引言

海雾是发生在海洋上或者海滨大气边界层中的一种可使能见度降低至1 km以下的水汽凝结现象^[1]。起雾期间近海海面水汽含量增大，使得海上和沿海地区的水平及垂直能见度下降，对海上渔业、平台作业、航运、军事行动以及沿岸航空和公路交通造成极大的危害^[2]。国内外都很重视对海雾的观测研究。早在20世纪20年代人们就开始通过基本的观测对海雾的形成机制进行简单的猜测，王彬华^[3]1948年发表的研究文章就涉及到青岛海雾发生的天气和水文条件。许多研究揭示了我国海雾的气候特征、环流背景、气象条件及生消机理^[4-14]。周贺玲等^[4]指出我国北方海雾多发生在秋、冬季。陈连友等^[5]表明秦皇岛海雾与内陆雾在发生季节和时间等方面有较大差异。在华南海雾研究方面，伍红雨等^[6]指出华南有3个多雾区，分别位于海南中西部和两广西北部地区，两广雾日呈由内陆向沿海递减的趋势。张燕光等^[7-8]表明珠江口持续性海雾春季出现概率最高。郭秀英^[9]对华南沿海春季海雾与天气型关系进行了统计分析及预报。张朝锋^[10]指出粤东海区的海雾主要出现在1—5月，其中4月为雾出现的旺季，并对海雾生成的气象条件进行了分析总结。何云开等^[11]分析了南海北部近岸春季海雾的年际变化，指出海雾日数偏多年华南沿海850 hPa上空存在一个由南向北的暖平流。孔宁谦等^[12-13]指出广西沿海及北部湾的雾多集中在冬春季节，尤以春季最多。徐峰等^[14]对雷州半岛雾的气候特征及生消机理也进行了较系统的分析研究。近年来随着观测技术的发展以及先进仪器(如滴谱仪等)的使用，对海雾的宏观及微观特性的研究更加深入了。屈凤秋等^[15]系统地分析了南海北部海雾的大尺度环流背景、边界层结构以及雾的微物理特征。黄辉军等^[16]发现茂名地区海雾滴谱分布符合容格(Junge)分布并统计出平均数密度和平均直径。徐峰等^[17]研究表明湛江海雾属酸性海雾，其中Cl^-和Na⁺含量很高。以上研究结果进一步认识了海雾的微观结构，为修正数值模式中的微物理方案，提高模拟精度提供了一定的参考依据。

位于粤西沿海的雷州半岛及琼州海峡区域是中国沿海5个海雾多发区之一^[18-19]。每年冬、春季冷空气和海上西南暖湿空气常对峙形成大雾天气，对琼州海峡火车轮渡、粤西沿海众多大港及在湛江建设的特大型钢铁、石化项目等均有较大影响。因此，从经济建设、社会公益服务角度考虑，对粤西沿海的海雾微物理特征、活动规律、生消机理及预警模式进行研究是十分必要的。本文利用粤西沿海12个测站2000—2010年的常规气象资料，研究了粤西沿海海雾的天气气候特征，包括对其空间分布，年际、季节和日变化，成雾天气背景及气象条件的统计和分析；并利用2010年3月在湛江东海岛的一次海雾观测数据，研究了粤西沿海海雾的微物理结构特征。

1 粤西海雾天气气候特征 1.1 资料来源

粤西海岸带包括湛江、茂名、阳江和江门四市，涉及12个气象站点，本文选用了2000—2010年粤西海岸带12个气象站点(湛江、徐闻、雷州、遂溪、廉江、吴川、茂名、电白、阳江、台山、新会和上川岛)的常规气象资料，包括年雾日数、成雾及持续时间、风向风速、温度、露点及温度露点差、3小时变压等。资料均取自“气象信息综合分析处理系统”(MICAPS)的第一类数据文件格式，即地面全要素填图数据中02、08、14和20时4个时次的实况观测资料。

1.2 空间分布特征

根据所选气象测站的地理位置及粤西沿海地形特点，本文将湛江、雷州、徐闻和遂溪划归到粤西西部；廉江、茂名、吴川及电白划归到粤西中部；阳江、台山、新会、上川岛划归到粤西东部。粤西沿海近11年平均雾日数分布如图 1所示。分析可知粤西沿海雾日数空间分布存在明显差异，西部年平均雾日数明显高于粤西中、东部地区，且湛江和雷州最为突出，最多的湛江站平均年雾日数达22 d。总体而言，粤西海岸带雾日数呈现两边高、中间低的特点，即西部地区(17.8 d·a^-1)＞东部地区(7.7 d·a^-1)＞中部地区(3.5 d·a^-1)，其原因有待进一步深入研究。

1.3 时间分布特征 1.3.1 年际变化

粤西沿海12个测站近11年年雾日数的年际变化如图 2所示。由图可见，粤西海岸带雾日年际变化差异较为明显，总体呈逐步升高的趋势，但12个测站中有半数均在2008年出现了雾日最少的情况，分别是湛江(7 d)、徐闻(4 d)、雷州(10 d)、遂溪(4 d)、阳江(3 d)和新会(2 d)。这与2008年华南西部遭遇50年罕见的低温雨雪冰冻天气事件相关，高安宁等^[20-21]研究表明2008年度极涡位置和强度发生明显变化，华南地面冷空气堆积明显，冷高压中心异常偏强，在850 hPa华南上空形成一支稳定的强锋区，大气层出现近地面冷、中层暖、高层冷的结构，加剧了雨雪冻雨的形成。根据本文的成雾气象条件分析表明，近地面较低的气温不利于沿海海雾的生成，因此导致了2008年粤西沿海海雾日数的明显减少。除2008年外，11年中雾日最少年大多数都集中在2000—2002年，其中有些测站甚至出现了零雾日的情况。2005年多数测站雾日数为最大。

1.3.2 季节变化

将粤西沿海12个测站近11年中每月的成雾日数求平均可得出每个测站的雾日数的月变化趋势，如图 3所示。为了说明海雾的季节变化特点，根据广东的天气气候特点，本文将3—5月划分为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月至次年2月为冬季。从图 3可以看出：粤西海岸带雾日数存在明显的季节变化，呈冬、春季多，夏、秋季少的分布特点。分析观测数据表明，粤西沿海12个站中有8个站冬、春季雾日数约占全年的90%以上，仅遂溪、廉江、台山较少，约占70%，而根据图 1可以看出这三站均比较靠近内陆，这表明靠近南海西北部海岸带的测站雾日数更加趋于集中在冬、春季，其中湛江、徐闻、吴川、阳江和上川岛更是高达95%以上。各测站月平均雾日数曲线变化均呈现单峰型，3月是雾日高发月份，12站平均雾发频率为26.6%，其中湛江、阳江和上川岛三个粤西沿海有代表性的站(粤西西、中、东)更是高达31%以上。月均最高值出现在3月的有8个站，加之出现在2月的3站(徐闻、廉江和电白)，表明12个站中有11个雾日高发值出现在2—3月。粤西海岸带海雾季节分布与曹治强等^[22]的研究结果“10、11、12月是中国出现大雾较多的3个月，其中11月最多”不同，也与我国北方沿海地区明显不同，如河北省雾日主要集中在秋、冬季节，11月雾发生频率最高，但也仅占全年的15.7%^[4]。结论与粤东、广西沿海海雾特征比较相似^{[10, 12-13]}。

1.3.3 日变化

对粤西沿海12个测站的雾次频数日变化按季节变化进行统计如图 4所示。可以看出：粤西沿海一日中任何时次都有可能发生海雾，午夜开始逐渐增大、日出后逐渐减少的特点显著，各站海雾大部分出现在02:00—08:00，成雾概率平均值高达50.8%，但相对近海的测站(湛江、吴川、电白、阳江和上川岛)为43.5%，远低于相对远海的测站(平均约58%)，表明海洋对夜间成雾是有一定影响的。从季节分布上看，春、冬季出现海雾的频次明显高于夏、秋季。另外，夏季海雾出现较少但时次集中度最高，各地基本都集中在夜间至清晨时段，冬季海雾出现时段较其他3个季节都宽，基本出现在02:00—14:00，高发时次有所延后。总体来说，在一日中，午夜至上午时段各地海雾次数较多，而午后至傍晚前间段相对较少。

1.3.4 持续时间

不同持续时间(雾程)海雾的发生频次如表 1所示。由表 1可知，各地区海雾过程出现的频次随着持续时间的增加而减少。其中出现频次最多的持续时间在1~3 d内，除湛江和雷州分别占到86.1%和88.8%外，其余各地区均占到96.5%以上；且最集中于1~2 d内，除湛江(73.8%)外，其他各地区都占到80.0%以上；各地区雾程在1 d以内的频次均在50.0%以上，其中吴川更是高达92.9%。而雾程在5 d及以上的频次各地区都不超过9.0%，其中发生频次最高的为湛江，达8.2%，最长连续雾日为12 d。

2 成雾气象条件 2.1 气温

海雾成雾频次与气温的关系如图 5所示。可以看出，各站成雾频次在气温为15.0~25.0℃时最多，达61.9%~92.8%；当气温超过25.0℃或低于15.0℃时，雾次数逐渐减少；绝大多数雾次出现在气温低于30.0℃的条件下；而出现在气温低于10.0℃，或气温高于30.0℃的情况下的海雾只占少数，基本上不超过9%。

2.2 温度露点差

海雾成雾频次与温度露点差T-T_d的关系如图 6所示。海雾发生时T-T_d ≤0.0℃的频次各个地区有所差异，分别占到0.0%~30.2%不等，其中廉江和湛江相对较高，分别占到30.2%和27.9%，而台山和茂名等地则相对较少，其中吴川更是低至0.0%。海雾发生频次峰值落在T-T_d为0.0~2.0℃的范围内，除茂名和台山分别占57.5%和59.2%外，其他各地区均占至60.0%以上。而T-T_d≤6.0℃的海雾发生频次12站平均为86.2%，除茂名站外(67%)，其余各地均占到75.0%以上，其中上川岛更是高达97.8%。由此可见，一般情况下，T-T_d越小，湿度越大，海雾发生频次也越多。值得注意的是，12站的T-T_d在6.0~19.1℃范围(2000—2010年)海雾发生频次有13.8%，而>10℃总次数为45次，仅占总数的2.3%，这里不排除将霾误记为雾的可能。图 6曲线的尾部上抬是多个温度段(6.0~20.0℃)叠加后造成的虚假表象。

2.3 3小时变压

对成雾时的3小时变压Δp₃进行统计分析，获得成雾频次与Δp₃的关系，如图 7所示。分析表明成雾后的3小时变压基本集中在-4.0~3.5 hPa之间，成雾后短时间内气压变化较小，即以静止锋型、均压场型和鞍型场的天气系统成雾为主，但在正负变压区内分别各有一个不大的峰值区，除湛江、电白、阳江和上川呈准3峰型外，其余各站均呈现双峰型，其峰值分别落在-3.5~-2.0和1.5~2.5 hPa之间，负变压区峰值所在区间比正变压区峰值所在区间宽，但正变压区峰值明显高于负变压区峰值，平均约高出10.0%。这两个峰值区分别对应于冷高压型(正变压)天气系统和低槽型(负变压)天气系统，而成雾后冷高压型的天气环流背景略多于低压型天气环流背景。

2.4 风向风速

对粤西沿海12个测站10年每日4次的填图资料进行统计，获得成雾时各风向、风速的分布特征，如图 8和表 2所示。

从风向分布图 8可以看出，海雾多发生在NNE—ESE以及静风的情况下，地面上以NNE-ESE风向频次出现最大，该风向的雾次占雾次总数均达到39.7%~78.6%。从粤西海岸带的地理走向，尤其是雷州半岛沿海岸线的位置分布来看，偏东风有利于将海上的暖湿气流输送到下垫面较冷的沿岸地区，为海雾的生成和维持提供充足的水汽，同时加速水汽的冷却凝结。具体而言，各地区又有所差异。

从表 2可以看出：海雾绝大多数发生在风速≤7 m·s^-1的情况下，各地区均达到96.5%以上；且最集中于5 m·s^-1以内，各地区在1~3 m·s^-1风速段的频次最稳定；风速超过9 m·s^-1的基本不足0.4%。

3 成雾天气条件

根据天气图资料及地面观测雾日数，对粤西沿海雾日发生的天气环流形势进行归类分析，可将成雾的天气形势大致分为高压型、低槽型、冷锋型、静止锋型、鞍型及均压场型5类。

3.1 高压型

冷高压从长江入海口或者胶东半岛以南入海后东移，粤西沿海处于其后部的均压场或气压梯度较小的区域，地面吹偏南风或偏东风，风力较弱，一般为2~4 m·s^-1。南海沿岸存在着表层水温较低的冷水区域，这样的风场将外海的暖湿空气输送到华南沿岸的冷海面，在这一过程中暖湿空气冷却达到饱和而形成平流雾。

图 9为一次典型高压东移出海回流型平流雾的生消过程。2009年2月9日23时高压位于长江入海口，中心偏弱。2月10日17时高压已经出海，粤西沿海处于高压后部的偏东流场中，风速2~4 m·s^-1。由于随冷高压平流到海上的干冷空气经过暖海区后湿度、温度均提高，回流到华南沿岸时遇冷海面就形成平流雾。2月10日夜间至11日上午，湛江、徐闻、雷州均有出现雾的记录。到2月11日17时，冷高压已经东移至130°E附近，该过程结束。

3.2 低槽型

我国西南地区或中南半岛有一低压，低压前部的偏南、偏东流场有利于来自海上的暖湿空气平流到华南沿岸较冷的海面上冷却而形成海雾。粤西沿海处于低压的东南或东侧，地面吹东南或南风，风速约为2~6 m·s^-1，高空通常受西太平洋高压脊、南支槽或西南低压槽影响，基本为一致的西南风，带来海上大量的暖湿气流。图 10为2010年2月28日晚粤西沿海在此种天气条件下出现雾的情形。贵州上空一直有低压发展维持，使得粤西沿海处于西南流场中。同时高空850 hPa上西太平洋副高脊西伸北进，500 hPa上南支槽强烈发展，粤西沿海上空含有丰富水汽的西南气流较为强盛。地面与高空流场的综合作用，使得海上的暖湿气流不断地输入到华南沿海地区，出现了本次平流雾过程。

3.3 冷锋型

来自西伯利亚的冷空气不断向南侵袭，与华南暖湿气流交汇混合而形成锋面雾，随着冷锋推进到海上，大雾过程结束。图 11反映了一次冷锋过境在粤西沿海形成锋面雾的过程。2001年2月6日冷锋还未推进到华南沿岸。2月7日已经南推至华南沿岸，冷锋后的冷空气迫使锋前的暖湿空气适当降温，降低了暖空气的饱和水汽压，从而冷却凝结形成雾滴，造成了粤西沿海锋面雾的出现。2月8日冷锋已移出海面，地面一致是偏北风，粤西海雾消散。

3.4 静止锋型

冷空气南下经过下垫面的加热和摩擦作用，到达华南沿海地区时已大大减弱，与海上热带天气系统对峙，就会在沿海地区形成静止锋，造成冷暖空气混合而形成锋面雾，时常会出现雾、毛毛雨、小雨交错的天气。

图 12显示了2005年2月24日粤西沿海一次静止锋型大雾过程。由于南下的冷空气势力已较弱，受到海上暖湿空气的阻挡后，在华南沿海一带形成了坡度不大的静止锋。粤西沿海地面风力微弱，为雾的形成与维持提供了有利的风场条件。从850 hPa可以看到，南岭一带存在切变线，粤西沿海处于切变线南侧的偏西气流中，有从海面输送而来的充沛水汽。华南静止锋上下层的冷暖空气发生混合，致使了锋面雾的出现，粤西沿海4个站点均有雾的记录。

3.5 鞍型和均压场型

地面为均压场或鞍形场，近地层湿度较大，天气晴朗，风速较小或静风。大雾多出现在夜间或清晨，属于辐射雾，持续时间不长，通常白天即消散。如图 13所示，2009年2月12日23时南海处于鞍形场中，华南沿岸的广大地区则位于低压南部的大范围均压场中，其中粤西沿海天气晴朗无云，风力微弱，利于夜间辐射降温。高空700 hPa上南支槽的东移使得华南低层沿海一带吹较强劲的西南风(图略)，带来了海上大量的暖湿空气。这些因素共同导致了雷州站2月13日凌晨出现辐射雾。据记录该站在大雾期间天空无云，地面风速小于2 m·s^-1，日出后不久雾即消散。

4 海雾微物理特征 4.1 资料来源

海雾微物理观测采样点设在湛江市东海岛(21.28°N、110.20°E)，东面临海，四周空旷。采样点正对南海，往东约200 m即到南海海边，往西直线距离约300 m为湛江市气象局雷达站，雷达站内装备有新一代天气雷达CINRAD、自动气象站、风廓线雷达、100 m边界层气象要素梯度观测铁塔和散射光能见度观测仪等观测设备。本文选取2010年3月22—23日在湛江东海岛进行的一次完整海雾过程的观测数据，分析海雾过程中能见度的变化以及雾滴的微物理结构特征。

本次海雾观测试验所采用的微物理特征观测仪器有：(1) FM-100光学雾粒谱仪(DMT，美国)：可分40个通道测量粒径为2~50 μm的雾滴的数浓度和谱分布，观测中设定采样通道为20个(通道1的数据受噪声影响，不计入计算和分析结果)，通道宽度2~3 μm不等，观测期间进行连续采样，采样频率1 Hz；(2) WPS-1000XP宽范围粒径谱仪(MSP，美国)：可分120个通道测量粒径为10 nm~10 μm的气溶胶数浓度和谱分布，本次观测中设定采样通道为72个，通道宽度0.74 nm~1 μm不等，观测期间进行连续采样，每5 min可获取一组观测数据；(3) VPF-730能见度天气现象仪(BIRAL，英国)：可实现能见度、降水量和温度的自动测量及天气现象和降水类型的自动识别，能见度测量范围为：10 m~75 km，观测期间进行连续监测，每30 s可获取一组观测数据。

4.2 计算方法 4.2.1 采样体积

根据DMT公司提供的FM-100光学雾粒谱仪使用说明，仪器采样的真实气流速度(True Air Speed，TAS)由下式计算：

$TAS = 20.06 \times M \times T_a^{0.5}$

其中，M是根据动态气压和静态气压计算得到的马赫数；T_a是实际环境温度，单位：K。每秒钟的采样体积V由下式计算：

$V = TAS \times S$

其中，S = 0.264 mm²，为采样面积。

4.2.2 雾粒数密度谱n(r)

设r为每个通道的几何平均半径(单位：μm)，Δr为每个通道的宽度，每个通道的雾滴个数除以V×Δr，即可得到雾粒数密度谱n(r)(单位：个·cm^-3·μm^-1)。即：

${\rm{d}}N = n\left( r \right)V{\rm{d}}r或n\left( r \right) = \frac{{{\rm{d}}N}}{{V{\rm{d}}r}}$

式中，N为雾粒子数浓度(单位：cm^-3)，$N = \int_0^\infty {n\left( r \right)} {\rm{d}}r$。

4.2.3 尺度分布特性

雾粒子尺度分布特性参量主要有：平均半径r_m(单位：μm)、雾粒子有效半径r_e(单位：μm)和液态水含量LWC(单位：g·m^-3)分别由以下公式进行计算：

$\begin{align} & {{r}_{\text{m}}}={\int_{0}^{\infty }{rn\left( r \right)}\text{d}r}/{\int_{0}^{\infty }{n\left( r \right)\text{d}r}}\;=\frac{1}{N}\int_{0}^{\infty }{rn\left( r \right)\text{d}r}, \\ & \quad \quad \quad \quad \quad \quad {{r}_{e}}=\frac{\int_{0}^{\infty }{{{r}^{3}}n\left( r \right)\text{d}r}}{\int_{0}^{\infty }{{{r}^{2}}n\left( r \right)\text{d}r}}, \\ & \quad \quad LWC=1\times {{10}^{-6}}\rho \int_{0}^{\infty }{\frac{4\pi }{3}{{r}^{3}}n\left( r \right)\text{d}r} \\ \end{align}$

式中，ρ= 1 g·cm^-3，为水的密度。

4.3 雾过程能见度演变

图 14描述了2010年3月22—24日的海雾过程能见度随时间的变化。此次海雾过程时间长达30多个小时。

4.4 滴谱特征演变

根据能见度的变化将海雾过程大致分为4个阶段(图 15)，分别对各个阶段所获取的观测样本进行平均求得各个阶段对应的雾滴平均谱分布(图 15)。

从图 16给出的22日19时至23日10时雾滴平均谱分布可见，初始阶段(图 16a)，雾滴谱谱宽还相对较窄，仅约30 μm并且明显偏向于小滴一端，雾滴主要集中在2~10 μm，数密度谱峰值也仅约5.3个·cm^-3·μm^-1。发展阶段(图 16b)的谱宽超过46 μm(因个数太少所以图上难以查找)，数密度谱峰值达到17.5个·cm^-3·μm^-1左右，不仅小滴数目迅速增长，大滴数目也明显增多。混合阶段(图 16c)的谱宽仍然超过46 μm，但数密度谱峰值相比于发展阶段减少近一半，仅约为9.2个·cm^-3·μm^-1小滴和大滴均有所减少。消散阶段(图 16d)雾滴谱谱宽明显缩减，大滴基本消散，小滴也迅速减少，雾滴谱峰值仅为4.5个·cm^-3·μm^-1左右。由此可见，海雾过程雾滴谱特征演变能很好地反映海雾初生、发展、混合和消散各个阶段。而黄辉军等^[16]在茂名观测结果表明雾滴谱分布符合Junge分布，平均数密度为57.1个·cm^-3。

4.5 雾滴谱的平均分布特征

雾滴谱的变化取决于海雾发生和维持的动力和热力环境。海雾过程雾滴平均谱分布如图 17所示。总体而言海雾过程中雾滴谱分布符合指数递减规律，谱型大体上呈“单峰”结构，只在能见度小于1.0 km时出现“双峰”结构，且第二峰值，即较大雾滴所对应的峰值不足第一峰值的1/7。整个滴谱明显偏向小滴一端，雾滴谱径主要出现在2~10 μm，第一峰值位于2 μm处，最大谱径超过46 μm，大滴的数密度偏小。这与黄辉军等^[16]在茂名测得的雾滴谱径算术平均直径4.7 μm、算术峰值直径2.9 μm结论相当。

5 结论

本文根据2000—2010年常规气象观测资料分析了粤西沿海12个气象站点近11年来海雾的天气气候特征及湛江东海岛一次海雾过程中雾滴谱分布特征，得出以下主要结论。

(1) 粤西沿海年平均海雾日数呈西部(17.8 d·a^-1)＞东部(7.7 d·a^-1)＞中部(3.5 d·a^-1)的特点。海雾日数年际变化差异明显；各地海雾最多年有所差异，但主要集中在2005年；各地大多有2~3个海雾最少年，且多数包含了2008年。海雾日数有明显的季节变化，总体呈冬、春节多，夏、秋季少的分布特点，3月为雾日高发月。

(2) 海雾主要发生在02:00—08:00，这一时段雾生成的平均概率高达50.8%，冬季海雾高发时次延后。各地区海雾过程出现的频次随着持续时间的增加而减少，且雾程以1~3 d居多, 并具有较强的局地性。

(3) 粤西沿海海雾雾次频数以气温为15~25℃，3小时变压在-3.5~2.5 hPa之间，温度露点差为0.0~2℃的范围内最多。雾多发生在NNE—ESE以及静风的情况下，且绝大多数发生时风速≤7 m·s^-1。

(4) 粤西海雾发生、发展的天气形势可以分为高压型、低槽型、冷锋型、静止锋型、鞍型或均压场型5类。

(5) 海雾初始阶段雾滴谱谱宽较窄且偏向于小滴一端；发展阶段谱宽超过46 μm，小滴数目迅速增长，大滴数目明显增多；混合阶段谱宽变化不大但峰值减少；消散阶段大滴基本消散。平均雾滴谱分布呈指数递减规律，谱型大体呈“单峰”结构，整个滴谱明显偏向小滴一端，雾滴谱径主要出现在2~10 μm。