越大越有利于水汽的輸送，容易成霧[14]。海霧形成時風(fēng)速在2～4級最為合適[15]。具體到特定海域，青島沿海的海霧多發(fā)于江淮氣旋前部、入海高壓后部[16-18]。楊悅等[5]統(tǒng)計(jì)了黃海海霧天氣型，天氣系統(tǒng)主要為入海變性高壓型，3月和5月較多；其次為大陸低壓低槽東移型，發(fā)生在2—5月。王靜菊等[19]通過黃海海霧數(shù)據(jù)同化試驗(yàn)，提出高壓下沉增溫形成頂部較高的穩(wěn)定層，從而生成較厚的霧區(qū)。

本文基于CALIPSO衛(wèi)星資料，細(xì)致研究2007—2018年春夏季黃海海霧的高度特征，按照不同天氣型分析影響霧頂高度變化的因素，重點(diǎn)關(guān)注入海變性高壓型和大陸低壓低槽東移型，從而進(jìn)一步加深對黃海海霧發(fā)展機(jī)制的認(rèn)識。

2 數(shù)據(jù)與個例

2.1 觀測資料

本文使用的數(shù)據(jù)資料來源有：

（1）美國國家航天航空局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）提供的 CALIPSO衛(wèi)星一級Level 1B數(shù)據(jù)和Level 2 VFM（Vertical feature mask）產(chǎn)品。Level 1B數(shù)據(jù)包括CALIPSO衛(wèi)星的掃過路徑和垂直分層結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)，Level 2 VFM產(chǎn)品將云和氣溶膠分別分為不同的種類。Level 1B 532 nm數(shù)據(jù)和Level 2 VFM產(chǎn)品在-0.5～8.2 km的高度范圍內(nèi)垂直分辨率為30 m，水平分辨率為333 m。本文利用VFM數(shù)據(jù)描繪云和氣溶膠水平、垂直分布的特性來判別海霧，用532 nm總衰減后向散射系數(shù)和高度數(shù)據(jù)來獲得黃海海霧的高度信息和衛(wèi)星的軌跡。

（2）MTSAT（Multi-functional Transport Satellite）可見光衛(wèi)星云圖、”葵花8號“（HIMAWARI-8）可見光衛(wèi)星云圖和韓國氣象局（Korea Meteorological Admini-stration，KMA）地面天氣圖?？梢姽庠茍D主要用于獲取黃海海霧的發(fā)生時間和水平分布特征，從而挑選海霧個例。韓國地面天氣圖用于分析黃海海霧發(fā)生時的天氣系統(tǒng)，進(jìn)行天氣形勢的分析。

2.2 個例選取

在可見光云圖上，海霧的特征表現(xiàn)為顏色暗淡、質(zhì)地均勻，邊緣與海岸線貼合度高、邊界痕跡明顯，且位置隨時間變化不大。根據(jù)以上特征，我們從2007—2018年的歷史可見光衛(wèi)星云圖中挑選出了有黃海海霧發(fā)生的白天樣本，逐月的黃海海霧天數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。

獲取黃海區(qū)域內(nèi)CALIPSO的Level 1B和VFM產(chǎn)品，通過可見光云圖找到海霧區(qū)域，接著把衛(wèi)星軌跡圖和可見光云圖相結(jié)合，對于衛(wèi)星沒有掃描到黃海海霧霧區(qū)的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行剔除，只保留衛(wèi)星軌跡恰好經(jīng)過黃海海霧霧區(qū)的數(shù)據(jù)文件，結(jié)合VFM產(chǎn)品中識別為靠近地面時的云即為海霧，從而得到所要研究的白天海霧個例集，共79例（見表2）。

表1 2007—2018年逐月黃海海霧天數(shù)統(tǒng)計(jì)表（單位：d）

表2 黃海海霧對應(yīng)的天氣形勢匯總

3 黃海海霧的高度特征

由表1給出的2007—2018年逐月黃海海霧發(fā)生天數(shù)（霧日數(shù)）可以發(fā)現(xiàn)，黃海海霧發(fā)生頻率較高的時間主要集中在3—7月份，屬于春季和夏季，其中5月份海霧出現(xiàn)頻率最高，共83次，4月份次之，共81次，這兩個月份海霧發(fā)生的頻率占了全年的50.6%；而秋季和冬季的黃海海霧發(fā)生頻率明顯降低，這與前人的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致[17]。另外，不同的年份黃海的霧日數(shù)也存在明顯的差異，2018年黃海霧日數(shù)最多，為53 d，2011年的霧日數(shù)最少，僅有10 d。

為了獲得黃海海霧的垂直結(jié)構(gòu)，繪制已篩選的黃海海霧個例的532 nm總衰減后向散射系數(shù)垂直剖面圖（圖1給出部分個例），同時提取海霧高度數(shù)據(jù)，獲得黃海海霧個例的霧頂高度。由于海霧發(fā)生在海上大氣邊界層內(nèi)，可被認(rèn)為是接到海面的云，因此在處理數(shù)據(jù)時去掉了高空數(shù)據(jù)，選取的是1 km以下的數(shù)據(jù)。CALIPSO衛(wèi)星此高度范圍內(nèi)垂直分辨率高達(dá)30 m，故將云底高度小于70 m的層云作為海霧統(tǒng)計(jì)。參考已有海霧研究中認(rèn)定的總衰減后向散射系數(shù)值大于0.03/（km·sr）為海霧區(qū)[20]。由于1 km以上的海霧較少，因此在1 km以下直到海面的黃色至橙紅色的總衰減后向散射系數(shù)高值區(qū)，衰減系數(shù)范圍為0.03～0.1/（km·sr），說明此時有海霧，海霧霧區(qū)內(nèi)氣溶膠粒子密度很高。對圖1進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)2008年4月7日（見圖1a）海霧霧頂高度為250 m，2012年3月28日（見圖1b）和2013年6月3日（見圖1c）兩次海霧霧頂高度約為220 m，2014年3月26日（見圖1d）和2018年4月20日（見圖1h）兩次海霧霧頂高度約為280 m，2015年4月30日（見圖1e）海霧霧頂高度為340 m，2016年4月9日（見圖1f）和2017年4月17日（見圖1g）兩次海霧霧頂高度均為160 m，通過這些初步可以確定大多數(shù)海霧霧頂高度介于100～400 m。

提取黃海海霧的霧頂高度數(shù)據(jù)并制成霧頂高度散點(diǎn)圖（見圖2a），圖中顯示：黃海海霧霧頂高度月變化特征顯著，7月散點(diǎn)的高度整體高于其他月份，在150～400 m之間，說明7月份海霧霧頂?shù)母叨容^高，3月散點(diǎn)的高度整體略低于其他月份，在100～300 m之間，說明該月份的海霧霧頂高度較低。通過圖2和表2可以看出，所有個例中霧頂高度最高為370 m，計(jì)算得到這些海霧個例的平均霧頂高度是211 m。春季（3—5月）61個海霧個例的平均霧頂高度為210 m，最高高度為340 m，出現(xiàn)在2013年5月11日、2014年5月21日、2015年4月29日、2015年4月30日和2016年4月8日；夏季（6—8月）15個海霧個例的平均霧頂高度為214 m，最高高度為370 m，出現(xiàn)在2018年6月8日。對黃海海霧霧頂高度按月份進(jìn)行平均，得到分布圖（見圖2b），圖中顯示：和散點(diǎn)圖分布特征相似，海霧高度月變化明顯，7月份的高度最高，3月份的高度最低。

4 黃海海霧天氣型的個例分析

參考前人對海霧的分型研究[5,13,16-19]，接下來主要針對黃海海霧較常見的入海變性高壓型和低壓低槽東移型展開詳細(xì)研究，其中入海變性高壓型比例為62.03%，低壓低槽東移型比例為37.97%。借助海霧發(fā)生時的地面天氣圖，將79次海霧個例按照天氣型進(jìn)行歸類（見表2），逐個探討影響黃海海霧霧頂高度的氣象條件，從而進(jìn)一步研究不同天氣型下黃海海霧的高度特征。

4.1 入海變性高壓型

由表2可知，有49次海霧個例受入海變性高壓型控制，個例時間都集中在春季和夏季。在春季多為閉合的小型高壓，夏季的高壓系統(tǒng)經(jīng)常由副熱帶高壓西伸北抬造成。在對入海變性高壓型個例分析中發(fā)現(xiàn)，東高西低氣壓場配置的黃海海霧平均高度（219 m）與南高北低配置的海霧平均高度（196 m）接近，兩種氣壓場配置下海霧的高度分布特征也存在相似之處。以2008年5月2日（見圖3）的黃海海霧個例為例，它是典型的東高西低氣壓場配置，在地面天氣圖上（見圖3a）黃海在高壓系統(tǒng)控制下盛行偏西南風(fēng)?？偹p后向散射系數(shù)垂直剖面圖（見圖3b）上可以發(fā)現(xiàn)，海霧高度由南向北逐漸降低，在海上高壓系統(tǒng)的西南部霧頂高度較高,霧頂高度介于200～340 m。根據(jù)CALIPSO衛(wèi)星軌跡（直線AB）在地面天氣圖（見圖3a）上的位置，軌跡處于高壓后部，海上的高壓系統(tǒng)產(chǎn)生下沉氣流，下沉增溫有助于在海上邊界層內(nèi)形成逆溫層，從而利于海霧的生成和維持，地面風(fēng)向以西南風(fēng)為主，其中35°N以南風(fēng)速較小，所以，霧頂高度較高處受風(fēng)速較低的偏南氣流控制。2014年4月10日的海霧個例配置與之類似，在弱西南風(fēng)的高壓后部霧頂高度較高，霧頂高度介于220～280 m。霧頂高度偏低處多位于高壓前部，以及高壓與低壓之間等壓線較密集的區(qū)域。

圖1 黃海海霧532 nm總后向散射衰減系數(shù)垂直剖面圖

圖2 2007—2018黃海海霧霧頂高度隨月份變化

圖3 2008年5月2日天氣圖、散射系數(shù)垂直剖面圖和MTSAT可見光云圖

圖4 2012年5月15日天氣圖、散射系數(shù)垂直剖面圖和MTSAT可見光云圖

2012年5月15日（見圖4a）海霧個例屬于南高北低的氣壓場配置，結(jié)合總衰減后向散射系數(shù)垂直剖面圖（見圖4b），發(fā)現(xiàn)33°N和37°～38°N附近，即高壓系統(tǒng)的西南部和西北部海霧霧頂高度大于220 m,高于其他區(qū)域。根據(jù)衛(wèi)星軌跡（直線CD）可以判斷，沿CD為西北風(fēng)，高壓系統(tǒng)的反氣旋環(huán)流能夠把南部的暖濕氣流輸送到黃海，霧頂高度較高的區(qū)域等壓線梯度較小，西北風(fēng)較弱；靠近C點(diǎn)的區(qū)域位于低壓外圍，霧頂高度較低。

4.2 低壓低槽東移型

2012年5月8日（見圖5a）和2016年3月31日（見圖6a）的海霧個例是屬于低壓低槽東移型。2012年5月8日個例（見圖5b）中36°～37°N海霧霧頂高度稍高，介于100～160 m，其他區(qū)域海霧不明顯；對照地面天氣圖（見圖5a）發(fā)現(xiàn)霧頂較高區(qū)域位于低壓前部，等壓線較密集，以偏南風(fēng)為主。從地面天氣圖（見圖6a）上分析發(fā)現(xiàn)，2016年3月31日在我國內(nèi)蒙古東部地區(qū)有一個氣旋，此時黃海海域是偏西南向的風(fēng)，形成平流霧。根據(jù)總衰減后向散射系數(shù)垂直剖面圖（見圖6b），靠近31°N的區(qū)域霧頂高度高于36°～37°N區(qū)域，霧頂高度介于200～250 m，該區(qū)域位于低壓槽前，南部有一個高壓中心，氣壓梯度大于靠近H點(diǎn)的區(qū)域，西南風(fēng)風(fēng)速稍大，約為4 m/s。霧頂高度較低的區(qū)域西南風(fēng)較弱，附近站點(diǎn)風(fēng)速一般小于4 m/s。

圖5 2012年5月8日天氣圖、散射系數(shù)垂直剖面圖和MTSAT可見光云圖

圖6 2016年3月31日天氣圖、散射系數(shù)垂直剖面圖和MTSAT可見光云圖

5 結(jié)論與討論

本文利用多種觀測資料，包括CALIPSO衛(wèi)星資料、MTSAT可見光云圖和KMA地面天氣分析圖等，選取2007—2018年白天發(fā)生的海霧個例，對春夏季海霧的高度特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并研究了不同天氣型下霧頂高度的變化趨勢，得到結(jié)論如下：

（1）黃海海霧主要集中出現(xiàn)在春夏季，秋冬季發(fā)生頻率明顯降低。不同年份霧日數(shù)差異顯著，2018年最多為53 d，2011年天數(shù)最短僅為10 d。

（2）黃海海霧霧頂高度在不同月份有明顯差異，7月黃海海霧的霧頂高度最高。2007—2018年黃海春夏季海霧的平均霧頂高度是211 m，海霧霧頂高度最高為370 m，大多數(shù)黃海海霧霧頂高度介于100～400 m。

（3）控制黃海海霧生成發(fā)展的主要天氣型是入海變性高壓型和大陸低壓低槽東移型。入海變性高壓控制下的弱偏南風(fēng)區(qū)域的海霧霧頂高度相對較高；大陸低壓低槽東移型的槽前風(fēng)速稍大區(qū)域的海霧霧頂高度偏高。