2018年2月琼州海峡一次持续性海雾过程特征分析

冯 箫，李 勋，杨 薇，张春花

(1.海南省气象台，海南 海口 570203；2.海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南 海口 570203)

引 言

海雾是在海洋影响下，海上、岛屿或沿海陆地上空低层大气中，由于水汽饱和凝结产生大量水滴或冰晶，使大气水平能见度小于1 km的一种天气现象[1]。海雾对海上交通运输、海洋渔业、航空以及海上军事活动等造成影响，为近海地区主要的气象灾害之一。在海雾频发的沿海地区，综合多种观测资料和数值模式资料加强对海雾特征及成因研究[2-7]，有助于提高海雾预报水平，具有广泛的社会及经济效益。

海雾的形成与一定的天气背景密切相关[8-10]，不同天气背景下雾的类型有所不同[11-12]。研究表明，相对低的海表温度是海雾生成和维持的重要环境[13-14]，较强的暖湿气流输送是海雾维持的重要条件[15-17]，西南低空急流的建立有利于雾的进一步增强[18]；大气边界层内风场、温度场、湿度场和湍流之间的相互影响在海雾演变过程中起重要作用[19-20]，风切变造成的湍流混合将热量输送给海洋[21]，冷海面上空暖湿空气降温冷却，有利于海雾的生成。

华南沿海是我国海雾多发区[22-26]，每年1—3月从北部湾经琼州海峡到台湾海峡，低于25 ℃的海表温度为海雾的生成和维持提供了适宜条件[27]。2018年2月15—25日春运期间，琼州海峡出现历史罕见的持续性大雾事件，海峡停航累计超过197 h，高峰期超2万辆出入海南岛的车辆滞留港口，导致交通大面积瘫痪，引发社会高度关注。此次海雾过程，我国华南东侧西太平洋海表温度异常偏高，低层暖湿气流及西南低涡的辅助作用是海雾长时间维持的主要原因之一[28]。然而，由于缺乏更精密的探空资料，海雾的边界层特征仍有待深入研究。许向春等[29]针对琼州海峡海雾天气个例，总结出4类海雾天气概念模型，并在业务预报实践中发挥了重要作用，同时也加强了预报员对琼州海峡不同性质海雾生消演变过程的理解。因此，本文利用ERA-Interim再分析资料，从海雾天气概念模型出发，针对此次持续性海雾过程不同阶段的大尺度环流背景、水汽条件、温度平流等进行对比分析，并结合风廓线雷达资料和高垂直分辨率的探空资料，比较各阶段海雾的边界层特征，为进一步作好琼州海峡海雾的预报预警提供一定理论基础。

1 资料和方法

所用资料包括：(1)广东省徐闻与海南省海口、临高、澄迈、观海台5个气象站大气能见度观测资料和徐闻与海口2站平均气温、相对湿度、风向风速、降水量等逐小时常规地面观测资料以及观海台站海表气温与秀英港站海表温度逐小时观测资料，站点分布见图1。(2)海口站L波段秒级探空资料(垂直方向上分辨率为10 m)及风廓线雷达逐小时风场探测资料。(3)日本葵花8号气象卫星逐小时监测数据，可见光波段的空间分辨率为500 m，红外波段的空间分辨率为2 km。参考FUELL等[30]和HAN等[31]的工作，利用葵花气象卫星多通道数据合成可见光云图和夜间微物理彩色图像，并判识海雾。(4)ERA-Interim逐小时再分析资料，水平分辨率为0.125°×0.125°，包括位势高度、温度、风向风速、比湿、海表温度等要素场。文中涉及的地图基于国家测绘地理信息标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)1822的标准地图制作，底图无修改。

图1 琼州海峡地理位置和周边观测站Fig.1 The geographic location of the Qiongzhou Strait and its adjacent observation stations

2 海雾过程实况

2.1 站点监测

海雾于2018年2月15日02:00(北京时，下同)出现在琼州海峡，在25日13:00基本结束(图2)。其中，15—17日、21—25日期间，海雾集中出现在下半夜至早晨，中午消散，如徐闻站最早在01:00(25日)起雾，最晚于11:00(17日)消散，平均持续时长约4 h，而海口站平均持续时长约3 h，2站海雾持续时间较短；18—20日期间，徐闻站海雾持续时间较长，19、20日海雾持续时间分别达11、9 h。可见，海雾具有间歇性特征，无明显日变化，大气低能见度与琼州海峡停航时间基本一致。

图2 2018年2月14日20:00至26日20:00徐闻、海口站大气能见度逐小时演变及琼州海峡停航时间Fig.2 The hourly evolution of atmospheric visibility at Xuwen and Haikou stations and suspending time of ships in the Qiongzhou Strait from 20:00 BST 14 to 20:00 BST 26 February 2018

2.2 卫星遥感监测

利用高时空分辨率的卫星数据可以监测海雾形状、范围的演变及周边环境特征[16,31]。图3是葵花卫星影像白天可见光云图和夜间微物理彩色图像。可以看出，2月15日04:00，雷州半岛西侧一条叶片形的白亮云团覆盖琼州海峡西段，并延伸至海南岛西部沿海陆地，临高站能见度降至200 m。该云团纹理均匀，边界清晰，测站证实该云团为海雾。15日06:00，陆地上雾区(徐闻能见度为100 m)从雷州半岛延伸至琼州海峡中段，而后逐渐覆盖整个海峡，其南边界可达海口、澄迈，导致海口站能见度由05:00的2400 m降至06:00的200 m。19日04:00—09:00，北部湾北部海面、雷州半岛和海南岛及周边海域有大面积的白亮云团，云体纹理不一，为低层云雾共存结构；琼州海峡—雷州半岛南部云团纹理均匀，海雾南侧边界沿着海南岛北部海岸线发展，徐闻站能见度维持在300 m左右。21日22:00，琼州海峡、雷州半岛东侧海面有雾发展，面积较小，观海台站能见度降至100 m以下。22日00:00—02:00，随着中、高层云的大面积东移，低层云雾被遮挡，无法辨别，02:00徐闻站能见度降至1000 m以下，并持续了4 h。

图3 2018年2月15日04:00至22日02:00琼州海峡上空海雾的演变(a) 15日04:00，(b) 15日06:00，(c) 15日09:00，(d) 19日04:00，(e) 19日06:00，(f) 19日09:00，(g) 21日22:00，(h) 22日00:00，(i) 22日02:00Fig.3 The evolution of sea fogs over the Qiongzhou Strait from 04:00 BST 15 to 02:00 BST 22 February 2018(a) 04:00 BST 15 February, (b) 06:00 BST 15 February, (c) 09:00 BST 15 February, (d) 04:00 BST 19 February, (e) 06:00 BST 19 February, (f) 09:00 BST 19 February,(g) 22:00 BST 21 February, (h) 00:00 BST 22 February, (i) 02:00 BST 22 February

上述不同海雾阶段，琼州海峡附近的天气现象各有不同，这与各阶段的天气背景密切相关。

3 天气背景和气-海温差

3.1 环流形势特征

参考许向春等[29]工作，将此次海雾过程分为4个阶段进行分析。阶段1，环流形势为均压场型。2月15—17日，500 hPa我国东南部地区始终处在较强高压脊控制下[图4(a)]，大气层结稳定；低层海上变性高压较弱，琼州海峡上空等压线稀疏，处于均压场外围偏弱的东南气流中[图4(d)]。阶段2，环流形势为入海变性高压脊型。18—20日，500 hPa我国中低纬地区受宽平的高压带控制[图4(b)]；低层海上变性高压有冷空气持续补充，高压脊线呈东北—西南向，我国华南区域气压梯度加大，琼州海峡位于脊线西南端[图4(e)]，受偏强的东到东南风影响，具有较好的水汽条件。阶段3，环流形势为锋面型。22日08:00，500 hPa中高纬地区低槽东移发展[图4(c)]，925 hPa琼州海峡以北地区有东北风与东南风切变(图略)，琼州海峡及华南沿岸位于地面锋区[图4(f)]。阶段4，环流形势为入海变性高压脊型。24—25日(图略)，500 hPa形势场与阶段2相似，中低纬地区为平直的纬向环流，琼州海峡处于入海变性高压后部较强的暖湿气流中。

图4 2018年2月15(a、d)、19(b、e)、22(c、f)日08:00琼州海峡500 hPa(a、b、c)和1000 hPa(d、e、f)位势高度场(等值线，单位：gpm)、风场(矢量，单位：m·s-1)和温度场(阴影，单位：℃)空间分布Fig.4 The spatial distribution of 500 hPa (a, b, c) and 1000 hPa (d, e, f) geopotential height field (contours, Unit: gpm), wind field (vectors, Unit: m·s-1) and air temperature field (shadows, Unit: ℃) over the Qiongzhou Strait at 08:00 BST 15 (a, d), 19 (b, e) and 22 (c, f) February 2018

3.2 站点气象要素演变特征

不同海雾阶段，位于琼州海峡南北两侧的海口、徐闻2站气象要素特征表现不同(图5)。阶段1(15—17日)，大气处于静稳条件，夜间少云，15、16日20:00后在地表辐射冷却作用下2站气温逐渐下降，相对湿度逐渐上升，当相对湿度接近100%时，辐射雾开始形成，且背景风偏弱，2站风向日夜偏转角度超过90°，夜间风速低于2 m·s-1，有利于辐射雾的维持；16、17日08:00后地表逐渐增温，相对湿度骤降至75%左右，雾开始消散。阶段1的地表气温、相对湿度都具有明显的日变化特征。

图5 2018年2月14日20:00至26日20:00徐闻、海口2站气温、相对湿度、降水量的逐小时演变及风向风速逐2 h演变Fig.5 The hourly evolution of air temperature, relative humidity and precipitation and 2-hour evolution of wind speed and wind direction at Xuwen and Haikou stations from 20:00 BST 14 to 20:00 BST 26 February 2018

阶段2(18—20日)和阶段4(24—25日)，暖湿气流输送造成琼州海峡及附近水汽增加，形成平流雾，致使太阳辐射大幅削弱，徐闻、海口站气温升高缓慢，相对湿度长时间饱和，如徐闻站18日08:00至19日08:00，气温(相对湿度)维持在20 ℃(100%)附近；2站风向、风速日变化小，以东到东北风或东南风为主，徐闻站接近静风，海口站风速在4 m·s-1以下。

阶段3(22日)，冷空气南下，徐闻站转为稳定的偏北风，海口站为东南风，风速均超过4 m·s-1，冷暖空气在琼州海峡交汇，徐闻站出现弱降水，且降落地面时水汽蒸发，致使空中水汽含量增加，相对湿度一度达100%，出现锋面雾。

23、26日，琼州海峡处于冷锋锋后，空气偏冷偏干，相对湿度降至90%左右，地面均为风力较强(4 m·s-1以上)的偏北风，不利于海雾维持发展。因此，23日琼州海峡大雾短暂消失，26日海雾过程结束。

3.3 气-海温差

较低的海表温度和适宜的气-海温差有利于海雾的生成发展。监测数据(图6)显示，此次海雾期间，琼州海峡海表温度为17～21 ℃，而海表气温相对偏暖，且昼夜温差明显，气-海温差在-2～3 ℃之间；22日白天海表气温开始持续下降，至20:00气温骤降至17 ℃以下，而海表温度变化不大，维持在20 ℃左右，致使气-海温差降至-3 ℃以下，雾消散；23日夜间，随着气温回升，气-海温差逐渐增大，雾再次出现。

图6 2018年2月14日20:00至26日20:00秀英港海温、观海台气温和气-海温差的逐小时演变Fig.6 The hourly evolutions of sea surface temperature at Xiuying harbour station, air temperature at Guanhaitai station and air-sea temperature difference from 20:00 BST 14 to 20:00 BST 26 February 2018

利用ERA-Interim海表温度和2 m气温资料，得到琼州海峡气-海温差空间分布(图7)。可以看出，19日，受入海变性高压脊后部暖湿气流影响，南海北部海区气-海温差均为正值，琼州海峡附近气-海温差较高，在2 ℃以上[图7(a)]；22日，受冷空气影响，南海北部气-海温差降为负值，琼州海峡附近气-海温差仍大于0 ℃[图7(b)]。可见，受两侧陆地影响，琼州海峡海雾各阶段的气-海温差(15日、24日气-海温差空间分布与19日相似，图略)都比同纬度周边海区偏高，有利于辐射雾、平流雾和锋面雾的形成，这是琼州海峡海雾出现频次较粤东、粤西沿岸海区偏高的原因之一[22]。

图7 2018年2月19(a)和22(b)日08:00琼州海峡气-海温差空间分布(单位：℃)(灰色区域为陆地)Fig.7 The spatial distributions of difference between air temperature and sea surface temperature in the Qiongzhou Strait at 08:00 BST 19 (a) and 22 (b) February 2018 (Unit: ℃)(the gray areas for the land)

4 水汽特征

低空充沛的水汽是海雾形成的重要条件。从琼州海峡不同海雾阶段低空比湿、水汽通量及其散度和水汽平流项分布(图8)可以看出，辐射雾阶段[图8(a)、图8(e)]，海南岛东部至两广沿岸有东南方向的水汽输送，水汽在近海岸辐合，琼州海峡附近有较强的湿平流(4×10-5g·kg-1·s-1)，比湿较小(低于10 g·kg-1)；锋面雾阶段[图8(c)、图8(g)]，来自东北方向的水汽在琼州海峡附近汇聚，对应的水汽通量值较大，海峡附近形成孤立的水汽辐合中心和狭小的湿平流中心，比湿较大(超过10 g·kg-1)；两次平流雾阶段[图8(b)、图8(f)、图8(d)、图8(h)]，华南近海海域比湿均较大(10 g·kg-1以上)，水汽辐合较强，水汽通量散度低于-2×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1，且低层云雾区与低空水汽辐合区基本一致。然而，两次平流雾阶段也存在不同，主要表现在：(1)水汽输送通道不同。19日华南近海为单一的东南方向水汽输送，水汽辐合区沿海岸线分布，而24日则为东北和偏东方向的两支气流在琼州海峡—海南岛东部海岸交汇，形成东北—西南向的水汽输送通道，水汽辐合带位置偏南，海口站海雾时间早于徐闻站[图8(b)、图8(d)]。(2)低空辐合层的厚度不同。925 hPa高度上，19日仍有弱的水汽辐合，而24日则出现了水汽辐散(图略)。(3)湿平流范围和持续时间不同。19日，华南近海为大面积湿平流区，琼州海峡湿平流较强，至20:00，850 hPa湿平流值可达5×10-5g·kg-1·s-1，且1000 hPa高度上的湿平流持续至21日20:00(长达2 d)[图8(f)、图9(a)]；24日08:00，湿平流区明显缩小，琼州海峡850 hPa湿平流较小(1×10-5g·kg-1·s-1)，24 h后(25日08:00)，低空各层均转为干平流[图8(h)、图9(a)]。综上可见，18—20日平流雾的长时间维持是较强的湿平流和较厚的水汽辐合层共同作用所致。另外，从琼州海峡上空比湿演变[图9(b)] 可知，在18—20日平流雾期间，低层大气比湿缓慢增加，水汽越来越充沛；24—25日平流雾期间，低层大气比湿在25日08:00后快速下降，水汽条件转差，850 hPa比湿下降最明显。

图8 2018年2月15(a、e)、19(b、f)、22(c、g)、24(d、h)日08:00琼州海峡1000 hPa比湿(红色等值线，单位：g·kg-1)、水汽通量(矢量，单位：g·hPa-1·cm-1·s-1)及其散度(填色，单位：10-5 g·hPa-1·cm-2·s-1)(a、b、c、d)和1000 hPa水汽平流项(e、f、g、h，单位：10-5 g·kg-1·s-1)分布Fig.8 The distributions of 1000 hPa specific humidity (red contours, Unit: g·kg-1), water vapor flux (vectors, Unit: g·hPa-1·cm-1·s-1) and its divergence (shadows, Unit: 10-5 g·hPa-1·cm-2·s-1) (a, b, c, d) and 1000 hPa water vapor advection term (e, f, g, h, Unit: 10-5 g·kg-1·s-1) over the Qiongzhou Strait at 08:00 BST 15 (a, e), 19 (b, f), 22 (c, g) and 24 (d, h) February 2018

图9 2018年2月17—26日琼州海峡(109.20°E—110.26°E、19.95°N—20.35°N)不同高度层平均水汽平流项(a)和比湿(b)逐6 h演变[红色(蓝色)方框、箭头分别表示18—20日(24—25日)持续湿平流(湿平流转为干平流)和比湿增加(下降)过程]Fig.9 The 6-hour evolutions of mean water vapor advection term (a) and specific humidity (b) at different levels over the Qiongzhou Strait (109.20°E-110.26°E,19.95°N-20.35°N) from 17 to 26 February 2018[The red (blue) box and arrow indicated continuous wet advection (wet advection transfering to dry advection) and specific humidity increase (decrease) process from 18 to 20 (24 to 25) February 2018, respectively]

5 边界层特征

5.1 温湿廓线

图10是海口探空站不同海雾阶段大气边界层垂直廓线。为了与地面观测保持一致，将相对湿度达96%及以上区域定为雾区或层云区。阶段1：15日、16日、17日08:00，1000 m以下均出现双层逆温结构，持续的暖平流使第一(二)层逆温层底从15日100 m(500 m)抬升至17日200 m(700 m)，雾顶出现在第一逆温层底附近，且随着逆温层底部升高而升高，从15日的50 m发展至17日的200 m。阶段2：18日、19日、20日08:00，50～400 m温湿递减率较小，为位势中性气层(图略)，湍流混合均匀，雾顶发展到1200 m，当有干空气卷夹时，其上部转为层云，雾顶高度下降至400 m左右。阶段3：21日、22日08:00，800 m以下比湿廓线紧贴，且比湿随高度降低而增大，海雾厚度变薄(22日08:00，雾顶降低至200 m)；23日08:00，冷空气使低层空气降温减湿，1000 m附近存在锋区逆温，加之气-海温差增大，地面风速增强，近地面海雾抬升为层云，海雾短暂消散。阶段4：24日08:00， 1000 m以下气温较前日明显回暖，比湿相应增大，海雾再次生成，雾顶高度在200 m左右；25日、26日08:00，比湿持续减小，当200 m以下相对湿度低于96%时，海雾过程结束。

图10 2018年2月15—26日08:00海口探空站温度(上)、比湿(中)和相对湿度(下)的垂直廓线Fig.10 The vertical profiles of temperature (the top), specific humidity (the middle) and relative humidity (the below) at Haikou sounding station at 08:00 BST from 15 to 26 February 2018

5.2 温度平流垂直结构

暖平流有利于近海面逆温的建立和维持，使水汽被抑制在低层，不断冷却凝结，形成海雾。从图11看出，15日08:00，琼州海峡(20.15°N)上空800 hPa附近有一暖平流中心，975 hPa因辐射降温及陆风入侵出现浅薄的冷平流层，温度平流垂直分布不均匀；19日08:00，暖平流层范围宽广、深厚且中心位于近地面层，温度平流垂直分布相比辐射雾更均匀；22日08:00，琼州海峡近海面为冷平流，暖平流被抬升至950 hPa附近，冷暖平流交汇形成锋生，促使上升运动加强，徐闻出现降水，伴随出现锋面雾。

图11 2018年2月15日(a)、19日(b)和22日(c)08:00沿110.26°E的温度平流(填色，单位：10-5 K·s-1)及垂直环流(流线)经向垂直剖面Fig.11 The meridional vertical sections of temperature advection (shadows, Unit: 10-5 K·s-1) and vertical circulation (streamlines) along 110.26°E at 08:00 BST 15 (a), 19 (b) and 22 (c) February 2018

5.3 低空急流和风切变

图12和图13是海口站风廓线雷达监测的此次海雾过程低空气流和垂直风切变的逐小时演变。从图12看出，14日22:00至15日02:00，近地面有偏南急流，并把水汽输送至琼州海峡；15日05:00—09:00，风速骤减，出现静风特征，水汽因逆温层聚集在大气低层，为辐射雾的生成提供了有利条件；18日20:00至19日20:00，风向随高度顺转，600 m附近东南向的大风速轴(v≥8 m·s-1)稳定维持，且与地面存在较强的垂直风切变。垂直风切变引起的湍流混合是海洋上空大气边界层降温增湿的主要机制，有利于冷海面上空暖湿空气冷却饱和形成海雾，促进平流雾的生成和维持。另外，辐射雾阶段地面与600 m垂直风切变较小，平均为3.23×10-3s-1，而平流雾阶段的垂直风切变较大，平均为4.75×10-3s-1。

图12 2018年2月14日20:00至15日20:00(a)和18日20:00至19日20:00(b)海口站风场(风羽，单位：m·s-1)时间-高度剖面(风速达12 m·s-1以上为低空急流)Fig.12 The time-height section of wind field (barbs, Unit: m·s-1) at Haikou station from 20:00 BST 14 to 20:00 BST 15 (a) and 20:00 BST 18 to 20:00 BST 19 (b) February 2018(The wind speed of low-level jet was more than 12 m·s-1)

图13 2018年2月14—26日海口站地面与600 m高度垂直风切变的逐小时演变[蓝、红色虚线分别为辐射雾(15—17日)、平流雾(18—20日、24—25日)期间垂直风切变的平均值]Fig.13 The hourly evolution of vertical wind shear between surface and 600 m height at Haikou station from 14 to 26 February 2018[the blue (red) dot line indicated the average value of vertical wind shear during radiation (advection) fog from 15 to 17 (18 to 20 and 24 to 25) February, respectively]

6 结 论

(1)2018年2月15—25日琼州海峡持续性海雾过程可分为4个阶段、3种类型。阶段1(15—17日)为均压型的辐射雾；阶段2(18—20日)和阶段4(24—25日)为入海变性高压脊后部暖湿气流所致的平流雾；阶段3(22日)为琼州海峡附近锋区形成的锋面雾。

(2)辐射雾期间，徐闻、海口2站夜间气温降低，水汽处于饱和状态，且2站风向偏转角度超过90°，夜间风速低于2 m·s-1；平流雾期间，2站气温(相对湿度)长时间维持不变(饱和)，风向以东到东北风或东南风为主，徐闻站风速接近静风，海口站风速在4 m·s-1以下；锋面雾期间，2站风速超过4 m·s-1，徐闻站为偏北风，且出现弱降水。

(3)海雾期间，海温偏冷，气-海温差为-2～3 ℃。辐射雾出现前，琼州海峡附近水汽辐合较弱，温度平流垂直分布不均匀；平流雾期间，比湿(水汽辐合)条件较好，暖平流层深厚，其中18—20日的湿平流较强，水汽辐合层较厚，且比湿逐日增加，海雾持续时间比24—25日长；锋面雾期间，琼州海峡附近为湿平流(水汽辐合)中心和冷暖平流交汇形成的锋区。

(4)辐射雾出现前，近海面存在偏南急流的水汽输送，水汽积聚在双层逆温的边界层下，雾顶出现在第一逆温层底，高度随逆温层底的升高而抬升。平流雾期间，600 m以下东南向大风速轴稳定维持，地面与600 m高度的垂直风切变较强，使得雾层湍流混合均匀，大气表现为中性层结结构，雾顶可发展至1000 m以上。锋面雾期间，比湿逐渐减小，雾顶高度下降。