黃海晚冬一次持續(xù)性海霧天氣的動(dòng)力熱力特征

閆智超，李冉，易笑園，解以揚(yáng)

（1.國(guó)家海洋局秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，河北秦皇島 066002；2.天津市氣象臺(tái),天津 300074）

1 引言

海霧是指發(fā)生在海上、岸濱和島嶼上空低層大氣中,由于水汽凝結(jié)而產(chǎn)生的大量水滴或冰晶懸浮在海面的大氣中，使水平能見度小于1 km的一種天氣現(xiàn)象，也可理解為大氣中含有微小的懸浮水滴或冰晶使得大氣水平能見度小于1 km著地的云[1]。海霧直接威脅著海上交通運(yùn)輸、漁業(yè)生產(chǎn)、石油開采等活動(dòng)，嚴(yán)重影響到沿海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，甚至造成海難。因此，海霧作為一種嚴(yán)重的災(zāi)害性海洋天氣，受到越來(lái)越多的關(guān)注。通過(guò)對(duì)海霧的觀測(cè)和調(diào)查，了解它的屬性和分布變化的規(guī)律，對(duì)海霧的預(yù)報(bào)有很好的參考意義[2-4]；通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)得到的高分辨率的數(shù)據(jù)，對(duì)了解海霧形成機(jī)制提供了有益的幫助[5-7]。張紅巖等[8]還針對(duì)海霧的年際變化展開研究。同時(shí)，分析海霧天氣的影響系統(tǒng)及環(huán)流形勢(shì)，對(duì)于實(shí)際預(yù)報(bào)工作也有非常重要的參考價(jià)值[9-10]。然而，由于區(qū)域和季節(jié)等環(huán)境的不同，海霧過(guò)程發(fā)生的物理?xiàng)l件差異很大，因此，本文選取了2011年2月22—24日發(fā)生在黃渤海的一次持續(xù)性大霧過(guò)程，對(duì)相應(yīng)的影響系統(tǒng)及環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行了分析。此次海霧濃厚、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣，黃海北部以及大連、丹東、山東半島能見度在1 km以下。受此次大霧過(guò)程的影響，2011年2月21—22日，渤海的秦皇島、黃驊均有能見度在1 km以下霧的記錄。據(jù)估算，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到的海上大霧影響面積約為10.8×104km2。本文利用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)資料、環(huán)黃海北部陸地氣象自動(dòng)站、常規(guī)資料、NCEP1o×1o再分析資料對(duì)此次大霧過(guò)程的成因和生消特點(diǎn)等展開分析。

2 大尺度環(huán)流背景和物理量場(chǎng)分布

圖1 a.2011年2月22日20時(shí)925 hPa上地面氣壓場(chǎng)（hPa），b.水汽通量散度（g/（hPa·cm2·s））c.22日20時(shí)溫度平流（藍(lán)線）和等溫線（黑線）圖（℃）d.24日20時(shí)溫度平流（藍(lán)線）和等溫線（黑線）圖（℃）

22日20時(shí)（北京時(shí)間）（見圖1a）海霧已經(jīng)出現(xiàn)，24日20時(shí)海霧消散。黃海北部海區(qū)處于高壓后部、東北氣旋前部的偏南氣流中，黃海北部海區(qū)處于冷槽中，近海面為冷中心，有利于水汽凝結(jié)成霧（圖略）。圖1b為925 hPa水汽通量散度圖，可見黃海北部海區(qū)為水汽通量散度負(fù)值中心，說(shuō)明在對(duì)流層低層有水汽在黃海北部海區(qū)聚集，源源不斷的水汽輸送和聚集為海霧的形成提供水汽條件。圖1c和1 d分別為925 hPa高度的22日20時(shí)和24日20時(shí)溫度平流圖。可見在海霧形成初期，對(duì)流層低層的西南氣流向黃海北部輸送正溫度平流，有利于上暖下冷逆溫層的形成（即22日20時(shí)）。而當(dāng)對(duì)流層低層西北氣流向黃海北部輸送負(fù)溫度平流時(shí)，海霧自西向東開始消散，這是因?yàn)樯吓吕涞姆€(wěn)定結(jié)構(gòu)被破壞。

3 資料介紹

探空站的探測(cè)資料可以代表站點(diǎn)上空200平方公里范圍內(nèi)的大氣情況。沿海自動(dòng)站的資料也能反應(yīng)海上風(fēng)、溫、濕的變化情況。本文使用的資料有以下幾種：

（1）MSMAT可見光云圖。時(shí)間間隔1 h。受日照影響只有白天的圖像；

（2）成山頭、大連、丹東、平壤探空資料，要素有溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速。上述資料基本能反映黃海北部海洋上空大氣層結(jié)變化特征；

（3）近海成山頭、大連、丹東、平壤氣象自動(dòng)站觀測(cè)資料。要素包括溫度、濕度、氣壓、能見度、風(fēng)向、風(fēng)速；

（4）美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心提供的NCEP再分析資料，水平分辨率1o×1o，垂直分辨率17層，時(shí)間間隔6 h；

（5）中國(guó)氣象局MICAPS系統(tǒng)提供的業(yè)務(wù)系統(tǒng)常規(guī)資料。

4 觀測(cè)分析

海霧觀測(cè)資料的獲取往往是通過(guò)沿海岸的氣象站來(lái)獲得的。利用高分辨率的探空站、自動(dòng)氣象站等資料，分析海霧過(guò)程中，海洋與大氣界面水文氣象條件和海洋上空大氣邊界層的層結(jié)條件，對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)海霧過(guò)程非常重要。另外高分辨率的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)資料，可以從空中俯瞰洋面，提供海霧的范圍、形態(tài)和移動(dòng)變化方向等，是目前獲得海霧信息的最有效的觀測(cè)資料之一。

圖2 2011年2月22—24日MTAST衛(wèi)星可見光云圖演變（間隔3 h）

圖3 環(huán)黃海北部的氣象觀測(cè)站（成山頭、大連、丹東、平壤）溫度（紅色線）、濕度（綠色線）、能見度（藍(lán)色線）和風(fēng)向風(fēng)速的演變曲線（藍(lán)色圓點(diǎn)為能見度＜1 km）

4.1 衛(wèi)星云圖特征

從2011年2月22—24日白天的MTSAT可見光衛(wèi)星云圖（見圖2）上看，海霧發(fā)生在黃海北部，從22日08時(shí)—24日17時(shí)，持續(xù)了58 h。22日海霧主要存在于黃海北部及中部沿朝鮮半島西海岸海域，為圖中乳白色反照率較高的區(qū)域，從范圍和亮度上看中午與早晨、傍晚區(qū)別不大，一天中維持少動(dòng)，具有平流霧的特點(diǎn)。23日早晨海霧向南部擴(kuò)散，霧區(qū)范圍擴(kuò)大，覆蓋黃海北部和中部，且向遼寧省陸地蔓延，23日11時(shí)可見光圖上的乳白色霧區(qū)邊界的形狀與海岸線吻合，乳白色區(qū)域比前一天更濃厚、顏色更白亮。24日乳白色霧區(qū)的亮度比前一天變暗，霧的厚度變薄，08時(shí)之后，自西向東，大霧開始消散，直到17時(shí)，黃海北部的霧已全部消散。

4.2 自動(dòng)站資料分析

圖3為環(huán)黃海北部各氣象站（成山頭、大連、丹東、平壤）從19日08時(shí)—24日20時(shí)溫度（紅色線）、濕度（綠色線）、能見度（藍(lán)色線）和風(fēng)向風(fēng)速的演變曲線。19日08時(shí)—21日20時(shí)為大霧形成前，21日20—24日08時(shí)為大霧維持時(shí)段。藍(lán)色圓點(diǎn)為能見度小于1 km的時(shí)刻。從圖4可見以下幾種特點(diǎn)：

（1）溫度、濕度曲線有明顯的周期性，即白天溫度出現(xiàn)高峰值、夜晚出現(xiàn)低峰值；

（2）溫度曲線與濕度曲線接近時(shí)，也就是溫度露點(diǎn)差較小時(shí)，能見度較低，能見度在1 km以下時(shí)，兩條曲線甚至重合，表明濃霧時(shí)，大氣接近水汽飽和狀態(tài)；

（3）24日11時(shí)以后，黃海北部自西向東地面風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，本次持續(xù)性海霧天氣結(jié)束。說(shuō)明西北干冷空氣的侵入是導(dǎo)致平流霧逐步消散原因；

圖4 環(huán)黃海北部各探空站不同高度處的溫度（陰影）、相對(duì)濕度（實(shí)線）和風(fēng)場(chǎng)隨時(shí)間的演變（北京時(shí)）

（4）分析位于山東半島東端的成山頭（見圖4a）可見：22日17時(shí)—23日14時(shí)，連續(xù)13個(gè)時(shí)次能見度近乎為零，而且地面持續(xù)西南風(fēng)4 m/s以上，最大時(shí)西南風(fēng)為8 m/s，在如此大的風(fēng)速下，維持濃霧天氣，進(jìn)一步說(shuō)明，這是一次平流霧。圖4b黃海西端-大連的要素曲線圖分析可見：在成山頭出現(xiàn)濃霧的時(shí)段，大連出現(xiàn)的都是輕霧，能見度為1—10 km，兩次大霧（能見度低于1 km）均出現(xiàn)于早晨05—08時(shí)，并且風(fēng)速不大，均為2 m/s。能見度具有明顯的晝夜差別，說(shuō)明大連的霧有輻射霧的成分。圖4c是黃海最北端的丹東要素曲線圖，從22日17時(shí)以后至23日11時(shí)，能見度始終低于5 km，特別是23日早晨至24日上午，能見度維持在1km以下，甚至為0 m，霧呈晝夜周期性變化，風(fēng)速2 m/s，風(fēng)向?yàn)闁|南，表明為輻射霧特征。朝鮮平壤位于黃海北部的東側(cè)（見圖4d），大霧發(fā)生在23日入夜以后，并持續(xù)了15 h，大霧時(shí)風(fēng)速維持0—1 m/s。23日20時(shí)平壤的能見度維持在12 km，3 h后能見度急降至1 km，所以，平壤的濃霧應(yīng)為平流輻射霧，既有平流因素，也有地表冷卻輻射作用。

4.3 探空資料分析

由探空資料分析可見圖4，具有如下共同特征：

（1）可以看到，在霧形成之前（22日08時(shí)），在700 hPa之下、900 hPa之上均存在著暖性的西南氣流，西南風(fēng)風(fēng)速為8 m/s左右。且西南氣流存在一段時(shí)間后，大濕度區(qū)厚度快速地、顯著地形成增厚的情形。這說(shuō)明對(duì)流層低層的西南氣流起到增濕和增加該層內(nèi)溫度的作用，此時(shí)暖的氣團(tuán)疊加在冷的氣層之上，促進(jìn)了逆溫層的形成，并且逆溫層形成的“暖蓋”，阻止了動(dòng)量和熱量的垂直交換，不利于水汽向高層湍流混合的發(fā)生，使低空積聚的水汽在冷海面的作用下冷卻凝結(jié)成霧，有利于霧的持續(xù)。因此，西南暖濕氣流為霧的形成和長(zhǎng)時(shí)間維持提供了逆溫和濕度條件，是大霧發(fā)展持續(xù)的重要因子；

（2）分析可見，在22日08時(shí)—24日08時(shí)，各站在邊界層內(nèi)的風(fēng)向有區(qū)別，如成山頭（122°E,37°N）是南風(fēng)和西南風(fēng)，大連（121°E,39°N）和丹東（124°E,40°N）是南風(fēng)和東南風(fēng)，朝鮮（126°E,39°N）為弱的偏西風(fēng)，根據(jù)它們的地理位置可知，沿岸陸地站的邊界層內(nèi)的水汽來(lái)源于洋面。

5 水汽及輸送特征

黃海北部海區(qū)（123o—126oN）上空，水汽來(lái)源和增濕過(guò)程與物理量分布有密切關(guān)系，然而，通過(guò)NCEP再分析資料展現(xiàn)的沿39°N相對(duì)濕度與風(fēng)的剖面圖（見圖5）,能更進(jìn)一步清楚地了解黃海北部海域水汽及水汽輸送情況。

122.5°—124.5°E對(duì)應(yīng)黃海北部海區(qū)，從21日08時(shí)起，黃海北部海域濕度高于周圍地區(qū)，最大相對(duì)濕度70%，與風(fēng)場(chǎng)配合可見，該區(qū)域有弱的南風(fēng)，風(fēng)速2—4 m/s。白天在太陽(yáng)輻射的影響下，強(qiáng)度略有減弱，入夜后濕度層厚度迅速增厚，23日02時(shí)50%濕層高度達(dá)到850 hPa，最大值達(dá)到100%，且飽和濕度層的厚度也達(dá)到900 hPa。配合風(fēng)場(chǎng)可知，在1000—850 hPa，水汽是在西南氣流作用下向黃海北部輸送，即這支水汽來(lái)源于黃海南部或東海海面；與此同時(shí)，在750 hPa高度，還有一支在西到西北氣流輸送來(lái)的水汽層。至23日14時(shí)，黃海上空高低兩條水汽通道打通合并，使50%濕度層的高度達(dá)到700 hPa。充沛的水汽為霧的形成提供了有利條件。此時(shí)海霧強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)、范圍最大。23日20時(shí)—24日02時(shí)，750 hPa偏西風(fēng)加大到8 m/s，高低空風(fēng)速切變?cè)龃螅欣诋a(chǎn)生上升氣流，而上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)會(huì)使穩(wěn)定的大氣層結(jié)被破壞，低層水汽向上傳輸，相對(duì)濕度80%邊界從900 hPa下降至975 hPa，低層水汽強(qiáng)度明顯降低。這是24日霧氣逐漸減弱、消散的原因之一。

6 動(dòng)力特征

圖6分別為23日濃霧期間沿39°N散度和垂直速度四個(gè)時(shí)次（08時(shí)，14時(shí)，20時(shí)，02時(shí)）的垂直剖面。從圖可見黃海北部海域上空在23日08時(shí)、20時(shí)、02時(shí)均出現(xiàn)低層負(fù)散度、高層正散度的情況。其中08時(shí)和02時(shí)負(fù)散度高度在975—950 hPa之間，20時(shí)負(fù)散度高度達(dá)到900—850 hPa，說(shuō)明在這三個(gè)時(shí)次，對(duì)流層低層有輻合、高層有輻散，有利于產(chǎn)生上升氣流，但由于輻合層的高度較低，上升氣流的厚度遠(yuǎn)不能達(dá)到產(chǎn)生對(duì)流天氣的程度。以上說(shuō)明，在大霧期間，淺薄的低層輻合層有利于上升氣流的形成，對(duì)大霧中的水汽凝結(jié)是有利的。另外中午14時(shí)對(duì)流層低層的輻合層和輻散層中心位置與其它三個(gè)時(shí)次相反，說(shuō)明白天對(duì)流層存在高層輻合低層輻散的動(dòng)力特征，此時(shí)對(duì)流層低層層結(jié)穩(wěn)定，這與中午太陽(yáng)輻射使上層大氣增溫有關(guān)。以上演變可知大霧在維持階段，夜間的散度的垂直分布特征有利于霧的凝結(jié)，白天散度分布特征有利于大氣層結(jié)穩(wěn)定。這都對(duì)大霧的維持起著積極作用。

圖5 沿39oN黃海北部海區(qū)（123o—126oN）相對(duì)濕度、風(fēng)剖面圖（北京時(shí)）

圖6 23日08時(shí)—24日02時(shí)沿39°N做散度的垂直剖面圖

7 結(jié)論

本文選取了2011年2月22—24日發(fā)生在黃渤海的一次持續(xù)性大霧過(guò)程，結(jié)合高分辨率可見光衛(wèi)星云圖提供的海霧發(fā)生范圍和演變過(guò)程等信息,根據(jù)常規(guī)觀測(cè)資料對(duì)海霧發(fā)生前的大氣背景和物理量場(chǎng)進(jìn)行了描述，并利用環(huán)黃海北部4個(gè)站的探空、NCEP1o×1o再分析資料和氣象自動(dòng)站資料對(duì)海霧發(fā)生時(shí)低層大氣的溫度、風(fēng)、逆溫特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，最終得出以下主要結(jié)論：

（1）環(huán)黃海北部4個(gè)氣象自動(dòng)站的觀測(cè)表明：在4個(gè)站中，成山頭以平流霧為主、大連和丹東以輻射霧為主、平壤即有平流霧特征，也有輻射霧特征；

（2）利用探空站資料得到不同高度物理量隨時(shí)間變化可以看到，此次海霧過(guò)程沿岸站點(diǎn)上空都有逆溫層維持，而且，對(duì)流層低層暖平流的輸入明顯，其有助于維持大氣層結(jié)穩(wěn)定、保持逆溫層；

（3）分析水汽空間輸送分布特征得到：在850 hPa以下和750 hPa分別存在兩條水汽輸送帶，一條來(lái)自黃海中南部的西南氣流，一支來(lái)源于中層的偏西氣流，兩條水汽輸送帶的共同作用為持續(xù)性大霧的形成和維持提供了水汽條件；

（4）通過(guò)海霧發(fā)生時(shí)的散度和垂直速度剖面分析動(dòng)力因素可知：夜晚對(duì)流層低層（700 hPa以下）輻合和高層輻散的動(dòng)力分布，有助于逆溫層內(nèi)弱的上升氣流維持，對(duì)水汽凝結(jié)有利；同時(shí)，白天低層輻散、高層輻合的動(dòng)力分布于有助于下沉氣流，有利于穩(wěn)定度和逆溫的維持；

（5）負(fù)（冷）溫度平流南下，即西北干冷空氣入侵是使大霧消散的動(dòng)力熱力因子。

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