引言

海市蜃楼是地球上物体反射的光经大气折射而形成的虚像。它的生成是在特定的天气形势和气象条件下，与地理位置、地球物理条件有密切联系。由于出现时间短，准确的记录较少，地域飘忽不定，有很大的神秘性。虽然海市蜃楼的出现与天气变化密切相关，以往很少有人从天气变化的角度来分析出现的原因，这方面的论文较少，目前，只见朱龙^[1]从气象学角度对海市蜃楼进行了分析；王忠纯^[2]郭守月^[3]等从光学理论上对海市蜃楼的形成作了分析。根据1984年、2006年秦皇岛海域，北戴河观测站附近出现的三次海市蜃楼景观，以及出现的确切时刻，较为详细地分析了出现海市蜃楼的天气形势、气压场、物理量场分布、北戴河观测站气象要素特征、GPS水汽资料，为进一步解释海市蜃楼的气象成因提供科学依据。

1 实况

最早见于秦皇岛海域出现过海市蜃楼奇观的记载是明万历三十四年(公元1606年)三月。那一天，从金山嘴到莲蓬山，海面之上，迷朦蒙云雾之中，突然显现出星罗棋布的亭台楼阁、车水马龙的闹市通衢，连官员出巡时的伞盖旗帜也似隐似现。倏忽之间，云霞变幻，空中又耸立起一座山峰，峰巅形似两只扑扑闪闪的兔耳，有人惊呼：此乃抚宁兔耳山，何以来到半天中？

1969年的一天，海面上出现了昌黎的幻景，城里的古塔和北碣石山都清晰可辩。

1987年5月24日，海面上闪现出一条亮带，探出几座淡蓝色的山头，飘飘摇摇、忽起忽落… …。

1991年年初，北戴河海面又出现了海市蜃楼景观，里边有湖水，许多小船划来划去，十分热闹。

继2006年2月7日16时20分秦皇岛海域出现海市蜃楼景观之后，2006年9月9日11时20分日，秦皇岛海域再次出现海市蜃楼，景观的出现引起了新闻、网络媒体和民众的关注。有幸的是，许多有心人准确地记录了出现海市蜃楼的确切时间，并留下了精彩的画面，为进行深入细致的气象要素和天气条件分析提供了重要资料。

2 环流特征及主要影响系统 2.1 500hPa环流特征分析

图 1是2006年9月9日08时和20时500hPa流场的环流分布。在2006年9月8日20时500hPa流场的环流分布图(图略)上，在40°N、120°E周围的大片区域，流线均呈现西南-东北向，并指向东北方。这一区域在500hPa温度图上(图略)完全为暖区控制。

到了9月9日08时，在120°E以西为来自于西北向的流线，而120°E以东为来自于西南向的流线(图 1)。此时500hPa温度图(图略)上，秦皇岛沿海处于暖区，但靠近暖区向冷区过渡的边缘。表明暖气团即将被冷空气取代，在稍后的三个多小时随着冷空气的到来(对应的地面图上08时到14时气温下降6℃，而正常情况下，这段时间应该升温，足以表明一次暖、冷空气的交换。)，出现了海市蜃楼。

9月9日20时，整个渤海湾区域，几乎全部表现为西北向的流线，其方向从西北指向东南。50 0hPa温度图(图略)上，整个渤海湾全部为冷平流控制，随着冷空气进一步南下，秦皇岛沿海的海市蜃楼早已结束。

2.2 主要影响系统

2006年9月9日08时700hPa天气图上(图略)，中高纬环流为两槽一脊型，东亚大槽的底部南伸到我国的东南沿海，低涡中心位置在52°N、125°E，强度296位势什米，另一个低涡中心位于60°N、60°E附近，大陆高压势力强大，中心位置在40°N、80°E附近，强度320位势什米；冷槽的前部等高线密集，秦皇岛市此时位于刚刚迅速东移的槽线后部，槽前的海上高压呈东北西南向，海市蜃楼出现在槽后下沉气流区。

2006年2月7日700hPa天气图上(图略)东亚中高纬与9月9日出现海市蜃楼的环流型相似，中高纬为一槽一脊型，东亚大槽的底部抵达我国的东南沿海，低涡中心偏南；北支锋区在北纬50°N附近，南支锋区在北纬35°N附近，大陆高压发展强盛，秦皇岛市此时位于刚刚迅速东移的槽线后部，海市蜃楼出现在槽后西北气流控制的区域内。

1987年5月24日08时700hPa天气图上(图略)，中高纬环流为两槽一脊型与2006年9月9日相似。

3 物理量场分布 3.1 气象要素的变化

从700hPa的湿度场分布图中可以看出(图略)，T-T_d≤3℃的湿区，在高空槽前我国东北南部到朝鲜半岛和日本海这一片区域。海市蜃楼出现的区域T-T_d≥6℃。这种分布表明，与高空槽配合的湿区恰好刚刚移过，从而使得冀东沿海发生了一次干、湿区域的转换，为海市蜃楼的出现创造了水汽变换条件。

为进一步分析海市蜃楼出现的天气条件，对两次海市蜃楼出现时的冷空气活动进行了对比分析，两次海市蜃楼都是出现在一次强冷空气刚刚过后的天气里。在2006年9月9日的850hPa图上有一股强冷空气过境(图略)，冀东沿海区域24小时降温ΔT₂₄≥6℃，海市蜃楼出现的区域在冷中心的边缘。垂直运动场为正值区(ω≥0)，500hPa为负涡度区。2月7日出现海市蜃楼的冷空气活动与9月9日基本相同，冷中心控制了冀东沿海区域，垂直运动场为正值区(ω≥0)，500hPa为负涡度区。下沉运动是造成冀东沿海晴空区的主要原因之一。24小时降温ΔT₂₄≥6℃，

3.2 地面气压场的特征

由于季节不同，出现海市蜃楼的地面气压场分布也不尽相同，2006年2月7日出现海市蜃楼时，蒙古高压势力十分强大，2月7日08时中心位置偏北，在贝加尔湖附近，中心强度1045hPa (图 2)，高压舌一直延伸到东南沿海；到了20时，在引导气流的作用下高压中心扩散南下，前锋已控制冀东沿海，海市蜃楼出现在地面高压的东南部，是在冷暖空气转换的运动中产生的。

2006年9月9日08时地面高压几乎控制了中国的大部分地区(图略)，中心在50°N、95°E附近，中心强度1024hPa。到了20时高压中心快速移到河套地区，海市蜃楼出现在东移的地面高压东部边缘。秦皇岛沿海经历了一次气压场的转变, 气压场的转变促发了一次气象要素的突变，而海市蜃楼的出现正是由于气象要素的突变，使空气折射率不均匀引起的。

1987年5月24日海市蜃楼出现在地面鞍型气压场附近(图略)，鄂海高压与大陆高压遥相呼应，低压在我国的东北和西南地区，之前我区出现了一次较强降水，由低压控制刚过渡到高压控制，经历了一次气压突变过程。

4 海市蜃楼出现时单站气象要素特征

根据资料分析，海市蜃楼均出现在降水过后的天气里。1987年5月24日的前三天秦皇岛连续下了中到大雨，天气转晴出现海市蜃楼。2006年2月7日一场大雪刚刚过后，天气转晴出现海市蜃楼，2006年9月8日刚刚降下了一场秋雨，而9月9日又是一个晴空万里的好天气，随后即出现海市蜃楼。由于海市蜃楼出现在冷暖空气突变的天气过程中，所以，当海市蜃楼出现时，气象要素的变化是十分明显的。根据逐时气温资料分析，3次海市蜃楼出现的前一天出现了明显的降水、降温天气，气温比前一天明显偏低，海市蜃楼出现前6小时的24小时变温为-12.0℃，这种气温偏低的变化逐渐减小(图 3)，蜃景出现前3小时24小时变温为-7. 2℃，出现前1小时缩小到-4.2℃。出现后3小时气温24小时变温为+3.3℃。气温最大变幅达15.3℃。相对湿度呈逐渐减小趋势，前3小时日变化比同时刻小10%～17%。

分析表明，海市蜃楼的出现与不同高度空气层的折射率有关，考虑到水汽含量是直接影响折射率的重要气象要素，分析了北戴河观测站的9月9日GPS各时刻水汽含量变化(图 4)，9月9日海市蜃楼出现时刻在11时20分前后，观测表明11时大气中的水汽含量有一个显著增加的变化，到12时达到最大值。1—9时大气中的水汽含量明显偏少。

另外，出现海市蜃楼时的能见度也比较特殊，是全月的最大值，达2km。

相关分析表明：海市蜃楼的出现与气温、相对湿度突变有关。靠近海面的空气由于海水温度较低和潮湿的水蒸汽的影响，折射率较大，而上方的空气因受日照影响温度较高。亦即海面上空空气层的折射率是由下而上随高度逐渐减小的。由于气象要素变化的不连续性，导致了光在空气中折射率变化的不连续，光线穿过折射率大的空气层顶时，在晴朗、无风或微风的气象条件下，形成全反射，产生了海市蜃楼的奇异景观。

5 出现海市蜃楼的天气条件

由于海市蜃楼出现的时间、地点有很大的不确定性、持续时间短，有价值的记录少，使本次天气分析有一定的局限性。但通过仅有的准确记录也基本验证了海市蜃楼的出现与天气形势、气象要素变化密切相关。可以很好地解释其气象学成因：当界面清楚的冷锋天气在沿海发生时，如果前一天空气湿度大，并出现降水天气，冷锋过境入海后，降水迅速停止，湿度较小的干冷空气入海，形成短时的晴空无风天气，在这样的气象条件下就构成了海市蜃楼出现的有利天气环境。因此，有利于海市蜃楼出现的天气形势可归结如下：

(1) 在700hPa，海市蜃楼出现的有利天气形势为：高空槽过境后的较短时间内，地面则表现为高压的前部，因为槽后的强烈下沉气流有利于晴空天气的形成。

(2) 由于海市蜃楼出现与沿海水汽对光线的折射变化有关，700hPa的湿度场分布表现为：槽前有较明显的大片湿区(T-T_d≤3℃)。槽后有较明显的大片干区(T-T_d ≥12℃)，干、湿区的快速转换过程是形成海市蜃楼的有利气象条件。

(3) GPS观测的水汽含量变化资料表明；海市蜃楼出现时，大气中的水汽含量增减幅度显著。

(4) 海市蜃楼出现时一般有一次明显的降水、降温过程相伴。

6 结语

由于产生海市蜃楼的物理意义明确，所以要在自然界产生海市蜃楼奇观，必须形成必要的符合全反射条件的气象背景，而这种特殊天气背景的出现，只有在一次明显的冷空气和暖空气的转化过程中，对于空气的干湿、冷暖、下垫面条件、空气的洁净度、下垫面水汽的蒸发、以及降水过后风力的大小等，近乎圆满的配合下才能出现。所以海市蜃楼是极其少见的，也是非常珍贵的天气学奇观。