2018年6月青島海域一次海霧過(guò)程分析

王冠嵐， 孫莎莎， 孫柏堂， 李鵬遠(yuǎn)

(1.國(guó)家氣象中心,北京 100081； 2.山東省氣象臺(tái),濟(jì)南 250031；3.萊西市氣象局,山東 青島 266600； 4.中國(guó)海洋大學(xué),山東 青島 266100)

引 言

霧是由于近地面空氣中懸浮的大量微小水滴或冰晶使大氣水平能見(jiàn)度降至1 km以下的天氣現(xiàn)象。廣義上的海霧是指發(fā)生在海面上的霧，是影響海上大氣能見(jiàn)度的主要天氣現(xiàn)象。大霧的影響主要體現(xiàn)在交通運(yùn)輸上。陸地霧會(huì)對(duì)陸路交通運(yùn)輸和飛機(jī)起降產(chǎn)生不利的影響[1-4],海霧會(huì)對(duì)海上運(yùn)輸、船舶進(jìn)出港等造成影響[5-6]。田華等[7]通過(guò)調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，交通、公安等部門(mén)對(duì)大霧的預(yù)報(bào)預(yù)警和影響評(píng)估等方面有較高需求。近年來(lái)，隨著我國(guó)沿海地區(qū)承擔(dān)著越來(lái)越多的重大會(huì)議和活動(dòng)任務(wù)，海霧的影響已不僅僅局限于海上交通和生產(chǎn)活動(dòng)，而是逐漸成為氣象保障服務(wù)的新焦點(diǎn)。目前，對(duì)于海霧的研究主要集中在統(tǒng)計(jì)分析[8-9]、 數(shù)值模擬[10-12]、海霧預(yù)報(bào)方法[13-14]等方面。前期研究表明，海霧根據(jù)形成機(jī)制的不同，可分為平流霧、混合霧、輻射霧和地形霧[15]。黃海是我國(guó)近海海霧出現(xiàn)最頻繁的海區(qū)[16]，且大多屬于平流冷卻霧[17-18]。青島位于黃海北岸，6月為青島附近海域海霧的最高發(fā)時(shí)段[19]。

2018年6月9日至10日，上合組織峰會(huì)在青島召開(kāi)，氣象部門(mén)為峰會(huì)開(kāi)幕式和各項(xiàng)會(huì)議活動(dòng)提供了精準(zhǔn)的決策氣象服務(wù)[20-21]。本文將對(duì)此次峰會(huì)前夕青島附近海域的一次海霧過(guò)程進(jìn)行分析，對(duì)今后類似的氣象保障服務(wù)提供參考。

1 資料和方法

本文使用的資料主要有:(1)全國(guó)綜合氣象信息共享平臺(tái)(China Integrated Meteorological Information Service System,CIMISS)提供的地面站1 h觀測(cè)資料,包括能見(jiàn)度、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速風(fēng)向、天氣現(xiàn)象等。(2)Himawari-8可見(jiàn)光云圖。(3)美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的 1°×1 °全球再分析數(shù)據(jù)(NCEP FNL Operational Global Analysis data)。(4)中國(guó)氣象局高空觀測(cè)資料。

利用中尺度大氣數(shù)值模式WRF(Weather Research and Forecasting)對(duì)海霧過(guò)程進(jìn)行模擬，初始場(chǎng)采用FNL再分析資料;模擬時(shí)段為2018年6月6日20時(shí)-10日08時(shí)。利用HYSPLIT-4模式(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory-4)進(jìn)行氣塊的后向追蹤軌跡計(jì)算，使用HYSPLIT時(shí)可以在線完成計(jì)算(網(wǎng)址http://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php)，本研究輸入的是GDAS的0.5°×0.5°再分析數(shù)據(jù)。

2 海霧實(shí)況和天氣形勢(shì)

2.1 海霧實(shí)況

由青島站(臺(tái)站號(hào)：54857)能見(jiàn)度隨時(shí)間變化圖(圖1a)可以看出，6月7日16時(shí)起，青島能見(jiàn)度出現(xiàn)明顯下降，至7日23時(shí)一直維持能見(jiàn)度低于200 m的強(qiáng)濃霧，且在整個(gè)夜間能見(jiàn)度基本維持在1 km以下。8日，能見(jiàn)度有所提高，但在8日傍晚時(shí)段，仍出現(xiàn)能見(jiàn)度低于1 km的海霧。9日白天，能見(jiàn)度出現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)，特別是在9日20時(shí)至21時(shí)，能見(jiàn)度維持在3.5 km以上，22時(shí)后，由于受到上合峰會(huì)開(kāi)幕式焰火燃放活動(dòng)的影響，能見(jiàn)度一度短暫下降至500 m以下，隨后回升至2.5 km。對(duì)應(yīng)同時(shí)段的相對(duì)濕度，7日下午至夜間能見(jiàn)度較低的時(shí)段，青島相對(duì)濕度為96%～98%，接近飽和。從風(fēng)場(chǎng)隨時(shí)間的變化看(圖1b)，7日下午，青島站風(fēng)速基本在4～5 m·s-1的范圍內(nèi)，風(fēng)向以東南風(fēng)為主。7日至8日，青島附近海域的海溫(圖略)保持在19～20 ℃。此次海霧為黃海海域夏季常見(jiàn)的平流冷卻霧[22]。

從葵花8可見(jiàn)光云圖(圖2)可以看出，7日14時(shí)(圖2a)，青島南部黃海海域有海霧分布，但與陸地邊界清晰，此時(shí)青島能見(jiàn)度仍在3 km以上；16時(shí)(圖2b)，青島南部海域的海霧發(fā)展加強(qiáng)，并開(kāi)始從海區(qū)向陸地移動(dòng)，青島能見(jiàn)度迅速降至500 m以下。8日14時(shí)(圖2c)，黃海中部海域及青島沿海地區(qū)的海霧在可見(jiàn)光云圖上的紋理不再光滑，表明此時(shí)海霧內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸受到破壞，有消散的趨勢(shì)。9日14時(shí)(圖2d)，受到高空系統(tǒng)的影響，整個(gè)區(qū)域云量增多，從可見(jiàn)光云圖上已很難辨別海霧天氣。

圖1 2018年6月7日08時(shí)-10日08時(shí)青島站能見(jiàn)度、相對(duì)濕度和風(fēng)速變化

圖2 2018年6月7日14時(shí)-19日14時(shí)葵花8可見(jiàn)光云圖

2.2 天氣形勢(shì)

從天氣背景看，7日08時(shí)500 hPa高空青島附近上游有北支和中支西風(fēng)槽活動(dòng)，槽經(jīng)向度比較小，并逐漸東移，青島處在槽前西南氣流中；850 hPa上，青島處在鞍型場(chǎng)中，西北-東南向?yàn)楦邏簠^(qū)，東北-西南向?yàn)榈蛪簠^(qū)(圖略)；從地面氣壓場(chǎng)上看，7日至8日(圖3)，青島的西南-東北方向上，有低壓系統(tǒng)東移發(fā)展，青島受倒槽東側(cè)偏東南氣流影響，青島近海和沿海內(nèi)陸出現(xiàn)了海霧。這種低槽東移天氣形勢(shì)配置是黃海海霧的典型形勢(shì)之一[23-24]。8日白天開(kāi)始，隨著中支西風(fēng)槽發(fā)展，經(jīng)向度變大，并且西風(fēng)槽逐漸移近青島，穩(wěn)定的形勢(shì)場(chǎng)開(kāi)始變化，海霧維持的有利天氣形勢(shì)被破壞，海霧開(kāi)始減弱消失。

圖3 2018年6月7日14時(shí)-9日02時(shí)地面形勢(shì)圖

圖4為全球再分析數(shù)據(jù)得到的氣海溫差分布。由圖4可看出，7日下午(圖4a)，青島附近海區(qū)氣海溫差基本為0～0.5 ℃；隨著近地層?xùn)|南風(fēng)的作用，7日夜間(圖4b),氣海溫差有所增大，基本為0.5～1.0 ℃。8日上午(圖4c),由于地面出現(xiàn)短時(shí)的北風(fēng)，氣海溫差開(kāi)始明顯下降，大部分海區(qū)為0 ℃，局部海區(qū)為0～0.5 ℃；8日夜間(圖4d)，地面基本為弱的東南風(fēng)，氣海溫差再次加強(qiáng)，達(dá)到0.5～1.0 ℃，青島西南側(cè)的日照沿海氣海溫差最高為1.5～2.0 ℃。根據(jù)王彬華[15]的研究，氣海溫差數(shù)值在0.5～3.0 ℃的范圍內(nèi)，并且海表面溫度≤25 ℃時(shí)利于平流霧的生成。因此，6月7-9日期間，在氣海溫差條件適宜的時(shí)段，非常有利于海霧發(fā)展。

圖4 2018年6月7日14時(shí)-8日20時(shí)黃渤海氣海溫差分布圖

由6日20時(shí)青島站的探空曲線圖可以看出(圖5a)，此時(shí)近地層為東南風(fēng)，1000-960 hPa之間有明顯逆溫層，逆溫強(qiáng)度較強(qiáng)，但該厚度層的水汽條件較差，氣層較干，因此青島此時(shí)能見(jiàn)度較高，都在1 km以上。到了7日20時(shí)(圖5b)，低層仍然為東南風(fēng)，近地層的逆溫高度有所抬高，出現(xiàn)了多層逆溫,980-960 hPa的水汽條件相比6日有明顯加強(qiáng)，該厚度層的空氣近乎飽和，青島的能見(jiàn)度迅速降低至200 m以下。通過(guò)對(duì)探空的分析發(fā)現(xiàn)，此次海霧過(guò)程屬于淺薄的海霧，并且低能見(jiàn)度持續(xù)時(shí)間短，可預(yù)報(bào)性難度較大。

圖5 2018年6月6-7日青島站探空曲線圖

3 數(shù)值模擬

3.1 中尺度模式WRF數(shù)值模擬結(jié)果

利用中尺度模式WRF對(duì)此次海霧進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬區(qū)域見(jiàn)圖6。

圖6 2018年6月6日20時(shí)-10日08時(shí)WRF模式計(jì)算區(qū)域示意圖

饒麗娟等[25]研究表明，對(duì)于海霧模擬邊界層方案采用YSU方案、云微物理方案采用Lin方案得到的霧區(qū)與觀測(cè)事實(shí)最為相符，本文采用該方案，主要參數(shù)見(jiàn)表1。

將模式輸出的地面氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)與同期觀測(cè)資料得到的地面氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)模擬輸出場(chǎng)與實(shí)際觀測(cè)場(chǎng)的形勢(shì)十分相似(圖略)。對(duì)其他變量(如相對(duì)濕度)比較發(fā)現(xiàn)，模擬值要略小于實(shí)際觀測(cè)值，但兩者的時(shí)間變化趨勢(shì)具有一致性。因此，利用該模式進(jìn)行海霧數(shù)值模擬研究是可行的。

表1 WRF模式青島附近海霧數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定

云水混合比是對(duì)霧的能見(jiàn)度有重要指示意義的物理量，云水混合比越大，霧越濃。研究表明，當(dāng)975 hPa云水混合比達(dá)到0.016 g·kg-1以上時(shí)定義為海霧[26]。圖7為WRF模式模擬得到的6月7日至8日青島附近海域近地層氣溫和云水混合比的緯向垂直剖面圖。7日下午至夜間(圖7a、b)，近地層的溫度層結(jié)始終呈現(xiàn)隨高度增加的分布，逆溫增強(qiáng)，950 hPa與1000 hPa 溫差最大，達(dá)到7 ℃；同時(shí)，云水混合比數(shù)值是逐漸提高的過(guò)程，最高0.6 g·kg-1以上的云水混合比從970 hPa向高層伸展了約10個(gè)hPa，達(dá)到960 hPa,此時(shí)濃霧[27]范圍在不斷擴(kuò)大。8日白天(圖7c)，近地層逆溫減弱，云水混合比也大大降低，只有局地海區(qū)有0.5～0.6 g·kg-1的分布，大部分海區(qū)基本都在0.1 g·kg-1以下，此時(shí)濃霧局地分布。8日夜間(圖7d)，近地層逆溫仍存在，云水混合比相比白天的有所提高，但強(qiáng)度相較7日夜間的明顯偏弱，此時(shí)海霧強(qiáng)度也相應(yīng)較弱。

圖7 2018年6月7日14時(shí)-8日20時(shí)青島海區(qū)近地層氣溫和云水混合比緯向垂直剖面

3.2 后向氣塊追蹤分析

前人有利用 HYSPLIT-4模式分析臺(tái)風(fēng)、暴雨、霧霾等天氣過(guò)程的氣塊來(lái)源[28-32]。本文利用該模式以青島膠州灣附近氣塊為跟蹤起點(diǎn)，模擬1000 m、500 m、200 m和10 m高度層上氣團(tuán)72 h的后向軌跡。從6月9日02時(shí)后向追蹤來(lái)看(圖8)，1000 m和500 m高度上的氣塊都大致來(lái)自蒙古高原東側(cè)，200 m高度上的氣塊主要來(lái)自河北北部，三者都呈西北東南走向。1000 m高度上的氣塊經(jīng)歷了下沉-上升-下沉的過(guò)程，500 m和200 m高度上的氣塊經(jīng)歷了上升-下沉的過(guò)程，最終三者匯入膠州灣附近。特別是在7日12時(shí)之后，此三個(gè)不同高度上的氣塊在青島上空都有明顯下沉增溫過(guò)程，有利于逆溫層的維持。10 m高度上的氣塊來(lái)自江南地區(qū)，在氣塊東移入海后經(jīng)歷了一個(gè)明顯的下沉過(guò)程，隨后轉(zhuǎn)向北上，將暖濕空氣輸送至青島，保證了此次海霧的發(fā)展維持。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)2018年6月7-9日青島附近海域出現(xiàn)的一次海霧過(guò)程進(jìn)行分析，探討了海霧形成發(fā)展過(guò)程中的大氣特征和海洋氣象條件，得到了以下結(jié)論：

(1)在此次海霧維持過(guò)程中大氣比較穩(wěn)定，環(huán)流形勢(shì)為低槽東移型，屬于典型的黃海海霧天氣形勢(shì)。

(2)此次海霧過(guò)程日變化較為明顯，在能見(jiàn)度小于1 km時(shí)，相對(duì)濕度為96%～98%；海溫低于海平面氣溫，氣海溫差為0.5～1.0 ℃；風(fēng)向以東南風(fēng)為主，是海洋上的暖濕氣流經(jīng)冷海面凝結(jié)成的霧，為一次平流冷卻霧過(guò)程。

(3)在整個(gè)海霧過(guò)程中，逆溫層始終存在，近地層逆溫差越大，對(duì)應(yīng)海霧越強(qiáng)；云水混合比在0.6 g·kg-1以上的空間分布和海霧的落區(qū)有很好的吻合。

(4)后向氣塊追蹤結(jié)果表明，本次海霧過(guò)程中，高層不同高度的氣塊在青島上空都經(jīng)歷了明顯的下沉增溫過(guò)程，有利于逆溫層的維持和發(fā)展；低層氣塊來(lái)自東海，不斷將暖濕空氣輸送至青島海域。這種高低層的氣塊來(lái)源配置有利于海霧的維持。