閩南沿海一次海霧過程的多源資料綜合分析*

張 偉 李 菲 呂巧誼 崔夢雪 張妤晴 陳德花

1 廈門市海峽氣象開放重點實驗室,廈門 361012

2 廈門市氣象臺,廈門 361012

提 要： 基于自動站資料、ERA5再分析資料、葵花8號衛星資料、翔安站多源觀測資料,分析了2021年4月1日閩南沿海一次大霧過程的環流形勢、演變特征和微物理結構。結果表明此次是一次典型的海霧過程。霧形成時500 hPa為偏西—西南氣流,低層為一致的西南氣流與反氣旋下沉氣流,近地面存在逆溫層和濕層,為海霧的發生發展提供了靜穩的環流形勢和充沛的水汽條件。此次大霧過程存在霧和低云的相互轉化。白天以低云為主,傍晚隨著氣溫的下降和整層風速的減小,低云逐漸接地轉變為霧。清晨由于偏西氣流的作用,沿海的霧再次轉變為低云。利用氣溶膠激光雷達推演霧頂高度,霧的初生和發展階段厚度相對較低且波動性大,成熟階段霧頂高度約為100 m。微物理參數分析表明霧過程的平均粒子數濃度為52.4 個·cm-3,液態水含量為0.084 g·m-3,平均直徑為9.4 μm;1分鐘平均粒子數濃度最大達到132.6 個·cm-3,液態水含量達到0.7321 g·m-3。此次過程不同階段粒子數濃度和液態水含量的譜分布特征具有較大差異,其中數濃度的譜分布在初生、發展和消散階段,以單峰結構為主,峰值直徑為4～6 μm;成熟階段表現為雙峰結構特征,主峰位于4～5 μm,次峰位于24～26 μm;液態水含量同樣為雙峰分布,但主峰位于24～26 μm,次峰位于5～6 μm;表明霧的粒子數濃度受小粒子影響為主,但液態水含量以20～30 μm的粒子貢獻最大。從發展到成熟階段譜對比來看,20～30 μm粒子數量的增加使得液態水含量明顯增大,這是導致能見度進一步下降的主要原因。

引 言

霧是由大量懸浮在近地面的微小水滴或冰晶導致的一種災害性天氣。海霧是冬春季節閩南沿海的重大氣象災害之一,對沿岸城市的港口船舶進出和機場飛機起降等航行安全產生巨大影響(韓美等,2016)。由于海上缺乏觀測資料,對海霧的實時地基監測難度較大,且數值模式對海上能見度定量預報的TS評分低(Zhou et al,2012),導致海霧預報存在較大不確定性,因此開展相關研究極其重要。

臺灣海峽是我國沿海主要的霧區之一(王彬華,1983)。學者針對臺灣海峽內的海霧做了較多的統計分析(許金鏡,1990;蘇鴻明,1998)、環流分型(陳千盛,1986)、衛星反演(張春桂等,2009)和進展綜述(韓美等,2016)等工作。研究指出臺灣海峽海霧主要出現在3—5月(蘇鴻明,1998),夜間出現概率高于白天,南部高于北部(馬治國等,2011)。平流冷卻降溫是海霧形成的主要機制之一。閩南沿海存在一條帶狀冷水區域,上游的偏南暖濕氣流遇冷水帶被冷卻凝結,在靜穩的天氣形勢下就容易形成海霧(白彬人,2006)。海霧形成時,海溫通常不高于25℃(王彬華,1983),海面風速通常低于5 m·s-1,氣海溫差介于0.5～3℃(氣溫大于海溫),以1℃附近概率最大(林衛華等,2008)。

近年來隨著觀測設備的快速發展,基于邊界層梯度觀測(陸春松等,2010;梁綿等,2019)、毫米波云雷達(岑炬輝等,2021;胡樹貞等,2022)、氣溶膠粒徑譜儀(郭麗君等,2015;Guo et al,2015)等多源融合資料的研究逐漸增多,進一步加深了對霧形成過程中邊界層精細化結構的認知。霧滴譜儀的應用則加深了對霧的微物理過程的認知(Gerber, 1981;Gultepe et al,2006)。國外針對霧滴譜的研究起步較早。Eldridge(1961)研究了美國地區的霧滴譜特征,Kunkel(1971)基于霧滴譜參數,建立了能見度與液態水含量的參數化公式。近年來國內學者在華南沿海(黃輝軍等,2010;岳巖裕等,2013;徐峰等,2012)、東南沿海(張曦等,2016;張偉等,2021)、華東沿海(楊中秋等,1989)、黃渤海(Wang et al,2020;黃彬等,2014;2018)及其縣郊(祖繁等,2020)、城市(李子華等,1993;李子華和彭中貴,1994;劉端陽等,2009;王慶等,2019;2021)、山地(吳兌等,2007)等開展了諸多觀測試驗,對不同類型霧的微物理特征有了進一步的認知。研究表明降溫冷卻對霧的爆發性發展具有關鍵作用(濮梅娟等,2008)。霧滴譜在降溫過程中得到爆發性拓寬,成熟階段的滴譜形態主要呈現單峰或雙峰分布特征,主峰集中在小粒子端(王慶等,2019)。不同區域、不同階段會呈現不同的特征,霧越強雙峰特征結構越明顯(張浩等,2021)。對于不同的觀測環境,霧滴數濃度量級可以從10 個·cm-3變化到103個·cm-3,液態水含量通常低于0.5 g·m-3。

2021年3月末至4月初,閩南沿海及臺灣海峽發生了一次大范圍的強濃霧過程,以4月1日夜間的霧過程最為強盛,對海上交通影響最為明顯。本文基于翔安區氣象局布設的自動站、微波輻射計、風廓線雷達、3D氣溶膠激光雷達等多源觀測資料,結合ERA5再分析資料,分析此次霧過程的環流形勢、邊界層特征等。利用霧滴譜儀分析了霧過程的微物理參數特征,研究其演變過程中的微物理過程,以期為此類大霧的預報以及模式模擬提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 采用資料

使用的資料如下：(1)閩南地區133個區域自動站能見度觀測資料(站點海拔高度均在200 m以下);(2)翔安站多源垂直觀測資料,包括微波輻射計、風廓線雷達和3D氣溶膠激光雷達資料(觀測設備分布及其參數分別見圖1、表1);(3)歐洲中心(ECMWF)第五代全球再分析數據產品(ERA5);(4)葵花8號高分辨衛星紅外通道觀測資料(水平分辨率：2 km×2 km);(5)霧滴譜觀測資料,采樣儀器為美國Droplet Measurement Technologies公司的FM-120型霧滴譜儀,采樣頻率為1 Hz,測量的粒子直徑范圍為2～50 μm(祖繁等,2020),分為30個非等間距區間,采樣地點為翔安區氣象局業務樓頂,海拔高度約為20 m,距離海岸線不足1 km。

圖1 (a)閩南沿海能見度測站分布,(b)翔安區氣象局場內觀測設備布局Fig.1 Distribution of (a) visibility stations in southern coast of Fujian, and (b) observation instruments in Xiang’an District

1.2 微物理參數計算方法

本文使用的微物理參數包括粒子數濃度(N,單位：個·cm-3)、液態水含量(L,單位：g·m-3)、平均直徑(rm,單位：μm)、中值體積直徑(MVD,單位：μm,由儀器自動輸出)等,具體計算公式如下：

式中：r為直徑,n(r)為分區間的粒子數濃度,Lr為單個區間的液態水含量,ρ為液態水的密度。

2 霧過程概況

2021年4月1日,受穩定的西南暖濕氣流影響,閩南沿海出現了一次大范圍霧過程。統計4月1日08：00至2日08：00(北京時,下同)閩南區域最低能見度(圖2),1000 m以下能見度站點基本出現在沿海以及灣口地區,尤其是200 m以下能見度基本出現在沿海,越深入內陸能見度越高,疊加一致的偏南暖濕氣流,初步表明這是一次平流海霧過程。從能見度區間分布來看,1 km以下站點數為66個,占比為49.6%;其中最低能見度介于500～1000 m的站點數為10個,占比為7.5%,比例相對較低。200～500 m能見度站點數為25個,占比為18.8%。過程最低能見度低于200 m站點數為31個,占比為23.3%。逐分鐘最低能見度為66 m,出現在翔安站,時間為2日04：04。

圖2 2021年4月1日08：00至2日08：00閩南地區最低能見度分布Fig.2 Distribution of minimum visibility in southern coast of Fujian from 08：00 BT 1 to 08：00 BT 2 April 2021

以過程最低能見度出現的翔安站為例,分析能見度和各氣象要素隨時間的變化趨勢(圖3)。1日17：00之前,翔安站氣溫約為22℃,能見度較高,基本在3000 m以上。17：00起氣溫逐步下降,從21.7℃下降至21℃。與此同時,能見度呈現快速振蕩下降的趨勢,在18：07達到最低,為531 m。此后隨著氣溫的短暫上升,能見度也隨之逐漸上升,一度超過2000 m。19：20能見度快速下降,霧呈現爆發性發展的特征,15分鐘內能見度從2000 m以上下降至250 m 左右,氣溫在此過程中逐漸下降。22：37隨著氣溫的進一步下降,能見度也持續下降。1日23：00 至2日05：00能見度基本在200 m以下,為本次過程的最強時段。在此過程中受長波輻射冷卻作用影響,氣溫呈現緩慢下降趨勢,最低達到20.5℃。風向以西南風為主,10分鐘平均風力小于2 m·s-1。2日05：20起,陸地上的風向偏西分量加大,翔安站能見度快速上升至3000 m以上。整個霧過程中溫度露點差基本在0.2℃以內,相對濕度接近100%,水汽充沛。能見度與氣溫有較好的對應關系,氣溫下降伴隨著能見度的下降,表明降溫是能見度下降的主要誘因之一。依據能見度的演變趨勢,對霧進行階段劃分。將17：01—19：22定義為初生階段,19：23—22：36為發展階段,22：37—05：18為霧的成熟階段,05：19之后為消散階段。

圖3 2021年4月1日17：00至2日06：00翔安站逐分鐘能見度(V)、溫度(T)、露點溫度(Td)和10分鐘平均風(風羽)Fig.3 One-min observed visibility (V), temperature (T), dew point temperature (Td), 10 min average wind (barb) at Xiang’an Station from 17：00 BT 1 to 06：00 BT 2 April 2021

3 霧的環流形勢分析

1日20時,副熱帶高壓主體位于海上,華南地區500 hPa以偏西—西南氣流控制為主(圖4a)。700 hPa 至地面均為西南氣流以及弱的反氣旋環流控制,有利于水汽輸送和層結的穩定。850 hPa閩南沿海風速為12 m·s-1,達到低空急流的標準(圖4b)。925 hPa從南海中北部至閩南地區存在一支顯著氣流,其中心風速約為8 m·s-1(圖4c)。近地面西南地區存在弱的低壓倒槽(圖4d),閩南處于均壓場控制,氣壓梯度小,無鋒面影響。海峽內為一致的西南氣流控制,風速約為2～4 m·s-1。環流形勢分析表明此次大霧過程受單一暖濕氣流影響,無鋒面系統參與,且夜間氣溫下降幅度很小。結合最低能見度的空間分布特征,進一步證明此次大霧為平流海霧過程。

圖4 2021年4月1日20：00(a)500 hPa,(b)850 hPa,(c)925 hPa位勢高度場(等值線,單位：dagpm)和風場(風矢),(d)海平面氣壓場(等值線,單位：hPa)和地面風場(風矢)Fig.4 Geopotential height (contour, unit： dagpm) and wind field (wind vector) at (a) 500 hPa, (b) 850 hPa, (c) 925 hPa, (d) surface wind field (wind vector) and mean sea level pressure (contour, unit： hPa) at 20：00 BT 1 April 2021

借助廈門站(與翔安站直線距離約為26 km)2000 m以下秒級探空數據(圖5)分析垂直層結特征。1日20：00(圖5a)低層相對濕度較大,400 m以下相對濕度大于90%,且2000 m以下均為一致的西南氣流,水汽條件較好。高濕區之上400～500 m高度層存在一定的逆溫層。對流抑制能量(CIN)較大,達到198.7 J·kg-1;自由對流高度高,達到了700 hPa附近(圖略),表明低層存在明顯的抑制層,層結穩定,逆溫層之下高濕區的水汽不易向上擴散。2日08：00(圖5b)探空可見濕層變薄,僅250 m以下存在淺薄的濕層,在此以上濕度快速減小,因此天空云量少。受輻射和風向轉變的影響,霧退回海上,陸上能見度快速上升。

圖5 2021年4月(a)1日20：00,(b)2日08：00廈門站2000 m以下溫度、濕度和風廓線Fig.5 Temperature, humidity and wind profiles at Xiamen Station below 2000 m height at (a) 20：00 BT 1 and (b) 08：00 BT 2 April 2021

4 海霧多源觀測資料分析

4.1 霧的衛星反演特征

由于夜間低層云霧在長波紅外和短波紅外通道發射率存在差別,造成其亮溫存在一定的差異(張春桂等,2009)。基于葵花8號高分辨率衛星的長波與短波紅外亮溫差異分析海上霧的發展過程(圖6)。為避免可見光對短波紅外的干擾,從20：00開始分析。可以看到1日20：00(圖6a),閩南沿海衛星雙通道存在亮溫差異,溫差約為1～3 K,且此區域內長波紅外亮溫值較高,位于289～291 K,表明云頂高度相對較低且梯度小,紋理相對均勻并覆蓋至沿海地區,證明此時閩南沿海存在一條帶狀分布的海霧(或低云)帶,其寬度約為30 km。23：00(圖6b)海霧快速發展,范圍快速擴大,存在爆發性發展的特征,與此同時陸地上翔安站的能見度也持續下降,進入成熟階段,這與翔安站能見度觀測趨勢一致。2日02：00—04：00(圖6c,6e),海霧帶維持并有所擴大,同時進一步向陸地和海峽內擴展。06：00(圖6f)海霧帶相比于04：00范圍有所減小,但仍舊覆蓋海峽南部海區以及翔安地區,同時云頂亮溫略有所上升,但此時翔安站觀測的能見度已經上升。猜測此時大范圍的云霧仍舊存在,但由于近地層風向轉為偏西風(陸風,圖3)的緣故,原本覆蓋近地層的霧轉變為不接地的低云,此過程將在下文由激光氣溶膠雷達資料進一步佐證分析。這也是使用衛星監測海霧的難點之一,即無法明確區分低云和霧。

圖6 2021年4月1日20：00至2日06：00葵花8號衛星長波紅外通道(10.5～12.5 μm)平均與短紅外通道(3.7～4.0 μm)亮溫差異分布Fig.6 TBB difference between average long wave (10.5-12.5 μm) and short wave (3.7-4.0 μm) infrared channel of Himawari-8 satellite from 20：00 BT 1 to 06：00 BT 2 April 2021

4.2 霧的邊界層特征

基于風廓線雷達、微波輻射計分析海霧生消過程中的邊界層特征(圖7)。從圖中可見,1—2日翔安沿海大氣1500 m以下水平風場基本以一致的偏西南風為主,與探空風向基本一致。90%以上的高相對濕度層基本維持在1000 m高度以下,尤其是近地面的相對濕度基本維持在95%以上,濕度條件較好。分時段來看,1日12：00之前1000 m以下風速較小。受太陽輻射的影響,低層高濕度層厚度從500 m 以上逐漸下降到300 m以內,濕層變薄。14：00 低層風速逐漸增強至12 m·s-1,疊加上整層一致的偏南氣流,水汽輸送效應明顯,使得近地面的高相對濕度層也明顯增厚。17：00近地面90%以上的相對濕度層厚度增加。與此同時,低層風速也逐漸減小,從6～8 m·s-1逐漸減弱至2～4 m·s-1,弱風速層厚度快速增厚,天氣形勢更加靜穩,翔安站能見度也同步下降。18：00以后500 m以下風速整體快速減小,2日凌晨個別時次還出現近地面整層的靜小風,同期近地面95%以上的相對濕度層厚度維持在200 m以內。

注：粉紅實線：90%相對濕度線。圖7 2021年4月1日09：00至2日08：00翔安站風廓線雷達水平風場(風矢,黑點表示水平風速≤4 m·s-1)和微波輻射計相對濕度(填色)時序圖Fig.7 Time series of horizontal wind field measured by wind profiler (wind vector, black dots correspond to wind speed ≤4 m·s-1) and relative humidity measured by microwave radiometer (colored) at Xiang’an Station from 09：00 BT 1 to 08：00 BT 2 April 2021

基于激光氣溶膠雷達的后向散射系數、消光系數和退偏比參數分析霧的垂直演變特征(圖8)。主要分析圖8a～8c中信噪比高于100(黑線)以下區域。其中退偏比為激光雷達同時探測后向散射光中垂直分量與平行分量回波信號比值,其數值反映了大氣氣溶膠粒子和云粒子的非球形特征,數值越接近零表示越接近于球形(劉東,2005)。由圖可見1日10：00—18：00,近地面400 m高度內的后向散射系數(圖8a)與消光系數(圖8c)廓線隨時間變化呈明顯的帶狀高值區且高度逐漸降低。從圖8b也可看到同期相應高度的退偏比小值區呈一致的趨勢變化。此時段內風廓線雷達測得垂直方向上大氣主要為微弱的下沉運動,下沉速度介于-0.1～0 m·s-1(圖8d)。判斷此時間段內低空的云層在正午后開始逐漸向地面發展,云底逐漸降低,接地的時間與地面能見度快速下降的時間完全一致,低云發展為霧。1日18：00—22：00,近地層的后向散射與消光系數廓線高值區呈現波動特征,此階段近地面的能見度也呈現波動特征,結合退偏比廓線,推測霧頂降低至100 m之下或有零星的低云飄過;1日22：00至2日03：00,后向散射系數與消光系數廓線在近地面約100 m范圍相應一致出現高值區域和退偏比的低值區,厚度持續穩定。100 m以上退偏比有所增大,數值在0.3～0.4,推測該時間段內100 m以下為霧區(球形粒子),霧頂覆有顆粒物層(不規則形狀)。這證明成熟階段的海霧霧頂高度僅為100 m左右。2日05：00之后,后向散射系數和消光系數大值區有所抬升,高度介于200～400 m。此時段地面能見度快速逐漸抬升。可推測該時間段內近地面100 m以下的霧開始消散,在200～400 m高度出現明顯的云層。表明2日05：00以后霧不再接地,而是轉變為低云。

注：激光氣溶膠雷達起始高度為75 m;圖8a～8c中黑線為信噪比質量控制線,黑線以下區域信噪比高于100。圖8 2021年4月1日09：00至2日09：00翔安站(a～c)氣溶膠激光雷達(a)后向散射系數,(b)退偏比,(c)消光系數,(d)風廓線雷達垂直速度廓線Fig.8 Time series of (a) backscattering coefficient, (b) depolarization ratio, (c) extinction coefficient measured by aerosol lidar, and (d) vertical velocity of wind profiler at Xiang’an Station from 09：00 BT 1 to 09：00 BT 2 April 2021

4.3 氣海溫差

合適的氣海溫差是平流海霧形成和發展的重要因素之一(林衛華等,2008)。分析海溫和氣海溫差在海霧生消過程中的演變特征。從海溫分布來看,閩南沿海存在一條明顯的冷水帶(圖9等值線)。臺灣海峽南部近海海域的海溫達到22℃以上,至北部近海海溫下降至17℃附近,溫差超過5℃,存在明顯的溫度梯度。海上的偏南氣流將南方的暖濕空氣向北輸送至較冷的近海區域后,暖濕氣流被冷卻。并且,由于海上偏南風力較大,至陸地上風力逐漸減小,夜間陸上低于2 m·s-1。因此從沿海至陸地存在明顯的風速輻合,有利于水汽在海岸帶堆積,在靜穩的環流形勢下易形成平流霧。從氣海溫差的分布來看,臺灣海峽西側基本為正值,氣溫均大于海溫,海洋為冷的下墊面,至海峽東側逐漸轉為負值,海洋為暖的下墊面。衛星反演海霧區域(圖6)均位于氣海溫差大于零的區域,也進一步證明平流冷卻是臺灣海峽內海霧形成的重要機制。分時段來看,1日17：00閩南近海的氣海溫差介于1～3℃;入夜后由于長波輻射冷卻作用,氣溫逐漸下降,氣海溫差逐漸減小;23：00(海霧發展階段)閩南近近海的氣海溫差介于0.5～2℃;至2日清晨氣海溫差逐漸減小,海表面的冷卻作用減弱,加上翔安站轉為偏西風,使得海霧逐漸退回到海上,陸地區域轉變為低云。

圖9 2021年4月(a)1日17：00和(b)1日23：00,(c)2日06：00海溫(等值線,單位：℃)、氣海溫差(填色)和風場(風矢)Fig.9 SST (contour, unit： ℃) and difference in air and sea surface temperatures (colored) and wind (wind vector) at (a) 17：00 BT 1, (b) 23：00 BT 1 and (c) 06：00 BT 2 April 2021

以上多源資料分析表明,在海霧發生發展過程中,閩南沿海地區低云和霧之間存在相互轉化的過程。整層一致的偏南氣流和近海冷水帶提供了良好的水汽和降溫條件,使得海峽西岸的低云帶持續維持。白天由于近地層氣溫較高,以低云為主。傍晚起云頂輻射冷卻作用導致云體上層較冷的空氣下沉,同時近地層氣溫逐漸下降,低層水汽凝結使得沿海地區的低云逐漸降低并發展為霧。清晨當地面轉為偏西風時,沿岸的霧再次轉變為低云。

4.4 霧的微物理參數演變特征

基于FM-120型霧滴譜儀測得的霧滴譜數據,分析海霧在不同階段的粒子數濃度、液態水含量、平均直徑等微物理參數演變特征(圖10,表2),由于能見度為逐分鐘資料,因此各微物理參數也均處理成逐分鐘平均。

表2 霧不同階段各微物理參數特征Table 2 Distribution of micro-physical parameters for different phases of fog event

注：黑色虛線為各階段的分界線。圖10 2021年4月1日17：00至2日06：00(a)能見度,(b)數濃度(灰線)、液態水含量(黑線),(c)中值體積直徑(黑線)、平均直徑(灰線)隨時間的變化Fig.10 Temporal varation of (a) visibility, (b) particle number concentration (grey line) and liquid water content (black line), and (c) median volume diameter (black line), mean diameter (grey line) from 17：00 BT 1 to 07：00 BT 2 April 2021

階段1(初始階段,1日17：01—19：22)的能見度基本呈現波動變化特征。粒子數濃度的平均值為6.0 個·cm-3,1分鐘平均最大值為11.5 個·cm-3;液態水含量量級約為10-2～10-3g·m-3,其平均值為0.0092 g·m-3,最大值為0.025 g·m-3;中值體積直徑介于15.1～25.9 μm;平均直徑介于7.5～13.6 μm且始終小于中值體積直徑。當能見度下降時,各物理量均有不同幅度的增大,其中液態水含量和粒子數濃度增大幅度較為一致,中值體積直徑增幅略大于平均直徑增幅。

階段2(1日19：23—22：36)為快速發展階段,能見度由2000 m以上快速下降至400 m附近。粒子數濃度和液態水含量隨之快速增大。此階段平均能見度為357 m,平均粒子數濃度和液態水含量相比于第一階段均明顯增大,其中粒子數濃度平均值增大至43.8 個·cm-3,最大值達到85.1 個·cm-3;平均液態水含量為0.0341 g·m-3,最大達到0.0658 g·m-3;中值體積直徑相比于階段1也有所增大,最大達到29.1 μm,增幅相比于粒子數濃度等較小;平均直徑相比于階段1反而減小,這是由于此階段小粒子數量增大幅度更大,導致平均直徑減小。

階段3(1日22：37—05：18)為霧最強時段,平均能見度為179 m。與之相對應的平均粒子數濃度和液態水含量也進一步增大。平均粒子數濃度進一步增大至61.7 個·cm-3,最大達到132.6 個·cm-3;平均液態水含量達到0.1165 g·m-3,最大值達到0.7321 g·m-3,均出現在2日04：00前后,這與能見度的最低值對應;能見度達到最低值時,平均直徑也明顯增大,最大達到了18.8 μm,表明此時大粒子數量明顯增多,導致平均直徑明顯增大。分析此階段各微物理參數特征可知,雖然能見度變化幅度減小,但微物理參數的標準差相較于前兩個階段卻明顯增大。這是由于海霧以平流霧為主,空間分布的不均勻特征較之內陸輻射霧或混合霧更明顯,導致粒子數濃度等參數變化幅度更大。

階段4為霧消散階段。隨著能見度的快速上升,除平均直徑以外的各微物理參數均快速下降。

從整個過程的平均來看,霧的平均粒子數濃度為52.4 個·cm-3,平均液態水含量為0.084 g·m-3。與其他沿海地區相比(表3),閩南沿海粒子數濃度與廣東湛江(Zhao et al, 2013)基本持平,略低于黃海區域的山東青島(Wang et al, 2020)。雖有沿海地區各有差異,但整體數濃度介于40～70 個·cm-3,量級變化不大。過程平均液態水含量均在0.1 g·m-3以下,但閩南沿海相比于上述兩個地區較大,這是由于閩南沿海海霧中存在更多的大粒子,平均直徑更大,因此同等濃度情況下液態水含量更高。與南京(劉端陽等,2009)、重慶(李子華和吳君,1995)等城市區域相比,閩南沿海的粒子數濃度明顯偏小、液態水含量更高,這是由于沿海地區水汽更加充沛,且受氣溶膠顆粒物影響小。

表3 閩南沿海霧微物理特征量及與其他地區對比Table 3 Micro-physical parameters of fog in Xiang’an and the comparison with other areas

從不同階段各區間的粒子數濃度分布特征來看(圖11a),階段4(消散階段)整體數濃度最低,往上依次為階段1(初生階段)、階段2(發展階段)以及階段3(成熟階段)。從霧滴譜分布特征來看,階段4呈現單峰分布特征,階段1和階段2的雙峰結構逐漸顯現。階段3則是呈現典型的雙峰特征,主峰值為4～5 μm,次峰值位于24～26 μm。這表明不同濃度霧的滴譜分布具有一定的差異。霧強度越強,雙峰分布特征就越明顯。但不論何種階段,10 μm以下小粒子的數量占比均超過75%,表明霧滴的數濃度主要受小粒子影響。從不同階段的粒子數濃度對比來看,階段1所有區間的平均粒子數濃度量級均在100以下,峰值直徑為5～6 μm,對應的數濃度為0.89 個·cm-3。階段2各區間的粒子數濃度快速增大,峰值直徑為4～5 μm,達到10.50 個·cm-3,相比于階段1的峰值直徑濃度增大約11倍。20 μm以上大粒子的數濃度也有不同程度的增大,增大幅度整體介于3～9倍。階段3(成熟階段)粒子數濃度在各區間均為最大,且呈現出雙峰分布特征。主峰值直徑位于第三檔(4～5 μm),其平均數濃度達到14.06 個·cm-3,次峰值位于24～26 μm,峰值粒子數濃度約為1.1 個·cm-3。10 μm直徑以內的粒子數濃度合計達到44.5 個·cm-3,占比達到81.5%。30 μm以上粒子數濃度快速減小,濃度均在0.5 個·cm-3以下。階段4除前三個區間以外,其余所有區間粒子數濃度都在0.1 個·cm-3以下,表明消散階段粒子數濃度的量級會迅速減小。

圖11 階段1～階段4(a)平均霧滴數濃度和(b)液態水含量尺度分布Fig.11 Average distribution of (a) number concentration and (b) liquid water content in Phase one to Phase four

從不同階段各區間的液態水含量分布特征來看(圖11b),階段1為單峰分布特征,峰值位于24～26 μm,液態水含量為0.58 mg·m-3。各區間的液態水含量均在1 mg·m-3以下。階段2各區間液態水含量均快速增大,并且呈現雙峰特征。主峰位于24～26 μm,其數值為1.96 mg·m-3,相比于階段1峰值增大約2倍;次峰值位于5～6 μm,為1.06 mg·m-3。階段3與階段2分布特征基本類似,同樣為雙峰分布,且數值進一步增大。主峰值同樣為24～26 μm,其數值達到9.37 mg·m-3,是階段2的4.8倍;次峰值(1.16 mg·m-3)也同樣為5～6 μm,增大幅度明顯小于主峰;此階段20～30 μm直徑的粒子對液態水含量的貢獻率達到53.2%。階段4各區間液態水含量快速減小,其量級基本在10-1mg·m-3以下。

深入對比階段2和階段3粒子數濃度和液態水含量的差異。兩者均呈現雙峰分布特征,但峰值分布相反。液態水含量的主峰位于大粒子端,而數濃度則位于小粒子端,這主要是由于液態水含量與粒子直徑的3次方成正比,同時也表明霧中粒子數濃度主要受小粒子濃度影響,而液態水含量主要受20～30 μm直徑粒子影響為主。階段3的粒子數濃度在所有區間內均在階段2之上,但小粒子端數濃度差別相對較小。主峰4～5 μm的數濃度分別為10.5 個·cm-3和14.06 個·cm-3,兩者相差不到50%。但隨著粒子直徑的增大,數濃度差異逐漸增大,在25 μm附近差異最大,階段3對應的數值為階段2的4.8倍。液態水含量的分布也是如此,小粒子端增大幅度較小,20～30 μm增大幅度更大。這表明大粒子數濃度的增大對于霧強度的進一步增強,尤其是加強為強濃霧具有重要作用。

5 結 論

本文利用自動站資料、ERA5再分析資料、葵花8號高分辨率衛星資料、翔安站多源觀測資料等,分析了2021年4月1日閩南沿海一次大霧過程演變特征、環流形勢和垂直結構特征。基于FM-120型霧滴譜儀資料,對比分析了海霧在不同階段的微物理參數演變特征。主要結論如下：

(1)此次大霧主要發生在一致的西南氣流中,200 m以下低能見度主要出現在沿海地區,為典型的海霧過程。低層至近地面均為反氣旋環流控制,探空溫濕廓線表明存在近地面逆溫層和濕層,為海霧的發生發展提供靜穩的環流形勢和充沛的水汽條件。

(2)多源資料分析表明,在海霧發生發展過程中低云和霧之間存在相互轉化的過程。白天以低云為主,傍晚起云頂輻射冷卻作用導致云體上層較冷的空氣下沉,同時近地層氣溫逐漸下降,低層水汽凝結使得沿海地區的低云逐漸降低并發展為霧。清晨當地面轉為偏西風時,霧再次轉變為低云。單純通過衛星無法有效區分霧和低云,但可以結合氣溶膠激光雷達共同判定。霧期間氣溶膠激光雷達測得的近地層消光系數達到3～4 km-1,消光系數大值區的厚度與霧的強度演變趨勢一致,可用于推演霧頂的高度。霧的初生和發展階段厚度相對較低且波動性大,成熟階段霧頂高度約為100 m。

(3)海溫分析表明,臺灣海峽中部至閩南近海的海溫存在較大的梯度。近海的冷水帶導致氣溫逐漸高于海溫,氣海溫差介于0.5～2℃。霧區集中在氣溫大于海溫的區域,海上的偏南氣流將南方的暖濕空氣向北輸送至較冷的近海區域后,原本相對飽和的暖濕氣流被冷卻凝結,在靜穩的環流形勢下易形成平流海霧。

(4)霧滴譜分析表明,本次霧過程平均粒子數濃度為52.4 個·cm-3,液態水含量為0.084 g·m-3。平均直徑為9.4 μm。不同階段粒子數濃度、液態水含量等微物理參數差異較大。初生和消散階段各參數較小,發展階段快速增大,成熟階段達到最大,1分鐘平均粒子數濃度最大達到132.6 個·cm-3,平均液態水含量達到0.7321 g·m-3。霧在各階段的粒子數濃度和液態水含量譜分布具有較大差異。其中粒子數濃度在初生、發展和消散階段以單峰結構為主,峰值直徑為4～6 μm。成熟階段表現為雙峰結構特征,主峰位于4～5 μm,次峰位于24～26 μm。液態水含量除消散階段外,整體呈現雙峰分布特征,主峰位于24～26 μm,次峰位于5～6 μm,峰值分布與粒子數濃度相反。這表明霧滴數濃度受小粒子影響為主,但液態水含量以20～30 μm 的粒子貢獻最大。發展和成熟階段譜分布對比表明,10 μm以下小粒子增加幅度小,而20～30 μm區間增大幅度較大,因此大粒子數濃度的增大對于霧強度的進一步增強具有重要作用。