海南东部沿海一次海雾天气过程的分析

海南东部沿海一次海雾天气过程的分析
冯箫;施萧;林晓斌
【摘要】利用站点观探测资料、气象卫星资料和ERA-Interim数据对2017年2月21日下午到23日早晨海南岛东部沿海一带出现的一次海雾过程进行成因分析.结果表明:(1)此次海雾具备辐射和平流两种性质,海雾生命周期中,层云和海雾发生4次相互转化,而新一轮冷空气使海雾过程结束;(2)海雾发生在入海变性的高压脊天气系统中,100～200m有逆温层存在,为海雾的生成维持提供较好的背景环境;(3)海雾期间边界层高度小于300m,边界层适度的抬升有利于海雾生成和维持;(4)低层偏南风为海南岛东部海面输送水汽和热量.在海雾生成发展阶段,感热输送大于潜热,而消散阶段潜热输送大于感热.风场输送的热量增大海气温差,增强湍流热量输送,造成降温增湿使海雾生成维持.
【期刊名称】《海洋预报》
【年(卷),期】2019(036)003
【总页数】10页(P33-42)
【关键词】海雾;海南;湍流特征
【作者】冯箫;施萧;林晓斌
【作者单位】海南省气象台,海南海口570203;西昌卫星发射中心,四川西昌615000;海南省气象台,海南海口570203
【正文语种】中文
【中图分类】P732.1
1 引言
海雾指的是在一定的大气环流形势下，在海洋的直接影响下，海面上低层大气中出现的水汽凝结的现象[1]。

海雾在海上形成后，会向着风的下游移动。

在沿海地区，海雾可以深入陆地几千米，甚至数十千米。

海雾是海上和沿海陆地常见的灾害性天气之一，它使海上及沿海地区水平及垂直能见度降低，严重影响海、陆、空交通的安全；另外，海雾中的盐分会腐蚀滨海建筑及公共设施设备，对人体健康也具有一定的危害性[2]。

海雾和陆地上其它类型的雾一样，生成条件主要是持续的降温增湿，以及有足够的凝结核。

降温增湿可以通过平流、辐射、湍流、混合等物理方式引起，而凝结核则主要为从海水溅沫进入空气中的吸湿性盐粒。

海雾可以在太阳辐射或其它因素影响下升高为低云，或在条件适宜的情况下，低云也能降低变为海雾[3]。

海雾根据性质和出现的海区与季节分为平流雾、辐射雾、混合雾和地形雾四
种主要类型[1]。

我国沿海有四大雾中心，一个位于黄海，两个位于东海，还有一
个位于南海。

雾季从冬至夏自南向北推延：南海海雾冬春季节（12月—次年3月）易发生，东海海雾多出现在春季（3—6月），渤海、黄河海域的海雾则是夏季常
见（4—7月）。

针对海雾发生发展的天气气候背景、边界层特征及数值模拟预报
等方面，国内已有不少科研成果[4-10]。

例如，王绪翔等[11]对不同类型海雾的气候特征和天气背景进行了分类统计；张曦等[12]详细分析了海雾边界层特征；宋晓姜等[13]利用数值模式对海雾过程进行了模拟。

海南岛是我国热带地区最大的岛屿，其四周环海，旅游资源丰富，战略地位重要。

冬末春初季节，是海南岛出现大雾天气最频繁的季节，其中内陆和山区以辐射雾为主，北部和东部沿海一带以海上移动过来的平流雾为主，即海雾[14]。

近年来，随着海南国际旅游岛的建设与发展，节假日期间大量游客轮渡跨海，赴海南游玩。

因此，研究和预报海南沿海海区海雾天气[15-17]对保障海峡航运，游客人身安危意
义重大。

郭冬艳和陈红[18]利用海口地区雾的观测资料，对琼州海峡沿岸常见雾的种类及特征进行了概述，许向春等[19]分析了琼州海峡沿岸雾的气候统计特征，沿岸雾日的年际变化，并总结了产生琼州海峡沿岸雾的3种天气形势，根据雾的类
型提出了相应的预报指标。

但至今为止，对海南东部沿海海雾的分析研究依然甚少。

海南岛东部沿海集中了文昌航天、清澜港、博鳌论坛等重要设施场所，为做好东部沿岸海雾的预报和气象服务工作对保障东部沿海的经济文化建设具有重要意义。

因此，本文以2017年2月21日下午到23日早晨海南岛东部沿海出现的一次持续
时长长达3d的海雾过程为例进行研究分析，试图寻找出这次海雾过程的特点及其持续较长的原因。

本文采用的观测资料包括人工观测的站点数据、站点探空数据和“葵花8”可见光云图，其中，人工观测站点位于文昌东部沿岸，距离海岸线1.5 km，观测要素包
括逐小时的能见度、气温、湿度、风场、降水量和云量状高等气象要素；站点探空数据通过每日上午9时（北京时，下同）释放的探空气球获得；卫星云图资料的
时间分辨率为10 min。

同时本文还利用ERA-Interim再分析资料对本次海雾过程的边界层特征进行分析，资料的水平分辨率为0.125º×0.125º，垂直方向依次为1 000 hPa、975 hPa、950 hPa、925 hPa、900 hPa、875 hPa、850 hPa，时间间隔为6 h。

为了方便比较，热通量和边界层高度为插值后的逐3 h数据。

ERA-Interim的热通量矢量由大气指向陆海界面，单位是J/m2，本文对该数据进行矢
量方向的修正，并结合时间积分把单位转换成W/m2。

本文中采用的时间均都为
北京时，海气温差指的是再分析资料中的海表温度减去海面以上2 m气温。

2 观测分析
此次在海南东部海岸出现的大雾天气过程持续时间长达3 d。

2017年2月21日
18时，能见度突降至0.5 km，有海雾形成；中间历经4次不同持续时长的海雾生消阶段，分别为21日18时—22日01时、22日05—08时、22日16—20时
和23日03—07时；2月23日08时，能见度回升至1.6 km，海雾过程结束（见图1a）。

图1a能见度显示此次海雾过程具有明显的日变化规律，且同一天内海雾的出现具有多峰特征，主要集中在早晨05—07时（22日和23日在该时间段能见度均
≤500 m）和夜间18—20时（21日和22日在该时间段能见度均≤500 m），而08—09时是海雾消散的峰值时间（22日和23日在该时间段能见度突增）。

另外，此次过程伴随着明显的海雾和层云相互转化的特征（见图1a），由于水汽
充沛，还出现两次水汽凝结成雨的降水过程。

例如，22日下午15时，观测站显
示天空状况主要为层积云和碎层云，云底高度较低，分别为700 m和300 m（图1a中分别标记为Sc700和Fc300，以下同理）；16时，层云转为海雾，能见度
显著下降；夜间21时—次日02时，海雾抬升为层云（St200和Fs100），水汽
凝结活跃，在02—03时有弱降水出现；23日03—07时，层云再次转为海雾；08时前后太阳辐射增强，海雾减弱转为层云（Fs100）。

为了分析此次海雾的成因，本文将其划分为生成、发展维持、消散阶段3个主要
阶段，其中21日16—18时，能见度由14 km下降到500 m，这个时间段为生
成阶段；21日19时—23日06时，4次海雾-层云相互转化过程为发展维持阶段；23日07—09时，能见度由600 m上升到4 km为消散阶段。

图1b描述的是海雾过程期间的温度、湿度和风速的变化特征，发现此次海雾生命期内站点地面温度变化幅度小，维持在21.5～23.5℃之间；地面风速在1～4 m/s 范围内变化，风向为东南风；地面相对湿度一直为100%。

海雾生成阶段，气温和风速迅速降低，湿度迅速增加至100%。

降温增湿和较低的风速有利于海面上凝结的水汽长时间的维持，促进层云转为海雾。

维持发展阶段较为复杂，四次低云转变为海雾的过程，温度和风速的变化都并不一致，但相对湿度一直为饱和状态。

例如第一次低云转变为海雾的过程（21日18时—22日01时），气温缓慢降低，但
风速相对较大（平均为3 m/s）；第二次低云转变为海雾的过程（22日05—08时），风速和气温表现为先降后升的变化，其中温度最低降至21.8℃和风速低至1 m/s；第三次低云转变为海雾的过程（22日16—20时），温度缓慢下降，风速平均为2 m/s；第四次低云转变为海雾的过程（23日03—07时），风速（平均为1.5 m/s）和气温（平均为22.5℃）都偏低。

总体而言，维持发展阶段的海雾是平流雾和平流辐射雾共同所致。

降温增湿，使较低的层云转为海雾，有利于平流雾和平流辐射雾的生成与维持，其中辐射雾多形成在风速较小的环境中，例如22日05—06时和23日03—07时；而平流雾易形成于风速偏大的环境中，例如21日18时—22日01时和22日07—08时。

另外，海雾消散时，气温升高，风速增大，且相对湿度显著降低，例如22日9—15时。

图1 站点观测信息
表1 能见度与风速、气温、相对湿度的相关性分析能见度与其它要素相关系数风速0.89气温0.47相对湿度-0.89
通过对整个海雾过程期间能见度与同期风速、气温、相对湿度进行相关性分析（见表1），发现能见度与风速、相对湿度的相关性的绝对值均达到0.89，证明此次海雾过程中，较低的风速和饱和的相对湿度对海雾的生成维持具有决定性作用。

而气温与能见度的相关性较弱，相关系数仅为0.47。

由于站点每日09时进行一次探空，仅能对22日09时探空数据进行分析（见图1 c），研究此次海雾过程温度和露点温度廓线的垂直结构特征。

22日09时，大雾已消散，能见度增加至5 km，但由于地面升温并不明显，因此100～200 m依然存在1℃的逆温层，且空气湿度依然较大（T-Td≤1℃）。

受稳定结构逆温层的影响，对流不易发生，大量气溶胶粒子和水汽积聚在逆温层下面无法向上扩散，对大雾天气的出现和维持提供了有利条件。

利用气象卫星云图，尤其是可见光云图和红外云图资料，可以及时监控、跟踪海雾
的生消变化。

在可见光云图上，由于雾顶较平，反照率较大，因而色调较白。

同一区域的可见光云图上有白色或灰白亮区，而红外云图上无亮区时，则此亮区即为海雾。

由于仅22日16—18时的海雾可查看可见光图像，因此本文仅分析此次过程中海雾的演变特征。

从10—16时的红外云图上（图略），整个南海北部基本为晴空少云区，图像色调为浅灰色，顶部为均为幕状，无法从海水中区分较薄的低云或雾，也无法确定雾的边界和范围。

但从可见光云图可见，10—16时，海南岛东部近海都可以观测到片状雾区，边缘清晰，呈灰色至百色，且雾的范围逐渐增大并深入大陆沿岸。

截止至上午12时（见图2 b），沿岸海雾并未形成；14时（见图2 c），文昌至陵水一带沿岸地区已有海雾入侵；下午16时（见图2 d），琼海到文昌海雾区域明显扩大，海雾沿着海岸线分布，垂直海岸线方向海雾宽度约50 km，北侧海雾区域大于南侧海雾区域，海雾深入陆地较少，距离海岸线不到10 km。

3 环流场分析
海雾是在一定条件的大、中尺度环流场中生成的。

从地面、高空分析海雾的大尺度背景场、中尺度环流场，可以得到宏观的海雾生成特征。

海气温差的分析，可以进一步分析海雾的性质。

图3为20日—23日08时925 hPa风场、温度场和相对湿度场。

20日08时南
海东部为反气旋环流，海南岛位于反气旋左侧，整体受偏南风控制，风速约为4～6 m/s；配合温度场，则为暖平流输送，海南岛及其周边湿度较小（见图3 a）；21日08时，南海东部反气旋环流减弱，海南岛转变为东南风影响，风速增加到8～10 m/s，仍然为暖平流输送，海南岛东部及东部海面为湿度大值区（见图3 b）；22日08时，南海东部反气旋环流加强，海南岛东北上空再次转变为偏南风，但风速增加到10～12 m/s，暖平流输送明显，海南岛东北部到琼州海峡一带为湿度大值区域（见图3 c）；23日08时，南海东部反气旋环流西移，海南岛东北部风速明显减小（3～5 m/s），海南岛东北部湿度减小，另外，配合着强冷平流南
下，华南沿海风切变显著（见图3 d）。

本次海雾过程的生成、发展维持期主要为21—22日，期间海南岛东部沿岸地区为南风或东南风控制，低层配合着强的暖平流和充沛的水汽输送，暖湿的水汽遇到较冷的海面，容易凝结成水滴，有利于为海雾的生成、发展。

随着冷平流的南下，海雾维持条件被破坏，海雾上升为层云，并出现降水。

对925 hPa辐合辐散情况进行补充分析，图3 e—f，21—22日，海
南岛东北部风场整体为辐散，气流下沉为主。

21日08时，从海口、文昌南部一
直到整个海南岛东南近海风场均呈辐散；22日08时，辐散控制区域扩大，向西
向北扩大至儋州、琼州海峡，向东扩至距海南东部约300 km。

22日辐散区域扩
大也反映了当天海雾偏强，16时近海就有海雾的观测事实。

图4为21日—23日08时的海平面气压场和10 m风场。

21日北部湾至南海东
部仅有一条等压线，气压梯度小，说明了海南岛区域为均压场；大陆冷高压中心东移出海，华南沿海以东为东北-西南走向的高压脊，海南岛位于高压脊的西南侧，
正结束上一轮冷空气的影响，转为入海变性的高压脊后部的偏东风控制（见图4 a）。

22日26ºN附近气压梯度增大，有新一股冷空气南压，但冷锋锋面较北，南海区域仍为均压场，地面为4 m/s的东南风（见图4 b）。

23日08时，冷空气
前沿到达琼州海峡，新一轮冷空气开始影响海南。

综上可见，此次海雾在海南岛处于入海变性的高压脊天气系统下形成，大陆冷空气入海变性为暖湿气团，暖湿空气通过低层东到东南气流输送到琼州海峡沿岸地区，从而在海岸交界处形成平流雾。

当强冷空气过境时，海雾减弱消亡。

图2 2月22日“葵花8”可见光云图
图3 925 hPa风场、温度场（等值线）、相对湿度（填色）、散度（只显示正值）图4 d、e、f分别为21—23日14时的海气温差。

21日14时20ºN以南均是海水温度低于大气温度，其中海南岛东部海气温差为-2.5℃；22日14时，海气温差负值区域有所减小，减小区域与图3 c中925 hPa的反气旋位置相对应，但海南
岛东部海气温差达到-4.5℃；23日14时，19ºN以南一带都为负的海气温差区，但19ºN以北，受冷空气影响，则为正的海气温差区。

21—22日海雾维持期间，925 hPa有湿的暖平流持续影响，海气温差进一步增大。

23日冷空气南下，海水
温度大于空气温度，海雾则减弱消失后。

增大的海气温差进一步表明持续的暖湿气流输送，对海雾的形成与维持具有重要作用。

图4 海平面气压（单位：hPa）和10 m风场（单位：m/s）和海气温差（单位：℃）
4 湍流特征分析
海雾属于边界层内的天气现象，而边界层中最主要的就是湍流运动。

海雾的生成、发展和消亡都与湍流活动有关。

王彬华指出当海面出现水汽凝结，如果湍流弱，则不易向上扩散，有利于雾的生成与维持；如果湍流太强，雾容易抬升形成层云[1]。

湍流在海雾生命周期中起到水汽、热量的交换作用。

而本节将通过分析边界层高度、潜热通量和感热通量的变化，进一步寻找湍流在此次海雾过程中起到的作用。

本文选取分析站点以东5 km的海面做为边界层特征分析点。

边界层高度由下垫面和大气层结决定，一般用来判断湍流混合、垂直扰动和对流传输的强度。

张苏平针对黄海边界层变化与海雾关系研究指出，边界层高度越低，越有利于海面凝结的水汽在低空聚集生成海雾[20]。

图5 a表现的是海雾过程期间边界层高度的变化特征。

20—23日边界层高度整体呈下降趋势，其中，21日11时—23日14时边界层高度≤300 m，对应着21日下午到23日早上海雾的发展维
持期，而在23日11时之后，边界层高度迅速抬升，海雾消散。

虽然海雾整个生
命期边界层高度都≤300 m，但4次层云转为雾的过程，边界层高度有相对抬升，这是因为海雾的生成发展需要适当的湍流运动，让大气和海面（陆面）之间进行水汽、热量的交换。

在边界层高度相对较低且维持的情况下，湍流会变弱，海雾不易生成和维持，适当的增强湍流（边界层高度适度增加），利于海雾的生成维持。

热通量包括感热通量和潜热通量，感热通量是大气与海面（陆面）之间热力差异形成的湍流感热输送，潜热通量是水汽凝结向大气与海面（陆面）的湍流潜热输送。

图5b所示的感热通量在20日17时—23日14时为负值，大气向海面输送热量；潜热通量在21日14时—23日14时为负值（21日23时、22日02时为正值），大气中水汽凝结向海面输送热量。

在海雾生成、发展维持以及消散期间，都是大气向海面输送热量，其中20日11时—22日23时感热通量的贡献要大于潜热通量，23日0时开始，潜热通量的贡献大于感热通量，一直维持到23日14时。

这个结果与图4 d—f所示的海气温差结果相对应，即大气温度明显高于海洋温度时，大
气向海面输送热量；当暖平流减弱、热力输送不足时，海洋温度大于大气温度，海雾逐渐消散。

另外，除了第一次层云转雾期间感热、潜热通量增长到一定值后出现降低，其它3次层云转雾过程感热、潜热通量都是增加的。

热通量尤其是感热通
量的增加对海雾的生成具有促进作用。

对感热通量、站点温度和风场的变化进行补充分析，由于热通量数据为3 h分辨率，这里将风场、气温分辨率也相应调整成逐3 h。

海雾过程中，感热通量和气温相关性较好，即当大气向海面热量输送增强时，气温降低；大气向海面热量输送减弱时，气温升高。

第一次层云转雾期间，感热通量减小，气温略降（趋势下降）；后3
次层云转雾期间，都伴随感热通量增大、气温降低（趋势下降，如图1 b、5 c）。

而风场与感热通量的关系要相对复杂一些，整个海雾过程中，地面都是东南风，第一次层云转雾时风速增-减-增-减、感热通量减小；第二次风速减-增、第三次风速增-减、第四次风速减-增，感热通量增大（如图1 b、5 d）。

从风速来看，海雾
期间整体风速既有增的过程，也有减的过程，其中傍晚前后的平流雾风速都是增-
减平衡的过程，始于风速增加、终于风速降低，早晨前后的平流-辐射混合雾风速
是减-增的过程，始于风速降低、终于风速增加。

傍晚前后的风速增-减，最小风速为2 m/s，最大风速为4 m/s，风速相对较大；早晨前后的平流-辐射混合雾，风
速都是先降到1 m/s，然后再增加到4 m/s（第二次）和2 m/s（第四次），风速相对要小一些。

对于平流雾，相对较大的风速利于平流海雾维持，但是较大的风速并不能使海雾维持太久，过程中还需要适当的降低风速实现一种平衡。

对于辐射雾，在感热通量增大的基础上，风速降到1 m/s，利于辐射雾的发生。

5 结论
本文利用观测资料、卫星云图和EC再分析资料对2017年2月21—23日期间海南东部沿海出现的一次海雾过程的海雾生消特征、背景环流场特征和湍流特征进行比较分析，得到以下结论：
图5 20日02时—23日20时湍流特征信息（加粗段为观测海雾期）
（1）此次海雾在海南岛东部沿海形成，海雾期间气温在21.5～23.5℃之间波动，地面风速为1～4 m/s之间，风向为东南风。

海雾时间持续3 d，能见度小于1
km的时次达到24 h，200 m高度有逆温存在。

“葵花8”可见光图像上可以清
晰分辨出22日海雾的发展过程；
（2）海面及沿岸降温增湿作用使得层云下降转为海雾。

海雾发展维持阶段湿度为100%，气温和风速增加，持续暖空气给海雾带来充沛热量和水汽条件；早晨前后的海雾具备辐射和平流两种性质，即风速减小、温度降低、辐射冷却成雾，然后风速增加、气温增高带来的平流输送作用给海雾带来充沛热量和水汽，用于海雾维持；（3）此次海雾生成的天气尺度背景为变暖的高压脊，新的冷空气影响之前，海雾消散。

海雾过程中海水温度一直低于大气温度，南海东部是水汽和热量的源地，925 hPa强盛的偏南风给海南岛东部带来充沛的水汽和热量，使得海气温差在22
日最大；
（4）海雾生命周期中，大气边界层高度整体呈下降趋势，低于300 m，湍流整体不活跃；但是海雾的生成、发展维持阶段，边界层高度是相对增加的，海雾的生成需要适度增强湍流活动；
（5）海雾过程中，大气向海面以及沿岸输送热量，降低空气温度，降温增湿。

海雾生成、发展维持阶段，感热效应大于潜热效应；海雾消散阶段，潜热效应大于感热效应；
（6）风场决定热量输送和积累，引起海气温差，造成感热输送降低气温，通过降温增湿维持海雾。

对于平流雾，风场过大或者过小都不利于海雾长时间维持，平流雾中存在风速的增-减平衡、以增为主。

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