黄海雾季开始日期的确定及其年际变化

丁做尉,张苏平,白 慧,薛德强,周雪松

(1.中国海洋大学海洋-大气相互作用与气候实验室,山东青岛266100;2.江西省南昌市气象台,江西南昌330038; 3.山东省气象台,山东济南250031)

黄海雾季开始日期的确定及其年际变化

丁做尉1,2,张苏平1＊＊,白 慧1,薛德强3,周雪松3

(1.中国海洋大学海洋-大气相互作用与气候实验室,山东青岛266100;2.江西省南昌市气象台,江西南昌330038; 3.山东省气象台,山东济南250031)

根据山东省14个气象站1979—2007年4次/d的大气能见度观测资料、NCEP/NCAR再分析资料、JRA等资料,提出了黄海雾季开始时间的以候为时间尺度的标准,并对影响雾季开始的可能因素进行了分析。结果表明:黄海气候平均雾季开始在第20候,从此候开始,盛行风向、湿度平流、温度平流、大气层结等都有利于海雾的产生;不同年份雾季开始的时间有差别,导致不同年份雾季开始早晚的主要原因是海-气温差、湿度、盛行风;黄东海海温正(负)距平,且东海北部黄海南部海温正(负)距平比黄海北部海温正(负)距平强度更大时,黄海北部雾季开始时间较早(晚)。海-气温差<0℃是海雾季节开始的先决条件,但对海雾季节开始的早晚没有明显的影响。黄海反气旋对大气层结的稳定有一定的贡献,有利于雾的形成和维持。逆温对于雾季的形成和维持有重要作用,但逆温强度与雾季开始的早晚没有直接关系;逆温层的高度可能影响海雾季节的发生,雾季开始偏早年逆温层更接近地面。

海雾;开始日期;黄海

海雾是指在海洋影响下出现在海上的水平能见距离<1 000 m的天气现象。海雾是影响海面大气能见度的重要因素,对航海活动和海上作业有很大的影响。4～7月是黄海海雾多发时期,形成海雾季节[1]。周发琇和刘龙太[2]用月平均雾日数5 d以上,雾日变率< 50%作为黄、东海雾季标准。张苏平[3]将月雾日相对频数(月雾日数/年雾日数)>10%作为雾季的标准。无论按照哪种标准,黄海的雾季均始于4月。观测表明,虽然雾季都是从4月开始,但有的年份进入4月雾日明显偏多,有的年份4月下旬甚至4月底海雾才开始增多,早晚相差十几天甚至更长时间。黄海处于东亚季风区[4],对于亚洲季风爆发日期的确定、爆发早晚的成因、及其对天气气候的影响已经有了大量研究[5-7]。但是对于海雾季节开始日期的确定方法迄今尚无研究,更不知道是什么原因造成了海雾季节开始偏早或者偏晚。虽然有研究认为春季海雾具有一定的季风特征[8],但4月东亚夏季风尚未爆发,大气环流还是受冬季风控制[9],海雾季节开始的早晚显然与东亚夏季风开始的早晚不是同一件事情。随着人类海上活动的日益增加,以“月”为时间单位的雾季开始时间显得过于粗糙,有必要在更小时间尺度上对海雾季节开始的日期进行确定。

本文利用候平均资料,首先研究确定了黄海雾季开始的标准,进而讨论了海雾季节开始偏早和偏晚的大气环流形势和大气边界层气象条件,为下一步研究海雾开始早年与晚年的原因奠定基础,也可以为海雾季节开始的预报提供参考。

1 资料和方法

本文用到的资料包括大气能见度观测资料和海洋大气再分析资料。大气能见度数据来自山东省14个气象站1979—2007年4次/d的观测资料。海表面气温(SAT),海表面水温(SST)等资料来源于NCEP/ NCAR再分析资料[10],分辨率为2.5(°)×2.5(°),和J RA(Japanese25-yearReanalysisProject,日本1979—2007年再分析资料)[11],分辨率为1.25(°)× 1.25(°)。其中NCEP资料用于分析海-气温差(SSTSAT),高度场,风场,J RA资料用于分析层结稳定度等。由于雾的定义是以大气能见度<1 000 m为标准的,因此处理资料时以每天中至少有1次观测能见度<1 000 m的作为雾日(观测资料中只有能见度信息,所以其中未去掉降水日。由于4月山东降水较少,对统计结果影响不大)。研究海雾季节开始标准中,对海-气温差和雾日数进行了5 d滑动平均,使结果更趋于稳定。

由于黄海海雾季节主要是平流冷却雾,即暖湿空气平流至冷海面下层空气冷却凝结成雾,春季尤甚[1-2],本文研究的雾季开始日期的确定方法也是基于平流冷却雾的形成机制。由于气象观测数据中并没有区分雾的类型,本文在研究中也没有对雾进行分类。作者计算了青岛与黄海沿海日照,石岛、成山头、威海、海阳、崂山候雾日数的相关系数,均超过95%的信度检验,青岛站与黄海沿海其它站在海雾的季节变化、年际变化上具有一致性[8],因此本文用青岛站的雾日记录研究黄海雾日季节变化有较好的代表性。

2 雾季开始时间的确定方法

2.1 海气温差条件

图1 气候平均的青岛附近的海-气温差(虚线)及青岛气候平均雾日数距平累积指数(实线)Fig.1 Climatological mean of the sea-air temperature ifference near Qingdao(dotted line)andclimatological mean of cumulative fog days anomalies index of Qingdao(solid line)

按照其形成机理,SAT高于SST是平流冷却雾生成的重要条件之一。中国近海平流冷却雾成雾的海-气温差范围为-3～0℃[1]。如图1所示,青岛近海气候平均的海-气温差有明显的季节变化,1～16候和45～72候海-气温差>0℃,17～44候海-气温差一直维持<0℃。从17候(3月下旬)开始,青岛近海的海-气温差<0℃,所以黄海气候平均的海雾季节应在17候以后开始。

2.2 雾日数条件

海-气温差<0℃只是有利于平流冷却雾的形成,要分析雾季开始的时间,还要对每候的雾日数进行统计。

本文先定义雾日距平累积指数(数据进行了标准化处理),计算公式为Si=Si-1+(fi-¯f)(i=1,365或366)

其中Si为雾日距平累积指数,fi为第i天出现雾日的频率2007年平均每天出现雾日的频率(1980,1984,1988, 1992,1996,2000,2004是闰年,为366 d),di为i年的总雾日数。

雾日距平累计指数表示了1 a中雾日频率随时间的变化趋势。

气候平均的雾日距平累积指数表明,从20候开始,雾日距平累积指数呈增加趋势,即雾日出现频率高出气候平均每天雾日频率。从第42候开始,雾日距平累积指数呈减少趋势,即雾日出现频率开始低于气候平均每天雾日频率(见图1)。所以第20候可能为气候平均黄海雾季开始候。

为了进一步验证以上确定的海雾季节开始日期,统计了1979—2007年每候雾日数(见图2),可以看出,虽然17候就有了气温高于海温的条件,但候雾日数从第20候开始连续高于或接近气候平均值。从第43候开始,候雾日数开始连续低于气候平均值。图2说明青岛气候平均雾日较多的时间集中在20～42候。

图2 青岛气候平均候雾日数Fig.2 Climatological mean of fog days of Qingdao

结合气候平均海-气温差条件和雾日数分布特征等因素综合考虑,可以认为青岛气候平均的雾季开始于第20候(4月10日)。

青岛气候平均候雾日数表现出双峰型的特征。多雾期主要集中在春夏季,这与日照等近海地区的雾的多发时节是一致的(图略),反映了海雾季节特征。冬季为次多雾期,与内陆地区的多雾期一致,反映出青岛的冬季雾多为陆地雾性质。

以青岛海气温差>0℃的17～45候作为时间参考,青岛的14～45候各候雾日数跟日照,石岛,成山头,威海,海阳,崂山这6个地区的14～45候各候雾日数的相关系数均超过95%的信度检验,所以青岛的海雾特征在山东东南沿海是具有一定代表性的。

3 海雾季节开始前后的大气环流特征

以上用SST-SAT和雾日累积指数对黄海海雾季节开始日期进行了初步确定,雾季开始时间为20候。但是平流冷却雾的形成需要一定的环境背景和天气条件。以下讨论20候前后大气环流的变化和静力稳定度的变化。

3.1 大气环流条件

Zhang等[12]曾给出了4月海雾季节开始的低空环流形势:黄海有局地小高压和比较明显的反气旋环流,为黄海西部输送水汽。根据本文确定的日期,图3为18～19候和20～21候的环流形势,以分析雾季开始前和开始后的1 000 hPa流场,并且验证关于青岛气候平均雾季开始时间的确定是否合理。

图3 气候平均18～19候(a)和20～21候(b)的1 000 hPa位势高度(实线)、风场(矢量)和湿度平流(阴影) Fig.3 Climatological mean of geopotential height(contour),wind(vector)and humidity advection (shaded)at 1 000 hPa level in the pentad 18～19(a),and pentad 20～21(b)

图4 气候平均18～19候和20～21候925 hPa位势高度(实线),风(矢量),和温度平流(阴影)Fig.4 Climatological mean of geopotential height(contour),wind(vector)and temperature advection (shaded)at 925 hPa level in the pentad 18～19(a),and pentad 20～21(b)

由图3可以看出,20～21候高压主体位于黄海,黄海西北部处于高压的西北部,盛行东南风(见图3b),有利于来自黄海中部和南部的暖湿气流流经黄海相对冷的海面,形成平流冷却雾。从湿度平流也可以看出,黄海上空为正的湿度平流。而18～19候,黄海西北部没有明显的偏东南气流,黄海上空几乎没有正的湿度平流(见图3a)。925 hPa在20～21候黄海附近存在暖平流(见图4a-b)。该高度上的暖平流有利于逆温层建立[12]。而18～19候黄海上空没有明显的暖平流。20～21候925 hPa黄海上空没有出现闭合高压,反气旋环流也没有1 000 hPa明显。说明黄海海面的反气旋是1个只存在于低层的浅薄系统。

3.2 层结稳定度条件

图5 北京时间08时气候平均13候～24候逐日逆温发生的频率(单位:1)Fig.5 Climatological mean daily inversion frequency at? AM Beijing time between pentad 13 and 24(unit:1)

海雾出现时,往往有伴逆温[1,13],青岛的L波段雷达探空表明,4月～6月逆温层明显[12]。一般来说,逆温出现的情况下,表明大气层结比较稳定,大气的垂直运动受到抑制,底层水汽凝结物不易扩散到高空,有利于海雾的发生和维持。而逆温减弱或者消失,表明大气的垂直扰动加强,海雾消失的可能性增大。图5为北京时间08时1988—2007年20 a每天平均的13候～24候从995～717 hPa(其中包括995 hPa、982.49 hPa、964.98 hPa、942.47 hPa、914.94 hPa、882.44 hPa、845.43 hPa、804.91 hPa、761.89 hPa、717.38 hPa共10层)逆温发生的频率。对青岛上空大气逆温层的分析表明,青岛上空的逆温层从第19候期间建立,有利于海雾的形成和维持,而在19候之前没有明显的逆温层。

因此,在20候后,无论是环流形势还是大气稳定性方面都有比较一致的变化,该变化利于海雾的发生。综合前文给出的雾日的分布规律,青岛海雾雾季开始时间为第20候,其标准为:在海气温差<0℃的条件下,雾日距平累积指数连续增加超过2候的,即雾日出现频率连续2候高于日平均雾日频率的,以开始增加并且有雾的那一候作为雾季开始的候。

利用该雾季开始的标准,对1980—2007年的雾季开始时间做出判断,得到每年雾季开始的候。与气候平均的雾季开始候(20候)相比,距平如图6。

图6 1979—2007年雾季开始候的距平Fig.6 Anomalies of the beginning pentad of fog season from 1979 to 2007

将1979—2007年共29 a每年雾季开始的候作标准化处理,本文中取标准化值≥0.8(2.8候)为雾季开始偏晚年,有1980、1989、1990、1997、2003、2005、2006年共7 a;≤-0.8为雾季开始偏早年,有1981、1983、1985、1992、1994、1998、2002、2007年共8 a;其它14 a为正常年。这种分布也说明作者提出的雾季开始标准是比较合理的。

4 海雾季节开始早、晚年的对比分析

4.1 典型年

影响雾的形成因子很复杂,为了分析影响雾季开始早晚的主要因素,从雾季开始偏早的年份中挑选2007年(雾季17候开始),从雾季开始偏晚的年份中挑选2005年(雾季24候开始)进行对比。

4月黄海1 000 hPa的反气旋环流为黄海西北部带来偏南的弱暖温度平流,有利于海雾的生成[12]。气候平均情况下,当1 000 hPa黄海反气旋存在时,120°E, 35°N为偏南风,125°E,35°N为偏北风。为了表征黄海上空1 000 hPa反气旋的出现早晚和强度,根据气候平均1 000 hPa的黄海反气旋环流的位置,定义反气旋指数I=V(120°E,35°N)-V(125°E,35°N)/SQRT(V2120°E,35°N+ V2(125°E,35°N))。

其中V是经向风矢量。V(120°E,35°N)表示120°E,35°N处的经向风大小。V(125°E,35°N)表示125°E,35°N处的经向风大小。并规定当V(120°E,35°N)<0(北风)或者V(125°E,35°N)>0(南风)时,I=0。

当I>0时,黄海上空1 000 hPa存在反气旋环流。当I=0时,黄海上空1 000 hPa不存在反气旋环流。

上文已经提到,逆温层有利于海雾的形成和维持。而逆温强度最强的高度出现在914 hPa左右(见图5),所以为了表示逆温的强度和出现次数,将青岛附近每天4次的995～914 hPa出现逆温时的逆温强度(相邻2层的温度差)求和,并求候平均作为逆温指数。

图7 2007年(早年,a)和2005年(晚年,b)13候至24候的反气旋指数(点线)、青岛附近的海-气温差(实线,单位:(℃))、逆温指数(长虚线)、比湿(长短虚线,单位:g/kg)Fig.7 The anti-cyclone index(dotted lines),the sea-air temperature difference near Qingdao(solid line,unit:℃), inversion index(long dashed line),specific humidity near Qingdao(the length of dashed line,unit:g/kg)of pentad 13-24 in 2007(the early year,a)and 2005(the late year,b)

图8 2007年(a)和2005年(b)13候至24候青岛附近的风速(实线,单位:m/s)、经向风(虚线,单位:m/s)Fig.8 Wind velocity(solid line,unit:m/s),meridional wind(dotted line,unit:m/s)between pentad 13 and 24 near Qingdao in 2007(a)and 2005(b)

从图7和8中可以看到,2007年14候黄海1 000 hPa出现反气旋,但是海-气温差>0℃,所以雾季尚未开始。当16候黄海反气旋出现时,海-气温差为-1℃左右,此时南风较弱,比湿也不高,逆温指数比较小;17候雾季开始,南风较大,比湿增加为6 g/kg左右,海-气温差为-3℃左右,逆温条件也更好。2005年,15候出现弱南风,黄海1 000 hPa出现反气旋环流,海-气温差-1℃左右,比湿3 g/kg左右,逆温指数比较小。21候时,黄海反气旋环流再次出现,此时比湿3 g/kg左右,几乎没有南风,雾季开始于比湿8 g/kg左右,逆温指数很高,海-气温差-6℃的24候。

对2007年和2005年的分析表明,在海-气温差和静力稳定性较有利的条件下,较强的偏南风和较高的湿度对雾季的开始有重要的作用。黄海1 000 hPa的反气旋环流出现后,逆温指数有一定幅度的上升。说明黄海反气旋对大气层结的稳定有一定的贡献,这与张苏平等[12]的结论是一致的。逆温对于雾季的形成和维持有重要作用,但逆温的强度与雾季开始的早晚没有直接关系。

4.2 雾季开始早年和晚年的合成分析

以上分析了影响青岛海雾发生的局地因素,黄海的局地海气条件又受到大尺度背景环流和海洋条件的影响。海洋下垫面的热力状况影响了海面的蒸发,大尺度的背景环流影响水汽输送,黄海北部局地的水汽收支的变化引起的潜热的释放又会改变局地大气的热力状况,影响大气的层结。这样不同的海洋下垫面和背景环流将决定黄海北部海雾发生时间的早晚。本节采用合成方法,比较青岛雾季开始早晚年的背景环流、黄海海面温度和黄海北部局地逆温的差异。

4.2.1 大气环流 对雾季开始偏早年的1 000 hPa位势高度、风场的合成分析表明,偏早年的第18候1 000 hPa黄海上空出现1个闭合的高压(图略),第19候高压仍然维持(见图9a),黄海北部受高压西北侧的偏南气流影响,黄海南部的水汽能向北部输送,有利于雾的形成。而雾季开始偏晚年的合成中,第19候高压偏于大陆一侧(见图9b),黄海西部没有明显的偏南风,黄海上空的闭合高压在21候才出现(图略)。另外,雾季开始偏早年1 000 hPa的风从18候开始为偏南风持续超过6候,而雾季开始偏晚年1 000 hPa的风从21候开始持续为偏南风(图略),所以黄海低空的闭合高压以及偏南风的持续可能是影响雾季开始早晚的原因之一。

图9 雾季开始偏早年(a)和偏晚年(b)19候的1 000 hPa位势高度(实线)和风(矢量)Fig.9 Geopotential height(contour)and wind(vector)at 1 000 hPa level in pentad 19 in the early(a)and late(b)fog season years

4.2.2 海温 挑选黄海北部雾季开始早年和晚年的第19候的黄海海温做比较,对雾季开始早年,第19候处于雾季开始前夕,而对晚年来说,第19候雾季尚未开始,这样能更直观地呈现海温与雾季开始时间的联系。

图10 雾季开始偏早年(a)和偏晚年(b)19候SST的距平Fig.10 SST anomalies of early(a)and late(b)fog season years in pentad 19

如图10a所示,雾季开始偏早年的第19候黄东海大部分海区为SST正距平,海温偏高,有利于海面蒸发。并且东海北部黄海南部存在1个SST正距平最大值区,中心在长江口外。这种配置有利于东海北部黄海南部海面的蒸发,在偏南风的作用下,暖湿空气输送到黄海北部,并失去部分热量而降温,有利于雾的形成。雾季开始偏晚年,SST距平在黄海大部分海区为负值,海温偏低,东海北部存在1个SST负距平最小值区,不利于海面蒸发。可见,黄海南部-东海北部的海温可能对雾季开始影响最明显。通过比较同期的黄海海温,可以得出结论:黄东海海温正(负)距平,且东海北部黄海南部海温正(负)距平比黄海北部海温正(负)距平强度更大时,黄海北部雾季开始时间较早(晚)。

图11 雾季开始偏早年(a)和偏晚年(b)19候海-气温差Fig.11 Sea-air temperature difference of early(a)and late(b)fog season years in pentad 19

4.2.3 海-气温差 雾季开始偏早年和雾季开始偏晚年的19候海-气温差在黄海附近差别较小,海-气温差都在-3～0℃之间,有利于平流冷却雾的形成。可见海-气温差<0℃是海雾季节开始的先决条件,但对海雾季节开始的早晚没有明显的关系。

4.2.4 层结稳定度 逆温的出现意味着大气层结更稳定,边界层或者对流层低层内逆温层的建立不利于较暖的近海面层与较冷的上层之间的水汽和能量交换,使局地的水汽集聚于近海面层,为海雾的发生提供了条件。图12为雾季开始偏早年和雾季开始偏晚年的第13候至第24候08时从995～717 hPa(其中包括995、982.49、964.98、942.47、914.94、882.44、845.43、804.91、761.89和717.38 hPa共10层)逆温发生的频率图。从图中可以看到,逆温发生的频率在19候突然增加,并且稳定持续。逆温发生频率最大的高度在930～870 hPa,这是雾季开始偏早年和偏晚年的共同特点。二者的区别在于,雾季开始偏早年18候930 hPa以下逆温的频率更高,19候逆温的频率更高,而且逆温层已经接近地面,这样在4月(夏季风爆发前)水汽量供应不是很充分的条件下,也有可能形成厚度较薄的雾。实际上探空资料表明,春季的雾确实较夏季的雾薄。而在雾季开始偏晚年,高度较低的逆温出现于20候左右,但逆温层高度仍然离开地面在960 hPa,这可能是雾季出现偏早的背景条件之一。

图12 雾季开始偏早年(a)和偏晚年(b)北京时间08时13候～24候逐日的逆温发生频率(单位:1)Fig.12 Daily inversion frequency at 08··00 AM Beijing time between pentad 13 and 24 in the early(a)and late(b)fog season years(unit:1)

5 结论

本文通过多种资料分析,得到以下结论:

(1)确定了黄海雾季开始的标准:在海气温差<0℃的条件下,雾日距平累积指数连续增加超过2候的,以开始增加并且有雾的那一候作为雾季开始的候。根据这个标准可以确定黄海气候平均雾季开始在第20候。

雾季开始后的21～22候,黄海西北部盛行东南风,黄海上空为正的湿度平流,925 hPa黄海上空的暖平流有利于逆温层的建立,这些都有利于平流雾的产生。与雾季开始前的18～19候黄海西北部没有明显的偏南气流,黄海上空几乎没有正的湿度平流,925 hPa黄海上空没有明显的暖平流等背景条件形成鲜明的对比。

(2)不同年份之间存在雾季开始早晚的时间差异。挑选雾季开始偏早的2007年和雾季开始偏晚的2005年进行对比发现:较强的南风和较高的湿度在雾季的形成过程中起重要的作用。黄海反气旋对大气层结的稳定有一定的贡献,有利于雾的形成。逆温对于雾季的形成和维持有重要作用,但逆温强度与雾季开始的早晚没有直接关系。

(3)对雾季开始偏早年和雾季开始偏晚年分别做合成分析,结果表明:黄海低空的闭合高压以及偏南风的持续是影响雾季开始早晚的原因之一,这与典型年的分析一致。说明黄海海雾季节开始早晚与黄海低空闭合高压以及其西部的偏南风有直接关系。黄东海海温正(负)距平,且东海北部黄海南部海温正(负)距平比黄海北部海温正(负)距平强度更大时,黄海北部雾季开始时间较早(晚)。东海北部-黄海南部的海温异常对海雾季节早晚有更加明显的影响。海-气温差小于0℃是海雾季节开始的先决条件,但对海雾季节开始的早晚没有明显的影响。逆温层的高度可能影响海雾季节的发生,雾季开始偏早年逆温层更接近地面。

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Abstract: By using the atmospheric visibility data of 14 weather stations in Shandong Province from 1979 to 2007,NCEP/NCAR and J RA reanalysis data,the criterion of the beginning season of the Yellow Sea fog on pentad time-scale is put forward.Also some possible factors which could impact on the criterion are analyzed.The results showed that the climatological Yellow Sea fog season starts at the 20th pentad,and from then on,the prevailing wind direction,humidity advection,temperature advection,atmospheric stratification,etc.were beneficial to the generation of the sea fog.The beginning season of the fog varied annually because of different sea-air temperature,humidity,prevailing winds.When the sea surface temperature(SST)anomalies over the East China Sea and the Yellow Sea were positive(negative),and the positive(negative)SST anomalies over the southern Yellow Sea and the northern East China Sea were greater than those over the northern Yellow Sea,the fog season of the northern Yellow Sea starts earlier (later).The negative sea-air temperature difference was the prerequisite for the beginning of the fog season,but do not affect it obviously.Meanwhile the Yellow Sea anticyclone contributed to the stability of atmospheric stratification,which was conducive to the formation and maintenance of the sea fog.Also, the inversion played an important role,but the intensity of inversion had no direct impact on the beginning of fog season.Furthermore,the height of the inversion layer might affect the occurrence of sea fog season,the inversion was more close to the ground in the relatively early fog season years.

Key words: sea fog;start date;the Yellow Sea

责任编辑 庞 旻

Identification of the Beginning of the Sea-Fog Season over Yellow Sea and Its Annual Variation

DING Zuo-Wei1,2,ZHANG Su-Ping1,BAI Hui1,XUE De-Qiang3,ZHOU Xue-Song3
(1.Ocean-Atmosphere Interaction and Climate Laboratory(OAC),Ocean University of China,Qingdao 266100,China;2. Nanchang Weather Station,Nanchang 330038,China;3.Meteorological Observatory of Shandong Province,Jinan 250031, China)

P426.4+3

A

1672-5174(2011)04-011-08

国家自然科学基金项目(40975003);教育部博士点基金项目(20090132110008);国家高技术研究发展计划项目(2006AA09Z149);中国气象局公益性行业科研专项经费项目(GYHY(QX)200706031)资助

2010-03-05;

2010-04-09

丁做尉(1985-),女,硕士。

E-mail:zsping@ouc.edu.cn