渤海中西部近海與沿岸海霧的特征分析

鄭怡，李冉，史得道，王亞男，孫蜜娜

渤海中西部近海與沿岸海霧的特征分析

鄭怡1，李冉2，史得道3，王亞男3，孫蜜娜3

（1.山東省氣象臺，山東濟南250000；2.中國氣象局，北京100081；3.天津市氣象臺，天津300074）

利用2004—2012年渤海灣埕北油田A平臺的氣象水文觀測資料以及塘沽、秦皇島、興城和龍口4個環渤海沿岸觀測站的常規觀測資料進行統計分析，得出渤海中西部海霧的氣候特征及影響因子，歸納了天氣系統模型，并給出了相關氣象要素的定量化指標。結果表明：渤海海霧年際變化明顯，其中2005年出現頻次最少，2007年最多，不同海區海霧月際變化特征有所差異，但都存在冬季高發期，且海霧高發期受到溫度空間分布的影響，08時海霧出現頻次最多，其日變化特征受太陽輻射和海陸差異影響；依據高低空環流形勢和地面主要影響系統，將渤海海霧發生時的天氣形勢分為均壓場型，倒槽冷鋒型，低壓場型和高壓場型4種并分別給出概念模型，各海區均壓場型出現概率最高，渤海灣和萊州灣海區倒槽冷鋒型次之，遼東灣海區低壓場型占比第二；渤海海霧在海氣溫差正負時皆可出現且差值多在2℃以內，總體盛行風向特征不顯著，這些特征與黃海海霧預報差異較大；此外，沿岸相對濕度達到90%以上，近海相對濕度達到80%以上，風速在0—3級之間，低層大氣存在逆溫層時，有利于渤海海霧的生成和發展。

渤海中西部；海霧；統計特征；天氣系統模型

1 引言

海霧是指受海洋的影響發生在海上或沿海地區低層大氣中的凝結現象，是懸浮在大氣邊界層內大量水滴或冰晶使大氣水平能見度小于1 km的天氣現象[1]。其發生嚴重危害近海港口作業、電力輸送和海上交通運輸等，尤其給船舶航行帶來巨大安全隱患。據舟山海事局統計，在近200次海上船舶碰撞、觸礁等海難事故中，有70%左右主要是由海霧引起的[2]。

我國毗鄰的4個海區皆有海霧發生，以黃海最為多發[3]，目前已有的研究也多針對該海區，學者們利用各種先進的觀測手段和數值模擬、數據同化等技術方法在黃海海霧的氣候特征、天氣背景、邊界層結構及微物理特征等方面進行了大量研究[4-11]。渤海海霧因其發生頻次相對較低且霧區面積較小，往往不被作為我國近海海霧特征的代表[3]，相關研究也相對較少。鄔正明[12]曾利用船舶航海日志和地面天氣圖進行統計，發現渤海及其口外的海霧霧日主要集中于3—7月，尤以7月為多，8月頓少，9—11月為貧霧季節。吳曉京等[13]利用20 a衛星遙感資料對黃、渤海海霧分布的季節特征進行了分析，發現黃、渤海海域存在冬季海霧多發時段。曲平等[14]利用埕北油田A平臺數據對渤海灣海霧進行了統計分析，發現A平臺霧日數在春、夏和秋季具有明顯的海洋性特征，冬季受陸地影響較大,平流蒸發霧多于平流冷卻霧，且在平流冷卻霧中海面蒸發作用仍存在。另有一些預報工作者對遼東灣、渤海灣等局地海霧特征及生消機理進行了分析，任志軍等[15]利用A平臺及塘沽站數據對天津港區霧發生的時間變化規則進行了分析，王玉國等[16]利用遼東灣西岸海島氣象站觀測資料統計分析了海霧的季節和日變化特征及影響海霧的水文氣象因子。

渤海三面環陸，是我國重要的經濟開發區，毗鄰多港口，海上交通運輸繁忙，海霧的預報準確率直接與社會經濟活動及航運安全聯系在一起，因此對渤海海霧的研究具有重要意義。作為半封閉的內陸淺海，其地理位置和水文特征使該海域海霧類型、成因更為復雜[14]，預報難度也更大。目前渤海海霧的研究多針對渤海海峽區域或選擇單一站點進行分析，代表性不強且對渤海中西部海區關注較少。因此，本文希望通過對渤海中西部海區海霧的氣候特征、天氣形勢及邊界層特征等進行分析，以期為渤海海霧預報提供一些有益參考。

2 資料和方法

對于樣本的選取涉及到海霧的界定，目前對于海霧的界定有兩種：海上生成的霧和海上出現的霧。對于海霧形成的微物理過程而言，選取海上生成的霧更能反映出下墊面條件的作用，而對于預報工作而言，所有海上出現的低能見度現象都會對生產交通造成影響。因此，針對本文研究目的，本文選取能見度小于1 km的站次作為樣本標準，時間范圍為2004年1月1日—2012年6月31日，選取環渤海的5個站點，各站點經緯度信息及地理位置分布見表1和圖1，其中54646石油平臺站為海上觀測站，其它4個站均為沿岸觀測站。

經統計，此時段內共有160次海霧過程，651站次出現海霧。其中一次海霧過程的定義為12 h內有兩個或以上測站出現能見度小于1 km的現象。將能見度低于50 m定義為強濃霧；50—500 m定義為濃霧；500—1000 m定義為霧進行統計。可發現出現霧和濃霧的概率都達到45%以上（見表2），說明渤海中西部近海及沿岸受海霧影響較為嚴重，對該海域海霧進行研究具有必要性。

圖1 站點地理位置示意圖

圖2 海霧日數的年際變化

表1 分析站點信息

3 渤海中西部海霧的氣候變化特征

表2 出霧站次的統計

根據發生的頻率及變化規律對海霧的氣候特征進行分析。從海霧的年際變化（見圖2）中可以看到，A平臺和沿岸站次的變化趨勢一致，8 a間以2005年霧日數最少，2007年霧日數最多，年際變化較大。這種現象的原因周發琇等做了專門的研究，指出這與東亞大槽的位置有關，霧日多的年份東亞大槽位置偏西，霧日少的年份東亞大槽偏東[17]。

分析海霧的月際變化（見圖3），興城和A平臺兩站都存在3個海霧多發期，分別為2月、6—7月和10月，且其他兩站在12—2月間也都存在海霧多發期，這與吳曉京等[13]通過衛星遙感分析得到的渤海海霧在冬季存在高發期結論一致。此外，6—7月間A平臺先出現海霧高發期，而秋冬季節興城站先出現海霧高發期，這與溫度月際變化的空間規律相一致，興城站地理位置偏北，夏季升溫較晚冬季降溫較早。秦皇島站海霧頻發于2月和10月，時間與興城一樣；而龍口站較其他各站霧日數整體偏少，霧日數最多的月份為12月，與A平臺一致。

從海霧的日變化（見圖4）中可以看出08時是霧生成概率最大的時次，這與太陽輻射有關，夜間氣溫降低利于水汽凝結成霧。且圖中也可看出沿岸站點的日變化幅度遠大于A平臺日變化幅度，這是由于海霧的日變化還受到當地海陸分布和局地環流影響，越靠近海岸處陸地特征越明顯，因此沿岸站點日變化特征更為顯著。

圖3 海霧次數的月際變化

4 沿岸與近海海霧的天氣形勢及氣象要素特征

4.1 天氣形勢的分類及概念模型

海霧的發生離不開大尺度環流形勢，作為一種靜穩天氣背景下的天氣過程，海霧主要發生于邊界層內，與地面天氣系統聯系緊密。因此，對所選時段內海霧過程對應的天氣形勢進行了細致分析，并依據其地面影響系統，將其分為以下4種：均壓場型，倒槽冷鋒型，低壓場型和高壓場型。

圖4 海霧的日變化

接下來分別給出4種天氣形勢的概念模型（見圖5，包括地面形勢及高空形勢）。其中：均壓場型的地面氣壓場較弱，無確定風向，配合高空西北或西北偏西氣流，天空狀況良好，利于輻射降溫成霧；倒槽冷鋒型地面多為偏東風控制，海區位于東北氣旋前面，有弱的輻合上升運動，但冷鋒伴隨的冷空氣不利于此種形勢下霧區維持；高壓場型位于地面變形高壓系統內，高壓深厚，利于冷空氣輻射到暖洋面上使水汽凝結成霧；低壓場型位于地面低壓系統底部，925 hPa多伴隨弱脊，低層的暖平流有利于逆溫的形成，為成霧和霧區維持提供有利條件。

根據以上概念模型對海霧過程進行統計（見表3）可以看出：渤海灣海區海霧以均壓場型和倒槽冷鋒型為主；遼東灣海區均壓場型概率最高，其次為低壓場型；萊州灣同樣以均壓場型為主，倒槽冷鋒型次之。對比黃彬等提出的黃海海霧的環流類型：冷鋒型、均壓場型和高壓后部型，其中冷鋒型占比最高達50%，而均壓場型占比最少[5]。渤海海霧卻以均壓場型占比最高，這應該與黃、渤海海霧的成霧機理有關，黃海海霧以平流冷卻霧為主，各類天氣形勢多有利于暖濕空氣向北方冷海面輸送。而渤海作為我國海域最北方的三面環陸的內海，海霧類型以平流蒸發霧為主，其次為平流冷卻霧[14]，且受陸地影響更為顯著，因此其均壓場類型占比較高。

圖5 不同氣壓場型天氣形勢

表3 渤海分區域地面形勢所占比例

表4 出霧時的分區風向統計

4.2 風向風速條件

特定的風向和適度的風速是海霧生成和維持的重要因素。從表4中可以看到：興城站在海霧發生期間出現南風概率最高，為37.3%，塘沽站以北風和東風概率最高，分別為28.4%和24.6%，秦皇島站出現西風-北風最多，合計74.4%，而龍口站各風向差異不明顯。對比黃海海域，黃海北部成霧風向以東-東南風為主，比例達57.9%，西部成霧東南-南風比率達64.9%，東部成霧風向多為南-西南風，比率為74.2%[5]。可以看出渤海中西部各海區海霧發生時盛行風向與黃海海霧有較大區別，渤海各海區海霧多發生于均壓場內，風向不確定性較強，偏南風高概率在渤海海區表現并不明顯，僅塘沽站對應的遼東灣海區南風概率較高，這可能與該海區海霧發生時低壓場形勢占比較高有關。

表5對比了A平臺和沿岸站出霧時風速，可以看出沿岸站風速集中在0—3 m/s，占92.6%。A平臺風速集中于2—6 m/s，占77.1%。兩者風速都在0—3級范圍內，這與已有的研究結論是相一致的[14]，沿岸站點的風速小于A平臺，也符合實際觀測。

4.3 溫濕條件

分析出霧時濕度（見表6）可以看到：A平臺出霧時相對濕度在80%—95%之間占93%，而沿岸站點集中在90%—100%，占總數的97%。具體原因可能是因為海洋上的海鹽氣溶膠數量較多，海鹽氣溶膠具有很強的吸濕性，導致成霧時海上能見度比陸地低[14]。

表5 出霧時近海與沿岸的風速范圍

表6 出霧時相對濕度分布情況

表7 A平臺海氣溫差分布情況

一定的海氣溫差是海上形成霧的重要條件之一，利用NCEP/NCAR再分析資料，統計了渤海A平臺站點距海面2 m處氣溫和海表面溫度的差值。A平臺在該時段內有165時次能見度小于1 km，其中海氣溫差為正（海溫大于2 m氣溫,蒸發霧）的時次有80次，海氣溫差為負（2 m氣溫大于海溫，冷卻霧）的時次有85次（見表7），兩者比較接近。海上A平臺出霧時海氣溫差絕對值主要在0—2℃范圍內，占到81.8%（0—1℃范圍內占60%，1—2℃占21.8%）。

4.4 大氣層結條件

霧的形成與當地的層結穩定度關系緊密[1，18]，經過統計,環渤海5個觀測站點在08和20時出霧且地面高空資料齊全的309站次中：1 000 hPa和地面之間存在逆溫的有201站次（65.1%），925 hPa和1 000 hPa之間存在逆溫的有122站次（39.5%），850 hPa和925 hPa之間存在逆溫的有24站次。850 hPa以下存在逆溫的共有246站次，約占79.6%。因此，存在逆溫的穩定大氣層結是海霧發生維持的有利因子。

5 結論

通過對2004—2012年渤海沿岸及近岸海霧的時空分布特征、環流形勢及相關水文氣象要素的統計和分析，可以得到以下主要結論：

（1）2004—2012年間，渤海海霧年際變化明顯，其中2005年出現頻次最少，2007年最多；不同海區海霧月際變化特征有所差異，但都存在冬季高發期，且海霧高發期受到溫度空間分布的影響；08時海霧出現頻次最多，其日變化特征受太陽輻射和海陸差異影響；

（2）天氣系統是氣象要素的綜合體現，依據高低空環流形勢和地面主要影響系統，將渤海海霧天氣形勢分為均壓場型，倒槽冷鋒型，低壓場型和高壓場型4種，并分別給出概念模型。其中各海區均以均壓場型占比重最大，渤海灣和萊州灣海區倒槽冷鋒型其次，遼東灣海區低壓場型占比重第二；

（3）渤海海霧總體風向特征不明顯，且在海氣溫差正負時皆可出現，海氣溫度差值多在2℃以內，這些特征與黃海海霧預報差異較大；

（4）出霧時風速大都集中在0—3級，近海的風速略高于沿岸；相對濕度多數在80%以上，并且近海的濕度低于沿岸站點；海氣溫差主要范圍為-1—1℃；850 hPa以下存在逆溫占到79.6%。

通過以上分析得到了渤海海霧發生的氣象要素的定量化指標，能夠為預報提供有效的參考，同時對比得到了發生海霧時近海和沿岸站點的差異。但因渤海特殊的地理位置和水文要素特征分布，其海霧類型及生成機制與黃海海霧有所差異，希望在今后的工作中對渤海海霧進行分類統計，進一步探討不同種類海霧的生消機理和微物理特征。

[1]王彬華.海霧[M].北京:海洋出版社,1983:1-352.

[2]傅剛,李鵬遠,張蘇平,等.中國海霧研究簡要回顧[J].氣象科技進展,2016,6(2):20-28.

[3]王彬華.中國近海海霧的幾個特征[J].海洋湖沼通報,1980(3): 9-20.

[4]王鑫,黃菲,周發琇.黃海沿海夏季海霧形成的氣候特征[J].海洋學報,2006,28(1):26-34.

[5]黃彬,毛冬艷,康志明,等.黃海海霧天氣氣候特征及其成因分析[J].熱帶氣象學報,2011,27(6):920-929.

[6]Zhang S P,Xie S P,Liu Q Y,et al.Seasonal Variations of Yellow Sea fog:Observations and Mechanisms[J].Journal of Climate, 2009,22(24):6758-6772.

[7]Huang H J,Liu H N,Huang J,et al.Atmospheric boundary layer structure and Turbulence During Sea Fog on the Southern China Coast[J].Monthly Weather Review,2015,143(5):1907-1923.

[8]Li Y P,Zheng Y X.Analysis of Atmospheric Turbulence in the Upper Layers of Sea Fog[J].Chinese Journal of Oceanology and Limnology,2015,33(3):809-818.

[9]Gao S H,Wu W,Zhu L L,et al.Detection of Nighttime Sea Fog/ Stratus Over the Huanghai Sea Using MTSAT-1R IR Data[J].Acta Oceanologica Sinica,2009,28(2):23-35.

[10]閆智超,李冉,易笑園,等.黃海晚冬一次持續性海霧天氣的動力熱力特征[J].海洋預報,2013,30(4):57-64.

[11]張蘇平,鮑獻文.近十年中國海霧研究進展[J].中國海洋大學學報(自然科學版),2008,38(3):359-366.

[12]鄔正明.渤海及其口外的海霧[J].中國航海,1965:42-51.

[13]吳曉京,李三妹,廖蜜,等.基于20年衛星遙感資料的黃海、渤海海霧分布季節特征分析[J].海洋學報,2015,37(1):63-72.

[14]曲平,解以揚,劉麗麗,等.1988-2010年渤海灣海霧特征分析[J].高原氣象,2014,33(1):285-293.

[15]任志軍,卜清軍.渤海灣海霧氣候特征與分析[J].天津航海, 2007(4):54-56.

[16]王玉國,章晗,朱苗苗,等.遼東灣西岸海霧特征分析[J].海洋預報,2013,30(4):65-69.

[17]周發琇,王鑫,鮑獻文.黃海春季海霧形成的氣候特征[J].海洋學報,26(3):28-37.

[18]曹鋼鋒,張善君,朱官忠,等.山東天氣分析與預報[M].北京:氣象出版社,1988:310.

Characteristics of offshore and coastal sea fog in the mid-west Bohai Sea

ZHENG Yi1，LI Ran2，SHI De-dao3，WANG Ya-nan3，SUN Mi-na3
（1.Shandong Provincial Meteorological Bureau,Jinan 250000 China;2.China meteorological administration,Beijing 100081 China；3.Tianjin Provincial Meteorological Observatory,Tianjin 300074 China）

Based on the conventional observation data at five offshore and coastal observation stationsfrom 2004 to 2012,the climate characteristics and influence factors of the sea fog in the Midwest Bohai Sea are statistically analyzed..The results show the sea fog in the Bohai Sea has an obvious annual variation characteristic,with the lowest frequency in 2005,and highest frequency in 2007.The monthly variation characteristics vary in different sea areas,but has a high-incidence time in winter which was affected by the spatial distribution of temperature. The highest frequency time of sea fog occurrence is at 08:00am,and the daily variation characteristic is affected by the solar radiation.The synoptic situations under the sea fog process can be divided into four patterns,which are uniform pressure field,trough and cold front,low pressure field and high pressure field,and the four kinds of conceptual model are summarized.The uniform pressure field accounted for the largest proportion,the second proportion which in Bohai Bay and Laizhou Bay is the trough cold front,the second proportion which in Liaodong Bay is the low pressure field.The statistics about the meteorological condition suitable for Sea Fog occurrence is given,such as wind direction and speed,temperature and humidity conditions,and the stability of atmospheric stratification,which can provide effective reference for the sea fog forecast.

the mid-west Bohai Sea;sea fog;statistical characteristics;synoptic patterns

P732.2

：A

：1003-0239（2016）06-0074-07

10.11737/j.issn.1003-0239.2016.06.009

2015-10-16

中國氣象局氣象關鍵技術集成與應用（重點）項目（CMAGJ2013Z02）；山東省氣象局氣象科學技術研究項目（2010sdqxz01）。

鄭怡（1988-），女，工程師，碩士，主要從事天氣預報技術和方法研究工作。Email:zhengyi_316@163.com