江苏沿海地区雾的气候特征及相关影响因子

魏建苏,朱伟军,严文莲,孙燕,吴洁,刘建文

(1.南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室,江苏南京 210044;2.江苏省气象台,江苏南京 210008;3.江苏省气象科技服务中心,江苏南京 210008;4.河北省气象科技服务中心,河北石家庄 050021)

江苏沿海地区雾的气候特征及相关影响因子

魏建苏1,2,朱伟军1,严文莲2,孙燕2,吴洁3,刘建文4

(1.南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室,江苏南京 210044;2.江苏省气象台,江苏南京 210008;3.江苏省气象科技服务中心,江苏南京 210008;4.河北省气象科技服务中心,河北石家庄 050021)

利用江苏沿海6个基本气象站49 a(1960—2008年)的气象观测资料,对江苏沿海地区雾的时空分布特征和雾过程持续时间等进行了统计分析,并探讨了影响沿海雾生成的相关因子。结果表明:江苏沿海地区雾日数呈江淮地区>沿江苏南地区>淮北地区的特点;其年代变化总体是一个先上升后下降的趋势,且21世纪后明显下降;雾日数呈春季和初冬季节多、夏秋季节少的分布特点;一天中雾大部分时段出现在01—09时,春秋季节雾频次最高的时次在早上的06—07时,强浓雾次数在07时(春季)或08时(冬季)前后达到最大;各地雾过程出现的频次随着雾持续时间的增加而减少,持续时间大于6 h雾的频次近年来在增加,且雾持续时间极端最长有上升趋势。沿海地区雾绝大多数发生在风速小于等于7 m/s的情况下,以1～3 m/s最为适宜,多出现在NNE—SSE风情况下。雾季平均海水温度为7.45～22.24℃

雾;气候特征;风速;海温;江苏沿海地区

0 引言

雾是指大量微小水滴或冰晶悬浮在贴地层空气中,使水平能见度小于1 km的天气现象。雾滴对可见光的强散射作用会降低能见度[1],危害交通。同时雾加剧近地层空气污染,使雾水酸化[2-3],危害人体健康。我国沿海地区多有雾发生,由于其特殊的地理位置,在一定条件下,海雾能够深入内陆几十、甚至几百公里远,造成沿海地区出现低能见度的大雾天气[4],给沿海地区交通航运、海洋捕捞和水产养殖、港务活动及农作物和人类身体健康等带来不利影响。因此,对沿海地区雾的研究受到了许多学者的重视。Lewis等[5]对加利福尼亚沿岸海雾的形成和消散机制进行了分析,Cho等[6]利用大气下垫面的水文资料对朝鲜半岛周边海域海雾的形成机制也进行了解释。国内许多学者还通过利用近海和沿海台站资料对沿海地区雾进行了大量研究[7]。王鑫等[8]和何云开等[9]分别从黄海和南海北部海雾不同季节的气候特征以及年际变化出发分析了大气环流背景场的特点,从而获得海雾与气候特征场之间的关系。广西[10]、浙江[11]、青岛[12]、天津[13]、大连[14]等地都对其沿海或近海地区雾进行了大量研究,并对其雾的发生频率、日变化、持续时间等进行了统计分析。这些研究让我们对沿海一些地区雾的气候特征及成因等方面有了更多的认识,同时也看到海雾的发生具有非常明显的海域性[15],且由于不同海区和地形存在差异,我国不同沿海区域内的雾时空分布具有较强局地性,强度及持续时间等各地也差别较大。江苏地处东部沿海,东临黄海,黄海是我国海雾发生最频繁的海区之一[16]。陈潇潇等[17]指出华东沿海地区重浓雾具有增多的趋势,日常气象观测资料也显示,江苏沿海地区雾发生频繁。为了获得对江苏沿海地区雾的时空变化及影响因素等方面更为全面的认识,本文利用1960—2008年共49 a的资料,对江苏沿海地区雾进行统计分析,并对其影响因子等进行初步的探讨。

1 资料来源

本文选用1960—2008年江苏沿岸6个基本气象台站(自北向南依次为:赣榆、西连岛、射阳、大丰、如东和吕泗,分别代表淮北、江淮和沿江苏南沿海)的雾相关观测资料,以20时(北京时,下同)为日界。其中常规气象要素资料中,吕泗(1992—2008年)为逐时资料,其余均为每日4个时次(02、08、14、20时)资料,包括能见度、风向、风速、相对湿度和气温等。另外,本文还用到了1995—2006年西连岛站附近的连云港海洋站的水温月报表资料。

2 江苏沿海地区雾气候特征

2.1 沿海地区雾的空间分布

图1给出了江苏沿海6个代表站1960—2008年49 a平均雾日数情况,可以看出,江苏沿海地区雾日数分布存在明显的差异,其中射阳和大丰(代表江淮之间)明显高于其他地区,最多的大丰站年总日数达50 d,赣榆和西连岛较少,其中最少的西连岛不足19 d。沿海地区雾日数呈现出江苏江淮地区>沿江苏南地区>淮北地区的特点。

2.2 沿海地区雾的时间分布

2.2.1 年代际变化

图2给出了江苏沿海6测站雾日数的年际变化。由图2可以看出,1960—2008年期间逐年雾日数起伏变化。从趋势上看,除西连岛外,各地都是一个先上升后下降的趋势,并且在20世纪80—90年代出现极大值,而西连岛在近年却出现上升趋势。统计结果(表1)也表明,西连岛各个年代雾日数变化不大,90年代略多,70年代略偏少。其他几个站在进入70年代后,雾日数均有所增加,总体上看,70和80年代较多,到90年代雾日数略有下降,而进入21世纪后,雾日数均出现明显下降,是自60年以来雾日数最少的年代,其中赣榆、射阳、吕泗较90年代相比减少1/2以上。

2.2.2 季节变化

图1 江苏沿海地区的年雾日数(单位:d/a)Fig.1 The annual frequency of fog occurrence in the coastal areas of Jiangsu(units:d/a)

图2 江苏沿海6测站雾日数的年际变化 a.赣榆和西连岛;b.射阳和大丰;c.如东和吕泗Fig.2 Interannual variation of foggy days at six observational stations in the coastal areas of Jiangsu a.Ganyu and Xiliandao;b.Sheyang and Dafeng;c.Rudong and Lüsi

从江苏沿海6站1960—2008年49 a平均的雾日数的月变化曲线(图3)来看,沿海地区雾日数有明显的季节变化,基本上呈春季和冬初季节多、夏秋季节少的分布特点。雾日数曲线变化除西连岛为单峰单谷型(分别出现在4月和9月)分布外,其他地区呈现出双峰双谷型,其中谷值分别出现在8—9月和1—2月,而峰值出现在3—6月和10—12月,其中3—6月最为明显。不同地区的谷峰值所在月份略有差异,如东和吕泗第二峰值出现在12月,较其他地区晚1至2个月。可见,江苏沿海地区雾季节分布与内陆地区主要集中在秋冬季节[18]不同,同时与浙江沿海雾[11]和大连近海雾[14]主要出现在春季的特点也有些差异。

表1 江苏沿海6测站各年代的平均年雾日数Table1 Annual foggy days at six observational stations in the coastal areas of Jiangsu in each decade

降温和增湿是雾形成的两个重要途径[16]。进入春季后,环流调整,江苏沿海地区多吹东风和东南风,有利于东海的暖湿气流吹到江苏沿海相对较冷的海面,在海上凝结形成海雾,继而在合适的风场作用下吹向沿海地区,造成沿海地区出现大雾,主要以平流雾居多。这正是江苏沿海地区3—6月多雾的主要原因。而在11月—次年1月湿度虽小,但气温下降,夜晚辐射降温有利于辐射雾的形成,即局地形成的辐射雾作用,使得这段时间出现了一年中又一个小的雾日数峰值。8月、9月尽管湿度较大,但由于海面温度太高,饱和水汽压增大,空气难以达到饱和,不利于雾的形成。可见,江苏沿海地区雾季节分布上的两个峰值的主要雾类型不同,春季以平流雾为主,冬季以辐射雾为主。

2.3 沿海地区雾的日变化及不同等级雾的变化

图3 江苏沿海6测站雾日数的月变化 a.赣榆和西连岛;b.射阳和大丰;c.如东和吕泗Fig.3 The m onthly change of foggy days at six observational stations in the coastal areas of Jiangsu a.Ganyu and Xiliandao;b.Sheyang and D afeng;c.Rudong and Lüsi

图4 3个代表测站不同季节雾的日变化 a.春季;b.夏季;c.秋季;d.冬季Fig.4 Diurnal variation of fog at three observational stations in different seasons a.in spring;b.in summer;c.in autumn;d.in winter

对赣榆、吕泗和射阳3个测站雾日天气下的日变化分季节进行统计(图4)发现,江苏沿海地区雾一天当中任何时次都有可能出现。总体上看,进入午夜后,雾出现频次逐渐增大,而在日出后,雾出现频次逐渐减小,一天当中雾大部分时段出现在01:00—09:00。季节分布上看,在午夜到早上这段时间,春季大部分时次雾出现次数都要高于其他季节;春冬季节在前半夜出现雾的次数也是明显高于夏秋季节;另外,夏季雾出现时次集中度最高,各地区70%以上的雾都出现在03:00—08:00这段时间,而在下午这段时间雾极少出现;春秋季节雾频次最高的出现在06:00—07:00,冬季07:00—08:00最多,高发时次有所后延。江苏沿海地区这种总的日变化与其他沿海地区雾[11-14]比较一致。这主要是因为夜晚辐射降温的作用;同时,夜里吹海风,也利于海上的暖湿气流吹到陆地,促进雾的形成。

按水平能见距离的不同,可将雾划分为以下4个级别[19]:淡雾(能见度500～1 000m)、中浓雾(能见度200～500m)、浓雾(能见度50～200m)、强浓雾(能见度不足50m)。这里利用吕泗站点1992—2008年逐时雾能见度资料,对江苏沿海雾的不同等级情况进行统计分析(图5)。可以看到,各季节均以淡雾为主,中浓雾次之,且主要出现在夜里至早晨这段时间,各级雾都在日出前后出现最多,10时后,能见度低于500m的雾都明显减少,其中夏秋季节浓雾和强浓雾极少出现,特别是夏季出现次数不足总数的5%。傍晚前后开始,春冬季节不同等级的雾都开始逐渐增多,其中浓雾和强浓雾增长缓慢,这是由于夜晚辐射降温,雾刚开始形成,主要以能见度在500m以上的雾为主。而午夜后,各类雾均开始大幅上升,其中,能见度50m以上的雾在06时左右次数达到最大值,而强浓雾仍在增加,这时部分浓雾及以下级别的雾随着夜晚辐射降温增强逐渐转变成了强浓雾,在07时(春季)或08时(冬季)前后强浓雾次数达到最大,这与日出后湿地表水汽蒸发,雾的爆发性增长密切相关[20]。随着太阳辐射进一步增强,近地层温度上升,08时后雾开始逐渐消散,不同等级雾次数都逐渐下降。总体来说,一天中,午夜至早上08时、09时这段时间各类雾次数较多,而在中午前后至傍晚前这段时间雾相对较少。

2.4 持续时间

不同雾过程的持续时间t长短不一,参照刘小宁等[21]对雾日持续时间的分级,将其分为4个等级:0～3h、3～6h、6～12h以及>12h。统计赣榆、吕泗和射阳3个地区49a不同持续时间等级雾的发生频次(表2)。由表可知,各地雾过程出现的频次随着雾持续时间的增加而减少。其中出现频次最多的t在0～3h内,各地均占60%以上;其次为3～6h,频次为18%～24%;6～12h在各地占9%～15%。可见,各地区83%以上的雾持续时间都在6 h内,其中射阳站达到88%,而t>12h的雾过程在各地所占比例都不到5%,尤其是吕泗不到2%,即长时间维持的雾较少。赣榆和射阳两地的较长时间(大于6h)维持的雾都占到总数的15%以上。按季节进行统计(表略)也有类似的结论,这里不再一一分析。尽管持续时间长的雾过程所占比例较小,但这类雾往往给交通运输等带来的危害最大,更需要引起足够的重视。为此,进一步统计持续时间大于6h的雾过程频次的年代变化(表3)。可以看到,持续时间大于6h的雾过程在当代所占的比例随年代呈增大趋势。尽管雾过程数进入20世纪90年代后开始下降,尤其是进入21世纪后大幅下降,但持续时间较长的雾比例却在增长,并且雾持续极端最长时间也较60、70年有明显的增加,其中持续时间最长一次雾过程出现在赣榆的2002年1月13—15日,长达近58h。

表2 1960—2008年雾过程不同持续时间段的频次分布Table2 Statistics for duration of fog event from1960to2008%

图5 四季不同等级雾的日变化 a.春季;b.夏季;c.秋季;d.冬季Fig.5 Diurnal variation of fog with different grades in different seasons a.in spring;b.in summer;c.in autumn;d.in w inter

综上所述,雾日数呈减少趋势,但出现持续时间较长的雾的概率在增加,并且雾持续时间极端最长在近年来有上升趋势,湄洲湾等地[22]也有同样的现象,这主要是由于城市快速发展及工业化进程造成的“城市热岛效应”的结果[23-24]。近年来,城市规模扩大,社会经济发展,煤炭等能源消耗增多,导致城市热岛增强,相对湿度下降;另外城市发展使得空气污染加剧,笼罩在城市上空的大气气溶胶粒子明显增多,增加大气逆辐射,使得夜晚近地层辐射降温难,不利于空气达到饱和,从而阻碍了城市雾的形成,这些直接导致雾日近年来呈减少趋势,而相应的霾日数却呈现出增长的趋势[25-26]。另一方面,气溶胶粒子的增多,不利于城市白天辐射升温[27-28],从而使得雾的消散时间推后,雾持续时间延长。

表3 持续时间大于6 h的雾过程频次的年代际变化和极端最长时间Table3 Interdecadal variation of fog frequency with duration exceeding six hours and the extreme longest time

3 沿海地区雾相关因子分析

3.1 风向、风速

雾的生成与风速风向有密切的关系。本文利用6站点49a每日4次资料进行统计,获得雾时次时其风速风向的分布特征(表4和图6)。总体而言,雾绝大多数发生在风速小于等于7m/s的情况,除西连岛(84.8%)外,各地区均达98%以上,且最集中的都在3m/s以内,频次为75%～83%,其中大部分在1～3m/s时最适宜;当风速超过9m/s后,除西连岛占6.0%,其他地区都不足1%。可见,风速过大,湍流混合层较厚,阻碍近地面层冷却,不利于雾的形成。而适宜的风速既能使冷却作用扩展至适当的气层中去,又不影响下层空气的充分冷却和水汽的保存,最有利于雾的形成。从不同季节(表4)来看,大部分地区雾都以风速在1～3m/s时出现最多,春季各地区5～7m/s时次之,其他季节1 m/s以内次之。而西连岛地区相比其他地区距离海边最近,其风速普遍要大,春季雾日数在3～5m/s最多,且在5～7m/s内多达9.4%。

从雾发生的风向分布(图6)来看,江苏沿海地区雾多出现在NN E—SSE情况下。各地区略有差异,其中赣榆以N E和EN E为主,其他地区都是以东到东南风为主。总之,雾发生期间,偏东的分量占有重要比例。一个原因是海上的水汽源源不断输送,为雾的形成和发展提供有利条件;而另一方面,在近海地区有雾形成时,适宜的风向将其吹向陆地,造成沿海地区雾的形成。

表4 沿海6测站雾天气下各风速段的频次分布Table4 Frequency distribution of wind speed in foggy w eather at six observational stations in the coastal areas%

图6 江苏沿海6测站有雾时的风向分布(单位:次) a.赣榆;b.西连岛;c.射阳;d.大丰;e.如东;f.吕泗Fig.6 D istributions of wind direction w hen foggy at six observational stations in the coastal areas of Jiangsu a.Ganyu;b.X iliandao;c.Sheyang;d.D afeng;e.Rudong;f.Lüsi

3.2 沿海地区雾与海温的关系

从前面的分析可以看到,在春季海雾多发的季节,江苏沿海地区雾日数也出现峰值,可见海雾的频发是造成沿海地区雾多的一个重要的原因。许多研究[29-30]表明,海雾多以平流冷却雾为主,而平流冷却雾是暖洋面上形成的暖湿气流输送到冷水面,低层空气下降至露点温度而成的雾,因此它的形成离不开海温场的作用及适当的海水表面温度与低空空气温度的差值即海—气温差。这里选用从1995—2006年西连岛站温度数据和临近的连云港海洋站的水温月报表资料,统计海表面水温、海—气温差与海雾日数的关系。从雾日与海温关系(图7)可以看到,雾日数频率在海温5～10℃时最多,达28.1%,当海温超过10℃时,雾日数逐渐减少;半数以上(64%)的雾日出现在海温低于15℃的条件下,其中92%的雾日出现在海温低于25℃,且海温高于28℃的情况下雾极少出现。由表5可知,3—6月为西连岛雾日多发期,约占总数50%,平均海水温度为7.45～22.24℃,海气温差为负值,其中平均雾日数最多的4月海气温差达-1.48℃,这是由于入春后环流调整,暖湿气团不断加强北抬,与西连岛近海冷海水区相接触,在海面表层垂直方向上海—气温差加大,热量交换加剧,水汽趋于饱和而凝结成雾。7—9月海水平均温度高于24℃,雾日数明显减少,可见海温高于一定的上限也不利于海雾的形成。

图7 雾日数频率与海温的关系Fig.7 Relation between the fog frequency and SST

4 小结

1)江苏沿海地区雾日数呈现出江淮地区>沿江苏南地区>淮北地区的特点。

2)江苏沿海地区逐年雾日数总体是一个先上升后下降的趋势,20世纪70和80年代较多,进入21世纪后明显下降。沿海地区雾日数有明显的季节变化,总体呈春季和冬初季节多(主要在3—6月和10—12月)、夏秋季节少的分布特点。

3)一天当中雾大部分时段出现在01—09时,春秋季节雾频次最高的时次在早上的06—07时,冬季07—08时最多。各季节均以淡雾为主,中浓雾次之,且主要出现在夜里至早晨这段时间,强浓雾次数在07时(春季)或08时(冬季)前后达到最大。

4)各地雾过程出现的频次随着雾持续时间的增加而减少。持续时间较长的雾的概率在增加,并且雾持续时间极端最长在近年来有上升趋势。

5)江苏沿海地区雾绝大多数发生在风速7m/s以内的情况,以1～3m/s最为适宜,且多出现在NN E—SSE情况下。

6)雾季平均海水温度为7.45～22.24℃,海气温差为负值,92%的雾日出现在海温低于25℃的情况下。

表5 1995—2006年西连岛站海温、气温及其差值和平均雾日数的月平均分布Table5 M onthly distribution of SST and air temperature,their difference,and fog frequency at X iliandao station from1995to2006

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Climatic Characteristics of Fog and Its Relevant Influencing Factors over the Coastal Areas of Jiangsu

WEIJian-su1,2,ZHU Wei-jun1,YAN Wen-lian2,SUN Yan2,WU Jie3,LIU Jian-wen4

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education,NUIST,Nanjing 210044,China;2.Jiangsu Meteorological Observatory,Nanjing 210008,China;3.Jiangsu Meteorological Science and Technology Service Center,Nanjing 210008,China;4.Hebei Meteorological Science and Technology Service Center,Shijiazhuang 050021,China)

Based on the meteorological observations at six stations in the coastal areas of Jiangsu from 1960 to 2008,the temporal and spatial characteristics of coastal fog,the duration of fog events and its relevant influencing factors are statistically analyzed.Results show that the number of foggy days varies not only from space to space on the basis of annual mean with largest over Jianghuai,then successively less in Yanjiang,Sunan,and least over Huaibei,but also from season to season with more in spring and winter and less in summer and autumn.Among the period of study it also shows a clear interdecadal variation with an increasing tendency during the first several years then after a decreasing tendency,and the significantly decrease appears in the 21st century.The foggy days is more in the spring and beginning of winter,and little in summer and autumn.Generally most fog events in a certain day occur between 0100 and 0900 UTC,but the highest fog frequency appears at 0600—0700 UTC in spring and autumn,and the maximum frequency of severe dense fog appears at nearly 0700 UTC in spring or 0800 UTC in winter.All over the regions of study the frequency of fog occurrence reduces with increase of the duration of the fog event,buthas an increase tendency recently for those fog events which could last for more than 6 hours,and so does the extremely longest persisting time of fog events.The coastal fogmost often takes place under the condition that wind speed is≤7 m/s(best 1—3 m/s)and wind direction is NNE-SSE.In addition,the foggy days in spring and autumn have obvious relevance with the nearby ocean,and the appropriate averaged sea surface temperature(SST)of fog season is between 7.45 and 22.24℃.

fog;climatic characteristics;wind speed;sea surface temperature;coastal areas of Jiangsu

P466

A

1674-7097(2010)06-0680-08

2009-12-23;改回日期:2010-09-22

公益性行业(气象)科研专项(GYHY(QX)2007-6-26);江苏省科技厅社会发展项目(BS2007088);江苏省科技厅社会发展指导性项目(2006556)

魏建苏(1959—),男,江苏建湖人,高级工程师,研究方向为天气预报与应用气象,weijiansu@yahoo.com.cn.

魏建苏,朱伟军,严文莲,等.江苏沿海地区雾的气候特征及相关影响因子[J].大气科学学报,2010,33(6):680-687.Wei Jian-su,ZhuWei-jun,YanWen-lian,et al.Climatic characteristics of fog and its relevant influencing factors over the coastal areas of Jiangsu[J].Trans Atmos Sci,2010,33(6):680-687.

(责任编辑:倪东鸿)