黃彬，宋晚郊，劉爽，孫舒悅，吳振玲

(1.國家氣象中心，北京 100081； 2.國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081； 3.天津市氣象臺，天津 300074)

引言

我國近海不同區(qū)域海霧的形成機制和邊界層結(jié)構(gòu)特征有一定的差異，這與不同區(qū)域的地理和氣候背景密切相關(guān)。王彬華[1]研究指出我國近海海霧根據(jù)季節(jié)從南向北遞推，南海的海霧頻發(fā)期在12月—次年3月，之后霧區(qū)隨著季節(jié)向北移動[1]。黃輝軍[2]、HUANG et al.[3-4]根據(jù)中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所茂名博賀海洋氣象科學試驗基地2007—2012年海霧季節(jié)的觀測資料，指出華南沿海海霧主要發(fā)生在1—4月，峰值在3月；統(tǒng)計分析表明，華南沿海平流冷卻霧中主要以近海面氣溫高于海面溫度的個例居多，達到69%；近海面氣溫低于海面溫度的個例占28%。海霧往往發(fā)生在兩次冷空氣入侵之間，當海霧發(fā)生時，華南沿海地區(qū)低空多為東南風輸送的海上暖濕氣流。劉少軍等[5]基于FY-3B氣象衛(wèi)星資料分析中國南海海區(qū)海霧時空分布特征，研究指出南海海霧的出現(xiàn)高頻次時間多在2月，1月次之，3月最少，南海海霧多出現(xiàn)在華南沿海、北部灣沿海、瓊州海峽和海南島東北部沿海海區(qū)，南海南部海域出現(xiàn)海霧的概率較低。海霧具有很強的區(qū)域性特征，主要發(fā)生在離岸邊100～200 km范圍內(nèi)的冷海面區(qū)域，以雷州半島附近海域發(fā)生頻率最高；海霧經(jīng)常發(fā)生在下午或者晚上，持續(xù)到第二天上午。岳巖裕等[6]統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)雷州半島海霧發(fā)生期間近地面風向以偏東風為主，占79%；偏北風占21%。霧發(fā)生期間近地面的平均氣溫變化范圍為18～24 ℃，平均風速為1～5 m·s-1。呂晶晶等[7-8]分析湛江東海島海霧，認為海霧多發(fā)生在270 m以下，此高度層之上有近似等溫和弱逆溫層，湛江海霧的生消與風場密切相關(guān)，海霧生成和發(fā)展與較強的ESE氣流相聯(lián)系，而弱的東北氣流則會促使海霧減弱或消散。袁金南和黃健[9]對珠江口附近春季一次海霧的形成和發(fā)展過程進行了分析，然后利用WRF中尺度模式對該次海霧過程進行了三維數(shù)值模擬，此次過程是南海北部受到偏南暖濕氣流影響后迅速增暖，冷海面與近海面的暖濕空氣相互作用而形成的一次平流冷卻霧。屈鳳秋等[10]針對華南粵西沿海出現(xiàn)的一次海霧過程分析結(jié)果表明：海霧過程發(fā)生在春季西南低渦發(fā)展南下的天氣背景下，大氣低層有明顯暖濕氣流輸送，而高層層結(jié)穩(wěn)定；在西南低渦特殊的天氣背景下，白天霧層較淺薄，夜間霧層向上發(fā)展；霧的微物理結(jié)構(gòu)與霧層的發(fā)展有密切關(guān)系，在霧的初始階段大水滴明顯較多，而在霧層向上發(fā)展、垂直混合階段，霧滴有明顯的蒸發(fā)現(xiàn)象，霧滴譜具有局地特征。

綜上所述，南海海霧主要發(fā)生在12月—次年4月，而且集中在沿海近岸處，南海南部海域很少有霧，主要因為南海南部海域水溫大于25 ℃，洋面上的空氣不易凝結(jié)形成海霧。已有的文獻主要研究南海西北部近岸海域的海霧，如湛江、雷州半島、珠江口等華南沿海近岸處的霧，海霧一般持續(xù)2 d，瓊州海峽海霧的研究較少。2018年2月15—20日，瓊州海峽連續(xù)6 d有海霧，最低能見度不足200 m，造成瓊州海峽航運停航，正值春節(jié)假日，嚴重影響出行，造成旅客大量滯留，導致出入海南島車輛嚴重擁堵，堵車里程一度達10 km。本文主要使用氣象衛(wèi)星監(jiān)測分析瓊州海峽持續(xù)性海霧的時間演變特征，并從大氣海洋條件分析海霧持續(xù)性的原因。

1 研究數(shù)據(jù)

1)研究采用葵花8號(Himawari-8)氣象衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，其可見光分辨率為0.5 km，紅外分辨率為2 km，時間間隔為1 h；2)采用美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)提供的再分析資料(final analysis，F(xiàn)NL)，其水平分辨率為1°×1°，時間間隔為6 h；3)采用美國NCEP-DOE R2再分析2 m氣溫數(shù)據(jù)集[11]，數(shù)據(jù)格點都為192×94的T62高斯網(wǎng)格，經(jīng)向有192個格點，分辨率為1.875°，緯向有94個格點；4)采用美國NCEI-OISST月平均海面溫度及日平均海面溫度數(shù)據(jù)集[12]，日平均海面溫度數(shù)據(jù)分辨率為0.25°，月平均海面溫度數(shù)據(jù)分辨率為1°；5)采用徐聞氣象站、海南氣象站數(shù)字式探空儀數(shù)據(jù)，地面氣象站觀測數(shù)據(jù)。

2 天氣過程實況監(jiān)測分析

2.1 衛(wèi)星監(jiān)測分析

用ELLROD方法可以將海霧和低云作為一類從晴空地表和其他中低云中區(qū)分出來，但上述算法只適用于夜間[13]。白天海霧識別采用多通道組合系數(shù)法[14]，對于黃渤海海霧的平流冷卻霧特點，上述算法能夠顯著地提高海霧的判識準確率。但該方法對于東海以南多低云條件，識別準確率會下降。氣象衛(wèi)星監(jiān)測(圖1)顯示，15日上午09時(北京時，下同；圖1a1)，瓊州海峽及雷州半島周邊海域布滿海霧；中午12時前后(圖1a2)，瓊州海峽東側(cè)的海霧開始消散；到下午14時(圖1a3)，瓊州海峽及雷州半島周邊海域的海霧消散；夜間21時(圖1a4)，瓊州海峽附近有新的海霧生成，之后海霧范圍擴展。到16日上午09時(圖1b1)，瓊州海峽又布滿海霧；中午11時前后(圖1b2)，瓊海海峽海霧消散；下午15時(圖1b3)，瓊州海峽再次開始有海霧生成；到夜間20時(圖1b4)，海霧消散。17日早上06時(圖1c1)，氣象衛(wèi)星監(jiān)測顯示雷州半島東側(cè)的海霧向西移動進入瓊州海峽；到11時(圖1c2)，西移進入瓊州海峽海霧布滿整個海峽；13時(圖1c3)，瓊州海峽海霧消散；在夜間22時(圖1c3)，瓊州海峽有海霧生成。18日白天到夜間(圖1d1—d4)，氣象衛(wèi)星監(jiān)測顯示瓊州海峽全天有海霧；到19日上午08時(圖1e1)，海霧消散；19日中午11—13時(圖1e2—e4)短暫有海霧生成，20日以后云量增多，氣象衛(wèi)星監(jiān)測無法辨識。22—24日，瓊州海峽上空是較厚的降水云系，地面有降水。

圖1 2018年2月15—19日氣象衛(wèi)星監(jiān)測海霧的云圖(白天海霧反演為紅色區(qū)域，夜間海霧反演為藍色、綠色區(qū)域；a1. 15日09時，a2. 15日12時，a3. 15日14時，a4. 15日21時；b1. 16日09時，b2. 16日11時，b3. 16日15時，b4. 16日20時；c1. 17日06時，c2. 17日10時，c3. 17日13時，c4. 17日22時；d1. 18日09時，d2. 18日12時，d3. 18日16時，d4. 18日20時；e1. 19日08時，e2.19日11時，e3. 19日12時，e4. 19日13時)Fig.1 Cloud imagery of sea fog by satellite monitoring from 15 to 19 February 2018 (red area for daytime sea fog retrieval, blue and green areas for nighttime sea fog retrieval; a1. 09:00 BST 15, a2. 12:00 BST 15, a3. 14:00 BST 15, a4. 21:00 BST 15, b1. 09:00 BST 16, b2. 11:00 BST 16, b3. 15:00 BST 16, b4. 20:00 BST 16, c1. 06:00 BST 17, c2. 10:00 BST 17, c3. 13:00 BST 17, c4. 22:00 BST 17, d1. 09:00 BST 18, d2. 12:00 BST 18, d3. 16:00 BST 18, d4. 20:00 BST 18, e1. 08:00 BST 19, e2. 11:00 BST 19, e3. 12:00 BST 19, e4. 13:00 BST 19 February 2018)

整體來說，連續(xù)氣象衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果顯示，在20日之前瓊州海峽及雷州半島周邊海霧多有發(fā)生，15—17日海霧多在夜間生成，持續(xù)到上午，中午前后一般消散，18日全天有霧。20日之后由于天空云量較多，氣象衛(wèi)星監(jiān)測無法辨識近海面的霧。

2.2 代表站天氣實況監(jiān)測分析

徐聞?wù)?地理位置見圖1a4)是瓊州海峽區(qū)域常用的陸地代表站。以徐聞?wù)敬泶汗?jié)期間(2018年2月15—21日)的基本天氣及能見度變化特征。

春節(jié)期間，從2月15日凌晨至20日早晨，徐聞?wù)?圖2)連續(xù)6 d出現(xiàn)了霧(能見度小于1 km)，主要發(fā)生時間集中在夜間至早晨(23時—次日08時)，期間有7個時次記錄的能見度不足200 m(濃霧/強濃霧)。其中18日全天能見度都低于5 km。

由地面實況監(jiān)測(圖2)顯示，在霧的形成期間氣溫、露點溫度變化與海霧生成有一定的對應(yīng)關(guān)系，14日14時午后天空晴間多云，徐聞?wù)練鉁?4 ℃，露點溫度18 ℃。到晚上20時，氣溫降到19 ℃，露點溫度不變，仍為18 ℃，氣溫和露點溫度差小于1 ℃，此時開始形成輕霧。至夜間23時能見度降到500 m， 15日02時能見度降到100 m以下，氣象衛(wèi)星監(jiān)測反演顯示瓊州海峽有霧(圖1a1)，15日上午11時氣溫升到26 ℃，地面站點監(jiān)測為輕霧，12時前后衛(wèi)星監(jiān)測顯示海霧范圍減小，14時海霧消散，而地面監(jiān)測顯示能見度提升至大于10 km,霧消散。下午17時，天空狀況為晴間多云，氣溫從26 ℃降到20 ℃，露點溫度一直維持在19 ℃左右，氣溫和露點溫度之差小于1 ℃，衛(wèi)星監(jiān)測反演在21時開始有海霧重新生成， 15日23時地面監(jiān)測為輕霧。16—17日與15日相似，不再贅述。輻射霧一般形成在邊界層靜風，層結(jié)穩(wěn)定且晴朗無云的天氣。瓊州海峽附近云量相對較多(白天晴到多云，夜間多云到陰)，此次過程風向為東到東南風，ASCAT衛(wèi)星散射計洋面風風速為5～8 m·s-1(圖略),偏東風帶來大洋的暖濕氣流，所以基本排除輻射霧，是海上平流霧。

圖2 2月13—22日徐聞?wù)?8時能見度(單位：km；a)和氣壓(黑線，單位：hPa)、氣溫(紅線，單位：℃)、露點溫度(藍線，單位：℃)日變化實況監(jiān)測三線圖(b)Fig.2 Visibility at 08:00 BST (units: km; a) and monitoring of diurnal variation (b) of atmospheric pressure (black line, units: hPa), temperature (red line, units: ℃), and dew-point temperature (blue line, units: ℃) at Xuwen Station from 13 to 22 February 2018

與15—17日不同， 18日一直維持陰天，且瓊州海峽附近出現(xiàn)了弱降水(累計雨量小于1 mm)。一方面，由于云層較厚，擋住太陽輻射導致大氣難以增溫。另一方面弱降水在地面蒸發(fā)，吸收地面熱量的同時，增加了水汽量。兩方面作用導致氣溫和露點溫度都一直維持在20 ℃左右，18日全天地面監(jiān)測都維持在霧或輕霧的天氣狀況，能見度維持在5 km以下。氣象衛(wèi)星反演顯示與地面監(jiān)測保持一致。19日05時以后氣溫和露點溫度都升高，中午11時氣溫升高到23 ℃，但是露點溫度也升高為21 ℃，溫度露點差仍在成霧的適宜條件，此時氣象衛(wèi)星監(jiān)測顯示該時間段有霧生成，19日20時至20日上午11時，氣溫和露點溫度回落到20 ℃，仍有海霧生成，20日以后環(huán)流有所調(diào)整，轉(zhuǎn)為降水天氣。

3 海霧生消的氣象水文條件分析

3.1 天氣形勢概況

在春節(jié)之前，粵西地區(qū)受冷空氣影響(11—13日)(圖3a、b)，氣溫較低。隨后氣溫逐漸回升，并轉(zhuǎn)受東側(cè)變性高壓脊控制(13—14日)。之后天氣平穩(wěn)，15—16日，原位于華北一帶的冷空氣逐漸南下，由于冷空氣偏弱，到南嶺一帶便無法繼續(xù)南下擴散。這樣，在華南一帶便形成均壓場(圖3c、d)。同時，15—17日，可看到云南和廣西一帶有地面低壓維持，因此在低壓東南側(cè)的廣西和廣東西部一帶，易形成弱的偏東或偏南風。西南渦南移到云南南部，冷鋒位于貴州至長江中游一帶，在這種形勢配置下，18—20日，瓊州海峽一帶仍然為均壓場，邊界層附近為偏東或東南氣流，在邊界層附近瓊州海峽附近形成了弱的偏南氣流，有利于南部海洋上相對暖濕的氣流平流到瓊州海峽沿岸地區(qū)。海洋性的南風在邊界層抵御了干燥的大陸性氣團，有利于維持邊界層的濕度，東側(cè)入海的高壓脊進一步減弱，但仍為華南沿海帶來東側(cè)開闊洋面偏東氣流。南海南部海洋上以及東側(cè)洋面上均帶來海上相對偏暖濕的氣流，從而給瓊州海峽附近帶來增濕作用。這也與之前氣象衛(wèi)星監(jiān)測到的海霧從東西兩側(cè)涌入瓊州海峽相吻合。到21日之后受冷空氣影響，多降水天氣。

圖3 2月12日08時海平面氣壓場(a；等值線，單位：hPa)、500 hPa高度場(b；等值線，單位：dagpm)和15—20日海平面平均氣壓場(c；等值線，單位：hPa，D表示西南低渦的位置)、500 hPa平均高度場(d；等值線，單位：dagpm)Fig.3 Sea-level pressure (a; isoline, units: hPa) and geopotential height at 500 hPa (b; isoline, units: dagpm) at 08:00 BST 12 and sea-level mean pressure (c; isoline, units: hPa, D for location of southwest vortex) and mean geopotential height at 500 hPa (d; isoline, units: dagpm) from 15 to 20 February 2018

春節(jié)期間2月15—20日天氣形勢穩(wěn)定，500 hPa為平直等高線，副熱帶高壓東退，副熱帶高壓西側(cè)偏東氣流帶來大洋上的暖濕水汽。海平面氣壓梯度小，海峽的壓差在1 hPa左右，在這種準均壓場的條件下，海面上偏東和偏南的暖濕氣流利于霧的形成和維持。

3.2 海面溫度演變分析

由1982—2017年多年2月月均海面溫度距平(簡稱“海溫距平”)與2018年2月月均海溫距平對比(圖4a、b)分析顯示，華南沿海近岸和北部灣海域是低海溫距平區(qū)，相比于常年平均偏低，瓊州海峽以東外海有3個海溫距平的暖中心，相比于常年平均偏暖，氣象衛(wèi)星監(jiān)測反演的日海面溫度表明沿海附近的海面溫度存在明顯的梯度。粵西和北部灣地區(qū)近岸沿海一帶在春節(jié)期間海面溫度在 14～16 ℃，在離岸200 km以外的外海，海面溫度大于20 ℃，與近岸海面溫度的溫差達到6 ℃以上。故流經(jīng)3個高海溫距平中心的大洋偏東氣流被加熱，當?shù)竭_近岸冷海域易降溫凝結(jié)成海霧。

圖4 多年(1982—2017年)2月月平均海溫距平(a；填色，單位：℃)和2018年2月月平均海溫距平(b；填色，單位：℃)Fig.4 Mean sea surface temperature anomaly (SSTA) (a; colored area, units: ℃) in February from 1982 to 2017 and mean SSTA (b; colored area, units: ℃) in February 2018

3.3 流場形勢變化分析

由流場2 m濕度變化合成圖(圖5)可以看出，12—13日(圖5a1)，因粵西沿海、北部灣、瓊州海峽受冷空氣影響，流線分布呈東北—西南方向，瓊州海峽和粵西受東北冷氣流影響，2 m比濕在上述海域為6～10 g·kg-1，925 hPa是干層(圖5b1)，到14—15日(圖5a2)，粵西沿海、北部灣天氣影響系統(tǒng)為均壓場和西南低渦，流場有所調(diào)整，南海北部海域流線分布的走向為洋面上東南氣流以及南海南部海域的偏南氣流流經(jīng)南海北部海域，故上述海域的比濕增大，比濕達到11～14 g·kg-1,濕度較之前增加5 g·kg-1，16—20日(圖5a3，圖5c1—c2)，大洋上的東南氣流仍持續(xù)推送到南海北部海域。14—19日(圖5b2—b3，圖5d1—d2)925 hPa近地面濕層上空有個干中心維持，“上干下濕”有利于海霧維持和垂直發(fā)展形成一定厚度的海霧[15]。到21日(圖5c3、圖5d3)，低層和925 hPa濕度明顯減小，邊界層轉(zhuǎn)為干性，海霧消散。

圖5 2018年2月12—21日(a1/b1. 13日，a2/b2. 15日，a3/b3. 18日，c1/d1. 19日，c2/d2. 20日，c3/d3. 21日)08時10 m流場和2 m比濕(a1/a2/a3/c1/c2/c3)、925 hPa流場和比濕(b1/b2/b3/d1/d2/d3)對比圖(黑色實線箭頭代表流線方向，填色區(qū)代表比濕)Fig.5 Comparison on flow field at 10 m and specific humidity at 2 m (a1/a2/a3/c1/c2/c3) and flow field and specific humidity at 925 hPa (b1/b2/b3/d1/d2/d3) at 08:00 BST from 12 to 21 (a1/b1. 13, a2/b2. 15, a3/b3. 18, c1/d1. 19, c2/d2. 20, c3/d3. 21) February 2018 (black solid line arrow for streamline direction, colored area for specific humidity)

4 海霧生消的邊界層特征

14日海霧形成期間在近地面層一定高度上有逆溫層或等溫層，由且邊界層處為弱東南或偏南風，這時海霧形成。由瓊州海峽(20.15°N，110.26°E)時間高度剖面圖(圖6)可以看出，14—15日低層為東南風，17—19日低層東南風風速增大，950～900 hPa風速可達10 m·s-1。暖濕氣流不斷被輸送至瓊州海峽，低層濕層增厚為霧的長時間維持提供了較好的水汽條件。從15日探空圖(圖7a)上可以看到，邊界層以上都是干區(qū)，濕區(qū)只集中在邊界層，逆溫層淺薄，這表明此階段的霧層相對淺薄。根據(jù)霧形成原理，一旦霧形成后，晴空輻射作用由地面轉(zhuǎn)到霧頂。在地面形成霧之后霧容易和低云混合在一起，在霧頂/低云頂以上由于相當干燥，輻射降溫得到維持，霧進一步增厚。

圖6 2018年2月15—25日瓊州海峽(20.15°N，110.26°E)時間-高度剖面圖(橙色為溫度等值線，單位：℃；填色為相對濕度，單位：%)Fig.6 Time-height vertical profile in Qiongzhou Strait (20.15°N, 110.26°E) from 15 to 25 February 2018 (orange line for temperature isoline, units: ℃; colored area for relative humidity, units:%)

18日700 hPa有小槽過境，且瓊州海峽附近出現(xiàn)弱降水(累計雨量小于1 mm)，地面濕度大。由18日探空圖(圖7b)可以發(fā)現(xiàn)，低層的濕層明顯增厚，另一方面，結(jié)合氣象衛(wèi)星監(jiān)測全天天空云量較多，由于云層較厚，擋住太陽輻射導致難以增溫，兩方面作用導致氣溫和露點溫度都一直維持在20 ℃左右，霧難以散去。19日和20日濕層增厚,有降水，部分時段有霧。

5 小結(jié)

2018年春節(jié)期間的2月15—20日，瓊州海峽連續(xù)6 d有霧。本文主要使用氣象衛(wèi)星監(jiān)測分析持續(xù)性海霧的時間演變特征，并從大氣海洋條件分析海霧持續(xù)性原因。

1)氣象衛(wèi)星連續(xù)監(jiān)測顯示，在15—20日瓊州海峽及雷州半島周邊海霧多有發(fā)生，15—17日海霧多在夜間生成，持續(xù)到上午，中午前后一般消散，18日全天有霧。衛(wèi)星連續(xù)時次監(jiān)測顯示海霧由東西兩側(cè)進入海峽的情況。海霧日變化不明顯，有平流演變特征。地面代表站監(jiān)測顯示15—20日連續(xù)6 d瓊州海峽有霧，夜間能見度最低100 m，白天能見度漸好，轉(zhuǎn)為輕霧。觀測顯示18日全天能見度小于5 km。

2)成霧期間，瓊州海峽處于靜穩(wěn)的均壓場中，同時西南低渦也起著輔助的作用。入海高壓使沿海維持偏東風，西南側(cè)的低渦則有利于海上南風的形成。海洋性的南風在邊界層抵御了干燥的大陸性氣團，有利于維持邊界層的濕度，同時相對暖濕的偏東海洋性氣團遇到較冷的沿海海面，容易降溫達到飽和，形成海霧。

3)在華南沿海近岸為低海面溫度區(qū)域，與外海溫度梯度差達6 ℃，同時春節(jié)之前的冷空氣使海面溫度進一步降低，華南以東洋面有3個暖海溫距平中心，偏東或東南氣流把大洋上的暖濕氣流推送到近岸冷海面降溫凝結(jié)形成海霧。

4)低層流場分析表明前期低層為東北的干冷氣流，之后轉(zhuǎn)為東南向大洋上的暖濕氣流，而且14—19日925 hPa近地面濕層上空有一個干中心維持，“上干下濕”的濕度層結(jié)有利于海霧維持和向上發(fā)展形成一定厚度的海霧。

5)低層持續(xù)東南風，暖濕氣流持續(xù)地被輸送至瓊州海峽，為霧的長時間維持提供了較好的水汽條件。18日全天都維持在霧或輕霧的天氣狀況。低云增加和弱降水是使霧白天得以維持的重要因素。