2018年春季浙江沿海一次连续海雾过程分析

曹宗元，刘飞，何晴，马恩点，李帆，李彬

（1.舟山市气象局，浙江 舟山 316021；2.91937部队，浙江 舟山 316000；3.定海区气象局，浙江 舟山 316000）

1 引言

海雾是出现在海上及沿岸地区的低能见度天气现象。随着航运的蓬勃发展和人民生产生活需求的日益提高，海雾作为沿海主要灾害性天气之一，是天气预报的难点。从20世纪70年代起我国开始对海雾进行系统研究[1-2]。黄海和东海海雾的主要成因为平流冷却过程[3-4]，海气边界层内冷海面、逆温层、海洋锋和下沉运动等因子对海雾的形成和发展起关键作用[5-6]，强浓雾的持续和消散机制[7-9]及宏微观结构[10-12]也是海雾研究的重点。众多学者对浙江沿海海雾的发生规律和成因进行了探讨。侯伟芬等[13]初步研究认为3—6月为浙江沿海雾季，平流冷却雾影响最大。俞燎霓等[14]统计分析了2005—2011年浙江沿海出现大雾时的地面天气形势，认为当浙江处在6种天气形势（地面低压倒槽东部或南部、静止锋或冷锋前部、弱高压底部、入海变性冷高压西部、鞍形场、日本海高压西南部）时易出现沿海大雾。陈梅汀等[15]对舟山海雾的多发季节、海雾发生时间的天气形势和海气温差等进行了统计分析，并根据阈值对天气预报（Weather Research and Forecasting，WRF）模式的能见度进行订正检验。

春季是浙江沿海海雾的多发季节。2018年3月27日—4月2日，浙江沿海大部地区先后出现了浓雾，多地发布大雾橙色预警信号。大雾导致长江口封航，上海港数千条船积压，给航运造成了极大的经济损失。这场海雾普遍具有能见度较低、影响范围大和持续时间长等特点。本文旨在对此次海雾过程的天气形势及物理量进行分析，试图找出其典型性成因及生消规律。

2 资料与方法

本文主要采用沿岸自动站及浮标站的逐小时气象观测数据、站点探空数据（08、20时，北京时，下同）、葵花8号（Himawari-8）可见光卫星云图数据、美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）提供的空间分辨率为0.5°×0.5°的气候预报系统再分析数据（Climate Forecast System Reanalysis，CFSR）中的风场、湿度和垂直速度场数据以及美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）提供的空间分辨率为0.25°×0.25°的每日最佳内插海温资料（Daily Optimum Interpolation Sea Surface Temperature，OISST）。

本研究利用海洋气象浮标资料，消除陆地影响，分析海上实际海雾的生消特征，结合沿海站和海岛站资料，分析各站点位置反映海雾实际情况的代表性；利用卫星云图及再分析数据分析海雾长时间维持的原因，并着重研究了海洋锋对浙江沿海“带”状雾区范围的限定作用。本文依靠现有资料对海上海雾的实际情况进行分析，以期在海上观测数据不足时，能够为浙江沿海航运和渔业捕捞等提供精准的海雾预报保障和参考。

3 海雾实况

沿海地区的海雾可以深入几十公里或更远的陆地，但登陆后的海雾在新的环境尤其是下垫面影响下，强度和生消特征变化很大，沿海和海岛站点的观测数据对海上实际海雾状态的代表性不尽相同。为尽量消除下垫面对海雾影响，本文自北向南选取舟山浮标站、大陈海岛站和温州浮标站（下文分别简称舟山、大陈和温州）分别作为浙北、浙中和浙南的3个代表站，分析海上海雾实际情况。海雾等级分类按照《浙江省天气预报用语业务规定》中能见度（v）相关标准划分，具体为：轻雾（1 000 m≤v<10 000 m）、大雾(500 m≤v<1 000 m)、浓雾（200 m≤v<500 m)、强浓雾（50 m≤v<200 m）和特强浓雾(v<50 m)。通过对逐小时能见度实况数据的分析可知（见表1），3月27日12时舟山最先出现能见度小于1 km的大雾，最低能见度不足百米，大陈和温州相继在17时和21时开始出现轻雾甚至浓雾；28日舟山全天为大雾，12时大陈和温州的大雾短暂减弱，能见度维持在2～5 km；直至4月2日上午这些地区的海雾一直维持。舟山海雾持续时间最长，能见度小于1 km的时间长达90 h，小于500 m的长达83 h，最小能见度仅为64 m；大陈次之，持续时间分别为54 h和42 h；温州能见度小于1 km的持续时间也达到47 h。从表1还可以发现，在稳定的天气形势下，弱冷空气的渗透扩散导致海雾日持续时间存在明显的波动。以舟山为例，3月28日、30日及4月1日能见度小于l km的大雾持续时间长达17～24 h，而受弱冷空气影响，3月27日、29日、31日及4月2日则降为6～12 h。据葵花8号气象卫星3月30日12时和31日10时的监测结果可知，整个浙江沿海雾区沿海岸线呈条带状分布，呈现北宽南窄的“楔”形结构特征，海雾北进至黄海中部海域，具备大范围平流冷却海雾特点（见图1）。

图1 葵花8号可见光卫星云图Fig.1 The Himawari-8 satellite cloud images

表1 2018年3月27日—4月2日自动观测最小能见度和能见度小于1 km的持续时间Tab.1 The minimum visibility of automatic station observation and the duration of visibility less than 1 km from March 27 to April 2,2018

4 海雾成因分析

平流冷却海雾是在天气尺度系统的控制下，大范围暖湿空气流经冷海面逐渐凝结形成的雾。充足的水汽、稳定的近地面大气层结和下垫面冷海面等是驱动此次海雾过程的主要条件。

4.1 天气形势

此次海雾过程的地面天气形势为稳定的弱高压底后部控制，即浙江沿海受其北部—日本一线的高压底后部控制，偏东气流将暖湿空气源源不断的向浙江沿海输送。这种海雾天气形势多发生于春季，发生概率为20%～25%[13]。3月30日浙江沿海3站的海雾持续时间最长，且整个大雾过程的天气形势稳定，即东亚大槽东移出东亚大陆至白令海。我国北部500 hPa高度以偏西或偏西北气流为主，多浅槽活动，地面弱冷空气活动频繁，对应的冷高压主体由我国东北地区东移入海，并稳定在日本中部地区，我国东部沿海逐渐转为高压底后部控制，浙江沿海开始盛行偏东气流，出现大雾天气（见图2）。4月3日，一股较强冷空气南下影响我国中东部地区，海雾天气结束。稳定的地面高压底后部控制为浙江沿海长达7 d的海雾过程提供了有利的气象背景场，稳定的天气形势得益于高空无明显大槽大脊活动、地面弱冷空气的持续补充导致弱高压持续存在以及西北太平洋1803号热带气旋“杰拉华”对弱高压系统东移的阻塞作用。

图2 2018年3月30日20时天气形势分析图（虚线：500 hPa；实线：海平面气压场；风向杆：地面风场）Fig.2 The weather situation at 20:00 on March 30,2018（dotted line:500 hPa;solid line:sea level pressure;wind bar:ground wind field）

4.2 水汽输送条件

源源不断的充足水汽条件使得连续性大雾成为可能。通过对2018年3月30日20时1 000 hPa水汽通量及900 hPa大气垂直运动分析可知（见图3），菲律宾以东有热带气旋生成并发展，暖湿的水汽由西北太平洋沿偏东气流向中国沿海输送，中国近海水汽分为两条高效输送带，其中一路持续向东到达浙江沿海，另一路在高压反气旋环流的控制下逐渐转向偏北，向黄海及江苏沿海输送水汽。在水汽输送过程中，低层风速的水平向切变减小，导致水汽在中国近海堆积，同时配合900 hPa高度上普遍存在0.1～0.2 Pa/s的下沉运动，水汽被限制在较低的近地面层。3月26日晚间，各测站相对湿度已由70%升至90%，在随后的7 d里，相对湿度一直维持在90%以上，为连续大雾天气提供了充足的水汽条件。

图3 2018年3月30日20时1 000 hPa水汽通量（流线）及900 hPa垂向速度（阴影，单位：Pa/s，正值表示下沉）Fig.3 Water vapor flux at 1 000 hPa（streamline）and vertical velocity at 900 hPa（shaded area,unite:Pa/s,positive value means descending motion）at 20:00 on March 30,2018

4.3 大气层结条件

稳定的大气层结能够将大气低层的水汽限制在近地面层。通过对台州洪家站探空数据资料的分析可知（见图4），大雾期间一直存在明显的逆温层，逆温层底高度多维持在500 m及以下。逆温层以下温度露点差除3月31日0～200 m层出现最大值3.8℃外，其余均小于1.6℃，最小值仅为0.3℃，较小的温度露点差表明500 m高度以下有充足的湿度条件成雾。同时可以看到，此次连续海雾过程的逆温层厚度均在150 m以上，逆温层上下温差最大为3.8℃/100 m，逆温层深厚，逆温梯度大，十分有利于海雾的维持和加强。值得注意的是，3月29日和4月1日的高湿度层达到了10 000～1 500 m，通过分析地面观测站资料可知，大雾前有部分地区出现弱降水。

4.4 下垫面冷却条件

大范围相对较冷的下垫面对平流冷却型雾的形成也起到关键作用。图5a为2018年3月30日海表面温度（Sea Surface Temperature，SST）分布，通过分析可知，浙闽沿岸海洋锋以西海域为相对冷海面控制。SST剖面显示过海洋锋后（见图5b），SST由23℃降至15℃，下降趋势明显，冷海面为平流冷却雾的形成提供了大范围冷却条件，海洋锋的位置及走向与海雾雾区的一致性较好，均呈“楔”形（见图1）。选取3月30日进行SST梯度分析（见图6），该日可见光云图中雾区向东发展较好。结果显示，浙闽沿岸锋将条带状分布的雾区限制在浙江近海，黑潮锋则将黄海广大雾区限制在其锋面以北海域，海洋锋将海雾发展范围限制在其冷水一侧。此次海雾过程中雾区发展最东边界线与海洋锋SST梯度线走势较为一致，且-0.02℃/km的SST梯度线与本次雾区最东边界一致性较好，可作为雾区最东边界的预报指标。在条件允许的情况下，浙江沿海春季雾季的航运航线应尽量安排在海洋锋及其暖水一侧。垂向速度剖面图（见图5b）显示在此次连续海雾过程中，大范围的下沉运动将越海洋锋的暖湿气流限制在850 hPa以下的低层大气中，高达0.08 Pa/s的下沉运动有利于大气逆温层的形成，同时海洋锋暖水侧27.5°N附近的下沉运动有所减弱，过海洋锋后，海气边界层从南到北有明显的下降趋势。因此，春季大范围的稳定冷海面以及地面高压底后部带来的大范围适宜的下沉运动是此次海雾过程发生和持续的主要原因。

图5 2018年3月30日SST分布图（a）及沿虚线的SST和垂直速度剖面图（b）（实线：SST，单位：℃；阴影：垂直速度，单位：Pa/s，正值表示下沉）Fig.5 Distribution of SST（a）and the SST and vertical velocity profile along the dashed line（b）on March 30,2018（solid line:SST,unit：℃;shaded area:vertical velocity,unit:Pa/s,positive values indicate descending motion）

图6 2018年3月30日10时葵花8号可见光卫星云图及当天SST梯度图（等值线，单位：℃/km）Fig.6 The visible cloud image of Himawari-8 satellite at 10:00 and SST gradient image（isoline,unit:℃/km）on March 30,2018

5 大雾日变化特征

5.1 基本变化特征

合适的风场条件能够将暖湿气流向冷海面输送[16]。在此次连续平流冷却雾过程中，大雾条件下3站的平均风速为4 m/s，风速小于5 m/s的时次占75%，弱的风速条件有利于海雾过程中水汽的凝结和长时间稳定存在[17]。浙江沿海各典型区域海雾的具体生消特征有所不同，因此我们对舟山、大陈和温州的逐小时观测数据进行统计分析。从图7可以看出，此次海雾的发生概率和强度呈北高南低形态，多以大/浓雾状态存在，充足的水汽导致浓雾占比高达86.5%。3站海雾的发生时间基本一致，大雾多发生于傍晚—早晨，02—06时是大雾的高发期，日出后10—17时相当一部分海雾有消散迹象。3站海雾的消散也具有不同特点：舟山全天皆有大雾形成，海雾强度最强，多爆发于04—09时，19时—次日02时有20%～30%消散的可能性；大陈站在01时、06时和20时前后有3个大雾爆发区间，受日出后太阳辐射加强和陆地增温影响，10—17时海雾消散现象十分明显，消散概率为40%～60%；温州海雾的持续时间和强度均相对较弱，海雾全天均可存在，多发生在夜间—凌晨，08—10时消散明显，消散概率在50%左右。综上表明，此次海雾特征呈现北强南弱的分布特点，即浙北沿海海雾发生在广阔的黑潮锋冷海面海域，海雾范围广，浓度大，全天均可存在，夜间消散的可能性相对较大，但也仅为20%～30%；浙中南部海雾分布在浙闽沿岸锋以西沿海区域，海雾呈狭长的近岸条带状分布，受日出后下垫面升温影响较大，白天消散现象明显，消散可能性达50%。

图7 2018年3月28日—4月2日不同等级海雾发生概率统计Fig.7 The statistics on the occurrence probability of sea fog at different levels from March 28 to April 2,2018

5.2 陆基站点位置的局限性

海雾在适宜的风向条件下会涌向陆地，下垫面的变化和风向的改变会导致雾的变性消散或变成低云。在浙江沿海，登陆后的海雾受海上海雾的不断补充，会导致沿海地区出现持续几天的低能见度现象。按照海雾深入陆地的影响情况，由强至弱依次选取舟山浮标站、舟山外岛嵊泗站和舟山本岛定海站，分析各站点位置观测数据对海上海雾的代表性及其相关性。3月28日—4月2日，舟山浮标站显示海雾发生时长为113 h，发生概率高达78.5%，其中大雾/浓雾占比为72.5%（浓雾为66.4%）；随着海雾向沿海输入，嵊泗站的海雾发生概率降至52.0%，但仍以大雾/浓雾为主，占总雾时的73.3%（浓雾为69.3%）；定海站的海雾发生概率仅为36.1%，多以轻雾为主，占总雾时的86.3%。海上海雾的实际维持时间和强度大于沿海站点的观测结果，随着海雾深入内陆，海雾的主要性质由大雾/浓雾向轻雾发展。图8统计了3个站点的海雾生消规律，嵊泗站和定海站的日变化特征明显，两站分别在09—19时和06—22时存在明显的海雾消散过程，而浮标站显示10时开始海雾略有消散，但特征不明显，消散多在傍晚—夜间，尤其是19—22时。因此，随着与海洋距离的增加，沿海站点的观测结果对海上实际海雾反映的代表性不断变差，主要表现为观测到的海雾强度降低和持续的时间减少，以大雾/浓雾为主要特征逐渐转为以轻雾为主，海雾的日变化特征尤其是日出后的消散特征逐渐显现，且消散时间不断提前。

图8 2018年3月28日—4月2日舟山定海、嵊泗和浮标站大雾和无雾发生概率统计Fig.8 Statistics on the probability of occurrence of fog and no fog at Dinghai,Shengsi and buoy station in Zhoushan from March 28 to April 2,2018

6 结论

此次典型的高压后部平流冷却雾过程，得益于下垫面冷海面和相对稳定的天气系统，影响天气系统较弱，但提供了大范围的下沉运动和水汽输送条件。本文通过实况、成因及自动站的气象要素统计，特别分析了陆基站点位置对海上海雾预报保障的局限性。结论如下：

（1）稳定的高压后部型，为此次连续海雾过程提供了天气背景场，浙江沿海的SST分布提供了下垫面冷却条件，并限制了海雾的发展范围。结合海陆分布可知，海洋锋决定了海雾北宽南窄紧贴海岸线的条带状分布特征，雾区发展最东边界线与海洋锋SST梯度线走势较为一致，此次过程-0.02℃/km的SST梯度线与雾区东边界一致性较好，雾季航线应尽量位于海洋锋暖水侧，此结论可为雾区东边界的预报和航运航线选择提供参考。

（2）此次浙江沿海海雾呈现北强南弱的分布特征，海雾多以大雾/浓雾存在，强而低的逆温层、弱的低层风速和弱高压导致的大范围的下沉运动，对海雾的生成和维持起关键作用。

（3）舟山本岛定海站、外岛嵊泗站和浮标站的结果显示，随着海雾深入陆地，海雾强度不断降低，持续时间不断减少，大雾/浓雾多发转换为以轻雾为主，日出后海雾消散特征不断加强，站点位置对海上海雾的实际代表性不断变差。

（4）海上海雾基本能够全天存在，沿岸海雾具有明显的日变化特征，大雾多发生于傍晚—早晨，尤其是02—06时，而10—17时海雾消散或减弱现象明显，此结论有助于保障海上航运及生产作业安全。