一次春季黄海西部离岸气流背景下形成岸滨雾的过程分析❋

黄 山， 张苏平， 衣 立

(中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室，海洋-大气相互作用与气候重点实验室，山东 青岛 266100)

海雾是指在海洋的影响下，在海上、岛屿或者岸滨的近地面大气层中悬浮的大量水滴和冰晶凝结，从而使大气水平能见度低于1 km的天气现象[1-3]。海雾会造成海上能见度大幅度降低，从而对海上交通、作业、运输及沿岸生活、生产等造成严重的影响，导致人员及财产的损失[4-5]。

前人研究表明，我国黄海海雾多为平流冷却雾[1]。平流冷却雾大多是由偏南暖湿气流平流到冷海面上后生成，所以海面上是否存在偏南风或者暖平流等成为海雾预报时主要考虑的方面[6-7]。中国东部沿海除了偏南气流条件下容易形成海雾外，其他气象条件下也时常有海雾生成，比如黄海南部及长江口区有20%的海雾发生在偏北风的作用下[1]。王亚男和李永平[8]利用观测资料分析了中国东部沿海在偏北风作用下海雾形成、发展的天气条件及海域差异等。Wang等[9]在杭州湾海雾的研究中发现，海陆热力差异在海岸线附近强迫出次级环流，其下沉气流加强海面上的大气层结稳定性，暖湿空气被局限于冷海面上凝结形成岸滨雾[注]岸滨雾：当海岸周围陆地的暖湿空气随着陆风流到海面上，因海面降温并增湿的作用凝结而成雾，这样的雾层白天随着海风流到陆地上，夜间再次随着陆风回到海面上[1]。。离岸的暖湿气流平流到海上后形成逆温层，有利于海雾的形成与发展[10]。

对于黄海西部来讲偏北风意味着山东半岛的离岸气流向海上输送，但关于该海区离岸气流背景下海雾形成机制的研究还很少。本文将利用地面观测资料、静止气象卫星可见光云图和再分析资料并结合WRF(Weather Research and Forecast)数值模式对2008年4月6—7日离岸气流背景下生成的一次黄海西部岸滨雾的物理机制进行研究与分析。

1 资料、方法和模式介绍

1.1 资料和方法

本文使用的资料主要包括：(1)中国气象局气象信息综合分析系统MICAPS(Meteorological Information Comprehensive Analysis and Process System)提供的地面站气象要素观测资料，该资料主要包括能见度、气温、风场、现在天气现象等要素，时间间隔为3 h；(2)青岛近海浮标站观测资料，包括气温、海温、风场、相对湿度及能见度等要素，时间间隔为1 h；(3)青岛气象台自动气象站(120°33′E，36°07′N)资料，包括气温、露点气温、相对湿度及风场等要素，时间间隔为1 h。该自动气象站位于青岛伏龙山上，距离黄海海岸约2 km，海拔高度76 m，观测数据可以代表沿岸陆地气象条件；(4)日本气象厅MTSAT(The Multifunctional Transport Satellite)静止卫星数据，用于观测黄东海海域白天的云、雾区的时空变化，时间间隔为1 h(http://weather.is.kochi-u.ac.jp)；(5)欧洲中期天气预报中心ECMWF(The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)提供的再分析资料，用于天气形势的分析及WRF模式的初始场和背景场，水平分辨率为0.125°×0.125°，垂直37层，时间间隔6 h(http://apps.ecmwf.int/datasets/)；(6)美国国家环境预报中心NCEP(National Centers for Environmental Prediction)的全球实时海温数据RTG(Real Time Global)，为WRF模式提供下垫面SST，分辨率为0.5°×0.5°，时间间隔为1 d[11-12](ftp://polar.ncep.noaa.gov/pub/history/sst/ophi)。

本文运用双通道法[13]，采用Gao等[14]提出的黄海层云/海雾的阈值分离夜间云区和晴空区，再用动态阈值海雾反演方法[15]从云中提取雾区范围。可见光云图中海雾的形态一般表征为：乳白色、表面均一、纹理光滑且边缘清晰[16]，白天用该特征判断可见光云图上的雾区。

1.2 模式介绍

本文模拟海雾过程采用的是中尺度大气数值模式WRFv3.7.1版本，文中采用Lambert投影，双层嵌套，选取中心区域是(36°N，121°E)，内外层水平分辨率分别为30 km×30 km和10 km×10 km，垂直分辨率采用46①层，积分时间为2008年4月6日20 BT(北京时间)至7日20 BT，积分步长为180 s，具体参数化方案设置如表1。

2 黄海西部离岸气流背景下形成岸滨雾的观测分析

表1 WRF模式参数化方案设置

2.1 地面气象站观测

2.2 青岛自动气象站及浮标站观测

为了进一步了解离岸气流背景下生成海雾的过程，分析青岛自动气象站(代表沿岸陆地)和浮标站逐小时观测结果。由图2可见，6日14 BT-20 BT山东半岛发生降水后，青岛站能见度从8 km迅速下降至2 km左右，气温降低、露点升高，温度露点差由2℃开始逐渐减小，相对湿度从90%左右开始升高，这个过程青岛站受南风的控制。

① 1.000 0、0.998 5、0.997 0、0.995 0、0.992 5、0.990 0、0.985 0、0.977 5、0.970 0、0.954 0、0.934 0、0.909 0、0.880 0、0.850 6、0.821 2、0.791 8、0.762 5、0.708 4、0.657 3、0.609 0、0.563 4、0.520 4、0.479 8、0.441 5、0.405 5、0.371 6、0.339 7、0.281 5、0.255 1、0.230 3、0.207 1、0.185 4、0.165 1、0.146 1、0.128 4、0.111 8、0.096 5、0.082 2、0.068 9、0.056 6、0.045 2、0.034 6、0.024 9、0.015 9、0.007 6、0.000 0

(轻雾(灰色填色，1 km<能见度<10 km，雾(黄色填色，能见度≤1 km)，降水(蓝色填色，降水量>0)，站点温度、风场等要素及站点分布。Mist(grey shaded, 1 km0),temperature, wind, other elements and stations distribution.)

图1 中国东部沿海8个地面观测站图

Fig.1 Ground-based observation of eight stations in the east of China

(青岛自动气象站气温(红线)、露点温度(蓝线)和相对湿度(紫线)；青岛近海浮标站的能见度(黑线)。灰色区域为雾区。Air temperature(red line),dew point temperature(blue line) and relative humidity(purple line) of Qingdao automatic weather station; visibility(black line) of Qingdao offshore buoy station.The color gray denotes the fog layer.)

图2 青岛自动气象站与近海浮标站的气象各要素

Fig.2 Meteorological elements of Qingdao automatic weather station and offshore buoy station

7日02 BT开始，青岛站转变成离岸偏北风，能见度降低至1 km以下天气现象转为雾，大雾天气持续至08 BT左右。这个阶段气温有所升高，但露点温度也明显上升，温度露点差接近0，水汽达到饱和，相对湿度接近100%。说明北风条件下，水汽供应量是不断增加的，这与前人研究中指出的北风下海雾趋于消散[22]不同。

该时段青岛近海浮标站的气温比海温高1.1～1.7 ℃(见图3)，海气界面维持相对稳定，海洋对大气有冷却作用，有利于海雾的形成与维持。青岛自动气象站的气温比近海浮标站高0.1～1.2℃，说明离岸气流背景下不断向沿海输送暖湿空气。该暖湿空气到冷海面上一方面有利于降温冷却形成海雾，另一方面，有利于逆温层的建立和维持，与加州海雾类似[10]。

7日10BT，气温相对露点增高速度更快，温度露点差升至1℃以上水汽不再维持饱和状态，相对湿度迅速下降至90%以下，能见度升高至2 km左右转为轻雾天气，随后12 BT起青岛站再次转为受南风控制，整个过程与地面观测站点图(见图1)基本对应。

(青岛近海浮标站气温(黑线)、表层海温(蓝线)和气海温差(红线)；青岛自动气象站气温与青岛近海浮标站气温的差(紫线)。灰色区域为雾区。Air temperature(black line), sea surface temperature (blue line) and the difference between the air temperature and the sea surface temperature (red line) of the Qingdao offshore buoy station;the difference between the air temperature of the Qingdao automatic weather stationand the air temperature of the Qingdao offshore buoy station (purple line).The color gray denotes the fog layer.)

图3 青岛近海浮标站气温与海温随时间变化图

Fig.3 The changes of air temperature and sea surface temperature with time of the Qingdao offshore buoy station

2.3 卫星观测分析

图4(a)中可以看出2008年4月6日14 BT，中国东部沿海全部被云遮盖且受较强南风的控制，与地面观测资料相对应(见图1)。用动态阈值海雾反演方法反演夜间海雾表明，6日21 BT黄海北部海域仍被低云覆盖(图4(b))，从6日23 BT开始山东半岛南部沿海形成了一小片的雾区(见图4(c))，7日02 BT(见图4(d))山东半岛南部海面上转为离岸的偏北风，到7日08 BT为止雾区在离岸气流背景下逐渐向南发展至整个黄东海海域(见图4(d)～(f))。7日11 BT-14 BT雾区逐渐与海岸平行且部分海陆界面之间有蓝色缝隙，反映了陆地的热力效应使得陆地上的雾消散，海雾稳定在海面上(见图4(g)～(h))。

((a)6日14 BT；(b)6日21 BT；(c)6日23 BT；(d)7日02 BT；(e)7日05 BT；(f)7日08 BT；(g)7日11 BT；(h)14 BT((a)，(g)～(h)为可见光云图；(b)～(f)为反演的夜间海雾(蓝色为晴空，黄色为低云，白色为海雾))。(a.b.d.f.h)箭头为ECMWF再分析资料10 m风场。(a)14BT06; (b)21BT06; (c)23BT06; (d)02BT07; (e)05BT07; (f)08BT07; (g)11BT07;(h)14BT07((a),(g)～(h) is visible imagery; (b)～(f) is the retrieved sea fog (blue represents a clear sky,yellow represents low cloud; white represents sea fog)).((a)，(b)，(d)，(f)，(h)) the arrowhead is the 10 m wind field of the ECMWF reanalysis data.)

图4 MTSAT可见光云图和反演的夜间雾区(北京时间)

Fig.4 MTSAT visible imagery and inversion of the sea fog area at night (Beijing time)

2.4 离岸气流背景下形成岸滨雾过程的天气形势分析

ECMWF再分析资料显示，4月06日20 BT，500及850 hPa(图略)黄海西部海域处于东亚大槽后部，受下沉的西北气流控制；1 000 hPa黄海西部海域处于高压后部，受偏南气流控制(图略)，有利于自南方暖海面向北方冷海面及沿岸输送暖湿空气，与前期青岛露点温度上升和轻雾有关。7日02 BT，500 hPa(见图5(a))东亚大槽有所东移加深，850 hPa(见图5(b))槽后形成辐散的下沉区域，有利于逆温层的形成与加强，为海雾的形成和维持提供良好的层结条件，青岛站探空资料显示低空275～425 m有逆温层的建立(图略)，与再分析资料相对应；1 000 hPa(见图5(c))黄海西部出现一个局地的小低压，在该低压作用下，山东半岛南部海域风向转为偏北风；7日08 BT(见图5(d))黄海海域处于高压系统前部，仍受偏北离岸气流影响，该时段青岛沿海出现大雾。1 000 hPa风场的转变与气象站和浮标站观测一致。

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从以上观测资料分析可以看出，此次海雾是在500 hPa槽后下沉、850 hPa下沉辐散与1 000 hPa局地小低压的天气形势下形成的。海雾形成前，在偏南风向岸输送水汽及降水的增湿作用下，陆地及沿海夜间形成了雾，并借着偏北离岸陆风发展到海面上，暖湿气流被输送到冷海面凝结成雾，属于岸滨雾的性质[1，9]。然而，这种离岸气流背景下生成岸滨雾的边界层内部变化等方面，还需要进一步的探究。

3 离岸气流背景下形成岸滨雾过程的机制分析

为了进一步研究离岸气流背景下形成岸滨雾的物理过程，本文利用WRF进行数值模拟，讨论离岸气流在岸滨雾生成过程中的作用。根据模式结果可知，对于雾区变化的过程及风场等气象要素模式均给出了很好的模拟，符合观测事实(见图6)。

3.1 岸滨雾形成过程的水汽及平流输送

4月7日02 BT，在黄海西部局地的低压系统作用下，有来自山东半岛陆地的水汽向南部海域输送(见图7(a))。从7日02 BT的2 m气温场和2 m比湿场来看(见图7(b))，海陆热力效应差异明显，山东半岛内陆比沿海地区及近海温度高3 ℃左右、比湿高1.5 g/kg左右，偏北的离岸气流向近岸及海上输送暖湿空气，在水汽条件充分的条件下，暖湿空气在相对冷的岸滨冷却并凝结成海雾。

从图7(a)～(b)水汽输送和风场条件可知，在黄海西南部海面有来自东海暖水面的水汽向北输送，该北向气流与离岸的南向气流在黄海西南部海域辐合，形成了海上平流混合雾。对此，我们将另文进行讨论。

((a)500 hPa位势高度场(等值线，gpm)；(b)850 hPa位势高度场(等值线，gpm)；(c)～(d)1 000 hPa位势高度场(等值线，gpm)；水平散度场(填色，1e3/s)和风场(箭头，m/s)。(a)is 500 hPa geopotential height(contour line, gpm); (b)is 850 hPa geopotential height (contour line, gpm); (c)(d)are 1 000 hPa geopotential height(contour line, gpm);horizontal divergence(shaded, 1e3/s), and wind(arrow, m/s).)

图5 7日02 BT(a.b.c)及7日08 BT(d)天气形势图

Fig.5 Synoptic map at 02BT07 Apr(images a, b, c)and 08BT07 Apr(images d)

((a)4月6日21 BT；(b)4月6日23 BT；(c)4月7日02 BT；(d)4月7日05 BT；(e)4月7日08 BT；(f) 4月7日11 BT；(h) 4月14 BT(填色，液态水含量(g/kg);箭头，10 m风场(m/s))。(a)21BT06Apr; (b)23BT06Apr; (c)02BT07Apr; (d)05BT07Apr; (e)0807Apr; (f)11BT07Apr (shaded, liquid water content(g/kg);arrow, 10 m wind(m/s)).)

图6 WRF数值模式模拟的雾区

Fig.6 Sea fog zone simulated by WRF numerical model

((a)海平面水汽通量散度场(填色，)和水汽通量(箭头，)；(b)海平面2 m比湿场(填色，g/kg)、2 m气温场(等值线，℃)和风场(箭头，m/s)。(a)is water vapor flux divergence at sea level(shaded,) and water vapor flux divergence(arrow, );(b)is 2 m specific humidityat sea level(shaded, g/kg), 2 m air temperature(contour line, ℃) and wind(arrow, m/s).)

图7 4月7日02 BT黄海西部海域的水汽输送(a)及2 m气温及2 m比湿场(b)

Fig.7 Water vapor transport(a), 2 m air temperature and 2 m specific humidity(b) in the west of the Yellow Sea at 02BT07Apr

3.2 岸滨雾形成过程的垂直边界层结构分析

图8为沿120.4°E的液态水含量、位温、垂直速度及风场的垂直剖面图。6日23 BT(见图8(a))山东半岛沿岸以及内陆(36°N～37°N)只有浅薄的雾覆盖，无明显的混合层；山东半岛上空400 m高度以下为0.01～0.025 m/s上升运动，可能与局地低压(见图5c)有关。7日02 BT开始(见图8(b))山东半岛转为受槽后下沉气流的控制，0.005～0.02 m/s的下沉运动会导致气块

((a)6日23 BT；(b)7日02 BT；(c)7日05 BT；(d)7日08 BT(填色，液态水含量(g/kg)；红色实线，正值垂直速度(m/s)；红色点线，负值垂直速度；黑色等值线，位温(K)；箭头，纬向风(m/s)和垂直速度(10-2m/s))。(a)23BT06;(b)02BT07; (c)05BT07; (d)08BT07 (shaded, liquid water content(g/kg); red solid line,positive vertical velocity(m/s); red dotted line,negative vertical velocity(m/s); black contour line, potential temperature(K);arrow, zonal wind (m/s) and vertical velocity (10-2m/s)).)

图8 沿120.4°E液态水含量、位温、垂直速度及风场的垂直剖面图

Fig.8 Vertical profile of liquid water content,potential temperature, vertical velocity and wind along 120.4°E

下沉增温，有利于逆温层的形成和维持。混合层厚度自山东半岛内陆向海上降低，因此在混合层厚度下降及近海面离岸偏北气流共同作用下，雾区向南发展至35°N的海面上。7日05—08 BT(见图8(c)～(d))，海雾范围进一步向南扩大到34°N以南。

3.3 利用RIP4后向追踪岸滨雾形成过程的结果分析

为了进一步了解离岸气流背景下岸滨雾的生成过程，利用WRF控制试验的结果利用RIP4(Read/Interpolate/Plot version 4)对边界层内的气块进行后向追踪。选取位于黄海西部且距离山东半岛0.5个纬距左右的11个点为起点，从4月7日08 BT后向追踪至7日00 BT分别探索对应气块的轨迹(见图9(a))；与此同时对这11点进行平均处理，分析气块各气象要素在离岸过程中的变化过程(见图9(b))。

从图9(a)中可以看出后向追踪的气块7日00 BT均来自山东半岛陆地，随后向南移动至山东半岛南部的海上。在高压系统以及海陆混合层厚度差异的影响下，气块离岸向南移动的过程中高度逐渐降低，根据图9(b)可知，气块从7日01 BT左右开始由75 m的内陆逐渐下沉并于08 BT降至山东半岛南部洋面5 m左右的高度，在这个过程中由于下沉增温以及暖平流的输送(见图7(b))等作用，气块的温度由6.8 ℃升高至7.6 ℃；从湿度角度来看，在气块离岸下沉到海上的过程中，比湿由6.2 g/kg升高至6.45 g/kg、相对湿度自7日02 BT起一直维持在100%，液态水含量从0.5 g/kg降至0.4 g/kg(大于0.016 g/kg，海雾存在的阈值[23]，这可能与雾中气块在下沉过程中升温，雾中液态水蒸发有关，从而导致液态水含量的降低和比湿的升高。

((a)气块的8 h后向追踪轨迹；(b)高度变化曲线(黑线，m)、气温变化曲线(红线，℃)、相对湿度变化曲线(紫线，%)、比湿变化曲线(橘线，g/kg)和液态水含量变化曲线(蓝线，g/kg)。(a)is the 8 h surface backward trajectory of air masses; (b)is height curve(black line, m), temperature curve (red line, ℃), relative humidity curve(purple line, %), specific humidity curve (orange line, g/kg) and liquid water content curve (blue line, g/kg).)

图9 黄海西部近海面气块8 h后向追踪轨迹及气块性质变化的分析

Fig.9 Analysis of 8 h surface backward trajectory and changes of the property of air mass in the west of the Yellow Sea

3.4 离岸暖湿气流影响的数值试验

为了更好的了解离岸暖湿气流对岸滨雾生成过程的影响，对关键区(34°N～38°N，118°E～123°E)表层温度进行200次9点平滑敏感性试验[24]，平滑后海陆热力差异不再明显(见图10(a))，陆地2 m比湿也随之减小，离岸气流输送暖湿空气作用减弱。

将控制试验和敏感性试验做差，分析离岸暖湿空气对雾区的影响。图10(c)表明，海陆表层温度梯度减小后，离岸的偏北风有所减弱，相应岸滨雾内液态水含量明显减少，证实了离岸气流对此次岸滨雾生成过程的重要性。从敏感性试验120.4°E剖面图(见图10(b))来看，平滑表层气温后海上雾区消失，对应区域混合层也消失，表明雾的存在导致混合层的存在。

上述可知，在近地面转为离岸偏北风后，由于前期陆地气温较高且率先形成了雾，陆地暖湿气流到了冷海面形成了岸滨雾。混合层厚度自陆地下降，混合层内气块下沉增温并且雾内液态水蒸发，气块的湿度升高，有利于海雾的维持以及进一步发展。图11为黄海西部离岸气流背景下形成岸滨雾的概念图。

((a)2 m气温场和2 m比湿场，同图7(b)；(b)沿120.4°E液态水含量、位温、垂直速度及风场的垂直剖面图，同图8(b)；(c)控制试验与敏感性试验模拟结果的差(填色，液态水含量(g/kg);箭头，10 m风场(m/s))。(a)is 2 m air temperature and 2 m specific humidity, the others same as
Fig.7(b); (b)is vertical profile of liquid water content,potential temperature, vertical velocity and wind along 120.4°E,the others same as
Fig.8(b); (c)is the difference between control experiment and sensitivity experiment(shaded, liquid water content(g/kg);arrow, 10 m wind(m/s)).)

图10 4月7日02 BT敏感性试验结果

Fig.10 The results of sensitivity experiment at 02BT07Apr

图11 黄海西部离岸气流背景下形成岸滨雾过程的概念图

4 结论与讨论

本文利用地面观测资料、青岛近海浮标站及自动气象站资料、卫星云图等数据结合数值试验的结果，从观测分析、天气形势与边界层结构等方面，对2008年4月6—7日一次黄海西部离岸气流背景下形成岸滨雾过程的机制进行了讨论。主要结论如下：

(1) 这次岸滨雾是来自陆地的暖湿空气被输送到了冷海面凝结产生的。海雾生成之前，偏南暖湿空气的输送以及降水天气的条件，使离岸气流具有暖湿气流的性质。

(2) 500 hPa槽后下沉、850 hPa下沉辐散，有利于逆温层的形成与加强；1 000 hPa弱低压使得近地面转为偏北风，为陆地暖湿空气被输送到冷海面上凝结成雾提供了有利的天气条件。

(3) 混合层厚度从陆地向海面明显下降，混合层内部气流离岸下沉至冷海面边界层内，水汽更容易在海面聚集饱和成雾，导致雾区随着离岸气流向南方洋面上发展。

此外，关于离岸气流背景下形成岸滨雾机制的研究，本文仅仅是一个个例分析，还需要更多的个例进行合成分析得出更具有普遍性的结论。

致谢：感谢高山红教授在数值试验方面的指导，刘敬武副教授在论文思路上给予的建议，王倩博士在模式学习过程中的帮助。同时感谢青岛市气象局提供近海浮标站及自动气象站资料。