一次海霧過(guò)程大氣波導(dǎo)形成機(jī)理的數(shù)值研究＊

袁夏玉，高山紅＊＊，王永明，張守寶

（1.中國(guó)海洋大學(xué) 物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海洋大氣相互作用與氣候?qū)嶒?yàn)室，山東 青島266100；2.中國(guó)電波傳播研究所，山東 青島266107）

在大氣層結(jié)中溫度與濕度等氣象要素場(chǎng)在垂直方向的合理配置下，大氣邊界層中傳播的電磁波會(huì)部分地被陷獲在一定厚度的大氣層內(nèi)，發(fā)生大氣波導(dǎo)傳播現(xiàn)象，形成波導(dǎo)的大氣層則被稱(chēng)為大氣波導(dǎo)［1－2］。大氣波導(dǎo)傳播特性能影響雷達(dá)和通信系統(tǒng)的工作性能，研究大氣波導(dǎo)還具有國(guó)防軍事意義［3－6］。

盡管大氣波導(dǎo)根據(jù)下墊面的不同可分為陸地大氣波導(dǎo)與海上大氣波導(dǎo)，但是兩者形成所需要的溫度與濕度梯度條件并沒(méi)有什么區(qū)別。然而，兩者溫度與濕度梯度的形成機(jī)制卻有很大的差異。譬如，高壓下沉產(chǎn)生逆溫在陸地與海洋皆發(fā)生，但是陸地經(jīng)常有長(zhǎng)波輻射逆溫而海上卻沒(méi)有，海上逆溫則多是由平流冷卻降溫而成；此外，海上空氣較陸地潮濕，容易受天氣系統(tǒng)的影響而形成有利于大氣波導(dǎo)產(chǎn)生的濕度梯度［3］。

黃海是我國(guó)近海中海霧多發(fā)海域之一［7－8］。黃海海霧以平流冷卻霧為主，其形成之前海洋大氣邊界層底部一般存在逆溫層；形成過(guò)程中霧體內(nèi)部由于機(jī)械湍流作用而表現(xiàn)為均勻混合層，霧形成后霧頂附近區(qū)域依舊為逆溫且相對(duì)濕度迅速降低［9］，這種溫度與濕度層結(jié)非常有利于產(chǎn)生大氣波導(dǎo)。在觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，有些情況下海霧發(fā)生的同時(shí)會(huì)伴隨著大氣波導(dǎo)的出現(xiàn)［10］。目前，很多研究者對(duì)黃海海霧進(jìn)行了大量的研究工作，分別對(duì)我國(guó)近海海霧進(jìn)行了天氣觀測(cè)分析［9，11－14］，數(shù) 值 模 擬 以 及 特 征 與 形 成 機(jī) 制［7，12，15－16］與 氣候特征統(tǒng)計(jì)［17－18］等研究。但由于研究出發(fā)點(diǎn)的原因，他們沒(méi)有關(guān)注大氣波導(dǎo)。

近10年來(lái)，在大氣波導(dǎo)傳播環(huán)境研究方面，研究者對(duì)我國(guó)近海大氣波導(dǎo)的天氣形勢(shì)與天氣學(xué)特征分析［19－21］、空間分布的觀測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析［22－24］、數(shù)值模式與模型［25－28］、數(shù)值模擬與預(yù)報(bào)［10，29－34］、以及形成條件與影響因子［35－37］等方面進(jìn)行了大量工作。由于我國(guó)近海為海霧多發(fā)區(qū)，少數(shù)研究者已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注波導(dǎo)與海霧的關(guān)系［21，38－40］。

在對(duì)我國(guó)近海海上大氣波導(dǎo)的研究中，海霧往往被忽視。譬如，2005年6月1～3日在黃海海域發(fā)生了1次大氣波導(dǎo)過(guò)程，唐海川等［41］利用天氣圖的各要素特別是低壓槽對(duì)濕度梯度的影響，對(duì)此次波導(dǎo)的發(fā)生、維持和消亡過(guò)程進(jìn)行了分析；成印河等［32］運(yùn)用MM5（Fifth－Generation Mesoscale Model）①http：／／www.mmm.ucar.edu／mm5／對(duì)此次波導(dǎo)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并得到了與探空數(shù)據(jù)和超視距傳播現(xiàn)象較為相符的結(jié)果。然而遺憾地是，上述研究中皆沒(méi)有提及海霧現(xiàn)象。事實(shí)上，作者利用天氣圖、衛(wèi)星圖像和探空資料觀測(cè)對(duì)此次波導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行再次分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，此次波導(dǎo)伴隨一次大范圍海霧發(fā)生（見(jiàn)圖1）。

圖1 衛(wèi)星可見(jiàn)光衛(wèi)星云圖（a，b）與1 000hPa天氣形勢(shì)（c，d）Fig.1 Visible satellite imagery（a，b）and 1 000hPa weather situation（c，d）

因此，本文將以上述黃海大氣波導(dǎo)事件為研究對(duì)象，利用新一代中尺度大氣模式 WRF模式（Weather Research and Forecasting Model）②http：／／www.wrf－model.org／index.php對(duì)此次事件中的海霧與波導(dǎo)進(jìn)行細(xì)致的數(shù)值模擬分析與研究，試圖揭示與解釋它們形成、演變的動(dòng)力與物理聯(lián)系。

1 一次伴隨黃海海霧的大氣波導(dǎo)過(guò)程

1.1 海霧過(guò)程

2005年6月1～3日在黃海海域發(fā)生了1次大范圍的海霧，圖1a中的可見(jiàn)光衛(wèi)星云圖顯示了6月2日08時(shí)（北京時(shí)，記為L(zhǎng)ST；下同）海霧／低層云強(qiáng)盛階段的影響范圍（紅色折線所包圍的乳白色區(qū)域）。查看其他時(shí)次的衛(wèi)星云圖（圖略），并且分析站點(diǎn)觀測(cè)資料（圖1c，d中圓點(diǎn)表示發(fā)生海霧的站點(diǎn)），如分析成山頭站（圖1c中紅色圓點(diǎn)）的地面溫度、露點(diǎn)溫度和能見(jiàn)度，可以得出6月1日20時(shí)～2日14時(shí)其地面溫度與露點(diǎn)溫度相差很小，同時(shí)大氣水平能見(jiàn)度都低于1km，可以判斷海霧的區(qū)域以及演變過(guò)程。分析不同時(shí)次的韓國(guó)天氣圖（圖略）以及FNL（Final Analyses Data of Global Forecast System）數(shù)據(jù)③http：／／dss.ucar.edu／datasets／ds083.2／了解到：6月1日20時(shí)在霧的西北部即渤海灣附近大陸存在1個(gè)陸地低壓系統(tǒng)，黃海海域?yàn)槟巷L(fēng)，風(fēng)速為2～4m·s－1；至6月2日08時(shí)低壓移至霧的北部即中國(guó)大陸東北部（見(jiàn)圖1c），此時(shí)霧區(qū)為偏西風(fēng)，風(fēng)速較小，為2m·s－1；隨著此低壓不斷東移，到6月2日17時(shí)，海霧主體已經(jīng)占據(jù)黃海大部分海域；隨后6月3日08時(shí)低壓向東移出朝鮮半島至日為偏北風(fēng)，風(fēng)速為2m·s－1，霧區(qū)主體隨之向南消退至黃海南部（見(jiàn)圖1b）。

1.2 波導(dǎo)過(guò)程

已有研究表明［32，41］，2005年6月1～3日黃海海域發(fā)生了大氣波導(dǎo)。依據(jù)黃海沿岸探空觀測(cè)資料得知，南京站在6月1日20時(shí)、2日08時(shí)、3月08時(shí)出現(xiàn)波導(dǎo)，同樣上海站在2日08時(shí)、2日20時(shí)出現(xiàn)波導(dǎo)（見(jiàn)圖2b），濟(jì)州島站（見(jiàn)圖2d，e）本海（見(jiàn)圖1d），霧區(qū)與光州站也都在2日20時(shí)、3日08時(shí)出現(xiàn)懸空波導(dǎo)，大連站，青島站和射陽(yáng)站探空資料并沒(méi)有顯示出現(xiàn)波導(dǎo)，這可能是由于所用探空數(shù)據(jù)的垂直分辨率較粗的緣故，這些站點(diǎn)實(shí)際有可能也會(huì)發(fā)生波導(dǎo)；同時(shí)依據(jù)6月2～3日4個(gè)時(shí)刻船上的導(dǎo)航雷達(dá)監(jiān)測(cè)到的雷達(dá)回波和高頻電臺(tái)所收到的附近海域的高頻信號(hào)［41］，繪制出3個(gè)時(shí)刻的雷達(dá)回波和1個(gè)時(shí)刻的通信距離（見(jiàn)圖2a中線條）。綜合分析上述觀測(cè)事實(shí)，得到波導(dǎo)觀測(cè)的演變示意圖（見(jiàn)圖2a）。圖中顯示6月2日10時(shí)海上波導(dǎo)已占據(jù)黃海西南部（見(jiàn)圖2a中陰影區(qū)域1），隨后到6月2日20時(shí)波導(dǎo)向北向西擴(kuò)展至黃海大部（見(jiàn)圖2a中陰影區(qū)域2），至6月3日又向南向西移至黃海南部（見(jiàn)圖2a中陰影區(qū)域3）。

如果對(duì)比海霧與波導(dǎo)的發(fā)生區(qū)域的演變過(guò)程（對(duì)比圖1a，b與圖2a），不難發(fā)現(xiàn)：除了海霧在6月2日08時(shí)先于波導(dǎo)占據(jù)黃海北部以外（見(jiàn)圖1a與圖2a中陰影區(qū)域1），此后波導(dǎo)與海霧都有向北向東擴(kuò)展的趨勢(shì)；6月2日17時(shí)的可見(jiàn)光衛(wèi)星云圖所觀察到的海霧霧區(qū)（圖略）與6月2日20時(shí)波導(dǎo)區(qū)域幾乎重合（見(jiàn)圖2a中陰影區(qū)域2），占據(jù)了黃海大部；到6月3日08時(shí)都有向南消退的趨勢(shì)（見(jiàn)圖1b與圖2a中陰影區(qū)域3），大氣波導(dǎo)的變化趨勢(shì)與海霧發(fā)展變化基本一致。顯而易見(jiàn)，此次波導(dǎo)事件中的波導(dǎo)與海霧存在非常密切的聯(lián)系。

圖2 波導(dǎo)觀測(cè)的演變示意圖（左）與站點(diǎn)觀測(cè)得到的修正大氣折射指數(shù)（右，單位M）Fig.2 Schematic illustration of the observed atmospheric duct areas（left）and the atmospheric correction refractive index derived from the observations of the station（right，unit M）

2 WRF模擬設(shè)置

WRF模式版本為V3.2.1，模擬區(qū)域見(jiàn)圖3，采用了雙向嵌套網(wǎng)格，小區(qū)（見(jiàn)圖3中D2區(qū)域）覆蓋整個(gè)黃海海域。為了精細(xì)刻畫(huà)大氣邊界層有利于大氣波導(dǎo)的模擬，模式垂直分辨率設(shè)置很高，為49層。詳細(xì)的模式區(qū)域設(shè)置參數(shù)和物理方案選取見(jiàn)表1。

模式所用的背景場(chǎng)數(shù)據(jù)為美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心提供的CFSR 再分析數(shù)據(jù)④http：／／nomads.ncdc.noaa.gov／modeldata／cmd＿pgbh（The NCEP Climate Forecast System Reanalysis，0.5°×0.5°，垂直64層，每6h／次），海溫采用 NEAR－GOOS日平均數(shù)據(jù)⑤http：／／goos.kishou.go.jp／rrtdb／usr／pub／JMA／mgdsst（North－East Asian Regional Global Ocean Observing System，0.25°×0.25°）。由于模擬結(jié)果依賴(lài)于初始場(chǎng)質(zhì)量［9］，本文采用循環(huán)三維變分手段［16］（Cycling－3DVAR）。消化了模擬時(shí)段前12h的地面（SYNOP）、探空（SOUND）、衛(wèi)星遙感反演的海面風(fēng)（QSCAT）、AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）大氣溫度廓線、SSMI（Special Sensor Microwave Imager）大氣可降水量等觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)提高數(shù)值模擬的初始場(chǎng)質(zhì)量。同時(shí)作者采用NMC方法［47］，利用CFSR數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng) WRF模式，以模擬時(shí)段為中心進(jìn)行8d的后報(bào)模擬（每天進(jìn)行2次24h后報(bào)），然后根據(jù)模擬結(jié)果為所研究的大氣波導(dǎo)個(gè)例生成獨(dú)自的特征值空間背景誤差協(xié)方差（CV5）⑥WRF同化過(guò)程需要給定的背景誤差協(xié)方差的方法有CV3、CV5、CV6三種.CV3是基于CFS（Global Forecast System）預(yù)報(bào)場(chǎng)作為模式背景場(chǎng)；CV5是根據(jù)模擬結(jié)果為所研究的個(gè)例生成獨(dú)自的特征值空間背景誤差協(xié)方差；CV6是在CV5基礎(chǔ)上加入了濕度控制變量，具體見(jiàn) WRF主頁(yè)http：／／http：／／www.wrf－model.org。。

圖3 WRF模擬區(qū)域Fig.3 WRF modeling domains

表1 WRF模式設(shè)置Table 1 WRF modeling design

⑦ η＝1.0000，0.9900，0.9845，0.9740，0.9660，0.9600，0.9540，0.9480，0.9420，0.9360，0.9300，0.9220，0.9130，0.9010，0.8800，0.6573，0.6090，0.5634，05204，0.4798，0.4415，0.4055，0.3716，0.3397，0.3097，0.2815，0.2551，0.2303，0.2071，0.1854，0.1651，0.1461，0.1284，0.1118，0.0965，0.0822，0.0689，0.0556，0.0452，0.0346，0.0249，0.0159，0.0076，0.0000.

⑧ 為了將模擬結(jié)果與衛(wèi)星云圖進(jìn)行有效地直接比較，模仿衛(wèi)星的“鳥(niǎo)瞰”方式，根據(jù)模擬結(jié)果中的云水含量計(jì)算出霧／低層云頂部高度，將其水平空間分布認(rèn)為是霧／低層云區(qū)域。判據(jù)是云水含量＞0.016g·kg－1且高度＜600m，云水含量0.016g·kg－1對(duì)應(yīng)水平能見(jiàn)度1km。

控制試驗(yàn)（記為Exp－CTL）同化時(shí)段為2005年6月1日08時(shí)～20時(shí)，模擬時(shí)間起止點(diǎn)從6月1日20時(shí)～3日20時(shí)。為了更好地理解短波輻射和長(zhǎng)波輻射對(duì)海霧和波導(dǎo)的影響，本文設(shè)計(jì)2次敏感性試驗(yàn)（分別記為Exp－SEN1與Exp－SEN2），其數(shù)據(jù)、模式時(shí)間、模擬區(qū)域與物理方案與控制試驗(yàn)相同，它們分別關(guān)閉短波輻射與同時(shí)關(guān)閉長(zhǎng)短波輻射。

3 海霧過(guò)程的模擬

3.1 模擬霧區(qū)的檢驗(yàn)

依據(jù)WRF模擬給出的云水混合比結(jié)果，采用高山紅等［16］的方法⑧，計(jì)算得到了模擬霧區(qū)（見(jiàn)圖4）。海霧在6月1日20時(shí)已在的黃海中部海域生成（見(jiàn)圖4a），對(duì)比觀測(cè)霧區(qū)（見(jiàn)圖1a，b），模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)基本相同。如6月2日08時(shí)霧的主體也連成一片，由黃海北部的西朝鮮灣一直延伸到東海大部分海域。隨后，模擬的霧區(qū)也不斷向東擴(kuò)展（見(jiàn)圖4b，4c）；到3日08時(shí)，霧也向南消退（見(jiàn)圖4d）。雖然與海霧的實(shí)際南推過(guò)程相比，模擬霧區(qū)偏慢，但是模擬結(jié)果中的溫度、濕度的垂直廓線與實(shí)測(cè)探空基本一致（見(jiàn)圖5）。因此，模擬結(jié)果較好地反映了海洋大氣邊界層溫濕結(jié)構(gòu)的變化，可以使用此模擬結(jié)果進(jìn)行大氣波導(dǎo)的演變及其成因分析。

圖4 模擬霧／低層云演變圖Fig.4 Simulated variation of the fog／stratus area

圖5 模擬與站點(diǎn)觀測(cè)的溫度對(duì)比圖Fig.5 The comparison of simulated and observed temperature at the station

3.2 海霧演變的分析

本次海霧受陸地東移的近地面低壓和其高空對(duì)應(yīng)的槽共同組成的低壓系統(tǒng)控制。模擬結(jié)果顯示，6月1日20時(shí)陸地低壓中心位于渤海灣西部的大陸上，黃海中部處35°N，116°E～129°E；給出濕度與溫度的垂直剖面（見(jiàn)圖6，7）；濕度采于近地面低壓的前側(cè)，海面盛行偏南風(fēng)，這時(shí)海霧已在黃海黃部中部生成（見(jiàn)圖4a）；此后一直到2日05時(shí)黃海一直處于低壓前部，偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，暖濕空氣不斷移動(dòng)到冷海面上，海霧不斷生成，故此段時(shí)間屬于霧的生成階段。為了更好地研究海霧的空間分布及其發(fā)展變化情況，沿圖3中的AB線作水汽混合比與波導(dǎo)的垂直剖面。圖6a顯示海霧在逆溫層下面的混合層內(nèi)形成，6月1日20時(shí)由于處于槽后的陸地高空氣流下沉已造成地面輻散，引起陸地暖氣團(tuán)吹向東部海洋，使處于黃海上空的逆溫層頂東高西低（見(jiàn)圖7a）。同時(shí)受西部槽后下沉干空氣影響黃海上空東濕西干（見(jiàn)圖6a），霧體呈現(xiàn)東厚西薄的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖6a）。此后一直到2日05時(shí)，由于高空槽東移緩慢，槽線位于黃海中部，槽后下沉與槽前上升使占據(jù)黃海大部的海霧維持東厚西薄。

圖6 沿圖3中AB線的濕度垂直剖面圖Fig.6 Vertical sections pictures of humidity along the AB line in Fig.3

6月2日08時(shí)低壓已移到霧區(qū)北部即中國(guó)大陸東北部，黃海位于近地面低壓的南側(cè)，霧區(qū)為西風(fēng)（見(jiàn)圖4b）。此時(shí)下沉的干空氣已到達(dá)西部海霧霧頂（見(jiàn)圖6b），同時(shí)西部海霧隨逆溫層發(fā)展起來(lái)，并且低層云西部開(kāi)始與黃海海霧主體脫離（見(jiàn)圖7b）。隨著近地面低壓和高空槽的不斷東移，黃海大部逐漸處于高空槽后，黃海上空下沉運(yùn)動(dòng)不斷增強(qiáng)。至6月2日20時(shí)，部分干空氣到達(dá)海霧霧頂（見(jiàn)圖6c），并且下沉逐漸使東部霧區(qū)上空暖空氣增溫（見(jiàn)圖7c）。一直到2日23時(shí)，霧區(qū)仍處于低壓南部，西風(fēng)逐漸變?yōu)槲鞅憋L(fēng)。運(yùn)用后向軌跡追蹤不同高度氣團(tuán)（圖略）發(fā)現(xiàn)，這時(shí)陸地高空干冷下沉氣團(tuán)已完全到達(dá)霧頂（見(jiàn)圖6d），并且使海霧上方暖空氣增溫（見(jiàn)圖7d），同時(shí)霧頂輻射冷卻降溫，兩者共同影響使逆溫層結(jié)增強(qiáng)（見(jiàn)圖7d），霧體不斷向東擴(kuò)展并增厚。至6月3日02時(shí)，霧體增厚較為明顯，霧體內(nèi)水汽混合均勻，溫度梯度很小，霧頂為濕度與溫度銳減層（見(jiàn)圖6e與圖7e）。

6月3日02時(shí)，隨著低壓系統(tǒng)與高空槽繼續(xù)東移，黃海仍處于槽后并逐漸位于低壓系統(tǒng)的后側(cè)。3日08時(shí)，黃海海面偏北風(fēng)增大，低壓后側(cè)緊跟一高壓向東移動(dòng)，霧區(qū)處于兩者之間，北風(fēng)加強(qiáng)，占據(jù)黃海大部的霧區(qū)逐漸向南消退同時(shí)厚度變薄，這時(shí)下沉的已增溫的干空氣繼續(xù)移動(dòng)到海霧霧頂（見(jiàn)圖6f與圖7f）。6月3日20時(shí)，黃海西側(cè)被小高壓占據(jù)，黃海大部霧已消退。進(jìn)一步利用模式結(jié)果，分析了此次黃海海霧過(guò)程中的氣海溫差分布（圖略），即成霧時(shí)氣溫高于海溫，熱量由大氣向海面輸送，而在海霧發(fā)展的后期由于霧的冷卻輻射導(dǎo)致氣溫低于海溫，得知此次海霧為典型的黃海平流冷卻型［9，48－49］。

圖7 沿圖3中AB線的溫度垂直剖面圖Fig.7 Vertical sections pictures of temperature along the AB line in Fig.3

4 波導(dǎo)成因分析

4.1 波導(dǎo)的演變

利用WRF模擬輸出結(jié)果中的溫度、水汽與氣壓等變量，計(jì)算大氣修正折射指數(shù)［1］：

式中：T，P與e分別表示大氣溫度（K）；大氣壓強(qiáng)與水汽壓（hPa）；Z代表海拔高度（m）；R0為平均地球半徑（6.371×106m）。根據(jù)大氣修正折射指數(shù)M垂直廓線的不同，可將大氣波導(dǎo)細(xì)化為蒸發(fā)波導(dǎo)、貼海表面波導(dǎo)、非貼海表面波導(dǎo)、懸空波導(dǎo)和復(fù)合波導(dǎo)5種類(lèi)型（分別對(duì)應(yīng)圖8a～d）。

依據(jù)公式（1）與圖8，作者給出了模擬的波導(dǎo)區(qū)域與類(lèi)型（見(jiàn)圖9）。通過(guò)詳細(xì)分析模擬給出的大氣波導(dǎo)過(guò)程，并將之與海霧過(guò)程比較，發(fā)現(xiàn)正如前面1.2節(jié)中觀測(cè)所揭示的事實(shí)一樣，波導(dǎo)的演變與海霧的發(fā)展的確有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在海霧生成階段，霧區(qū)較波導(dǎo)區(qū)域略大（對(duì)比圖4a與圖9a）；在海霧發(fā)展階段，波導(dǎo)區(qū)域與海霧霧區(qū)對(duì)應(yīng)較好，隨著海霧區(qū)域不斷向東擴(kuò)展，波導(dǎo)區(qū)域隨之變化（對(duì)比圖4c與圖9c）；到6月2日14時(shí)，北黃海中部有一帶狀海域沒(méi)有海霧生成，而海域上空也不存在大氣波導(dǎo)（圖略）；當(dāng)海霧向南消退時(shí)，位于山東半島南部的較強(qiáng)的非貼海表面波導(dǎo)逐漸被較弱的貼海波導(dǎo)所替代（對(duì)比圖4d與圖9d）。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，海霧發(fā)展過(guò)程中霧薄的區(qū)域?qū)?yīng)的波導(dǎo)為非貼海表面波導(dǎo)，霧厚的區(qū)域則對(duì)應(yīng)懸空波導(dǎo)（對(duì)比圖4與圖9）；白天時(shí)波導(dǎo)幾乎都發(fā)生在海面上，而夜晚時(shí)波導(dǎo)會(huì)延伸到陸地（見(jiàn)圖9b，d）。

圖8 大氣波導(dǎo)的基本類(lèi)型［10］Fig.8 Fundamental types of the atmospheric duct［10］

4.2 波導(dǎo)的形成原因

本文針對(duì)2個(gè)主要問(wèn)題來(lái)詳細(xì)解釋波導(dǎo)的形成原因：（1）波導(dǎo)區(qū)域?yàn)楹闻c海霧霧區(qū)一致？（2）霧體厚薄不同的區(qū)域?qū)?yīng)的波導(dǎo)為何類(lèi)型不同？下面將結(jié)合本次海霧的發(fā)生、發(fā)展與消退3個(gè)階段來(lái)回答它們。

6月1日20時(shí)～2日05時(shí)，海霧處于生成階段。6月1日20時(shí)，黃海處于低壓前部，海霧已在黃海中部生成（見(jiàn)圖4）。此時(shí)海霧由于南風(fēng)引起的暖平流和陸地暖平流霧頂存在逆溫（圖略），槽后下沉氣流沒(méi)有影響到霧區(qū)東部霧頂（見(jiàn)圖6a），即干空氣還沒(méi)有造成霧頂較大濕度梯度與下沉升溫引起的較大溫度梯度（見(jiàn)圖7a），故絕大部分霧頂不存在波導(dǎo)（見(jiàn)圖7a）。西部霧頂由于接近陸地由陸地造成的暖平流較強(qiáng)逆溫略大，加上較小濕度梯度（見(jiàn)圖6a），霧頂存在較弱波導(dǎo)。霧體內(nèi)水汽混合均勻，霧頂水汽梯度較小，霧體則成為波導(dǎo)基礎(chǔ)層。此后，黃海一直處于低壓前部，槽后不斷有下沉氣流，到2日05時(shí)，海霧在黃海南部略有擴(kuò)展，槽后下沉已造成西部霧頂上方暖氣團(tuán)增溫加大了霧頂逆溫，同時(shí)干空氣已降到西部霧頂形成濕度梯度，因此西部霧頂?shù)牟▽?dǎo)陷獲層變厚（圖略）。本文選取6月1日20時(shí)霧頂生成的波導(dǎo)進(jìn)行濕度敏感性數(shù)值分析，即分別保持陷獲層頂?shù)臐穸群蜏囟炔蛔儯呦莴@層底部的溫度或降低濕度來(lái)降低梯度來(lái)討論波導(dǎo)強(qiáng)度的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然這時(shí)霧頂同時(shí)存在較小的溫度梯度與濕度梯度，但霧頂波導(dǎo)的生成對(duì)于濕度梯度更為敏感。

6月2日05時(shí)～3日02時(shí)為海霧的發(fā)展階段。此階段大氣波導(dǎo)與海霧變化是密切聯(lián)系的，霧頂波導(dǎo)范圍與位置隨霧的范圍與厚薄變化而變化。6月2日08時(shí)，隨著低壓系統(tǒng)不斷向東移動(dòng)，霧已擴(kuò)展到黃海大部，受槽后下沉干空氣影響在霧頂引起的濕度與溫度銳減層?xùn)|移至霧區(qū)中部（見(jiàn)圖6b與圖7b），霧頂波導(dǎo)也隨之?dāng)U展到黃海中部（見(jiàn)圖6b）。分析發(fā)現(xiàn)靠近黃海西部海霧上空緊貼霧頂?shù)南莴@層存在濕度與溫度梯度，為較強(qiáng)的非貼海表面波導(dǎo)（見(jiàn)圖9b與圖6b），海霧成為基礎(chǔ)層；而靠近黃海中部的海霧上空受高空槽影響，下沉的干空氣還沒(méi)有完全到達(dá)霧頂，緊貼霧頂?shù)纳戏娇諝鉂穸忍荻扰c逆溫很?。ㄒ?jiàn)圖6b與圖7b），故海霧與其上方空氣一起提供基礎(chǔ)層（見(jiàn)圖6b），同時(shí)由于下沉所造成的濕度銳減層足以成為波導(dǎo)陷獲層（見(jiàn)圖6b），陷獲層內(nèi)逆溫很小或不存在（見(jiàn)圖7b），為較弱的懸空波導(dǎo)（見(jiàn)圖9b與圖6b）。此后隨著低壓不斷向東移動(dòng)，黃海東部上空為持續(xù)的下沉，陷獲層不斷變厚，波導(dǎo)強(qiáng)度增強(qiáng)。至6月2日20時(shí)，槽后下沉氣流到達(dá)霧頂大部在霧頂形成濕度與溫度銳減層，霧頂波導(dǎo)已隨著海霧占據(jù)黃海大部（見(jiàn)圖8c）。6月2日23時(shí)，槽后的干空氣完全下降到霧頂，擴(kuò)展到黃海大部的霧頂上方陷獲層緊貼霧頂，從而造成了霧頂大面積海上大氣波導(dǎo)的發(fā)生（見(jiàn)圖6d，7d）。隨后霧繼續(xù)發(fā)展，黃海東部霧開(kāi)始增厚。到6月3日02時(shí)，占據(jù)黃海大部的海霧其東部增厚較為明顯，由霧提供的波導(dǎo)基礎(chǔ)層隨之增厚，霧頂波導(dǎo)由非貼海波導(dǎo)變?yōu)閼铱詹▽?dǎo)；而西部海霧較薄（見(jiàn)圖6e），霧頂仍為非貼海表面波導(dǎo)。

6月3日02時(shí)～3日20時(shí)為海霧的消退階段。6月3日08時(shí)，靠近山東半島的黃海北部海霧已消退（見(jiàn)圖4d），原來(lái)霧體之上由于槽后下沉所引起的濕度銳減層降到海面上方同時(shí)空氣逆溫已減弱并降低（見(jiàn)圖6f與7f），從而導(dǎo)致波導(dǎo)基礎(chǔ)層逐漸變薄乃至消失（見(jiàn)圖7f），因此非貼海表面波導(dǎo)被較弱的貼海波導(dǎo)所替代（見(jiàn)圖9d）。進(jìn)一步通過(guò)Exp－SEN1可知，短波輻射使海上逆溫層減低，海霧發(fā)展受到抑制，霧體變薄導(dǎo)致波導(dǎo)降低；陸地上方的氣團(tuán)由于地面短波輻射加熱升溫較大，當(dāng)它吹向海上霧頂上空時(shí)，增強(qiáng)了霧頂逆溫，使得波導(dǎo)強(qiáng)度增強(qiáng)。而Exp－SEN2的結(jié)果表明，長(zhǎng)波輻射促進(jìn)了海霧的發(fā)展，霧體變厚，從而抬高了波導(dǎo)發(fā)生區(qū)域。

圖9 模擬波導(dǎo)區(qū)域與類(lèi)型變化圖Fig.9 Simulated variation of the atmospheric duct areas and the duct type

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

本次大氣波導(dǎo)過(guò)程受低壓系統(tǒng)控制，其移動(dòng)造成海霧的發(fā)生、發(fā)展與消退，海霧為波導(dǎo)的形成提供1個(gè)溫床，即上干下濕的濕度梯度與上暖下冷的溫度梯度（逆溫層）；之后與地面低壓對(duì)應(yīng)高空槽后干空氣下沉至霧頂形成濕度與溫度突降層，造成了此次海面大范圍波導(dǎo)的發(fā)生。依據(jù)前面的詳細(xì)分析，作者給出了此次波導(dǎo)演變過(guò)程的1個(gè)概念示意圖，如圖10所示。

（1）海霧生成階段，暖濕氣團(tuán)移動(dòng)到冷海面上成霧，此過(guò)程中溫度與濕度梯度較小，沒(méi)有達(dá)到波導(dǎo)產(chǎn)生所需要的溫度與濕度層結(jié)條件（見(jiàn)圖10a1，b1；見(jiàn)圖10a2，b2），故絕大多數(shù)霧頂不存在波導(dǎo)（見(jiàn)圖10c1，c2）。

（2）海霧發(fā)展階段，槽后干空氣下沉過(guò)程中形成的濕度銳減層足以形成波導(dǎo)陷獲層（見(jiàn)圖10b3，c3），盡管陷獲層內(nèi)幾乎沒(méi)有逆溫（見(jiàn)圖10a3）。當(dāng)干空氣繼續(xù)下沉至霧頂形成濕度梯度（見(jiàn)圖10a4，a5），同時(shí)霧頂暖空氣增溫加上霧輻射冷卻導(dǎo)致霧頂溫度降低使霧頂附近逆溫增大（見(jiàn)圖10b4，b5），波導(dǎo)形成于霧頂部（見(jiàn)圖10c4，c5），混合均勻的霧體則成為波導(dǎo)基礎(chǔ)層；西部薄霧區(qū)對(duì)應(yīng)非貼海表面波導(dǎo)（見(jiàn)圖10c4），而東部霧厚區(qū)對(duì)應(yīng)懸空波導(dǎo)（見(jiàn)圖10c5）。

3）海霧消退階段，下沉仍繼續(xù)，同時(shí)北風(fēng)加強(qiáng)導(dǎo)致霧向南消退，霧體之上的逆溫與濕度銳減層隨之下降（見(jiàn)圖10a6，b6），因此非貼海表面波導(dǎo)被強(qiáng)度較弱的貼海波導(dǎo)所替代（見(jiàn)圖10c6）。

在此次波導(dǎo)過(guò)程中海霧先于波導(dǎo)形成，之后海霧與波導(dǎo)區(qū)域基本一致，因此波導(dǎo)與海霧具有密切的聯(lián)系，海霧形成及其發(fā)展改變了海洋大氣邊界層的溫度與濕度垂直結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)的變化直接導(dǎo)致了波導(dǎo)的發(fā)生與演變；對(duì)此類(lèi)天氣形勢(shì)影響下海霧的發(fā)生、發(fā)展與消退的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，可為海上大面積懸空波導(dǎo)與非貼海表面波導(dǎo)預(yù)報(bào)提供指導(dǎo)。

圖10 伴隨海霧的大氣波導(dǎo)概念圖Fig.10 Schematic illustration of the atmospheric duct associated with the sea fog

5.2 討論

圖11 2009年一次高壓影響下的海霧可見(jiàn)光衛(wèi)星云圖（a）與上海站探空觀測(cè)得到的大氣修正折射指數(shù)（b；修正大氣折射指數(shù)，單位M）Fig.11 Visible satellite imagery of a sea fog event influenced by high pressure（a）in 2009and the atmospheric correction refractive index derived from the observation at Shanghai station（b；the modified refractivity with unit M）

控制與影響黃海海霧形成的天氣形勢(shì)主要有入海變性的高壓型、北太平洋的高壓脊型、中國(guó)大陸東移的低壓或低槽型［48］。本文海霧個(gè)例屬于中國(guó)大陸東移的低壓型。作者已有的初步研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于其他2種天氣型的海霧，也存在導(dǎo)致波導(dǎo)產(chǎn)生的條件。例如2009年4月9～11日發(fā)生了1次受高壓系統(tǒng)影響的海霧（見(jiàn)圖11），高壓系統(tǒng)西側(cè)的南風(fēng)為海霧的形成提供了充足水汽的同時(shí)又利于逆溫形成；隨著高壓不斷向東移動(dòng)，海霧由南向北生成，其形成發(fā)展同樣使海洋大氣邊界層的溫度與濕度垂直結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而會(huì)導(dǎo)致波導(dǎo)發(fā)生與演變。因此，入海變性的高壓型、北太平洋的高壓脊型的海霧與波導(dǎo)之間的聯(lián)系，是今后應(yīng)該研究的科學(xué)問(wèn)題。

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