第34卷第3期热带气象学报
JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY
Vol.34,No.3史得道，吴振玲，罗凯，等.2015-04-28渤海海雾形成过程中的海气相互作用分析[J].热带气象学报，2018，34(3):324-331. 文章编号:1004-4965(2018)03-0324-08
2015-04-28渤海海雾形成过程中的海气相互作用分析
史得道1，吴振玲2，罗凯1，左涛1
（1.天津海洋中心气象台，天津300074；2.天津市气象台，天津300074）
摘要：利用FY 和MTSAT 卫星资料、
ERA Interim 再分析资料、黄渤海浮标站资料、黄渤海自动站逐小时观测资料，对发生在2015年4月28—29日的渤海海雾成因进行分析，着重探讨了海雾形成过程中的海气相互作用。结果发现，近海面处大气低层逆温层抬升，大于90%的大湿度区向上、向西扩展，对海雾形成非常有利；海雾生成前、生成发展
过程中存在明显的东到东南风，有利于黄海水汽向渤海输送，海面上空有水汽通量大值区由渤海海峡向渤海中部移动，使得渤海上空水汽输送加强，提供了海雾形成所需的水汽；在海雾形成过程中渤海上空气温高于海温，风切变造成的海气界面湍流热交换为大气输送向海洋，使得冷海面上空暖湿空气降温冷却达到饱和形成海雾，是平流冷却雾。 关键词：渤海海雾；海气相互作用；海气温差；水汽输送；湍流热通量；风切变中图分类号:P732.6
文献标识码:A
Doi ：10.16032/j.issn.1004-4965.2018.03.005
收稿日期:2017-01-03；修订日期:2018-03-30
基金项目：天津市科技兴海项目（KJXH2014-20）；天津市科技计划项目（15ZCZDSF00210）；中国气象局预报预测核心业务发展专项
（CMAHX20160204）共同资助
通讯作者：吴振玲，
女，天津市
人
，研究员级高级工程师，主要从事海洋气象及应用气象研究。E-mail ：bigwiselyyn@yahoo
海雾(sea fog)是在海洋的影响下发生在海上或沿海地区上空低层大气中凝结的水滴或冰晶使大气水平能见度小于1000m 的一种天气现象，受下垫面海洋作用影响较大。海雾发生时造成海面水平能见度较低，对海上渔业、航运、平台作业及沿岸航空、公路交通等造成很大影响，是中国近海需要高度关注的灾害性天气。黄海、渤海是海雾多发海域之一[1]，但近些年来对海雾生成机制以及海洋作用对海雾的影响分析主要集中在黄海海域，关于渤海海雾的研究涉及较少。海雾的形成机制主要是降温和增湿[1]，降温既有暖湿空气与冷海面接触以及风切变引起的湍流混合作用[2]，也有雾顶长波辐射冷却对雾层的降温[3]。增湿主要由于海面蒸发及水汽平流输送。Huang 等[4]发现黄海海雾
形成过程中低纬度水汽输送带来的增湿效应强于局地蒸发，低纬度水汽输送在黄海经海气相互作用产生海雾[5]。且黄海海雾与海温、海蛳气温差及沿
岸流关系密切[6]，数值模拟试验证实海温变化对黄海雾区范围、频次有重要影响[7-9]。渤海是我国海上航运、石油平台作业和渔业捕捞等最繁忙的海域之一，对海雾的关注和研究不容忽视。目前仅有文献[10-11]分析了渤海湾海雾的气候统计特征，并对其成因进行了简单探讨。对于渤海海雾发生发展机理、海洋下垫面对海雾的影响、海雾过程中海洋与大气如何相互作用等研究较少。本文通过对一次发生在渤海的持续时间较长的海雾过程进行详尽分析，研究此次海雾发生发展过程中的低层大气层结特征、海温特征、海面水汽输送及海气交换特征，探讨此次海雾发生发展过程中的海气相互作用，提高对渤海海雾的认识和预报水平提供重要的参考依据。
图1曹妃甸、鸡鸣岛浮标站、渤海A 平台、长岛和
成山头自动站地理
位置
本文所用资料包括：2015年4月27—30日FY-2E 可见光云图资料；日本气象厅MTSAT （Multi-functional Transport Satellite ）卫星红外1通道和4通道亮温资料；ERA （European Centre for Mediu
m-Range Weather Forecasting Reanalysis ）Interim 0.25°×0.25°再分析资料，包含的物理量有海平面气压、地面2m 温度、地面2m 露点温度、10m 风场、海表面温度、高空风场、相对湿度和温度。还利用河北曹妃甸、山东鸡鸣岛浮标站逐小时观测资料，渤海A 平台、长岛、成山头自动站逐小时观测资料，浮标站和自动站地理位置如图1所示。浮标站资料来自中国气象局台风与海洋气象预报中心，自动站资料来自天津市气象信息中心。资料经过质控，可用性较好
。
3.1卫星监测
近年来随着卫星资料时间、空间分辨率的大
幅度提高，为监测海雾提供强有力的工具[12-14]。白
青州仰天山风景区怎么样天利用可见光云图[15-16]，夜间利用红外双通道差值法[16-18]进行海雾监测识别，黄渤海海雾对应的卫星IR4、IR1两红外通道亮温差为-5.5~-2.5℃[17]。
2015年4月28日11时（图2a ），海雾主要位于渤海中部和渤海海峡，呈长条形分布。可见光云图上海雾调呈灰白，纹理光滑均匀无暗影，边界明显，在渤海海峡沿海岸线分布，移动不明显。之后海雾向西扩展到渤海西部（图2b ），范围扩大。29日08时整个渤海海峡、渤海中南部都被雾笼罩（图2c ）。29日夜间，渤海西部、南部海雾开始消散，仅在渤海海峡和渤海中部附近海域存在雾区（图2d ），30日之后雾区逐渐消散。
图22015年4月28日11时（a ）、28日20时（b ）和29日08时（c ）、30日02时（d ）渤海雾区的可见光云图
监测（a 、c ）和双通道差值法监测（b 、d ）
（a ）
（c ）
（b ）（d ）
42N 41N 40N 39N 38N 37N
36N
116E
118E 120E 122E 124E
第3期史得道等：2015-04-28渤海海雾形成过程中的海气相互作用分析325
热带气象学报第34卷
3.2能见度变化
28日05时前后，山东半岛东部成山头站能见度由9km迅速下降到100m，28日白天能见度有所好转，仍小于10km，到23时能见度再度减小到100m。渤海东部长岛站（图3）28日08时能见度为6km，14时减小到1km，一直到29日11时能见度均小于4km，14时增大到8km，但17时又迅速降到200m，29日后半夜能见度好转。渤海西部A平台（图3）28日14时能见度为6km，28日20时为4km，29日08时下降到400m，30日08时增大到15km。可见成山头能见度从28日早上开始减弱，长岛能见度从28日上午开始减弱，A 平台能见度从28日下午开始减弱，表明此次海雾是从东向西慢慢发展。长岛站和A平台27日夜间到28日存在明显的东到东南风（图3），风速在4~8m/s间，有利于渤海上空水汽输送，相对湿度逐渐增大，形成海雾。
图32015年4月27日20时—30日20时长岛（a）、A平台能见度（b，单位：km）和风（c，单位：m/s）
要素的时间变
化
27日20时（图4a）对流层低层湿度基本都小
于80%，28日08时（图4b）低层风场转为东南风，
渤海和渤海海峡上空湿度开始增大。28日14时
（图4c）湿度继续加强，渤海中部和渤海海峡上空
大于90%的大湿度区扩展到925hPa以上，渤海
西部上空湿度也增大，但大于90%的大湿区较浅
薄。随后在偏东风作用下，渤海西部大于90%的大
湿区增厚，形成海雾。在海雾维持期间（图4d），整
个渤海和渤海海峡上空1000hPa附近相对湿度
都均大于95%，渤海中部大湿度区最厚，大于95%
的湿区扩展到925hPa。从温度层结分布来看，27
日渤海上空存在逆温层，但逆温层高度较低，在
975hPa以下。28日08时，逆温层高度抬升至
950hPa，表明大气稳定度在加强，对雾的形成非
常有利[6]。28日14时逆温层继续抬升到925hPa，
有利于对流层低层水汽积聚。低层的水汽积聚和
稳定的大气层结是雾形成和维持的必要条件[19]，
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逆温层和大湿区向上抬升也使得海雾向上发展
。
5.1海气温差
由海上浮标站气温和海温变化显示（图5）可
知，山东鸡鸣岛站27—28日气温呈下降趋势，因
海温变化幅度小，海气温差（气温减海温，下同）也
逐渐减小。该站点距成山头较近，在28日早上形
成海雾时，海气温差在3~4℃之间。成雾以后，
28—29日的气温和海气温差变化幅度都减小，趋
势仍是缓慢降低，海气温差最低在-1℃左右。海（a）（b）
（c）
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长岛
A平台
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长岛A平台
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第3期史得道等：2015-04-28渤海海雾形成过程中的海气相互作用分析雾维持时海气温差基本维持在3℃以内。河北曹妃甸浮标站因位于渤海西部，成雾时间晚，27—29日气温和海气温差不断下降，大气降温冷却，水汽凝结湿度增大。海雾出现时海气温差也在3℃以内，最低不小于-1℃。30日凌晨以后气温逐渐回升，海气温差随之增大，海雾逐渐消散。此次渤海
海雾范围与海气温差小于3℃、近海面相对湿度大于90%区域对应较好，与黄彬等[6]统计分析结果一致。在海雾形成及维持的大部分时间内，气温大于海温且气温逐渐降低使得海气温差逐渐减小，对海雾形成发展有利[6-7]。
图42015年4月27日20时（a ）、28日08时（b ）、28日14时（c ）、29日02时（d ）的相对湿度（阴影，>80%）、
温度（等值线，单位：℃）和风场沿38.5毅N 剖面
图52015年4月27日08时—30日20时鸡鸣岛（a ）、曹妃甸浮标站（b ）的气温（虚线）、海温（点线）、
海气温差（实线）变化
单位：℃。
5.2黄海水汽输送
在海雾生成发展过程中，黄渤海受东到东南
风影响，有利于黄海上空水汽向渤海输送。27日20时渤海和渤海海峡对流层低层为明显的偏南向
水汽输送，水汽通量大值区在渤海海峡上空，但渤海上空水汽输送也比较可观。28日08时（图6a ），对流层低层风向逆转为东南风，水汽通量大值中心仍在渤海海峡上空，同时渤海上空也有一定的
（a ）
（b ）
（a ）
（b ）
（c ）（d ）
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曹妃甸
鸡鸣岛
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东到东南向水汽输送，但强度小于海峡，这也有利于渤海海峡比渤海优先形成海雾。之后水汽通量大值中心向西移动，由渤海海峡移动到渤海中部（图6b ），渤海上空水汽输送明显加强，从而使得渤海上空高湿区厚度和范围都加强，对海雾形成非
常有利。从975hPa 水汽通量空间分布（图6c ）也可以发现，黄海中部上空有水汽通量大值中心，来自黄海的水汽在东南风作用下输送到渤海海峡，然后在偏东风作用下输送进入渤海中西部，在当地边界层经海气相互作用形成海雾[5]。
杭州好玩的旅游景点图62015年4月28日08时（a ）、20时（b ）沿38.5毅N 水汽通量剖面和28日08时975hPa
水汽通量空间分布（c ）
单位：g/(m ·hPa ·s)。
5.3海气交换特征
当海面饱和水汽压大于实际大气水汽压时，
就可以引起海水蒸发[1]。27日黄海、渤海海峡、渤海大部分海域的海面饱和水汽压与实际大气水汽压之差大于0，可引起海面蒸发，但随后28—29日在海雾生成、发展、维持过程中，黄渤海海面饱和水汽压与实际大气水汽压之差都小于0，海面蒸发被抑制，不能对海雾的形成提供水汽，水汽来源基本都来自黄海平流输送。
为探讨海雾过程中的降温效应以及渤海与大气之间的湍流热交换，利用块体法[20-23]计算了渤海海气界面处的湍流热通量，其中感热通量主要由于海气温差引起的海洋大气之间热输送，潜热通量主要由于海水蒸发引起的热输送。感热通量和潜热通量的计算公式分别为：
Q s =ρc p c h （T s -T a ）u 10（1）Q l =ρLc e （q s -q a
）u 10（2）
式中，ρ为空气密度，c p 为空气定压比热，c h 为热量交换系数，c e 为水汽交换系数，L 为水汽的蒸发潜热，T s 为海表面温度，T a 为2m 处气温，q s 为海气界面处空气比湿，q a 为2m 处空气比湿，u 10为10m 处水平风速。
由于海水蒸发被抑制，此次海雾过程中潜热通量由大气向海洋输送。同时在海雾形成、发展、维持过程中，海气温差也基本大于0，感热通量也是由大气向海洋输送。使得在湍流作用下低层大
气与海洋之间热交换为大气失去热量（图7a~7c ），温度降低，冷却达到饱和。并且净湍流热通量变化与感热通量变化较一致，说明在海面蒸发被抑制的情况下，感热通量占据主导。当气温高于海温时，空气向海面输送的感热交换居主要地位，从而促使平流到海面的暖空气冷却凝结成雾，称为平流冷却雾[1,24-25]。
合适的湍流强度是海雾形成和维持的必要条件[26-27]，而湍流混合是由海面上空水平风垂直切变引起的[4]。从渤海海面上空925hPa 以下水平风垂直切变（图7d~7f ）来看，27日风切变基本大于5m/s ，湍流混合明显。28日白天风切变减小到5m/s 以下，到29日08时风切变继续减小，基本小于2m/s 。风切变的减小意味着海气界面之间湍流混合强度减弱，有利于雾的维持发展[28]。从27日夜间
到29日，渤海海气界面间净湍流热通量绝对值也是由大变小的，与垂直风切变变化一致。说明渤海上空通过湍流交换由大气向下输送的热量由多变少，使得气温逐渐下降，水汽凝结。此次海雾形成的冷
却机制为海气间湍流热量输送[29]。
由此可见，在此次海雾形成发展过程中，存在明显的海气相互作用（图8），由于气温高于海温，海面蒸发被抑制，黄海海面水汽输送提供了海雾形成必要的暖湿空气；稳定层结中渤海上空偏东风的垂直切变造成的近海面湍流混合使大气热量向海洋输送，暖气团逐渐降温冷却形成海雾。
（a ）
（b ）
（c ）
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36N 34N 32N陵川王莽岭景区
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