福建沿海一次持续性海雾过程的边界层特征分析

廖晨菲 冯志明 高聪晖 高 珊

(福建省气象台，福建 福州 350001)

0 引言

海雾是发生在海上或沿海地区上空，悬浮于大气边界层的大量水滴或冰晶使大气水平能见度小于1 km的一种天气现象[1]。海雾会使沿海及近岸的水平能见度降低，对海上平台作业、船舶运输及海洋渔业等海洋安全生产活动造成很大影响。因此，加强对海雾的分析研究，提高监测、预报海雾的能力已越来越引起人们的关注。

近年来，不少气象学者对福建沿海及台湾海峡的雾进行监测研究，取得了许多成果。张春桂等[2]利用2015—2016年风云二号静止气象卫星资料反射率阈值实现云雾与海洋表面的自动分离，用中红外和热红外通道的归一化差值指标实现夜间海雾的自动识别。马治国等[3]对2000—2010年福建沿海雾进行气候统计分析，发现福建中南部沿海地区是一个海雾多发的区域，尤其以崇武、厦门和东山为最多，且以晨雾为主。苏鸿明[4]对1971—1980年的有关气象资料进行分析发现，台湾海峡海雾主要集中于冬季、春季，尤其在下半夜至上午前表现明显。翁国玲等[5]利用1961—2010年平潭气象站地面观测资料和再分析资料分析了平潭春季多雾年的环流特征，发现多雾年台湾海峡海温偏低，为平流雾提供了冷水面；平潭地区低空盛行下沉气流，利于层结稳定。张振顺等[6]分析了2008—2013年三沙海雾的日变化、季节变化特征，结果显示，闽东海雾以平流雾为主，风速在2～8m/s之间，温度露点差在2℃内海雾易生成；冷高压东移南下、风力的增强和层结不稳定是海雾消散的主要条件。林卫华等[7]研究1974—2003年湄洲湾海雾时发现，海雾发生时海温低于气温，且平均海温低于25℃，并指出形成海雾的风向以偏南风向为主，风速过大或过小都不利于海雾形成。

本文采用常规地面观测资料和ERA-5逐时再分析资料，对2020年5月2—6日持续性海雾过程进行分析，研究海雾生成的边界层特征，为提高福建沿海及台湾海峡海雾的预报预警能力提供参考。

1 资料来源与数据处理

地面气象要素资料取自2020年5月1—6日福建沿海地区183个自动站的逐时观测资料，包括能见度、风向、风速、气温及相对湿度。采用ERA-5逐时再分析资料作为补充，包括海温、气温和相对湿度，空间分辨率为0.25°×0.25°。

本文参照福建省天气预报技术手册[8]中对雾的强度划分，根据目标物的水平能见度分为轻雾(水平能见度1000～10000m)、雾(水平能见度500～1000m)、大雾(水平能见度200～500m)、浓雾(水平能见度50～200m)、强浓雾(水平能见度小于50m)。

气海温差(ΔT1)指的是海水上空的空气温度(t2m)与海水表面温度(SST)之间的差值，露点海温差(ΔT2)指的是海水上空露点温度与海水表面温度之间的差值，当空气温度和露点温度都大于海水温度时，即ΔT1和ΔT2都为正值时，暖湿气流在流经冷海面时受到海水的冷却作用达到饱和而凝结，形成雾。计算公式如下：

ΔT1=t2m-SST

(1)

ΔT2=d2m-SST

(2)

2 结果与分析

2.1 过程概况

2020年5月2—6日，福建沿海地区出现了一次连续性海雾天气过程(见图1)。

图1 2020年5月2—6日福建省区域自动站能见度的空间分布(黑色虚线右侧为海雾范围，黑色实心圆位置为杨坪顶村站的地理位置)

2日大雾主要集中在宁德至平潭一带沿海，最强时段出现在2日3时，25站出现大雾，其中强浓雾有16站；3—4日大雾范围有所扩大，宁德至厦门一带沿海都出现大雾天气，4日7时，有31站出现大雾天气，其中强浓雾有11站；5日大雾范围扩展至全省沿海，5日6时，全省沿海有61站出现大雾，其中浓雾有19站，霞浦花竹村能见度不足50 m，达到强浓雾标准，此时雾的范围和强度达到本次大雾过程的最强阶段；6日，大雾范围有所缩小，大雾站主要集中在平潭和莆田沿海，后期随着弱冷空气扩散南下和降水的产生，大雾天气趋于结束。此次海雾天气过程具有持续时间长、范围广、强度强等特点。

2.2 环流形势

分析海雾期间的环流形势场(见图2)可知，2020年5月1日20时，500hPa西太平洋副热带高压(简称副高)呈东西向带状分布，副高588线北界位于华南沿海一带，安徽北部至湖南北部一带有一高空槽(图略)，海平面气压场上福建处于均压场内，沿海地区等压线稀疏(见图3a)，风速小，水汽充沛，在夜间的辐射冷却作用下容易形成辐射雾。2日8时至3日20时，高空槽东移南压，850hPa处于西南暖湿气流控制中(见图2a、c)，地面福建省处于华北低压南侧的相对稳定环境场中。4日8时，四川地区浅槽移出，850 hPa低涡切变伴随东移，地面低压倒槽发展东伸，福建省位于地面倒槽南侧的暖区中。随着高空槽和低涡切变的东移靠近，福建上空西南气流增强，5日8时发展成西南急流(见图2d)，使得暖湿气流源源不断地输送到福建沿海上空。从地面气压场来看，2日8时至5日20时，福建省始终处在地面低压倒槽南侧的暖区内(见图3b、c)，西南气流带来充沛的暖湿气流，流经福建沿海较冷的海面时，容易冷却凝结成雾，这种环流形势导致福建省春季平流雾出现地面倒槽型，占成雾类型的14.3%[8]。6日8时，低压东移入海，地面弱冷空气从东路扩散南下，雾区范围减小，大雾开始减弱消散(见图3d)。

2.3 边界层特征分析

平潭杨坪顶村站是一个海岛站(图1中黑色实心圆位置，纬度25.65°N，经度119.69°E，海拔高度185m)，在此次海雾过程中出现大雾的时次最多，达61个时次，现以杨坪顶村站为代表站，分析此次海雾过程的边界层特征。

图2 2020年5月3日8时500hPa(a)、5日8时500hPa(b)、3日8时850hPa(c)、5日8时850hPa(d)环流形势场

图3 2020年5月1日20时(a)、3日8时(b)、4日20时(c)、6日8时(d)地面气压场

2.3.1 地面要素特征

图4给出了杨坪顶村站能见度、气温、相对湿度、温度露点差、风速以及风向随时间的变化趋势(阴影部分为大雾时段)。

图4 杨坪顶村站2020年5月1日14时—6日14时能见度、气温、相对湿度、温度露点差、风速以及风向随时间的演变图

由图4可以看出，海雾发生时的能见度基本上在200 m以下，为强浓雾级别，此时相对湿度高达97%以上，温度露点差基本在0.2～0.5℃之间；能见度的变化具有一定的日变化特征，其与相对湿度、温度露点差显著相关，相关系数分别为-0.678和0.644。结合气温、风向及风速的演变，可以将此次海雾过程大致分为3个阶段：①辐射雾影响阶段(1日21时—2日8时)，风向变化无序，地面风速在1～3 m/s之间，平均风速2.4m/s，温度日较差大(即前一日最高气温与当日最低气温之间的差值)为6℃，微风和夜间的辐射降温有利于水汽凝结成雾。②平流雾影响阶段(3日6—10时、3日23时—4日9时、4日19时—5日14时)，地面风向以偏南风为主，风速逐日增强，普遍在4～7 m/s之间，有时超过8 m/s，最低气温从20.8℃上升到21.9℃，最低相对湿度从75%升高至88%，最高温度露点差从3.5℃下降至2.1℃，由此说明较强的南风带来充足的暖湿气流，使得杨坪顶村出现明显的平流增温和增湿过程，有利于平流雾的生成，这与周发琇[9]的研究结论相一致，低层增温增湿越明显，大雾的持续时间也就越长。③海雾遇冷消散阶段(5日23时—6日13时)，这一阶段以6日9时为界，前期地面风向为偏南风，风速由7.1 m/s减弱至2.1 m/s，低层存在平流增温和增湿过程，符合平流雾的生成特征；后期地面风向转为偏北风，风速增大，气温下降，地面有弱冷空气扩散南下，能见度先降后升，说明弱冷空气对大雾具有加强作用，但是持续增强的偏北风对大雾具有减弱作用。

2.3.2 温湿垂直结构特征

稳定的大气层结是海雾生成和维持的重要条件[10]。图5、图6分别给出了2020年5月1日14时—6日14时杨坪顶村站温度和湿度的垂直分布特征(网格区域为大雾时段)，可以看出，辐射雾影响阶段975hPa等压面以下的大气层结是先逆温后等温，暖中心强度在整个海雾过程中最弱，高湿区(相对湿度达到90%以上)基本上位于近地面层。平流雾影响阶段，逆温层的开始高度由950hPa逐日降低至975hPa，暖中心强度逐日增强，4日19时逆温梯度达到最大，同时低层南风气流不断增强，强烈的水汽输送使得高湿区向上扩展至960hPa附近。海雾遇冷消散阶段，前期逆温层高度位于960hPa附近，逆温层以下相对湿度达到90%以上，此时平流雾发展加强；后期900hPa以下气温明显降低，大气层结逐渐转为微弱降温，同时低层辐合上升运动明显，使得水汽不断向上输送，高湿区伸展至850hPa，大雾逐渐减弱消散。

图5 2020年5月1日14时—6日14时杨坪顶村站1000～850hPa气温的时间剖面图

图6 2020年5月1日14时—6日14时杨坪顶村站1000～850hPa相对湿度的时间剖面图

2.3.3 气海温差和露点海温差

气海温差和露点海温差是决定平流雾生成的2个重要条件，只有气海温差和露点海温差都为正值时，才有利于平流雾的形成。利用ERA-5逐时再分析资料计算得到平潭杨坪顶村站气海温差和露点海温差的时序图(见图7，阴影部分为大雾时段)，可以看出，辐射雾影响阶段，杨坪顶村站的气海温差在-0.9～0.2℃之间，露点海温差在-1.8～-0.3℃之间，低层大气的气温和露点温度都低于海表面温度，不可能出现平流雾。平流雾影响阶段，气海温差都为正值，基本上在0.2～2.1℃之间，这与王彬华等[1]得到的平流冷却雾成雾的气海温差范围基本一致；露点海温差在-0.1～0.5℃之间，这样使得暖湿气流在流经冷海面时，气温降低至海表面温度，空气可以达到饱和、凝结成雾。海雾遇冷消散阶段，气海温差和露点海温差呈减弱的趋势，特别是6日9时之后受弱冷空气影响气海温差几乎降为0℃，露点海温差降为-1.6℃，不利于平流雾的发展。

图7 平潭杨坪顶村站气海温差和露点海温差时序图

3 结论

①持续5天的海雾天气过程可大致分为以下3个阶段：辐射雾影响阶段(1日21时—2日8时)、平流雾影响阶段(3日6时—5日14时)及海雾遇冷消散阶段(5日23时—6日13时)。

②辐射雾影响阶段，地面风向变化无序，平均风速2.4m/s，温度日较差为6℃，气海温差和露点海温差都为负值；逆温层强度弱，大于90%的高湿区主要在近地层附近。

③平流雾影响阶段，地面以南风为主，风速普遍在4m/s以上，海雾生成前逆温层强度增强、高湿区向上伸展至960hPa；气海温差和露点海温差基本上都为正值，有利于平流雾的形成。

④海雾遇冷消散阶段，前期低层持续偏南风有利于平流雾的维持，后期弱冷空气南下，900hPa以下气温明显降低，低层辐合上升运动不断向上输送水汽，高湿区伸展至850hPa，大雾逐渐减弱消散。弱冷空气一定程度上可以增强雾的强度，但是持续的偏北风对大雾具有减弱作用。