閩南沿海大霧天氣地面氣象要素統計分析*

鄭澤華 張 偉 陳德花

(福建省廈門市氣象臺，福建 廈門 361012)

海霧是懸浮于大氣邊界層大量水滴或者冰晶，使大氣水平能見度小于1km的天氣現象[1]。海霧降低海上或沿海能見度，嚴重影響海上航行作業，是影響在海上和沿岸的經濟、社會和軍事活動的重要因素。福建是我國沿海幾個相對多霧區之一，每年霧頻數20～30d，而廈門附近的多霧中心頻數高于平均值，為39.5d[2]。

暖濕氣流輸送的風向風速條件和海表面溫度條件是海霧形成的主要影響因素，海霧出現時的具體風速及風向因地區不同具有較大的差異性，而海霧成霧的海表條件較為一致，海氣溫差范圍為-3～-0.5℃、海表溫度小于25℃[1]。近年來，許多專家根據新的資料重新對海氣特征進行統計，其統計結果基本仍在以上范圍內,且更為具體[3-5]。黃渤海海霧過程的統計研究已有許多成果，可基本解釋海霧生消時邊界層的若干特征[6-8]。近年來，對福建沿海海霧生消水文條件的研究有了一定成果，華南沿岸近海存在一個帶狀冷水區，春季出現暖濕氣流輸送至近岸冷水區時，容易出現海霧[9]。馬治國等[10]分析發現，福建南部沿海海霧發生頻率高于北部沿海，中南部沿海地區是多霧的區域。在對莆田沿海海霧進行分析發現，海霧過程多發生于海溫低于25℃，海溫低于氣溫、且風向為穩定較弱的偏南風時[11]。關于影響福建海霧生消的風向風速研究則較為有限，閩北沿海海霧發生前地面為西南風到偏北風，發生時為東北至東南風，且風速小于5 m/s[12]。何秀戀等[13]在對福建南部的大霧過程研究中發現，福建南部緯度較低，初春易受弱西南暖濕氣流影響，導致平流霧產生。

福建沿海海霧的研究仍有許多不足，預報準確率還處于較低水平。臺灣海峽海霧數值模擬工作是下一步的研究重點[14]。本文利用2015—2018年常規觀測資料及新型探測資料，研究閩南沿海海霧過程相關氣象要素的統計特征，為閩南沿海海霧的預報、預警、數值模擬提供參考依據。

1 資料數據

資料數據包括：2015—2018年廈門站(59134)及沿海6個(59136、F2288、59140、F2286、F2273、59321)地面自動站(見圖1)觀測數據，主要采用的氣象要素有溫度、風力、風向、能見度；廈門海洋氣象浮標站資料(59334)，由于2018年起浮標站的資料缺失較為嚴重，因此資料選用時段為2015—2017年，所用氣象要素主要為海表氣溫及海溫。所有資料時間分辨率均為1小時。

圖1 廈門站(59134)、廈門浮標(59334)及沿海6個自動站位置分布

2 廈門站能見度天氣氣象要素的統計特征

首先分別對雨霧及非雨霧天氣下廈門國家基準站(59134)的能見度及相關氣象要素進行統計分析，以“站點發生低能見度天氣的同時是否有降水產生”區分雨霧及非雨霧天氣。

2.1 雨霧天氣下氣象要素的統計特征

基于廈門站每小時地面觀測數據，對降水時段內的氣象要素進行統計。根據統計結果，廈門站雨強小于1mm時，更易出現低能見度的情況，且能見度大小與降水強度關系明顯：降水強度越弱，濃霧天氣發生次數越多(圖2)，能見度的高低主要取決于降水粒子大小及濃度，這也與前人研究相一致[15]。

圖2 廈門站不同能見度(雨霧天氣)與溫度、降水量的關系分布

在此基礎上，不同能見度下溫度的分布如圖3a：當能見度小于200m時，主要有兩個峰值，分別為14℃和18℃，當能見度上升時，兩個峰值逐漸向兩極偏移；強濃霧天氣(能見度在0～200m范圍內)在13～19℃范圍內的概率明顯大于一般大霧天氣(能見度大于200m)。因此，當溫度在13～19℃范圍內時，有利于雨霧天氣的發生，且越接近14℃、18℃，強濃霧天氣發生概率越大，溫度超過該范圍時，雨霧天氣發生概率明顯減小。對比不同能見度下風力的分布概率(圖3b)可以發現，能見度小于500m的情況下，風力在1.5～2.5m/s時，低能見度天氣發生的概率最大，大于500m時落在2～3m/s的面積最大；對比不同檔次能見度可知，能見度越低，峰值越向1.5m/s靠近，且概率增加。因此，當風力在1.5～2m/s時，有利于較強雨霧天氣的發生，這也與萬小雁[16]等人的研究結果相一致：降水為霧的形成提供了充足的水汽條件，并使溫度降低，空氣快速飽和，弱的降水強度及弱風不易破壞大氣的層結穩定，使霧得到維持。因此，當雨強增大、溫度較高、風力增大時，低能見度天氣發生頻次明顯減少。

圖3 廈門站(59134)(小時降水小于1mm)不同能見度下溫度(a)、風速(b)的概率分布

2.2 非雨霧天氣下氣象要素的統計特征

非雨霧情況下，對比不同能見度大小和溫度的關系可以發現(如圖4)，當能見度大于1000m時，溫度及風速分布范圍較廣，隨著能見度降低，其溫度分布范圍快速減小，當能見度小于500m時，風速集中在2～4m/s，溫度則主要分布在11～23℃內。從濃霧天氣發生時風力的概率分布上可以看到(圖5a)，僅有一峰值(2m/s左右)，風力在1～3m/s范圍內時低能見度天氣發生概率最大，且不同能見度下(小于3km)差異并不明顯，這與圖4結論相似；從圖5b可知，當能見度小于200m時有一明顯峰值(16～17℃)，且發生概率較為集中，而當能見度大于200m時則無此特征。結合圖4、圖5可知，當溫度在17℃左右、風速在1～3m/s時，有利于強濃霧天氣(能見度小于200m)的發生。

圖4 廈門站不同能見度(非雨霧天氣)與溫度、風速的關系分布

圖5 廈門站不同能見度(非雨霧天氣)下風力(a)、溫度(b)的概率分布

2.3 不同情況下強濃霧天氣對比討論

在強雨霧天氣發生時，東風主導，其次為偏西風(圖6左)，整體風力較小，且與降水強度明顯相關，降水強度越弱，風力越小，越有利于微小粒子在空中懸浮，使得能見度明顯下降，與溫度的關系并不明顯。

非雨霧天氣情況下存在明顯不同。首先溫度分布集中，強濃霧天氣發生時溫度主要集中在17℃附近，以弱東風為主，且東風所占比例明顯高于其他方向(圖6b)，且風力略大于強雨霧天氣，由此可以推斷，強非雨霧天氣主要是以平流霧為主，因此體現出更為明顯的溫度、風向特征。

以上針對雨霧及非雨霧天氣分別對廈門站進行了氣象要素的統計分析，由于廈門站海拔較沿海略高，且位置較靠近內陸，具有一定的特殊性，并不能完全代表廈門沿海海霧過程，因此，下文將對閩南沿海代表站點氣象要素進行統計分析。

(a)雨霧 (b)非雨霧

2.4 沿海代表站點氣象要素統計分析

根據地面自動站的位置及資料的完整程度，在閩南沿海挑選了6個代表站(59136、F2288、59140、F2286、F2273、59321)進行分析。由于雨霧天氣能見度受降水影響較明顯，且較少出現大范圍低能度天氣，因此下文僅針對非雨霧天氣進行分析討論，以期得到可用于預報閩南沿海大范圍海霧過程發生的氣象要素條件。

圖7分別是閩南沿海所選6個站點自北向南所做的溫度、風力特征統計。從溫度上看，沿海各站整體溫度分布較廣，主要在14～28℃之間，且在不同能見度檔次內，溫度差別并不明顯，值得注意的是，以廈門為界，廈門以北的站點溫度主要集中在15～24℃之間，而南部沿海溫度主要集中于16～27℃，這可能是由于南部沿海整體溫度、水汽條件較北部略好，更有利于低能見度天氣的產生，因此出現以上區別。

從風力上看，除了F2286(圖7d)以外，其余站點在大霧過程中風力都小于8m/s(4級)，且在2～5m/s范圍內的頻率較高，F2286風力分布略大于其他各站，但大部分也小于10.8m/s(5級)。圖8給出了能見度小于1km時站點的風玫瑰圖，由于各站點風向分布較為相似，在此僅展示F2288及F2273的結果。從圖8可以看出，在海霧發生時，主要以東北風到偏北風為主，出現頻率及平均風力也遠大于其他方向；其次則主要以西南風為主，其平均風力在4～5m/s。

(a)59136 (b)F2288 (c)59140 (d)F2286 (e)F2273 (f)59321

(a)F2288 (b)F2273圖8 低能見度(小于1km)情況下風玫瑰圖

3 閩南海霧生消過程氣象要素演變特征

本文利用所挑選的閩南沿海6個自動站，選取能見度同時小于1km的時間段作為海霧發生時段，挑選了16次海霧過程，共計59個時次。規定起始時刻前3h作為海霧發展時段，結束時刻后3h作為消散時段，對氣象要素特征進行統計。

3.1 沿海站點氣象要素特征統計

圖9給出了海霧發展階段的風玫瑰圖，由于各個站點所處的地理位置不同，風向、風速有所差異。整體來說，在所挑選的海霧過程中，地面主要以南風或西南風為主，且平均風力在2～4m/s，弱的南風維持了大氣的層結穩定，且有持續的水汽輸送，有利于大霧天氣的形成；其次部分站點有明顯的弱偏東風或者東北風，這說明了弱冷空氣在海霧形成中的作用(鋒前霧)。圖10為成熟階段的風玫瑰圖，從圖中可以發現，仍然是以西南風為主，但是其比重明顯下降，而東風、東北風或北風的出現比例明顯上升，略低于偏南風，且平均風速明顯小于發展階段；消散階段風(圖11)的情況與成熟階段差異較小，因此風并不是導致以上海霧過程消散的主要原因。

(a)59136 (b)F2288 (c)59140 (d)F2286 (e)F2273 (f)59321

(a)59136 (b)F2288 (c)59140 (d)F2286 (e)F2273 (f)59321圖10 海霧成熟階段風玫瑰圖

(a)59136 (b)F2288 (c)59140 (d)F2286 (e)F2273 (f)59321圖11 海霧消散階段風玫瑰圖

3.2 浮標站要素統計

由于2018年起廈門浮標資料大部分缺失，因此此處僅統計2015—2017年的海霧過程(13次)的浮標資料。

從海溫分布看(圖12a)，所選海霧過程中，海溫主要分布在14～20℃范圍內，且在15℃、19℃附近有明顯峰值，而在23℃附近也有一峰值，但其概率密度明顯小于前者。而對比不同階段的海溫分布特征可以發現，當海溫在14～20℃時，海霧成熟階段的海溫較生消階段的明顯偏高；而在23℃附近時結論則剛好相反，這可能是由于海霧過程性質不同所導致的(平流霧、鋒前霧)。

從海氣溫差上看(圖12b)，海霧過程中溫差主要集中在1.5℃以內，且海溫略低于氣溫。發展-成熟-消亡過程中溫差呈現先增大后減小的趨勢：在海霧生消過程中，海氣溫差較小，而在成熟階段，其溫差主要集中在0.5～1℃，說明一定的海氣溫差有利于海霧過程的維持。

圖12 海霧過程發展(紅線)、成熟(黑線)、消亡階段(藍線)海溫(a)及海氣溫差(b)的概率密度

4 結論

對于廈門站而言，在雨霧天氣下，低能見度(小于1km)天氣主要出現在小時雨強小于1mm，且溫度在9～23℃、風力在1～3m/s的情況；溫度過高或者過低、降水強度較大或風力較大的情況下，都不易出現低能見度天氣。非雨霧天氣下，當溫度接近17℃，且風力在1～3m/s范圍內，有利于強濃霧天氣的出現，溫度過高或者過低、風力過大或過小都不利于濃霧天氣的產生。

在針對閩南沿海所選6個站點的特征統計發現，各站點溫度分布主要在14～28℃，且在不同能見度檔次內，溫度差別并不明顯，廈門以北的沿海站點溫度較南部偏低；從風力上看，大霧過程中風始終較小，主要集中在2～5m/s范圍內，各站主要以東北風到偏北風為主，其次是西南風。

當海溫接近15℃、19℃時，有利于閩南沿海大范圍海霧過程的發生，不同性質海霧過程中海溫變化具有不同特點；海霧過程中海氣溫差主要集中在1.5℃以內，氣溫略高于海溫。過程中呈現先增大后減小的趨勢，一定的海氣溫差(0.5～1℃)有利于海霧過程的維持；海霧發展階段風向主要以偏南風為主，其次部分站點有明顯的弱偏東風或者東北風，風力主要在3～6m/s，而在海霧成熟階段偏東風及偏北風比例明顯增加，且風速明顯減小，但風的變化并不是海霧消散的主要原因。