2018年春节期间琼州海峡持续性大雾监测分析

黄彬，宋晚郊，刘爽，孙舒悦，吴振玲

(1.国家气象中心，北京 100081； 2.国家卫星气象中心，北京 100081； 3.天津市气象台，天津 300074)

引言

我国近海不同区域海雾的形成机制和边界层结构特征有一定的差异，这与不同区域的地理和气候背景密切相关。王彬华[1]研究指出我国近海海雾根据季节从南向北递推，南海的海雾频发期在12月—次年3月，之后雾区随着季节向北移动[1]。黄辉军[2]、HUANG et al.[3-4]根据中国气象局广州热带海洋气象研究所茂名博贺海洋气象科学试验基地2007—2012年海雾季节的观测资料，指出华南沿海海雾主要发生在1—4月，峰值在3月；统计分析表明，华南沿海平流冷却雾中主要以近海面气温高于海面温度的个例居多，达到69%；近海面气温低于海面温度的个例占28%。海雾往往发生在两次冷空气入侵之间，当海雾发生时，华南沿海地区低空多为东南风输送的海上暖湿气流。刘少军等[5]基于FY-3B气象卫星资料分析中国南海海区海雾时空分布特征，研究指出南海海雾的出现高频次时间多在2月，1月次之，3月最少，南海海雾多出现在华南沿海、北部湾沿海、琼州海峡和海南岛东北部沿海海区，南海南部海域出现海雾的概率较低。海雾具有很强的区域性特征，主要发生在离岸边100～200 km范围内的冷海面区域，以雷州半岛附近海域发生频率最高；海雾经常发生在下午或者晚上，持续到第二天上午。岳岩裕等[6]统计发现雷州半岛海雾发生期间近地面风向以偏东风为主，占79%；偏北风占21%。雾发生期间近地面的平均气温变化范围为18～24 ℃，平均风速为1～5 m·s-1。吕晶晶等[7-8]分析湛江东海岛海雾，认为海雾多发生在270 m以下，此高度层之上有近似等温和弱逆温层，湛江海雾的生消与风场密切相关，海雾生成和发展与较强的ESE气流相联系，而弱的东北气流则会促使海雾减弱或消散。袁金南和黄健[9]对珠江口附近春季一次海雾的形成和发展过程进行了分析，然后利用WRF中尺度模式对该次海雾过程进行了三维数值模拟，此次过程是南海北部受到偏南暖湿气流影响后迅速增暖，冷海面与近海面的暖湿空气相互作用而形成的一次平流冷却雾。屈凤秋等[10]针对华南粤西沿海出现的一次海雾过程分析结果表明：海雾过程发生在春季西南低涡发展南下的天气背景下，大气低层有明显暖湿气流输送，而高层层结稳定；在西南低涡特殊的天气背景下，白天雾层较浅薄，夜间雾层向上发展；雾的微物理结构与雾层的发展有密切关系，在雾的初始阶段大水滴明显较多，而在雾层向上发展、垂直混合阶段，雾滴有明显的蒸发现象，雾滴谱具有局地特征。

综上所述，南海海雾主要发生在12月—次年4月，而且集中在沿海近岸处，南海南部海域很少有雾，主要因为南海南部海域水温大于25 ℃，洋面上的空气不易凝结形成海雾。已有的文献主要研究南海西北部近岸海域的海雾，如湛江、雷州半岛、珠江口等华南沿海近岸处的雾，海雾一般持续2 d，琼州海峡海雾的研究较少。2018年2月15—20日，琼州海峡连续6 d有海雾，最低能见度不足200 m，造成琼州海峡航运停航，正值春节假日，严重影响出行，造成旅客大量滞留，导致出入海南岛车辆严重拥堵，堵车里程一度达10 km。本文主要使用气象卫星监测分析琼州海峡持续性海雾的时间演变特征，并从大气海洋条件分析海雾持续性的原因。

1 研究数据

1)研究采用葵花8号(Himawari-8)气象卫星遥感监测数据，其可见光分辨率为0.5 km，红外分辨率为2 km，时间间隔为1 h；2)采用美国国家环境预报中心(NCEP)提供的再分析资料(final analysis，FNL)，其水平分辨率为1°×1°，时间间隔为6 h；3)采用美国NCEP-DOE R2再分析2 m气温数据集[11]，数据格点都为192×94的T62高斯网格，经向有192个格点，分辨率为1.875°，纬向有94个格点；4)采用美国NCEI-OISST月平均海面温度及日平均海面温度数据集[12]，日平均海面温度数据分辨率为0.25°，月平均海面温度数据分辨率为1°；5)采用徐闻气象站、海南气象站数字式探空仪数据，地面气象站观测数据。

2 天气过程实况监测分析

2.1 卫星监测分析

用ELLROD方法可以将海雾和低云作为一类从晴空地表和其他中低云中区分出来，但上述算法只适用于夜间[13]。白天海雾识别采用多通道组合系数法[14]，对于黄渤海海雾的平流冷却雾特点，上述算法能够显著地提高海雾的判识准确率。但该方法对于东海以南多低云条件，识别准确率会下降。气象卫星监测(图1)显示，15日上午09时(北京时，下同；图1a1)，琼州海峡及雷州半岛周边海域布满海雾；中午12时前后(图1a2)，琼州海峡东侧的海雾开始消散；到下午14时(图1a3)，琼州海峡及雷州半岛周边海域的海雾消散；夜间21时(图1a4)，琼州海峡附近有新的海雾生成，之后海雾范围扩展。到16日上午09时(图1b1)，琼州海峡又布满海雾；中午11时前后(图1b2)，琼海海峡海雾消散；下午15时(图1b3)，琼州海峡再次开始有海雾生成；到夜间20时(图1b4)，海雾消散。17日早上06时(图1c1)，气象卫星监测显示雷州半岛东侧的海雾向西移动进入琼州海峡；到11时(图1c2)，西移进入琼州海峡海雾布满整个海峡；13时(图1c3)，琼州海峡海雾消散；在夜间22时(图1c3)，琼州海峡有海雾生成。18日白天到夜间(图1d1—d4)，气象卫星监测显示琼州海峡全天有海雾；到19日上午08时(图1e1)，海雾消散；19日中午11—13时(图1e2—e4)短暂有海雾生成，20日以后云量增多，气象卫星监测无法辨识。22—24日，琼州海峡上空是较厚的降水云系，地面有降水。

图1 2018年2月15—19日气象卫星监测海雾的云图(白天海雾反演为红色区域，夜间海雾反演为蓝色、绿色区域；a1. 15日09时，a2. 15日12时，a3. 15日14时，a4. 15日21时；b1. 16日09时，b2. 16日11时，b3. 16日15时，b4. 16日20时；c1. 17日06时，c2. 17日10时，c3. 17日13时，c4. 17日22时；d1. 18日09时，d2. 18日12时，d3. 18日16时，d4. 18日20时；e1. 19日08时，e2.19日11时，e3. 19日12时，e4. 19日13时)Fig.1 Cloud imagery of sea fog by satellite monitoring from 15 to 19 February 2018 (red area for daytime sea fog retrieval, blue and green areas for nighttime sea fog retrieval; a1. 09:00 BST 15, a2. 12:00 BST 15, a3. 14:00 BST 15, a4. 21:00 BST 15, b1. 09:00 BST 16, b2. 11:00 BST 16, b3. 15:00 BST 16, b4. 20:00 BST 16, c1. 06:00 BST 17, c2. 10:00 BST 17, c3. 13:00 BST 17, c4. 22:00 BST 17, d1. 09:00 BST 18, d2. 12:00 BST 18, d3. 16:00 BST 18, d4. 20:00 BST 18, e1. 08:00 BST 19, e2. 11:00 BST 19, e3. 12:00 BST 19, e4. 13:00 BST 19 February 2018)

整体来说，连续气象卫星监测结果显示，在20日之前琼州海峡及雷州半岛周边海雾多有发生，15—17日海雾多在夜间生成，持续到上午，中午前后一般消散，18日全天有雾。20日之后由于天空云量较多，气象卫星监测无法辨识近海面的雾。

2.2 代表站天气实况监测分析

徐闻站(地理位置见图1a4)是琼州海峡区域常用的陆地代表站。以徐闻站代表春节期间(2018年2月15—21日)的基本天气及能见度变化特征。

春节期间，从2月15日凌晨至20日早晨，徐闻站(图2)连续6 d出现了雾(能见度小于1 km)，主要发生时间集中在夜间至早晨(23时—次日08时)，期间有7个时次记录的能见度不足200 m(浓雾/强浓雾)。其中18日全天能见度都低于5 km。

由地面实况监测(图2)显示，在雾的形成期间气温、露点温度变化与海雾生成有一定的对应关系，14日14时午后天空晴间多云，徐闻站气温24 ℃，露点温度18 ℃。到晚上20时，气温降到19 ℃，露点温度不变，仍为18 ℃，气温和露点温度差小于1 ℃，此时开始形成轻雾。至夜间23时能见度降到500 m， 15日02时能见度降到100 m以下，气象卫星监测反演显示琼州海峡有雾(图1a1)，15日上午11时气温升到26 ℃，地面站点监测为轻雾，12时前后卫星监测显示海雾范围减小，14时海雾消散，而地面监测显示能见度提升至大于10 km,雾消散。下午17时，天空状况为晴间多云，气温从26 ℃降到20 ℃，露点温度一直维持在19 ℃左右，气温和露点温度之差小于1 ℃，卫星监测反演在21时开始有海雾重新生成， 15日23时地面监测为轻雾。16—17日与15日相似，不再赘述。辐射雾一般形成在边界层静风，层结稳定且晴朗无云的天气。琼州海峡附近云量相对较多(白天晴到多云，夜间多云到阴)，此次过程风向为东到东南风，ASCAT卫星散射计洋面风风速为5～8 m·s-1(图略),偏东风带来大洋的暖湿气流，所以基本排除辐射雾，是海上平流雾。

图2 2月13—22日徐闻站08时能见度(单位：km；a)和气压(黑线，单位：hPa)、气温(红线，单位：℃)、露点温度(蓝线，单位：℃)日变化实况监测三线图(b)Fig.2 Visibility at 08:00 BST (units: km; a) and monitoring of diurnal variation (b) of atmospheric pressure (black line, units: hPa), temperature (red line, units: ℃), and dew-point temperature (blue line, units: ℃) at Xuwen Station from 13 to 22 February 2018

与15—17日不同， 18日一直维持阴天，且琼州海峡附近出现了弱降水(累计雨量小于1 mm)。一方面，由于云层较厚，挡住太阳辐射导致大气难以增温。另一方面弱降水在地面蒸发，吸收地面热量的同时，增加了水汽量。两方面作用导致气温和露点温度都一直维持在20 ℃左右，18日全天地面监测都维持在雾或轻雾的天气状况，能见度维持在5 km以下。气象卫星反演显示与地面监测保持一致。19日05时以后气温和露点温度都升高，中午11时气温升高到23 ℃，但是露点温度也升高为21 ℃，温度露点差仍在成雾的适宜条件，此时气象卫星监测显示该时间段有雾生成，19日20时至20日上午11时，气温和露点温度回落到20 ℃，仍有海雾生成，20日以后环流有所调整，转为降水天气。

3 海雾生消的气象水文条件分析

3.1 天气形势概况

在春节之前，粤西地区受冷空气影响(11—13日)(图3a、b)，气温较低。随后气温逐渐回升，并转受东侧变性高压脊控制(13—14日)。之后天气平稳，15—16日，原位于华北一带的冷空气逐渐南下，由于冷空气偏弱，到南岭一带便无法继续南下扩散。这样，在华南一带便形成均压场(图3c、d)。同时，15—17日，可看到云南和广西一带有地面低压维持，因此在低压东南侧的广西和广东西部一带，易形成弱的偏东或偏南风。西南涡南移到云南南部，冷锋位于贵州至长江中游一带，在这种形势配置下，18—20日，琼州海峡一带仍然为均压场，边界层附近为偏东或东南气流，在边界层附近琼州海峡附近形成了弱的偏南气流，有利于南部海洋上相对暖湿的气流平流到琼州海峡沿岸地区。海洋性的南风在边界层抵御了干燥的大陆性气团，有利于维持边界层的湿度，东侧入海的高压脊进一步减弱，但仍为华南沿海带来东侧开阔洋面偏东气流。南海南部海洋上以及东侧洋面上均带来海上相对偏暖湿的气流，从而给琼州海峡附近带来增湿作用。这也与之前气象卫星监测到的海雾从东西两侧涌入琼州海峡相吻合。到21日之后受冷空气影响，多降水天气。

图3 2月12日08时海平面气压场(a；等值线，单位：hPa)、500 hPa高度场(b；等值线，单位：dagpm)和15—20日海平面平均气压场(c；等值线，单位：hPa，D表示西南低涡的位置)、500 hPa平均高度场(d；等值线，单位：dagpm)Fig.3 Sea-level pressure (a; isoline, units: hPa) and geopotential height at 500 hPa (b; isoline, units: dagpm) at 08:00 BST 12 and sea-level mean pressure (c; isoline, units: hPa, D for location of southwest vortex) and mean geopotential height at 500 hPa (d; isoline, units: dagpm) from 15 to 20 February 2018

春节期间2月15—20日天气形势稳定，500 hPa为平直等高线，副热带高压东退，副热带高压西侧偏东气流带来大洋上的暖湿水汽。海平面气压梯度小，海峡的压差在1 hPa左右，在这种准均压场的条件下，海面上偏东和偏南的暖湿气流利于雾的形成和维持。

3.2 海面温度演变分析

由1982—2017年多年2月月均海面温度距平(简称“海温距平”)与2018年2月月均海温距平对比(图4a、b)分析显示，华南沿海近岸和北部湾海域是低海温距平区，相比于常年平均偏低，琼州海峡以东外海有3个海温距平的暖中心，相比于常年平均偏暖，气象卫星监测反演的日海面温度表明沿海附近的海面温度存在明显的梯度。粤西和北部湾地区近岸沿海一带在春节期间海面温度在 14～16 ℃，在离岸200 km以外的外海，海面温度大于20 ℃，与近岸海面温度的温差达到6 ℃以上。故流经3个高海温距平中心的大洋偏东气流被加热，当到达近岸冷海域易降温凝结成海雾。

图4 多年(1982—2017年)2月月平均海温距平(a；填色，单位：℃)和2018年2月月平均海温距平(b；填色，单位：℃)Fig.4 Mean sea surface temperature anomaly (SSTA) (a; colored area, units: ℃) in February from 1982 to 2017 and mean SSTA (b; colored area, units: ℃) in February 2018

3.3 流场形势变化分析

由流场2 m湿度变化合成图(图5)可以看出，12—13日(图5a1)，因粤西沿海、北部湾、琼州海峡受冷空气影响，流线分布呈东北—西南方向，琼州海峡和粤西受东北冷气流影响，2 m比湿在上述海域为6～10 g·kg-1，925 hPa是干层(图5b1)，到14—15日(图5a2)，粤西沿海、北部湾天气影响系统为均压场和西南低涡，流场有所调整，南海北部海域流线分布的走向为洋面上东南气流以及南海南部海域的偏南气流流经南海北部海域，故上述海域的比湿增大，比湿达到11～14 g·kg-1,湿度较之前增加5 g·kg-1，16—20日(图5a3，图5c1—c2)，大洋上的东南气流仍持续推送到南海北部海域。14—19日(图5b2—b3，图5d1—d2)925 hPa近地面湿层上空有个干中心维持，“上干下湿”有利于海雾维持和垂直发展形成一定厚度的海雾[15]。到21日(图5c3、图5d3)，低层和925 hPa湿度明显减小，边界层转为干性，海雾消散。

图5 2018年2月12—21日(a1/b1. 13日，a2/b2. 15日，a3/b3. 18日，c1/d1. 19日，c2/d2. 20日，c3/d3. 21日)08时10 m流场和2 m比湿(a1/a2/a3/c1/c2/c3)、925 hPa流场和比湿(b1/b2/b3/d1/d2/d3)对比图(黑色实线箭头代表流线方向，填色区代表比湿)Fig.5 Comparison on flow field at 10 m and specific humidity at 2 m (a1/a2/a3/c1/c2/c3) and flow field and specific humidity at 925 hPa (b1/b2/b3/d1/d2/d3) at 08:00 BST from 12 to 21 (a1/b1. 13, a2/b2. 15, a3/b3. 18, c1/d1. 19, c2/d2. 20, c3/d3. 21) February 2018 (black solid line arrow for streamline direction, colored area for specific humidity)

4 海雾生消的边界层特征

14日海雾形成期间在近地面层一定高度上有逆温层或等温层，由且边界层处为弱东南或偏南风，这时海雾形成。由琼州海峡(20.15°N，110.26°E)时间高度剖面图(图6)可以看出，14—15日低层为东南风，17—19日低层东南风风速增大，950～900 hPa风速可达10 m·s-1。暖湿气流不断被输送至琼州海峡，低层湿层增厚为雾的长时间维持提供了较好的水汽条件。从15日探空图(图7a)上可以看到，边界层以上都是干区，湿区只集中在边界层，逆温层浅薄，这表明此阶段的雾层相对浅薄。根据雾形成原理，一旦雾形成后，晴空辐射作用由地面转到雾顶。在地面形成雾之后雾容易和低云混合在一起，在雾顶/低云顶以上由于相当干燥，辐射降温得到维持，雾进一步增厚。

图6 2018年2月15—25日琼州海峡(20.15°N，110.26°E)时间-高度剖面图(橙色为温度等值线，单位：℃；填色为相对湿度，单位：%)Fig.6 Time-height vertical profile in Qiongzhou Strait (20.15°N, 110.26°E) from 15 to 25 February 2018 (orange line for temperature isoline, units: ℃; colored area for relative humidity, units:%)

18日700 hPa有小槽过境，且琼州海峡附近出现弱降水(累计雨量小于1 mm)，地面湿度大。由18日探空图(图7b)可以发现，低层的湿层明显增厚，另一方面，结合气象卫星监测全天天空云量较多，由于云层较厚，挡住太阳辐射导致难以增温，两方面作用导致气温和露点温度都一直维持在20 ℃左右，雾难以散去。19日和20日湿层增厚,有降水，部分时段有雾。

5 小结

2018年春节期间的2月15—20日，琼州海峡连续6 d有雾。本文主要使用气象卫星监测分析持续性海雾的时间演变特征，并从大气海洋条件分析海雾持续性原因。

1)气象卫星连续监测显示，在15—20日琼州海峡及雷州半岛周边海雾多有发生，15—17日海雾多在夜间生成，持续到上午，中午前后一般消散，18日全天有雾。卫星连续时次监测显示海雾由东西两侧进入海峡的情况。海雾日变化不明显，有平流演变特征。地面代表站监测显示15—20日连续6 d琼州海峡有雾，夜间能见度最低100 m，白天能见度渐好，转为轻雾。观测显示18日全天能见度小于5 km。

2)成雾期间，琼州海峡处于静稳的均压场中，同时西南低涡也起着辅助的作用。入海高压使沿海维持偏东风，西南侧的低涡则有利于海上南风的形成。海洋性的南风在边界层抵御了干燥的大陆性气团，有利于维持边界层的湿度，同时相对暖湿的偏东海洋性气团遇到较冷的沿海海面，容易降温达到饱和，形成海雾。

3)在华南沿海近岸为低海面温度区域，与外海温度梯度差达6 ℃，同时春节之前的冷空气使海面温度进一步降低，华南以东洋面有3个暖海温距平中心，偏东或东南气流把大洋上的暖湿气流推送到近岸冷海面降温凝结形成海雾。

4)低层流场分析表明前期低层为东北的干冷气流，之后转为东南向大洋上的暖湿气流，而且14—19日925 hPa近地面湿层上空有一个干中心维持，“上干下湿”的湿度层结有利于海雾维持和向上发展形成一定厚度的海雾。

5)低层持续东南风，暖湿气流持续地被输送至琼州海峡，为雾的长时间维持提供了较好的水汽条件。18日全天都维持在雾或轻雾的天气状况。低云增加和弱降水是使雾白天得以维持的重要因素。