海南岛冬季雾日异常气候背景分析

邢彩盈，吴胜安，胡德强，朱晶晶

（海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南省气候中心，海南 海口 570203）

雾是指悬浮在贴近地面的大气中大量微细水滴（或冰晶）浮游空中，使水平能见度降至1 km以下的一种天气现象［1］.大雾天气对海陆空交通运输、户外旅游、农业生产、群众生活等都有着重大的影响.同时，当雾和空气中污染物相结合还会诱发或加重多种慢性病症，对人体健康造成很大的危害.在海南，大雾是一种常见的灾害性天气，其中冬季发生频繁，因大雾天气造成交通、旅游等方面影响的事件几乎年年发生.例如，2007年3月25日早晨因大雾造成海南西线高速公路临高县路段连续发生3起重大交通事故，造成3人死亡，2人受伤，11辆车辆受损，直接经济损失估计200万元；2018年春节琼州海峡和海口市区频现大雾，导致各港口上万辆小车和大量旅客滞留，造成大面积交通拥堵.近年来，随着海南国际旅游岛、海南自贸港的建设和发展，大雾对交通运输、旅游产业等方面的负面影响日益凸显，做好大雾气象服务保障更加重要.因此，开展海南大雾研究具有重大的现实意义.

目前，关于中国雾日的气候变化特征、影响气象因子方面已有大量的研究成果.总体而言，中国不同等级雾日呈东南多西北少的分布特征［2］；在气候变暖背景下，中国雾日呈明显的年代际变化特征，1980年前呈增长态势、1990年后明显减少［3−5］.大雾形成受气象要素、环流系统、大气稳定度等诸多条件的影响［6−7］.一方面，引起雾日气候变化趋势的主要气象条件有气温升高、湿度降低、风速变化、气溶胶密度加大等［8−10］.另一方面，大雾的发生发展还与大尺度环流系统有关［11］.当北极涛动处在正位相时，东亚冬季风环流减弱，东亚大槽偏弱，不利于北方冷空气南下，为我国长三角地区大雾天气形成提供重要的环流背景［12−14］；从低层来看，当偏东风分量加大、湿度较大，且海平面气压场上处在弱高压底前部均压区时，这些地区雾易频发［15］.陕西雾日偏多年，东亚中低纬大陆上海平面气压和500 hPa位势高度维持正异常，低层陕西上空处在异常反气旋环流的顶前部，下沉逆温不利于空气扩散进而形成雾［16］.1990年后重庆冬季雾日处于偏少的年代际背景，主要是由于前秋北太平洋年代际振荡暖位相转为冷位相、冬季西伯利亚高压增强造成［17］.研究还指出水汽输送对西南地区冬季雾的形成影响较小，但对华北、华南冬季雾影响较大，在水汽充足、东亚槽偏弱的情况下华北、华南容易出现大雾天气［18］.

不同地理条件下雾的气候规律、大气条件等存在明显区别.关于海南大雾也已有一些研究工作，主要有从天气学角度出发，针对单次雾过程的个例分析［19−20］；也有针对雾日的统计特征、演变规律及气象条件等方面研究［21−22］.这些研究中，从气候学角度研究雾日影响成因主要是针对气象要素，对研究与雾日异常有关的海气气候背景相对单一、不够深入全面［23］，同时大多数针对雾的气候学研究序列的近期性显得不足，不满足现状需求.因此，将重点分析海南岛冬季（上年12月至当年2月，下同）雾日的时空分布特征以及雾日异常年海气背景特征，以把握雾日的气候变化背景，为雾日短期气候预测提供科学依据，提高对大雾天气的预测水平，减少因大雾灾害所造成的损失.

1 资料与方法

文章所用资料包括有：（1）1980年12月—2020年2月海南岛18个国家气象观测站地面逐日观测中天气现象（雾）数据.（2）NCEP/NCAR全球逐月再分析资料，包括位势高度场、海平面气压场、风场、相对湿度场等，水平分辨率为2.5°×2.5°.（3）NOAA ERSSTV4b逐月海表面温度（Sea Surface Temperature，以下简称SST），水平分辨率为2.0°×2.0°.（4）国家气候中心的气候系统监测指数集资料（https：//cmdp.ncc-cma.net/Monitoring/cn_index_130.php），包括西太副高特征指数、东亚槽指数、南方涛动指数和海温指数，文中采用中国气象局规定的厄尔尼诺/拉尼娜事件判别方法［24］定义厄尔尼诺/拉尼娜事件年.

利用线性倾向估计、合成分析、相关分析、显著t检验、Mann-Kendall检验等方法分析1981冬季（1980年12月—1981年2月）至2020年冬季（2019年12月—2020年2月）海南岛雾日的时空分布特征，并全面分析冬季雾日异常年大尺度环流、海温的异常变化特征.

2 冬季雾日的气候特征

2.1空间分布特征从海南岛1981—2020年平均冬季雾日的空间分布（图1）可看出，平均冬季雾日的高值区集中在海南岛北部和中部内陆地区.其中，中部的白沙冬季雾日最多，达37.1 d·a−1，北部大部和南部内陆地区均大于11.0 d·a−1；东南部和西南部的沿海地区平均冬季雾日均少于3.0 d·a−1，三亚未出现过雾日.

图1 海南岛1981—2020年平均冬季雾日的空间分布

2.2时间变化特征1981—2020年全岛平均的冬季雾日呈显著下降趋势（图2a），其下降趋势通过信度0.05的显著性检验，下降速率为0.11 d·a−1.其中，2000年之后冬季雾日基本都处在偏少的时段，2010年后冬季雾日偏少尤为明显.全岛平均冬季雾日最多的年份出现在1983年（13.8 d），最少的年份为2012年（5.1 d）.从1981—2020年全岛平均冬季雾日的Mann-Kend⁃all统计量曲线分布（图略）可看出，雾日偏少趋势是一个突变现象，具体是从2006年左右开始.

从各市县冬季雾日的线性趋势倾向率空间分布（图2b）可看出，定安、万宁和乐东呈弱的上升趋势、但趋势不显著，其他市县冬季雾日均呈下降趋势，五指山下降速率最快，达0.48 d·a−1；保亭次之，为0.36 d·a−1，其中，除了海口、琼海、白沙、东方和陵水外，其他市县的下降趋势均通过信度0.05的显著性检验.

图2 1981—2020年海南岛平均冬季雾日随时间的变化特征（a）及各地冬季雾日趋势倾向率（b）

研究表明海南雾的形成与最低气温、相对湿度以及风速等气象要素存在密切关系，气温低、湿度大、风速小更容易形成雾［22，25］，可见冬季雾日在2000年后处在偏少年代际背景下的原因可能是这三个气象要素发生了变化.通过考察了2000年后冬季日平均最低气温、相对湿度、平均风速的变化特征发现，该阶段冬季日平均最低气温以偏高为主，2010年偏高尤为明显；平均风速呈上升变化趋势；平均相对湿度主要以偏大为主.由此可见，2000年尤其2010年后海南岛冬季日平均最低气温偏高、平均风速增大是造成该阶段冬季雾日明显偏少的直接原因.

3 冬季雾日异常年的海气背景

大气环流是影响区域气候的重要因子，大雾天气主要是天气系统影响下的高压雾，与大气环流之间的配置关系密切.因此，以冬季雾日距平在±0.8个标准差以上的标准从1981—2020年全岛平均冬季雾日序列中挑选异常偏多年和偏少年对同期大气环流场进行合成分析，并分析冬季雾日与前期、同期全球海温异常的关系.除了在分析500 hPa位势高度场异常特征时进行去趋势处理外，其余环流场按原距平场分析.

3.1同期大气环流异常特征

3.1.1 500 hPa位势高度场 由于东亚冬季风、西太副高等关键环流系统受到全球气候变暖的影响较大［26］，所以我国冬季气候、关键环流系统具有明显年代际特征［27−28］.从年代际尺度来看，海南岛冬季雾日呈显著的下降趋势，冬季东亚槽呈显著的偏东、减弱态势，冬季西太副高呈显著的偏大、偏强和偏西的态势.可见，冬季雾日与冬季东亚槽强度呈一致的年代际变化特征、与西太副高呈反位相的年代际关系.这些大气环流系统的年代际变化特征主要是在全球气候变暖背景下产生的.

为了突显主要环流系统的年际变化信号，削弱气候背景的差异，对本节的500 hPa位势高度场和冬季雾日进行去趋势处理.对冬季雾日去趋势处理后，以雾日年际序列距平在±0.8个标准差以上的标准挑选异常偏多年（2016年、2002年、2004年、1987年、1983年、2019年、2005年、1985年、1993年）和偏少年（1988年、1996年、1997年、2012年、1990年、2013年、1981年、2015年、1986年）对同期500 hPa位势高度年际场进行合成分析.从去趋势后冬季雾日偏多年和偏少年同期500 hPa位势高度场及高度距平场的分布情况（图3）可看出，在年际尺度上，冬季雾日偏多年，东亚大槽偏弱，中国东南部地区高度场较常年偏高；西太副高偏强偏大、西伸脊点偏西.雾日偏少年则表现出相反的特征：东亚大槽偏强，中国东南部地区高度场偏低；西太副高偏弱.

图3 冬季雾日异常年同期500 hPa位势高度距平场合成图（等值线为去趋势处理后的500 hPa位势高度距平场；粗实线为冬季586 dagpm和588 dagpm气候态；阴影区为通过信度0.05的显著检验区，下同）

为进一步验证海南岛冬季雾日与西太副高的关系，分别计算了冬季雾日与西太副高各特征指数的相关系数（表1），发现在年际时间尺度上，冬季雾日与西太副高的面积指数、强度指数呈显著的正相关关系，与西伸脊点呈显著的负相关关系，均通过信度0.05的显著性检验.这与冬季雾日多、少年500 hPa位势高度场的合成分析结果相吻合.也就是说，冬季雾日和冬季西太副高存在着显著的年际关联：常年冬季海南岛上空主要处在西太副高的北侧，当冬季西太副高年际尺度上偏强、偏大、西伸脊点偏西时，其北侧偏西异常气流偏强，有利于暖湿空气的输送，空气湿度大，但由于副高面积偏大，冷空气难于南下入侵，海南岛区域主要盛行异常辐散下沉气流，不利于降水发生，从而容易形成大雾天气.

表1 1981—2020年冬季雾日与西太副高各特征指数的相关系数（去趋势后）

3.1.2 海平面气压场 从冬季雾日异常年同期海平面气压距平场合成的分布情况（图4）可看出，冬季雾日偏多年，我国华南地区、孟湾至澳大利亚西北部一带为海平面气压正距平区，而澳大利亚东南部海域则为海平面气压负距平区.冬季雾日偏少年，上述两个区域则呈反向的分布形势.可见，冬季雾日异常年对应的同期海平面气压场上呈现出南方涛动现象.通过计算南方涛动指数与冬季雾日的相关性也发现二者呈显著的负相关（−0.36），通过信度0.05的显著性检验.可见，当南方涛动处在正位相时，热带太平洋地区沃克环流加强，对应对流层低层的东风异常分量有所加强，海南岛附近上空对应有异常上升运动，有利于降水发生发展，而不容易形成大雾天气.

图4 冬季雾日异常年同期海平面气压距平场合成图（单位：hPa）

3.1.3 200 hPa散度场 从冬季雾日异常年同期200 hPa散度距平场合成的分布情况（图5）可看出，冬季雾日偏多年，海南岛及南海区域为显著的负散度异常，对应高层为辐合运动，即海南岛上空对应有下沉运动，降水形势不利；冬季雾日偏少年，上述区域为显著的正散度异常，对应高层为辐散运动，即在该区域上空有上升运动，有利于降水发生，不易形成雾.

图5 冬季雾日异常年同期200 hPa散度距平场合成图（单位：10−6 s−1）

3.1.4 低层风场和湿度场 从冬季雾日异常年同期850 hPa风场距平场和850 hPa相对湿度距平场合成的分布情况（图6）可看出，冬季雾日偏多年，南海区域存在反气旋异常环流中心，海南岛处在该异常环流的西北侧，受其西北侧异常西南暖湿气流的影响，海南岛西北部风速较小，对应地海南岛区域相对湿度略偏大，北部偏大较明显，而南海东南部海域湿度偏小，低层相对湿度场上也反映出入海冷高压的异常特征.可见，雾日偏多年，海南岛处在入海变性干冷高压的西北侧，受其西北侧异常暖湿西南气流影响，其上空空气扩散条件差，有利于暖湿空气的聚集，易于雾的生成和维持.

图6 冬季雾日异常年同期850 hPa风场距平场（m·s−1）和850 hPa相对湿度距平场（%）合成图

雾日偏少年，菲律宾至南海东南部附近存在一弱的气旋式异常环流，海南岛处在该异常环流的西北侧，受来自北方的异常东北气流影响，整个海南岛风速较大，而且对应海南岛低层相对湿度偏小.可见，冬季北方相对干冷气流入侵海南岛，北风风力加大，不利于大雾天气的出现.

由于大雾形成与近地层风场密切相关，给出海南岛冬季雾日异常年同期10 m风场距平场合成的分布情况（图7），可发现其分布与850 hPa异常风场相对应.冬季雾日偏多年，南海海域存在反气旋式异常环流，海南岛处在其西北侧，受西南异常气流影响，近地层风速较小.而冬季雾日偏少年，海南岛受一致的偏北风异常环流影响，风速较大，近地层空气流动快，不利于水汽的堆积，也就不利于大雾天气形成.

图7 冬季雾日异常年同期10 m风场距平场（单位：m·s−1）

3.2海温异常变化特征从冬季雾日与前期春季、夏季、秋季和同期冬季海温的相关场分布情况（图8）可看出，前期春季至秋季，菲律宾以东至澳大利亚东部海域存在一大片显著的负相关区，印度洋东部海域也存在显著的负相关区，均通过信度0.05的显著性检验，这一显著负相关区随季节推移其影响范围和面积有所北扩，到了秋季该区域北部扩展到我国东部海域，南部延伸至南太平洋中部海域.同时，前期夏季开始，热带中东太平洋海域的正相关区逐渐明显，秋季信号开始显著，并稳定持续到同期冬季，而且信号随季节的推进逐渐加强.可见，当冬季雾日偏多时，对应地，前秋我国东部海域偏冷，前期夏季至同期冬季热带西太平洋偏冷、热带中东太平洋偏暖，即整个热带太平洋地区海温呈现出类似典型厄尔尼诺状态下的海温分布型，冬季该分布型最为显著.反之，冬季雾日偏少年在热带太平洋地区呈现出类似拉尼娜状态下的海温分布.

图8 冬季雾日与前期各季、同期冬季海温场的相关场分布（阴影区为通过信度0.05的显著相关区）

进一步分析全岛平均冬季雾日与同期Niño3.4区海温指数的相关性发现二者呈显著的正相关关系（0.33），与同期东部型ENSO指数相关性更显著（0.39）.同时，分析了1981年以来秋冬季热带中东太平洋海温异常年冬季雾日的异常特征发现，拉尼娜年雾日偏少的概率为77%，厄尔尼诺年雾日偏多的概率相对低一些，为60%.综上可见，海南岛冬季雾日与海温前兆信号有着密切的关系，类ENSO海温分布型、前期西太暖池和我国东部海域海温对冬季雾日均有较好的预示作用，分别超前1个季、3个季和1个季.

冬季西太副高、东亚冬季风的年际变化与全球海温异常变化均有着密切的联系.当热带太平洋海温呈类似厄尔尼诺状态分布或处于ENSO暖位相年、南海至西太暖池偏冷时，冬季西太副高往往偏大偏强偏西［29−30］，冬季东亚冬季风偏弱，对应东亚大槽较常年偏弱，在我国南海至菲律宾附近上空存在菲律宾异常反气旋环流，使得低层我国东南部沿海为偏南风异常，有利于暖湿水汽向南方地区输送［31−32］，结合上述分析可知这种高低层环流配置有利于海南岛冬季大雾天气的形成和维持.可见，ENSO状态、南海至西太暖池海温前兆信号对海南岛冬季大雾天气的发生和维持具有重要的指示意义.

4 结 论

通过分析1981—2020年海南岛冬季雾日的时空分布特征及大气环流、海温异常特征，得到以下结论.

（1）海南岛冬季雾日高值区集中在北部和中部内陆地区，低值区集中在东南部和西南部的沿海.近40 a来冬季雾日呈显著的下降趋势，2000年之后处在偏少的年代际背景下，主要在2006年左右发生突变.冬季日平均最低气温偏高、风速增大是造成2000年后冬季雾日偏少的直接原因.

（2）冬季雾日偏多年，西太副高年际尺度上偏大偏强、西伸脊点偏西；南方涛动处于负位相，我国华南地区海平面气压偏高；高层海南岛及南海区域为显著的辐合运动，对应有下沉运动；低层及近地层海南岛处在异常冷高压的西北侧，受其西北侧异常的西南暖湿气流影响，风速较小，相对湿度略大，空气扩散条件差，有利于雾的生成和维持.冬季雾日偏少年的情况相反.

（3）冬季雾日与前期和同期海温异常变化特征有着重要的关系，其中秋冬季ENSO状态、南海至西太暖池以及我国东部海域海温对冬季大雾天气的发生和维持具有重要的指示意义.类ENSO海温分布型、西太暖池和我国东部海域海温对冬季雾日的预兆信号分别为超前1个季、3个季和1个季.