國(guó)外海霧研究進(jìn)展綜述

范悅敏

摘 要

本文將從以下幾個(gè)方面回顧近年來(lái)國(guó)外海霧研究一些進(jìn)展情況，旨在為東海海霧的研究和預(yù)報(bào)提供參考。首先是基于船舶觀測(cè)得到的全球海霧發(fā)生頻率的氣候?qū)W特征，其次介紹關(guān)于海霧成因和預(yù)報(bào)的若干進(jìn)展，最后由黃海海霧的季節(jié)變化特征討論其形成和消退的內(nèi)在機(jī)理。

關(guān)鍵詞

海霧;氣候?qū)W特征;平流;逆溫

中圖分類號(hào)： P732 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.16.112

0 引言

海霧是一種發(fā)生在沿海地區(qū)和洋面上的低能見度天氣現(xiàn)象，隨著海洋經(jīng)濟(jì)和海上作業(yè)的不斷發(fā)展，漁場(chǎng)與航道的交叉區(qū)域不斷加大，我國(guó)沿海海域較易發(fā)生海難事故，而海霧可使船只發(fā)生偏航、觸礁、擱淺甚至碰撞等事故，更是加重了海難事故的發(fā)生。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，因海霧碰撞沉沒的事故占海上事故總數(shù)的30%左右，每年海霧事故造成的直接經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)幾百萬(wàn)。隨著近年來(lái)大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)及臨港型經(jīng)濟(jì)，海霧對(duì)航運(yùn)業(yè)的影響不容小覷，保障海上漁業(yè)生產(chǎn)和交通安全，已日益迫切。而提高海霧預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率對(duì)保障廣大漁民的生命、財(cái)產(chǎn)安全和發(fā)展經(jīng)濟(jì)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 全球海霧發(fā)生頻率的氣候?qū)W特征

Koracin等人利用1950-2007年期間ICOADS（International Comprehensive Ocean Atmosphere Data Set）船舶觀測(cè)資料，首次進(jìn)行了全球尺度的海霧綜合氣候?qū)W研究，在分析全球海霧發(fā)生頻率時(shí)空分布的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論了霧頻與一些氣候指數(shù)的相關(guān)性，并嘗試解釋導(dǎo)致其中一些顯著相關(guān)性的物理機(jī)制[1]。船舶觀測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間上按照季節(jié)進(jìn)行劃分，在空間上則是將非極地區(qū)域的海洋分為1°X1°經(jīng)緯度的網(wǎng)格點(diǎn)。文章用格點(diǎn)內(nèi)海霧發(fā)生次數(shù)的百分比來(lái)表示每個(gè)格點(diǎn)海霧的發(fā)生頻率，以消除不同格點(diǎn)內(nèi)觀測(cè)次數(shù)不同而導(dǎo)致觀測(cè)到海霧頻次的差異。

1.1 海霧發(fā)生頻率的空間分布

從全球的霧頻分布情況可以看出，海霧發(fā)生頻率較大的格點(diǎn)集中在16個(gè)地區(qū)，這些地區(qū)可以分為4個(gè)大組。一組是三個(gè)副極區(qū)海洋環(huán)流圈的西側(cè)，在海洋大陸架上（千島群島、大淺灘和阿根廷）。第二組是具有代表性海霧發(fā)生的七個(gè)邊緣海區(qū)，五個(gè)在北半球大洋的西海岸：鄂霍次克海、日本海、黃海、南海、新斯科舍省的凹形邊緣;兩個(gè)在東海岸：波羅的海和北海。第三組是沿海岸的五個(gè)海水上涌大值區(qū)，四個(gè)在亞熱帶海洋環(huán)流圈的東側(cè)：納米比亞-南非、加利福尼亞-俄勒岡、秘魯、摩洛哥;一個(gè)在印度洋的北岸：阿拉伯半島。除了納米比亞-南非這個(gè)區(qū)域有兩個(gè)極大值中心，其他區(qū)域都只有一個(gè)極大值中心。在近極地海區(qū)暫定的凹形海區(qū)的極大值是僅有的深水區(qū)海霧極大值。而由于船舶資料的缺少，極區(qū)海洋不在研究范圍中。

1.2 海霧發(fā)生頻率的時(shí)間變化

研究中選取千島群島和大淺灘這兩個(gè)海霧發(fā)生頻率最高、觀測(cè)次數(shù)最多、信噪比最高的區(qū)域，來(lái)討論海霧的年際變化。計(jì)算去趨勢(shì)后58年的海霧數(shù)據(jù)與氣候指數(shù)的相關(guān)系數(shù)，用5年滑動(dòng)平均來(lái)顯示低頻變化。

為分析霧頻與更廣泛地區(qū)的短期氣候變化的可能關(guān)系，將其與PDO和ENSO指數(shù)（千島群島）以及NAO和AMO指數(shù)（大淺灘）進(jìn)行了比較。

1.2.1 千島群島霧頻與PDO和ENSO指數(shù)

太平洋年代際振蕩PDO來(lái)可以部分表示北太平洋的直接大氣強(qiáng)迫。PDO的振幅在夏末初秋有明顯的最小海溫異常，且中心向西北太平洋移動(dòng)。千島群島的海霧數(shù)據(jù)與PDO相比有明顯的年際變化，相關(guān)性低。使用5年滑動(dòng)平均抑制年際變化，相關(guān)系數(shù)提高到0.55-0.79。使用根據(jù)海表溫度計(jì)算出的Nino3.4指數(shù)來(lái)描述ENSO信號(hào)的特征。夏季3個(gè)月平均的年際ENSO指數(shù)與千島群島的海霧數(shù)據(jù)沒有顯著的相關(guān)性。

1.2.2 大淺灘霧頻與NAO和AMO指數(shù)

北大西洋濤動(dòng)NAO是冰島低壓和亞速爾高壓之間的大氣海平面氣壓差，一年當(dāng)中夏季最弱。大淺灘的海霧數(shù)據(jù)和NAO夏季平均的年際數(shù)據(jù)變化較一致，相關(guān)系數(shù)在0.24-0.35之間。5年滑動(dòng)平均的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.34-0.56。

大西洋年代際振蕩AMO周期在60-80年。為了從AMO指數(shù)中去除氣候變化信號(hào)，使用NOAA地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室的AMO指數(shù)。大淺灘的海霧發(fā)生頻率和夏季AMO指數(shù)有反相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在-0.41到-0.58。5年滑動(dòng)平均的相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.53到-0.75。

千島群島海霧發(fā)生頻率與PDO正相關(guān)，但與ENSO不相關(guān)。兩個(gè)海霧發(fā)生頻率極大值的區(qū)域都在海平面氣壓的高低壓中心之間。在PDO和NAO的正位相期間，氣壓梯度增加，在這兩種情況下，南風(fēng)氣流帶來(lái)暖濕空氣，促使海霧形成。而在大淺灘海霧發(fā)生的頻率和AMO成反比，因?yàn)檎鼳MO位相與包括紐芬蘭地區(qū)在內(nèi)的美國(guó)東北部的干燥溫暖空氣相聯(lián)系，抑制了海霧的形成。

2 海霧成因與預(yù)報(bào)

關(guān)于海霧的成因和預(yù)報(bào)，Koracin等人在2014年做了非常詳盡的整理和歸納[2]，之后進(jìn)行了進(jìn)一步的擴(kuò)展[4]。目前比較明確的幾種海霧成因，一是較熱的空氣流過(guò)較冷海面形成的冷海霧，二是較冷的空氣流過(guò)較暖海面形成的暖海霧，兩者都是平流霧，三是由氣團(tuán)變化導(dǎo)致的海霧，這是一個(gè)發(fā)生在高層的過(guò)程。海表面上空的輻合輻散可以改變表面層頂部的沉降過(guò)程，而云層、霧霾和顆粒物的存在會(huì)改變向上和向下的輻射，這些因素的輕微變化都會(huì)改變?cè)械钠胶?，最終導(dǎo)致海霧的形成和消散。

海霧預(yù)報(bào)的主要方法是從大尺度運(yùn)動(dòng)出發(fā)，大尺度模式的輸出通常為次天氣模式和中尺度模式提供邊界條件，這些模式涵蓋一個(gè)連貫的地理區(qū)域，例如一個(gè)特定的海岸或海洋的一小部分及其鄰近地區(qū)，這些區(qū)域模式的水平分辨率接近10公里或更細(xì)。利用這些小尺度模型的輸出與氣候?qū)W相結(jié)合，進(jìn)行海霧預(yù)報(bào)有明顯的優(yōu)勢(shì)。

海霧數(shù)值預(yù)報(bào)的一個(gè)主要障礙是不能直接將霧的微物理過(guò)程加入模型中。在某種程度上，這是由于微物理參數(shù)化會(huì)增加計(jì)算需求。此外，控制霧滴微物理過(guò)程的方程很難與控制中尺度模型的方程聯(lián)系起來(lái)。也就是說(shuō)，參數(shù)化并不簡(jiǎn)單，而且通常涉及比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募僭O(shè)。在氣溶膠初始和邊界條件未知的情況下，也存在大量的不確定性。另一個(gè)挑戰(zhàn)是如何將大尺度氣候?qū)W與觀測(cè)數(shù)據(jù)最佳地結(jié)合起來(lái)。因此，在大尺度和小尺度上，對(duì)霧及其演變至關(guān)重要的因素都不容易納入預(yù)測(cè)系統(tǒng)。

3 黃海海霧季節(jié)變化

Zhang等人利用一系列臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)研究黃海海霧的季節(jié)變化，發(fā)現(xiàn)黃海海霧于四月在山東半島南部沿岸突然增多，而八月開始突然消退，并進(jìn)一步討論導(dǎo)致這一現(xiàn)象的內(nèi)在物理機(jī)制[4]。

從三月到四月黃海的季節(jié)性變暖滯后于周圍的陸地區(qū)域。在925hPa盛行的西風(fēng)帶將溫暖的大陸空氣輸送到黃海冷水上空，形成利于海霧形成的逆溫層，有助于在大氣邊界層中留住水分。海陸加熱的差異在黃海和中國(guó)東海北部形成淺薄的熱高壓，這一海面反氣旋解釋了中國(guó)（突發(fā)）和韓國(guó)（連續(xù)）海岸之間海霧的東西不對(duì)稱。反氣旋西側(cè)的南風(fēng)維持暖濕平流，有利于海霧在東部海盆的形成。反氣旋東側(cè)缺少暖濕氣流的輸送，使得韓國(guó)沿岸海霧發(fā)生頻次逐漸增加，而非突然發(fā)生。

從七月到八月副熱帶西北太平洋上空的大氣對(duì)流增強(qiáng)激發(fā)了正壓波列。由此產(chǎn)生的副熱帶重力勢(shì)的徑向偶極模式加強(qiáng)導(dǎo)致盛行風(fēng)向由南風(fēng)變?yōu)闁|風(fēng)，這一風(fēng)向的轉(zhuǎn)變終止了四月到七月維持黃海海霧的暖濕南風(fēng)平流，從而導(dǎo)致了八月海霧的突然消退。

4 結(jié)語(yǔ)

海霧出現(xiàn)頻率最大值的位置對(duì)應(yīng)于海表面溫度和淺層海水較冷，以及有潮汐混合的區(qū)域，夏季冷水面上的暖濕空氣平流和低層有逆溫的穩(wěn)定大氣都是利于海霧形成的條件。由于冬季海氣溫差急劇減小，海霧的發(fā)生頻率很低。千島群島和大淺灘海霧發(fā)生頻率與氣候指數(shù)有顯著的相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明海霧發(fā)生的頻率在一定程度上受到短期氣候變化的影響。但受到海霧觀測(cè)數(shù)據(jù)缺乏的限制，這個(gè)結(jié)果僅針對(duì)兩個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)充足的區(qū)域，所以隨著未來(lái)海霧觀測(cè)數(shù)據(jù)的豐富，這種相關(guān)關(guān)系可以在更大的時(shí)空尺度上得到更深入的討論研究。海霧預(yù)報(bào)的難點(diǎn)在于詳細(xì)的海霧微物理過(guò)程和降水在模式參數(shù)化中常常被簡(jiǎn)化，所以對(duì)海霧微物理過(guò)程的研究是亟待解決的問題。大尺度環(huán)流的季節(jié)性變化和逆溫層的形成是導(dǎo)致黃海海霧明顯季節(jié)變化的主要原因，類似的研究今后也可以在東海展開。

參考文獻(xiàn)

[1]Dorman CE，Mejia J，Koracin D，McEvoy D.World marine fog analysis based on 58-years of ship observations.Int J Climatol.2020;40：145-168.

[2]Koracin，D.，Dorman，C.E.，Lewis，J.M.，Hudson，J.G.，Wilcox，E.M.and Torregrosa，A. （2014） Marine fog：a review.Atmospheric Research，143，142-175.

[3]Koracin，D.and Dorman，C.（Eds.）.（2017）Marine Fog： Challenges and Advancements in Observations，Modeling，and Forecasting.Springer Atmospheric Sciences，Switzerland：Springer International Publishing.

[4]Zhang，S.-P.，Xie，S.-P.，Liu，Q.-L.，Yang，Y.-Q.，Wang，X.-G.and Ren，Z.-P.（2009）Seasonal variations of Yellow Sea fog：observations and mechanisms.Journal of Climate，22，6758-6772.