閩東海霧天氣概念模型與基于LORA監(jiān)測技術(shù)的檢驗分析

陳勝軍，孫巍巍，陳 驥

福建省寧德市氣象局，福建寧德 352100

閩東地處福建東北部，位于我國大陸黃金海岸線中段，其中三都澳港區(qū)位于寧德市東南部，屬半封閉海灣，灣口狹長、灣內(nèi)分區(qū)短、群山遮擋、島嶼掩護，是天然避風(fēng)港，因此容易造成海霧的形成和維持。海霧是閩東冬、春季節(jié)重大海洋氣象災(zāi)害之一，給大氣海洋災(zāi)害頻發(fā)的氣候系統(tǒng)脆弱地區(qū)帶來較大壓力，嚴(yán)重影響航運、港口生產(chǎn)、海洋漁業(yè)、海上搜救、涉海工程、特色旅游等。因此加強對閩東沿海地區(qū)海霧的觀測和預(yù)報研究工作很有必要。

近幾年，國內(nèi)外對海霧的研究不斷取得顯著成果[1-3]。在ISI Web of Knowledge的SCIE平臺，可以檢索到很多海霧相關(guān)文獻。但研究閩東沿海海霧較少且基礎(chǔ)薄弱，尤其是海霧精細(xì)化預(yù)報服務(wù)、海霧觀測能力不高，依托“海上福建”項目，近年來，在閩東沿海逐步建設(shè)了激光能見度雷達、六要素自動站氣象觀測站、基于LORA的海霧觀測系統(tǒng)，為提高海霧監(jiān)測與預(yù)報水平提供了更多的手段，海洋氣象儀器更加精密，海洋氣象區(qū)域預(yù)報更加精準(zhǔn)，為海霧預(yù)報與機理研究提供了思路與方法。

1 資料與方法

選取2017—2021年閩東沿海海霧實況數(shù)據(jù)，再利用6 h一次的1°×1°的NCEP再分析資料對海霧發(fā)生時的500 hPa和850 hPa環(huán)流形勢和地面氣壓場特征進行分析，得到有效、關(guān)鍵的天氣概念模型，并利用基于LORA技術(shù)的海霧協(xié)同觀測資料對典型海霧過程進行實況檢驗，提高LORA海霧監(jiān)測系統(tǒng)的可用性和有效性。

根據(jù)閩東有LORA觀測數(shù)據(jù)以來的數(shù)據(jù)表明，在能見度＜2 km時，LORA反演效果普遍較好，因此將海霧過程定義為：選取的沿海自動站中有至少一個站點能見度＜2 km，能見度＜2 km的時間至少≥2 h。

2 海霧出現(xiàn)頻次的變化特征

從圖1可看出，閩東海霧天氣多發(fā)生于冬、春季，12月至翌年5月為多發(fā)期，其中春季多平流霧，冬季多輻射霧，夏季霧日天數(shù)相對較少。由圖2可看出，受太陽輻射和海陸差異的共同影響，閩東海霧過程日變化特征明顯，多發(fā)生于21:00至次日09:00（占77%），07:00、08:00出現(xiàn)頻次最多，其他時刻發(fā)生海霧頻次極少。受海陸分布和局地?zé)崃Νh(huán)流影響，沿岸處具有明顯的陸地特征，尤其是在三都澳一帶，其日變化特征接近陸地特征，表現(xiàn)為明顯日變化幅度。

圖1 2017—2021年閩東海霧總天數(shù)月分布

圖2 2017—2021年閩東海霧日變化特征

3 海霧發(fā)生的天氣形勢與概念模型

海霧主要發(fā)生于邊界層內(nèi)，但與大尺度天氣形勢有密切關(guān)系，中層大氣環(huán)流所具備的引導(dǎo)氣流對近地面風(fēng)向風(fēng)速均有影響。當(dāng)?shù)孛孢吔鐚屿o風(fēng)時，空氣中凝結(jié)的小水滴不易被吹散或抬升成云，懸浮在近地面層，一旦邊界層有較好水汽條件極易形成霧，而水汽條件輻散輻合與大氣環(huán)流又有密切關(guān)系，因此分析中低層環(huán)流特征和地面形勢為提高海霧預(yù)報準(zhǔn)確率提供幫助。經(jīng)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)（表1），閩東海霧發(fā)生可總結(jié)為4類概念模型（以地面分型為主，配合對應(yīng)的500 hPa和850 hPa環(huán)流形勢）。

表1 閩東海霧過程天氣形勢分型

從表1可看出，在四類天氣分型中，均壓場型占比最高，約占所有模型的44.8%。在這模型下，閩東地區(qū)介于新舊系統(tǒng)轉(zhuǎn)換之間，或處于減弱的弱高壓范圍內(nèi)，或者原來影響的天氣系統(tǒng)已離開或減弱消失，無明顯系統(tǒng)影響，也沒有明顯氣壓梯度，閩東地區(qū)氣壓場均勻，而850 hPa在切變南側(cè)偏南氣流的影響下，有利于輸送水汽，為大霧形成提供了低層水汽條件。配合均壓場控制，風(fēng)速較小，大氣垂直環(huán)境穩(wěn)定，亂流作用不強，不至于將水汽抬升至過高的高度而凝結(jié)成云，在這種形勢下，當(dāng)夜間輻射冷卻時易使邊界層水汽凝結(jié)成小水滴并懸浮在近地面層。

占比次高的是冷鋒前側(cè)型，此時鋒面常在上游浙江、江西、閩西北一帶，閩東處在冷鋒前側(cè)，地面冷空氣多以中西路南下為主，因為海面持續(xù)有大量水汽蒸發(fā)，一旦冷空氣滲透南下，在其冷卻作用下，便在沿海一帶形成海霧。這種形勢下，500 hPa高空槽位置偏西偏北，而850 hPa切變東移南壓，閩東在切變南側(cè)偏南氣流的影響下，水汽條件較好，遇冷凝結(jié)易形成海霧。

另外，高壓后部型和倒槽型。當(dāng)?shù)孛婧偷蛯犹幱诟邏汉蟛繒r，低層850 hPa偏東氣流或偏南氣流將外海暖濕氣流輸送到沿海一帶，而由于海陸熱力差異作用，沿海或內(nèi)海海島一帶低層溫度較低，形成逆溫層，輸送的充足水汽缺少向高層抬升條件，便形成霧。地面倒槽型常配合850 hPa切變南側(cè)偏南氣流影響，此時500 hPa處于槽前西南氣流控制，而地面倒槽是低層暖平流作用的結(jié)果，有利于在地面形成弱的負(fù)變壓，使底層水汽過飽和凝結(jié)成霧（圖3）。

圖3 閩東海霧天氣概念模型

4 基于LORA監(jiān)測技術(shù)的檢驗分析

LORA是指一種基于遠(yuǎn)距離物聯(lián)網(wǎng)無線電通信技術(shù)，LORA技術(shù)融合數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號處理和前向糾錯編碼技術(shù)，具有通訊站可獨立組網(wǎng)、抗干擾能力強、超低功耗、靈敏度高等優(yōu)勢，便于海上組網(wǎng)監(jiān)測海霧天氣過程。LORA信號對海霧過程十分敏感，根據(jù)李效東等[4]研究表明，LORA監(jiān)測數(shù)據(jù)在能見度＞3 km時數(shù)據(jù)波動較大，誤差＞±20%，在低能見度時監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性更強。閩東有LORA觀測數(shù)據(jù)以來的數(shù)據(jù)表明，在能見度＜2 km時，反演效果普遍較好，因此依托福建省海霧監(jiān)測平臺，選取2022年1月1日—5月15日寧德市港務(wù)集團(C0A8167F)、福安市灣塢村(C0A 81673)、福安市藟尾村(C0A81693)、蕉城區(qū)三都鎮(zhèn)(C0A817B8)、七星村月爿嶼(C0A817C2)、蕉城區(qū)海上餌料交易市場(C0A806CB)、霞浦縣盤前村(C0A8167D)LORA海霧觀測站點數(shù)據(jù)＜2 km的樣本進行檢驗分析，同時檢驗分析海霧監(jiān)測數(shù)據(jù)與自動站數(shù)據(jù)，自動站選取站點分別是蕉城城南鎮(zhèn)（F3825）、蕉城三都鎮(zhèn)斗帽島2（F3813）、蕉城三都鎮(zhèn)海上社區(qū)（F3821）、霞浦北壁鄉(xiāng)沙塘村（58854）。

通過LORA海霧監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)與自動站能見度檢驗對比，定義準(zhǔn)確率為平臺與自動站均出現(xiàn)霧，漏報率為平臺無體現(xiàn)但自動站監(jiān)測有霧，空報率為平臺有體現(xiàn)但自動站監(jiān)測無霧。為提高數(shù)據(jù)的有效性，選取的樣本均為能見度＜2 km的時刻，且維持時刻≥2 h均定義為霧時。根據(jù)樣本統(tǒng)計結(jié)果，得到以下檢驗指標(biāo)（表2）。

表2 LORA海霧監(jiān)測系統(tǒng)檢驗指標(biāo)占比

以上結(jié)果表明，LORA較好地反映了海霧的反演結(jié)果，但存在漏報率、空報率，根據(jù)天氣概念模型結(jié)果對比分析可看出，漏報率出現(xiàn)時刻均是均壓場型和冷鋒前側(cè)型，這2種模型下地面風(fēng)速較小，而空報率出現(xiàn)的時刻多是地面南風(fēng)偏強的情形，說明大氣中的風(fēng)對LORA信號強度指標(biāo)具有一定的影響，與李效東等分析結(jié)果一致，但準(zhǔn)確率較低。這是因為LORA信號強度與傳輸距離呈對數(shù)相關(guān)，閩東沿海部署的LORA海霧觀測站相較于自動站位置均處于相對靠外海位置，而自動站分布密度較低，且主要在沿岸或海島一側(cè)，存在擋角，綜合以上誤差原因與檢驗評估指標(biāo)，在優(yōu)化上述觀測網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，LORA海霧觀測站對海霧的過程有較好的反演效果，可作為海霧預(yù)報預(yù)警的有效技術(shù)解決方案，為提高海霧監(jiān)測與預(yù)報水平提供了更多的手段。

5 典型海霧過程監(jiān)測對比

根據(jù)氣象自動站資料，2022年3月30日20:00起觀測到有海霧生成，且能見度長時間維持小于500 m的濃霧狀態(tài)，持續(xù)至31日08:00，然后能見度上升到2 km以上，海霧逐漸消散，過程結(jié)束。從LORA海霧監(jiān)測系統(tǒng)反演結(jié)果可看出，3月30日17:35開始已經(jīng)監(jiān)測到有輕霧生成，且RSSI信號強度顯示，低能見度維持到4月1日06:00，僅在3月31日10:30~11:30能見度有所上升，其他時刻平臺均計算出有輕霧，海霧生成階段反演結(jié)果早于自動站觀測時間，消散階段反演結(jié)果晚于自動站觀測時間。這種誤差與站點分布差異有關(guān)，LORA海霧觀測站主要分布在三都澳海區(qū)中部和東部，而自動站主要分布在三都澳西部和南部，存在地理位置上的擋角。就整體海霧天氣來看，LORA海霧監(jiān)測系統(tǒng)與海霧過程基本吻合，能夠較好地反映出海霧維持過程。

之所以會出現(xiàn)LORA監(jiān)測海霧生成時次過早和消散時次過晚，與大氣環(huán)流所造成的水汽條件和風(fēng)速有關(guān)。從圖4可看出，此次過程起始階段冷鋒位置偏北，閩東地面處于均壓場，850 hPa受切變南側(cè)偏南風(fēng)控制，且風(fēng)速弱輻合帶來低層水汽弱輻合，而500 hPa處于南支槽前平直偏西氣流，系統(tǒng)抬升條件較弱，是典型的均壓場天氣概念模型。從925 hPa水汽通量散度可看出（A處），在3月30日17:00閩東沿海一帶邊界層有弱的水汽通量輻合，與LORA海霧監(jiān)測系統(tǒng)反演出的低能見度相對應(yīng)，而實際上到3月30日20:00，冷鋒逐漸南壓，此時冷空氣從沿海回流南下，溫度下降才使得水汽凝結(jié)成霧[5]。3月31日14:00，邊界層水汽已明顯減少（B處），但LORA海霧監(jiān)測系統(tǒng)反演結(jié)果一直顯示有輕霧，這除了與降水干擾有關(guān)外，還與邊界層風(fēng)速有關(guān)，因為3月31日08:00—4月1日06:00，閩東沿海一帶有7個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)、街道）極大風(fēng)速大于20.8 m/s（9級），3個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)、街道）大于24.5 m/s（10級），而風(fēng)速較大時，有利于霧消散。因此，LORA海霧監(jiān)測系統(tǒng)信號強度指標(biāo)受大氣中的水汽條件、風(fēng)速和降水的干擾而產(chǎn)生誤差。在實際日常預(yù)報中，這些干擾因素都是預(yù)報員可以排除的因子，不影響LORA海霧監(jiān)測系統(tǒng)的有效性。從以上分析可見，LORA海霧監(jiān)測系統(tǒng)對海霧落區(qū)和整個起始、維持階段都有較好的反映，且存在一定的準(zhǔn)確率，對海霧天氣告警具有提前性，可作為增強海霧協(xié)同觀測能力的有效手段，對提高海霧精細(xì)化預(yù)報能力有較好的指示作用。

圖4 2022年3月30日天氣形勢

6 結(jié)論

（1）閩東海霧天氣多發(fā)生于冬春季，12月至翌年5月為多發(fā)期，受太陽輻射和海陸差異的共同影響，日變化特征明顯，多發(fā)生于21:00至次日09:00（占77%），其中07:00、08:00出現(xiàn)頻次最多，其余時刻發(fā)生海霧頻次極少。

（2）閩東海霧的發(fā)生有均壓場型、冷鋒前側(cè)型、高壓后部型、倒槽型4種特定天氣形勢。其中，均壓場型和冷鋒前側(cè)型占比最高（79.3%），高壓后部型和倒槽型出現(xiàn)頻率相對較低，占20.7%。

（3）LORA較好地反映出海霧反演結(jié)果，但其信號強度指標(biāo)受大氣中水汽條件、風(fēng)速和降水干擾而產(chǎn)生誤差，在預(yù)報預(yù)警中剔除這些要素影響后，可將LORA作為增強海霧協(xié)同觀測能力的有效技術(shù)解決方案，對提高海霧精細(xì)化預(yù)報預(yù)警能力有較好的指示作用。