邢彩盈，吳勝安，胡德強(qiáng)，朱晶晶

（海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南省氣候中心，海南 ?？?570203）

霧是指懸浮在貼近地面的大氣中大量微細(xì)水滴（或冰晶）浮游空中，使水平能見度降至1 km以下的一種天氣現(xiàn)象［1］.大霧天氣對(duì)海陸空交通運(yùn)輸、戶外旅游、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、群眾生活等都有著重大的影響.同時(shí)，當(dāng)霧和空氣中污染物相結(jié)合還會(huì)誘發(fā)或加重多種慢性病癥，對(duì)人體健康造成很大的危害.在海南，大霧是一種常見的災(zāi)害性天氣，其中冬季發(fā)生頻繁，因大霧天氣造成交通、旅游等方面影響的事件幾乎年年發(fā)生.例如，2007年3月25日早晨因大霧造成海南西線高速公路臨高縣路段連續(xù)發(fā)生3起重大交通事故，造成3人死亡，2人受傷，11輛車輛受損，直接經(jīng)濟(jì)損失估計(jì)200萬元；2018年春節(jié)瓊州海峽和?？谑袇^(qū)頻現(xiàn)大霧，導(dǎo)致各港口上萬輛小車和大量旅客滯留，造成大面積交通擁堵.近年來，隨著海南國際旅游島、海南自貿(mào)港的建設(shè)和發(fā)展，大霧對(duì)交通運(yùn)輸、旅游產(chǎn)業(yè)等方面的負(fù)面影響日益凸顯，做好大霧氣象服務(wù)保障更加重要.因此，開展海南大霧研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義.

目前，關(guān)于中國霧日的氣候變化特征、影響氣象因子方面已有大量的研究成果.總體而言，中國不同等級(jí)霧日呈東南多西北少的分布特征［2］；在氣候變暖背景下，中國霧日呈明顯的年代際變化特征，1980年前呈增長態(tài)勢、1990年后明顯減少［3?5］.大霧形成受氣象要素、環(huán)流系統(tǒng)、大氣穩(wěn)定度等諸多條件的影響［6?7］.一方面，引起霧日氣候變化趨勢的主要?dú)庀髼l件有氣溫升高、濕度降低、風(fēng)速變化、氣溶膠密度加大等［8?10］.另一方面，大霧的發(fā)生發(fā)展還與大尺度環(huán)流系統(tǒng)有關(guān)［11］.當(dāng)北極濤動(dòng)處在正位相時(shí)，東亞冬季風(fēng)環(huán)流減弱，東亞大槽偏弱，不利于北方冷空氣南下，為我國長三角地區(qū)大霧天氣形成提供重要的環(huán)流背景［12?14］；從低層來看，當(dāng)偏東風(fēng)分量加大、濕度較大，且海平面氣壓場上處在弱高壓底前部均壓區(qū)時(shí)，這些地區(qū)霧易頻發(fā)［15］.陜西霧日偏多年，東亞中低緯大陸上海平面氣壓和500 hPa位勢高度維持正異常，低層陜西上空處在異常反氣旋環(huán)流的頂前部，下沉逆溫不利于空氣擴(kuò)散進(jìn)而形成霧［16］.1990年后重慶冬季霧日處于偏少的年代際背景，主要是由于前秋北太平洋年代際振蕩暖位相轉(zhuǎn)為冷位相、冬季西伯利亞高壓增強(qiáng)造成［17］.研究還指出水汽輸送對(duì)西南地區(qū)冬季霧的形成影響較小，但對(duì)華北、華南冬季霧影響較大，在水汽充足、東亞槽偏弱的情況下華北、華南容易出現(xiàn)大霧天氣［18］.

不同地理?xiàng)l件下霧的氣候規(guī)律、大氣條件等存在明顯區(qū)別.關(guān)于海南大霧也已有一些研究工作，主要有從天氣學(xué)角度出發(fā)，針對(duì)單次霧過程的個(gè)例分析［19?20］；也有針對(duì)霧日的統(tǒng)計(jì)特征、演變規(guī)律及氣象條件等方面研究［21?22］.這些研究中，從氣候?qū)W角度研究霧日影響成因主要是針對(duì)氣象要素，對(duì)研究與霧日異常有關(guān)的海氣氣候背景相對(duì)單一、不夠深入全面［23］，同時(shí)大多數(shù)針對(duì)霧的氣候?qū)W研究序列的近期性顯得不足，不滿足現(xiàn)狀需求.因此，將重點(diǎn)分析海南島冬季（上年12月至當(dāng)年2月，下同）霧日的時(shí)空分布特征以及霧日異常年海氣背景特征，以把握霧日的氣候變化背景，為霧日短期氣候預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)，提高對(duì)大霧天氣的預(yù)測水平，減少因大霧災(zāi)害所造成的損失.

1 資料與方法

文章所用資料包括有：（1）1980年12月—2020年2月海南島18個(gè)國家氣象觀測站地面逐日觀測中天氣現(xiàn)象（霧）數(shù)據(jù).（2）NCEP/NCAR全球逐月再分析資料，包括位勢高度場、海平面氣壓場、風(fēng)場、相對(duì)濕度場等，水平分辨率為2.5°×2.5°.（3）NOAA ERSSTV4b逐月海表面溫度（Sea Surface Temperature，以下簡稱SST），水平分辨率為2.0°×2.0°.（4）國家氣候中心的氣候系統(tǒng)監(jiān)測指數(shù)集資料（https：//cmdp.ncc-cma.net/Monitoring/cn_index_130.php），包括西太副高特征指數(shù)、東亞槽指數(shù)、南方濤動(dòng)指數(shù)和海溫指數(shù)，文中采用中國氣象局規(guī)定的厄爾尼諾/拉尼娜事件判別方法［24］定義厄爾尼諾/拉尼娜事件年.

利用線性傾向估計(jì)、合成分析、相關(guān)分析、顯著t檢驗(yàn)、Mann-Kendall檢驗(yàn)等方法分析1981冬季（1980年12月—1981年2月）至2020年冬季（2019年12月—2020年2月）海南島霧日的時(shí)空分布特征，并全面分析冬季霧日異常年大尺度環(huán)流、海溫的異常變化特征.

2 冬季霧日的氣候特征

2.1空間分布特征從海南島1981—2020年平均冬季霧日的空間分布（圖1）可看出，平均冬季霧日的高值區(qū)集中在海南島北部和中部內(nèi)陸地區(qū).其中，中部的白沙冬季霧日最多，達(dá)37.1 d·a?1，北部大部和南部內(nèi)陸地區(qū)均大于11.0 d·a?1；東南部和西南部的沿海地區(qū)平均冬季霧日均少于3.0 d·a?1，三亞未出現(xiàn)過霧日.

圖1 海南島1981—2020年平均冬季霧日的空間分布

2.2時(shí)間變化特征1981—2020年全島平均的冬季霧日呈顯著下降趨勢（圖2a），其下降趨勢通過信度0.05的顯著性檢驗(yàn)，下降速率為0.11 d·a?1.其中，2000年之后冬季霧日基本都處在偏少的時(shí)段，2010年后冬季霧日偏少尤為明顯.全島平均冬季霧日最多的年份出現(xiàn)在1983年（13.8 d），最少的年份為2012年（5.1 d）.從1981—2020年全島平均冬季霧日的Mann-Kend?all統(tǒng)計(jì)量曲線分布（圖略）可看出，霧日偏少趨勢是一個(gè)突變現(xiàn)象，具體是從2006年左右開始.

從各市縣冬季霧日的線性趨勢傾向率空間分布（圖2b）可看出，定安、萬寧和樂東呈弱的上升趨勢、但趨勢不顯著，其他市縣冬季霧日均呈下降趨勢，五指山下降速率最快，達(dá)0.48 d·a?1；保亭次之，為0.36 d·a?1，其中，除了?？凇偤?、白沙、東方和陵水外，其他市縣的下降趨勢均通過信度0.05的顯著性檢驗(yàn).

圖2 1981—2020年海南島平均冬季霧日隨時(shí)間的變化特征（a）及各地冬季霧日趨勢傾向率（b）

研究表明海南霧的形成與最低氣溫、相對(duì)濕度以及風(fēng)速等氣象要素存在密切關(guān)系，氣溫低、濕度大、風(fēng)速小更容易形成霧［22，25］，可見冬季霧日在2000年后處在偏少年代際背景下的原因可能是這三個(gè)氣象要素發(fā)生了變化.通過考察了2000年后冬季日平均最低氣溫、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速的變化特征發(fā)現(xiàn)，該階段冬季日平均最低氣溫以偏高為主，2010年偏高尤為明顯；平均風(fēng)速呈上升變化趨勢；平均相對(duì)濕度主要以偏大為主.由此可見，2000年尤其2010年后海南島冬季日平均最低氣溫偏高、平均風(fēng)速增大是造成該階段冬季霧日明顯偏少的直接原因.

3 冬季霧日異常年的海氣背景

大氣環(huán)流是影響區(qū)域氣候的重要因子，大霧天氣主要是天氣系統(tǒng)影響下的高壓霧，與大氣環(huán)流之間的配置關(guān)系密切.因此，以冬季霧日距平在±0.8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以上的標(biāo)準(zhǔn)從1981—2020年全島平均冬季霧日序列中挑選異常偏多年和偏少年對(duì)同期大氣環(huán)流場進(jìn)行合成分析，并分析冬季霧日與前期、同期全球海溫異常的關(guān)系.除了在分析500 hPa位勢高度場異常特征時(shí)進(jìn)行去趨勢處理外，其余環(huán)流場按原距平場分析.

3.1同期大氣環(huán)流異常特征

3.1.1 500 hPa位勢高度場 由于東亞冬季風(fēng)、西太副高等關(guān)鍵環(huán)流系統(tǒng)受到全球氣候變暖的影響較大［26］，所以我國冬季氣候、關(guān)鍵環(huán)流系統(tǒng)具有明顯年代際特征［27?28］.從年代際尺度來看，海南島冬季霧日呈顯著的下降趨勢，冬季東亞槽呈顯著的偏東、減弱態(tài)勢，冬季西太副高呈顯著的偏大、偏強(qiáng)和偏西的態(tài)勢.可見，冬季霧日與冬季東亞槽強(qiáng)度呈一致的年代際變化特征、與西太副高呈反位相的年代際關(guān)系.這些大氣環(huán)流系統(tǒng)的年代際變化特征主要是在全球氣候變暖背景下產(chǎn)生的.

為了突顯主要環(huán)流系統(tǒng)的年際變化信號(hào)，削弱氣候背景的差異，對(duì)本節(jié)的500 hPa位勢高度場和冬季霧日進(jìn)行去趨勢處理.對(duì)冬季霧日去趨勢處理后，以霧日年際序列距平在±0.8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以上的標(biāo)準(zhǔn)挑選異常偏多年（2016年、2002年、2004年、1987年、1983年、2019年、2005年、1985年、1993年）和偏少年（1988年、1996年、1997年、2012年、1990年、2013年、1981年、2015年、1986年）對(duì)同期500 hPa位勢高度年際場進(jìn)行合成分析.從去趨勢后冬季霧日偏多年和偏少年同期500 hPa位勢高度場及高度距平場的分布情況（圖3）可看出，在年際尺度上，冬季霧日偏多年，東亞大槽偏弱，中國東南部地區(qū)高度場較常年偏高；西太副高偏強(qiáng)偏大、西伸脊點(diǎn)偏西.霧日偏少年則表現(xiàn)出相反的特征：東亞大槽偏強(qiáng)，中國東南部地區(qū)高度場偏低；西太副高偏弱.

圖3 冬季霧日異常年同期500 hPa位勢高度距平場合成圖（等值線為去趨勢處理后的500 hPa位勢高度距平場；粗實(shí)線為冬季586 dagpm和588 dagpm氣候態(tài)；陰影區(qū)為通過信度0.05的顯著檢驗(yàn)區(qū)，下同）

為進(jìn)一步驗(yàn)證海南島冬季霧日與西太副高的關(guān)系，分別計(jì)算了冬季霧日與西太副高各特征指數(shù)的相關(guān)系數(shù)（表1），發(fā)現(xiàn)在年際時(shí)間尺度上，冬季霧日與西太副高的面積指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，與西伸脊點(diǎn)呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，均通過信度0.05的顯著性檢驗(yàn).這與冬季霧日多、少年500 hPa位勢高度場的合成分析結(jié)果相吻合.也就是說，冬季霧日和冬季西太副高存在著顯著的年際關(guān)聯(lián)：常年冬季海南島上空主要處在西太副高的北側(cè)，當(dāng)冬季西太副高年際尺度上偏強(qiáng)、偏大、西伸脊點(diǎn)偏西時(shí)，其北側(cè)偏西異常氣流偏強(qiáng)，有利于暖濕空氣的輸送，空氣濕度大，但由于副高面積偏大，冷空氣難于南下入侵，海南島區(qū)域主要盛行異常輻散下沉氣流，不利于降水發(fā)生，從而容易形成大霧天氣.

表1 1981—2020年冬季霧日與西太副高各特征指數(shù)的相關(guān)系數(shù)（去趨勢后）

3.1.2 海平面氣壓場 從冬季霧日異常年同期海平面氣壓距平場合成的分布情況（圖4）可看出，冬季霧日偏多年，我國華南地區(qū)、孟灣至澳大利亞西北部一帶為海平面氣壓正距平區(qū)，而澳大利亞東南部海域則為海平面氣壓負(fù)距平區(qū).冬季霧日偏少年，上述兩個(gè)區(qū)域則呈反向的分布形勢.可見，冬季霧日異常年對(duì)應(yīng)的同期海平面氣壓場上呈現(xiàn)出南方濤動(dòng)現(xiàn)象.通過計(jì)算南方濤動(dòng)指數(shù)與冬季霧日的相關(guān)性也發(fā)現(xiàn)二者呈顯著的負(fù)相關(guān)（?0.36），通過信度0.05的顯著性檢驗(yàn).可見，當(dāng)南方濤動(dòng)處在正位相時(shí)，熱帶太平洋地區(qū)沃克環(huán)流加強(qiáng)，對(duì)應(yīng)對(duì)流層低層的東風(fēng)異常分量有所加強(qiáng)，海南島附近上空對(duì)應(yīng)有異常上升運(yùn)動(dòng)，有利于降水發(fā)生發(fā)展，而不容易形成大霧天氣.

圖4 冬季霧日異常年同期海平面氣壓距平場合成圖（單位：hPa）

3.1.3 200 hPa散度場 從冬季霧日異常年同期200 hPa散度距平場合成的分布情況（圖5）可看出，冬季霧日偏多年，海南島及南海區(qū)域?yàn)轱@著的負(fù)散度異常，對(duì)應(yīng)高層為輻合運(yùn)動(dòng)，即海南島上空對(duì)應(yīng)有下沉運(yùn)動(dòng)，降水形勢不利；冬季霧日偏少年，上述區(qū)域?yàn)轱@著的正散度異常，對(duì)應(yīng)高層為輻散運(yùn)動(dòng)，即在該區(qū)域上空有上升運(yùn)動(dòng)，有利于降水發(fā)生，不易形成霧.

圖5 冬季霧日異常年同期200 hPa散度距平場合成圖（單位：10?6 s?1）

3.1.4 低層風(fēng)場和濕度場 從冬季霧日異常年同期850 hPa風(fēng)場距平場和850 hPa相對(duì)濕度距平場合成的分布情況（圖6）可看出，冬季霧日偏多年，南海區(qū)域存在反氣旋異常環(huán)流中心，海南島處在該異常環(huán)流的西北側(cè)，受其西北側(cè)異常西南暖濕氣流的影響，海南島西北部風(fēng)速較小，對(duì)應(yīng)地海南島區(qū)域相對(duì)濕度略偏大，北部偏大較明顯，而南海東南部海域濕度偏小，低層相對(duì)濕度場上也反映出入海冷高壓的異常特征.可見，霧日偏多年，海南島處在入海變性干冷高壓的西北側(cè)，受其西北側(cè)異常暖濕西南氣流影響，其上空空氣擴(kuò)散條件差，有利于暖濕空氣的聚集，易于霧的生成和維持.

圖6 冬季霧日異常年同期850 hPa風(fēng)場距平場（m·s?1）和850 hPa相對(duì)濕度距平場（%）合成圖

霧日偏少年，菲律賓至南海東南部附近存在一弱的氣旋式異常環(huán)流，海南島處在該異常環(huán)流的西北側(cè)，受來自北方的異常東北氣流影響，整個(gè)海南島風(fēng)速較大，而且對(duì)應(yīng)海南島低層相對(duì)濕度偏小.可見，冬季北方相對(duì)干冷氣流入侵海南島，北風(fēng)風(fēng)力加大，不利于大霧天氣的出現(xiàn).

由于大霧形成與近地層風(fēng)場密切相關(guān)，給出海南島冬季霧日異常年同期10 m風(fēng)場距平場合成的分布情況（圖7），可發(fā)現(xiàn)其分布與850 hPa異常風(fēng)場相對(duì)應(yīng).冬季霧日偏多年，南海海域存在反氣旋式異常環(huán)流，海南島處在其西北側(cè)，受西南異常氣流影響，近地層風(fēng)速較小.而冬季霧日偏少年，海南島受一致的偏北風(fēng)異常環(huán)流影響，風(fēng)速較大，近地層空氣流動(dòng)快，不利于水汽的堆積，也就不利于大霧天氣形成.

圖7 冬季霧日異常年同期10 m風(fēng)場距平場（單位：m·s?1）

3.2海溫異常變化特征從冬季霧日與前期春季、夏季、秋季和同期冬季海溫的相關(guān)場分布情況（圖8）可看出，前期春季至秋季，菲律賓以東至澳大利亞東部海域存在一大片顯著的負(fù)相關(guān)區(qū)，印度洋東部海域也存在顯著的負(fù)相關(guān)區(qū)，均通過信度0.05的顯著性檢驗(yàn)，這一顯著負(fù)相關(guān)區(qū)隨季節(jié)推移其影響范圍和面積有所北擴(kuò)，到了秋季該區(qū)域北部擴(kuò)展到我國東部海域，南部延伸至南太平洋中部海域.同時(shí)，前期夏季開始，熱帶中東太平洋海域的正相關(guān)區(qū)逐漸明顯，秋季信號(hào)開始顯著，并穩(wěn)定持續(xù)到同期冬季，而且信號(hào)隨季節(jié)的推進(jìn)逐漸加強(qiáng).可見，當(dāng)冬季霧日偏多時(shí)，對(duì)應(yīng)地，前秋我國東部海域偏冷，前期夏季至同期冬季熱帶西太平洋偏冷、熱帶中東太平洋偏暖，即整個(gè)熱帶太平洋地區(qū)海溫呈現(xiàn)出類似典型厄爾尼諾狀態(tài)下的海溫分布型，冬季該分布型最為顯著.反之，冬季霧日偏少年在熱帶太平洋地區(qū)呈現(xiàn)出類似拉尼娜狀態(tài)下的海溫分布.

圖8 冬季霧日與前期各季、同期冬季海溫場的相關(guān)場分布（陰影區(qū)為通過信度0.05的顯著相關(guān)區(qū)）

進(jìn)一步分析全島平均冬季霧日與同期Ni?o3.4區(qū)海溫指數(shù)的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)二者呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（0.33），與同期東部型ENSO指數(shù)相關(guān)性更顯著（0.39）.同時(shí)，分析了1981年以來秋冬季熱帶中東太平洋海溫異常年冬季霧日的異常特征發(fā)現(xiàn)，拉尼娜年霧日偏少的概率為77%，厄爾尼諾年霧日偏多的概率相對(duì)低一些，為60%.綜上可見，海南島冬季霧日與海溫前兆信號(hào)有著密切的關(guān)系，類ENSO海溫分布型、前期西太暖池和我國東部海域海溫對(duì)冬季霧日均有較好的預(yù)示作用，分別超前1個(gè)季、3個(gè)季和1個(gè)季.

冬季西太副高、東亞冬季風(fēng)的年際變化與全球海溫異常變化均有著密切的聯(lián)系.當(dāng)熱帶太平洋海溫呈類似厄爾尼諾狀態(tài)分布或處于ENSO暖位相年、南海至西太暖池偏冷時(shí)，冬季西太副高往往偏大偏強(qiáng)偏西［29?30］，冬季東亞冬季風(fēng)偏弱，對(duì)應(yīng)東亞大槽較常年偏弱，在我國南海至菲律賓附近上空存在菲律賓異常反氣旋環(huán)流，使得低層我國東南部沿海為偏南風(fēng)異常，有利于暖濕水汽向南方地區(qū)輸送［31?32］，結(jié)合上述分析可知這種高低層環(huán)流配置有利于海南島冬季大霧天氣的形成和維持.可見，ENSO狀態(tài)、南海至西太暖池海溫前兆信號(hào)對(duì)海南島冬季大霧天氣的發(fā)生和維持具有重要的指示意義.

4 結(jié) 論

通過分析1981—2020年海南島冬季霧日的時(shí)空分布特征及大氣環(huán)流、海溫異常特征，得到以下結(jié)論.

（1）海南島冬季霧日高值區(qū)集中在北部和中部內(nèi)陸地區(qū)，低值區(qū)集中在東南部和西南部的沿海.近40 a來冬季霧日呈顯著的下降趨勢，2000年之后處在偏少的年代際背景下，主要在2006年左右發(fā)生突變.冬季日平均最低氣溫偏高、風(fēng)速增大是造成2000年后冬季霧日偏少的直接原因.

（2）冬季霧日偏多年，西太副高年際尺度上偏大偏強(qiáng)、西伸脊點(diǎn)偏西；南方濤動(dòng)處于負(fù)位相，我國華南地區(qū)海平面氣壓偏高；高層海南島及南海區(qū)域?yàn)轱@著的輻合運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)有下沉運(yùn)動(dòng)；低層及近地層海南島處在異常冷高壓的西北側(cè)，受其西北側(cè)異常的西南暖濕氣流影響，風(fēng)速較小，相對(duì)濕度略大，空氣擴(kuò)散條件差，有利于霧的生成和維持.冬季霧日偏少年的情況相反.

（3）冬季霧日與前期和同期海溫異常變化特征有著重要的關(guān)系，其中秋冬季ENSO狀態(tài)、南海至西太暖池以及我國東部海域海溫對(duì)冬季大霧天氣的發(fā)生和維持具有重要的指示意義.類ENSO海溫分布型、西太暖池和我國東部海域海溫對(duì)冬季霧日的預(yù)兆信號(hào)分別為超前1個(gè)季、3個(gè)季和1個(gè)季.