1961—2010年平潭大雾的年际特征及雾季环流分析

翁国玲，黄志刚，陈宏，唐寒秋（1.南京大学大气科学系，江苏南京100；.福建船政交通职业学院，福建福州50007；.福建省气象台，福建福州50001）

1961—2010年平潭大雾的年际特征及雾季环流分析

翁国玲1,2，黄志刚3，陈宏2，唐寒秋2
（1.南京大学大气科学系，江苏南京210032；2.福建船政交通职业学院，福建福州350007；3.福建省气象台，福建福州350001）

摘要：利用平潭气象站1961—2010年地面观测月报资料，使用小波分析雾日年际特征，结果表明：在1965—1975年和1985—1990年有准3年左右的显著周期，并通过显著性检验；同时经过九点平滑发现年雾日呈波动下降，趋势系数为-0.26天/年；2月为全年唯一雾日和持续时间双增加的月份，4、5月雾日减少明显但持续时间也显著上升。利用NCEPNCAR资料进行平潭春季多雾年份和少雾年份合成分析，表明春季多雾年的特征为：台湾海峡海表温度偏低，为平流雾的生成提供冷水面，而赤道太平洋地区海温却是明显升高；500 hPa副高偏强偏西，东亚大槽偏南，利于经向环流输送；沿（115°E，20°N）至（125°E，30°N）垂直流场剖面图表明平潭地区低空盛行下沉气流，利于层结稳定；同时水汽来源于南海和孟加拉湾且在850 hPa表现最为明显。而春季少雾年的特征却刚好相反，台湾海峡海表温度偏高，赤道太平洋地区海温却是明显下降；500 hPa副高偏弱偏南，不利于暖空气往北输送；沿（115°E，20°N）至（125°E，30°N）垂直流场剖面图表明平潭地区低空盛行上升气流，利于成云不利成雾；水汽输送仅来自孟加拉湾，低空850 hPa水汽输送明显减少。

关键词：平潭；平流雾；年际特征；气候条件

1　引言

福建省是海洋大省，大力发展海洋经济是福建的方向。作为一种海上灾害天气，海雾特别是浓雾对航运、渔业捕捞、水产养殖、海上资源勘探、乃至军事活动都有重要影响。台湾海峡素有中国“海上走廊”之称[1]，战略地位极其重要。位于海峡西岸北界的平潭岛，更是大力发展海洋经济和加强两岸交流的前沿阵地，海雾具有很强的局地特征[2]，研究此地海雾的气候分布特征，为大雾的进一步研究、预防雾害提供气候背景依据。海雾根据海区、性质和海区分为平流雾、混合、辐射雾和地形雾等4类9种型式[3]。平流雾是空气在海面水平流动时生成的雾暖湿空气移动到冷海面上空时，底层冷却，水汽凝结形成平流冷却雾。这种雾其浓度和厚度都很大，一般几十米至几百米厚；且水平范围大，通常可达数百或数千公里；持续时间长，一般多大于5—6 h，有时可达数天和一周。多生成于较寒冷的海域。混合雾是海洋上两种温差较大且又较潮湿的空气混合后产生的雾。因风暴活动产生了湿度接近或达到饱和状态的空气，冷季与来自高纬度地区的冷空气混合形成冷季混合雾，暖季与来自低纬度地区的暖空气混合则形成暖季混合雾。辐射雾是当海面上一层悬浮物质或有海冰覆盖时，夜间辐射冷却生成的雾。这种雾多出现在黎明前后，日出后逐渐消散。地形雾是海面暖湿空气在向岛屿和海岸爬升的过程中，冷却凝结而形成的雾。由于海洋与露出海面的岛屿、岸滨之间的动力和热力作用的差异，在岛屿和岸滨常有海雾生成，一般称之为地形雾。夜间，岛屿表面辐射冷却，增加了成雾的频率，也加大了雾的浓度，日间，岛屿表面升温，使雾减弱或消散，因此岛屿雾具有较明显的日变化。海岸附近，夏季陆上暖湿气流流到海上，受海面降温增湿作用凝结成雾，白天借海风吹上陆地，夜里随陆风又回到海上，形成了海陆轻风雾。福建沿海以平流雾为最多。

海雾天气气候学研究开展时间很长，成果也最多[4-13]，其研究内容主要包括海雾统计分析，海雾发生的水文气象条件分析和海雾发生的天气型[14]。针对台湾海峡地区，马静[15]等分析认为海雾一般出雾时间在上午，并分析出雾的各种气象条件，指出可能存在非平流雾的情况；陈千盛[16]、苏鸿明[17]对台湾海峡两岸的雾日进行气候分析并指出其形成的5种有利天气形势；许金镜[18]认为台湾海峡西岸的雾日多寡与副高的强弱直接正相关；李昀英[19]等普查1980—1997年每日08时地面天气图，归纳出台湾海峡易成雾的四种天气类型；林卫华[20]等统计分析湄洲湾海雾的气候特征及成因，也总结3种环流天气形势；马治国[21]等利用近10年的资料对福建沿海海雾年变化，季节变化，日变化等进行分析，认为福建沿海的雾日呈增加趋势。但是以上研究大多时间序列短，长时间的序列分析比较少见，且偏重于不加区分雾季的全年研究，于少雾年和多雾年的各种环流合成比较分析工作也不多。本文利用平潭气象站1961—2010年长达50年的气象资料，对年平均大雾日数序列进行小波分析揭示雾日年际变化特征；由于平潭春季（3—5月）平均雾日占全年出雾日数64%，因此本文着重研究平潭雾季500hPa环流条件、水汽输送及垂直环流等在多雾年和少雾年的不同。

2　资料及处理方法

本文资料来源：（1）平潭气象站1961—2010年的地面观测月报资料，气象上认为观测员在一日中任意时刻观测到大雾，不论长短和次数，都要进行记录，并算作一个雾日[22],雾日的分隔时间为20 h；（2）NCEPNCAR1961—2010年月平均再分析资料（http://ww.esrl.noaa.gov）,资料分辨率2.5°×2.5°网格，物理量包括比湿、位势高度、风场、地形；以及1981—2010年0.25°×0.25°高分辨率海温日距平资料。

2.1处理方法

2.1.1小波分析

小波变换具有多分辨率分析的特点，并且在时频两域都具有表征信号局部特征的能力。小波变换通过将时间系列分解到时间频率域内，从而得出时间系列的显著的波动模式，即周期变化动态，以及周期变化动态的时间格局。本文将雾日数据进行标准化后，采用Morlet波为母小波。

取无量纲频率ω0=6，为了减少功率谱的边缘效应，选择26个数据进行交互小波变换，时间步长为1年，尺度δj选择0.125。本文采用红噪声作为背景谱对小波谱进行检验（在程序中落后自相关系数lag1= 0.5384显著异于0，每个尺度以95%的显著水平进行估计）。

2.1.2趋势系数

为了分析大雾的变化趋势,使用线性倾向估计方法[2, 23]，用xi表示逐年大雾日数，用ti表示与xi一一对应的逐年年份,建立xi与ti之间的一元线性回归方程。

其含义表示x与时间t之间的关系。其中回归系数b表示大雾的趋势倾向，b>0说明随时间t的增加x呈上升趋势，b < 0说明随时间t增加x呈下降趋势，同时b值的大小反映上升或下降的速率。

3　海雾气候统计特征

3.1雾日统计

3.1.1年平均雾日年际变化

1961—2010年平潭共出现1039个雾日，年平均雾日20.8天。由雾日、年平均最低气温的年际变化时间序列（见图1）可以看出，经过九点平滑后，雾日呈波动型[24]下降，年平均最低温度直线上升，两者负相关[25- 26]，由于平潭海雾60%以上出现在02—09 h，在水汽输送条件不变的情况下，最低气温升高将使空气不容易达到饱和引起大雾减少，特别是90年代最低气温陡升，而年平均雾日陡降，变化幅度非常显著，经过平滑后的雾日与最低温度的相关系数显著上升为-0.8447，通过0.001的显著性水平检验。同样的情况也发生在年平均相对湿度上，相关系数为0.6391。

因使用不同的年限资料，王彬华[28]计算出年平均雾日为19.6天，孙安健[29]为20.4天（1961—1970年），陈千盛[16]为22.2天（1961—1974年），苏鸿明[17]为24.6天（1971—1980年），鹿世瑾[30]为25.4天（1961—1990年），从中可以推测出平潭的年平均雾日60年代以能较少，从20世纪60年代前开始先增加，然后在90年代以后减少。

对年雾日进行Morlet小波分析，结果如图2所示。图中实线是去噪声后的能谱，正值即通过95%显著性水平检验，网格线是COI（红色数值0线）以外区域的边缘效应区，在COI内红色填色区域是能量谱最大的地方也是周期最明显的地方，此图表明1965—1975年有准3年左右的显著周期，1985—1990年有大约2—4年显著周期，1975—1985年和1995—2007年，年雾日变化不明显。

3.1.2各月雾日分布情况

图1　1961—2010年雾日及年平均最低温度

图2　年雾日的Morlet小波分析

图3　平潭各月雾日分布

图3是平潭雾日等值线分布图，横轴是月份，纵轴是年份，等值线的起始数值为2日，间隔为2，等值线的颜色越红，数值越大。从图3可以看出平潭的雾日主要集中在6月之前，6月以后骤然减少，经计算3—5月为雾季[14]。等值线颜色最深的集中在90年代中期以前是3—5月，最大值在这3个月震荡，70年代中期以前在4月、5月之间震荡；70年代末就比较均匀分布；80年代初开始在3月、5月之间徘徊，4月雾日反而减少，而到20世纪80年代中后期到90年代中期4月份雾日开始增加5月份开始减少，多雾日集中在3—4月；90年代中期以后雾日明显减少，在1999年附近等值线出现断裂，在这之后单月雾日分布在2—6日之间。

3.1.3各月雾日分布趋势特征

从图3可以看出50年来雾日变化在波动中下降，为了更清楚看出各个月份的雾日、雾长的变化趋势，逐月计算这些要素标准化后1961—2010年的线性趋势系数，如表1所示。从表1可以看出，2月份是全年唯一双增长的月份：雾日和海雾持续时间均呈上升趋势；而4月和5月雾日显著减少同时海雾的持续时间却在增加，特别是4月份增加最为明显。

3.2海雾生成时间分布

平潭地区一天中任何时刻都可能出现雾，若以出雾时段相对频数（出雾时段雾次/日总次数）大于5%作为多雾时段，那么根据计算平潭多雾时段为02—09时刻，比例达62%，尤其是06—07时刻最多达14%；少雾时段是12—17时，占2.6%，最少时刻是13—14时；17时之后又慢慢增加。这显示一日之中气温的变化对于海雾明显的影响，低温利于雾生，高温雾利于雾消。

3.3海雾持续时间统计

1961—2010年平潭共出现1281次雾，海雾平均持续时间为149 min，在2010年2月26—27日最长持续时间为1393 min（接近24 h），而最短的记录4 min则出现在1982年4月13日。图4表示海雾持续时间的频次直方图，雾长1 h以内频率为35%，1—3 h约37%，3—6 h约19%，也就是说90%的海雾持续时间在6 h以内，持续时间大于12 h不足1.5%。此样本的偏度系数为2.398.峰度系数为7.889，整个图形明显呈正偏态分布，一方面说明海雾持续时间长的出现的次数虽然少，但不可忽视，且分布非常分散，另一方面海雾持续时间变化幅度很大，预报难度很大。

表1　月平均资料标准化后线性趋势系数

4　影响雾季雾日多寡因素分析

年雾日标准化后，一般而言标准化绝对值大于1.2的为异常雾日年，经过计算少雾年：1971年、1999年、2000年、2001年和2009年；多雾年：1969年、1973年、1980年、1982年和1987年。平潭雾季为3—5月份，以下物理量均为3—5月份的合成分析，而本文中的平均值是1961—2010年3—5月份的平均值，距平值指多（少）雾年的合成与平均值的差值。

4.1雾季海温距平

从图5a和5c可以看出多雾年海温距平在太平洋赤道地区呈明显的正距平，最高温大约在赤道100°—130°W附近，而在台湾海峡及大陆沿岸均为明显负距平，在平潭附近的海域水温比正常年份低-2.4℃，进入台湾海峡的黑潮减弱，福建北部和南部有两个低值中心水温可比正常年份低-3.0℃以上。根据1956—2009年间El/La事件发生年表[27]，发现多雾年5年中有3年处于暖事件年，持续时间4个季节以上并且强度较强；1年在正常年份；1年在冷事件年份。这也可以侧面印证多雾年赤道地区海温距平正异常。赤道海温异常升高通常伴随着黑潮低温，黑潮低温可造成西太平洋副高减弱，促使信风减弱，Walker环流的下沉支更靠近西太平洋，在沿岸低温区形成稳定的大气层结，低空的水汽杂质难以输送到高空形成云，暖湿水汽在冷海面更易成雾。

这种水温的分布图5b和5d看出少雾年在赤道地区为负距平，高温区在太平洋中部的副热带海面上，而在台湾海峡中部由于强大黑潮影响海温偏高1.2℃以上，大陆沿岸的冷水区强度和范围大大减弱。根据1956—2009年间El/La事件发生年表，发现少雾年5年中有4年处冷事件年，几乎均处于拉尼娜事件发生强度高峰期[27]；1年在正常年份。拉尼娜年Walker环流的上升支更靠近西太平洋，使得当地对流加强，形成不稳定的大气层结，有利于成云不利于成雾，同时增温的海面难以海雾形成所需的冷下垫面，成雾可能性大为下降。

图4　雾长频次

4.2高层500 hPa环流形势

500 hPa环流形势提供天气背景场，从图6a看出多雾年西太平洋副高明显存在于菲律宾附近，整个南海和南亚地区位势高度正异常，而北边东亚大槽位置明显偏南强度偏强，这种环流形势利于暖空气北进，春季暖空气过冷水面有利于形成平流雾；图6b位势高度线比较平直，西太平洋副高消失，北部东亚大槽平直强度偏弱，这种环流形势不利于暖空气北上，没有暖空气平流雾较难生成。

图5　全球海温距平值（a、b）和台湾海峡海温距平值（c、d）

图6　环流形势图（黑色细实线：500 hPa位势高度；红色细实线：距平零线；填色区域：距平值）

4.3垂直环流平潭气象站位于119.47°N、25.31°E，通过平潭沿西南

(115°E，20°N)—东北(125°E，30°N)做垂直环流剖面图。可以看出，平潭附近(120°N，25°E)多雾年盛行西南下沉气流，低空925 hPa在广东北部沿海有弱的反气旋环流，这种垂直形势可使近地面空气变得更加潮湿稳定，利于成雾。而少雾年高空的反气旋抬升到850 hPa，且往东北方向移动到福建南部沿海，使平潭附近地区转为上升气流，这种垂直环流利于成云不利于成雾。

图7　沿（20°N，115°E）到（30°N，125°E）垂直环流剖面图

图8　从地面到500 hPa整层水汽通量（单位：kg/（cm·s））

图9　1000 hPa（a、b）和850 hPa（c、d）水汽通量（单位：g/（m·hPa·s））

4.4水汽输送

4.4.1整层水汽输送

形成平流雾的另一个重要条件是要有充沛的水汽，平潭多雾年的整层水汽输送值18—21 kg/cm·s，水汽主要来源于南海和孟加拉湾，南海水汽输送分两条路径：一是在海南岛以东洋面右转北上，二是在泰国湾经中南半岛北上；少雾年的整层水汽输送值9—12 kg/cm·s，水汽主要来自孟加拉湾北部。

4.4.2低层1000 hPa和850 hPa水汽输送

由于水汽主要集中在对流层的中下层，图9a和图9b显示1000 hPa平潭地区近地面层水汽输送量多雾年与少雾年差异不大，菲律宾以东洋面不仅水汽输送多，且多雾年的信风也比少雾年的信风要强。图9c和9d显示多雾年份西太平洋水汽输送大，且在巴士海峡附近存在小的反气旋环流，引导南海水汽沿大陆岸往北输送；少雾年份西太平洋的水汽输送远离中国沿海，北支在西太平洋（140°E，20°N）转向东北，南支水汽止于中南半岛沿岸。看来多雾和少雾的水汽输送层次还是主要参考850 hPa，这为预报平潭海雾提供一点思路。

5　小结

（1）平潭年雾日在近50年呈波动中下降，小波分析显示在1965—1975年有大约3年左右的显著周期，1985—1990年有大约2—4年显著周期，1975—1985年多雾日维持和1995—2007年少雾日维持，年雾日变化不明显；

（2）平潭雾季为3—5月，近50年来2月份是唯一雾日增加，海雾持续时间也增加的月份；而雾季中的4月、5月雾日明显减少，但是海雾持续时间却明显延长；

（3）一天中海雾生成时间多集中在02—09时，最多时刻05—08时，最少13—15时；

（4）统计表明，多年海雾平均持续时间为149 min，而出现频次最高的是60 min以内的雾，约占35%，而72%的海雾持续时间小于3 h；（5）多雾年份平潭地区海温较常年偏低2.4，黑潮偏弱，而在赤道地区海温却异常偏高；而少雾年平潭地区海温只偏低0.4，海峡中部黑潮强大海温偏高，赤道地区海温却异常偏低；多雾年副高偏强偏西，同时东亚大槽位置偏南强度偏强，利于暖空气北上，少雾年刚好相反；多雾年盛行下沉气流，使低层变得更加稳定，而少雾年低层上升利于雾抬升成云；多雾年的整层水汽来源于南海和孟加拉湾，少雾年水汽来源只来源孟加拉湾，但是二者在1000 hPa水汽输送差异不显著，而850 hPa层差异显著，这可以作为平潭海雾预报的一个重要参考量。

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Interannaul variation of fog in Pintang island and the analysis of spring circulation in 1961—2010

WENG Guo-ling1,2，HUANG Zhi-gang3，CHEN Hong2，TANG Han-qiu2
(1. Department of Meteorology, Nanjing University, Nanjing 210032 China；2. Fujian Chuanzheng Communication College, Fuzhou 350007 China；3. Meteorology Observatory of Fujian, Fuzhou 350001 China)

Abstract：With method of wavelet analysis, characteristics of fog-day change in Pingtan Island in the past 50 years has been studied according to the monthly data measured from 1961-2010. The results indicate that it is quasi-triennial period with 1961-1975 and 1985-1990 through significance test. The days of fog descend with undulation by nine-point moving average, and the rate of descend is -0.26 d/a. The fog-day and fog-duration only increase simultaneously in February, while fog-day decreases and fog-duration increases in April and May. Based on NCEPNCAR reanalysis data, the variation characteristics of fog-day in spring is analyzed. The results shows that in spring with more fog, the sea surface temperature at the TAIWAN STRAIT is lower, while the temperature at the equatorial pacific is warmer obviously, and Western Pacific Subtropical High is enhanced and the East Asia trough moves more southerly, which benefits meridian circulation. Furthermore, the profiles of vertical circulation along 115°E, 20°N to 125°E, 30°N illustrate that there exists distinct sinking motion on the ground layer for more stratification stability during the spring of more fog. Finally, the vertically integrated moisture flux shows that water vapor comes from the South China Sea and the Bay of Bengal especially on the level of 850hPa during the spring of more fog. But the characters during the spring of less fog, such as sea surface temperature, the intensity and location of Western Pacific Subtropical High, vertical circulation, moisture flux, are opposite to during the spring of more fog.

Key words：Pingtan island；advection fog；interannual variation；climate conditions

作者简介：翁国玲（1976-），女，副教授，硕士，研究方向主要为气象在航海中的应用。E-mail：kk3766@qq.com

基金项目：福建省教育厅A类课题（JA135755）

收稿日期：2013-08-03

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.01.012

中图分类号：P732

文献标识码：A

文章编号：1003-0239（2015）01-0079-08