閩南沿海一次海霧過程的多源資料綜合分析*

張 偉 李 菲 呂巧誼 崔夢(mèng)雪 張妤晴 陳德花

1 廈門市海峽氣象開放重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廈門 361012

2 廈門市氣象臺(tái),廈門 361012

提 要： 基于自動(dòng)站資料、ERA5再分析資料、葵花8號(hào)衛(wèi)星資料、翔安站多源觀測(cè)資料,分析了2021年4月1日閩南沿海一次大霧過程的環(huán)流形勢(shì)、演變特征和微物理結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明此次是一次典型的海霧過程。霧形成時(shí)500 hPa為偏西—西南氣流,低層為一致的西南氣流與反氣旋下沉氣流,近地面存在逆溫層和濕層,為海霧的發(fā)生發(fā)展提供了靜穩(wěn)的環(huán)流形勢(shì)和充沛的水汽條件。此次大霧過程存在霧和低云的相互轉(zhuǎn)化。白天以低云為主,傍晚隨著氣溫的下降和整層風(fēng)速的減小,低云逐漸接地轉(zhuǎn)變?yōu)殪F。清晨由于偏西氣流的作用,沿海的霧再次轉(zhuǎn)變?yōu)榈驮?。利用氣溶膠激光雷達(dá)推演霧頂高度,霧的初生和發(fā)展階段厚度相對(duì)較低且波動(dòng)性大,成熟階段霧頂高度約為100 m。微物理參數(shù)分析表明霧過程的平均粒子數(shù)濃度為52.4 個(gè)·cm-3,液態(tài)水含量為0.084 g·m-3,平均直徑為9.4 μm;1分鐘平均粒子數(shù)濃度最大達(dá)到132.6 個(gè)·cm-3,液態(tài)水含量達(dá)到0.7321 g·m-3。此次過程不同階段粒子數(shù)濃度和液態(tài)水含量的譜分布特征具有較大差異,其中數(shù)濃度的譜分布在初生、發(fā)展和消散階段,以單峰結(jié)構(gòu)為主,峰值直徑為4～6 μm;成熟階段表現(xiàn)為雙峰結(jié)構(gòu)特征,主峰位于4～5 μm,次峰位于24～26 μm;液態(tài)水含量同樣為雙峰分布,但主峰位于24～26 μm,次峰位于5～6 μm;表明霧的粒子數(shù)濃度受小粒子影響為主,但液態(tài)水含量以20～30 μm的粒子貢獻(xiàn)最大。從發(fā)展到成熟階段譜對(duì)比來看,20～30 μm粒子數(shù)量的增加使得液態(tài)水含量明顯增大,這是導(dǎo)致能見度進(jìn)一步下降的主要原因。

引 言

霧是由大量懸浮在近地面的微小水滴或冰晶導(dǎo)致的一種災(zāi)害性天氣。海霧是冬春季節(jié)閩南沿海的重大氣象災(zāi)害之一,對(duì)沿岸城市的港口船舶進(jìn)出和機(jī)場(chǎng)飛機(jī)起降等航行安全產(chǎn)生巨大影響(韓美等,2016)。由于海上缺乏觀測(cè)資料,對(duì)海霧的實(shí)時(shí)地基監(jiān)測(cè)難度較大,且數(shù)值模式對(duì)海上能見度定量預(yù)報(bào)的TS評(píng)分低(Zhou et al,2012),導(dǎo)致海霧預(yù)報(bào)存在較大不確定性,因此開展相關(guān)研究極其重要。

臺(tái)灣海峽是我國(guó)沿海主要的霧區(qū)之一(王彬華,1983)。學(xué)者針對(duì)臺(tái)灣海峽內(nèi)的海霧做了較多的統(tǒng)計(jì)分析(許金鏡,1990;蘇鴻明,1998)、環(huán)流分型(陳千盛,1986)、衛(wèi)星反演(張春桂等,2009)和進(jìn)展綜述(韓美等,2016)等工作。研究指出臺(tái)灣海峽海霧主要出現(xiàn)在3—5月(蘇鴻明,1998),夜間出現(xiàn)概率高于白天,南部高于北部(馬治國(guó)等,2011)。平流冷卻降溫是海霧形成的主要機(jī)制之一。閩南沿海存在一條帶狀冷水區(qū)域,上游的偏南暖濕氣流遇冷水帶被冷卻凝結(jié),在靜穩(wěn)的天氣形勢(shì)下就容易形成海霧(白彬人,2006)。海霧形成時(shí),海溫通常不高于25℃(王彬華,1983),海面風(fēng)速通常低于5 m·s-1,氣海溫差介于0.5～3℃(氣溫大于海溫),以1℃附近概率最大(林衛(wèi)華等,2008)。

近年來隨著觀測(cè)設(shè)備的快速發(fā)展,基于邊界層梯度觀測(cè)(陸春松等,2010;梁綿等,2019)、毫米波云雷達(dá)(岑炬輝等,2021;胡樹貞等,2022)、氣溶膠粒徑譜儀(郭麗君等,2015;Guo et al,2015)等多源融合資料的研究逐漸增多,進(jìn)一步加深了對(duì)霧形成過程中邊界層精細(xì)化結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。霧滴譜儀的應(yīng)用則加深了對(duì)霧的微物理過程的認(rèn)知(Gerber, 1981;Gultepe et al,2006)。國(guó)外針對(duì)霧滴譜的研究起步較早。Eldridge(1961)研究了美國(guó)地區(qū)的霧滴譜特征,Kunkel(1971)基于霧滴譜參數(shù),建立了能見度與液態(tài)水含量的參數(shù)化公式。近年來國(guó)內(nèi)學(xué)者在華南沿海(黃輝軍等,2010;岳巖裕等,2013;徐峰等,2012)、東南沿海(張曦等,2016;張偉等,2021)、華東沿海(楊中秋等,1989)、黃渤海(Wang et al,2020;黃彬等,2014;2018)及其縣郊(祖繁等,2020)、城市(李子華等,1993;李子華和彭中貴,1994;劉端陽等,2009;王慶等,2019;2021)、山地(吳兌等,2007)等開展了諸多觀測(cè)試驗(yàn),對(duì)不同類型霧的微物理特征有了進(jìn)一步的認(rèn)知。研究表明降溫冷卻對(duì)霧的爆發(fā)性發(fā)展具有關(guān)鍵作用(濮梅娟等,2008)。霧滴譜在降溫過程中得到爆發(fā)性拓寬,成熟階段的滴譜形態(tài)主要呈現(xiàn)單峰或雙峰分布特征,主峰集中在小粒子端(王慶等,2019)。不同區(qū)域、不同階段會(huì)呈現(xiàn)不同的特征,霧越強(qiáng)雙峰特征結(jié)構(gòu)越明顯(張浩等,2021)。對(duì)于不同的觀測(cè)環(huán)境,霧滴數(shù)濃度量級(jí)可以從10 個(gè)·cm-3變化到103個(gè)·cm-3,液態(tài)水含量通常低于0.5 g·m-3。

2021年3月末至4月初,閩南沿海及臺(tái)灣海峽發(fā)生了一次大范圍的強(qiáng)濃霧過程,以4月1日夜間的霧過程最為強(qiáng)盛,對(duì)海上交通影響最為明顯。本文基于翔安區(qū)氣象局布設(shè)的自動(dòng)站、微波輻射計(jì)、風(fēng)廓線雷達(dá)、3D氣溶膠激光雷達(dá)等多源觀測(cè)資料,結(jié)合ERA5再分析資料,分析此次霧過程的環(huán)流形勢(shì)、邊界層特征等。利用霧滴譜儀分析了霧過程的微物理參數(shù)特征,研究其演變過程中的微物理過程,以期為此類大霧的預(yù)報(bào)以及模式模擬提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 采用資料

使用的資料如下：(1)閩南地區(qū)133個(gè)區(qū)域自動(dòng)站能見度觀測(cè)資料(站點(diǎn)海拔高度均在200 m以下);(2)翔安站多源垂直觀測(cè)資料,包括微波輻射計(jì)、風(fēng)廓線雷達(dá)和3D氣溶膠激光雷達(dá)資料(觀測(cè)設(shè)備分布及其參數(shù)分別見圖1、表1);(3)歐洲中心(ECMWF)第五代全球再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品(ERA5);(4)葵花8號(hào)高分辨衛(wèi)星紅外通道觀測(cè)資料(水平分辨率：2 km×2 km);(5)霧滴譜觀測(cè)資料,采樣儀器為美國(guó)Droplet Measurement Technologies公司的FM-120型霧滴譜儀,采樣頻率為1 Hz,測(cè)量的粒子直徑范圍為2～50 μm(祖繁等,2020),分為30個(gè)非等間距區(qū)間,采樣地點(diǎn)為翔安區(qū)氣象局業(yè)務(wù)樓頂,海拔高度約為20 m,距離海岸線不足1 km。

圖1 (a)閩南沿海能見度測(cè)站分布,(b)翔安區(qū)氣象局場(chǎng)內(nèi)觀測(cè)設(shè)備布局Fig.1 Distribution of (a) visibility stations in southern coast of Fujian, and (b) observation instruments in Xiang’an District

1.2 微物理參數(shù)計(jì)算方法

本文使用的微物理參數(shù)包括粒子數(shù)濃度(N,單位：個(gè)·cm-3)、液態(tài)水含量(L,單位：g·m-3)、平均直徑(rm,單位：μm)、中值體積直徑(MVD,單位：μm,由儀器自動(dòng)輸出)等,具體計(jì)算公式如下：

式中：r為直徑,n(r)為分區(qū)間的粒子數(shù)濃度,Lr為單個(gè)區(qū)間的液態(tài)水含量,ρ為液態(tài)水的密度。

2 霧過程概況

2021年4月1日,受穩(wěn)定的西南暖濕氣流影響,閩南沿海出現(xiàn)了一次大范圍霧過程。統(tǒng)計(jì)4月1日08：00至2日08：00(北京時(shí),下同)閩南區(qū)域最低能見度(圖2),1000 m以下能見度站點(diǎn)基本出現(xiàn)在沿海以及灣口地區(qū),尤其是200 m以下能見度基本出現(xiàn)在沿海,越深入內(nèi)陸能見度越高,疊加一致的偏南暖濕氣流,初步表明這是一次平流海霧過程。從能見度區(qū)間分布來看,1 km以下站點(diǎn)數(shù)為66個(gè),占比為49.6%;其中最低能見度介于500～1000 m的站點(diǎn)數(shù)為10個(gè),占比為7.5%,比例相對(duì)較低。200～500 m能見度站點(diǎn)數(shù)為25個(gè),占比為18.8%。過程最低能見度低于200 m站點(diǎn)數(shù)為31個(gè),占比為23.3%。逐分鐘最低能見度為66 m,出現(xiàn)在翔安站,時(shí)間為2日04：04。

圖2 2021年4月1日08：00至2日08：00閩南地區(qū)最低能見度分布Fig.2 Distribution of minimum visibility in southern coast of Fujian from 08：00 BT 1 to 08：00 BT 2 April 2021

以過程最低能見度出現(xiàn)的翔安站為例,分析能見度和各氣象要素隨時(shí)間的變化趨勢(shì)(圖3)。1日17：00之前,翔安站氣溫約為22℃,能見度較高,基本在3000 m以上。17：00起氣溫逐步下降,從21.7℃下降至21℃。與此同時(shí),能見度呈現(xiàn)快速振蕩下降的趨勢(shì),在18：07達(dá)到最低,為531 m。此后隨著氣溫的短暫上升,能見度也隨之逐漸上升,一度超過2000 m。19：20能見度快速下降,霧呈現(xiàn)爆發(fā)性發(fā)展的特征,15分鐘內(nèi)能見度從2000 m以上下降至250 m 左右,氣溫在此過程中逐漸下降。22：37隨著氣溫的進(jìn)一步下降,能見度也持續(xù)下降。1日23：00 至2日05：00能見度基本在200 m以下,為本次過程的最強(qiáng)時(shí)段。在此過程中受長(zhǎng)波輻射冷卻作用影響,氣溫呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì),最低達(dá)到20.5℃。風(fēng)向以西南風(fēng)為主,10分鐘平均風(fēng)力小于2 m·s-1。2日05：20起,陸地上的風(fēng)向偏西分量加大,翔安站能見度快速上升至3000 m以上。整個(gè)霧過程中溫度露點(diǎn)差基本在0.2℃以內(nèi),相對(duì)濕度接近100%,水汽充沛。能見度與氣溫有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,氣溫下降伴隨著能見度的下降,表明降溫是能見度下降的主要誘因之一。依據(jù)能見度的演變趨勢(shì),對(duì)霧進(jìn)行階段劃分。將17：01—19：22定義為初生階段,19：23—22：36為發(fā)展階段,22：37—05：18為霧的成熟階段,05：19之后為消散階段。

圖3 2021年4月1日17：00至2日06：00翔安站逐分鐘能見度(V)、溫度(T)、露點(diǎn)溫度(Td)和10分鐘平均風(fēng)(風(fēng)羽)Fig.3 One-min observed visibility (V), temperature (T), dew point temperature (Td), 10 min average wind (barb) at Xiang’an Station from 17：00 BT 1 to 06：00 BT 2 April 2021

3 霧的環(huán)流形勢(shì)分析

1日20時(shí),副熱帶高壓主體位于海上,華南地區(qū)500 hPa以偏西—西南氣流控制為主(圖4a)。700 hPa 至地面均為西南氣流以及弱的反氣旋環(huán)流控制,有利于水汽輸送和層結(jié)的穩(wěn)定。850 hPa閩南沿海風(fēng)速為12 m·s-1,達(dá)到低空急流的標(biāo)準(zhǔn)(圖4b)。925 hPa從南海中北部至閩南地區(qū)存在一支顯著氣流,其中心風(fēng)速約為8 m·s-1(圖4c)。近地面西南地區(qū)存在弱的低壓倒槽(圖4d),閩南處于均壓場(chǎng)控制,氣壓梯度小,無鋒面影響。海峽內(nèi)為一致的西南氣流控制,風(fēng)速約為2～4 m·s-1。環(huán)流形勢(shì)分析表明此次大霧過程受單一暖濕氣流影響,無鋒面系統(tǒng)參與,且夜間氣溫下降幅度很小。結(jié)合最低能見度的空間分布特征,進(jìn)一步證明此次大霧為平流海霧過程。

圖4 2021年4月1日20：00(a)500 hPa,(b)850 hPa,(c)925 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線,單位：dagpm)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢),(d)海平面氣壓場(chǎng)(等值線,單位：hPa)和地面風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢)Fig.4 Geopotential height (contour, unit： dagpm) and wind field (wind vector) at (a) 500 hPa, (b) 850 hPa, (c) 925 hPa, (d) surface wind field (wind vector) and mean sea level pressure (contour, unit： hPa) at 20：00 BT 1 April 2021

借助廈門站(與翔安站直線距離約為26 km)2000 m以下秒級(jí)探空數(shù)據(jù)(圖5)分析垂直層結(jié)特征。1日20：00(圖5a)低層相對(duì)濕度較大,400 m以下相對(duì)濕度大于90%,且2000 m以下均為一致的西南氣流,水汽條件較好。高濕區(qū)之上400～500 m高度層存在一定的逆溫層。對(duì)流抑制能量(CIN)較大,達(dá)到198.7 J·kg-1;自由對(duì)流高度高,達(dá)到了700 hPa附近(圖略),表明低層存在明顯的抑制層,層結(jié)穩(wěn)定,逆溫層之下高濕區(qū)的水汽不易向上擴(kuò)散。2日08：00(圖5b)探空可見濕層變薄,僅250 m以下存在淺薄的濕層,在此以上濕度快速減小,因此天空云量少。受輻射和風(fēng)向轉(zhuǎn)變的影響,霧退回海上,陸上能見度快速上升。

圖5 2021年4月(a)1日20：00,(b)2日08：00廈門站2000 m以下溫度、濕度和風(fēng)廓線Fig.5 Temperature, humidity and wind profiles at Xiamen Station below 2000 m height at (a) 20：00 BT 1 and (b) 08：00 BT 2 April 2021

4 海霧多源觀測(cè)資料分析

4.1 霧的衛(wèi)星反演特征

由于夜間低層云霧在長(zhǎng)波紅外和短波紅外通道發(fā)射率存在差別,造成其亮溫存在一定的差異(張春桂等,2009)?；诳?號(hào)高分辨率衛(wèi)星的長(zhǎng)波與短波紅外亮溫差異分析海上霧的發(fā)展過程(圖6)。為避免可見光對(duì)短波紅外的干擾,從20：00開始分析?？梢钥吹?日20：00(圖6a),閩南沿海衛(wèi)星雙通道存在亮溫差異,溫差約為1～3 K,且此區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)波紅外亮溫值較高,位于289～291 K,表明云頂高度相對(duì)較低且梯度小,紋理相對(duì)均勻并覆蓋至沿海地區(qū),證明此時(shí)閩南沿海存在一條帶狀分布的海霧(或低云)帶,其寬度約為30 km。23：00(圖6b)海霧快速發(fā)展,范圍快速擴(kuò)大,存在爆發(fā)性發(fā)展的特征,與此同時(shí)陸地上翔安站的能見度也持續(xù)下降,進(jìn)入成熟階段,這與翔安站能見度觀測(cè)趨勢(shì)一致。2日02：00—04：00(圖6c,6e),海霧帶維持并有所擴(kuò)大,同時(shí)進(jìn)一步向陸地和海峽內(nèi)擴(kuò)展。06：00(圖6f)海霧帶相比于04：00范圍有所減小,但仍舊覆蓋海峽南部海區(qū)以及翔安地區(qū),同時(shí)云頂亮溫略有所上升,但此時(shí)翔安站觀測(cè)的能見度已經(jīng)上升。猜測(cè)此時(shí)大范圍的云霧仍舊存在,但由于近地層風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)(陸風(fēng),圖3)的緣故,原本覆蓋近地層的霧轉(zhuǎn)變?yōu)椴唤拥氐牡驮?此過程將在下文由激光氣溶膠雷達(dá)資料進(jìn)一步佐證分析。這也是使用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)海霧的難點(diǎn)之一,即無法明確區(qū)分低云和霧。

圖6 2021年4月1日20：00至2日06：00葵花8號(hào)衛(wèi)星長(zhǎng)波紅外通道(10.5～12.5 μm)平均與短紅外通道(3.7～4.0 μm)亮溫差異分布Fig.6 TBB difference between average long wave (10.5-12.5 μm) and short wave (3.7-4.0 μm) infrared channel of Himawari-8 satellite from 20：00 BT 1 to 06：00 BT 2 April 2021

4.2 霧的邊界層特征

基于風(fēng)廓線雷達(dá)、微波輻射計(jì)分析海霧生消過程中的邊界層特征(圖7)。從圖中可見,1—2日翔安沿海大氣1500 m以下水平風(fēng)場(chǎng)基本以一致的偏西南風(fēng)為主,與探空風(fēng)向基本一致。90%以上的高相對(duì)濕度層基本維持在1000 m高度以下,尤其是近地面的相對(duì)濕度基本維持在95%以上,濕度條件較好。分時(shí)段來看,1日12：00之前1000 m以下風(fēng)速較小。受太陽輻射的影響,低層高濕度層厚度從500 m 以上逐漸下降到300 m以內(nèi),濕層變薄。14：00 低層風(fēng)速逐漸增強(qiáng)至12 m·s-1,疊加上整層一致的偏南氣流,水汽輸送效應(yīng)明顯,使得近地面的高相對(duì)濕度層也明顯增厚。17：00近地面90%以上的相對(duì)濕度層厚度增加。與此同時(shí),低層風(fēng)速也逐漸減小,從6～8 m·s-1逐漸減弱至2～4 m·s-1,弱風(fēng)速層厚度快速增厚,天氣形勢(shì)更加靜穩(wěn),翔安站能見度也同步下降。18：00以后500 m以下風(fēng)速整體快速減小,2日凌晨個(gè)別時(shí)次還出現(xiàn)近地面整層的靜小風(fēng),同期近地面95%以上的相對(duì)濕度層厚度維持在200 m以內(nèi)。

注：粉紅實(shí)線：90%相對(duì)濕度線。圖7 2021年4月1日09：00至2日08：00翔安站風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢,黑點(diǎn)表示水平風(fēng)速≤4 m·s-1)和微波輻射計(jì)相對(duì)濕度(填色)時(shí)序圖Fig.7 Time series of horizontal wind field measured by wind profiler (wind vector, black dots correspond to wind speed ≤4 m·s-1) and relative humidity measured by microwave radiometer (colored) at Xiang’an Station from 09：00 BT 1 to 08：00 BT 2 April 2021

基于激光氣溶膠雷達(dá)的后向散射系數(shù)、消光系數(shù)和退偏比參數(shù)分析霧的垂直演變特征(圖8)。主要分析圖8a～8c中信噪比高于100(黑線)以下區(qū)域。其中退偏比為激光雷達(dá)同時(shí)探測(cè)后向散射光中垂直分量與平行分量回波信號(hào)比值,其數(shù)值反映了大氣氣溶膠粒子和云粒子的非球形特征,數(shù)值越接近零表示越接近于球形(劉東,2005)。由圖可見1日10：00—18：00,近地面400 m高度內(nèi)的后向散射系數(shù)(圖8a)與消光系數(shù)(圖8c)廓線隨時(shí)間變化呈明顯的帶狀高值區(qū)且高度逐漸降低。從圖8b也可看到同期相應(yīng)高度的退偏比小值區(qū)呈一致的趨勢(shì)變化。此時(shí)段內(nèi)風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)得垂直方向上大氣主要為微弱的下沉運(yùn)動(dòng),下沉速度介于-0.1～0 m·s-1(圖8d)。判斷此時(shí)間段內(nèi)低空的云層在正午后開始逐漸向地面發(fā)展,云底逐漸降低,接地的時(shí)間與地面能見度快速下降的時(shí)間完全一致,低云發(fā)展為霧。1日18：00—22：00,近地層的后向散射與消光系數(shù)廓線高值區(qū)呈現(xiàn)波動(dòng)特征,此階段近地面的能見度也呈現(xiàn)波動(dòng)特征,結(jié)合退偏比廓線,推測(cè)霧頂降低至100 m之下或有零星的低云飄過;1日22：00至2日03：00,后向散射系數(shù)與消光系數(shù)廓線在近地面約100 m范圍相應(yīng)一致出現(xiàn)高值區(qū)域和退偏比的低值區(qū),厚度持續(xù)穩(wěn)定。100 m以上退偏比有所增大,數(shù)值在0.3～0.4,推測(cè)該時(shí)間段內(nèi)100 m以下為霧區(qū)(球形粒子),霧頂覆有顆粒物層(不規(guī)則形狀)。這證明成熟階段的海霧霧頂高度僅為100 m左右。2日05：00之后,后向散射系數(shù)和消光系數(shù)大值區(qū)有所抬升,高度介于200～400 m。此時(shí)段地面能見度快速逐漸抬升?？赏茰y(cè)該時(shí)間段內(nèi)近地面100 m以下的霧開始消散,在200～400 m高度出現(xiàn)明顯的云層。表明2日05：00以后霧不再接地,而是轉(zhuǎn)變?yōu)榈驮啤?/p>

注：激光氣溶膠雷達(dá)起始高度為75 m;圖8a～8c中黑線為信噪比質(zhì)量控制線,黑線以下區(qū)域信噪比高于100。圖8 2021年4月1日09：00至2日09：00翔安站(a～c)氣溶膠激光雷達(dá)(a)后向散射系數(shù),(b)退偏比,(c)消光系數(shù),(d)風(fēng)廓線雷達(dá)垂直速度廓線Fig.8 Time series of (a) backscattering coefficient, (b) depolarization ratio, (c) extinction coefficient measured by aerosol lidar, and (d) vertical velocity of wind profiler at Xiang’an Station from 09：00 BT 1 to 09：00 BT 2 April 2021

4.3 氣海溫差

合適的氣海溫差是平流海霧形成和發(fā)展的重要因素之一(林衛(wèi)華等,2008)。分析海溫和氣海溫差在海霧生消過程中的演變特征。從海溫分布來看,閩南沿海存在一條明顯的冷水帶(圖9等值線)。臺(tái)灣海峽南部近海海域的海溫達(dá)到22℃以上,至北部近海海溫下降至17℃附近,溫差超過5℃,存在明顯的溫度梯度。海上的偏南氣流將南方的暖濕空氣向北輸送至較冷的近海區(qū)域后,暖濕氣流被冷卻。并且,由于海上偏南風(fēng)力較大,至陸地上風(fēng)力逐漸減小,夜間陸上低于2 m·s-1。因此從沿海至陸地存在明顯的風(fēng)速輻合,有利于水汽在海岸帶堆積,在靜穩(wěn)的環(huán)流形勢(shì)下易形成平流霧。從氣海溫差的分布來看,臺(tái)灣海峽西側(cè)基本為正值,氣溫均大于海溫,海洋為冷的下墊面,至海峽東側(cè)逐漸轉(zhuǎn)為負(fù)值,海洋為暖的下墊面。衛(wèi)星反演海霧區(qū)域(圖6)均位于氣海溫差大于零的區(qū)域,也進(jìn)一步證明平流冷卻是臺(tái)灣海峽內(nèi)海霧形成的重要機(jī)制。分時(shí)段來看,1日17：00閩南近海的氣海溫差介于1～3℃;入夜后由于長(zhǎng)波輻射冷卻作用,氣溫逐漸下降,氣海溫差逐漸減小;23：00(海霧發(fā)展階段)閩南近近海的氣海溫差介于0.5～2℃;至2日清晨氣海溫差逐漸減小,海表面的冷卻作用減弱,加上翔安站轉(zhuǎn)為偏西風(fēng),使得海霧逐漸退回到海上,陸地區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榈驮啤?/p>

圖9 2021年4月(a)1日17：00和(b)1日23：00,(c)2日06：00海溫(等值線,單位：℃)、氣海溫差(填色)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢)Fig.9 SST (contour, unit： ℃) and difference in air and sea surface temperatures (colored) and wind (wind vector) at (a) 17：00 BT 1, (b) 23：00 BT 1 and (c) 06：00 BT 2 April 2021

以上多源資料分析表明,在海霧發(fā)生發(fā)展過程中,閩南沿海地區(qū)低云和霧之間存在相互轉(zhuǎn)化的過程。整層一致的偏南氣流和近海冷水帶提供了良好的水汽和降溫條件,使得海峽西岸的低云帶持續(xù)維持。白天由于近地層氣溫較高,以低云為主。傍晚起云頂輻射冷卻作用導(dǎo)致云體上層較冷的空氣下沉,同時(shí)近地層氣溫逐漸下降,低層水汽凝結(jié)使得沿海地區(qū)的低云逐漸降低并發(fā)展為霧。清晨當(dāng)?shù)孛孓D(zhuǎn)為偏西風(fēng)時(shí),沿岸的霧再次轉(zhuǎn)變?yōu)榈驮啤?/p>

4.4 霧的微物理參數(shù)演變特征

基于FM-120型霧滴譜儀測(cè)得的霧滴譜數(shù)據(jù),分析海霧在不同階段的粒子數(shù)濃度、液態(tài)水含量、平均直徑等微物理參數(shù)演變特征(圖10,表2),由于能見度為逐分鐘資料,因此各微物理參數(shù)也均處理成逐分鐘平均。

表2 霧不同階段各微物理參數(shù)特征Table 2 Distribution of micro-physical parameters for different phases of fog event

注：黑色虛線為各階段的分界線。圖10 2021年4月1日17：00至2日06：00(a)能見度,(b)數(shù)濃度(灰線)、液態(tài)水含量(黑線),(c)中值體積直徑(黑線)、平均直徑(灰線)隨時(shí)間的變化Fig.10 Temporal varation of (a) visibility, (b) particle number concentration (grey line) and liquid water content (black line), and (c) median volume diameter (black line), mean diameter (grey line) from 17：00 BT 1 to 07：00 BT 2 April 2021

階段1(初始階段,1日17：01—19：22)的能見度基本呈現(xiàn)波動(dòng)變化特征。粒子數(shù)濃度的平均值為6.0 個(gè)·cm-3,1分鐘平均最大值為11.5 個(gè)·cm-3;液態(tài)水含量量級(jí)約為10-2～10-3g·m-3,其平均值為0.0092 g·m-3,最大值為0.025 g·m-3;中值體積直徑介于15.1～25.9 μm;平均直徑介于7.5～13.6 μm且始終小于中值體積直徑。當(dāng)能見度下降時(shí),各物理量均有不同幅度的增大,其中液態(tài)水含量和粒子數(shù)濃度增大幅度較為一致,中值體積直徑增幅略大于平均直徑增幅。

階段2(1日19：23—22：36)為快速發(fā)展階段,能見度由2000 m以上快速下降至400 m附近。粒子數(shù)濃度和液態(tài)水含量隨之快速增大。此階段平均能見度為357 m,平均粒子數(shù)濃度和液態(tài)水含量相比于第一階段均明顯增大,其中粒子數(shù)濃度平均值增大至43.8 個(gè)·cm-3,最大值達(dá)到85.1 個(gè)·cm-3;平均液態(tài)水含量為0.0341 g·m-3,最大達(dá)到0.0658 g·m-3;中值體積直徑相比于階段1也有所增大,最大達(dá)到29.1 μm,增幅相比于粒子數(shù)濃度等較小;平均直徑相比于階段1反而減小,這是由于此階段小粒子數(shù)量增大幅度更大,導(dǎo)致平均直徑減小。

階段3(1日22：37—05：18)為霧最強(qiáng)時(shí)段,平均能見度為179 m。與之相對(duì)應(yīng)的平均粒子數(shù)濃度和液態(tài)水含量也進(jìn)一步增大。平均粒子數(shù)濃度進(jìn)一步增大至61.7 個(gè)·cm-3,最大達(dá)到132.6 個(gè)·cm-3;平均液態(tài)水含量達(dá)到0.1165 g·m-3,最大值達(dá)到0.7321 g·m-3,均出現(xiàn)在2日04：00前后,這與能見度的最低值對(duì)應(yīng);能見度達(dá)到最低值時(shí),平均直徑也明顯增大,最大達(dá)到了18.8 μm,表明此時(shí)大粒子數(shù)量明顯增多,導(dǎo)致平均直徑明顯增大。分析此階段各微物理參數(shù)特征可知,雖然能見度變化幅度減小,但微物理參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差相較于前兩個(gè)階段卻明顯增大。這是由于海霧以平流霧為主,空間分布的不均勻特征較之內(nèi)陸輻射霧或混合霧更明顯,導(dǎo)致粒子數(shù)濃度等參數(shù)變化幅度更大。

階段4為霧消散階段。隨著能見度的快速上升,除平均直徑以外的各微物理參數(shù)均快速下降。

從整個(gè)過程的平均來看,霧的平均粒子數(shù)濃度為52.4 個(gè)·cm-3,平均液態(tài)水含量為0.084 g·m-3。與其他沿海地區(qū)相比(表3),閩南沿海粒子數(shù)濃度與廣東湛江(Zhao et al, 2013)基本持平,略低于黃海區(qū)域的山東青島(Wang et al, 2020)。雖有沿海地區(qū)各有差異,但整體數(shù)濃度介于40～70 個(gè)·cm-3,量級(jí)變化不大。過程平均液態(tài)水含量均在0.1 g·m-3以下,但閩南沿海相比于上述兩個(gè)地區(qū)較大,這是由于閩南沿海海霧中存在更多的大粒子,平均直徑更大,因此同等濃度情況下液態(tài)水含量更高。與南京(劉端陽等,2009)、重慶(李子華和吳君,1995)等城市區(qū)域相比,閩南沿海的粒子數(shù)濃度明顯偏小、液態(tài)水含量更高,這是由于沿海地區(qū)水汽更加充沛,且受氣溶膠顆粒物影響小。

表3 閩南沿海霧微物理特征量及與其他地區(qū)對(duì)比Table 3 Micro-physical parameters of fog in Xiang’an and the comparison with other areas

從不同階段各區(qū)間的粒子數(shù)濃度分布特征來看(圖11a),階段4(消散階段)整體數(shù)濃度最低,往上依次為階段1(初生階段)、階段2(發(fā)展階段)以及階段3(成熟階段)。從霧滴譜分布特征來看,階段4呈現(xiàn)單峰分布特征,階段1和階段2的雙峰結(jié)構(gòu)逐漸顯現(xiàn)。階段3則是呈現(xiàn)典型的雙峰特征,主峰值為4～5 μm,次峰值位于24～26 μm。這表明不同濃度霧的滴譜分布具有一定的差異。霧強(qiáng)度越強(qiáng),雙峰分布特征就越明顯。但不論何種階段,10 μm以下小粒子的數(shù)量占比均超過75%,表明霧滴的數(shù)濃度主要受小粒子影響。從不同階段的粒子數(shù)濃度對(duì)比來看,階段1所有區(qū)間的平均粒子數(shù)濃度量級(jí)均在100以下,峰值直徑為5～6 μm,對(duì)應(yīng)的數(shù)濃度為0.89 個(gè)·cm-3。階段2各區(qū)間的粒子數(shù)濃度快速增大,峰值直徑為4～5 μm,達(dá)到10.50 個(gè)·cm-3,相比于階段1的峰值直徑濃度增大約11倍。20 μm以上大粒子的數(shù)濃度也有不同程度的增大,增大幅度整體介于3～9倍。階段3(成熟階段)粒子數(shù)濃度在各區(qū)間均為最大,且呈現(xiàn)出雙峰分布特征。主峰值直徑位于第三檔(4～5 μm),其平均數(shù)濃度達(dá)到14.06 個(gè)·cm-3,次峰值位于24～26 μm,峰值粒子數(shù)濃度約為1.1 個(gè)·cm-3。10 μm直徑以內(nèi)的粒子數(shù)濃度合計(jì)達(dá)到44.5 個(gè)·cm-3,占比達(dá)到81.5%。30 μm以上粒子數(shù)濃度快速減小,濃度均在0.5 個(gè)·cm-3以下。階段4除前三個(gè)區(qū)間以外,其余所有區(qū)間粒子數(shù)濃度都在0.1 個(gè)·cm-3以下,表明消散階段粒子數(shù)濃度的量級(jí)會(huì)迅速減小。

圖11 階段1～階段4(a)平均霧滴數(shù)濃度和(b)液態(tài)水含量尺度分布Fig.11 Average distribution of (a) number concentration and (b) liquid water content in Phase one to Phase four

從不同階段各區(qū)間的液態(tài)水含量分布特征來看(圖11b),階段1為單峰分布特征,峰值位于24～26 μm,液態(tài)水含量為0.58 mg·m-3。各區(qū)間的液態(tài)水含量均在1 mg·m-3以下。階段2各區(qū)間液態(tài)水含量均快速增大,并且呈現(xiàn)雙峰特征。主峰位于24～26 μm,其數(shù)值為1.96 mg·m-3,相比于階段1峰值增大約2倍;次峰值位于5～6 μm,為1.06 mg·m-3。階段3與階段2分布特征基本類似,同樣為雙峰分布,且數(shù)值進(jìn)一步增大。主峰值同樣為24～26 μm,其數(shù)值達(dá)到9.37 mg·m-3,是階段2的4.8倍;次峰值(1.16 mg·m-3)也同樣為5～6 μm,增大幅度明顯小于主峰;此階段20～30 μm直徑的粒子對(duì)液態(tài)水含量的貢獻(xiàn)率達(dá)到53.2%。階段4各區(qū)間液態(tài)水含量快速減小,其量級(jí)基本在10-1mg·m-3以下。

深入對(duì)比階段2和階段3粒子數(shù)濃度和液態(tài)水含量的差異。兩者均呈現(xiàn)雙峰分布特征,但峰值分布相反。液態(tài)水含量的主峰位于大粒子端,而數(shù)濃度則位于小粒子端,這主要是由于液態(tài)水含量與粒子直徑的3次方成正比,同時(shí)也表明霧中粒子數(shù)濃度主要受小粒子濃度影響,而液態(tài)水含量主要受20～30 μm直徑粒子影響為主。階段3的粒子數(shù)濃度在所有區(qū)間內(nèi)均在階段2之上,但小粒子端數(shù)濃度差別相對(duì)較小。主峰4～5 μm的數(shù)濃度分別為10.5 個(gè)·cm-3和14.06 個(gè)·cm-3,兩者相差不到50%。但隨著粒子直徑的增大,數(shù)濃度差異逐漸增大,在25 μm附近差異最大,階段3對(duì)應(yīng)的數(shù)值為階段2的4.8倍。液態(tài)水含量的分布也是如此,小粒子端增大幅度較小,20～30 μm增大幅度更大。這表明大粒子數(shù)濃度的增大對(duì)于霧強(qiáng)度的進(jìn)一步增強(qiáng),尤其是加強(qiáng)為強(qiáng)濃霧具有重要作用。

5 結(jié) 論

本文利用自動(dòng)站資料、ERA5再分析資料、葵花8號(hào)高分辨率衛(wèi)星資料、翔安站多源觀測(cè)資料等,分析了2021年4月1日閩南沿海一次大霧過程演變特征、環(huán)流形勢(shì)和垂直結(jié)構(gòu)特征?；贔M-120型霧滴譜儀資料,對(duì)比分析了海霧在不同階段的微物理參數(shù)演變特征。主要結(jié)論如下：

(1)此次大霧主要發(fā)生在一致的西南氣流中,200 m以下低能見度主要出現(xiàn)在沿海地區(qū),為典型的海霧過程。低層至近地面均為反氣旋環(huán)流控制,探空溫濕廓線表明存在近地面逆溫層和濕層,為海霧的發(fā)生發(fā)展提供靜穩(wěn)的環(huán)流形勢(shì)和充沛的水汽條件。

(2)多源資料分析表明,在海霧發(fā)生發(fā)展過程中低云和霧之間存在相互轉(zhuǎn)化的過程。白天以低云為主,傍晚起云頂輻射冷卻作用導(dǎo)致云體上層較冷的空氣下沉,同時(shí)近地層氣溫逐漸下降,低層水汽凝結(jié)使得沿海地區(qū)的低云逐漸降低并發(fā)展為霧。清晨當(dāng)?shù)孛孓D(zhuǎn)為偏西風(fēng)時(shí),霧再次轉(zhuǎn)變?yōu)榈驮?。單純通過衛(wèi)星無法有效區(qū)分霧和低云,但可以結(jié)合氣溶膠激光雷達(dá)共同判定。霧期間氣溶膠激光雷達(dá)測(cè)得的近地層消光系數(shù)達(dá)到3～4 km-1,消光系數(shù)大值區(qū)的厚度與霧的強(qiáng)度演變趨勢(shì)一致,可用于推演霧頂?shù)母叨?。霧的初生和發(fā)展階段厚度相對(duì)較低且波動(dòng)性大,成熟階段霧頂高度約為100 m。

(3)海溫分析表明,臺(tái)灣海峽中部至閩南近海的海溫存在較大的梯度。近海的冷水帶導(dǎo)致氣溫逐漸高于海溫,氣海溫差介于0.5～2℃。霧區(qū)集中在氣溫大于海溫的區(qū)域,海上的偏南氣流將南方的暖濕空氣向北輸送至較冷的近海區(qū)域后,原本相對(duì)飽和的暖濕氣流被冷卻凝結(jié),在靜穩(wěn)的環(huán)流形勢(shì)下易形成平流海霧。

(4)霧滴譜分析表明,本次霧過程平均粒子數(shù)濃度為52.4 個(gè)·cm-3,液態(tài)水含量為0.084 g·m-3。平均直徑為9.4 μm。不同階段粒子數(shù)濃度、液態(tài)水含量等微物理參數(shù)差異較大。初生和消散階段各參數(shù)較小,發(fā)展階段快速增大,成熟階段達(dá)到最大,1分鐘平均粒子數(shù)濃度最大達(dá)到132.6 個(gè)·cm-3,平均液態(tài)水含量達(dá)到0.7321 g·m-3。霧在各階段的粒子數(shù)濃度和液態(tài)水含量譜分布具有較大差異。其中粒子數(shù)濃度在初生、發(fā)展和消散階段以單峰結(jié)構(gòu)為主,峰值直徑為4～6 μm。成熟階段表現(xiàn)為雙峰結(jié)構(gòu)特征,主峰位于4～5 μm,次峰位于24～26 μm。液態(tài)水含量除消散階段外,整體呈現(xiàn)雙峰分布特征,主峰位于24～26 μm,次峰位于5～6 μm,峰值分布與粒子數(shù)濃度相反。這表明霧滴數(shù)濃度受小粒子影響為主,但液態(tài)水含量以20～30 μm 的粒子貢獻(xiàn)最大。發(fā)展和成熟階段譜分布對(duì)比表明,10 μm以下小粒子增加幅度小,而20～30 μm區(qū)間增大幅度較大,因此大粒子數(shù)濃度的增大對(duì)于霧強(qiáng)度的進(jìn)一步增強(qiáng)具有重要作用。