闽东海雾天气概念模型与基于LORA监测技术的检验分析

时间：2024-05-25

陈胜军，孙巍巍，陈骥

福建省宁德市气象局，福建宁德 352100

闽东地处福建东北部，位于我国大陆黄金海岸线中段，其中三都澳港区位于宁德市东南部，属半封闭海湾，湾口狭长、湾内分区短、群山遮挡、岛屿掩护，是天然避风港，因此容易造成海雾的形成和维持。海雾是闽东冬、春季节重大海洋气象灾害之一，给大气海洋灾害频发的气候系统脆弱地区带来较大压力，严重影响航运、港口生产、海洋渔业、海上搜救、涉海工程、特色旅游等。因此加强对闽东沿海地区海雾的观测和预报研究工作很有必要。

近几年，国内外对海雾的研究不断取得显著成果[1-3]。在ISI Web of Knowledge的SCIE平台，可以检索到很多海雾相关文献。但研究闽东沿海海雾较少且基础薄弱，尤其是海雾精细化预报服务、海雾观测能力不高，依托“海上福建”项目，近年来，在闽东沿海逐步建设了激光能见度雷达、六要素自动站气象观测站、基于LORA的海雾观测系统，为提高海雾监测与预报水平提供了更多的手段，海洋气象仪器更加精密，海洋气象区域预报更加精准，为海雾预报与机理研究提供了思路与方法。

1 资料与方法

选取2017—2021年闽东沿海海雾实况数据，再利用6 h一次的1°×1°的NCEP再分析资料对海雾发生时的500 hPa和850 hPa环流形势和地面气压场特征进行分析，得到有效、关键的天气概念模型，并利用基于LORA技术的海雾协同观测资料对典型海雾过程进行实况检验，提高LORA海雾监测系统的可用性和有效性。

根据闽东有LORA观测数据以来的数据表明，在能见度＜2 km时，LORA反演效果普遍较好，因此将海雾过程定义为：选取的沿海自动站中有至少一个站点能见度＜2 km，能见度＜2 km的时间至少≥2 h。

2 海雾出现频次的变化特征

从图1可看出，闽东海雾天气多发生于冬、春季，12月至翌年5月为多发期，其中春季多平流雾，冬季多辐射雾，夏季雾日天数相对较少。由图2可看出，受太阳辐射和海陆差异的共同影响，闽东海雾过程日变化特征明显，多发生于21:00至次日09:00（占77%），07:00、08:00出现频次最多，其他时刻发生海雾频次极少。受海陆分布和局地热力环流影响，沿岸处具有明显的陆地特征，尤其是在三都澳一带，其日变化特征接近陆地特征，表现为明显日变化幅度。

图1 2017—2021年闽东海雾总天数月分布

图2 2017—2021年闽东海雾日变化特征

3 海雾发生的天气形势与概念模型

海雾主要发生于边界层内，但与大尺度天气形势有密切关系，中层大气环流所具备的引导气流对近地面风向风速均有影响。当地面边界层静风时，空气中凝结的小水滴不易被吹散或抬升成云，悬浮在近地面层，一旦边界层有较好水汽条件极易形成雾，而水汽条件辐散辐合与大气环流又有密切关系，因此分析中低层环流特征和地面形势为提高海雾预报准确率提供帮助。经统计分析发现（表1），闽东海雾发生可总结为4类概念模型（以地面分型为主，配合对应的500 hPa和850 hPa环流形势）。

表1 闽东海雾过程天气形势分型

从表1可看出，在四类天气分型中，均压场型占比最高，约占所有模型的44.8%。在这模型下，闽东地区介于新旧系统转换之间，或处于减弱的弱高压范围内，或者原来影响的天气系统已离开或减弱消失，无明显系统影响，也没有明显气压梯度，闽东地区气压场均匀，而850 hPa在切变南侧偏南气流的影响下，有利于输送水汽，为大雾形成提供了低层水汽条件。配合均压场控制，风速较小，大气垂直环境稳定，乱流作用不强，不至于将水汽抬升至过高的高度而凝结成云，在这种形势下，当夜间辐射冷却时易使边界层水汽凝结成小水滴并悬浮在近地面层。

占比次高的是冷锋前侧型，此时锋面常在上游浙江、江西、闽西北一带，闽东处在冷锋前侧，地面冷空气多以中西路南下为主，因为海面持续有大量水汽蒸发，一旦冷空气渗透南下，在其冷却作用下，便在沿海一带形成海雾。这种形势下，500 hPa高空槽位置偏西偏北，而850 hPa切变东移南压，闽东在切变南侧偏南气流的影响下，水汽条件较好，遇冷凝结易形成海雾。

另外，高压后部型和倒槽型。当地面和低层处于高压后部时，低层850 hPa偏东气流或偏南气流将外海暖湿气流输送到沿海一带，而由于海陆热力差异作用，沿海或内海海岛一带低层温度较低，形成逆温层，输送的充足水汽缺少向高层抬升条件，便形成雾。地面倒槽型常配合850 hPa切变南侧偏南气流影响，此时500 hPa处于槽前西南气流控制，而地面倒槽是低层暖平流作用的结果，有利于在地面形成弱的负变压，使底层水汽过饱和凝结成雾（图3）。

图3 闽东海雾天气概念模型

4 基于LORA监测技术的检验分析

LORA是指一种基于远距离物联网无线电通信技术，LORA技术融合数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，具有通讯站可独立组网、抗干扰能力强、超低功耗、灵敏度高等优势，便于海上组网监测海雾天气过程。LORA信号对海雾过程十分敏感，根据李效东等[4]研究表明，LORA监测数据在能见度＞3 km时数据波动较大，误差＞±20%，在低能见度时监测数据有效性更强。闽东有LORA观测数据以来的数据表明，在能见度＜2 km时，反演效果普遍较好，因此依托福建省海雾监测平台，选取2022年1月1日—5月15日宁德市港务集团(C0A8167F)、福安市湾坞村(C0A 81673)、福安市藟尾村(C0A81693)、蕉城区三都镇(C0A817B8)、七星村月爿屿(C0A817C2)、蕉城区海上饵料交易市场(C0A806CB)、霞浦县盘前村(C0A8167D)LORA海雾观测站点数据＜2 km的样本进行检验分析，同时检验分析海雾监测数据与自动站数据，自动站选取站点分别是蕉城城南镇（F3825）、蕉城三都镇斗帽岛2（F3813）、蕉城三都镇海上社区（F3821）、霞浦北壁乡沙塘村（58854）。

通过LORA海雾监测平台数据与自动站能见度检验对比，定义准确率为平台与自动站均出现雾，漏报率为平台无体现但自动站监测有雾，空报率为平台有体现但自动站监测无雾。为提高数据的有效性，选取的样本均为能见度＜2 km的时刻，且维持时刻≥2 h均定义为雾时。根据样本统计结果，得到以下检验指标（表2）。

表2 LORA海雾监测系统检验指标占比

以上结果表明，LORA较好地反映了海雾的反演结果，但存在漏报率、空报率，根据天气概念模型结果对比分析可看出，漏报率出现时刻均是均压场型和冷锋前侧型，这2种模型下地面风速较小，而空报率出现的时刻多是地面南风偏强的情形，说明大气中的风对LORA信号强度指标具有一定的影响，与李效东等分析结果一致，但准确率较低。这是因为LORA信号强度与传输距离呈对数相关，闽东沿海部署的LORA海雾观测站相较于自动站位置均处于相对靠外海位置，而自动站分布密度较低，且主要在沿岸或海岛一侧，存在挡角，综合以上误差原因与检验评估指标，在优化上述观测网络的基础上，LORA海雾观测站对海雾的过程有较好的反演效果，可作为海雾预报预警的有效技术解决方案，为提高海雾监测与预报水平提供了更多的手段。

5 典型海雾过程监测对比

根据气象自动站资料，2022年3月30日20:00起观测到有海雾生成，且能见度长时间维持小于500 m的浓雾状态，持续至31日08:00，然后能见度上升到2 km以上，海雾逐渐消散，过程结束。从LORA海雾监测系统反演结果可看出，3月30日17:35开始已经监测到有轻雾生成，且RSSI信号强度显示，低能见度维持到4月1日06:00，仅在3月31日10:30~11:30能见度有所上升，其他时刻平台均计算出有轻雾，海雾生成阶段反演结果早于自动站观测时间，消散阶段反演结果晚于自动站观测时间。这种误差与站点分布差异有关，LORA海雾观测站主要分布在三都澳海区中部和东部，而自动站主要分布在三都澳西部和南部，存在地理位置上的挡角。就整体海雾天气来看，LORA海雾监测系统与海雾过程基本吻合，能够较好地反映出海雾维持过程。

之所以会出现LORA监测海雾生成时次过早和消散时次过晚，与大气环流所造成的水汽条件和风速有关。从图4可看出，此次过程起始阶段冷锋位置偏北，闽东地面处于均压场，850 hPa受切变南侧偏南风控制，且风速弱辐合带来低层水汽弱辐合，而500 hPa处于南支槽前平直偏西气流，系统抬升条件较弱，是典型的均压场天气概念模型。从925 hPa水汽通量散度可看出（A处），在3月30日17:00闽东沿海一带边界层有弱的水汽通量辐合，与LORA海雾监测系统反演出的低能见度相对应，而实际上到3月30日20:00，冷锋逐渐南压，此时冷空气从沿海回流南下，温度下降才使得水汽凝结成雾[5]。3月31日14:00，边界层水汽已明显减少（B处），但LORA海雾监测系统反演结果一直显示有轻雾，这除了与降水干扰有关外，还与边界层风速有关，因为3月31日08:00—4月1日06:00，闽东沿海一带有7个乡（镇、街道）极大风速大于20.8 m/s（9级），3个乡（镇、街道）大于24.5 m/s（10级），而风速较大时，有利于雾消散。因此，LORA海雾监测系统信号强度指标受大气中的水汽条件、风速和降水的干扰而产生误差。在实际日常预报中，这些干扰因素都是预报员可以排除的因子，不影响LORA海雾监测系统的有效性。从以上分析可见，LORA海雾监测系统对海雾落区和整个起始、维持阶段都有较好的反映，且存在一定的准确率，对海雾天气告警具有提前性，可作为增强海雾协同观测能力的有效手段，对提高海雾精细化预报能力有较好的指示作用。

图4 2022年3月30日天气形势