2020年5月5日凌晨福建中南沿海海霧過程特征及成因分析*

鄭澤華 張 偉 陳德花

(1.海峽氣象開放實驗室，福建 廈門 361012；2.廈門市氣象臺，福建 廈門 361012)

海霧是指直接受海洋影響，發生在海上或沿海地區上空，使大氣能見度小于 1km 的天氣現象[1]。海霧的形成，主要是空氣在海洋下墊面的作用下，在海上、島嶼或沿海地區達到飽和、凝結，并長時間懸浮空中，使得能見度較低，從而對海上航運及交通造成嚴重影響。

馬治國等[2]在對福建沿海站點資料分析研究中發現，福建省中南部沿海地區為多霧區域，尤其是崇武、廈門和東山最多。前人針對有利于福建海霧發生的天氣形勢進行了十分詳細的歸納總結：魏錦成[3]統計了1997—2006年的歷史資料，將海霧日前一天的天氣形勢劃分為地面冷鋒型、地面低壓倒槽型、地面高壓入海型、陸地低壓環流暖區型及弱氣壓場型；李昀英等[4]則將典型天氣形勢劃分為冷平流主導型(冷鋒型、準靜止鋒型、冷高壓型)，暖平流主導型(氣旋型、入海變性高壓型)，均壓場型，臺風外圍型。對于海峽海霧的觀測研究，主要技術有人工觀測、燈塔觀測、探空觀測、飛機觀測等，其中衛星遙感技術以其覆蓋范圍廣、實時及動態性強等優點，在海霧監測中廣泛應用。錢峻屏等[5-6]通過能見度遙感監測和定量反演試驗發現，水平能見度與MODIS衛星監測的反照率存在函數關系并建立經驗模型。關于福建沿海海霧過程的邊界層條件分析，前人研究已取得一定成果。何秀戀等[7]研究發現，福建南部緯度較低，在西南暖濕氣流影響下形成平流霧，生成過程中邊界層具有逆溫層，相對濕度較大，氣溫比較低且風力較小；黃惠镕等[8]在對春季福建一次海霧過程分析中發現，近地面逆溫層、大濕度區維持、中層“干暖蓋”、風速適宜、溫度露點差小、垂直風切變減小、氣溫高于海溫都是海霧過程發生的有利條件。盡管如此，福建沿海海霧數值模擬預報仍處于較低水平，福建省氣象臺基于MM5模式集合預報系統生成臺灣海峽霧、濃霧和強濃霧的概率預報，在海霧預報上起到了一定的預警作用，但依舊存在模式成員少，海霧生消的物理機制、邊界層參數化方案和下墊面條件需進一步研究確定等問題[9]。

2020年5月4日夜間到5日凌晨，福建沿海自北向南發生一次海霧過程，范圍覆蓋中南沿海大部，持續時間超過8h，廈門沿海地面自動站能見度小于500m超過6h，對內海航線及各大橋通行都造成了較大影響。本文利用衛星監測、地面自動站、微波輻射計、風廓線雷達等觀測手段，結合第五代ECMWF大氣再分析全球氣候數據(ERA5)再分析資料，對此次過程進行分析，以期為廈門沿海海霧預報提供參考依據。

1 資料分析與處理

本文利用葵花8衛星(Himawari—8)紅外雙通道亮溫差代表海霧；地面自動站(翔安站、張埭橋水庫站、土嶼站)逐5min氣象觀測資料，主要采用的要素有風速、風向及能見度；ERA5再分析資料，包含的物理量有：1000hPa及地面風速、風向、溫度、相對濕度，海表溫度等(水平分辨率為0.25°×0.25°)；翔安微波輻射計及風廓線雷達觀測資料；MICAPS站點觀測資料。

2 海霧過程時空演變特征

2.1 衛星遙感監測

利用葵花8衛星的長波紅外與短波紅外差異大值區表征大致海霧范圍。如圖1所示，在2020年5月5日2時，在閩中南部海上就已出現雙通道亮溫差大值區，與海岸線平行，呈線狀分布，大部分區域差值超過2℃，意味著此時海霧厚度較厚；后大值區逐漸向廈門沿海移動，亮溫差值進一步增大，最大區域超過3℃，大霧強度進一步增強。從4時的差異圖可以看到，廈金海域上空的雙通道亮溫差已達到2.5℃附近，意味著海霧已移動至廈門內海，此時翔安南部及廈門島東部已明顯處于濃霧覆蓋中；隨后海霧繼續緩慢南壓，從5時30分的差異圖上可以看到，亮溫差逐漸減小，介于0.5～1℃，海霧厚度逐漸減小，但濃霧范圍為塊狀，范圍較大，且恰好覆蓋廈門全市及近海大部，因此此時為本次過程的成熟階段；隨后海霧停滯維持，6時后伴隨日出，亮溫差逐漸減小接近于0℃，結構逐漸松散，大霧逐漸消散，此次過程趨于結束。

圖1 2020年5月5日2時、4時、5時30分及6時葵花8衛星長波紅外與短波紅外亮溫差異圖

2.2 廈門沿海站點氣象要素演變

選取3個沿海自動站作為此次過程的典型代表站，其中張埭橋水庫站(F2283)位于翔安南部沿海，以此站點表征海霧對廈門內海的影響；土嶼站(F2128)位于廈門島南部沿海，代表廈門近海氣象要素變化特征；翔安站(59140)位于大嶝島，用于8表征此次過程對廈金海域的影響。

從翔安站要素時序圖上可以看到(圖2)，5日2時20分前后，能見度快速下降，海霧開始影響廈金海域，此時風力維持在2m/s附近，從風向上看，其偏南分量明顯增加；從5日6時前后起(過程消散階段)，雖能見度上升較為緩慢(5日9時后上升至1km以上)，但風有明顯變化，風力明顯增強，且風向轉向為西南風。張埭橋水庫能見度下降時間稍晚于翔安站(5日3時前后)，此時海霧逐漸由廈金海域蔓延進入廈門內海，此時風向短暫由偏東風轉為東北風，隨后逐漸轉為西南風控制；消散階段風演變特征與翔安站相似，風力逐漸增強，而能見度轉好時間略早于廈金海域。海霧于5日3時30分前后南壓至廈門南部沿海(圖2)，風向逐漸由偏東風轉向為偏南風，風力有所增強，但整體仍屬于弱風控制(3m/s左右)；海霧消散時間則大致與內海相同，能見度都于5日7時前后上升至1km左右，該階段風向無明顯變化，風力同樣明顯上升。

圖2 2020年5月5日0時至10時沿海代表站風及能見度演變情況

3 海霧過程成因分析

3.1 環流背景

相對靜穩的天氣形勢是海霧過程生成、維持的背景條件。圖3分別給出了2020年5月4日20時500hPa、850hPa、925hPa及地面形勢圖，以討論此次過程發生前的天氣背景。

圖3 2020年5月4日20時500hPa高空觀測(a)、850hPa高空觀測(b)、925hPa高空觀測(c)、地面填圖(d)

如圖3a所示，2020年5月4日20時500hPa上福建南部主要受副高北部弱脊區控制，偏西氣流控制；850～925hPa上為弱西南氣流，且華南地區為明顯暖區控制；低層大氣層結較為穩定，有利于海峽內海霧的生成。從地面圖上看(圖3d)，福建沿海位于低壓東側的弱偏南氣流控制，海上的弱暖濕氣流為此次海霧過程提供了水汽條件，且弱風條件下有利于層結穩定的維持。

3.2 水汽通量及散度變化

從1000hPa水汽通量及散度圖上可以看出，在4日22時(圖4a)，受偏南暖濕氣流影響，臺灣海峽內有較強水汽通量輸送，其來源主要為我國南海；弱水汽通量散度負值區主要集中在福建中部沿海，有利于海霧海上逐漸形成；在地面要素場上(圖4b)，閩中北部開始出現相對濕度超過95%區域，海霧開始生成；在海峽北部，雖然有明顯的水汽條件，但水汽通量輻合強度較大，結合云圖(圖1)可知，并無強海霧生成，這也說明適宜的輻合作用對于海霧生成的重要性。而海峽南部沿海為從海上吹來的偏南風，且風向垂直于溫度梯度，有利于水汽的凝結冷卻。到5日02時(圖4b)，散度負值區南移，覆蓋整個閩南沿海，此時沿海大部相對濕度超過95%，能見度下降，海霧開始逐漸影響廈門內海。此時10m風逐漸轉為西南風，而從溫度場上看，較冷區域(小于25℃)逐漸向南延伸。

填色為水汽通量散度，單位：g/hPa×cm×s；箭頭為水汽通量，單位：10-5g/hPa×cm2×s; 填色為相對濕度；箭頭為10m風場，單位：m/s；紅線為2m氣溫，單位：℃圖4 2020年5月4日22時(a、c)、5日02時(b、d)1000hPa水汽通量及散度、地面要素分布圖

填色為水汽通量散度，單位：g/hPa×cm×s；箭頭為水汽通量，單位：10-5g/hPa×cm2×s; 填色為相對濕度；箭頭為10m風場，單位：m/s；紅線為2m氣溫，單位：℃圖5 2020年5月5日06時(a、c)、08時(b、d)1000hPa水汽通量及散度、地面要素分布圖

5日06時，海峽內的西南水汽通量較前幾個時次明顯減小(圖6a)，沿海地區的散度負值區維持，而海上負值區進一步向南延伸，此時海峽中部已無明顯水汽通量輻合，不利于海霧的生成和維持；而從地面要素分布看(圖5c)，相對濕度超過95%的區域覆蓋整個沿海地區及海峽南部，風則仍為偏南風，溫度也較上個時次變化不大。之后海霧過程進入消散階段，相對濕度大值范圍開始逐漸減小，地面偏南氣流減弱(圖5d)，水汽通量也逐漸減小，而沿海地區有水汽通量輻合，但此時輻合強度較強，不利于海霧繼續維持(圖5b)。

3.3 逆溫層

從5月4日20時廈門站探空圖(圖6左)可以看到，此時并沒有逆溫層存在，且低層的濕層淺薄，僅850hPa上濕度較大，而此時925hPa以上風隨高度順轉，說明低層有弱的暖平流；到5月5日08時(圖6右)，由于邊界層頂的暖平流以及夜間地面的降溫，導致925hPa高度附近逐漸有逆溫層產生，且濕度超過80%。逆溫層的形成抑制了對流的發展，阻止生成的海霧抬升轉化為低云。但逆溫層內溫差較小，逆溫強度較弱，也是此次海霧過程沒有進一步發展的原因之一。

圖6 2020年5月4日20時(左)、5日08時(右)廈門站(59134)探空圖

4 邊界層氣象要素演變特征分析

4.1 海溫分布及海氣溫差

從海峽海溫分布圖(圖7a)可以看到，福建沿海地區為一個明顯的冷水區，而海峽內及南部海域則溫度明顯高于沿海，在弱的偏東風或偏南風下，暖水區上空的暖濕氣流輸送至冷水區上空，海洋對海上空氣有冷卻作用，小水滴的冷卻凝結有利于海霧過程的發生。

從海氣溫差的演變圖可以發現，在海霧發展南壓階段，閩中南部沿海海氣溫差有一個明顯的減小。5月5日02時(圖7b)，此時海霧在閩中部沿海發展，此時福建中南部及廣東北部沿海大部海氣溫差都為正值，且閩南部沿海差值在1℃附近，氣溫略高于海溫，說明有偏南暖濕氣流輸送，并在冷洋面上凝結，并且氣流強度較弱，不易形成降水；而后海氣溫差逐漸減小，直到5日06時左右(圖7b)，海氣溫差接近0℃，并且海峽南部海域海氣溫差為負，說明此時南部暖濕輸送逐漸減少，海霧過程停止發展，并逐漸進入消散階段；之后伴隨日出，輻射加溫，海氣溫差快速增大，海霧逐漸消散，此次過程結束；福建北部沿海海氣溫差則始終為正距平。

圖7 2020年5月5日02時(a)海表氣溫圖及02時(b)、06時(c)、10時(d)海氣溫差圖

4.2 風向、風速及相對濕度垂直分布演變

結合微波輻射計、風廓線雷達探測結果和翔安自動站觀測結果(圖8)可以發現，在翔安站能見度下降前(5日2時前后)，濕度的大值區主要維持在底層(1km以下)，底層主要以東北風為主；在能見度下降初期，海霧仍聚集在底層(1km以下)，但風向逐漸由東北風轉為偏西風控制；5日3時30分前后，大霧開始向上層擴散，此時霧的厚度明顯增加，且底層風向以偏北風為主，受風向影響，此時海霧進一步南壓，開始影響廈門島東部地區；到了消散階段(5日6時30分前后)，此時2～3km高度上東北風明顯增強，穩定層結逐漸破壞，不利于海霧的繼續維持，但底層濕度仍較大，且地面風速較小，因此大霧消散速度較慢，翔安站能見度直至5日9時后才逐漸好轉。

填色為相對濕度,單位：%圖8 2020年5月5日0時至9時翔安微波輻射計、風廓線雷達探測結果時序圖

5 結論

利用各類觀測手段及再分析資料，對2020年5月5日凌晨福建中南部沿海海霧過程的演變特征及海洋氣象條件進行分析，并針對廈門的海霧預報預警進行討論，主要得到以下幾點結論。

①通過葵花8衛星雙通道亮溫差的分布，結合自動站觀測結果，可以較清楚地描述此次海霧過程。此次過程維持時間超過8h。5日2時之前，已在閩中南部海上形成，與海岸線平行，呈帶狀分布，后逐漸南壓，強度逐漸增強；2時20分前后開始影響廈金海域，地面以弱南風為主；3時前后，海霧蔓延進入廈門內海，地面風開始轉向；5時30分濃霧已變為塊狀停滯維持，強度較強，覆蓋廈門全市及近海大部；6時后伴隨日出，海霧結構逐漸松散。

②此次海霧過程發生前(4日夜間)，整層大氣環流較為靜穩：高層受副高北側弱脊區控制，中低層大氣層結較為穩定，且有弱西南暖濕氣流輸送，也導致925hPa上有逆溫層形成，維持底層大氣的穩定，抑制了暖濕空氣向上發展，使其維持在邊界層內，保證了此次海霧過程在1km高度內維持發展；隨后由于2～3km高度上東北風明顯增強，導致逆溫層逐漸破壞，此次過程趨于結束。

③4日夜間到5日白天，整個臺灣海峽內都有較強的水汽輸送，且主要來自我國南海。福建南部沿海有明顯的溫度梯度及風的弱輻合，且維持時間較長，配合海峽內充足的水汽條件，導致此次海霧過程強度較強且維持時間較長；而在海峽北部，雖然具備水汽條件，但水汽輻合較強，不具備凝結懸浮條件，因此并無強海霧生成。

④此次海霧過程中，福建沿海海溫為明顯的冷水區，一定強度的暖濕平流使得氣溫略高于海表溫度，使得水汽凝結懸浮。海霧發展階段海表氣溫略高于海溫，差值在1℃左右；后溫差逐漸減小，到海霧成熟階段，此時海氣溫差接近0℃；而后海溫逐漸高于氣溫，海霧過程開始趨于消散。因此，1℃的海氣溫差可能是廈門沿海海霧預報預警的指標之一。