張?zhí)K平，張欣，時曉曚

(1.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100；2.青島市氣象臺，山東 青島 266003)

引言

海霧是指在海洋影響下，海上或沿海地區(qū)低層大氣中凝結(jié)的水滴或冰晶使大氣中的水平能見度小于1 km的天氣現(xiàn)象[1]。海霧發(fā)生時的低水平能見度對海上社會經(jīng)濟(jì)活動及沿海地區(qū)人民生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響[2-4]，是需要我們高度關(guān)注的一種危險天氣。

西北太平洋是全球海霧最多的海區(qū)，也是我國通往北極的必經(jīng)水路。根據(jù)ICOADS(International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set(1)ICOADS主要根據(jù)船舶、海上平臺和浮標(biāo)等記錄的天氣現(xiàn)象，按照一定編碼規(guī)則，將“現(xiàn)在天氣”編碼，組成數(shù)據(jù)集。https://rda.ucar.edu/datasets/ ds548.0/index.html#sfol-wl-/data/ds548.0?g=2)1950—2007年數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，夏季西北太平洋海霧發(fā)生頻率最高可達(dá)59.8% ，西北大西洋最高為45.0%，我國近海海霧最多的黃海為22.8%[5]。夏季為西北太平洋海霧發(fā)生的高峰期，主要為平流冷卻霧的性質(zhì)[6]，即暖空氣平流至冷海面冷凝成霧。親潮為西北太平洋冷洋流，發(fā)源于白令海峽，沿勘察加半島和千島群島南下后向東流去，進(jìn)入太平洋形成親潮延伸體，其地理范圍為40°N～43°N，150°E～180°E[7]。親潮延伸體附近冷暖水過渡區(qū)往往存在海面溫度(sea surface temperature，SST)梯度大值區(qū)，即海表面溫度鋒(海洋鋒)。

已有研究[7]表明，海洋鋒冷水區(qū)海霧/低云發(fā)生頻率較高。在西北太平洋海霧發(fā)生時，來自副熱帶洋面的氣團(tuán)，在經(jīng)過黑潮延伸體時仍始終保持高溫高濕的狀態(tài)，向北越過黑潮延伸體海洋鋒后在冷海面上迅速降溫成霧；海霧頻率的年際變化與太平洋-日本(P-J)遙相關(guān)波列的正負(fù)位相和副熱帶高壓的位置有關(guān)[8-10]。這些研究大多建立在利用ICOADS資料和再分析資料基礎(chǔ)上。

海霧發(fā)生發(fā)展的機(jī)理研究多集中于近海[1]。如黃海海霧形成的水汽主要來源于熱帶大氣[11]，湍流混合導(dǎo)致熱力內(nèi)邊界層降溫增濕對海霧形成有重要影響[12]；黃海春季和夏季平流冷卻霧在生成、維持、消散的天氣條件和物理過程有所不同, 春季海霧形成以降溫為主導(dǎo)，夏季海霧形成以增濕降溫為主導(dǎo)，且春季海霧的霧頂長波輻射冷卻效應(yīng)較夏季更強(qiáng)[13-15]。對于華南沿海海霧，HUANG et al.[16]提出了海霧形成、發(fā)展和消散的大氣邊界層結(jié)構(gòu)演變特征，黃健等[17]分析了風(fēng)切變機(jī)械湍流和霧頂長波輻射熱力湍流對海霧發(fā)展和維持的作用。黃彬等[3]研究表明，瓊州海峽西南側(cè)的低渦有利于海上南風(fēng)的形成，為南海持續(xù)性大霧的形成提供有利條件。海陸熱力差異和大氣邊界層高度由陸地向海洋的迅速下降對岸濱霧形成有重要影響[18-19]。這些工作幫助我們進(jìn)一步深入理解海霧形成的機(jī)理。

對于開闊洋面上的海霧觀測研究較少。李秀鎮(zhèn)等[20]對日本以南海域一次鋒面霧過程分析表明，正的氣海溫差和逆溫層為海霧發(fā)生提供有利條件。TANIMOTO et al.[21]通過觀測發(fā)現(xiàn)梅雨鋒北移越過黑潮延伸體，暖濕氣流在黑潮延伸體冷水側(cè)凝結(jié)形成海霧。姜昊宇和高山紅[22]利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式中兩種不同的陸面方案SLAB(five-layer thermal diffusion scheme)和Noah(Noah land surface scheme)發(fā)現(xiàn)兩者對開闊海域霧區(qū)模擬的表現(xiàn)基本一致。但迄今為止，對大洋上海霧的系統(tǒng)性觀測研究很少，海洋和大氣對海霧形成的貢獻(xiàn)尚不明晰。

2019年8月10日，“向陽紅01號”科考船(以下簡稱“科考船”)從青島啟程開展我國第十次北極科考。9月12—14日，科考船在親潮延伸體海區(qū)捕捉到了一次海霧事件。本文利用船載多種觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合再分析和衛(wèi)星資料，研究此次海霧形成機(jī)制，揭示成霧過程中海洋與大氣的貢獻(xiàn)。

1 資料與方法

1.1 船測數(shù)據(jù)

XZC6-1型船載自動氣象站，可連續(xù)自動測量、顯示并存儲多種氣象要素以及船舶定位、船速、船向、觀測時間等輔助數(shù)據(jù)，本文主要使用其提供的氣壓、氣溫、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、能見度等氣象要素，輸出時間間隔為1 min；美國Campbell公司CS135云高儀，可連續(xù)觀測云底高度，輸出最小時間間隔為10 s；微波輻射計(jì)，可提供連續(xù)的溫度廓線數(shù)據(jù)，垂直探測范圍為0～1 000 m，分辨率為50 m，時間間隔為5 min；荷蘭Kipp&Zonen公司CNR4四分量凈輻射傳感器，可提供海表面向上及向下的長、短波輻射，輸出時間間隔為30 min；雨量傳感器，可提供降水量，輸出時間間隔為1 min。由于不同設(shè)備提供數(shù)據(jù)的時間分辨率不同，本文將時間間隔統(tǒng)一為30 min。

1.2 其他數(shù)據(jù)

(a)歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)再分析數(shù)據(jù)資料集ERA5。該數(shù)據(jù)集同化了衛(wèi)星、觀測等多種數(shù)據(jù)產(chǎn)品，水平分辨率為0.25°×0.25°，200 hPa以下共分為23層，時間間隔為1 h[23]。本文主要用該資料分析大氣環(huán)流形勢、物理量時空分布等。(b)ICOADS數(shù)據(jù)集，本文主要使用其“現(xiàn)在天氣”(Present Weather)變量，其中編碼40—49代表霧，包括霧、觀測前霧變薄、觀測前霧變厚等[24]。(c)AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)的海面溫度(SST)，由NOAA系列氣象衛(wèi)星上搭載的傳感器提供，分辨率為0.25°×0.25°[25]。

1.3 方法

本文用常規(guī)方法進(jìn)行計(jì)算，主要有以下4種。

(a)絕對梯度法，用于鋒面識別，從而確定海洋鋒(2)海洋鋒指不同性質(zhì)水團(tuán)之間的狹窄過渡帶，其附近的水溫、鹽度等氣象要素水平梯度很大，這里的海洋鋒是指海表面溫度鋒。的強(qiáng)度及位置，計(jì)算公式如下：

(1)

其中，T為分析區(qū)域的海面溫度，即SST；x和y分別表示緯線方向和經(jīng)線方向距離。

(b)水汽通量，表示水汽輸送量的大小。通過垂直于風(fēng)向底邊單位高度上的水汽通量[26]為：

(2)

其中，V為全風(fēng)速，單位為m·s-1；q為比濕，單位為g·g-1；g為重力加速度，取9.8 m·s-2；F的單位為g·s-1·hPa-1·cm-1。

(c)根據(jù)海霧的定義，能見度是辨別海霧的重要物理量。利用柯西密什公式[27-28]，

(3)

其中，clwc為云中液態(tài)水含量，單位為g·kg-1；ρ為大氣密度，取值為0.001 g·cm-3。由于霧中能見度不超過1 000 m，利用式(3)反算出能見度等于1 000 m時的云中液態(tài)水含量為0.016 g·kg-1，該公式在霧的數(shù)值模擬中常被使用[10,12,29-31]。本文利用ERA5資料中1 000 hPa云中液態(tài)水含量≥0.016 g·kg-1判斷海霧是否存在。

(d)利用Tetens經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算水面飽和水汽壓[32]20-21，

(4)

其中，T是溫度，單位為K。

2 觀測分析

2.1 航線介紹

2019年9月12—14日(世界時UTC，下同)，“向陽紅01號”在西北太平洋親潮延伸體水域沿東北—西南方向航行，圖1a中A(179°E，43°N)—B(170°E，39°N)代表12日12 時—14日06 時的航線。可以看出該海區(qū)SST等溫線比較密集，反映了親潮延伸體的冷水與其南側(cè)暖水的過渡區(qū)特征[33]，表明存在海洋鋒。12日22 時，科考船駛到42°N，176°E附近，船載能見度儀記錄水平能見度由原來的2 km迅速下降到1 km以下，船載照相機(jī)拍攝的照片顯示21 時海天分界線比較清楚，但在22 時已經(jīng)模糊不清(圖1d—e)，說明船從無霧區(qū)駛?cè)腱F區(qū)。14 h之后，在41°N，173°E附近能見度開始逐漸轉(zhuǎn)好，船駛離霧區(qū)。另外根據(jù)ICOADS資料，12日在42°N，173°E附近有霧(圖1c中的黃色三角形)。

圖1 2019年9月13日海面溫度(實(shí)線和色階，單位：℃)和12日12 時—14日06 時的科考船航線(A—B；藍(lán)色五角星代表船載能見度高于1 km的區(qū)域，黃色五角星代表船載能見度低于1 km的區(qū)域)(a)、沿A—B航線SST的變化(b，單位：℃)、9月13日00 時 Himawari-8號衛(wèi)星可見光云圖(c；A—B含義同圖1a，黃色三角形代表ICOADS資料中12日17 時有海霧的位置)以及船載照相機(jī)拍攝的海面實(shí)況圖(d.12日21時，e.12日22 時)Fig.1 SST (solid line and color scale, units: ℃) on 13 and route (A-B; blue/yellow star for area of visibility higher/lower than 1 km) of the research vessel from 12:00 UTC 12 to 06:00 UTC 14 (a), variation of SST along the route (b, units: ℃), visible cloud imagery of Himawari-8 at 00:00 UTC 13 (c; A-B denotes the same as that in Fig.1a and yellow triangle represents the position of sea fog from ICOADS at 17:00 UTC 12 September), and photo taken by shipboard camera (d. 21:00 UTC 12, e. 22:00 UTC 12 September 2019)

2.2 天氣形勢

2019年9月12日20時，500 hPa等壓面上，西北太平洋上存在一個低渦，中心位于47°N，153°E(圖略)。850 hPa等壓面上，與500 hPa低渦對應(yīng)的低壓中心在45°N，158°E，低壓前部為西南氣流，后部為西北氣流，分別配合有暖脊和冷槽，等溫線密集，表明存在鋒面(圖2a)。海平面氣壓場上，與高空低壓系統(tǒng)配合有溫帶鋒面氣旋，暖鋒位于42°～43°N，163°～170°E，已達(dá)親潮延伸體上空(圖2b)。衛(wèi)星云圖顯示出典型的鋒面氣旋云系特征(圖1c)。高空低壓前部的上升氣流和海面西南暖濕氣流，為云霧形成提供了有利的動力條件和水汽條件。

圖2 2019年9月12日20時850 hPa位勢高度(黑色實(shí)線，單位：gpm)、溫度(單位：℃，紅色實(shí)線代表高溫，藍(lán)色實(shí)線代表低溫)和風(fēng)場(風(fēng)矢，單位：m·s-1)(a；藍(lán)色實(shí)線橢圓代表500 hPa低渦位置，藍(lán)色“D”代表低渦中心)以及海平面氣壓場(實(shí)線，單位：hPa)和風(fēng)場(風(fēng)矢量，單位：m·s-1)(b；暖鋒/冷鋒用紅色/藍(lán)色實(shí)線表示；紫色“D”代表氣旋中心位置，從左往右D1—D3分別為11日12 時、12日03 時、12日20 時) Fig.2 Geopotential height (black solid line, units: gpm), temperature (units: ℃, red/blue solid line for higher/lower temperature), and wind field (wind barb, units: m·s-1) at 850 hPa at 20:00 UTC 12 (a; solid blue ellipse for position of vortex at 500 hPa, blue “D” for vortex center); sea-level pressure (solid line, units: hPa) and wind field (wind barb, units: m·s-1) at 12:00 UTC 11 (D1), 03:00 UTC 12 (D2), and 20:00 UTC 12 (D3) September 2019 (b; red/blue line for warm/cold front, purple “D” for cyclone center)

2.3 船載觀測分析

2.3.1 海面氣象要素的變化

圖3為2019年9月12日12 時—14日06 時(圖1a中A—B線)科考船走航觀測的能見度、相對濕度、氣溫、風(fēng)向風(fēng)速、氣壓和降水隨時間的變化?？梢钥闯?，從9月12日21 時開始，能見度出現(xiàn)斷崖式下降，22 時迅速下降到1 km以下(圖3a)，相對濕度上升至100%左右(圖3b)，該時段船由東北向西南行駛，風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，船從霧區(qū)外側(cè)逆風(fēng)駛?cè)腱F區(qū)(海霧形成)。 此后14 h內(nèi)能見度始終在1 km以下(海霧維持)，直到13日12 時后能見度才開始上升，表明船逐漸駛離霧區(qū)(海霧消散)。

圖3 2019年 9月12日12 時—14日06 時(虛線之間區(qū)域?yàn)橛泻ｌF時段)科考船自動氣象站沿圖1a中A—B航線觀測的能見度(a，單位：km)，相對濕度(黑實(shí)線，單位：%)和氣溫(紅實(shí)線，單位：℃)(b)，飽和比濕(紅實(shí)線)、比濕(黑實(shí)線)和飽和比濕與比濕的差(紅點(diǎn)劃線)(c，單位：g·kg-1)，風(fēng)速(黑實(shí)線，單位：m·s-1)和風(fēng)向(紅實(shí)線，單位：°)(d)以及氣壓(黑實(shí)線，單位：hPa)和降水量(紅實(shí)線，單位：mm)(e)Fig.3 Observation of visibility (a, units: km); relative humidity (black solid line, units: %) and air temperature (red solid line, units: ℃) (b); saturation specific humidity (red solid line), specific humidity (black solid line), and the difference (red dot-dash line) between the two (c, units: g·kg-1); wind speed (black solid line, units: m·s-1) and wind direction (red solid line, units: °) (d); air pressure (black solid line, units: hPa) and precipitation (red solid line, units: mm) (e) from automatic meteorological station onboard the research vessel along line A-B (the same as that in Fig.1a) from 12:00 UTC 12 to 06:00 UTC 14 September 2019 (area between two dotted lines denotes the period when fog is observed)

12日22 時—13日12 時，比濕、氣溫和風(fēng)速均有增加，氣溫從13 ℃上升至20 ℃(圖3b)，比濕從5.3 g·kg-1上升至6.5 g·kg-1(圖3c)，風(fēng)速從4 m·s-1上升至15 m·s-1(圖3d)。這3個變量的變化說明在海霧維持階段，暖濕平流呈現(xiàn)加強(qiáng)趨勢，與暖鋒北上相匹配。前人對中國近海霧日和風(fēng)力的統(tǒng)計(jì)[1]表明，3～5級風(fēng)出現(xiàn)海霧的頻率最大，超過6級風(fēng)會促使海霧消散。此次海霧觀測表明，風(fēng)力增加到6級以上，大霧仍然維持。根據(jù)ZHOU and FERRIER[34]的平衡理論，厚度厚的霧層比薄霧層更抗擾動。此次大洋上的海霧在6級風(fēng)下維持應(yīng)該與暖鋒從南方暖洋面上帶來深厚的暖濕空氣有關(guān)。

根據(jù)船載自動氣象站觀測，12日20 時—13日12 時，溫度和比濕增加。根據(jù)公式(4)的計(jì)算，飽和水汽壓從8.879 hPa上升至10.061 hPa，增長1.164 hPa。而水汽壓從8.719 hPa上升至9.961 hPa，增長1.242 hPa，水汽壓的增長幅度大于飽和水汽壓的相應(yīng)增長，說明增濕效應(yīng)大于增溫效應(yīng)，反映暖濕氣流攜帶很充沛的水汽。海霧的形成和維持呈現(xiàn)“增溫增濕”特點(diǎn)，與黃海春季平流霧(降溫降濕)和夏季平流霧(降溫增濕)特點(diǎn)明顯不同[13]。增溫使飽和水汽壓升高，不利于霧形成，但是當(dāng)增濕效應(yīng)大于增溫效應(yīng)，可形成蒸發(fā)霧[1]。對于此次親潮延伸體上空的霧，雖然與蒸發(fā)霧有類似的物理現(xiàn)象，但海面空氣增濕不是來自局地蒸發(fā)(潛熱通量很小)，而是來自暖濕平流。

船上長短波輻射監(jiān)測(圖4)表明，白天凈短波輻射(吸收的短波輻射-放出的短波輻射)為正值，但在海霧/低云區(qū)，凈短波輻射相比于晴空/少云區(qū)有明顯減少。而凈長波輻射(吸收的長波輻射-放出的長波輻射)，在晴空少云區(qū)為負(fù)值，海面向上釋放長波輻射；但在海霧/低云區(qū)，凈長波輻射值很小，接近0，間或有正負(fù)值出現(xiàn)。這說明海霧和低云的輻射效應(yīng)類似，能明顯減少到達(dá)海面的短波輻射，同時霧層向下發(fā)射長波輻射，抵消海面向上長波輻射。因此海霧的輻射效應(yīng)不應(yīng)忽視，特別是在中緯度大洋上空大范圍的多霧區(qū)。值得一提的是，霧層向下釋放長波輻射為400～420 W·m-2，表明霧層通過霧頂向上放出大約同樣量級的長波輻射(忽略霧層中溫度、水汽、液態(tài)水含量垂向變化的影響)。霧頂向上長波輻射使霧頂降溫，霧層湍流混合加強(qiáng)，這是海霧發(fā)展和維持的一個主要原因[14-15]。

圖4 2019年9月9—16日凈短波輻射(吸收的短波輻射-放出的短波輻射，紅色柱)和凈長波輻射(吸收的長波輻射-放出的長波輻射，藍(lán)色柱)(單位：W·m-2，根據(jù)云高儀和自動氣象站觀測結(jié)果將上述時間段劃分為：晴空少云、低云/海霧、海霧、降水4部分)Fig.4 Net shortwave radiation (absorbed shortwave radiation minus emitted one, red bar) and net longwave radiation (absorbed longwave radiation minus emitted one, blue bar) from 9 to 16 September 2019 (units: W·m-2; based on the observations of ceilometer and automatic meteorological station, the above period is divided into 4 parts: clear sky/partly cloudy, low cloud/sea fog, sea fog, and precipitation)

隨著船向西南航行，接近氣旋中心區(qū)域，氣壓下降，出現(xiàn)降水，能見度轉(zhuǎn)好(圖3e)，說明低空空氣穩(wěn)定度已有變化，逆溫層底高度升高，或者出現(xiàn)較強(qiáng)的上升運(yùn)動，海霧很難持續(xù)下去。云高儀探測顯示，云底高度離開海面(圖5)。

圖5 9月12日12 時—14日06 時航線上云高儀探測的云底高度(綠色圓點(diǎn)，單位：m)和微波輻射計(jì)探測的溫度垂直廓線(色階，單位：℃)隨時間的變化(黑色方框標(biāo)記出來的區(qū)域?yàn)槟鏈貙討掖菇Y(jié)構(gòu)，左、右兩側(cè)虛線分別為海霧開始和結(jié)束時間)Fig.5 Cloud base height (green dot, units: m) detected by ceilometer and vertical temperature profile (color scale, units: ℃) by microwave radiometer onboard the research vessel along the route from 12:00 UTC 12 to 06:00 UTC 14 September (the area marked by the black box is the inversion layer overhanging structure and the left/right dashed line is the start/end time of sea fog)

2.3.2 溫度垂直廓線和鋒面逆溫

由圖1a可知，海霧出現(xiàn)時段船從冷海面駛向暖海面。該時段正值暖鋒向北推進(jìn)，近海面盛行偏南風(fēng)(圖2b)，原來在暖海面上的暖氣團(tuán)向北移動，在冷海面上空遇到冷氣團(tuán)，則向上爬升，形成鋒面逆溫。微波輻射計(jì)提供的溫度垂直廓線連續(xù)變化清楚地反映出鋒面逆溫的結(jié)構(gòu)(圖5)，冷暖氣團(tuán)交界處等溫線比較密集(圖5中42°N，176°E附近)，暖鋒在垂直方向上向冷海面一側(cè)傾斜。該天氣尺度的鋒面逆溫為海霧/低云的形成維持提供了有利條件，云高儀確實(shí)探測到了低云的存在(圖5)。

值得注意的是，12日22 時—13日12 時，鋒面逆溫中在400 m以下出現(xiàn)逆溫層快速向下伸展的現(xiàn)象，形成逆溫層懸垂結(jié)構(gòu)(圖5中黑色方框標(biāo)記區(qū)域)。該懸垂結(jié)構(gòu)與鋒面逆溫相比，是局地性的，尺度較小，反映了逆溫層底的進(jìn)一步降低。逆溫層底高度下降，利于霧滴形成并聚集于近海面，形成霧層。云高儀觀測證實(shí)，在該懸垂結(jié)構(gòu)下方，12日22 時左右，云底迅速下降至近海面(圖5)，能見度下降到1 km以下(圖3a)，形成霧區(qū)。

由上述分析可知，海霧形成和維持階段增濕效應(yīng)大于增溫效應(yīng)，最終達(dá)到飽和。溫帶氣旋的暖鋒和鋒面逆溫是海霧形成的天氣背景。同時，鋒面逆溫中出現(xiàn)的逆溫層向下懸垂結(jié)構(gòu)與海霧有更直接的相關(guān)，海霧出現(xiàn)在該懸垂結(jié)構(gòu)的下方，而沒有明顯懸垂結(jié)構(gòu)的地方，云底高度離開海面，形成低云(圖5)。這里的問題是，該懸垂結(jié)構(gòu)是如何形成的？

3 海霧形成機(jī)理討論

3.1 海洋鋒的影響

由前人研究可知，海洋鋒能調(diào)節(jié)海表面風(fēng)、大氣邊界層性質(zhì)和大氣環(huán)流[35-37]，可強(qiáng)迫出邊界層內(nèi)的次級環(huán)流，海洋鋒的暖水側(cè)為上升支，冷水側(cè)為下沉支，進(jìn)而云底高度在海洋鋒兩側(cè)有明顯不同[38-42]。親潮延伸體水域存在局地海洋鋒，9月的強(qiáng)度一般為0.02±0.004 ℃·km-1[33]。沿著圖1a中A—B線，利用絕對梯度法，得到霧區(qū)附近海溫梯度為0.024 ℃·km-1，表明存在較強(qiáng)的海洋鋒(圖1b)。沿A—B航線做垂直速度剖面圖(圖6a)，可以看出海洋鋒附近低空存在次級環(huán)流，在較冷水面(41°～42°N)為下沉運(yùn)動，較暖水面(40°～41°N)為上升運(yùn)動。

圖6 9月13日00 時沿圖1a中A—B的垂直剖面(a中色階表示垂直速度，單位：Pa·s-1，綠色風(fēng)矢量表示v和-ω·100合成，v單位為m·s-1, ω單位為Pa·s-1；b中色階表示液態(tài)水含量，單位：g·kg-1，實(shí)線為相當(dāng)位溫，單位：K；代表海洋鋒位置，代表海霧區(qū)域)Fig.6 Vertical profile along line A-B in Fig.1a at 00:00 UTC 13 September (in Fig.6a, the units of vertical velocity in color scale are Pa·s-1, green wind barb represents the synthesis of v and -ω·100, and the units of v and ω are m·s-1 and Pa·s-1, respectively; in Fig.6b, the units of cloud liquid water content in color scale are g·kg-1 and the units of equivalent potential temperature in solid line are K； represents the position of SST front, and denotes the position of sea fog area)

由前面討論結(jié)果可知，在鋒面逆溫層中出現(xiàn)向下的懸垂結(jié)構(gòu)，與霧區(qū)配合一致(圖5)。該懸垂結(jié)構(gòu)在空間上與局地海洋鋒強(qiáng)迫產(chǎn)生的次級環(huán)流的下沉支對應(yīng)。在穩(wěn)定層結(jié)條件下，下沉運(yùn)動往往造成某層大氣增溫，從而形成下沉逆溫[32]，這應(yīng)該就是鋒面逆溫層高度下降的根本原因。逆溫層底高度的變化對海霧和低云有重要影響，逆溫層底由于某種原因抬升，往往導(dǎo)致海霧消散或者轉(zhuǎn)為低云；而下沉運(yùn)動會導(dǎo)致逆溫層底高度和低云云底高度下降，冷季美國加利福尼亞州沿海海霧常由低云下降至海面而形成[21,43-44]。

圖6a—b也展現(xiàn)了冷海面上的逆溫結(jié)構(gòu)和霧區(qū)(近海面云中液態(tài)水含量≥0.016 g·kg-1)，與下沉運(yùn)動相配合。在海洋鋒暖水側(cè)和離開海洋鋒冷水側(cè)一定距離的冷水面，云中液態(tài)水含量≥0.016 g·kg-1的區(qū)域離開海面，反映了鋒面逆溫層下方低云的存在。圖6b中，當(dāng)暖鋒(等相當(dāng)位溫線密集區(qū))向北越過海洋鋒后，在海洋鋒冷水側(cè)下沉運(yùn)動作用下，出現(xiàn)霧區(qū)，霧區(qū)位于暖鋒后部偏南氣流中。可以說，海洋鋒強(qiáng)迫的次級環(huán)流導(dǎo)致鋒面逆溫層底高度進(jìn)一步降低，對該海區(qū)海霧的形成有更直接的作用。

此外，由于霧層可以認(rèn)為貼近海面的層云，而云內(nèi)部的溫度梯度接近于濕絕熱減溫率[32]161-164；由于霧頂長波輻射冷卻，霧層中甚至出現(xiàn)超絕熱層結(jié)[45-46]，所以霧層中可出現(xiàn)弱的上升運(yùn)動(圖6a)。如黃海夏季有海霧時低空(1 000～975 hPa)常出現(xiàn)弱上升運(yùn)動，而在弱上升運(yùn)動之上為明顯的下沉運(yùn)動[47-48]。

3.2 暖鋒的作用

由船載自動氣象站觀測可知，此次海霧形成維持階段增濕效應(yīng)大于增溫效應(yīng)，導(dǎo)致相對濕度增加接近飽和，水汽供應(yīng)充足是重要的先決條件。霧區(qū)的緯度已經(jīng)在40°N以北，其附近洋面潛熱通量值很小(圖7a)，海霧的水汽來源顯然不是局地蒸發(fā)。

水汽通量反映出副熱帶洋面的水汽向北輸送(圖7b)，在30°N～41°N，160°E～180°E的廣袤大洋上，露點(diǎn)溫度在20～24 ℃，梯度很小，形成大范圍的高濕空氣(高露點(diǎn)溫度)區(qū)；在暖鋒前緣，43°～45°N附近，露點(diǎn)溫度迅速下降至10 ℃左右，形成明顯的露點(diǎn)溫度鋒，足以說明暖鋒對水汽輸送的重要作用。中緯度洋面的2 m溫度露點(diǎn)差基本在1 ℃左右，說明空氣中的飽和度已經(jīng)比較大，容易發(fā)生凝結(jié)。同時衛(wèi)星資料(圖略)顯示有鋒面降水，雨滴蒸發(fā)也可增加低空水汽量[49]。如此充足的水汽量，即使在溫度升高的條件下，仍然導(dǎo)致相對濕度不斷增加，形成海霧。

圖7 9月12日20 時海氣界面感熱通量(等值線，實(shí)線為正，虛線為負(fù))和潛熱通量(色階)(a；單位：W·m-2；正值代表海洋向大氣輸送熱量；黃色標(biāo)注地區(qū)為能見度小于1 km區(qū)域，下同)，海平面2 m露點(diǎn)溫度(實(shí)線，單位：℃)、2 m處溫度露點(diǎn)差(色階，單位：℃)和海平面水汽通量 (黑色矢量箭頭，單位：g·s-1·hPa-1·cm-1)(b)以及2 m氣溫(實(shí)線)和氣-海溫差(色階)(c，單位：℃)Fig.7 Sensible heat flux (isoline, solid/dashed line is positive/negative) and latent heat flux (color scale) at air-sea interface (a; units: W·m-2; positive value represents heat transferring from ocean to atmosphere; the area marked in yellow is the area of visibility less than 1 km, the same hereafter); dew-point temperature (solid line, units: ℃) at 2 m, depression of dew point (color scale, units: ℃) at 2 m, and sea-level water vapor flux (black vector arrow, units: g·s-1·hPa-1·cm-1) (b); air temperature (solid line) at 2 m and air-sea temperature difference (color scale) (c, units: ℃) at 20:00 UTC 12 September

與氣旋的冷暖鋒相配合，在暖鋒影響區(qū)有暖舌和正的氣-海溫差(t2m-tSS)，在其西部冷鋒影響區(qū)則相反，為冷槽和負(fù)的氣-海溫差(圖7b)。霧區(qū)基本處于氣旋中心外圍，氣-海界面溫差很小，霧區(qū)的海-氣界面感熱交換接近0(圖7a)，說明此次海霧過程中，海洋對大氣的冷卻作用較小，表現(xiàn)出增溫增濕特征，與典型的平流冷卻霧不同。但暖鋒導(dǎo)致的鋒面逆溫仍然很明顯，為海霧/低云的形成和維持提供了大范圍的穩(wěn)定層結(jié)，衛(wèi)星云圖證實(shí)了存在大范圍的暖鋒云系(圖1c)。

綜上所述，海洋和大氣在此次海霧形成中都扮演了不可或缺的角色：暖鋒將來自副熱帶暖洋面的大量水汽輸送到親潮延伸體冷海面，暖空氣遇冷空氣團(tuán)向上爬升形成鋒面逆溫，為海霧形成提供了有利的天氣尺度的層結(jié)條件和水汽條件。局地海洋鋒強(qiáng)迫的次級環(huán)流的下沉支，導(dǎo)致在海洋鋒冷水側(cè)上空的鋒面逆溫中出現(xiàn)下沉逆溫，進(jìn)一步降低逆溫層底的高度，有利于霧滴局限在近海面，最終在海洋鋒的冷水側(cè)形成霧。歸納概念模型如圖8所示。

圖8 西北太平洋上溫帶氣旋暖鋒和局地海洋鋒共同影響下海霧形成的概念模型(a，黑色箭頭代表海洋鋒強(qiáng)迫產(chǎn)生的次級環(huán)流)和有霧時的溫度廓線(b)Fig.8 Conceptual model (a, black arrow for the secondary circulation induced by the forcing of SST front) of sea-fog formation affected both by a synoptic-scale warm front in an extratropical cyclone and a local SST front in the Oyashio Extension area of western North Pacific and temperature profile (b) when sea fog exists

4 小結(jié)

本文根據(jù)我國第十次北極科考船“向陽紅01號”2019年9月12—14日大氣-海洋聯(lián)合觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合衛(wèi)星遙感和再分析數(shù)據(jù)，對溫帶氣旋暖鋒影響下在親潮延伸體海洋鋒附近的一次海霧事件進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下。

(1)科考船自動氣象站走航觀測表明，海霧的生成和維持階段氣象要素呈現(xiàn)“增溫增濕”特點(diǎn)，與暖鋒北上相聯(lián)系。但水汽壓的增量大于因氣溫升高導(dǎo)致的飽和水汽壓增量，增濕效應(yīng)大于增溫效應(yīng)，相對濕度不斷升高，空氣接近飽和。暖鋒影響下從副熱帶洋面向北的大量水汽輸送，是水汽供應(yīng)充分、水汽壓增長幅度更大的重要原因，也是海霧在6級風(fēng)下仍然能夠維持的重要條件。

(2)船載微波輻射計(jì)的走航連續(xù)探測，揭示了冷洋面上空1 000 m以下鋒面逆溫的垂直結(jié)構(gòu)。伴隨暖鋒的暖空氣向北推進(jìn)，在冷海面上沿冷氣團(tuán)爬升，形成鋒面逆溫，為海霧/低云的形成提供了大范圍的穩(wěn)定的層結(jié)條件。該鋒面逆溫在海洋鋒冷水側(cè)呈現(xiàn)向下懸垂的結(jié)構(gòu)，使逆溫層底高度進(jìn)一步降低。

(3)親潮延伸體水域的局地海洋鋒在大氣邊界層內(nèi)強(qiáng)迫出次級環(huán)流，次級環(huán)流的下沉支位于海洋鋒冷水側(cè)，下沉逆溫使鋒面逆溫層底的高度進(jìn)一步下降，貼近海面，有利于霧滴在海面聚集。與大氣環(huán)流和鋒面逆溫相比，海洋鋒強(qiáng)迫的次級環(huán)流和下沉逆溫是局地性的，尺度較小，但對海霧形成有更直接的影響。云高儀觀測表明，霧區(qū)恰在逆溫層向下懸垂的下方，而沒有下沉逆溫的地方則為低云。在以上分析基礎(chǔ)上，歸納了西北太平洋親潮延伸體海域海霧形成的概念模型，當(dāng)暖鋒鋒面向北越過海洋鋒后，霧區(qū)出現(xiàn)于海洋鋒冷水側(cè)。

文中結(jié)論主要是根據(jù)一次出海觀測得出，諸如大洋上空的鋒面逆溫和懸垂結(jié)構(gòu)(下沉逆溫)、逆溫層與霧區(qū)云區(qū)的配合等都是觀測揭示的。目前尚沒有類似工作發(fā)表，這足以說明觀測對于認(rèn)知海霧等海上天氣現(xiàn)象有至關(guān)重要的作用，全面深入研究還需更多的觀測。關(guān)于局地海洋鋒的強(qiáng)迫次級環(huán)流作者已用數(shù)值模擬和數(shù)值試驗(yàn)初步驗(yàn)證，下沉逆溫和鋒面逆溫相互配合的機(jī)理、海霧和低云相互轉(zhuǎn)化的大氣邊界層過程等還需要利用數(shù)值模擬和數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)一步研究，這也將是下一步的工作重點(diǎn)。

致謝：本研究的數(shù)據(jù)及樣品采集得到自然資源部第一海洋研究所第十次北極科學(xué)考察航次的支持，該航次由“向陽紅01號”科考船實(shí)施，海霧觀測數(shù)據(jù)由鐘文理博士提供，中國海洋大學(xué)的劉敬武副教授、衣立副教授、丁賽賽博士對本文提出了寶貴意見，在此一并致謝。