海雾是指在海洋的影响下发生在海洋上的雾它对海上航行.docx
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海雾是指在海洋的影响下发生在海洋上的雾它对海上航行
一、引言…………………………………………………………...2
二、GOES9卫星的PGM云图在海雾雾区确定上的应用…………….5
2.1数据来源……………………………………………………………….5
2.2本文所研究的海雾个例……………………………………………….5
2.2.1地面天气形势和水汽条件………………………………………...5
2.2.2海温和气温条件…………………………………………………...7
2.2.3大气层结结构……………………………………………………..8
2.3利用PGM云图和沿岸能见度资料确定海雾……………….11
2.3.1可见光云图在海雾确定上的应用………………………………..11
2.3.2红外云图在海雾确定上的应用………………………………….14
三、确定的反照率在其它海雾过程中的应用……………………15
四、结论…………………………………………………………..17
五、参考文献……………………………………………………..18
六、致谢…………………………………………………………..19
摘要
海雾是指在海洋的影响下发生在海洋上的雾。
它对海上航行、海洋军事，近海的水产养殖和农业生产等都有严重的危害。
由于海雾的独特性，用卫星遥感资料帮助分析海洋上的海雾天气过程，具有其它资料和方法不可比拟的优越性。
本文以2005年03月09日黄海中部的海雾为研究个例，首先分析了海雾发生时的天气形势，判断出海雾的类型为平流雾，然后获取GOES9卫星的PGM原始灰度信息，经转化、提取和分析处理后，得到可见光云图和红外云图。
再通过对可见光云图和地面站能见度的比较，确定雾区在可见光云图上对应的反照率为0.12左右。
经过对云图的细化、增强处理以及多幅可见光云图和地面站能见度的比较，确定雾区的反照率的具体值为0.13。
将0.13应用到黄海其他两次海雾过程中去，判断结果与实际吻合的很好。
将由可见光云图确定的雾区与红外线云图上的亮温进行比较，尝试确定红外云图上的亮温和反照率的关系，并试图结合探空曲线来确定海雾上限，结论说明这种方法是不可行的。
关键词：
海雾、GOES9卫星、PGM云图、反照率
一、引言
雾是日常生活中常见的近地面层大气中的水汽凝结现象。
雾的浓度较大时，会给交通运输和日常生活造成很多不便。
海雾是指在海洋的影响下发生在海洋上的雾
（1），是海洋上低层大气中的一种水汽凝结现象，由于水滴或冰晶（或二者皆有）的大量聚积，可能使能见度低于1km。
在海洋上航行的船只碰到海雾，如果不警惕，就有发生航海事故的危险。
根据舟山市海事局统计，在舟山海域发生碰撞、触礁等事故时，大多数是在雾天。
海雾对近海的水产养殖业、农业生产以及海洋军事等都有严重的危害。
同时，当海雾持续的时间比较长且分布范围比较广时，排放在其中的二氧化硫、氮氧化合物等与之作用，极易形成酸性雾，加上雾区风速较小，因而这种酸性雾不易扩散。
一旦这种酸性雾蔓延到海岸上，将会对建筑物、动植物，尤其是人体，造成严重的危害。
虽然目前对海雾的生成机制还没有十分清楚的认识，但对其生成所需要的水文气象条件已经有了一定的了解。
有一点是肯定的，即海雾生成需要风场、温度场、大气层结结构和水汽等条件在特定的天气形势下有效配置。
比如暖湿空气必须在一定的天气形势下，具备一定的流场条件，才能平流到较冷的海面上，冷却达到饱和，从而形成海雾。
海雾的生成还与海流、海表面的温度（SST）等有关，尤其在讨论海雾的变化时，应考虑上述因子的影响。
对某一海域而言，较冷的下垫面（即冷海面）条件一旦具备了，是相对稳定的，在一段时间内，可以认为是定常状态，而暖湿空气则不然，它必须在一定的天气形势下，具备一定的流场条件，才能平流到较冷的海面上，即是否存在适宜的暖湿空气决定于天气形势如何。
根据现有文献
（2）（3）（4），我国沿海有利于海雾出现的天气类型主要有以下几种：
（1）、太平洋高压脊西伸型。
即入夏以后，太平洋高压西伸、北跳至我国沿岸地区，如果这时候高压西部脊的边缘正好控制沿海附近，沿岸会吹偏东南风，当风力不大时，有利于海雾形成。
（2）、气旋和低槽东（南）部型。
气旋出海前，沿岸地区正处于气旋暖锋前的东—东南气流中，在风速不太大的条件下，有利于海雾的形成。
如黄河气旋引起的平流雾多于春、夏季出现在渤海和黄海北部沿岸；而由江淮气旋引起的平流雾多出现在春、夏季节的黄海沿岸。
（3）、静止锋或冷锋型。
当岭南附近有静止锋或冷锋，锋前的气压梯度小，东海南部以及南海沿岸为微弱的南—东南风时，易形成雾。
这种类型的雾主要出现在冬、春季节，南海北部沿岸海雾50%产生于此种类型。
（4）、弱高压内部型。
春、夏季节，我国东部沿海地区有时在弱高压控制之下，这时气压梯度极小，沿海处于均匀气压场中，吹微弱的东南风，有少量水汽输入，高压有下沉逆温，运量少、风速小，气温一旦下降到一定程度，空气达到饱和，即可形成雾。
（5）、入海变性高压西部型。
冷高压入海后，若其厚度很大，且在海上长时间停留，则十分有利于形成平流雾。
这种类型有两个副型：
北高型和南高型。
出现北高型时，海上高压中心在35°N或以北，这类海雾的海上高压大都是原在亚洲大陆的变性冷高压在黄、渤海入海，于海上高压合并后形成的。
出现南高型时，海上高压中心在35°N以南，这类海雾的海上高压大都是原在河套地区的变性冷高压在长江口或闽南、浙江入海。
而海雾往往是高压中心入海后1—2天，沿海出现偏南大风，以后风速逐渐减弱，黄、东海即可有雾。
根据海雾的形成特征及其所在海域海洋环境的特点，可将其分为平流雾、混合雾、辐射雾和地形雾四类
（1）（3）。
（1）、平流雾是指空气在海面上水平流动时生成的雾。
暖湿空气移动到冷海面上空时，底层冷却，水汽凝结形成平流冷却雾。
这种雾浓度大、范围广、持续时间长，多生成于寒冷区域，春季多见于太平洋的千岛群岛和大西洋的纽芬兰附近海域。
我国春夏季节，东海、黄海区域的海雾多属于这一种。
冷空气流经暖海面时生成的雾叫平流蒸发雾，多出现在冷季高纬度海面。
（2）、混合雾是指海洋上两种温差较大且又较潮湿的空气混合后产生的雾。
因风暴活动产生了湿度接近或达到饱和状态的空气，冷季与来自高纬度地区的冷空气混合形成冷季混合雾；暖季与来自低纬度地区的暖空气混合则形成暖季混合雾。
（3）、辐射雾是指夜间辐射冷却生成的雾。
多出现在黎明前后，日出后逐渐消散。
在海滨、港湾和高纬度内海，由于油污或杂质覆盖在海面上生成的雾，称浮膜辐射雾；因海水蒸发而在低空积聚的盐粒层上形成的雾，叫盐层辐射雾；在高纬度冰雪覆盖的海面或巨大冰山面上形成的雾，叫冰面辐射雾。
（4）地形雾是海面暖湿空气在向岛屿和海岸爬升的过程中，冷却凝结而形成的雾。
全球各大洋的海雾，类型种类很多，但其中范围大、影响严重的主要是受冷海流影响产生的平流雾。
根据长期经验和有关数据统计结果（3），在我国沿海地区，在冷、暖洋流交汇处，每当有适当的风向，将暖湿空气吹向冷海面时，就容易生成海雾。
我国的海雾发生季节各不相同，南海、东海、黄海和渤海分别在2—4月、3－6月、3—7月，8月以后海雾就很少出现。
海雾范围广、厚度厚、浓度大、多变化、持续时间长，日变化不明显，可以整日不消，甚至维持10天以上。
当风由海上吹向大陆时，海雾可以乘风深入内陆达100km。
登陆的海雾一般在夜间，白天就抬升为低云或暂时消散，入夜后又登陆，有时可以反复数次。
预报我国沿海海雾的生消有下述一些经验：
海雾与气温、水温、温度露点差的关系方面，据统计温度露点差在l℃以下时出现的海雾，占海雾出现总数的88%，其中又以温度露点差为0.1—0.6℃时产生海雾的次数最多。
海雾常在气温高于海温大约l0℃时出现，冬季入海的河水温度常比海水温度低。
当风从低纬度吹来时，则较暖湿的空气在河水入海口附近，就特别容易产生雾。
沿海海雾的生消与风向风速有密切关系。
如胶东沿海当风向由西北转为东、南象限时，最容易产生海雾。
风速在2－10m/s，出现海雾的机率大，特别是风速在4—5m/s最为有利；风速小于2m/s时出现海雾的机会极少，但风速大于15m/s时出现的海雾常伴有恶劣天气。
海雾的系统的预报方法（3）主要有：
（1）、天气学方法，即天气形势预报法。
海雾的类型主要是平流雾和锋面雾。
平流雾是在某些特定的天气形势下，低空暖湿气流移动到冷的海面上而形成的。
海面的热力状况在短期预报的时效内变化甚微，可视为定常，所以对短期预报而言，天气条件是否有利是平流雾能否生成的主要因素。
锋面雾是和冷暖锋活动联系在一起的。
因此只要预报出未来的天气形势，再参考其他的指标，就可做出未来是否有雾的判断。
（2）、动力与统计相结合的海雾预报方法，利用站点定时观测资料，以数值预报输出资料和天气图资料作为历史资料，经过统计分析，建立预报方程，然后根据所要预报时段的数值输出资料代入预报方程做出预报。
近年来，把数值预报和统计预报结合起来成为统计动力预报，取得比较明显的效果。
（3）、综合预报法，就是要素分析、回归方程相结合的预报方法。
由于海雾的预报要考虑的因素多而且不同的地方影响因素有所不同，就目前的预报来讲，还没有一个有效且能广泛适用的预报模式。
但是，随着计算机技术和卫星遥感技术的飞速发展，通过气象卫星从太空中对某一区域的大气进行全面的直接观测，尤其是在广袤的海洋上等一些人烟稀少或不能建立地面观测站的地区，卫星云图资料起着极其重要的作用。
目前，气象卫星云图已成为气象预报业务中不可或缺的工具。
但我们平时所看到的普通云图是经过处理的PGM云图，其中含有的由卫星直接获得的原始数据资料—灰度信息—已经被处理和屏蔽。
正因为如此，本文探讨使用GOES9卫星的含有原始观测信息的PGM云图辨别海雾，未尝不是一种有益的尝试。
二、GOES9卫星的PGM云图在海雾雾区确定上的应用
2.1、数据来源
为了准确分析海雾发生时的天气状况，从美国NECP历史再分析资料网站（6）上，根据海雾发生区域的准确的经纬度和日期，截取地表面2m处的气温资料和有关的气压、空气湿度资料。
为了能准确了解大气层结结构，获取地面探空站每天08时和20时的探空资料；为了能有效的应用PGM云图资料，获得沿海地面观测站原始记录资料*。
PGM云图是包含有卫星探测的原始数据信息资料的灰度图。
为了获得美国GOES9卫星的PGM云图原始数据，用有关的资料获取程序*，根据海雾发生区域的准确的经纬度和日期，获得日本高知大学气象资料网站（5）上的GOES9卫星可见光（VIS）和红外第一通道（IR1）对应时间内的数据资料。
2.2、本文所研究的海雾个例
海雾的形成需要有各种要素的密切配合。
本文以2005年03月09日的海雾过程作为研究对象，从总体天气形势、海温和气温的特征、大气层结结构和流场条件等几个方面进行分析。
2.2.1地面天气形势和水汽条件
图1给出的是地面日平均气压分布图：
*：
地面站资料、探空数据和PGM云图的获取程序以及图片生成程序由高山红博士提供。
ab
图1：
2005年03月09日和10日的地面日平均气压分布图。
（a为09日，b为10日。
单位为Pa。
）
从图1中可以看出，黄海区域等压线稀疏，故可判断风速不大。
在黄海区域有一中心值为1020hPa的弱高压，根据天气形势特征，并结合海雾发生时的天气形势分类，可判断总体天气形势为弱高压内部型，有利于海雾的形成。
再看水汽条件。
根据图1的气压分布，能大体判断风速不是很大。
由图2地面观测站的风分布可以看出：
ab
图2：
北京时2005年03月09日08时和17时的地面观测站风场分布图。
（a图为08时，b图为17时。
图中的箭头是根据风的方向标示的气流方向。
）
沿海观测站08时的风速在4--8m/s，17时的一般在4m/s左右，风速适中。
同时由图2中箭头所示可以看出，气流沿我国的沿海一线，由东南朝西北方向吹来，是从海洋吹响陆地，会带来大量的水汽，加上风速不是很大，会有利于海雾的生成。
在图3相对湿度分布图上，
图3：
2005年03月09日的海面日平均相对湿度分布图。
（单位：
%）。
黄海中部地区有相对湿度较大中心，中心最大值达到了90%，水汽充足，提供了海雾形成所需要的水汽条件.
2.2.2海温和气温条件
图4和图5分别给出了2005年03月以07日为中心的渤黄海周平均海表温度（SST）分布和2005年03月09日的海面2m处的日平均气温分布：
图4：
以2005年03月07日为中心的渤、黄海周平均海表温度（SST）分布图，单位为℃。
图5：
2005年03月09日海面2m处的日平均气温分布图。
单位为K。
观察图2可知，黄海中部海域的平均海温在6℃左右，黄海南部海域平均海温9℃左右，在黄海东南部有一向北延伸到渤海湾的海水暖舌。
观察图3的日平均气温分布图可知，在海面2m处的气温分布中，黄海中部海域平均7℃（280K）左右，南部海域平均9℃（282K）左右，在黄海西北部的近海面空气中，有一向南延伸到长江口以南的冷舌。
根据温度比较，黄海中部海面2m处的气温比海温高1℃左右，有利于平流雾的形成（3），而南部海区海面2m处的气温与海温相差无几，其差别不超过1℃，故不利于海雾的形成（3）。
2.2.3大气层结结构
图6给出黄了海周边的几个有关探空站的位置，
图6：
黄海周围的几个探空站的位置。
稳定的大气层结结构是海雾形成时的重要因素。
以下是经过直线插值处理的黄海周边韩国几个地面探空站的探空曲线：
a
b
c
图7：
北京时2005年03月09日黄海周边韩国三个探空站的探空曲线和温度露点差曲线的变化趋势和比较。
（其中a、b和c分别为光州站、济州岛站和乌山站08、12、16、20四个时刻的探空曲线。
其中左侧的曲线是温度露点差曲线，右侧的曲线是温度随高度的变化曲线。
气压的单位为hPa，温度单位为℃。
）
从图7的探空曲线可以看出，在早晨，光州、济州岛和乌山都有弱逆温层存在，并随时间的推移而逐渐减弱，最终演变为高空某些层次的扰动。
早晨各站的温度露点差都维持在较小的值，随时间推移而逐渐增大。
再看一下我国黄海沿岸的几个地面站的探空资料：
a
b
图8：
北京时2005年03月09日我国黄海周边青岛和射阳站的探空曲线。
（a、b分别为青岛和射阳站08、12、16、20四个时刻的探空曲线。
单位同图7。
）
由图8-a可知，青岛全天都存在较强的逆温层结，且08和20时的温度露点差在0℃左右；在图8-b所示的射阳站中，虽然温度露点差要比青岛的大，但全天都存在较强的逆温层结。
由于中间时刻的探空资料是经过直线插值处理得到的，不能完全准确的表现实际逆温层结和温度露点差的变化，但在一定程度上反映了整体大气层结状况。
2.3、利用PGM云图和地面能见度资料确定海雾
地面站资料在海雾雾区的判断上能提供可靠的信息，但在广袤的海洋上，只有极少数甚至没有地面观测站，鉴于卫星遥感的优点，如不受天气和地面状况的影响、覆盖区域广、连续性强等，所以可试探着将GOES9卫星的PGM云图应用在海雾区域和上限的辨别上。
2.3.1、可见光云图在海雾确定上的应用
利用地面站每隔三小时一张的实际观测资料，根据所需资料类型的要求，只选取能见度选项，并将能见度值大于9km的站点屏蔽掉，绘制地面能见度图，同时选取对应时刻的可见光云图，进行比较。
图9所示为某一时刻的能见度和可见光云图的比较：
ab
图9：
北京时2005年03月09日11时的可见光云图和地面能见度的比较。
（a图为地面站能见度，小于10的整数的单位为km，大于10而小于1000的整数的单位为m，以下同；b图为可见光云图，标题上所带的时间为世界时（UTC），以下同。
）
由图9—a可知，11时，连云港地面观测站的能见度为200m，射阳站的能见度为1km，青岛站的能见度为5km，则可以判断，此时海雾已经侵入连云港地面观测站，射阳地面观测站恰好处在海雾区域的边缘，青岛观测站离海雾区域比较远。
根据这一判断，可大致确定有海雾地区的可见光云图反照率最小值在0.12到0.15之间，由于0.12到0.15之间的间距为0.03，不能确定具体值，所以将间隔缩小，将0.10到0.18之间的间隔每隔0.01取值。
图10为间隔经过修改的2005年03月09日11时和12时的两副可见光云图。
ab
图10：
北京时2005年03月09日11时和12时的经过细化处理的可见光云图。
（a图为11时的云图，b图为12时的云图。
）
对资料进行处理后，再选取相应时刻的可见光云图和地面站资料进行比较，可确定所选取的可见光云图反照率为0.13。
为使雾区在可见光云图上能更清晰的反映出来，对可见光云图采取增强显示处理（7），以可见光云图反照率0.13和0.20为分界点，用三种颜色将不同反照率区域的范围表示出来，并和地面站能见度比较。
对应时刻地面站能见度和可见光云图的比较如图11所示：
ab
图11：
北京时2005年03月09日11时地面站能见度和经过增强处理的可见光云图的比较。
（a图为地面站能见度，b图为可见光云图。
）
由于每天与地面能见度对应的时刻的可见光只有11时和14时的比较准确，为了进一步检验所选取的反照率0.13是否合适，根据海雾在可见光云图上的特征，如变化比较缓慢、边界清晰，雾层厚度在300m以上时呈白色、纹理光滑、均匀、无暗影等，将确定好的反照率应用到09日不同时刻的云图中，以验证其正确性。
图12为连续时刻的可见光云图的比较：
ab
cd
ef
图12：
北京时2005年03月09日10时到15时经过增强处理的连续六个时刻的可见光云图的比较。
（图a—f分别为10到15六个连续时刻的可见光云图。
）
观察以上六幅图，浅色的区域在经过增强处理的可见光云图上表现的范围清晰、变化缓慢、边缘光滑。
根据可见光云图上海雾的一般特征，可得出结论：
黄海上空浅色的区域为雾区，深色的区域由于反照率太大，可判断为云区。
经分析可知，通过选取合适的反照率，在可见光云图上可以很好的确定雾区；但可见光云图是根据目标物体对光线的反照率来反映云雾的特征的。
GOES9卫星是地球同步静止轨道卫星，根据地球的自转规律，在我国春季，北京时每天10时到15时之间的云图比较清晰，可信赖度比较高，而08、09时及以前和16、17时及以后的云图资料，由于受光线影响，失真比较严重，不能完全正确的反映云雾的范围和特征。
正是鉴于可见光云图在确定雾区上的缺点，如：
晚上不能使用、早晨傍晚失真严重等，我们尝试使用红外云图来确定云雾区。
2.3.2、红外云图在海雾确定上的应用
红外云图是根据云雾的辐射温度反映云雾特征的。
红外线在长波段，而云雾的辐射主要是红外长波辐射，所以红外观测受可见光的影响比较小，即使是在可见光云图不能正常反映云雾特征的夜间，也可以正常发挥作用。
但考虑到表层海温（SST）的因素，由于海雾是近海面低层大气中的天气现象，海温是影响海雾形成和特征的重要因素，且海表温度（SST）和海雾温度的差别不会很大，因此，红外云图难以将海雾区域和海温区分开来。
图13给出的是选取的可见光和地面站相符合的北京时09日11时的云图：
ab
图13：
北京时05年03月09日11时，地面站能见度和可见光云图上的雾区十分吻合。
（a图为地面能见度值，b图为可见光云图。
）
通过图13-a、b两幅图的比较，很容易得出结论：
图中大范围的浅色区域为海雾影响区域。
但是比较图14中的可见光和红外云图，
ab
图14：
北京时2005年03月09日11时可见光云图和红外云图的比较。
（a为红外云图，b图为可见光云图。
）
从图14中的可见光云图和红外云图的比较中发现，可见光云图上判断为云区的部分在红外云图上能分辨出来，但对确定出的海雾区域，由于海温的干扰，很难分辨。
再对比其它时刻的可见光和红外云图，可得出结论：
使用红外云图辨别海雾雾区不可行。
正因为如此，使用红外云图辨别海雾的上限，也是不可靠的。
考虑探空曲线，观察图7和图8，在各观测站08时的资料图中，925hPa处为探测层结中低层大气逆温层的顶端，根据原始数据资料可计算出，其对应的海拔高度大约在800m左右，但平流雾雾顶的高度（3）一般不超过400m,平均才320m,因此也不能判断本次海雾发生时的海雾上限。
单独使用探空曲线确定雾顶高度也是不可行的。
三、确定反照率的PGM可见光云图在其它海雾过程中的应用
在探讨过2005年03月09日的海雾过程后，可得出雾区在可见光云图上对应的反照率为0.13；使用红外云图确定海雾区域和高度是不可行的；探空曲线只能反映出逆温层大概的高度，但也不能确定海雾的具体上限。
为了证实所确定的可见光云图反照率在确定雾区上的正确性，取反照率0.13，根据资料获取步骤，获得GOES9卫星的2005年03月27日的PGM经过增强处理的可见光云图。
图15所示为对应时刻的能见度和可见光云图的比较：
ab
图15：
北京时2005年03月27日11时的经过增强处理的可见光云图和地面站能见度的对比。
（a图为地面能见度值；b图为可见光云图。
）
由图15-a可知，11时，成山头地面观测站的能见度为100m，大连地面站的能见度为9km，青岛站的能见度为7km，则可以判断，此时海雾已经侵入成山头地面观测站，大连地面观测站和青岛地面观测站离海雾区域比较远。
再观察经过增强处理的可见光云图15-b，图上大部分的区域为黑色，表明云比较浓，虽然大连站上空也有浓云覆盖，难以判断是否有雾；但成山头站明显有雾，青岛站则距离雾区比较远。
从而说明，所选定的可见光云图上反照率0.13基本合理，能反映雾区的范围。
再看其它时间的海雾天气过程，在2005年05月31日早晨，青岛沿海地区由于海雾的影响，能见度很低。
为了进一步证明所选取的反照率的正确性，将0.13应用到这次海雾过程中，
ab
cd
ef
图16：
北京时2005年05月31日连续时刻可见光云图的比较。
（图a—f分别为10时到16时的云图。
）
观察图16，在黄海中部靠近山东半岛的海域和北部海域，各有一面积不大的云雾区域。
根据其本身的特征和变化趋势，可以判断为雾区。
由图17所示的地面站能见度和可见光云图的比较图上，
ab
图17：
北京时2005年05月31日11时的能见度和可见光云图的比较。
（a为能见度；b图为取反照率0.13的可见光云图。
）
根据图片所示，在山东半岛最东端的成山头站的能见度为300m，在可见光云图上，对应黄海北部海域上空的云雾区域。
在山东半岛南部的黄海沿岸，有两个观测站，其能见度分别为2km和6km，可判断这两个观测站处在海雾的边缘区域。
而比较可见光云图，在两站之间恰好为海雾影响区域；再结合图16可知，取反照率0.13的可见光云图能很好的反映本次海雾过程的影响区域。
四、结论
根据以上的分析和比较，可得出以下结论：
1、根据讨论，2005年03月09日的黄海中部的海雾发生时，周边观测站观测到低层大气中有明显的逆温层结存在；风从东南部海洋吹向陆地，水汽充足；加上海温低于气温，温度露点差比较小，可最终判断海雾类型为平流冷却雾。
2、通过对可见光云图进行处理以及与地面站能见度的结合，选定反照率0.13，根据反照率0.13能准确的确定09日海雾的区域和范围。
在春季，北京时每天10时至15时GOES9卫星的PGM可见光云图的可信赖度较高。
3、海雾区域和海表温度（SST）在GOES9卫星的PGM红外云图上难以分辨，使用红外云图辨别海雾区域是不可行的，从而也就不能用来辨别海雾的上限。
根据探空曲线资料，能大致判断逆温层的高度在800m左右，但也不能确定具体上限值。
4、将确定的可见光云图的反照率0.13应
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