王锐，刘彬贤

（天津市气象局天津海洋中心气象台，天津300074）

1 引言

海雾发生于海上及沿海地区的低层大气中，是由水汽凝结导致海上水平能见度低于1 km的天气现象[1-3]。黄渤海是中国近海发生海雾最频繁的海域之一，海雾直接威胁到海上作业的安全。海雾以平流冷却雾最为常见，是指暖湿空气移动至冷海面凝结成雾[4]。大气的环流形势与边界层内温湿结构对海雾的生消有重要作用[5-6]。海雾在冷空气活动频繁的春冬季频发，上游的冷空气补充到海面上空，亦能促进暖湿空气冷却凝结成雾[3]。受北部长白山脉阻挡，渤海海面率先受到回流弱冷空气的影响，利于海上大气边界层低层形成适宜的海气温差，促进海雾的形成与发展[7]。

由于海雾发生的广阔海域中缺少观测信息，并且形成条件十分复杂，单纯利用观测手段和统计方法不能实现对海雾的准确预报，为了将这些复杂的因素引入到海雾的研究中，数值模拟逐渐成为海雾研究和预报的主要手段[8-9]。本文基于天气预报模式（Weather Research and Forecasting model，WRF）和cycling-3DVar同化方案[10-11]，对2020年3月一次受冷空气影响的海雾个例进行研究。此次海雾过程的特点在于，海雾发生前没有足够的湿度条件，海平面气压稳定，上游高空槽东移引导冷空气侵入低层，冷空气前沿受渤海北部陆地山脉阻挡，低层冷空气沿山脉南下，使渤海海面受弱偏北气流控制。弱冷空气使得边界层内的温度降低，高层温度偏高，有利于形成逆温结构，同时冷空气促进水汽冷却凝结。当海雾发生时，低层开始有西南向气流输送水汽，配合低层的降温过程，符合平流冷却雾的生成机制[12]。此次海雾发生前，影响渤海低层的弱冷空气是导致成雾的重要因素，本工作为冷空气发生前的海雾预报研究提供参考。

2 天气背景分析

2020年3月7—8日在黄渤海发生了一次大范围海雾过程，夜间海雾的演变是根据Wang等[13]提出的反演方法，利用HMW-8红外通道数据反演得到。8日08时（北京时，下同），卫星俯拍到渤海和黄海大部分海区被海雾和高云的结合云体覆盖，云体西侧边界清晰，与海岸线走向吻合，云体形态考虑为海雾；随后南部及北部雾区逐渐消散，主体呈东北西南向带状分布；夜间雾区大面积消散，零散分布于山东半岛附近，21时海上雾区基本消散（见图1a）。

图1 海雾雾区与水平能见度观测

为证实高云覆盖之下低层有海雾生成，利用地面及海上自动站水平能见度观测数据（见图1b），能见度在5 km以下（轻雾和雾）的范围与可见光云图的云体分布吻合。渤海湾云体较厚，渤海A平台及塘沽站全天能见度均在2 km以下，个别时段小于1 km（见图1c），达到了海雾标准；午后雾区向黄海北部扩散，大连与丹东站能见度迅速降至10 km以下，达到轻雾级别。结合卫星和地面能见度观测资料，此次海雾过程覆盖渤海及黄海北部海域，与陆地雾相连呈东北西南走向，海雾在渤海湾浓度较大，雾区自西向东发展扩散。

从天气形势上看（图略），500 hPa高空槽移至贝加尔湖附近，上游偏西气流引导冷空气东移，山东半岛有高空浅槽；700 hPa在渤海上空出现冷舌，环流形势稳定，受上游偏北气流影响，为该层补充弱冷空气；850 hPa渤海上空受反气旋式环流控制，利于低层水汽辐合，在冷舌配合下，渤海—山东半岛的温度露点差＜3℃，水汽凝结显著，上游温度梯度密集，海上降温过程将持续，降温增湿过程得到稳定维持，利于海雾发展。

地面形势场中，7日08时地面高压位于渤海西北部，渤海海面位于东西两高压之间的低压带，水汽从黄海向北输送，同时受冷空气回流影响，渤海北部风向转为东北风，低层温度降低；20时海面风力较弱，南部以偏南气流为主输送水汽；8日08时受黄海北部高压控制，海面温度降低，利于逆温结构的形成[14]，东北气流与偏南气流沿高压边缘在山东半岛南侧汇合，利于水汽凝结，导致海雾在该海域稳定维持。

3 温湿特征分析

3.1 降温增湿

3月气温逐渐回暖，但海表面温度依然低于气温，海温整体呈由南向北梯度递减。当暖空气遇到冷海面，会利于水汽的冷却凝结。宋亚娟[15]对北太平洋海雾发生频率的气候学特征研究表明，黄海海表温度与大气温度的差值在-2～1℃是成雾的海气温差适宜条件，温度差值太大，水汽不易达到饱和凝结成雾。

7日08时是此次海雾过程的初始阶段（见图2a），海面开始受回流冷空气影响，渤海海域海气温差在-5℃以上，过低的温差不利于水汽凝结，黄海北部及中部海区海气温差满足-2～1℃的条件，此时雾区主体发生于黄海海面；8日08时（见图2b），冷空气使海面温度降低，渤海北部海气温差减小至-2℃左右，相比7日更利于水汽凝结，黄海海面仍然保持良好的温差条件，此时海雾雾区覆盖黄海大部及渤海海域，符合观测事实。

图2 海气温差分布（AB线代表沿纬向做垂直剖面的位置）该图基于审图号为GS（2020）4630号的图层制作，底图无修改

8日08—20时，受回流冷空气影响，2 m气温由南向北梯度递减，08时渤海北部温度在2℃左右（见图3 a），低温利于水汽凝结，同时强迫海温，降低下垫面温度，促进偏南暖湿气流输送至低温区冷却，利于海雾的发展。午后，随太阳辐射增强，气温略有升高，海面上空最低温度升至6℃左右，仍维持北冷南暖分布，海面蒸发作用增加空气湿度，同时偏南风力增加，水汽输送强烈，使得雾区得以维持。夜间，海面温度整体降低，温度梯度不大，偏南气流输送强度减弱，凝结条件减弱，导致海雾逐渐消散。

图3 8日08—20时温度、风、湿度和变压（从左到右依次为08时、11时、17时和20时）

8日08时（见图3 b），海面受高压控制，偏南风为海面输送暖湿空气，相对湿度整体较高，黄海北部及东南沿海相对湿度达到99%以上，低层大气接近饱和，与观测事实主体雾区位置对应，同时该海区低层出现3 h变压正值区，降温作用显著，利于水汽凝结成雾。午后受太阳辐射影响，低层相对湿度降低，3 h变压强度减弱，仅黄海北部海区降温作用得以维持，对应观测事实雾区逐渐消散。夜间随着气温降低，3 h变压增强，但低层相对湿度最高仅在90%左右，不足以使雾区进一步发展。

3.2 水汽条件

1 000 hPa水汽通量与水汽通量散度表明，8日08时（见图4 a），水汽在渤海中部、黄海中部及黄海南部辐合效果明显，与该时刻相对湿度大值区一致；14时（见图4 b），水汽辐合区在黄海北部、山东半岛及黄海南部沿岸三点一线，与观测雾区东北西南的带状分布吻合；夜间水汽辐合区整体减小，海面水汽条件减弱，不利于雾区进一步发展。受低层冷空气的影响，低层海面以偏北风为主，整个过程的南向水汽输送表现不佳，结合湿度分析，海面上空水汽含量充沛，输送作用不是主要因素。

图4 8日1 000 hPa水汽通量（箭头矢量，单位:g（/hPa·cm·s））与水汽通量散度（填色，单位：10-5 g（/hPa·cm2·s））分布该图基于审图号为GS（2020）4630号的图层制作，底图无修改

4 海温敏感性试验

4.1 模式数据

（1）利用美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）提供的FNL（Final Reanalysis Data）再分析数据生成WRF模式的背景场和侧边界条件，模式底边界条件利用0.25°×0.25°的日平均海温数据（North-East Asian Regional Global Ocean Observing System，NEARGOOS，网址：http://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2）。

（2）将常规地面和探空观测数据用于同化过程。基于HMW-8卫星红外通道数据反演海雾雾区，并进行雾区预报准确率评分（网址：http://222.195.136.24）。

4.2 模式设置

模拟过程均采用2层嵌套区域（图略），投影方式为兰伯特投影，区域中心为（37.5 °N，120.5 °E），模拟大区分辨率为30 km，嵌套区与分辨率为10 km，格点数分别为130×151与91×91，模式垂直分为44层，时间步长为180 s，边界层方案为YSU方案，积云对流方案为Kain-Fritsch方案，微物理方案为PLin方案，辐射方案分别为RRTMG长波辐射方案和Dudhia短波方案，背景误差方案为CV5。

同化过程采用高山红等[10-11]提出的cycling-3DVar同化方案，为模式提供更高质量的初始场。

3.实行开放式教学，做到既要“走出去”，又要“请进来”，组织学生观摩英语教育硕士举办的仿真教学活动，到附属中小学听课、上课和指导中小学生开展口语训练、举办英语角、英语讲演比赛等活动，将课程的学习与大、中学的英语教学实际衔接互动，进行教改创新，同时把教学实习纳入到教学中来，让英语开放式教学在大学、中学、小学等不同教学阶段都得到实现。

4.3 试验设计

基于WRF模式与cycling-3DVar同化方案，利用FNL再分析数据生成模式背景场，同化常规地面和探空观测数据。将雾区模拟结果（见图5a）与观测事实对比，在模拟初始时刻，雾区形态与观测相似，主体覆盖渤海海区，南部延伸至东南沿海，渤海北部雾顶高度大于400 m；午后雾区范围逐渐减小，雾区北部和东部边界整齐，与观测事实相吻合，北部雾顶高度逐渐降低；夜间雾区主体形态稳定，渤海东北部和山东半岛陆地雾区进一步发展，雾顶高度在400 m以上。

从该模拟效果分析，虽然雾区主体形态与观测接近，且大致模拟出了雾区消散的的过程，但在初始时刻沿岸陆地产生了大片的虚假雾区，模拟后期雾区再次发展，与观测事实相悖。为分析回流冷空气强度对雾区模拟效果的影响，将冷空气强度作为海表面气温的影响因子，对模式背景场2 m气温（后简称“气温”）值进行敏感性试验，详见表1。

表1 海温敏感性试验

4.4 模拟结果分析

4组敏感性试验的雾区形态（见图5b—e）与Exp-1有显著差别，试验中气温降低的幅度代表冷空气的强弱。Exp-T-2（见图5b）的雾区范围和雾顶高度在整个时段都显著增大，虚假雾区过大且未能模拟出雾区的真实形状；Exp-T-4（见图5c）气温降低4℃后，雾区范围明显缩小，初始时刻雾区分布在渤海湾和黄海中部沿岸地区，随后南部雾区消失，仅有北部雾区维持发展，虽然初始时刻雾区位置与相对湿度大值区和水汽输送区域一致，但后期雾区模拟结果的范围过小，漏报明显；Exp-T-6（见图5d）初始时刻很好地模拟出了雾区的真实形态，且雾顶高度大值区与观测事实较为吻合，随着降温强度的增大，使水汽充足区域的雾体更厚，且并未造成过多的虚假雾区，但后期未模拟出雾区消散的过程；Exp-T-8（见图5e）的降温强度最大，海雾的范围随之显著扩大，其中雾区高度并无显著差异。

进行直观分析后，利用客观统计评分方法，选取本次海雾覆盖区域，将观测与模拟的雾区离散到该区域内的网格点上，对两者进行逐点统计评分，评估雾区模拟效果的优劣。利用HMW-8卫星红外4-1通道数据，根据Wang等[13]设计的海雾反演方法得到观测雾区，模拟雾区为WRF模拟结果中模式最底层云水含量≥0.016 g/kg的区域，同时效仿卫星鸟瞰方式，将雾顶高度定义为从高至低云水含量≥0.016 g/kg[10]且高度低于400 m的位置[16]。在雾区统计评分的区域内（与图5雾区模拟结果的范围相同，已将海上及陆地被高云覆盖的区域剔除），将全部模拟时次的观测雾区和模拟雾区插值到相同的网格（0.1°×0.1°）上进行比较，取平均值。

图5 数值试验的海雾雾区模拟结果（从左至右依次为08时、11时、14时、17时、21时和23时；填色为雾顶高度水平分布；蓝色实线表示10 m高度云水混合比为0.016 g/kg的等值线）该图基于审图号为GS（2020）4630号的图层制作，底图无修改

本文利用4个指标评估雾区模拟效果：击中率（Probability of detection，POD）代表准确模拟雾区占真实雾区的比例，POD=1代表模拟雾区完全与真实观测吻合；正报率（Success Ratio，SR）表示雾区模拟准确的格点数占全部雾区模拟结果的比例；偏差率（Bias）代表真实雾区与模拟雾区格点数之比，结果越接近1越好；公平预兆得分（Equitable Threat Score，ETS）是将上述3个指标的结果综合起来，是更加客观的定量评分标准，其值越接近1，代表模拟的结果越好。

表2 4组试验的评分结果（括号中的斜体字表示各项指标相对Exp-1的改进率，单位：%）

海雾发生在海上大气边界层中，初始场在该层结内降温与增湿表现的强弱，对雾区的模拟结果十分关键[18]。1 000 hPa（见图6a），冷空气造成的降温大值区位于渤海西部和黄海中部沿岸，降温幅度在3℃以上，整层的增湿效果明显，与降温区对应的云水含量普遍增加0.5 g/kg以上，降温与增湿的配合利于水汽凝结成雾；模拟后段两块降温区强度减弱，但云水含量依旧处于增长趋势，不利于海雾的消散。925 hPa（见图6b），在模拟初期表现出2℃以上增温效果，冷空气并未对该层的温度造成影响，这种低层降温、高层升温的温度垂直结构有利于逆温层结形成，利于雾区发展；同时该层结增湿效果显著，垂直层结的水汽条件充足是导致模拟结果雾顶高度增高的原因之一。

图6 Exp-T-6相对Exp-1在不同高度上的温度与云水含量差异（从左至右依次为08时、11时、14时、17时和20时；填色代表气温：℃；黑色实现代表云水含量，单位：g/kg）

稳定的逆温层结对海雾的维持与发展有重要作用。结合水平层结冷空气对低层的降温作用，沿图2中AB线位置做垂直剖面。与观测雾区对比，Exp-T-6比Exp-1的雾顶高度更高，在模拟初始时刻（见图7a），渤海湾附近出现了3℃左右、高度约200 m的降温层，位置与观测主体雾区相吻合，但增湿效果并不明显；随后在渤海西部的降温强度显著增大，利于水汽凝结，是导致该区域模拟结果的雾顶高度增大的主要原因；在模拟中后期增湿层出现在黄海北部，增湿效果到达了0.5 g/kg，虽然该区域没有降温层与之对应，但海表面的偏南风为其输送了暖湿空气，充足的水汽条件造成模拟后期雾区难以消散。

图7 Exp-T-6与Exp-1沿图2中AB线温度和湿度差异的垂直剖面（黄色实线均为云水混合比，单位：g/kg；填色代表温度，单位：℃；黑色实线和绿色实线分别表示Exp-1与Exp-T-6的雾顶高度，单位：km）

为进一步分析低层降温（冷空气）对雾区的影响，结合Exp-T-6与Exp-1在1 000 hPa（图略）风场和相对湿度增量，Exp-T-6在初始时刻渤海湾受冷空气前沿影响，西北风增量明显，对应相对湿度略有增加；受北部山脉阻挡，冷空气转为东北气流回流，降低了背景场低层气温，同时该区域相对湿度显著增加；午后低层东南风增量明显，渤海西部沿岸的暖湿气流输送稳定，水汽条件充足。在模拟中后段冷空气的强度较弱，未能抑制偏南气流，是造成后期雾区未能及时消散的原因之一。

冷空气的强度发生变化会直接影响海气温差，将Exp-1和Exp-T-6模拟结果的海气温差进行比较（见图8），-2～1℃是最适合海雾发展的海气温差[15]，模拟初始时刻Exp-1在渤海湾的海气温差为-4℃以上，此时气温偏高，冷空气降温效果较弱；随后在渤海西部中部海面的海气温差整体增大，冷空气过早地结束不利于海雾维持，而该时段观测中渤海湾仍有海雾稳定维持，显然正常的冷空气强度无法较好模拟出雾区位置。Exp-T-6初始时刻在渤海大部都维持了-2～1℃的海气温差，后期在渤海湾、渤海海峡和黄海北部均保持了适宜的温差条件，且与观测雾区的位置吻合，结合对模式温度和湿度场的改进，显著提升了海雾的模拟效果。

图8 Exp-1与Exp-T-6的海气温差分布（时间从左至右依次为08时、11时和14时）该图基于审图号为GS（2020）4630号的图层制作，底图无修改

5 结论与展望

本文对2020年3月7—8日黄渤海一次大范围海雾过程进行数值模拟研究，得到以下结论：

（1）高空环流稳定，在黄渤海上空形成稳定的环流条件；高空槽引导冷空气东移过程受山脉阻挡，回流南下，为海面上空带来干冷空气；地面受高压控制，成雾区域在高压西侧，是冷暖气流的交汇区，利于水汽凝结成雾。

（2）冷空气南下强迫低层气温降低，模式背景场下垫面气温的敏感性试验表明，降温强度对雾区模拟结果的改进明显，同时对温度湿度结构影响显著。当气温降低6℃时，雾区客观统计评分结果最佳，在1 000 hPa降温幅度达3℃，水汽混合比增加0.5 g/kg，相对湿度增大，同时增加了偏北风量，有利于成雾区域水汽凝结。

（3）在垂直方向，冷空气仅对1 000 hPa造成显著降温，925 hPa增温明显，利于逆温层结构的形成，降温区配合云水混合比的增加，利于水汽凝结，且降温增湿区与观测主体雾区相符。

得到预期结论之余，我们仍发现工作中存在不足之处，对未来工作展望如下：（1）本次海雾个例受高云覆盖影响，在反演与统计评分中，对低层海雾的识别效果不佳。（2）在背景场气温敏感性试验中，气温调整的数值比较粗糙，应结合本文得到的结论，对气温下降6℃上下继续进行敏感性试验，找到最佳值。（3）下垫面温度降低只是回流冷空气对雾区模拟结果影响的因子之一，后需针对气温降低的整体影响做进一步研究。（4）数值模拟结果虽对温湿结构改进显著，但对雾区范围的模拟效果不佳，将进一步探究冷空气在模拟过程中对雾区模拟结果的影响因素。

致谢：感谢中国海洋大学高山红教授对海雾数值研究工作的传授与教导。本文同化所使用的常规观测资料由高山红教授的“区域大气与海洋短期实时预报系统”中获得。