2021 年潿洲島4 次海霧外場觀測數(shù)據(jù)分析

陸芊芊，鄭鳳琴*，畢瑞迪，陸雪婷

（1.廣西壯族自治區(qū)氣候中心，南寧 530022；2.潿洲島氣象站，北海 536004）

引言

海霧是指發(fā)生在洋面上或者海域附近上空，由于邊界層中的水汽大量凝結造成的大氣能見度低于1km 的天氣現(xiàn)象［1］。海霧對航海交通、海洋漁業(yè)及軍事活動都有不利影響［2］。開展海霧外場觀測有助于加深對海霧微物理特征的認識，進而提高海霧預報的準確性［3］，有效預防或減輕海霧對海上生命財產(chǎn)安全帶來的威脅。

中國對海霧的外場觀測研究始于20 世紀80 年代，楊中秋等［4］對舟山地區(qū)海霧進行了外場觀測，初步分析了微物理量的時間演變特征和霧滴譜分布特征。近年來，我國學者在華東、華南、福建等沿海地區(qū)開展海霧外場觀測，取得了較大的成果。徐靜琦等［5］基于觀測得到的微物理特征，建立了青島海霧能見度與消光系數(shù)的線性關系。呂晶晶等［6-7］發(fā)現(xiàn)，湛江地區(qū)海霧的霧滴譜分布呈單調遞減特征，多數(shù)時段霧滴數(shù)濃度與平均直徑呈正相關關系（海霧成熟階段除外）。張悅等［8］探討了廈門地區(qū)海霧微物理結構與氣象要素之間的關系，海霧爆發(fā)性增長時，風速風向會發(fā)生明顯變化，而微結構的起伏則與風速無關。

潿洲島位于北部灣海域中部，每年冬、春季海霧頻發(fā)［9］，對客運、海上捕撈等造成了不利影響。然而到目前為止，鮮有關于北部灣海霧外場綜合觀測研究的相關文獻記載，缺乏對北部灣海霧過程中微物理特征的研究。因此，本文根據(jù)2021 年2 月—4 月項目組在潿洲島進行外場觀測得到的海霧霧滴譜及相關的氣象資料，總結分析4 次海霧過程中氣象要素及微物理量的基本特征，并對一次海霧過程的微物理結構進行重點分析，給出霧滴譜分布特征，以期為海霧預報提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 觀測地點及時間

觀測地點設在潿洲島國家基準氣候站內，地處潿洲島西南角，南側為北部灣海域，觀測儀器架設于站內一棟2 層小樓樓頂，采樣點正對大海，距離海邊200m 左右，海拔高度55m，無障礙物遮擋。

外場觀測于2021 年2 月1 日開始，2021 年4月30 日結束。為確保試驗期間采樣通道不受海氣污染，觀測人員在每次海霧過程前啟動儀器，過程結束立即停止采樣，其它時間處于待機狀態(tài)。

1.2 觀測儀器

FM-100 型霧滴譜儀由美國DMT 公司研發(fā)，可實現(xiàn)霧粒子尺度及數(shù)濃度的連續(xù)測量，霧滴譜儀主要由真空腔、光具座、電子信號處理器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4 部分組成［10］，其中，真空腔可控制氣流速度，計算粒子數(shù)濃度，光具座可接收霧滴粒子的前向散射光，電子信號處理器將收集到的光信號轉化為電壓差并傳輸，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對光信號進行處理，打包成數(shù)據(jù)文件存儲起來。本次觀測中設置采樣頻率為1Hz，測量的直徑范圍（1～50μm）分為20 檔。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本次觀測獲得4 個數(shù)據(jù)文件，共計210 余萬條數(shù)據(jù)，觀測數(shù)據(jù)的處理流程為：首先剔除異常值，剔除后采用缺省值代替；根據(jù)公式（1—3）［10］計算各微物理參量，計算時舍棄第一檔（1～2μm）數(shù)據(jù)；根據(jù)能見度數(shù)據(jù)，篩選海霧過程時段，在該時段內，求出所有物理參量的1min 去尾平均值。

其中，N 為總數(shù)濃度（單位：cm-3），LWC 為液態(tài)水含量（單位：g·m-3），是平均直徑（單位：μm），n（r）是每檔粒子的數(shù)濃度（單位：cm-3），r 是霧滴半徑（單位：μm），ρ 為液水密度（取1g·cm-3）。

1.4 輔助資料

本文使用的資料還有廣西壯族自治區(qū)氣象信息中心提供的潿洲島國家基準氣候站的水平能見度（下簡稱“能見度”，Vis）及地面氣象要素（風速、風向、相對濕度、氣溫等）數(shù)據(jù)，時間分辨率為1min。

本文規(guī)定海霧過程的判斷依據(jù)［11］是：（1）起霧：Vis＜1km 且持續(xù)10min 以上，同時滿足上述條件定為起始時間；（2）消散：能見度大于10km 時，最后一個Vis≤1km 的時刻記為結束時間。

2 結果與分析

2.1 海霧過程總體特征

2021 年2—4 月，潿洲島共觀測到4 次海霧過程（表1）。4 次海霧的起霧時間均在凌晨，早晨八點之前消散，有3 次過程發(fā)生在凌晨03∶00—05∶00，與葉庚姣等［12］統(tǒng)計的北部灣海霧最易出現(xiàn)海霧的時段一致。潿洲島海霧持續(xù)時間較短，4 次過程中有3 次持續(xù)時間小于1h，平均持續(xù)時間為1.1h，遠小于我國福建沿海［13］及廣東沿海［14］海霧 的持續(xù)時間，可能是霧團尺度較小。

表1 2021 年潿洲島4 次海霧過程概況

此次觀測期間，海霧過程平均氣溫為20℃，與較低的海面溫度之間形成溫度差，水汽冷卻凝結，易形成海霧，平均相對濕度均大于90%，平均風速基本在3m·s-1以下（表2），與古明悅等［15］統(tǒng)計結果基本一致，適當?shù)娘L速有利于海霧的生成和維持；風速過大，湍流交換強，不利于海霧的形成；風速過小，不利于水汽和霧滴的垂直輸送及暖濕空氣的水平輸送［16］。這4 次海霧過程中，主要風向為東北風，占全部過程的83%，這是潿洲島海霧與其他地區(qū)較顯著的區(qū)別。

表2 4 次海霧過程氣象要素變化范圍和平均值

表1 還統(tǒng)計了2021 年3 次海霧過程的微物理特征，包括數(shù)濃度、液態(tài)水含量和平均直徑的變化范圍和平均值，個例1 發(fā)生時儀器啟動不及時導致數(shù)據(jù)不全，故未統(tǒng)計。3 次過程平均霧滴數(shù)濃度為79.5cm-3，變化范圍為3.8～454.9cm-3；平均液態(tài)水含量為0.01g·m-3，最大含水量為0.18g·m-3；粒子尺度的平均值為4.3μm，變化范圍為3.8～6.9μm，對比國內其他地區(qū)海霧，潿洲島海霧的液態(tài)水含量和平均直徑均略小。

2.2 典型個例分析

2.2.1 宏觀特征分析

2021 年2 月28 日凌晨，北部灣地區(qū)出現(xiàn)了嚴重的海霧天氣，最低能見度為464m，此次霧過程在28 日05∶57 消散，凌晨有兩次短時間的間歇，過程持續(xù)了4.5h。27 日20∶00 500hPa 潿洲島位于副高西側的西南氣流中，同時低槽東移，帶來充分的水汽。850hPa 切變線南壓，潿洲島主要受切變線南側的西南暖濕氣流影響。地面場上，潿洲島位于低壓前部，偏北偏東風向。地面與高空流場配合，不斷給北部灣補充水汽和熱量，促成本次霧過程。

圖1 顯示了2021 年2 月27—28 日能見度和氣象要素隨時間的變化。海霧發(fā)生前，能見度波動下降，與此同時，相對濕度呈階梯式上升，風速也有明顯的下降趨勢，01∶00 之后能見度維持在1200m 左右，01∶28 能見度降到1km 以下，開始起霧。海霧過程中氣溫維持在一個相對較低的狀態(tài)，在17～19°C的范圍內變化，04∶00 氣溫上升，海霧進入間歇階段，05∶00 能見度降低，持續(xù)半小時后能見度再次大于1km，隨后溫度逐漸上升，海霧逐漸消散。海霧過程風向為穩(wěn)定的東北偏北風，06∶00 風向逐漸轉為偏東風，能見度好轉，海霧消散，風速基本在3～4m·s-1之間，相對濕度一直維持在97%～98%，除氣溫之外的氣象要素狀態(tài)相對穩(wěn)定。

圖1 2021 年2 月28 日地面氣象要素隨時間的變化

2.2.2 微物理特征分析

如圖2 所示，能見度與液態(tài)水含量LWC 和數(shù)濃度N 的變化趨勢相反，2 月28 日01∶57 能見度下降，海霧迅速發(fā)展，數(shù)濃度迅速增大，液態(tài)水含量也處于上升階段，此時平均直徑在下降；01∶57 至04∶12時段為海霧成熟階段，液態(tài)水含量和數(shù)濃度均處于高值狀態(tài)，無明顯的峰值；04∶21 能見度回升，進入約0.5h 的間歇期，這一階段液態(tài)水含量、數(shù)濃度及平均直徑均維持在一個較低的水平；05∶00 能見度降到1km 以下，液態(tài)含水量、數(shù)濃度及平均直徑均波動上升，并且在05∶30 左右達到峰值，05∶28 霧開始消散，液態(tài)含水量、數(shù)濃度及平均直徑開始下降，到05∶57此次海霧過程結束。

圖2 2021 年2 月28 日海霧過程中能見度及各微物理參量的1min 平均值隨時間的演變

表3 統(tǒng)計了本次海霧過程與國內其他地區(qū)海霧的特征參量，此次海霧過程最大粒子數(shù)濃度達到454.9cm-3，與南海西北部［17］、廈門［18］的觀測值相當，高于華東［4-5］（舟山、青島）與華南沿海［6］（湛江、茂名）部分區(qū)域，霧過程中平均粒子數(shù)濃度為76.7cm-3，明顯低于華南沿海區(qū)域多次試驗的觀測值，主要是因為潿洲島孤立于海洋中，與城市距離較遠，城市可吸入顆粒物的影響小。此次過程，液態(tài)水含量最高值及平均值分別僅有0.03g·m-3和0.006g·m-3，均低于國內目前開展的外場試驗觀測值，可能的原因是相比于國內其他觀測，此次海霧過程持續(xù)時間短、且未有達到濃霧等級的時段、最低能見度偏高，導致液態(tài)含水量較小。平均直徑為4.0μm，與國內其他典型海霧過程相比雖偏小但差異不大，表明海霧以小粒子為主，直徑較大的顆粒物含量少。

表3 潿洲島海霧與國內典型海霧過程微物理特征比較

2.2.3 霧滴譜分布特征

圖3 為此次海霧過程的平均譜分布及擬合曲線，根據(jù)實測資料，利用最小二乘法擬合了平均霧滴譜公式。結果表明，平均譜滿足Junge 分布，即：N（D）=984.12D-2.67，擬合優(yōu)度確定系數(shù)R2=0.97。其中7.25μm 以下的實測值大于理論值，其他區(qū)間的實測值均小于或等于理論值，實測值與擬合曲線十分接近，表明該分布函數(shù)能很好反映本次海霧的平均狀況。霧過程的平均譜分布呈單調遞減變化，霧滴主要集中在4～12μm，整個譜分布偏向小粒子一端，這是華南沿海海霧典型的譜分布特征［7，10］，但區(qū)別于舟山地區(qū)［4］及廈門地區(qū)［18］的海霧霧滴譜分布，這兩個地區(qū)的譜分布呈雙峰變化，更符合Deirmendjian 分布。由此可知，海霧的譜分布具有鮮明的局地特征，是由各個因子復雜的影響形成的，需要具體分析。

圖3 平均譜分布

3 結論

利用2021 年2—4 月在潿洲島觀測獲得的微物理參量、能見度等資料，總結分析4 次海霧過程的整體特征，并對個例3 的宏微觀特征進行重點分析，得到以下結論。

（1）潿洲島海霧的形成不具備明顯的日變化，多出現(xiàn)在凌晨03∶00—05∶00，海霧持續(xù)時間較短，平均為1.1h。海霧期間的綜合氣象條件為：平均氣溫為20℃，平均相對濕度為97%，平均風速為3m·s-1，地面以偏北、偏東風為主。2021 年潿洲島冬春季的4次海霧過程，數(shù)濃度的變化范圍為3.8～454.9cm-3，液態(tài)水含量為0.00009～0.18g·m-3，平均直徑為3.8～6.9μm。

（2）西南氣流為海霧發(fā)展提供了充沛的水汽條件和熱量。海霧過程中溫度、風速保持相對低的水平，地表相對濕度較高，地面以偏北風為主。能見度與液態(tài)含水量及霧滴數(shù)濃度的變化趨勢相反，能見度下降，霧滴數(shù)濃度及液態(tài)水含量隨之增加，海霧過程中最大粒子數(shù)濃度達到454.9cm-3，平均粒子數(shù)濃度為76.7cm-3，平均液態(tài)水含量為0.006g·m-3，平均直徑為4.0μm，與國內其他區(qū)域的海霧相比，潿洲島海霧的霧滴數(shù)濃度、液態(tài)含水量均較小，霧滴尺度與其他地區(qū)相當。

（3）潿洲島海霧的霧滴譜分布呈單調遞減特征，霧滴主要集中在4～12μm，整個譜分布偏向小粒子一端，符合Junge 分布，與華南沿海和青島地區(qū)的海霧滴譜分布類似。