黄海北部海域春季一次平流雾特征分析

梁 军,冯呈呈,王 磊,张胜军,张黎红,常慧琳

(1.辽宁省大连市气象局，辽宁 大连 116001；2.辽宁省长海县气象局,辽宁 长海 116001；3.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081)

引 言

海雾主要生成于海上、岛屿或沿海地区。黄海是我国近海海雾发生最频繁的区域，黄海北部沿岸站即山东半岛东北部的成山头更有“雾窟”之称。研究表明，黄海海雾多发于4—7月，8月后较少发生[1]。黄海春季海雾的多少与中纬度大气环流密切相关。当东亚大槽位置明显偏西，黄海处于槽前，其边界层以下为相对湿度大值区，黄海雾日较多；反之，东亚大槽位置明显偏东，黄海处于槽后，水汽向北输送受阻，相对湿度大值区多在长江中下游以南地区，黄海雾日偏少[2-3]。海雾可分为平流雾、混合雾、辐射雾、地形雾等，黄海海雾多以平流冷却雾为主[1]，美国气象学者甚至把海雾直接定义为平流(冷却)雾[4]。黄海平流雾多发生在特定的天气系统下，当地面盛行偏南风时[5-7]，有利于低层水汽不断积累增多。暖湿气流经过冷下垫面冷却凝结成雾，平流雾期间低层大气总有逆(等)温层存在，成雾期间气温高于水温0～2 ℃，且雾区内气温与水温差较雾区外明显偏小[8-11]。

近年来，随着大雾监测手段的提高，可从气象铁塔、微波辐射计、系留气艇、激光云高仪等设备获取温度、湿度、液态水含量、雾滴数浓度和有效半径观测数据，有助于进一步揭示雾的边界层特征、高度和强度、变化过程及物理成因[12-17]；数值预报模式垂直分辨率和边界层参数化方案等的改进[18-19]，可提高平流雾的模拟能力。

黄海北部春季平流雾不同于内陆，黄海北部春季平流雾成雾期间风速较大，当最大风速超过17 m·s-1时雾仍可持续维持，并由高湿区向低湿区输送[2,8]。数值预报模式预报此类雾发生期间能见度变化趋势与实况接近，但对最低能见度预报明显偏大，而此类雾生成、维持及传播机制的研究较少，由于海上测站缺乏，很难真实反映海上能见度的变化，因此其监测和预报仍然是业务工作中的难点。

本文利用NCEP/NCAR 再分析资料(1°×1°)、FY-2E卫星观测资料、自动气象站资料和L波段加密探空资料，对2012年4月22—24日黄海北部春季一次偏南大风期间的平流雾过程进行分析，研究其环流背景、形成原因、维持和传播机制，以期为该区域此类雾的预报提供参考依据。

1 雾过程天气概况

2012年4月22—24日辽东半岛和山东半岛东部沿海地区及黄海海域出现大范围强浓雾(50 m≤能见度<200 m)天气。22日23:00(北京时，下同)沿岸地面气象站，朝鲜半岛西部海岸已出现轻雾(山东半岛的浓雾是自江苏东北部海面向北传播扩展的另一海雾区，持续至23日11:00，本文不做重点分析)， 23日08:00[图1(a)]朝鲜半岛西部海岸、黄海北部及辽东半岛沿岸地区已出现灰白色云团，其边界较为清晰，纹理均匀，具有明显的层状云结构，雾区厚薄不均匀，在朝鲜西部沿海有明显的空心干区，此时雾区内能见度多为200 m左右。之后，雾区向东北偏北方向移动，至14:00[图1(b)]雾区边界更加清晰,云层结构逐渐密实，空心干区范围加大，分别在辽东半岛东部和朝鲜半岛西部海面及沿海地区形成2个浓雾区，2个浓雾区之间有一条西北—东南向的带状雾区相连接；辽东半岛沿海气象站的监测表明该区域能见度仍不足400 m；14:00—17:00，朝鲜半岛西部海面的雾区向西北移动，西北—东南向的带状雾区宽度增加了3倍(图略)，17:00后雾区继续向西北移至辽东半岛东部海面及沿岸，该区域能见度持续下降，低于100 m的能见度维持至24日08:00[图1(c)]。4月22日23:00至24日08:00是此次平流雾的第一阶段。

图1 2012年4月23—24日地面风(风向杆，单位：m·s-1)、能见度(红色数值，单位：km)和FY-2E卫星可见光监测云图叠加(a)23日08:00，(b) 23日14:00，(c)24日08:00，(d)24日14:00Fig.1 The surface wind field (wind stem, Unit: m·s-1) and visibility (red value, Unit: km) and visible imageries from FY-2E satellite from April 23 to 24, 2012(a) 08:00 BST on 23, (b) 14:00 BST on 23, (c) 08:00 BST on 24, (d) 14:00 BST on 24

与此同时，山东半岛东部沿海已观测到有轻雾，其东北部沿海成山头站(37.4°N、122.68°E)出现了能见度低于100 m的强浓雾，但雾区较零散(图略)；至24日08:00山东半岛东部沿海地区自南向北有成片的带状雾区，大部分地区能见度低于500 m，该雾区向东北移动，与自朝鲜半岛西部海面向西北移至辽东半岛东部海面的雾区叠置，致使辽东半岛东部海面和沿海地区能见度低于500 m 的浓雾(200 m≤能见度<500 m)持续[图1(d)]，成山头100 m的低能见度持续近30 h，黄海北部靠近辽东半岛沿海能见度低于200 m 的强浓雾维持近50 h；4月24日08:00—20:00是此次平流雾的第二阶段，其间黄海北部个别沿岸站有持续不足1 h的微量降水。24日20:00后，山东半岛、辽东半岛和黄海北部浓雾区自南向北由雨区取代。分析辽东半岛和山东半岛沿海地区雾生成前和发展维持期间的温度变化发现，雾发生前的最高气温没有明显升高，雾加强阶段的最低气温在夜间没有降低，有些地区反而略有升高。 大雾是由暖湿空气移至温度较低的黄海北部海面冷却凝结饱和所致，具有明显的平流雾特征。此次平流雾过程持续时间长、浓度强，4月23—24日大连机场航班取消、备降和返航共422架次，辽东半岛和山东半岛地区多条高速公路先后封闭。

2 环流形势和水汽来源

2.1 环流形势

2012年4月23日14:00 500 hPa位势高度场，华北地区高空槽经黄海北部东移至朝鲜半岛，华北地区和东北南部地区处于高压脊前，该区域及黄海盛行西北风[图2(a)]；与此同时， 850 hPa黄河下游以南地区偏南风低空急流建立，将暖湿空气向北输送至山东半岛及黄海；山东半岛南部的高压脊向北加强伸展，与华北高压脊合并形成近南北向高压脊，24日08:00该系统东移至黄海上空[图2(b)]，25日08:00移至日本海(图略)，其间辽东半岛、山东半岛及黄海由西北偏西风转为偏南风，既阻挡了自贝加尔湖东南下冷空气的进一步南侵，又利于水汽的向北输送，为黄海北部平流雾的形成和持续提供了有利的大尺度环流条件。

平流雾的平均雾顶高度多低于1 km[6,11,20]，平流雾的形成、发展和维持与对流层低层以下的温度和湿度密切相关。4月23日14:00 ，925 hPa温度脊自江淮地区向北伸展，在辽东半岛东部和朝鲜西部形成西北—东南向的等温线密集带，具有明显的暖锋特征，锋区内温度露点差多低于2 ℃，锋区北侧地面为东北风[图2(c)]，致使该区域地面温度持续下降，这既易于低层逆温层的形成和维持，又利于湿空气饱和凝结； 4月24日08:00 ，对流层低层暖湿空气自华南向北输送至山东半岛，在山东半岛东部也形成近东西向的暖锋带，锋区内温度露点差低于1 ℃，锋区北侧地面对应东北风或东北偏东风，在黄海北部有明显的风向辐合[图2(d)]。一方面暖湿空气经过下游地区相对冷的下垫面，且在低层逆温结构维持的条件下，有利于平流雾的生成；另一方面水汽在该区域辐合，易于平流雾长时间持续或发展[21]。

图2 2012年4月23日14:00(a、c)和24日08:00(b、d)500 hPa位势高度场(等值线，单位：gpm)和风场(风向杆，单位：m·s-1)(a、b)，925 hPa温度场(等值线，单位：℃)、温度露点差<6 ℃区域(阴影，单位：℃)和1000 hPa风场(风向杆，单位：m·s-1)(c、d)Fig.2 The geopotential height (isoline, Unit: gpm) and wind field (wind stem, Unit: m·s-1) on 500 hPa (a, b), temperature (isoline, Unit: ℃) and the areas with difference between temperature and dew-point temperature less than 6 ℃ (shaded, Unit: ℃) on 925 hPa, wind field (wind stem, Unit: m·s-1) on 1000 hPa (c, d) at 14:00 BST 23 (a, c) and 08:00 BST 24 (b, d) April 2012

2.2 水汽来源

图3为2012年4月24日02:00和24日14:00黄海中北部(35°N—40°N、122°E—125°E)上空4个边界水汽通量平均值的垂直变化。可以看出， 4月24日02:00，东边界、北边界1000～500 hPa的整层水汽通量为负值，说明这两个边界有水汽流出，西边界、南边界1000～500 hPa为正值，表明有水汽流入，特别是南边界850 hPa以下始终维持较强的水汽流入，雾最浓时925 hPa的水汽流入量较成雾初期增加了3倍，由此可见此阶段雾的水汽主要来源于南边界，850 hPa以下的西南偏南风对雾区起了主要的水汽输送作用。4日14:00，西边界、北边界1000～500 hPa的整层水汽通量为负值，东边界、南边界两侧1000～500 hPa为正值，表明东边界、南边界有水汽流入，水汽流入量明显多于24日02:00，这是由于低层东南风明显增强，随之输送的水汽显著增大。

图3 2012年4月24日02:00(a)和24日14:00(b)黄海中北部4个边界水汽通量平均值的垂直变化Fig.3 Vertical profiles of the moisture fluxes across four boundaries over the northern and central Yellow Sea at 02:00 BST (a) and 14:00 BST (b) on 24 April 2012

3 平流雾的特征

3.1 近地面气象要素特征

长海站和成山头站均伸入黄海北部，可作为黄海北部平流雾的代表站。图4为2012年4月22—24日长海和成山头地面气象要素变化。可以看出，第一阶段浓雾期间，长海站风向介于ESE和ENE之间，风速多为3～7 m·s-1，相对湿度大于93%，低于100 m的能见度维持至24日08:00；第二阶段浓雾期间，成山头站盛行SE风，风速为10～12 m·s-1，其间近10 h极大风速超过15 m·s-1，相对湿度大于96%，能见度多为0～100 m。两个阶段平流雾期间，气温变化不明显，夜间的气温反而略有升高；能见度由500 m逐渐下降至100 m，下降趋势较为平缓；但成山头风向为南到东南风，风速为6～12 m·s-1，另外，4月黄海海表温度自南向北逐渐降低，黄海北部和朝鲜西海岸为冷水域[22-23]，较大的偏南风有利于黄海中南部的暖湿空气输送至黄海北部冷水区，易冷却凝结饱和成雾。4月23—24日辽东半岛东部海岛气象站长海站(39.2°N、122.5°E)和成山头站大雾期间海表温度比气温低0～2 ℃，强浓雾期间海表温度比气温低0～0.7 ℃，这与黄海平流雾的研究成果“平流雾期间气温高于海温”基本一致[6,8,19]。统计发现，黄海北部春夏季平流雾发展维持阶段，有少部分的气温比海温低-1～0 ℃。一方面，雾出现时辽东半岛东北部和朝鲜半岛西北部区域地面多为弱的冷高压，盛行东北偏东风，冷空气向黄海北部输送，利于气温下降；一方面由于雾顶长波辐射增强，降温幅度增大，云水含量增多，在湍流作用下，雾顶温度较低的云水含量大值区向下穿过雾体，导致雾体气温下降[16]。

图4 2012年4月22—24日长海(a、c)和成山头(b、d)地面气象要素变化Fig.4 Variation of surface meteorological elements at Changhai (a, c) and Chengshantou (b, d) stations from April 22 to 24, 2012

3.2 平流雾形成前特征

图5为大雾区域(37°N—40°N、 122°E —125°E)平均风场和相对湿度，温度平流和垂直速度时间-高度剖面。可以看出，平流雾生成前，950 hPa以下为西南或偏南风，将南部海上的水汽输送至黄海北部，且堆积在975 hPa以下的低层大气中，为大雾的形成提供充足的水汽。与此同时，对流层中层相对干冷的空气下沉压缩增温，在850 hPa以下已有逆温结构，暖湿气流经过较冷的下垫面有利于平流雾的产生。进一步分析辽东半岛南部沿海大连站(38.9°N、121.6°E)L波段加密探空资料发现(图略)，22日20:00逆温层高度在500 m(950 hPa)以下，逆温梯度为2 ℃，相对湿度超过85%的大气高度低于100 m(985 hPa)，湿层浅薄，黄海北部及其沿岸地区为轻雾。

图5 大雾区域(37°N—40°N、 122°E—125°E)平均风场(风向杆，单位：m·s-1)和相对湿度(等值线，单位：%)(a)，温度平流(b，单位：10-5 K·s-1)和垂直速度(c，单位：Pa·s-1)时间-高度剖面(横坐标上的粗线段为平流雾时间，下同)Fig.5 The time-height cross section of mean wind(wind stem, Unit: m·s-1)and relative humidity (isoline, Unit: %) (a), temperature advection (b, Unit: 10-5 K·s-1) and vertical velocity (c, Unit: Pa·s-1) over the region of fog (37°N-40°N, 122°E-125°E)(The bold line on the abscissa indicates the time of advection fog, the same as below)

3.3 平流雾发展维持特征

2012年4月23日08:00[图6(a)]至4月24日08:00[图6(b)]大连站850 hPa以下偏南气流长时间维持，24日08:00相对湿度大于90%的湿层高度增至925 hPa，逆温层高度上升至1000 m，逆温层厚度增至800 m，逆温层内温度差增高至10 ℃，最大逆温强度超过4 ℃·(100 m)-1，23日20:00至24日08:00 925 hPa以上有暖干空气，稳定的大气层结阻止了低层饱和水汽向上扩散及湍流的加强，水平能见度降至100 m以下(成山头能见度降至0 m)，雾发展至最强盛阶段；在此期间，相对湿度为91%的湿层高度最高为650 m，此高度层以下的温度露点差低于1.5 ℃，650 m以上的温度露点差多大于4 ℃，相对湿度不足80%，平流雾的最高雾顶高度为650m左右。24日08:00—20:00，冷空气东移至华北地区，大连和成山头850 hPa偏南风由14～16 m·s-1增至18～22 m·s-1，辐合抬升和水汽输送明显加强，上升运动区抬升至对流层中上层，90%的湿层高度向上伸展至700 hPa附近，逆温层高度下降至400 m[图6(c)]，逆温层内温度差减小至6 ℃，雾层上的暖干层减弱，低层水汽凝结物向上扩散，湿层厚度增加，雾的强度减弱，黄海北部沿海最低能见度上升至100～200 m，浓雾期间黄海北部沿岸站伴有微量降水。

图6 2012年4月23日08:00(a)、24日08:00(b)和20:00(c)大连站探空廓线Fig.6 The sounding curves at Dalian station at 08:00 BST 23 (a), 08:00 BST 24 (b) and 20:00 BST 24 (c) April 2012

3.4 雾转雨特征

24日20:00后，冷锋东移，山东半岛西部逐渐转为偏北风，日本海附近高压稳定少动，黄海北部上空850 hPa以下东南风增大，暖湿气流输送增强，此时东北地区高空槽后冷空气向西南移至黄海北部，850 hPa以上冷平流加强，低层对流不稳定度加大，辐合抬升作用加强，对流层中高层均转为上升运动区，相对湿度超过90%的湿层高度由700 hPa继续向上伸展至500 hPa附近，浓雾逐渐消散，雾区范围缩小，黄海北部沿岸即辽东半岛和山东半岛地区转为强降水天气。

综上所述，平流雾形成、发展和维持阶段，低层均有明显的逆温层，逆温层厚度多低于1000 m ，相对湿度超过90%的湿层高度不超过700 hPa，雾层上有明显的“暖干层”；湿层高度伸展至700 hPa以上，雾层上的“暖干层”消失，低层的逆温层不明显，雾则减弱消散或转为阴雨天气。

4 平流雾的传播

低层水汽的输送路径和强弱变化与雾区的传播方向和雾的生消密切相关。图7为122°E—125°E平均1000 hPa相对湿度和风场、水汽通量散度、温度平流和湿度平流的时间-纬度剖面。可以看出，第一阶段大雾前期暖湿气流随偏南气流自黄海中部(35°N附近)向北输送至黄海北部(39°N附近)。22日23:00至23日08:00在35°N—40°N形成一条带状水汽辐合区，该区域与黄海北部雾区范围一致。23日08:00—14:00，相对湿度85%以上的湿区向北推进，相应地西南风与东南风的风向辐合带也由37°N逐渐北移至40°N附近后稳定少动；23日14:00后40°N南侧的水汽持续向北输送，沿风向辐合区水汽不断积聚，24日02:00在40°N附近相对湿度增至95%以上，并形成明显的水汽辐合中心，而近地层冷平流的加强和维持促使其与上部暖平流间的逆温梯度加大，大气层结更加稳定，朝鲜半岛西部海面的雾区北移至辽东半岛东部海面上空后，该区域能见度降至不足100 m，与此同时朝鲜半岛西南部沿海雾区自南向北逐渐消散。

图7 122°E—125°E平均1000 hPa相对湿度(等值线，单位：%)和风场(风向杆，单位：m·s-1)(a),水汽通量散度(b，单位：10-8 g·hPa-1·cm-2·s-1)、温度平流(等值线，单位：10-5 K·s-1)和湿度平流(阴影为湿度平流≥0.01×10-5 g·kg-1·s-1的区域)(c)的时间-纬度剖面Fig.7 The time-latitude cross section of averaged relative humidity (isoline, Unit: %) and wind (wind stem, Unit: m·s-1) (a), vapor flux divergence(b, Unit: 10-8 g·hPa-1·cm-2·s-1), temperature advection (isoline, Unit: 10-5 K·s-1) and humidity advection (shaded areas for humidity advection more than and equal to 0.01×10-5 g·kg-1·s-1)(c)on 1000 hPa over the area from 122°E to 125°E

第二阶段大雾期间，黄海上空850 hPa风速增至18～22 m·s-1，暖湿气流自黄海中南沿海向北输送至黄海北部，风向辐合区南侧由偏南风转为东南风，风速明显增大，24日11:00—20:00，37°N—39°N范围内的地面风速增至8～12 m·s-1，水汽辐合中心和暖平流大值区北移至40°N附近，山东半岛东部沿海(35°N—38°N)由弱冷平流转为暖平流控制，对流不稳定度加大，上升运动增强，其东北部沿海荣成的探空图显示，饱和层的高度由24日08:00的981 hPa抬升至24日20:00的691 hPa(图略)，逆温层仍存在，但逆温上部由暖干层转为冷干层，浓雾维持，但雾区内已出现分散的小雨；辽东半岛东部沿海(38°N—40°N)由暖平流区逐渐过渡为弱的冷平流区，辐合抬升作用加强，饱和层的高度由950 hPa(450 m)抬升至780 hPa(2000 m)，饱和层上部仍有浅薄的暖干层，浓雾维持期间伴有毛毛雨；24日20:00后，暖湿气流和风向辐合区继续北移，山东半岛和辽东半岛对流不稳定度进一步加大，925 hPa以下的逆温层结消失，雾区自南向北转为雨区。

综上所述，黄海北部的平流雾是暖湿气流随偏南风自黄海中南部向北输送传播的结果。雾区北侧空气相对干冷，南侧暖湿特征显著，浓雾区与近地层的冷平流区和水汽辐合区相对应，冷暖平流交汇之处易发生平流雾，这也揭示了平流雾在暖锋带的一定区域出现。

5 结 论

(1)黄海北部春季雾的生消与大气环流密切相关。黄渤海上空500 hPa为高压脊，阻挡了北方强冷空气的南下；对流层中下层盛行偏南风，暖湿气流持续向北输送至黄海北部冷水域，该区域水汽充沛，低层大气层结趋于稳定，有利于雾的形成和发展。黄渤海上空明显的冷空气南下导致了雾的消散。

(2)黄海北部春季雾的形成、发展和维持是暖湿气流与其下垫面冷水域相互作用所致，属于平流冷却雾。水汽主要来源于我国东部低纬度对流层低层。平流雾形成、发展阶段，低层有显著的逆温结构，雾层上有明显的“暖干层”；雾的维持阶段，逆温层厚度减小，逆温强度减弱，其上的“暖干层”不明显；相对湿度超过90%的湿层高度伸展至700 hPa以上，雾顶高度下的逆温层和雾层上的“暖干层”消失，雾则减弱消散或转为阴雨天气。

(3)黄海低空持续的偏南大风将黄海中南部水汽向北输送，雾区随水汽大值区和辐合中心向北扩展。雾区北侧空气相对干冷，南侧暖湿特征显著，浓雾区与近地层的冷平流区和水汽辐合区相对应，冷暖平流交汇之处雾区易发生平流雾。低层大气层结稳定，黄海北部偏南风风速的增大并不影响平流雾的维持，这一特点明显区别于辐射雾。