2021 年涠洲岛4 次海雾外场观测数据分析

陆芊芊，郑凤琴*，毕瑞迪，陆雪婷

（1.广西壮族自治区气候中心，南宁 530022；2.涠洲岛气象站，北海 536004）

引言

海雾是指发生在洋面上或者海域附近上空，由于边界层中的水汽大量凝结造成的大气能见度低于1km 的天气现象［1］。海雾对航海交通、海洋渔业及军事活动都有不利影响［2］。开展海雾外场观测有助于加深对海雾微物理特征的认识，进而提高海雾预报的准确性［3］，有效预防或减轻海雾对海上生命财产安全带来的威胁。

中国对海雾的外场观测研究始于20 世纪80 年代，杨中秋等［4］对舟山地区海雾进行了外场观测，初步分析了微物理量的时间演变特征和雾滴谱分布特征。近年来，我国学者在华东、华南、福建等沿海地区开展海雾外场观测，取得了较大的成果。徐静琦等［5］基于观测得到的微物理特征，建立了青岛海雾能见度与消光系数的线性关系。吕晶晶等［6-7］发现，湛江地区海雾的雾滴谱分布呈单调递减特征，多数时段雾滴数浓度与平均直径呈正相关关系（海雾成熟阶段除外）。张悦等［8］探讨了厦门地区海雾微物理结构与气象要素之间的关系，海雾爆发性增长时，风速风向会发生明显变化，而微结构的起伏则与风速无关。

涠洲岛位于北部湾海域中部，每年冬、春季海雾频发［9］，对客运、海上捕捞等造成了不利影响。然而到目前为止，鲜有关于北部湾海雾外场综合观测研究的相关文献记载，缺乏对北部湾海雾过程中微物理特征的研究。因此，本文根据2021 年2 月—4 月项目组在涠洲岛进行外场观测得到的海雾雾滴谱及相关的气象资料，总结分析4 次海雾过程中气象要素及微物理量的基本特征，并对一次海雾过程的微物理结构进行重点分析，给出雾滴谱分布特征，以期为海雾预报提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 观测地点及时间

观测地点设在涠洲岛国家基准气候站内，地处涠洲岛西南角，南侧为北部湾海域，观测仪器架设于站内一栋2 层小楼楼顶，采样点正对大海，距离海边200m 左右，海拔高度55m，无障碍物遮挡。

外场观测于2021 年2 月1 日开始，2021 年4月30 日结束。为确保试验期间采样通道不受海气污染，观测人员在每次海雾过程前启动仪器，过程结束立即停止采样，其它时间处于待机状态。

1.2 观测仪器

FM-100 型雾滴谱仪由美国DMT 公司研发，可实现雾粒子尺度及数浓度的连续测量，雾滴谱仪主要由真空腔、光具座、电子信号处理器及数据处理系统4 部分组成［10］，其中，真空腔可控制气流速度，计算粒子数浓度，光具座可接收雾滴粒子的前向散射光，电子信号处理器将收集到的光信号转化为电压差并传输，数据处理系统对光信号进行处理，打包成数据文件存储起来。本次观测中设置采样频率为1Hz，测量的直径范围（1～50μm）分为20 档。

1.3 数据处理

本次观测获得4 个数据文件，共计210 余万条数据，观测数据的处理流程为：首先剔除异常值，剔除后采用缺省值代替；根据公式（1—3）［10］计算各微物理参量，计算时舍弃第一档（1～2μm）数据；根据能见度数据，筛选海雾过程时段，在该时段内，求出所有物理参量的1min 去尾平均值。

其中，N 为总数浓度（单位：cm-3），LWC 为液态水含量（单位：g·m-3），是平均直径（单位：μm），n（r）是每档粒子的数浓度（单位：cm-3），r 是雾滴半径（单位：μm），ρ 为液水密度（取1g·cm-3）。

1.4 辅助资料

本文使用的资料还有广西壮族自治区气象信息中心提供的涠洲岛国家基准气候站的水平能见度（下简称“能见度”，Vis）及地面气象要素（风速、风向、相对湿度、气温等）数据，时间分辨率为1min。

本文规定海雾过程的判断依据［11］是：（1）起雾：Vis＜1km 且持续10min 以上，同时满足上述条件定为起始时间；（2）消散：能见度大于10km 时，最后一个Vis≤1km 的时刻记为结束时间。

2 结果与分析

2.1 海雾过程总体特征

2021 年2—4 月，涠洲岛共观测到4 次海雾过程（表1）。4 次海雾的起雾时间均在凌晨，早晨八点之前消散，有3 次过程发生在凌晨03∶00—05∶00，与叶庚姣等［12］统计的北部湾海雾最易出现海雾的时段一致。涠洲岛海雾持续时间较短，4 次过程中有3 次持续时间小于1h，平均持续时间为1.1h，远小于我国福建沿海［13］及广东沿海［14］海雾 的持续时间，可能是雾团尺度较小。

表1 2021 年涠洲岛4 次海雾过程概况

此次观测期间，海雾过程平均气温为20℃，与较低的海面温度之间形成温度差，水汽冷却凝结，易形成海雾，平均相对湿度均大于90%，平均风速基本在3m·s-1以下（表2），与古明悦等［15］统计结果基本一致，适当的风速有利于海雾的生成和维持；风速过大，湍流交换强，不利于海雾的形成；风速过小，不利于水汽和雾滴的垂直输送及暖湿空气的水平输送［16］。这4 次海雾过程中，主要风向为东北风，占全部过程的83%，这是涠洲岛海雾与其他地区较显著的区别。

表2 4 次海雾过程气象要素变化范围和平均值

表1 还统计了2021 年3 次海雾过程的微物理特征，包括数浓度、液态水含量和平均直径的变化范围和平均值，个例1 发生时仪器启动不及时导致数据不全，故未统计。3 次过程平均雾滴数浓度为79.5cm-3，变化范围为3.8～454.9cm-3；平均液态水含量为0.01g·m-3，最大含水量为0.18g·m-3；粒子尺度的平均值为4.3μm，变化范围为3.8～6.9μm，对比国内其他地区海雾，涠洲岛海雾的液态水含量和平均直径均略小。

2.2 典型个例分析

2.2.1 宏观特征分析

2021 年2 月28 日凌晨，北部湾地区出现了严重的海雾天气，最低能见度为464m，此次雾过程在28 日05∶57 消散，凌晨有两次短时间的间歇，过程持续了4.5h。27 日20∶00 500hPa 涠洲岛位于副高西侧的西南气流中，同时低槽东移，带来充分的水汽。850hPa 切变线南压，涠洲岛主要受切变线南侧的西南暖湿气流影响。地面场上，涠洲岛位于低压前部，偏北偏东风向。地面与高空流场配合，不断给北部湾补充水汽和热量，促成本次雾过程。

图1 显示了2021 年2 月27—28 日能见度和气象要素随时间的变化。海雾发生前，能见度波动下降，与此同时，相对湿度呈阶梯式上升，风速也有明显的下降趋势，01∶00 之后能见度维持在1200m 左右，01∶28 能见度降到1km 以下，开始起雾。海雾过程中气温维持在一个相对较低的状态，在17～19°C的范围内变化，04∶00 气温上升，海雾进入间歇阶段，05∶00 能见度降低，持续半小时后能见度再次大于1km，随后温度逐渐上升，海雾逐渐消散。海雾过程风向为稳定的东北偏北风，06∶00 风向逐渐转为偏东风，能见度好转，海雾消散，风速基本在3～4m·s-1之间，相对湿度一直维持在97%～98%，除气温之外的气象要素状态相对稳定。

图1 2021 年2 月28 日地面气象要素随时间的变化

2.2.2 微物理特征分析

如图2 所示，能见度与液态水含量LWC 和数浓度N 的变化趋势相反，2 月28 日01∶57 能见度下降，海雾迅速发展，数浓度迅速增大，液态水含量也处于上升阶段，此时平均直径在下降；01∶57 至04∶12时段为海雾成熟阶段，液态水含量和数浓度均处于高值状态，无明显的峰值；04∶21 能见度回升，进入约0.5h 的间歇期，这一阶段液态水含量、数浓度及平均直径均维持在一个较低的水平；05∶00 能见度降到1km 以下，液态含水量、数浓度及平均直径均波动上升，并且在05∶30 左右达到峰值，05∶28 雾开始消散，液态含水量、数浓度及平均直径开始下降，到05∶57此次海雾过程结束。

图2 2021 年2 月28 日海雾过程中能见度及各微物理参量的1min 平均值随时间的演变

表3 统计了本次海雾过程与国内其他地区海雾的特征参量，此次海雾过程最大粒子数浓度达到454.9cm-3，与南海西北部［17］、厦门［18］的观测值相当，高于华东［4-5］（舟山、青岛）与华南沿海［6］（湛江、茂名）部分区域，雾过程中平均粒子数浓度为76.7cm-3，明显低于华南沿海区域多次试验的观测值，主要是因为涠洲岛孤立于海洋中，与城市距离较远，城市可吸入颗粒物的影响小。此次过程，液态水含量最高值及平均值分别仅有0.03g·m-3和0.006g·m-3，均低于国内目前开展的外场试验观测值，可能的原因是相比于国内其他观测，此次海雾过程持续时间短、且未有达到浓雾等级的时段、最低能见度偏高，导致液态含水量较小。平均直径为4.0μm，与国内其他典型海雾过程相比虽偏小但差异不大，表明海雾以小粒子为主，直径较大的颗粒物含量少。

表3 涠洲岛海雾与国内典型海雾过程微物理特征比较

2.2.3 雾滴谱分布特征

图3 为此次海雾过程的平均谱分布及拟合曲线，根据实测资料，利用最小二乘法拟合了平均雾滴谱公式。结果表明，平均谱满足Junge 分布，即：N（D）=984.12D-2.67，拟合优度确定系数R2=0.97。其中7.25μm 以下的实测值大于理论值，其他区间的实测值均小于或等于理论值，实测值与拟合曲线十分接近，表明该分布函数能很好反映本次海雾的平均状况。雾过程的平均谱分布呈单调递减变化，雾滴主要集中在4～12μm，整个谱分布偏向小粒子一端，这是华南沿海海雾典型的谱分布特征［7，10］，但区别于舟山地区［4］及厦门地区［18］的海雾雾滴谱分布，这两个地区的谱分布呈双峰变化，更符合Deirmendjian 分布。由此可知，海雾的谱分布具有鲜明的局地特征，是由各个因子复杂的影响形成的，需要具体分析。

图3 平均谱分布

3 结论

利用2021 年2—4 月在涠洲岛观测获得的微物理参量、能见度等资料，总结分析4 次海雾过程的整体特征，并对个例3 的宏微观特征进行重点分析，得到以下结论。

（1）涠洲岛海雾的形成不具备明显的日变化，多出现在凌晨03∶00—05∶00，海雾持续时间较短，平均为1.1h。海雾期间的综合气象条件为：平均气温为20℃，平均相对湿度为97%，平均风速为3m·s-1，地面以偏北、偏东风为主。2021 年涠洲岛冬春季的4次海雾过程，数浓度的变化范围为3.8～454.9cm-3，液态水含量为0.00009～0.18g·m-3，平均直径为3.8～6.9μm。

（2）西南气流为海雾发展提供了充沛的水汽条件和热量。海雾过程中温度、风速保持相对低的水平，地表相对湿度较高，地面以偏北风为主。能见度与液态含水量及雾滴数浓度的变化趋势相反，能见度下降，雾滴数浓度及液态水含量随之增加，海雾过程中最大粒子数浓度达到454.9cm-3，平均粒子数浓度为76.7cm-3，平均液态水含量为0.006g·m-3，平均直径为4.0μm，与国内其他区域的海雾相比，涠洲岛海雾的雾滴数浓度、液态含水量均较小，雾滴尺度与其他地区相当。

（3）涠洲岛海雾的雾滴谱分布呈单调递减特征，雾滴主要集中在4～12μm，整个谱分布偏向小粒子一端，符合Junge 分布，与华南沿海和青岛地区的海雾滴谱分布类似。