渤海中西部近海与沿岸海雾的特征分析
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第33卷第6期 2016年12月 DOI:10.11737 ̄.issn.1003—0239.2016.06.009 海 洋 预 报 Vo1.33,NO.6 Dec.2016 MARINE FORECASTS 渤海中西部近海与沿岸海雾的特征分析 郑怡 ,李冉 ,史得道。,王亚男 ,孙蜜娜 (1.山东省气象台,山东济南250000;2.中国气象局,北京100081;3.天津市气象台,天津300074) 摘要:利用2004--2012年渤海湾埕北油田A平台的气象水文观测资料以及塘沽、秦皇岛、兴城 和龙口4个环渤海沿岸观测站的常规观测资料进行统计分析,得出渤海中西部海雾的气候特征及 影响因子,9J-纳了天气系统模型,并给出了相关气象要素的定量化指标。结果表明:渤海海雾年际 变化明显,其中2005年出现频次最少,2007年最多,不同海区海雾月际变化特征有所差异,但都存 在冬季高发期,且海雾高发期受到温度空间分布的影 ,08时海雾出现频次最多,其日变化特征受 太阳辐射和海陆差异影响;依据高低空环流形势和地面主要影响系统,将渤海海雾发生时的天气 形势分为均压场型,倒槽冷锋型,低压场型和高压场型4种并分别给出概念模型,各海区均压场型 出现概率最高,渤海湾和莱州湾海区倒槽冷锋型次之,辽东湾海区低压场型占比第二;渤海海雾在 海气温差正负时皆可出现且差值多在2℃以内,总体盛行风向特征不显著,这些特征与黄海海雾预 报差异较大;此外,沿岸相对湿度达到90%以上,近海相对湿度达到80%以上,风速在0—3级之间, 低层大气存在逆温层时,有利于渤海海雾的生成和发展。 关键词:渤海中西部;海雾;统计特征;天气系统模型 中图分类号:P732.2文献标识码:A 文章编号:1003.0239(2016)06.0074.07 1 引言 海雾是指受海洋的影响发生在海上或沿海地 区低层大气中的凝结现象,是悬浮在大气边界层内 大量水滴或冰晶使大气水平能见度小于1 km的天 往往不被作为我国近海海雾特征的代表口 ,相关研 究也相对较少。邬正明 曾利用船舶航海日志和地 面天气图进行统计,发现渤海及其口外的海雾雾日 主要集中于3—7月,尤以7月为多,8月顿少,9—11 月为贫雾季节。吴晓京等 利用20 a卫星遥感资料 气现象u 。其发生严重危害近海港口作业、电力输 送和海上交通运输等,尤其给船舶航行带来巨大安 对黄、渤海海雾分布的季节特征进行了分析,发现 黄、渤海海域存在冬季海雾多发时段。曲平等u 利 用埕北油田A平台数据对渤海湾海雾进行了统计 分析,发现A平台雾日数在春、夏和秋季具有明显 的海洋性特征,冬季受陆地影响较大,平流蒸发雾多 全隐患。据舟山海事局统计,在近200次海上船舶 碰撞、触礁等海难事故中,有70%左右主要是由海 雾引起的[2]。 我国毗邻的4个海区皆有海雾发生,以黄海最 为多发 ,目前已有的研究也多针对该海区,学者们 于平流冷却雾,且在平流冷却雾中海面蒸发作用仍 存在。另有一些预报工作者对辽东湾、渤海湾等局 地海雾特征及生消机理进行了分析,任志军等 利 用A平台及塘沽站数据对天津港区雾发生的时间 变化规则进行了分析,王玉国等 利用辽东湾西岸 海岛气象站观测资料统计分析了海雾的季节和日 利用各种先进的观测手段和数值模拟、数据同化等 技术方法在黄海海雾的气候特征、天气背景、边界 层结构及微物理特征等方面进行了大量研究 ”。 渤海海雾因其发生频次相对较低且雾区面积较小, 收稿日期:2015—10—16 基金项目:中国气象局气象关键技术集成与应用(重点)项目(CMAGJ2013Z02);山东省气象局气象科学技术研究项目(2010sdqxz01)。 作者简介:郑怡(1988一),女,工程师,硕士,主要从事天气预报技术和方法研究T作。Email:zhengyi316@163.corn 6 1Jij 等:渤海 { 两部近海与}f 池雾的特 分析 变化特 及影响海雾的水文气象I大1子~ 渤海 而环陆,是我同重要的经济丌发区,毗 邻多港u,海上交通运输繁忙,海雾的预报准确率 接与什会经济活动及航运安全联系在一起,冈此 埘渤海海雾的研究具有重要意义一作为 封闭的 内陆浅海,典地理位置和水义特征使该海域海雾类 、成 更为复杂 ,预报难度也更大 目前渤海海 雾的研究多针对渤海海峡区域或选择单一站点进 仃分析,代表性不强F1 对渤海巾西部海 关注较 少 此,本文希望通过对渤海中两部海 海雾的 气候特征、天气形势及边界层特fiF_等进行分析,以 为渤海海雾预报提供一些有益参考 2 资料和方法 对于样本的选取涉及刮海雾的界定,日前刈’于 海雾的界定有两种:海上生成的雾和海 }1现的 雾 对于海雾形成的做物理过程而言,选取海上生 成的雾更能反映 }I下垫面条件的作用,而对于预报 1 作 言,所有海 }{现的低能见度现象都会对牛 产交通造成影响 因此,针对 艾研究口的,本文 选取能见度小于1 km的站次作为样本标准,时间范 图1站点地理位置示意图 表1分析站点信息 『韦1为2004年1月1口一2012年6月31 H,选取环渤 海的5个站点,各站点经纬度信息及地 f 置分仿 见表1和罔l,其中54646石油甲 站为海上观测 站,其它4个站均为沿岸观测站 经统计,此时段内共有160次溉雾过程,65l站 次 现海雾 其巾一次海雾过程的定义为12 h内 有两个或以r:测站m现能 度小J:1 kin的现象 将能见度低于50 m定义为强浓雾;50—5()()WI定义 为浓雾;5 0()一l000 11"1定义为雾进f 统汁 lIJ‘发现 出现雾和浓雾的慨卒郜达到45%以上(见表2),说 明渤海中两部近海及沿岸受海雾影响较为 m,×lf 陔海域海雾进行研究具有必 性 3 渤海中西部海雾的气候变化特征 根据发生的频率及变化规律刈’海雾的气候特 征进行分析 从海雾的年际变化(见 2)巾nJ‘以行 到,A平俞和沿岸站次的变化趋势一致,8 a I'HJ以 2005年雾同数最少,2007年雾同数最多,年际变化 较大 这种现象的原冈周发砺等做了 ¨的研究, —— 一 一… ;。 IIl ————A、} 图2海雾日数的年际变化 表2出雾站次的统计 76 海 洋 预 报 33卷 — -兴城— ・秦 岛—-。・龙门一—一A平台 图3海雾次数的月际变化 指出这与东亚大槽的位置有关,雾日多的年份东亚 大槽位置偏西,雾日少的年份东亚大槽偏东 。 分析海雾的月际变化(见图3),兴城和A平台 两站都存在3个海雾多发期,分别为2月、6—7月和 l0月,且其他两站在l2—2月间也都存在海雾多发 期,这与吴晓京等㈣通过卫星遥感分析得到的渤海 海雾在冬季存在高发期结论一致。此外,6—7月间 A平台先出现海雾高发期,而秋冬季节兴城站先出 现海雾高发期,这与温度月际变化的空间规律相一 致,兴城站地理位置偏北,夏季升温较晚冬季降温 较早。秦皇岛站海雾频发于2月和10月,时间与兴 城一样;而龙口站较其他各站雾日数整体偏少,雾 日数最多的月份为12月,与A平台一致。 从海雾的日变化(见图4)中可以看出08时是雾 生成概率最大的时次,这与太阳辐射有关,夜间气 温降低利于水汽凝结成雾。且图中也可看出沿岸 站点的日变化幅度远大于A平台日变化幅度,这是 由于海雾的日变化还受到当地海陆分布和局地环 流影响,越靠近海岸处陆地特征越明显,因此沿岸 站点日变化特征更为显著。 4 沿岸与近海海雾的天气形势及气 象要素特征 4.1天气形势的分类及概念模型 海雾的发生离不开大尺度环流形势,作为一种 静稳天气背景下的天气过程,海雾主要发生于边界 层内,与地面天气系统联系紧密。因此,对所选时 时刻 口A平俞 沿岸站点 图4海雾的日变化 段内海雾过程对应的天气形势进行了细致分析,并 依据其地面影响系统,将其分为以下4种:均压场 型,倒槽冷锋型,低压场型和高压场型。 接下来分别给出4种天气形势的概念模型(见 图5,包括地面形势及高空形势)。其中:均压场型 的地面气压场较弱,无确定风向,配合高空西北或 西北偏西气流,天空状况良好,利于辐射降温成 雾;倒槽冷锋型地面多为偏东风控制,海区位于东 北气旋前面,有弱的辐合上升运动,但冷锋伴随的 冷空气不利于此种形势下雾区维持;高压场型位 于地面变形高压系统内,高压深厚,利于冷空气辐 射到暖洋面上使水汽凝结成雾;低压场型位于地 面低压系统底部,925 hPa多伴随弱脊,低层的暖平 流有利于逆温的形成,为成雾和雾区维持提供有 利条件。 根据以上概念模型对海雾过程进行统计(见表 3)可以看出:渤海湾海区海雾以均压场型和倒槽冷 锋型为主;辽东湾海区均压场型概率最高,其次为 低压场型;莱州湾同样以均压场型为主,倒槽冷锋 型次之。对比黄彬等提出的黄海海雾的环流类型: 冷锋型、均压场型和高压后部型,其中冷锋型占比 最高达50%,而均压场型占比最少 。渤海海雾却 以均压场型占比最高,这应该与黄、渤海海雾的成 雾机理有关,黄海海雾以平流冷却雾为主,各类天 气形势多有利于暖湿空气向北方冷海面输送。而 渤海作为我国海域最北方的三面环陆的内海,海雾 类型以平流蒸发雾为主,其次为平流冷却雾 ,且 受陆地影响更为显著,因此其均压场类型占比较 高。 6期 郑怡等:渤海中西部近海与沿岸海雾的特征分析 a均J}i场 地m b均 场) 高空 C倒榴冷锋, 地m d倒褙冷锋} 商空 e高 场, 地㈨ f高 场 高空 g低 场’ 地曲f h低 场 高空 图5不同气压场型天气形势 78 海 洋 预 报 33卷 表3渤海分区域地面形势所占比例 城沽捣口 删靼舡 表5出雾时近海与沿岸的风速范围 风速/(m/s) " 次数(概率) A平台 0 沿岸站点 45(9_3%) 2l0(43.2% 144(29.6% 8 26(16.O%) 27(16.7%) 6 9 3 ●m 。 30(18.5%) 概率/% 勰 4 区域—— 东南 南 西南 西 西北 北 东北 东 4.2风向风速条件 。 : 4 m 特定的风向和适度的风速是海雾生成和维持 的重要因素。从表4中可以看到:兴城站在海雾发 生期间出现南风概率最高,为37.3%,塘沽站以北风 和东风概率最高,分别为28.4%和24.6%,秦皇岛站 出现西风一北风最多,合计74.4%,而龙口站各风向 差异不明显。对比黄海海域,黄海北部成雾风向以 东一东南风为主,比例达57.9%,西部成雾东南一南风 5 比率达64.9%,东部成雾风向多为南一西南风,比率 为74.2%t 。可以看出渤海中西部各海区海雾发生 6 O 0 O O时盛行风向与黄海海雾有较大区别,渤海各海区海 雾多发生于均压场内,风向不确定性较强,偏南风 高概率在渤海海区表现并不明显,仅塘沽站对应的 辽东湾海区南风概率较高,这可能与该海区海雾发 生时低压场形势占比较高有关。 表5对比了A平台和沿岸站出雾时风速,可以 看出沿岸站风速集中在0—3 m/s,占92.6%。A平台 风速集中于2—6 m/s,占77.1%。两者风速都在0— 3级范围内,这与已有的研究结论是相一致的u ,沿 岸站点的风速小于A平台,也符合实际观测。 4.3温湿条件 分析出雾时湿度(见表6)可以看到:A平台出 雾时相对湿度在80%一95%之间占93%,而沿岸站 19(11.7%) 0 23(14.2%) l2 l2 1 注:只统计了主要占比区间的百分比 表6出雾时相对湿度分布情况 表7 A平台海气温差分布情况 点集中在90%--100%,占总数的97%。具体原因可 能是因为海洋上的海盐气溶胶数量较多,海盐气溶 胶具有很强的吸湿性,导致成雾时海上能见度比陆 地低 ]。 一定的海气温差是海上形成雾的重要条件之 一,利用NCEP/NCAR再分析资料,统计了渤海A平 台站点距海面2 m处气温和海表面温度的差值。A 平台在该时段内有165时次能见度小于1 km,其中 海气温差为正(海温大于2 m气温,蒸发雾)的时次 有80次,海气温差为负(2 m气温大于海温,冷却雾) 的时次有85次(见表7),两者比较接近。海上A平 台出雾时海气温差绝对值主要在O一2℃范围内,占 到81.8%(0一l℃范围内占60%,l一2℃占21.8%)。 4.4大气层结条件 雾的形成与当地的层结稳定度关系紧密u’ ,经 ¨ O 6期 郑怡等:渤海中西部近海与沿岸海雾的特征分析 79 过统计,环渤海5个观测站点在08和2O时出雾且地 面高空资料齐全的309站次中:1 000 hPa和地面 之间存在逆温的有201站次(65.1%),925 hPa和 1 000 hPa之间存在逆温的有122站次(39.5%), 850 hPa和925 hPa之间存在逆温的有24站次。 850 hPa以下存在逆温的共有246站次,约占 79.6%。因此,存在逆温的稳定大气层结是海雾发 生维持的有利因子。 5 结论 通过对2004--2012年渤海沿岸及近岸海雾的 时空分布特征、环流形势及相关水文气象要素的统 计和分析,可以得到以下主要结论: (1)2004--2012年间,渤海海雾年际变化明显, 其中2005年出现频次最少,2007年最多;不同海区 海雾月际变化特征有所差异,但都存在冬季高发 期,且海雾高发期受到温度空间分布的影响;08时 海雾出现频次最多,其日变化特征受太阳辐射和海 陆差异影响; (2)天气系统是气象要素的综合体现,依据高 低空环流形势和地面主要影响系统,将渤海海雾天 气形势分为均压场型,倒槽冷锋型,低压场型和高 压场型4种,并分别给出概念模型。其中各海区均 以均压场型占比重最大,渤海湾和莱州湾海区倒槽 冷锋型其次,辽东湾海区低压场型占比重第二; (3)渤海海雾总体风向特征不明显,且在海气 温差正负时皆可出现,海气温度差值多在2 以内, 这些特征与黄海海雾预报差异较大; (4)出雾时风速大都集中在0—3级,近海的风 速略高于沿岸;相对湿度多数在80%以上,并且近 海的湿度低于沿岸站点;海气温差主要范围为一1— 1℃;850 hPa以下存在逆温占到79.6%。 通过以上分析得到了渤海海雾发生的气象要 素的定量化指标,能够为预报提供有效的参考,同 时对比得到了发生海雾时近海和沿岸站点的差 异。但因渤海特殊的地理位置和水文要素特征分 布,其海雾类型及生成机制与黄海海雾有所差异, 希望在今后的工作中对渤海海雾进行分类统计,进 一步探讨不同种类海雾的生消机理和微物理特征。 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The highest requency ftime of sea fog occurrence is at 08:00am,and the daily variation characteristic is affected by the solar radiation.The synoptic siuattions under the sea fog process can be divided into four patterns,which are uniform pressure field,trough and cold front,low pressure field and high pressure field,and the four kinds of conceptual model are summarized.The uniform pressure field accounted for the largest proportion,the second proportion which in Bohai Bay and Laizhou Bay is the trough cold front,the second proportion which in Liaodong Bay iS the lOW pressure field.The statistics about the meteorological condition suitable for Sea Fog occurrence is given,such as wind direction and speed,temperature and humidity conditions,and the stability of atmospheric stratiifcation,which can provide effective reference orf the sea og fforecast. Key words:the mid—west Bohai Sea;sea fog;statistical characteristics;synoptic pattems