梁 軍,馮呈呈,王 磊,張勝軍,張黎紅,?；哿?/p>

(1.遼寧省大連市氣象局，遼寧 大連 116001；2.遼寧省長海縣氣象局,遼寧 長海 116001；3.中國氣象科學研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室，北京 100081)

引 言

海霧主要生成于海上、島嶼或沿海地區(qū)。黃海是我國近海海霧發(fā)生最頻繁的區(qū)域，黃海北部沿岸站即山東半島東北部的成山頭更有“霧窟”之稱。研究表明，黃海海霧多發(fā)于4—7月，8月后較少發(fā)生[1]。黃海春季海霧的多少與中緯度大氣環(huán)流密切相關(guān)。當東亞大槽位置明顯偏西，黃海處于槽前，其邊界層以下為相對濕度大值區(qū)，黃海霧日較多；反之，東亞大槽位置明顯偏東，黃海處于槽后，水汽向北輸送受阻，相對濕度大值區(qū)多在長江中下游以南地區(qū)，黃海霧日偏少[2-3]。海霧可分為平流霧、混合霧、輻射霧、地形霧等，黃海海霧多以平流冷卻霧為主[1]，美國氣象學者甚至把海霧直接定義為平流(冷卻)霧[4]。黃海平流霧多發(fā)生在特定的天氣系統(tǒng)下，當?shù)孛媸⑿衅巷L時[5-7]，有利于低層水汽不斷積累增多。暖濕氣流經(jīng)過冷下墊面冷卻凝結(jié)成霧，平流霧期間低層大氣總有逆(等)溫層存在，成霧期間氣溫高于水溫0～2 ℃，且霧區(qū)內(nèi)氣溫與水溫差較霧區(qū)外明顯偏小[8-11]。

近年來，隨著大霧監(jiān)測手段的提高，可從氣象鐵塔、微波輻射計、系留氣艇、激光云高儀等設(shè)備獲取溫度、濕度、液態(tài)水含量、霧滴數(shù)濃度和有效半徑觀測數(shù)據(jù)，有助于進一步揭示霧的邊界層特征、高度和強度、變化過程及物理成因[12-17]；數(shù)值預(yù)報模式垂直分辨率和邊界層參數(shù)化方案等的改進[18-19]，可提高平流霧的模擬能力。

黃海北部春季平流霧不同于內(nèi)陸，黃海北部春季平流霧成霧期間風速較大，當最大風速超過17 m·s-1時霧仍可持續(xù)維持，并由高濕區(qū)向低濕區(qū)輸送[2,8]。數(shù)值預(yù)報模式預(yù)報此類霧發(fā)生期間能見度變化趨勢與實況接近，但對最低能見度預(yù)報明顯偏大，而此類霧生成、維持及傳播機制的研究較少，由于海上測站缺乏，很難真實反映海上能見度的變化，因此其監(jiān)測和預(yù)報仍然是業(yè)務(wù)工作中的難點。

本文利用NCEP/NCAR 再分析資料(1°×1°)、FY-2E衛(wèi)星觀測資料、自動氣象站資料和L波段加密探空資料，對2012年4月22—24日黃海北部春季一次偏南大風期間的平流霧過程進行分析，研究其環(huán)流背景、形成原因、維持和傳播機制，以期為該區(qū)域此類霧的預(yù)報提供參考依據(jù)。

1 霧過程天氣概況

2012年4月22—24日遼東半島和山東半島東部沿海地區(qū)及黃海海域出現(xiàn)大范圍強濃霧(50 m≤能見度<200 m)天氣。22日23:00(北京時，下同)沿岸地面氣象站，朝鮮半島西部海岸已出現(xiàn)輕霧(山東半島的濃霧是自江蘇東北部海面向北傳播擴展的另一海霧區(qū)，持續(xù)至23日11:00，本文不做重點分析)， 23日08:00[圖1(a)]朝鮮半島西部海岸、黃海北部及遼東半島沿岸地區(qū)已出現(xiàn)灰白色云團，其邊界較為清晰，紋理均勻，具有明顯的層狀云結(jié)構(gòu)，霧區(qū)厚薄不均勻，在朝鮮西部沿海有明顯的空心干區(qū)，此時霧區(qū)內(nèi)能見度多為200 m左右。之后，霧區(qū)向東北偏北方向移動，至14:00[圖1(b)]霧區(qū)邊界更加清晰,云層結(jié)構(gòu)逐漸密實，空心干區(qū)范圍加大，分別在遼東半島東部和朝鮮半島西部海面及沿海地區(qū)形成2個濃霧區(qū)，2個濃霧區(qū)之間有一條西北—東南向的帶狀霧區(qū)相連接；遼東半島沿海氣象站的監(jiān)測表明該區(qū)域能見度仍不足400 m；14:00—17:00，朝鮮半島西部海面的霧區(qū)向西北移動，西北—東南向的帶狀霧區(qū)寬度增加了3倍(圖略)，17:00后霧區(qū)繼續(xù)向西北移至遼東半島東部海面及沿岸，該區(qū)域能見度持續(xù)下降，低于100 m的能見度維持至24日08:00[圖1(c)]。4月22日23:00至24日08:00是此次平流霧的第一階段。

圖1 2012年4月23—24日地面風(風向桿，單位：m·s-1)、能見度(紅色數(shù)值，單位：km)和FY-2E衛(wèi)星可見光監(jiān)測云圖疊加(a)23日08:00，(b) 23日14:00，(c)24日08:00，(d)24日14:00Fig.1 The surface wind field (wind stem, Unit: m·s-1) and visibility (red value, Unit: km) and visible imageries from FY-2E satellite from April 23 to 24, 2012(a) 08:00 BST on 23, (b) 14:00 BST on 23, (c) 08:00 BST on 24, (d) 14:00 BST on 24

與此同時，山東半島東部沿海已觀測到有輕霧，其東北部沿海成山頭站(37.4°N、122.68°E)出現(xiàn)了能見度低于100 m的強濃霧，但霧區(qū)較零散(圖略)；至24日08:00山東半島東部沿海地區(qū)自南向北有成片的帶狀霧區(qū)，大部分地區(qū)能見度低于500 m，該霧區(qū)向東北移動，與自朝鮮半島西部海面向西北移至遼東半島東部海面的霧區(qū)疊置，致使遼東半島東部海面和沿海地區(qū)能見度低于500 m 的濃霧(200 m≤能見度<500 m)持續(xù)[圖1(d)]，成山頭100 m的低能見度持續(xù)近30 h，黃海北部靠近遼東半島沿海能見度低于200 m 的強濃霧維持近50 h；4月24日08:00—20:00是此次平流霧的第二階段，其間黃海北部個別沿岸站有持續(xù)不足1 h的微量降水。24日20:00后，山東半島、遼東半島和黃海北部濃霧區(qū)自南向北由雨區(qū)取代。分析遼東半島和山東半島沿海地區(qū)霧生成前和發(fā)展維持期間的溫度變化發(fā)現(xiàn)，霧發(fā)生前的最高氣溫沒有明顯升高，霧加強階段的最低氣溫在夜間沒有降低，有些地區(qū)反而略有升高。 大霧是由暖濕空氣移至溫度較低的黃海北部海面冷卻凝結(jié)飽和所致，具有明顯的平流霧特征。此次平流霧過程持續(xù)時間長、濃度強，4月23—24日大連機場航班取消、備降和返航共422架次，遼東半島和山東半島地區(qū)多條高速公路先后封閉。

2 環(huán)流形勢和水汽來源

2.1 環(huán)流形勢

2012年4月23日14:00 500 hPa位勢高度場，華北地區(qū)高空槽經(jīng)黃海北部東移至朝鮮半島，華北地區(qū)和東北南部地區(qū)處于高壓脊前，該區(qū)域及黃海盛行西北風[圖2(a)]；與此同時， 850 hPa黃河下游以南地區(qū)偏南風低空急流建立，將暖濕空氣向北輸送至山東半島及黃海；山東半島南部的高壓脊向北加強伸展，與華北高壓脊合并形成近南北向高壓脊，24日08:00該系統(tǒng)東移至黃海上空[圖2(b)]，25日08:00移至日本海(圖略)，其間遼東半島、山東半島及黃海由西北偏西風轉(zhuǎn)為偏南風，既阻擋了自貝加爾湖東南下冷空氣的進一步南侵，又利于水汽的向北輸送，為黃海北部平流霧的形成和持續(xù)提供了有利的大尺度環(huán)流條件。

平流霧的平均霧頂高度多低于1 km[6,11,20]，平流霧的形成、發(fā)展和維持與對流層低層以下的溫度和濕度密切相關(guān)。4月23日14:00 ，925 hPa溫度脊自江淮地區(qū)向北伸展，在遼東半島東部和朝鮮西部形成西北—東南向的等溫線密集帶，具有明顯的暖鋒特征，鋒區(qū)內(nèi)溫度露點差多低于2 ℃，鋒區(qū)北側(cè)地面為東北風[圖2(c)]，致使該區(qū)域地面溫度持續(xù)下降，這既易于低層逆溫層的形成和維持，又利于濕空氣飽和凝結(jié)； 4月24日08:00 ，對流層低層暖濕空氣自華南向北輸送至山東半島，在山東半島東部也形成近東西向的暖鋒帶，鋒區(qū)內(nèi)溫度露點差低于1 ℃，鋒區(qū)北側(cè)地面對應(yīng)東北風或東北偏東風，在黃海北部有明顯的風向輻合[圖2(d)]。一方面暖濕空氣經(jīng)過下游地區(qū)相對冷的下墊面，且在低層逆溫結(jié)構(gòu)維持的條件下，有利于平流霧的生成；另一方面水汽在該區(qū)域輻合，易于平流霧長時間持續(xù)或發(fā)展[21]。

圖2 2012年4月23日14:00(a、c)和24日08:00(b、d)500 hPa位勢高度場(等值線，單位：gpm)和風場(風向桿，單位：m·s-1)(a、b)，925 hPa溫度場(等值線，單位：℃)、溫度露點差<6 ℃區(qū)域(陰影，單位：℃)和1000 hPa風場(風向桿，單位：m·s-1)(c、d)Fig.2 The geopotential height (isoline, Unit: gpm) and wind field (wind stem, Unit: m·s-1) on 500 hPa (a, b), temperature (isoline, Unit: ℃) and the areas with difference between temperature and dew-point temperature less than 6 ℃ (shaded, Unit: ℃) on 925 hPa, wind field (wind stem, Unit: m·s-1) on 1000 hPa (c, d) at 14:00 BST 23 (a, c) and 08:00 BST 24 (b, d) April 2012

2.2 水汽來源

圖3為2012年4月24日02:00和24日14:00黃海中北部(35°N—40°N、122°E—125°E)上空4個邊界水汽通量平均值的垂直變化?？梢钥闯?， 4月24日02:00，東邊界、北邊界1000～500 hPa的整層水汽通量為負值，說明這兩個邊界有水汽流出，西邊界、南邊界1000～500 hPa為正值，表明有水汽流入，特別是南邊界850 hPa以下始終維持較強的水汽流入，霧最濃時925 hPa的水汽流入量較成霧初期增加了3倍，由此可見此階段霧的水汽主要來源于南邊界，850 hPa以下的西南偏南風對霧區(qū)起了主要的水汽輸送作用。4日14:00，西邊界、北邊界1000～500 hPa的整層水汽通量為負值，東邊界、南邊界兩側(cè)1000～500 hPa為正值，表明東邊界、南邊界有水汽流入，水汽流入量明顯多于24日02:00，這是由于低層東南風明顯增強，隨之輸送的水汽顯著增大。

圖3 2012年4月24日02:00(a)和24日14:00(b)黃海中北部4個邊界水汽通量平均值的垂直變化Fig.3 Vertical profiles of the moisture fluxes across four boundaries over the northern and central Yellow Sea at 02:00 BST (a) and 14:00 BST (b) on 24 April 2012

3 平流霧的特征

3.1 近地面氣象要素特征

長海站和成山頭站均伸入黃海北部，可作為黃海北部平流霧的代表站。圖4為2012年4月22—24日長海和成山頭地面氣象要素變化。可以看出，第一階段濃霧期間，長海站風向介于ESE和ENE之間，風速多為3～7 m·s-1，相對濕度大于93%，低于100 m的能見度維持至24日08:00；第二階段濃霧期間，成山頭站盛行SE風，風速為10～12 m·s-1，其間近10 h極大風速超過15 m·s-1，相對濕度大于96%，能見度多為0～100 m。兩個階段平流霧期間，氣溫變化不明顯，夜間的氣溫反而略有升高；能見度由500 m逐漸下降至100 m，下降趨勢較為平緩；但成山頭風向為南到東南風，風速為6～12 m·s-1，另外，4月黃海海表溫度自南向北逐漸降低，黃海北部和朝鮮西海岸為冷水域[22-23]，較大的偏南風有利于黃海中南部的暖濕空氣輸送至黃海北部冷水區(qū)，易冷卻凝結(jié)飽和成霧。4月23—24日遼東半島東部海島氣象站長海站(39.2°N、122.5°E)和成山頭站大霧期間海表溫度比氣溫低0～2 ℃，強濃霧期間海表溫度比氣溫低0～0.7 ℃，這與黃海平流霧的研究成果“平流霧期間氣溫高于海溫”基本一致[6,8,19]。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，黃海北部春夏季平流霧發(fā)展維持階段，有少部分的氣溫比海溫低-1～0 ℃。一方面，霧出現(xiàn)時遼東半島東北部和朝鮮半島西北部區(qū)域地面多為弱的冷高壓，盛行東北偏東風，冷空氣向黃海北部輸送，利于氣溫下降；一方面由于霧頂長波輻射增強，降溫幅度增大，云水含量增多，在湍流作用下，霧頂溫度較低的云水含量大值區(qū)向下穿過霧體，導(dǎo)致霧體氣溫下降[16]。

圖4 2012年4月22—24日長海(a、c)和成山頭(b、d)地面氣象要素變化Fig.4 Variation of surface meteorological elements at Changhai (a, c) and Chengshantou (b, d) stations from April 22 to 24, 2012

3.2 平流霧形成前特征

圖5為大霧區(qū)域(37°N—40°N、 122°E —125°E)平均風場和相對濕度，溫度平流和垂直速度時間-高度剖面?？梢钥闯?，平流霧生成前，950 hPa以下為西南或偏南風，將南部海上的水汽輸送至黃海北部，且堆積在975 hPa以下的低層大氣中，為大霧的形成提供充足的水汽。與此同時，對流層中層相對干冷的空氣下沉壓縮增溫，在850 hPa以下已有逆溫結(jié)構(gòu)，暖濕氣流經(jīng)過較冷的下墊面有利于平流霧的產(chǎn)生。進一步分析遼東半島南部沿海大連站(38.9°N、121.6°E)L波段加密探空資料發(fā)現(xiàn)(圖略)，22日20:00逆溫層高度在500 m(950 hPa)以下，逆溫梯度為2 ℃，相對濕度超過85%的大氣高度低于100 m(985 hPa)，濕層淺薄，黃海北部及其沿岸地區(qū)為輕霧。

圖5 大霧區(qū)域(37°N—40°N、 122°E—125°E)平均風場(風向桿，單位：m·s-1)和相對濕度(等值線，單位：%)(a)，溫度平流(b，單位：10-5 K·s-1)和垂直速度(c，單位：Pa·s-1)時間-高度剖面(橫坐標上的粗線段為平流霧時間，下同)Fig.5 The time-height cross section of mean wind(wind stem, Unit: m·s-1)and relative humidity (isoline, Unit: %) (a), temperature advection (b, Unit: 10-5 K·s-1) and vertical velocity (c, Unit: Pa·s-1) over the region of fog (37°N-40°N, 122°E-125°E)(The bold line on the abscissa indicates the time of advection fog, the same as below)

3.3 平流霧發(fā)展維持特征

2012年4月23日08:00[圖6(a)]至4月24日08:00[圖6(b)]大連站850 hPa以下偏南氣流長時間維持，24日08:00相對濕度大于90%的濕層高度增至925 hPa，逆溫層高度上升至1000 m，逆溫層厚度增至800 m，逆溫層內(nèi)溫度差增高至10 ℃，最大逆溫強度超過4 ℃·(100 m)-1，23日20:00至24日08:00 925 hPa以上有暖干空氣，穩(wěn)定的大氣層結(jié)阻止了低層飽和水汽向上擴散及湍流的加強，水平能見度降至100 m以下(成山頭能見度降至0 m)，霧發(fā)展至最強盛階段；在此期間，相對濕度為91%的濕層高度最高為650 m，此高度層以下的溫度露點差低于1.5 ℃，650 m以上的溫度露點差多大于4 ℃，相對濕度不足80%，平流霧的最高霧頂高度為650m左右。24日08:00—20:00，冷空氣東移至華北地區(qū)，大連和成山頭850 hPa偏南風由14～16 m·s-1增至18～22 m·s-1，輻合抬升和水汽輸送明顯加強，上升運動區(qū)抬升至對流層中上層，90%的濕層高度向上伸展至700 hPa附近，逆溫層高度下降至400 m[圖6(c)]，逆溫層內(nèi)溫度差減小至6 ℃，霧層上的暖干層減弱，低層水汽凝結(jié)物向上擴散，濕層厚度增加，霧的強度減弱，黃海北部沿海最低能見度上升至100～200 m，濃霧期間黃海北部沿岸站伴有微量降水。

圖6 2012年4月23日08:00(a)、24日08:00(b)和20:00(c)大連站探空廓線Fig.6 The sounding curves at Dalian station at 08:00 BST 23 (a), 08:00 BST 24 (b) and 20:00 BST 24 (c) April 2012

3.4 霧轉(zhuǎn)雨特征

24日20:00后，冷鋒東移，山東半島西部逐漸轉(zhuǎn)為偏北風，日本海附近高壓穩(wěn)定少動，黃海北部上空850 hPa以下東南風增大，暖濕氣流輸送增強，此時東北地區(qū)高空槽后冷空氣向西南移至黃海北部，850 hPa以上冷平流加強，低層對流不穩(wěn)定度加大，輻合抬升作用加強，對流層中高層均轉(zhuǎn)為上升運動區(qū)，相對濕度超過90%的濕層高度由700 hPa繼續(xù)向上伸展至500 hPa附近，濃霧逐漸消散，霧區(qū)范圍縮小，黃海北部沿岸即遼東半島和山東半島地區(qū)轉(zhuǎn)為強降水天氣。

綜上所述，平流霧形成、發(fā)展和維持階段，低層均有明顯的逆溫層，逆溫層厚度多低于1000 m ，相對濕度超過90%的濕層高度不超過700 hPa，霧層上有明顯的“暖干層”；濕層高度伸展至700 hPa以上，霧層上的“暖干層”消失，低層的逆溫層不明顯，霧則減弱消散或轉(zhuǎn)為陰雨天氣。

4 平流霧的傳播

低層水汽的輸送路徑和強弱變化與霧區(qū)的傳播方向和霧的生消密切相關(guān)。圖7為122°E—125°E平均1000 hPa相對濕度和風場、水汽通量散度、溫度平流和濕度平流的時間-緯度剖面?？梢钥闯?，第一階段大霧前期暖濕氣流隨偏南氣流自黃海中部(35°N附近)向北輸送至黃海北部(39°N附近)。22日23:00至23日08:00在35°N—40°N形成一條帶狀水汽輻合區(qū)，該區(qū)域與黃海北部霧區(qū)范圍一致。23日08:00—14:00，相對濕度85%以上的濕區(qū)向北推進，相應(yīng)地西南風與東南風的風向輻合帶也由37°N逐漸北移至40°N附近后穩(wěn)定少動；23日14:00后40°N南側(cè)的水汽持續(xù)向北輸送，沿風向輻合區(qū)水汽不斷積聚，24日02:00在40°N附近相對濕度增至95%以上，并形成明顯的水汽輻合中心，而近地層冷平流的加強和維持促使其與上部暖平流間的逆溫梯度加大，大氣層結(jié)更加穩(wěn)定，朝鮮半島西部海面的霧區(qū)北移至遼東半島東部海面上空后，該區(qū)域能見度降至不足100 m，與此同時朝鮮半島西南部沿海霧區(qū)自南向北逐漸消散。

圖7 122°E—125°E平均1000 hPa相對濕度(等值線，單位：%)和風場(風向桿，單位：m·s-1)(a),水汽通量散度(b，單位：10-8 g·hPa-1·cm-2·s-1)、溫度平流(等值線，單位：10-5 K·s-1)和濕度平流(陰影為濕度平流≥0.01×10-5 g·kg-1·s-1的區(qū)域)(c)的時間-緯度剖面Fig.7 The time-latitude cross section of averaged relative humidity (isoline, Unit: %) and wind (wind stem, Unit: m·s-1) (a), vapor flux divergence(b, Unit: 10-8 g·hPa-1·cm-2·s-1), temperature advection (isoline, Unit: 10-5 K·s-1) and humidity advection (shaded areas for humidity advection more than and equal to 0.01×10-5 g·kg-1·s-1)(c)on 1000 hPa over the area from 122°E to 125°E

第二階段大霧期間，黃海上空850 hPa風速增至18～22 m·s-1，暖濕氣流自黃海中南沿海向北輸送至黃海北部，風向輻合區(qū)南側(cè)由偏南風轉(zhuǎn)為東南風，風速明顯增大，24日11:00—20:00，37°N—39°N范圍內(nèi)的地面風速增至8～12 m·s-1，水汽輻合中心和暖平流大值區(qū)北移至40°N附近，山東半島東部沿海(35°N—38°N)由弱冷平流轉(zhuǎn)為暖平流控制，對流不穩(wěn)定度加大，上升運動增強，其東北部沿海榮成的探空圖顯示，飽和層的高度由24日08:00的981 hPa抬升至24日20:00的691 hPa(圖略)，逆溫層仍存在，但逆溫上部由暖干層轉(zhuǎn)為冷干層，濃霧維持，但霧區(qū)內(nèi)已出現(xiàn)分散的小雨；遼東半島東部沿海(38°N—40°N)由暖平流區(qū)逐漸過渡為弱的冷平流區(qū)，輻合抬升作用加強，飽和層的高度由950 hPa(450 m)抬升至780 hPa(2000 m)，飽和層上部仍有淺薄的暖干層，濃霧維持期間伴有毛毛雨；24日20:00后，暖濕氣流和風向輻合區(qū)繼續(xù)北移，山東半島和遼東半島對流不穩(wěn)定度進一步加大，925 hPa以下的逆溫層結(jié)消失，霧區(qū)自南向北轉(zhuǎn)為雨區(qū)。

綜上所述，黃海北部的平流霧是暖濕氣流隨偏南風自黃海中南部向北輸送傳播的結(jié)果。霧區(qū)北側(cè)空氣相對干冷，南側(cè)暖濕特征顯著，濃霧區(qū)與近地層的冷平流區(qū)和水汽輻合區(qū)相對應(yīng)，冷暖平流交匯之處易發(fā)生平流霧，這也揭示了平流霧在暖鋒帶的一定區(qū)域出現(xiàn)。

5 結(jié) 論

(1)黃海北部春季霧的生消與大氣環(huán)流密切相關(guān)。黃渤海上空500 hPa為高壓脊，阻擋了北方強冷空氣的南下；對流層中下層盛行偏南風，暖濕氣流持續(xù)向北輸送至黃海北部冷水域，該區(qū)域水汽充沛，低層大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定，有利于霧的形成和發(fā)展。黃渤海上空明顯的冷空氣南下導(dǎo)致了霧的消散。

(2)黃海北部春季霧的形成、發(fā)展和維持是暖濕氣流與其下墊面冷水域相互作用所致，屬于平流冷卻霧。水汽主要來源于我國東部低緯度對流層低層。平流霧形成、發(fā)展階段，低層有顯著的逆溫結(jié)構(gòu)，霧層上有明顯的“暖干層”；霧的維持階段，逆溫層厚度減小，逆溫強度減弱，其上的“暖干層”不明顯；相對濕度超過90%的濕層高度伸展至700 hPa以上，霧頂高度下的逆溫層和霧層上的“暖干層”消失，霧則減弱消散或轉(zhuǎn)為陰雨天氣。

(3)黃海低空持續(xù)的偏南大風將黃海中南部水汽向北輸送，霧區(qū)隨水汽大值區(qū)和輻合中心向北擴展。霧區(qū)北側(cè)空氣相對干冷，南側(cè)暖濕特征顯著，濃霧區(qū)與近地層的冷平流區(qū)和水汽輻合區(qū)相對應(yīng)，冷暖平流交匯之處霧區(qū)易發(fā)生平流霧。低層大氣層結(jié)穩(wěn)定，黃海北部偏南風風速的增大并不影響平流霧的維持，這一特點明顯區(qū)別于輻射霧。