国外海雾研究进展综述

范悦敏

摘 要

本文将从以下几个方面回顾近年来国外海雾研究一些进展情况，旨在为东海海雾的研究和预报提供参考。首先是基于船舶观测得到的全球海雾发生频率的气候学特征，其次介绍关于海雾成因和预报的若干进展，最后由黄海海雾的季节变化特征讨论其形成和消退的内在机理。

关键词

海雾;气候学特征;平流;逆温

中图分类号： P732                文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.16.112

0 引言

海雾是一种发生在沿海地区和洋面上的低能见度天气现象，随着海洋经济和海上作业的不断发展，渔场与航道的交叉区域不断加大，我国沿海海域较易发生海难事故，而海雾可使船只发生偏航、触礁、搁浅甚至碰撞等事故，更是加重了海难事故的发生。据不完全统计，因海雾碰撞沉没的事故占海上事故总数的30%左右，每年海雾事故造成的直接经济损失就达几百万。随着近年来大力发展海洋经济及临港型经济，海雾对航运业的影响不容小觑，保障海上渔业生产和交通安全，已日益迫切。而提高海雾预报的准确率对保障广大渔民的生命、财产安全和发展经济有着十分重要的现实意义。

1 全球海雾发生频率的气候学特征

Koracin等人利用1950-2007年期间ICOADS（International Comprehensive Ocean Atmosphere Data Set）船舶观测资料，首次进行了全球尺度的海雾综合气候学研究，在分析全球海雾发生频率时空分布的基础上，进一步讨论了雾频与一些气候指数的相关性，并尝试解释导致其中一些显著相关性的物理机制[1]。船舶观测数据在时间上按照季节进行划分，在空间上则是将非极地区域的海洋分为1°X1°经纬度的网格点。文章用格点内海雾发生次数的百分比来表示每个格点海雾的发生频率，以消除不同格点内观测次数不同而导致观测到海雾频次的差异。

1.1 海雾发生频率的空间分布

从全球的雾频分布情况可以看出，海雾发生频率较大的格点集中在16个地区，这些地区可以分为4个大组。一组是三个副极区海洋环流圈的西侧，在海洋大陆架上（千岛群岛、大浅滩和阿根廷）。第二组是具有代表性海雾发生的七个边缘海区，五个在北半球大洋的西海岸：鄂霍次克海、日本海、黄海、南海、新斯科舍省的凹形边缘;两个在东海岸：波罗的海和北海。第三组是沿海岸的五个海水上涌大值区，四个在亚热带海洋环流圈的东侧：纳米比亚-南非、加利福尼亚-俄勒冈、秘鲁、摩洛哥;一个在印度洋的北岸：阿拉伯半岛。除了纳米比亚-南非这个区域有两个极大值中心，其他区域都只有一个极大值中心。在近极地海区暂定的凹形海区的极大值是仅有的深水区海雾极大值。而由于船舶资料的缺少，极区海洋不在研究范围中。

1.2 海雾发生频率的时间变化

研究中选取千岛群岛和大浅滩这两个海雾发生频率最高、观测次数最多、信噪比最高的区域，来讨论海雾的年际变化。计算去趋势后58年的海雾数据与气候指数的相关系数，用5年滑动平均来显示低频变化。

为分析雾频与更广泛地区的短期气候变化的可能关系，将其与PDO和ENSO指数（千岛群岛）以及NAO和AMO指数（大浅滩）进行了比较。

1.2.1 千岛群岛雾频与PDO和ENSO指数

太平洋年代际振荡PDO来可以部分表示北太平洋的直接大气强迫。PDO的振幅在夏末初秋有明显的最小海温异常，且中心向西北太平洋移动。千岛群岛的海雾数据与PDO相比有明显的年际变化，相关性低。使用5年滑动平均抑制年际变化，相关系数提高到0.55-0.79。使用根据海表温度计算出的Nino3.4指数来描述ENSO信号的特征。夏季3个月平均的年际ENSO指数与千岛群岛的海雾数据没有显著的相关性。

1.2.2 大浅滩雾频与NAO和AMO指數

北大西洋涛动NAO是冰岛低压和亚速尔高压之间的大气海平面气压差，一年当中夏季最弱。大浅滩的海雾数据和NAO夏季平均的年际数据变化较一致，相关系数在0.24-0.35之间。5年滑动平均的相关系数高达0.34-0.56。

大西洋年代际振荡AMO周期在60-80年。为了从AMO指数中去除气候变化信号，使用NOAA地球系统研究实验室的AMO指数。大浅滩的海雾发生频率和夏季AMO指数有反相关关系，相关系数在-0.41到-0.58。5年滑动平均的相关系数高达-0.53到-0.75。

千岛群岛海雾发生频率与PDO正相关，但与ENSO不相关。两个海雾发生频率极大值的区域都在海平面气压的高低压中心之间。在PDO和NAO的正位相期间，气压梯度增加，在这两种情况下，南风气流带来暖湿空气，促使海雾形成。而在大浅滩海雾发生的频率和AMO成反比，因为正AMO位相与包括纽芬兰地区在内的美国东北部的干燥温暖空气相联系，抑制了海雾的形成。

2 海雾成因与预报

关于海雾的成因和预报，Koracin等人在2014年做了非常详尽的整理和归纳[2]，之后进行了进一步的扩展[4]。目前比较明确的几种海雾成因，一是较热的空气流过较冷海面形成的冷海雾，二是较冷的空气流过较暖海面形成的暖海雾，两者都是平流雾，三是由气团变化导致的海雾，这是一个发生在高层的过程。海表面上空的辐合辐散可以改变表面层顶部的沉降过程，而云层、雾霾和颗粒物的存在会改变向上和向下的辐射，这些因素的轻微变化都会改变原有的平衡，最终导致海雾的形成和消散。

海雾预报的主要方法是从大尺度运动出发，大尺度模式的输出通常为次天气模式和中尺度模式提供边界条件，这些模式涵盖一个连贯的地理区域，例如一个特定的海岸或海洋的一小部分及其邻近地区，这些区域模式的水平分辨率接近10公里或更细。利用这些小尺度模型的输出与气候学相结合，进行海雾预报有明显的优势。

海雾数值预报的一个主要障碍是不能直接将雾的微物理过程加入模型中。在某种程度上，这是由于微物理参数化會增加计算需求。此外，控制雾滴微物理过程的方程很难与控制中尺度模型的方程联系起来。也就是说，参数化并不简单，而且通常涉及比较严谨的假设。在气溶胶初始和边界条件未知的情况下，也存在大量的不确定性。另一个挑战是如何将大尺度气候学与观测数据最佳地结合起来。因此，在大尺度和小尺度上，对雾及其演变至关重要的因素都不容易纳入预测系统。

3 黄海海雾季节变化

Zhang等人利用一系列台站观测数据和卫星探测数据研究黄海海雾的季节变化，发现黄海海雾于四月在山东半岛南部沿岸突然增多，而八月开始突然消退，并进一步讨论导致这一现象的内在物理机制[4]。

从三月到四月黄海的季节性变暖滞后于周围的陆地区域。在925hPa盛行的西风带将温暖的大陆空气输送到黄海冷水上空，形成利于海雾形成的逆温层，有助于在大气边界层中留住水分。海陆加热的差异在黄海和中国东海北部形成浅薄的热高压，这一海面反气旋解释了中国（突发）和韩国（连续）海岸之间海雾的东西不对称。反气旋西侧的南风维持暖湿平流，有利于海雾在东部海盆的形成。反气旋东侧缺少暖湿气流的输送，使得韩国沿岸海雾发生频次逐渐增加，而非突然发生。

从七月到八月副热带西北太平洋上空的大气对流增强激发了正压波列。由此产生的副热带重力势的径向偶极模式加强导致盛行风向由南风变为东风，这一风向的转变终止了四月到七月维持黄海海雾的暖湿南风平流，从而导致了八月海雾的突然消退。

4 结语

海雾出现频率最大值的位置对应于海表面温度和浅层海水较冷，以及有潮汐混合的区域，夏季冷水面上的暖湿空气平流和低层有逆温的稳定大气都是利于海雾形成的条件。由于冬季海气温差急剧减小，海雾的发生频率很低。千岛群岛和大浅滩海雾发生频率与气候指数有显著的相关关系，说明海雾发生的频率在一定程度上受到短期气候变化的影响。但受到海雾观测数据缺乏的限制，这个结果仅针对两个观测数据充足的区域，所以随着未来海雾观测数据的丰富，这种相关关系可以在更大的时空尺度上得到更深入的讨论研究。海雾预报的难点在于详细的海雾微物理过程和降水在模式参数化中常常被简化，所以对海雾微物理过程的研究是亟待解决的问题。大尺度环流的季节性变化和逆温层的形成是导致黄海海雾明显季节变化的主要原因，类似的研究今后也可以在东海展开。

参考文献

[1]Dorman CE，Mejia J，Koracin D，McEvoy D.World marine fog analysis based on 58-years of ship observations.Int J Climatol.2020;40：145-168.

[2]Koracin，D.，Dorman，C.E.，Lewis，J.M.，Hudson，J.G.，Wilcox，E.M.and Torregrosa，A. （2014） Marine fog：a review.Atmospheric Research，143，142-175.

[3]Koracin，D.and Dorman，C.（Eds.）.（2017）Marine Fog： Challenges and Advancements in Observations，Modeling，and Forecasting.Springer Atmospheric Sciences，Switzerland：Springer International Publishing.

[4]Zhang，S.-P.，Xie，S.-P.，Liu，Q.-L.，Yang，Y.-Q.，Wang，X.-G.and Ren，Z.-P.（2009）Seasonal variations of Yellow Sea fog：observations and mechanisms.Journal of Climate，22，6758-6772.