遼東灣西岸海霧特征分析

王玉國，章晗，朱苗苗，趙玉梅，岳政名，張玉生，張守寶

（1.92493部隊氣象臺，遼寧葫蘆島，125000；2.興城市氣象局，遼寧葫蘆島，125100；3.中國電波傳播研究所，青島，266107）

1 引言

海霧是指發生在濱海、島嶼上空或海上的低層大氣的一種凝結現象，是懸浮于大氣邊界層中的大量水滴（或冰晶）使水平能見度小于1000 m的危險性天氣現象[1]。海霧一般是在暖濕空氣流經冷海面條件下形成，其存在與海洋環境有著密切的關系[2]。起霧期間近海海面水汽含量大，不同波長的電磁波的吸收、散射和反射特性會受到水汽的嚴重干擾。因此，在一切海上和沿岸的經濟、社會和軍事活動中，海霧是我們高度關注的重要因素[3]。遼東灣西岸地區海岸線呈東北-西南走向，東面、南面是渤海的遼東灣，西北面的“遼西走廊”是連接京津、進出東北的“咽喉”要道。該海區四季分明，大霧的發生頻率具有明顯的季節差異，冬季氣候寒冷，近地面易出現逆溫層，輻射霧的發生頻率較高，春秋季節南北向風變換頻繁、空氣干燥，大霧的發生頻率較低。從海霧的定義來看，該海區冬半年（10—3月）出現的大霧不具備平流冷卻型海霧的特征，本文不作重點分析。夏半年（4—9月）特別是6—7月份，受遼東灣海洋冷下墊面的影響，暖濕空氣易于在近海面達到飽和，海霧多發，且持續時間長，濃霧（能見度小于200 m）多，平流冷卻型海霧的特征比較典型。當海霧發生時，能見度大大降低，有時不足50 m，嚴重影響航運安全，甚至造成沿海高速公路封閉，給社會經濟活動帶來諸多不利影響，延伸到陸地的海霧及抬升形成的低碎云是沿海機場嚴把的“飛行禁區”，是該地區航空氣象保障的難點。目前，文獻中尚無針對該海區海霧的深入研究，開展遼東灣西岸海霧特征和形成條件研究，具有十分重要的意義。

2 資料和方法

本文選用的資料為菊花島氣象站2002—2011年每日16個時次（夜間每3 h、白天每1 h一次）的地面氣象觀測數據，包括風向、風速、溫度、絕對濕度、相對濕度、能見度等。菊花島為渤海最大的島嶼，距陸地最近距離約15 km，具有良好的海上實況代表性；遼東灣的海溫資料選用T639背景場提供的日平均海溫數據；高空溫濕資料選用錦州站2007—2011年的08或20時的探空數據，該探空站距菊花島氣象站約60 km，距海岸約25 km，其高空資料對遼東灣西岸海區具有較好的代表性。

霧日的標準：當整點觀測出現能見度小于1000 m時，即記為1個大霧日；當整點觀測出現能見度小于200 m時，即記為1個濃霧日。大霧持續時數即大霧從開始到結束的時數，在一次大霧天氣過程中，如果大霧中斷不超過3 h，認為大霧持續。大霧持續天數即大霧連續出現的天數。霧季的標準：當某月的月霧日相對頻數（月霧日數/年霧日數）大于10%時，該月即為霧季[3]。

表1 菊花島氣象站4—9月平均海霧日數（2002—2011年）（單位/d）

表2 菊花島氣象站4—9月各時次海霧發生頻數（2002—2011年）（單位/%）

3 遼東灣西岸海霧的變化特征

3.1 季節分布及霧季確定

遼東灣西岸海霧的分布具有很強的季節性（見表1）。4—7月，月平均海霧日數及濃霧日數呈增加趨勢，6、7月份最為集中，7月達到最大值，平均霧日為5.2 d，2010年7月海霧日數最多，達到了9 d。8月份海霧日數驟減，月平均海霧日數只有2.5 d，9月份月平均海霧日數最少，只有0.6 d。6、7月份的海霧日數分別占4—9月（半年）總海霧日數的23.9%和28.9%，且發生頻數（海霧日數占總觀測日數的百分比）高，都在14%以上，能見度小于200 m的濃霧多，60%以上的濃霧日集中在這兩個月份。按照霧季確定的標準，6、7月份可定為遼東灣西岸海區的霧季。

4—5月份，隨著氣溫和海溫的回升，暖濕空氣開始活躍，低層大氣中的含水量增多，同時氣溫的回升速度明顯高于海溫的回升速度，海面的“冷源”效應開始顯現。海霧發生的有利條件趨于增多，但這一時期，冷暖空氣交替頻繁，大風天氣多，不利海霧的發生、發展和維持，大霧出現更多地與鋒面天氣系統的活動有關；6—7月份，隨著西太平洋副熱帶高壓的位置北移，暖濕空氣的勢力顯著增強，渤海海區盛行南向風，同時海溫低于氣溫，近海面大氣層極易出現穩定層結，為海霧生成、發展和維持提供了極為有利的條件；8月份以后，副熱帶高壓南撤，冷空氣活動開始增多，同時，海溫在8月份升至一年中的最高值，海溫常常高于氣溫，海霧頻率急劇下降[4]。

3.2 年際變化

遼東灣西岸的海霧具有明顯的年際變化，4—9月海霧總日數在不同年份的差別是非常顯著的（見圖1），2010年大霧日數最多，高達33 d，發生頻數（海霧日數/總觀測日數）為18%，濃霧日數19 d；2002年大霧日數最少，僅有10 d，發生頻數為5.5%，濃霧日數只有1 d。

圖1 菊花島氣象站4—9月海霧及濃霧總日數的年際變化

3.3 日變化

3.3.1 海霧發生頻數的日變化

遼東灣西岸的海霧發生頻數（海霧出現的次數/總觀測次數）具有明顯的日變化特征。從各時次海霧發生頻數表中（見表2）可以看出，后半夜到上午（2—11時）海霧的發生頻數比較高，8時的頻數最高，各月平均為4.8%，7月份8時的頻數高達8.7%，下午（14—17時）海霧發生頻數比較低，平均為1.6%，8月份的14時、9月份的17時在10年的觀測中皆沒有海霧發生。

3.3.2 海霧生消的日變化

海霧生消具有明顯的日變化，一日中早晨是海霧出現最多的時段[5]。從菊花島氣象站各時段海霧初生與消散的次數（見圖2）可以看出，一天中各個時段均有海霧生成，2—8時是海霧的多發時段。這一時段由于輻射冷卻，氣溫下降，相對濕度增加，有利于低層水汽凝結形成海霧。11—17時，氣溫升高，相對濕度降低，不利于海霧生成，海霧初生次數明顯偏少。日出后氣溫回升，海霧呈減弱或消散趨勢，近30%的海霧在上午8—11時消散，傍晚至日出前則不利于海霧的消散。

3.4 持續時間

持續時間作為表述海霧過程持續能力的統計量，一般包括海霧過程的持續時數和持續天數。一次長的海霧過程可以持續數天、數十個小時，在海霧持續天數內，即可能連續不間斷達數十小時，也可能斷斷續續，由幾次海霧生消過程。統計結果表明，遼東灣西岸的海霧過程平均持續時數為7.8 h，持續時數在6 h以內占60%，有5%的海霧過程持續時數超過30 h，其中的75%發生在6—7月份，最長持續時數為52 h。55%的海霧過程持續1 d，15%的海霧過程持續天數超過3 d，最長為5 d。

4 遼東灣西岸海霧發生的水文氣象條件

4.1 溫濕條件

遼東灣西岸發生海霧時，相對濕度都在85%以上，平均為94.2%。氣溫在18.0°—24.9℃之間海霧多發，氣溫大于25.0℃時海霧明顯減少（見表3）。在18.0°—24.9℃范圍內，空氣的含水能力較強，絕對濕度較大，且容易達到飽和，有利于霧的形成，大于25.0℃時，水汽達到飽和的難度增加，海霧不易形成。

海霧的形成都要經過降溫增濕過程[2-3]。對比海霧生成前后的溫濕變化，海霧生成時比前日14時氣溫平均下降2.3℃，最大下降幅度可達7.2℃；相對濕度平均升高14.4%，有的高達46%，而絕對濕度提高并不明顯，平均只有0.6 g/m3，還有個別降低的情況，這主要是由于海霧生成前暖濕氣流已控制本區，空氣中的含水量已達到較高的水平。海霧消散前后濕度、溫度也有顯著變化，絕對濕度平均降低2.0 g/m3，有的降幅高達12.3 g/m3，相對濕度平均降低19.4%，有的降幅高達60%，氣溫平均升高2.4℃。當海霧消散過程是受到較強冷空氣影響時，氣溫也可能下降。總之，海霧消散往往伴隨氣團的變化，濕氣團減弱或被干氣團代替是海霧消散的重要條件。

4.2 風向風速條件

適宜的風向和風速將暖濕空氣向冷水面輸送是海霧產生的重要條件，海霧出現時風向風速因不同海區和地形而有差異[3]。海霧與風向的關系主要是由海岸線走向和天氣型決定，渤海海區出現海霧的天氣型主要有：入海高壓后部型、副高邊緣型、低壓前部型和冷鋒前部型[4]。遼東灣西岸地區海岸線基本呈東北—西南走向，S、SSW、SW風有利于海上暖濕氣流的輸送，是本地海霧形成和維持的主導風向（見表4）。

表3 菊花島氣象站4—9月各溫度段海霧發生次數（2002—2011年）

表4 菊花島氣象站4—9月各風向海霧發生次數（2002—2011年）

圖2 菊花島氣象站各時段海霧初生與消散的次數（2002—2011年）

海霧的形成與海上風速的大小有密切關系[6]。遼東灣西岸海霧初生時的平均風速為6.2 m/s，3—10 m/s的風速最有利于海霧的形成（見表5）。風速過小，不利于暖濕空氣輸送；風速過大，海面動量交換大大增加，混合層增厚，不利于水汽在海面的聚集。極個別鋒面系統產生霧時，風速可達15 m/s。海霧生成前日14時北向風明顯減弱（風速一般為0—2 m/s），暖濕氣流加強，南向風比例高達84%，風速平均為7.0 m/s。海霧的消散常常伴隨風向的變化，與水汽輸送的中斷有關。

4.3 海洋背景場條件

平流冷卻型海霧的形成機制中，冷海面是暖濕空氣降溫的冷源，較冷的海溫場是平流霧產生的基本條件，當暖空氣流到較冷的海面上，氣溫如降至露點溫度，空氣便可以達到飽和，繼續降低，水汽凝結而形成霧。如果海溫很高，空氣中的水分含量有限，氣溫便很難降至露點[7]。氣溫高于海溫，有利于海霧形成，但氣溫高于海溫太多，低層空氣過于穩定，霧只局限在貼海面層內，霧層很薄，不能向上發展，不能形成具有一定厚度的霧[6]。海霧日數與氣溫、海溫、氣—海溫差有明顯的相關性（見表6），6、7月份，平均氣溫、海溫較高，且氣溫高于海溫，溫差不大，分別為1.3℃和0.9℃，在成霧的理想氣—海溫差（0.5—1.5 ℃）范圍之內[1,7]，海霧多發；4、5月份，平均氣溫、海溫較低，近海面水汽含量較少，且氣溫遠高于海溫，氣—海溫差分別為3.5℃和4.8℃，超出成霧的氣—海溫差（0.5°—3.0℃）范圍[1,7]，海霧日數相對較少；8、9月份，平均氣溫低于海溫，氣—海溫差分別為-0.4℃和-1.9℃，海洋對海霧形成的冷卻效應大大減弱，8月份日平均海溫常常高于25℃，超出成霧的最高水溫界限（25℃）[1,7]。在這樣的海洋背景條件下，低層大氣中的水汽在海面不再容易達到飽和，海霧日數驟減。

4.4 大氣層結條件

海霧是發生在大氣邊界層中的天氣現象，穩定的大氣層結是海霧發展和維持的重要條件。霧中低空層結往往是微弱降溫或等溫或逆溫，逆溫層結可以阻擋水汽向高層輸送，抑制低層大氣的對流發展，使水汽和凝結核聚積在低空，對霧的形成極為有利[6-9]。通過分析海霧形成前12 h內08時或20時的925 hPa（高度一般在700—900 m之間）的高空溫度、相對濕度數據及海霧生成時的海面氣溫數據，可以明顯看出逆溫和暖干層的存在。在60個海霧過程中，925 hPa的高空溫度平均高出海面氣溫2.0℃，最高可達10.7℃，只有約10%的海霧過程的高空溫度低于海面氣溫，一般在0.1°—3.0℃之間，但溫度直減率小于絕熱直減率，氣層仍屬穩定氣層；925 hPa的高空相對濕度低于海面相對濕度，高空相對濕度平均只有61.5%，一半的海霧過程在成霧前高空相對濕度低于60%。

表5 菊花島氣象站4—9月各風速段海霧發生次數（2002—2011年）

表6 菊花島月平均氣溫和遼東灣月平均海表溫度與海霧日數關系表

高空暖干層與近海面冷濕層的存在，水汽得不到向上輸送，集聚于底層，在近海面低空形成“水汽壓抑層”，為海霧形成和發展提供了良好的溫濕層結條件。這樣的溫濕層結條件也極易導致電磁波在海面上發生陷獲折射，出現大氣波導現象[10]。同樣海霧消散與“水汽壓抑層”的破壞密不可分，地面升溫、流場變化、抬升運動都可能造成“水汽壓抑層”的消失，“水汽壓抑層”的變化對海霧生消預報具有重要指示意義。

5 結論

遼東灣西岸是海霧多發地區，6、7月份最為集中，平均每月4 d以上，最多可達9 d；海霧具有明顯的日變化特征，多出現在后半夜到上午（2—11時）的時段內，上午隨著氣溫回升，海霧逐漸減弱或消散；海霧生成后，平均持續7.8 h，60%的海霧持續時數在6 h以內，有5%的海霧過程持續時數超過30 h，最大持續時數為52 h，近15%的海霧過程持續天數超過3 d，最長可達5 d。

遼東灣西岸海霧的形成和發展是綜合水文氣象條件共同作用的結果。冷的海洋下墊面、持續的暖濕氣流輸送是海霧形成的基本前提，降溫、增濕是海霧形成的必備條件，適宜的氣—海溫差、穩定的大氣層結是海霧形成、發展、維持的關鍵因素。遼東灣西岸海霧發生時，風向大多為SSW、SW，風速平均為6.2 m/s，相對濕度都大于85%，平均為94.2%；氣溫在18.0°—24.9℃之間海霧多發，氣溫大于25.0℃海霧明顯減少；氣溫高于海溫，氣—海溫差小于3.0℃有利海霧生成和發展；海霧發生前后925 hPa等壓面層常為暖干層，近海面低空存在明顯的“水汽壓抑層”。

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