2020年5月5日凌晨福建中南沿海海雾过程特征及成因分析*

郑泽华 张 伟 陈德花

(1.海峡气象开放实验室，福建 厦门 361012；2.厦门市气象台，福建 厦门 361012)

海雾是指直接受海洋影响，发生在海上或沿海地区上空，使大气能见度小于 1km 的天气现象[1]。海雾的形成，主要是空气在海洋下垫面的作用下，在海上、岛屿或沿海地区达到饱和、凝结，并长时间悬浮空中，使得能见度较低，从而对海上航运及交通造成严重影响。

马治国等[2]在对福建沿海站点资料分析研究中发现，福建省中南部沿海地区为多雾区域，尤其是崇武、厦门和东山最多。前人针对有利于福建海雾发生的天气形势进行了十分详细的归纳总结：魏锦成[3]统计了1997—2006年的历史资料，将海雾日前一天的天气形势划分为地面冷锋型、地面低压倒槽型、地面高压入海型、陆地低压环流暖区型及弱气压场型；李昀英等[4]则将典型天气形势划分为冷平流主导型(冷锋型、准静止锋型、冷高压型)，暖平流主导型(气旋型、入海变性高压型)，均压场型，台风外围型。对于海峡海雾的观测研究，主要技术有人工观测、灯塔观测、探空观测、飞机观测等，其中卫星遥感技术以其覆盖范围广、实时及动态性强等优点，在海雾监测中广泛应用。钱峻屏等[5-6]通过能见度遥感监测和定量反演试验发现，水平能见度与MODIS卫星监测的反照率存在函数关系并建立经验模型。关于福建沿海海雾过程的边界层条件分析，前人研究已取得一定成果。何秀恋等[7]研究发现，福建南部纬度较低，在西南暖湿气流影响下形成平流雾，生成过程中边界层具有逆温层，相对湿度较大，气温比较低且风力较小；黄惠镕等[8]在对春季福建一次海雾过程分析中发现，近地面逆温层、大湿度区维持、中层“干暖盖”、风速适宜、温度露点差小、垂直风切变减小、气温高于海温都是海雾过程发生的有利条件。尽管如此，福建沿海海雾数值模拟预报仍处于较低水平，福建省气象台基于MM5模式集合预报系统生成台湾海峡雾、浓雾和强浓雾的概率预报，在海雾预报上起到了一定的预警作用，但依旧存在模式成员少，海雾生消的物理机制、边界层参数化方案和下垫面条件需进一步研究确定等问题[9]。

2020年5月4日夜间到5日凌晨，福建沿海自北向南发生一次海雾过程，范围覆盖中南沿海大部，持续时间超过8h，厦门沿海地面自动站能见度小于500m超过6h，对内海航线及各大桥通行都造成了较大影响。本文利用卫星监测、地面自动站、微波辐射计、风廓线雷达等观测手段，结合第五代ECMWF大气再分析全球气候数据(ERA5)再分析资料，对此次过程进行分析，以期为厦门沿海海雾预报提供参考依据。

1 资料分析与处理

本文利用葵花8卫星(Himawari—8)红外双通道亮温差代表海雾；地面自动站(翔安站、张埭桥水库站、土屿站)逐5min气象观测资料，主要采用的要素有风速、风向及能见度；ERA5再分析资料，包含的物理量有：1000hPa及地面风速、风向、温度、相对湿度，海表温度等(水平分辨率为0.25°×0.25°)；翔安微波辐射计及风廓线雷达观测资料；MICAPS站点观测资料。

2 海雾过程时空演变特征

2.1 卫星遥感监测

利用葵花8卫星的长波红外与短波红外差异大值区表征大致海雾范围。如图1所示，在2020年5月5日2时，在闽中南部海上就已出现双通道亮温差大值区，与海岸线平行，呈线状分布，大部分区域差值超过2℃，意味着此时海雾厚度较厚；后大值区逐渐向厦门沿海移动，亮温差值进一步增大，最大区域超过3℃，大雾强度进一步增强。从4时的差异图可以看到，厦金海域上空的双通道亮温差已达到2.5℃附近，意味着海雾已移动至厦门内海，此时翔安南部及厦门岛东部已明显处于浓雾覆盖中；随后海雾继续缓慢南压，从5时30分的差异图上可以看到，亮温差逐渐减小，介于0.5～1℃，海雾厚度逐渐减小，但浓雾范围为块状，范围较大，且恰好覆盖厦门全市及近海大部，因此此时为本次过程的成熟阶段；随后海雾停滞维持，6时后伴随日出，亮温差逐渐减小接近于0℃，结构逐渐松散，大雾逐渐消散，此次过程趋于结束。

图1 2020年5月5日2时、4时、5时30分及6时葵花8卫星长波红外与短波红外亮温差异图

2.2 厦门沿海站点气象要素演变

选取3个沿海自动站作为此次过程的典型代表站，其中张埭桥水库站(F2283)位于翔安南部沿海，以此站点表征海雾对厦门内海的影响；土屿站(F2128)位于厦门岛南部沿海，代表厦门近海气象要素变化特征；翔安站(59140)位于大嶝岛，用于8表征此次过程对厦金海域的影响。

从翔安站要素时序图上可以看到(图2)，5日2时20分前后，能见度快速下降，海雾开始影响厦金海域，此时风力维持在2m/s附近，从风向上看，其偏南分量明显增加；从5日6时前后起(过程消散阶段)，虽能见度上升较为缓慢(5日9时后上升至1km以上)，但风有明显变化，风力明显增强，且风向转向为西南风。张埭桥水库能见度下降时间稍晚于翔安站(5日3时前后)，此时海雾逐渐由厦金海域蔓延进入厦门内海，此时风向短暂由偏东风转为东北风，随后逐渐转为西南风控制；消散阶段风演变特征与翔安站相似，风力逐渐增强，而能见度转好时间略早于厦金海域。海雾于5日3时30分前后南压至厦门南部沿海(图2)，风向逐渐由偏东风转向为偏南风，风力有所增强，但整体仍属于弱风控制(3m/s左右)；海雾消散时间则大致与内海相同，能见度都于5日7时前后上升至1km左右，该阶段风向无明显变化，风力同样明显上升。

图2 2020年5月5日0时至10时沿海代表站风及能见度演变情况

3 海雾过程成因分析

3.1 环流背景

相对静稳的天气形势是海雾过程生成、维持的背景条件。图3分别给出了2020年5月4日20时500hPa、850hPa、925hPa及地面形势图，以讨论此次过程发生前的天气背景。

图3 2020年5月4日20时500hPa高空观测(a)、850hPa高空观测(b)、925hPa高空观测(c)、地面填图(d)

如图3a所示，2020年5月4日20时500hPa上福建南部主要受副高北部弱脊区控制，偏西气流控制；850～925hPa上为弱西南气流，且华南地区为明显暖区控制；低层大气层结较为稳定，有利于海峡内海雾的生成。从地面图上看(图3d)，福建沿海位于低压东侧的弱偏南气流控制，海上的弱暖湿气流为此次海雾过程提供了水汽条件，且弱风条件下有利于层结稳定的维持。

3.2 水汽通量及散度变化

从1000hPa水汽通量及散度图上可以看出，在4日22时(图4a)，受偏南暖湿气流影响，台湾海峡内有较强水汽通量输送，其来源主要为我国南海；弱水汽通量散度负值区主要集中在福建中部沿海，有利于海雾海上逐渐形成；在地面要素场上(图4b)，闽中北部开始出现相对湿度超过95%区域，海雾开始生成；在海峡北部，虽然有明显的水汽条件，但水汽通量辐合强度较大，结合云图(图1)可知，并无强海雾生成，这也说明适宜的辐合作用对于海雾生成的重要性。而海峡南部沿海为从海上吹来的偏南风，且风向垂直于温度梯度，有利于水汽的凝结冷却。到5日02时(图4b)，散度负值区南移，覆盖整个闽南沿海，此时沿海大部相对湿度超过95%，能见度下降，海雾开始逐渐影响厦门内海。此时10m风逐渐转为西南风，而从温度场上看，较冷区域(小于25℃)逐渐向南延伸。

填色为水汽通量散度，单位：g/hPa×cm×s；箭头为水汽通量，单位：10-5g/hPa×cm2×s; 填色为相对湿度；箭头为10m风场，单位：m/s；红线为2m气温，单位：℃图4 2020年5月4日22时(a、c)、5日02时(b、d)1000hPa水汽通量及散度、地面要素分布图

填色为水汽通量散度，单位：g/hPa×cm×s；箭头为水汽通量，单位：10-5g/hPa×cm2×s; 填色为相对湿度；箭头为10m风场，单位：m/s；红线为2m气温，单位：℃图5 2020年5月5日06时(a、c)、08时(b、d)1000hPa水汽通量及散度、地面要素分布图

5日06时，海峡内的西南水汽通量较前几个时次明显减小(图6a)，沿海地区的散度负值区维持，而海上负值区进一步向南延伸，此时海峡中部已无明显水汽通量辐合，不利于海雾的生成和维持；而从地面要素分布看(图5c)，相对湿度超过95%的区域覆盖整个沿海地区及海峡南部，风则仍为偏南风，温度也较上个时次变化不大。之后海雾过程进入消散阶段，相对湿度大值范围开始逐渐减小，地面偏南气流减弱(图5d)，水汽通量也逐渐减小，而沿海地区有水汽通量辐合，但此时辐合强度较强，不利于海雾继续维持(图5b)。

3.3 逆温层

从5月4日20时厦门站探空图(图6左)可以看到，此时并没有逆温层存在，且低层的湿层浅薄，仅850hPa上湿度较大，而此时925hPa以上风随高度顺转，说明低层有弱的暖平流；到5月5日08时(图6右)，由于边界层顶的暖平流以及夜间地面的降温，导致925hPa高度附近逐渐有逆温层产生，且湿度超过80%。逆温层的形成抑制了对流的发展，阻止生成的海雾抬升转化为低云。但逆温层内温差较小，逆温强度较弱，也是此次海雾过程没有进一步发展的原因之一。

图6 2020年5月4日20时(左)、5日08时(右)厦门站(59134)探空图

4 边界层气象要素演变特征分析

4.1 海温分布及海气温差

从海峡海温分布图(图7a)可以看到，福建沿海地区为一个明显的冷水区，而海峡内及南部海域则温度明显高于沿海，在弱的偏东风或偏南风下，暖水区上空的暖湿气流输送至冷水区上空，海洋对海上空气有冷却作用，小水滴的冷却凝结有利于海雾过程的发生。

从海气温差的演变图可以发现，在海雾发展南压阶段，闽中南部沿海海气温差有一个明显的减小。5月5日02时(图7b)，此时海雾在闽中部沿海发展，此时福建中南部及广东北部沿海大部海气温差都为正值，且闽南部沿海差值在1℃附近，气温略高于海温，说明有偏南暖湿气流输送，并在冷洋面上凝结，并且气流强度较弱，不易形成降水；而后海气温差逐渐减小，直到5日06时左右(图7b)，海气温差接近0℃，并且海峡南部海域海气温差为负，说明此时南部暖湿输送逐渐减少，海雾过程停止发展，并逐渐进入消散阶段；之后伴随日出，辐射加温，海气温差快速增大，海雾逐渐消散，此次过程结束；福建北部沿海海气温差则始终为正距平。

图7 2020年5月5日02时(a)海表气温图及02时(b)、06时(c)、10时(d)海气温差图

4.2 风向、风速及相对湿度垂直分布演变

结合微波辐射计、风廓线雷达探测结果和翔安自动站观测结果(图8)可以发现，在翔安站能见度下降前(5日2时前后)，湿度的大值区主要维持在底层(1km以下)，底层主要以东北风为主；在能见度下降初期，海雾仍聚集在底层(1km以下)，但风向逐渐由东北风转为偏西风控制；5日3时30分前后，大雾开始向上层扩散，此时雾的厚度明显增加，且底层风向以偏北风为主，受风向影响，此时海雾进一步南压，开始影响厦门岛东部地区；到了消散阶段(5日6时30分前后)，此时2～3km高度上东北风明显增强，稳定层结逐渐破坏，不利于海雾的继续维持，但底层湿度仍较大，且地面风速较小，因此大雾消散速度较慢，翔安站能见度直至5日9时后才逐渐好转。

填色为相对湿度,单位：%图8 2020年5月5日0时至9时翔安微波辐射计、风廓线雷达探测结果时序图

5 结论

利用各类观测手段及再分析资料，对2020年5月5日凌晨福建中南部沿海海雾过程的演变特征及海洋气象条件进行分析，并针对厦门的海雾预报预警进行讨论，主要得到以下几点结论。

①通过葵花8卫星双通道亮温差的分布，结合自动站观测结果，可以较清楚地描述此次海雾过程。此次过程维持时间超过8h。5日2时之前，已在闽中南部海上形成，与海岸线平行，呈带状分布，后逐渐南压，强度逐渐增强；2时20分前后开始影响厦金海域，地面以弱南风为主；3时前后，海雾蔓延进入厦门内海，地面风开始转向；5时30分浓雾已变为块状停滞维持，强度较强，覆盖厦门全市及近海大部；6时后伴随日出，海雾结构逐渐松散。

②此次海雾过程发生前(4日夜间)，整层大气环流较为静稳：高层受副高北侧弱脊区控制，中低层大气层结较为稳定，且有弱西南暖湿气流输送，也导致925hPa上有逆温层形成，维持底层大气的稳定，抑制了暖湿空气向上发展，使其维持在边界层内，保证了此次海雾过程在1km高度内维持发展；随后由于2～3km高度上东北风明显增强，导致逆温层逐渐破坏，此次过程趋于结束。

③4日夜间到5日白天，整个台湾海峡内都有较强的水汽输送，且主要来自我国南海。福建南部沿海有明显的温度梯度及风的弱辐合，且维持时间较长，配合海峡内充足的水汽条件，导致此次海雾过程强度较强且维持时间较长；而在海峡北部，虽然具备水汽条件，但水汽辐合较强，不具备凝结悬浮条件，因此并无强海雾生成。

④此次海雾过程中，福建沿海海温为明显的冷水区，一定强度的暖湿平流使得气温略高于海表温度，使得水汽凝结悬浮。海雾发展阶段海表气温略高于海温，差值在1℃左右；后温差逐渐减小，到海雾成熟阶段，此时海气温差接近0℃；而后海温逐渐高于气温，海雾过程开始趋于消散。因此，1℃的海气温差可能是厦门沿海海雾预报预警的指标之一。