宁波北仑港区一次航道海雾地基多源信息观测特征分析

胡利军 杨豪 高爱臻 郑铮

(1 浙江省宁波市气象网络与装备保障中心，宁波 315012； 2 浙江省气象信息网络中心，杭州 310017；3 浙江省宁波市气象台，宁波 315012)

引言

宁波舟山港位于中国大陆海岸线中段，是“21世纪海上丝绸之路”东方始发港，“丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”的交汇点，是“一带一路”的重要节点城市[1]。北仑港区、近海航道海雾多发，严重影响海上交通和港区的作业安全。国内早于1948年王彬华就对海雾进行了研究，2000年左右国内研究渤海湾、黄海海雾比较多(张红岩等[2]，2005；任兆鹏等[3]，2011；黄彬等[4]，2011；孙明生等[5]，2017)，2004年侯伟芬等[6]对浙江沿海海雾进行了分析，2015年周福等[7]对宁波海雾特征进行了分析，但近海航道区域性特征比较明显，针对北仑港区近海海雾研究相对较少。前些年基于地基的海雾监测仪器以前向散射能见度仪为主，2016年开始在宁波舟山港北仑港区出现利用毫米波雷达[8-9]、激光云高仪等进行海雾监测的试验。经过多年现代化项目建设，宁波初步建成了较为完善的近海海洋综合监测系统。2011年，北仑港区附近凉帽山370 m高塔梯度观测系统建成，用于监测港区附近不同高度风向、风速、湿度、气压等气象要素；2016年底，在北仑港区架设全国首部毫米波测雾雷达，用于30 km径向范围内非降水云、弱降水和雾的监测；2018年，凯迈CYY-2B型激光云高仪在北仑港区(29.9058°N，122.1299°E)试用，用于对航道和港区附近的云雾等大气颗粒物的监测。分析中发现通过激光云高仪分析雾、霾在垂直方向上的光学特性差异可以区分雾、霾。综合风廓线、370 m高塔、毫米波雷达、激光云高仪、自动站和沿海能见度仪监测资料，以2018年2月15日的一次海雾过程为例，对航道海雾的特性进行分析。

1 港区海雾监测

云、雾、霾都是常见的天气现象，它们的主体成分都是气溶胶颗粒，其差别在于气溶胶颗粒的大小和种类不同[10]。雾是由大量微小水滴浮游在空中，常呈乳白色，使水平能见度小于1.0 km，其中能见度大于0.05 km小于0.5 km为浓雾，小于0.05 km为强浓雾。轻雾则是由微小水滴或已湿的吸湿性质粒所构成的灰白色的稀薄雾幕[11]，水平能见度大于等于1.0 km至小于10.0 km。

文中主要用到了能见度或湿度要素(图1，K2102、K2391、K2321、K2287、K2295、K2288、K2390)、高塔、激光云高仪等监测数据，相关设备安装在港区、航道附近(图1)。370 m高塔梯度观测系统(图2b)监测57 m、84 m、116 m、165 m、198 m、234 m、285 m、320 m等8层不同高度的风向、风速、湿度等气象信息。激光云高仪(图2a)用来测量北仑港区的航道海雾信息，通过固定在內芯发射筒中的发射器发出红外脉冲激光信号，经由接收光学系统接收大气回波信号。激光束扫描大气中的信息，通过与颗粒物和气态分子相互作用后产生散射光来获取不同高度处污染物的浓度分布信息[12]，从而得到污染物的空间垂直分布。所用的大气颗粒物监测激光云高仪是基于Mie散射原理，激光波长910 nm，每2 min观测1次，空间分辨率为50 m。

图1 宁波北仑港区监测设备布局

图2 宁波北仑港区监测设备激光云高仪(a)和 370 m高塔梯度观测(b)

2 海雾过程

激光云高仪和毫米波雷达均架设在臻德环保厂区内，所选的港区螺头水道航道海雾过程出现在2018年2月15日07:50—11:18，整个海雾过程从发生、发展、消散差不多持续3 h 10 min，毫米波雷达监测到海雾的雾顶高度在300～500 m间[8]。

2.1 天气形势

2月15日03:00—04:00，舟山北部首先出现大雾，然后大雾逐渐南压，08:00—10:00主要位于宁波的镇海、北仑至舟山的定海、岱山一带，10:00以后大雾逐渐减弱消散，这一带小范围出现的大雾是锋前雾。从自动观测站资料看(图略)，15日02:00舟山北部至杭州湾一带转为北风，04:00—05:00镇海、北仑至定海、岱山一带转为北风。08:00地面和高空形势(图3a～3c、3g)显示，850 hPa到500 hPa是槽前西南气流，925 hPa弱切变正好位于象山港北岸至舟山一带，地面锋面已经移入东海海面。对于镇海、北仑至定海、岱山一带，08:00前后冷空气已经影响到低空的925 hPa(800 m左右)，而925 hPa上面仍是暖空气。到了20:00(图3d～f)，850 hPa以上仍是槽前西南气流，850 hPa象山港北岸至舟山一带有弱切变，925 hPa宁波、舟山是东北气流。形势表明，这次冷空气强度很弱，沿海只影响到宁波、舟山一带，并且非常浅薄；由于白天一直维持着上暖下冷的锋面结构，这为锋前雾的发生提供了有利的天气背景。

2.2 高空风场

2月15日的北仑港航道的海雾天气过程，高空风场所用资料主要有2018年2月15日03:00—13:00余姚市气象观测站(30.0239°N，121.1401°E)的风廓线雷达观测资料。风廓线雷达为北京无线电研究所生产的6～8 km风廓线雷达(型号：CFL06)，最小探测高度为150 m，最大探测高度为8000 m以上，垂直探测分辨率分别为120 m(150～3 km)、240 m(3～8 km)。从8 km风廓线的资料(图4)分析发现高空处于西风气流中，风速平稳，5000 m以上40 m/s，3 km～5 km风速在16～20 m/s之间，1.2～1.8 km西南风为主，1.2 km以下由03:00西风逐渐转为06:00后东北风5～6 m/s，上述分析跟天气形势一致。而且06:00后的东北风将海上潮湿空气往港区航道输入，湿度增加。另外，高空西南风低空东北风，上下大气风向不一致，不利于垂直方向空气交换[13]，有利于雾霾的产生。

图3 2018年2月15日08:00 500 hPa(a)、850 hPa(b)、 925 hPa(c)、20:00 500 hPa(d)、850 hPa(e)、 925 hPa(f)风场、高度场、温度场和08:00地面场(g) (紫线为高度等值线，单位：dagpm；红线为温度等值线， 单位：℃;棕色线为槽线或切变线;蓝色线为地面锋面)

图4 2018年2月15日宁波余姚6～8 km风廓线监测风场

2.3 地面要素

2.3.1 高塔梯度观测

选取2018年2月15日宁波北仑凉帽山无人岛(29.9107°N，122.0242°E)上370 m高塔梯度观测的57 m、234 m、285 m、320 m 4层的风速和温度(图5)进行分析(84 m、116 m、165 m、198 m的数据因为设备故障当天出现缺测)。受弱冷空气影响，近地面气温首先下降，且较明显，从图5b来看，07:00—08:00，高塔梯度观测最低层57 m的温度从10.7 ℃下降到9.4 ℃，下降1.3 ℃/h；08:00—09:00，从9.4 ℃下降到8.3 ℃，下降1.1 ℃/h。09:00—10:00，从8.3 ℃下降到8.0 ℃，下降0.3 ℃/h，温度略微波动，基本上没有下降。而处于234 m以上的3层温度在07:50左右不降反升，08:10左右又开始出现下降。雾在形成过程中低层的温度仍在持续下降，高层温度先上升后下降，逆温层持续加强，在08:50左右达到最强。但是雾形成后又阻碍了温度的下降，雾内因凝结潜热的加热作用，湍流开始发展，雾内层结结构变得不稳定，逆温层开始减弱并消失。从气温上看，10:00左右温度开始呈波动式上升，到了11:00左右，逆温层彻底破坏。从温度变化曲线上来看，随着冷空气的渗透，高层的气温在缓慢下降，逐渐与低层保持一致，雾处于消散期。冷空气影响到高空以后，高层气温近一步下降，低于近地面气温，雾消散。

图5 2018年2月15日宁波北仑凉冒山370 m高塔风速(a)、温度梯度(b)观测

2.3.2 地面自动站观测

主要利用港区激光云高仪周边自动站和能见度仪的资料，选取周边距离最近的臻德环保(K2288)、峙头(K2390)和远东码头(K2321)等气象自动观测站，其中K2390离激光云高仪最近，同时是东侧离海最近的站点，K2288只有能见度要素；而在整个港区、航道海雾的影响区域最西边选择大榭东(K2391)和大榭南(K2102)两个站。图5、图6是2月15日海雾过程的温度、风速、相对湿度、能见度等气象要素变化趋势图。起雾前几个小时航道左侧附近有雨，水汽比较充足，相对湿度逐渐增加。将2月15日航道海雾过程分为3个阶段：初发生阶段(07:00—08:00)、成熟阶段(09:00—10:00)和消散阶段(11:30-12:30)。

图6 2018年2月15日大猫岛(K2287)、白鹅山礁(K2295)、 臻德环保(K2288)能见度和大榭南(K2102)相对湿度变化

初发生阶段，海面上开始出现薄雾，先于陆地起雾，07:50前后沿海能见度开始下降，大猫岛K2287能见度由7135 m变为4571 m，附近湿度大榭南K2102由76%变为86%，K2391湿度由88%变为89%，相对湿度都处于75%～90%之间，能见度下降到5 km左右，呈持续下降趋势，此时处于轻雾天气。成熟阶段，低能见度高相对湿度的维持时期[14]，K2102相对湿度持续在95%以上，K2288能见度08:55开始降到1000 m以下至892 m，09:40达到最低217 m。航道海面产生浓雾，低能见度状态维持了1～2 h。消散阶段，10:30以后风速变化不大，气温有所回升，能见度迅速升高到11:30的5 km左右，但相对湿度相对变化滞后，11:25由100%下降到1 h后的90%以下，处于雾消散期。2月15日08:00—11:00，天气阴天，宁波镇海、北仑至舟山定海、岱山一带的湿度都非常大，在95%以上，而且风力不大，维持在3～4级(表1)。地面水汽充分，风力柔和，08:00—10:00逆温层结稳定，合适的气象条件有利于近地层冷却，而使空气达到过饱和，从而导致了宁波东北部和舟山地区的大雾天气。11:00以后，风力增大不明显，但湿度明显减小，大气层结破坏，大雾逐渐消散。

综合分析此次海雾的天气形势、地面要素、近地层层结，以及能见度变化趋势，可见这是一次以锋前雾为主的海雾过程，在上暖下冷的锋面背景下，地面水汽充沛、风力柔和，近地层逆温结构[15]，都为海雾的形成和维持提供了有利条件。

表1 周边站观测数据

3 傅里叶变换海雾识别

3.1 傅里叶变换原理

傅里叶变换(图7)主要包括两种方式：①将信号描述成时间的函数，②是将信号描述成频率的函数。时域中波形变换速度越快(上升时间越短)，对应频域的频率点越丰富。傅立叶变换将原来难以处理的时域信号转换成了易于分析的频域信号(信号的频谱)，可以利用一些工具对这些频域信号进行处理、加工。时域N个点→频域为N/2+1个点，采样频率为fs时，频谱图的最高频率为fs/2。

图7 傅里叶变换原理

3.2 海雾识别方法

将信号描述成频率的函数，当遇到不同的天气过程时，空气中气溶胶粒子的波动频率不同，频谱分布也不一样。利用傅里叶变换的方式研究海雾天气过程时粒子对应的频率分布，应用到激光雷达海雾监测数据分析中，海雾颗粒主要是微小水滴分子，雾滴粒子小且轻，波动幅度比较大，以高频为主[16]。与霾颗粒中粒子波动和频率表现不同，霾主要是颗粒物分子，霾颗粒物粒子大且重，波动幅度比较小，以低频为主，以此可以用来区分雾、霾天气。

3.2.1 后向散射系数时空分布

2018年2月15日宁波北仑港区沿海航道的海雾过程，发生时段在07:50—11:18间。利用激光云高仪给出当天24 h的后向散射系数时序(图8)，从时序图上看，1 km以下07:50之前后向散射系数在0(km-1·sr-1)以下，然后到12:00之间近地面500 m左右后向散射强度比较强，可以比较清晰地看到后向散射系数明显增大，近地面后向散射强度最强达到0.5(km-1·sr-1)，颗粒物在近地层堆积，分布极不均匀。

图8 2018年2月15日宁波北仑云高仪后向散射系数时序

图9 2018年2月15日海雾过程垂直廓线

选取2月15日海雾过程中比较关键的四个时间点07:50、09:00、10:00、11:50的激光云高仪后向散射系数进行分析，从高度廓线上(图9)可以看出，此次海雾过程云高仪后向散射系数峰值高度经历了先下降后上升的一个过程。从廓线图中可以大致看出海雾发生过程中散射系数峰值的变化情况，07:50左右，海雾开始出现，散射系数在250 m高度达到最大，最大值达到800(km-1·sr-1)，说明此时东北方向海上来的冷空气到达后，带来了充沛的水汽，湿度增加，气溶胶粒子吸湿后下沉，低云或者水汽下沉，与近地面水滴融合，形成雾；随着地面雾滴粒子浓度的不断增大，散射系数峰值高度也是持续下降，09:00、10:00的散射系数在100 m左右达到了最大值，最大值超过1000(km-1·sr-1)；随着海风的不断增大，东北部湿度又明显减小，大气层结被破坏，海雾逐渐扩散，散射系数峰值的高度逐渐升高，11:50最大值减小到200(km-1·sr-1)。通过激光云高仪不同时次的后向散射系数廓线可以看出海雾从发生到消散的整个过程趋势，这与地面气象要素记录的海雾发生过程具有较好的吻合性。

3.2.2 傅里叶变换

毫米波雷达监测到本次海雾过程的雾顶高度在300～500 m间，因此我们选取250 m处的激光云高仪监测数据进行分析，从250 m高度后向散射系数廓线图(图10a)上看，07:50、11:20左右有两个比较明显的脉冲凸起，在这两个时间点附近后向散射系数数值比较大，有比较明显的回波。两次脉冲凸起与毫米波雷达监测到的起雾时间(07:50)、消散时间(11:18)对应；与能见度、湿度监测数据也有明显的相关，100 m开外的K2288能见度站点08:00左右能见度数据从9000 m左右急剧下降，08:55开始降到1000 m以下至892m，09:00降到662 m，09:40最低217 m，然后从09:50的384 m快速上升到10:00的1721 m，11:30能见度回落10 min后继续上升；附近K2102湿度从07:50的95%上升到09:10的100%，又从11:15开始急剧下降，12:30到90%以下。

进行傅里叶变换，对应250 m高度傅里叶变换频谱图(图10b)，采样频率(fs)取1；频率从08:00—12:00点明显数值较大，通过计算得到的高频百分比(图10c)所示，海雾过程中频率明显高于其他时间段，并且多数超过50%，与上面地面气象要素分析吻合度较好。

结合能见度和相对湿度数据(图6)，对激光云高仪监测数据的分析，可以看出在此时期间激光云高仪捕捉到了一次明显的海雾过程。

4 结论

(1)本次海雾过程是一次以锋前雾为主的海雾过程，在上暖下冷的锋面背景下，地面水汽充沛、风力温和，近地层逆温结构，为海雾的形成和维持提供了有利条件。

(2)通过对风廓线雷达资料分析，上下大气风向不一致，不利于垂直方向空气交换，有利于雾霾的产生。

(3)激光云高仪后向散射系数可以比较清晰的得出雾滴粒子的光学特性和过程演变趋势。海雾发生和消散时，后向散射系数大，并且有触发脉冲式凸起。雾滴粒子随着海雾的生成、发展、消散，后向散射系数强度也呈增强、强、逐渐减弱的变化。

(4)雾天气现象下雾滴粒子小且轻，波动幅度比较大，某一高度粒子的傅里叶变换频率谱对应频率较高，高频所占比多数大于50%。