黄、东海春季海雾“楔”形雾区分布特征及其成因分析

曹宗元，刘 飞, 郭文明, 王坚侃，陈梅汀

(1.舟山市气象局，浙江 舟山 316021；2.中国人民解放军91937部队，浙江 舟山 316000；3.中国人民解放军91876部队，河北 秦皇岛 066200)

引 言

黄、东海是海雾多发区[1]。海上低能见度天气严重影响海上交通及作业安全[2]。准确的海雾预报需要对黄、东海海雾的分布特征及大尺度气象水文背景成因有更清晰和透彻的了解。黄、东海位于太平洋的暖海流黑潮与冷海流亲潮交汇处，季节性南风将东海暖湿空气吹向黄海冷海面上成雾，这是海雾的气候学成因[3]。早在1930年，Byers[4]认为冷海面对近海面层的空气冷却是海雾的主要成因。国内研究表明，黄海海雾多属于平流冷却雾[5-7]，即暖湿空气流经冷海面，底层空气降温达到其露点凝结而形成雾。天气形势为海雾提供了背景场。赵永平等[8]将黄、东海海雾生成的天气型划分为5类，有利的天气系统不仅形成了稳定的大气层结，更为海雾提供了水汽条件。Lewis等[9]认为高压造成的大规模下沉运动、边界层内的逆温等均为海雾的形成提供了环境场。

春季华南多云雨，黄、东海多海雾，下垫面海表面温度(SST)也呈现出南高北低的分布。本文选取黄、东海连片大范围雾区海雾个例，消除以地理位置割裂中国沿海海雾整体性的弊端，分析黄、东海连片雾区海雾的典型分布特征，探索气象水文背景条件在海雾过程中的作用。

1 资料与方法

本文所用的资料有中国气象卫星中心风云2E、2G及日本气象厅MTSAT(The Multi-functional Transport Satellite)可见光云图，韩国气象厅KMA(Korea Meteorological Adiministration)提供的逐3 h地面分析图、气象传真图等地面站点观测数据，ICOADS(The International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set)的能见度数据,美国国家预报中心(NCEP)提供的空间分辨率为0.5°×0.5°的CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)风、湿度、垂直速度等再分析资料,美国国家海洋和大气管理局 NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)提供的 OISST(Daily Optimum Interpolation Sea Surface Temperature)每日下垫面海温资料,怀俄明大学(uw.vo.edu)提供下载的探空数据(08、20时)。

卫星遥感雾区图像特征为颜色乳白、表面光滑、质地均匀，白天受陆地热力影响较大，雾区与海岸线吻合较好[10-12]。对2009-2018年近10年海雾过程进行统计分析，并利用个例分析方法，对典型个例环流形势、水汽条件、下沉运动、下垫面海温、层结条件等方面展开研究，揭示海雾成因，以个性发掘“楔”形雾区共性特征[7]。为进一步了解其共性特征，还采用数理统计方法，对1980-2018年雾频进行统计，结合春季下垫面海温情况[1]，进而获得海雾雾区“楔”形成因概念图。

2 结果与分析

2.1 “楔”形海雾空间分布特征

通过可见光卫星云图，结合地面观测数据,对海雾雾区统计分析发现,大范围、连片且覆盖黄、东海海域的海雾雾区具有相似的分布特征(图1)。由图1大范围的具有代表性的6个海雾个例卫星云图可知：

(1)海雾雾区范围较大，且覆盖整个黄、东海海域，雾区形状具有相似分布特征，黄海雾区较为明显，由于30°N以南的东海海域常伴有恶劣天气，云系较多，给卫星云图判别海雾带来困难。

(2)雾区形状呈现为北部宽广、南部细长的“楔”形分布特征，也就是北部雾区覆盖整个黄海海区，有部分雾区向渤海发展，颜色呈乳白色，边界整齐，与山东、江苏、朝鲜半岛海岸线吻合较好，地理环境因素也决定了此雾区的分布特征[13-14]。以长江口附近为界，南部雾区覆盖东海近岸，沿浙闽沿海呈细长条带状分布，雾区多断裂，纹理较不均匀，且多有零散云系覆盖。

2.2 “楔”形海雾时间分布特征

春季和初夏是中国沿海海雾高发季节[15-16]。本文统计的黄、东海“楔”形海雾发生的频率占春季大范围海雾的30%左右，黄、东海延伸至台湾岛连片雾区海雾多发于4月，其次是3月，5月的最少。近10年卫星云图可明显分辨出“楔”形结构的海雾有19例，4月份发生9次，占42%，3月份发生6次，3、4月份“楔”形雾区发生的概率要明显大于5月份的，其中黄海为明显“楔”形雾区，东海一半以上为云层覆盖。此外，观测事实表明，在海雾消散过程中，东海近岸条带状雾区要先于黄海大范围雾区消散。

海上船舶实测能见度是研究海雾的有效手段[17]。分析1980-2018年黄、东海春季(3-5月)ICOADS观测数据反演出的雾频(图2)可知，3月份雾区空间分布特征为沿海岸线呈东北-西南走向分布，黄海大部及东海近岸海雾发生频率在4%左右，4%频率等值线平行于朝鲜半岛至台湾岛连线，向西南延伸至广东沿海。4月份雾频明显增大，黄海北部和长江三角洲东部海域为两处雾频大值区，雾频最大在12%以上，4%等值线空间分布与3月份的相似，并由近岸向远海呈递减趋势。5月份黄海为海雾多发区，雾频在16%以上，但福建沿海雾频由4%降为2%，广东沿海雾季基本结束。总体而言，黄、东海春季雾频分布呈东北-西南向，雾频等值线与朝鲜半岛和台湾岛连线平行，也呈明显的“楔”形分布特征。

图2 黄、东海海域1980-2018年3月(a)、4月(b)和5月(c)月平均能见度小于1 km的海雾频率分布图

2.3 “楔”形海雾形成原因

从理论上讲，海雾是在海洋影响下出现在低层大气中的天气现象。适宜的大尺度天气环流背景、充足的水汽输送、稳定的大气层结、大范围的下垫面冷却条件，对黄、东海“楔”形海雾的形成起到了关键作用。本文选取2011年3月12-13日、2014年4月9-11日、2018年3月31日-4月1日3次典型个例对“楔”形雾区成因进行分析。

2.3.1 大气环流形势

海雾是在一定天气背景下产生的，通过大尺度流场分析，能够得到宏观的海雾生成特征[18]。为消除日出后下垫面增温导致的雾区消散，确保沿海站点对海雾的代表性，选取3次典型海雾个例2011年3月13日08时、2014年4月9日08时、2018年4月1日08时及其前3 h的地面图(图3)进行分析。沿海站点雾的观测事实证实了卫星云图上黄、东海海雾的“楔”形结构分布特征。3次海雾过程具有相似的天气形势和环流背景，均属于北太平洋高压后部型的平流冷却雾过程[11]，也就是位于日本东南附近海域的西北太平洋高压较弱，其高压脊西伸至我国东南地区，阻碍了北方天气系统的东移，黄、东海处于其底后部控制，稳定的偏南气流将暖湿气流源源不断地向沿海输送，台湾岛附近低压槽呈东北-西南走向。高低压配置形成稳定背景场，为海雾产生提供了较适宜的风场条件[19]。高压后部黄海大部海域盛行偏南气流，东海近岸以偏东风为主，风速为3～6 m·s-1，东海及其以南雾区风速要大于黄海海域的风速。有利的风场条件将东海偏东暖海面的水汽不断地向冷海面输送，提供了海雾形成和维持充足的水汽条件[20]。值得注意的是，在大范围雾区形成的05时，沿岸基本以南-东南向气流为主(图3a、c、e)，而在08时(图3b、d、f)，江苏、浙江沿岸基本转为东北风，也就是说大范围雾区形成后，偏北风条件下海雾仍能够维持。

图3 海雾发生时韩国远东地面天气形势图

2.3.2 水汽条件及下沉运动

良好的水汽输送是大范围海雾形成的物质基础[21-22]。图4为CFSR再分析资料的850 hPa垂向速度与1000 hPa水汽通量图。3次海雾个例存在共同的特点(图4a、b、c)：东海偏东海域是海雾形成的水汽源，强劲的水汽输送为海雾的形成提供了充足的水汽，雾区范围与水汽通量大值区有较好的对应关系。以30°N附近为界，水汽输送分为南北两路：一路是由东海北部的偏东到黄海的偏南气流反气旋性弯曲向黄、渤海输送水汽，到朝鲜半岛转为北略偏东向，最终导致雾区向朝鲜半岛北部发展，水汽通量较强区在东海北部及黄海，呈现“北宽南窄”的下尖型分布；另一路是气旋式输送，基本平行于浙闽沿岸地形向南略偏西向输送水汽，不强的西向水汽输送分量也解释了东海海雾的沿岸带状分布成因。与水汽通量配合的是天气系统分布[23-24]导致的黄、东海大范围下沉运动，下沉有助于等温或逆温等稳定大气层结出现，同时将暖湿水汽限制在较低的海气边界层内，东海大部虽为下沉运动控制，但有时存在上升运动区，这可能是东海云雾共存复杂性的诱因。图4(a)和图4(c)中黄海东南部下沉大值中心虽有较强水汽输送，但云图上无明显雾区，这可能是过强的下沉绝热加热不利于液态水汽的形成和维持。

图4 黄、东海海域海雾过程850 hPa垂直速度与1000 hPa水汽通量图

2.3.3 下垫面海温条件

下垫面热力状况是平流冷却雾成雾机制中的重要条件[25]，冷海面为暖湿空气的降温凝结提供了冷源。利用NOAA提供的基于观测和卫星资料混合的日平均OISST分析可知(图5a、b、c)，黄海大部、东海西北部、浙闽沿岸存在相对冷水区，为春季海雾的形成提供了必需条件。以2011年3月12-13日海雾过程为例(图5a)，下垫面海温呈南高北低梯度变化，除黄海中部冷水团外，中国近海普遍存在温度梯度锋，较为典型的有浙闽沿岸锋、黑潮锋及黄海暖流锋[26]。结合卫星云图(图1b)可以发现，海雾发生在海表面温度梯度锋(SSTF)冷水一侧。春季偏南暖湿气流活跃，暖湿气流过SSTF后，冷海面起到冷却作用，形成典型的平流冷却雾。2014年4月9日、2018年4月1日SST也存在同样的分布特征，即海雾多发生于黄、东海SSTF的冷水一侧，雾区范围受海陆分布和SSTF位置共同影响，形成了“楔”形分布雾区。以4月份为例(图5d)，“楔”形海雾在25°N以南海域发生在平均海温小于23 ℃的范围内[27]，25°-30°N的发生在小于18 ℃的范围内，30°N以北的则发生在海温小于15 ℃的黄海冷水区，即海洋锋冷水一侧。春季东海SSTF强度达到最强[28]。春季海温的水平分布对海雾有两点贡献：一是海洋锋的加强有助于增强冷区的下沉运动和暖区的上升运动，锋区附近边界层高度明显下降，有利于水汽在低层大气的累积；二是越海洋锋后，稳定边界层形成，限制在低层的暖湿空气平流于较冷的海面上，易凝结成雾。

2.3.4 大气层结条件

稳定的大气层结，海气边界层等温或逆温的存在，有利于海雾的生成和维持，其厚度变化也决定了雾的发展程度[29]。自南向北选取台北、洪家、射阳3站探空数据进行分析(站位见图5a)，结果发现，台北为非雾区，且处于浙闽沿岸锋暖水一侧，洪家位于锋区西侧东海条带状雾区中，射阳则能代表黄海冷水区的层结特点。以2014年4月9-11日海雾个例为例(图6,另外2个个例图略)，9日08时台北低层有弱逆温层，温度露点差低值区位于700-800 hPa高度，反映出云的存在;洪家站存在明显的逆温层，逆温层顶以下湿度逐渐增大,湿度层降至900 hPa高度，存在云雾共存的形态；射阳站逆温层强度进一步加强，水汽被限制在逆温层底1000 hPa以下且已饱和[30]，表明有雾的存在。3个海雾个例均表明，在海洋锋暖水侧，基本无逆温或弱逆温，高湿区可达700 hPa高度。暖水面的水汽输送至锋区冷水侧时，逆温层逐渐形成，同时暖湿水汽被进一步限制在850 hPa以下的低层内，此阶段水汽可能以雾或低云的形态存在。水汽继续向北至黄海冷水团时，逆温层强度继续加强(贴近海面)，同时逆温层顶为干冷空气，雾顶的辐射降温更有利于海雾的维持[31]。总的来说，湿区的高度由南向北降低，逆温层从无到有建立发展，并伴有强度加强和高度降低的分布特征。

图5 黄、东海海域下垫面海表面温度图

图6 2014年4月9日08时台北(a)、洪家(b)、射阳(c)探空曲线图

2.4 “楔”形海雾概念模型初探

“楔”形海雾个例的发生是在气象与海洋水文背景下，由特定海陆分布作用的结果。通过成因分析，总结出“楔”形雾区成因概念图(图7)。高压反气旋气流，将东海东部暖湿气团分别以偏南和偏东气流向黄海及东海近岸输送(高效率水汽输送在几百米高度上)，在SSTF暖水一侧暖湿气流以云或气态存在，跨海洋锋后下沉运动导致低云向海雾转化[32]，在850 hPa大范围下沉运动的影响下，强逆温层的形成将暖湿气团限制在黄海大部和东海近岸冷海面上，逆温层顶的干冷空气辐射冷却及下垫面冷海面的平流冷却，导致暖湿气团凝结成雾。同时，也可以大胆猜测，东海近岸海雾发生在距SSTF较近的冷水侧，且容易出现云雾共存或者雾顶高度较高的状态；黄海海雾由于受强下沉运动及黄海冷水团影响，逆温层高度低且强度强，海雾被限制在几百甚至几十米的高度范围内。

图7 海雾成因概念图

3 结论与讨论

本文利用地面观测资料、探空资料、海洋水文资料、卫星云图及多种再分析数据,对发生在黄、东海的“楔”形分布特征海雾个例进行研究，分析了其时空分布及成因，得到以下结论：

(1)春季“楔”形雾区海雾个例多发，尤其以3、4月份的居多，形态表现为黄海为大范围的浓雾区覆盖，浙闽沿海岸线多为云雾共存的条带状，整体呈现出北部宽广、南部细长的“楔”形分布特征。

(2)春季黄、东海雾频分布及SST分布均具有“楔”形特征，海陆分布及SSTF位置共同限定了黄、东海海雾雾区形状。

(3)天气形势分析表明，春季大尺度天气环流有利于海雾的生成，黄海海上高压的反气旋性以偏南及偏东气流分别向黄海大部和东海近岸两个方向输送水汽，大范围的下沉运动导致了逆温的形成，为“楔”形雾区的形成提供了有利的大尺度背景场，但强下沉运动不利于海雾的维持。

(4)大范围下沉运动及逆温层的形成,将水汽限定在较低的冷海面上冷凝成雾[33]。海雾所需的暖湿水汽基本来源于东海偏东海域。水汽由暖水区越过SSTF后，随着逆温层的形成、加强和高度下降，高湿水汽层从SSTF暖水区至SSTF附近冷水区由800 hPa下降至900 hPa高度，直至黄海冷水区的1000 hPa高度上，同时逆温层顶的干冷状态导致的辐射冷却更有利于海雾的维持和发展。

本文仅从现象上描述了黄、东海春季海雾“楔”形雾区分布特征，对其成因也仅从大尺度动力条件上进行了简单的探索，对其发生、发展、维持、消散的过程和微物理机制涉及较少，尤其缺乏下垫面热力条件、水汽越过海表面温度梯度锋SSTF的前后相态变化和SSTF的关键作用缺乏更细致的说明，对成雾概念模型也仅是大胆的猜想。下一步将通过更多个例和多样的分析手段，对这种特征给予详尽的分析与成因解释，以此为海雾预报提供新的思路。