基于FY-3B卫星资料的中国南海海区1—3月海雾时空分布特征研究

刘少军，吴胜安，李伟光，蔡大鑫，田光辉，张国峰

(1. 海南省气象科学研究所南海气象防灾减灾重点实验室，海南 海口 570203； 2. 海南省气候中心，海南 海口 570203)

基于FY-3B卫星资料的中国南海海区1—3月海雾时空分布特征研究

刘少军1，吴胜安2，李伟光1，蔡大鑫1，田光辉1，张国峰1

(1. 海南省气象科学研究所南海气象防灾减灾重点实验室，海南 海口 570203； 2. 海南省气候中心，海南 海口 570203)

为全面了解中国南海海区海雾的分布特征，为南海海雾气象服务提供基础背景资料，利用2011—2016年1—3月FY-3B气象卫星资料的雾监测产品，分析了中国南海海区海雾的时空分布特征。结果表明：中国南海海雾具有特定的区域特征，中国南海海雾多出现在华南沿海、北部湾沿海、琼州海峡和海南岛东北部沿海海区，南海南部海域出现海雾概率低；南海出现高频次海雾的时间多发生在2月，1月次之，3月最少。该研究结果可为中国南海海雾研究提供背景资料。

FY-3B； 卫星资料； 海雾

引言

海雾是在海洋与大气相互作用特定条件下出现在海上或沿海地区上空低层大气的一种凝结现象，是悬浮于大气边界层中的大量水滴或冰晶使水平能见度小于1 km的危险性天气现象[1]。海雾对海上交通运输、海洋渔业生产、海洋工程开发等影响很大，是海上和沿海地区灾害性天气之一[2]。目前对海雾分布的认识多基于沿岸测站和海上船舶、浮标观测，但这些数据非常稀少，且存在代表性和数据质量方面的问题，因此缺乏对海雾分布更全面、清晰的了解[3]。针对目前海上观测站点稀少的现状，利用卫星观测资料识别大尺度海雾区及建立长时间的海雾数据集是其他常规监测手段所无法替代的[4]。因此，利用卫星资料开展中国南海海雾的监测具有重要的意义。中国在海雾研究方面可以追溯到20世纪40年代，王彬华教授是中国最早从事海雾资料的搜集和整理工作的学者之一[5]。1983年王彬华出版的《海雾》成为世界上第一部关于海雾研究的专著[6]。根据傅刚等[6]对中国近30 a海雾研究的重要进展的归纳，中国在海雾方面的研究主要体现在海雾的微物理学特征研究、海雾与层云关系的研究、北太平洋和大西洋海雾发生频率的气候学特征、海雾的数值模拟研究、海雾的数据同化和集合预报研究等方面。中国海雾从北部湾、台湾海峡到黄、渤海呈带状分布，海雾分布范围南宽北窄[7-8]。中国海雾雾季从春至夏自南向北推延，其中南海海雾主要集中在冬春季节(12月—次年3月)[9]。在南海大雾监测方面，前人也取得了大量成果，何云开等[2]利用ICOADS资料开展了南海北部春季海雾的特征分析；黄辉军[10]开展了华南沿海海雾及其边界层结构的观测分析；岳岩裕等[11]开展了南海沿岸海雾特征的观测研究；张舒婷等[12]开展了南海海雾微物理结构个例分析；白彬人[13]开展了南海沿岸海雾变化特征研究；林晓能和宋萍萍[14]对南海一次典型海雾过程的特征做了分析，并阐述了南海海雾的形成原因。以上这些工作对中国南海海雾的研究提供了基础支撑。海雾形成后其水平分布范围很广，沿海地区稀疏的观测站点不足以反映大范围海雾的分布状况[15]。由于海上观测资料很少，气象、水文同步观测资料更少，对海雾的认识还不够全面[8]。以上研究多针对个例和沿海站点观测资料进行分析，未阐述整个中国南海海域大雾的分布情况。卫星能够宏观、定时监测目标海区的海雾分布状况，为全面了解中国南海海雾的分布范围提供了可能。因此，本研究利用FY-3B气象卫星大雾监测产品资料，结合综合地面气象观测数据，分析2011—2016年中国南海海雾分布时空特征，为南海海雾预报提供更为全面的背景资料。

1 数据和资料分析

1.1 资料来源

2011—2016年FY-3B气象卫星大雾监测产品，数据来源于国家气象卫星中心网站(http://satellite.nsmc.org.cn)；地面气象观测数据来源于海南省气象局；大雾灾情数据来源于海南省气候中心2011—2016年海南省气候公报。

1.2 数据处理

根据地面气象观测资料和大雾灾情数据及前人关于南海海雾出现时间范围的初步结论[10-16]，本研究主要筛选了2011—2016年1—3月中国南海海区33次大雾记录数据作为研究对象；涉及FY-3B气象卫星大雾监测产品198幅，覆盖范围为经度：100～120°E，纬度：0°～30°N。首先对FY-3B气象卫星反演的海雾产品数据进行坐标校正，利用遥感软件进行数据的投影转换(统一为WGS-1984)，然后对研究区范围的海雾产品进行拼接处理，通过南海海区范围提取每次海雾过程中海雾的分布范围(注：本文所提及南海是指中国国界九段线以内南海海区)。

1.3 海雾信息提取精度验证

由于海上监测站点稀少，缺乏实测数据对海雾检测精度进行验证。海雾反演精度的验证中难以获得对应时刻的海上实测数据时，常选择沿海测站临近时刻的观测进行对比评价，常用方法有Hanssen-kuipper skill score(KSS)评分指数标准[3]。也有采用不同的卫星资料监测范围进行对比分析，如利用CALIOP资料进行海雾检测[17]、静止卫星和极轨卫星反演海雾产品的相互检验等[18]。南海海雾具有低纬度海雾特点，范围小，紧贴大陆，而且日变化明显，海雾往往和陆地雾相连[16]。本研究根据海南岛陆地1971—2010年平均年大雾分布气候特征[19](图1，海南北部的站点观测的大雾次数最多，在三亚观测到雾的次数为零次)，同时结合海雾对通航条件的影响事件，确定海口气象观测站为检验站点进行琼州海峡海雾反演产品的检验，海雾检验区及海雾样本分布见图2。海雾数据、检验数据筛选条件：1)大雾已经在陆地上发生；2)已经对琼州海峡的通航有影响。满足以上两个条件可认为琼州海峡已经有海雾形成。通过检验，FY-3B气象卫星海雾产品反演准确率为24/33≈72.7%(由于FY-3B卫星过境时间为凌晨04时前后，不排除小范围漏报的情况)。

图1 1971—2010年年平均雾日数分布Fig.1 The annual mean foggy days in Hainan island from 1971 to 2010

图2 海雾检验区域及海雾样本分布Fig.2 Domain of sea fog detection and distribution of number of occurrence

2 中国南海海雾特征分析

2.1 中国南海海雾空间分布

根据以上样本数据，分别统计南海海域2011—2016年的1—3月海雾出现的空间范围。通过2011—2016年遥感监测的海雾产品可以看出，海雾在地理空间分布上存在明显差异：南海海雾主要分布在北部湾—琼州海峡以北区域，小部分分布在南海南部的曾母暗沙附近，而在南海其他区域监测到海雾极少(图3a-f)。海雾天气的出现是水汽冷却凝结所致，较低的海温、一定的湿度条件、使湿度达到饱和的天气条件是海雾天气形成的必要因素。南海海雾天气的出现具有很强的区域性特征，有些海域容易出现海雾，有些海域出现的海雾的概率极低，主要原因是海面温度达到25 ℃以上，难以形成海雾[1]。南海南部海温相对较高，很难形成较低的水温冷区，一定程度上限制了海雾空间上的发展；而在北部湾—琼州海峡以北区域，存在海面温度低于25 ℃的区域，为海雾的形成提供了条件。其次是海气温差条件，为水汽冷却凝结形成海雾提供必要的保障。

2.2 中国南海海雾时间分布

1—3月是南海海区海雾的高发季节，根据2011—2016年卫星观测反演的海雾产品统计分析：海雾多发生在2月，1月次之，3月最少。2011—2016年，1月共出现大雾9 次，2月共出现大雾20 次，3月共出现大雾7 次。南海海雾高频次多集中在北部沿海海区，如1月出现高频次海雾区域多集中在华南沿海、北部湾沿海、琼州海峡和海南岛东北部沿海海区；2月和3月虽发生海雾的次数不一样，但出现高频次海雾区域基本相同。同时，海雾往往和陆地雾相连，且海雾分布范围相对较小(图4a-c)。

图3 2011(a)、2012(b)、2013(c)、2014(d)、2015(e)和2016年(f)1—3月海雾出现范围Fig.3 Spatial distributions of sea fog in the South China Sea from January to March in 2011(a), 2012(b), 2013(c), 2014(d), 2015(e), and 2016(f)

图4 2011—2016年1月(a)、2月(b)和3月(c)海雾出现总日数(单位：d)Fig.4 Monthly distributions of number of foggy days in the South China Sea in 2011-2016 (a. January, b. February, c. March)

2.3 中国南海海雾成因分析

海雾是在特定的海洋水文和气象条件下产生的，南海海面上形成的海雾绝大多数为平流雾，其形成是较低的海水温度、正的气温-水温差、较大的空气湿度、适度的风力、特定的大气环流形势等共同作用的结果[13]。首先，冷的海面为南海海雾形成提供了背景场，有研究表明，海雾发生区域大致限于表面水温低于25 ℃的冷海面[1,20]，1—3月南海海域从北部湾经琼州海峡直到台湾海峡，存在表面水温低于25 ℃的区域，为南海海雾的形成提供了条件，成为海雾的多发区域。如：2015年1—3月，共监测到较大海雾9次(其中1月2次，2月7次，3月0次)(图5)，从发生的区域来看，其多发区域均在平均海温小于24 ℃的范围内(图6a-c)。其次，海雾的形成需要一定的海气温度差，因为只有在气温高于海水温度一定限度时，空气才可能逐渐降低达到过饱和而成雾，根据前人研究结论，南海海雾以海气温差为正值居多，海气温差为负值偏少；气温高于海温的是暖海雾，气温低于海温的是冷海雾[10,21]。

适宜的风场也是海雾形成的重要条件。暖湿气流长时间存在，对海雾的生成与发展十分重要，它能不断向雾区补充形成海雾必需的大量水汽和热量。一般说来，南海海雾大多由暖湿空气平流造成[22]，适宜的风向将暖湿气流输送到温度较低的冷海面上形成海雾。南海有利于海雾产生的地面风速一般是2～8 m·s-1, 而较适宜的风速是3～6 m·s-1[14]。当然，大气环流特别是副热带高压的配合对海雾的形成有决定作用。

图5 2015年1—3月南海海雾次数Fig.5 Foggy days in the South China Sea from January to March in 2015

3 结论与讨论

总体而言，利用FY-3B卫星的海雾反演产品分析海雾的时空特征较常规资料更有优势。卫星资料覆盖面广、观测点均匀, 可以更加宏观地反映中国南海海雾的实际分布状况，克服海上海雾观测资料的不足，通过FY-3B卫星资料得到的海雾分布和频次更有代表性。

通过2011—2016年1—3月卫星资料分析，可以更加直观地了解中国南海海雾的时空分布特征。

从时间上看，南海出现高频次海雾的时间多在2月，1月次之，3月最少。在空间上，南海海雾多出现在华南沿海、北部湾沿海、琼州海峡和海南岛东北部沿海海区，而在南海南部海域出现海雾的概率较低。

中国南海海雾具有很强的区域性特征，海雾多发区域范围小, 紧贴大陆，海雾往往和沿海陆地雾相连，其主要原因在于南海特定的天气气候与水文条件。通过南海大雾的特征分析，可以全面掌握南海大雾发生的高分布区域，可为大雾的预报提供背景资料。

关于中国南海海雾的形成机理和年际变化的研究需要更长时间序列的海雾资料作为支撑。本研究仅利用2011—2016年的1—3月的卫星资料开展分析，难免存在不足。从2011—2016年卫星观测反演的海雾产品统计分析可以看出，在中国南海最南部出现的海雾(曾母暗沙附近)，由于缺乏实际观测数据，需要进一步观测与验证来确定是否存在海雾，如存在海雾，需更深入地了解该海区海雾的形成机理；当然也不排除是海雾反演算法中云的影响而形成的误判。由于海上观测资料较少，大雾出现的范围可能存在偏差；由于FY-3B卫星过境的时间与大雾生消时间并不能同步，可能导致部分海雾漏报。

图6 2015年1月(a)、2月(b)和3月(c)南海月平均海温分布Fig.6 Monthly mean sea surface temperature in the South China Sea from January to March in 2015 (a. January, b. February,c. March)

致谢：感谢国家卫星气象中心提供FY-3B卫星数据。

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Studyonspatial-temporaldistributionofseafogintheSouthChinaSeafromJanuarytoMarchbasedonFY-3Bseafogretrievaldata

LIU Shaojun1, WU Sheng’an2, LI Weiguang1, CAI Daxin1,TIAN Guanghui1,ZHANG Guofeng1

(1.KeyLaboratoryofSouthChinaSeaMeteorologicalDisasterPreventionandMitigationofHainanProvince,HainanInstituteofMeteorologicalSciences,Haikou570203,China; 2.HainanClimateCenter,HaiKou570203,China)

To provide basic background information for weather service in the South China Sea, the temporal and spatial distribution characteristics of sea fog in the South China Sea from January to March is studied using sea fog retrieval products of 2011-2016 from FY-3B. The results show that sea fog has specific spatial distributions in the South China Sea. Sea fog tends to present in inshore areas of Southern China, the Beibu Gulf, Qiongzhou Strait and the northeastern coast of Hainan Island, while south of the South China Sea see less sea fog. In the South China Sea, the highest frequency of sea fog occurs in February, while the lowest in March. This study is expected to provide background information for further sea fog researches over the South China Sea.

FY-3B; satellite data; sea fog

刘少军，吴胜安，李伟光，等.基于FY-3B卫星资料的中国南海海区1—3月海雾时空分布特征研究[J].海洋气象学报，2017,37(4)：85-90.

Liu Shaojun, Wu Sheng’an, Li Weiguang, et al. Study on spatial-temporal distribution of sea fog in the South China Sea from January to March based on FY-3B sea fog retrieval data[J]. Journal of Marine Meteorology,2017,37(4):85-90.

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.04.010.(in Chinese)

P426.2

A

2096-3599(2017)04-0085-06

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.04.010

2017-08-14；

2017-09-14

国家自然科学基金项目(41465005, 41675113，41765005)；中国气象局风云三号(02)批气象卫星地面应用系统工程应用示范项目(FY-3(02)-UDS-1.10.3)

刘少军(1980—)，男，博士，副研究员，主要从事卫星遥感应用研究，cdutlsj@163.com。

吴胜安(1974—)，男，博士，高级工程师，主要从事气候预测和气候变化研究，wsa01@sohu.com。