一次春季黃海海霧和東海層云關(guān)系的研究*

張?zhí)K平 劉 飛, 孔 揚(yáng)

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266100;2.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋-大氣相互作用與氣候山東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266100;3.91199部隊(duì)氣象臺(tái) 舟山 316000)

霧可以認(rèn)為是底部接地的云,它導(dǎo)致能見(jiàn)度小于等于1km,嚴(yán)重影響交通(Leighet al,1995)。海霧是指在海洋的影響下,在海上、島嶼或沿海地區(qū)形成的霧(王彬華,1983)。海霧導(dǎo)致海上或沿海能見(jiàn)度降低,對(duì)海上交通,船舶航行,捕撈等造成嚴(yán)重的影響,據(jù)舟山海事局近年來(lái)資料統(tǒng)計(jì),近200次海上因船舶碰撞、觸礁等發(fā)生的海難事故中,有70%是由海霧引起的,海霧可謂“海上無(wú)聲的殺手”(李曉麗等,2011)。因此研究海霧形成、發(fā)展的機(jī)制具有十分重要的意義。

Palmer(1917)于20世紀(jì)20年代就研究過(guò)加利福尼亞沿岸海霧,我國(guó)相關(guān)研究起步較晚,20世紀(jì)80年代,王彬華(1983)首先對(duì)中國(guó)沿海海霧進(jìn)行了研究。前人研究表明,黃海海霧多屬于平流冷卻霧(王彬華,1983;傅剛等,2002;周發(fā)琇等,2004;王鑫等,2006;高山紅,2011),即暖濕空氣流經(jīng)冷海面,底層空氣降溫達(dá)到其露點(diǎn)而形成霧。任兆鵬等(2011)用觀測(cè)資料和中尺度模式Weather Research and Forecast(WRF)對(duì)黃渤海春夏季海霧進(jìn)行了模擬,并指出了逆溫層在海霧形成過(guò)程中的重要作用,張紅巖等(2005)的研究也發(fā)現(xiàn)逆溫層的存在有利于海霧的維持。國(guó)外研究表明,海洋大氣邊界層(MABL)中的層云(marine stratus)可以下降成霧(Leipper,1948,1994),并給出美國(guó)西海岸層云下降轉(zhuǎn)化為海霧的物理模型:大范圍高壓控制下,離岸的越海岸山脈(Coast Range)偏東氣流沿山坡下沉,導(dǎo)致近海上空逆溫層高度下降,MABL中的層云高度不斷降低至海面形成海霧,該模型一直在海霧預(yù)報(bào)中應(yīng)用(Lewiset al,2003,2004)。Kora?in等(2001)認(rèn)為在大尺度下沉的背景下,低空逆溫和云頂長(zhǎng)波輻射冷卻是層云下降成霧的主要機(jī)制。我國(guó)黃海多霧時(shí)期是東海多層云時(shí)期(韓美等,2012),但對(duì)東海層云和黃海海霧之間可能關(guān)系的研究尚不多。

本文研究了2011年3月12日—13日發(fā)生的一次東海層云-黃海海霧個(gè)例(以下簡(jiǎn)稱層云-海霧個(gè)例或者層云-海霧系統(tǒng)),此次過(guò)程中層云-海霧關(guān)系與美國(guó)西海岸情況不同,是在東海低壓和其北部高壓共同控制下,水汽從東海層云區(qū)向北輸送,隨著逆溫層高度的不斷降低而接近海面,在冷海面作用下導(dǎo)致黃海海霧形成,同時(shí)也發(fā)現(xiàn)存在局地層云下沉成霧的現(xiàn)象。本文討論此次層云-海霧系統(tǒng),希望豐富對(duì)我國(guó)海霧形成機(jī)理的認(rèn)識(shí),并為海霧預(yù)報(bào)提供新的參考思路。

1 資料、方法和模式介紹

1.1 資料和方法

本文使用以下資料:(1)中國(guó)氣象局 Meteorological Information Comprehensive Analysis and Process System(MICAPS3.0)提供的地面要素觀測(cè)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化探空數(shù)據(jù),對(duì)海霧事實(shí)和大氣環(huán)流、層結(jié)進(jìn)行分析。(2)美國(guó)國(guó)家預(yù)報(bào)中心(NCEP)提供的 Final Analysis(FNL)再分析數(shù)據(jù)和 Climate Forecast System Reanalysis(CFSR)再分析數(shù)據(jù),用于天氣形勢(shì)以及要素場(chǎng)分析,并為WRF模式提供邊界條件。(3)NCEP Global Data Assimilation System(GDAS)數(shù)據(jù),為云霧后向追蹤提供大尺度背景場(chǎng)。(4)美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)提供的 Daily Optimum Interpolation Sea Surface Temperature(OISST)數(shù)據(jù),為 WRF模式提供下墊面海表面溫度(SST)。(5)日本氣象廳(The Multifunctional Transport Satellite,MTSAT)衛(wèi)星數(shù)據(jù)中的可見(jiàn)光云圖,對(duì)白天云霧區(qū)時(shí)空變化進(jìn)行分析,用紅外1、4通道數(shù)據(jù)進(jìn)行夜間海霧反演(吳曉京等,2008;Hunt,1973;Eyreet al,1984;Gaoet al,2009)。

1.2 模式介紹

1.2.1 WRF模式 本文采用的WRF v3.3.1版本,由美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)中小尺度氣象處、NCEP環(huán)境模擬中心等4單位聯(lián)合發(fā)起研制的,該中尺度模式被運(yùn)用于黃渤海海霧的研究,并取得了不錯(cuò)的效果(張?zhí)K平和任兆鵬,2010;高山紅等,2011)。具體參數(shù)化設(shè)置如表1。

表1 WRF模式參數(shù)化設(shè)置Tab.1 Specification of WRF model

1.2.2 Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory-4(HYSPLIT-4)模式 HYSPLIT-4模式是NOAA和澳大利亞氣象局在過(guò)去20a間聯(lián)合研發(fā)的一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的模式,它能較好的后向追蹤空氣質(zhì)點(diǎn)的來(lái)源(Draxleret al,1997)。本文以2011年3月12日12時(shí)為初始時(shí)刻,利用 HYSPLIT-4模式,對(duì)黃海霧區(qū)不同高度的多點(diǎn)進(jìn)行后向36 h追蹤。

2 層云-海霧個(gè)例觀測(cè)事實(shí)

圖1為MTSAT可見(jiàn)光云圖(圖1a—圖1d,圖1i—圖1l)和反演的夜間低云/霧區(qū)(圖1e—圖1h,白色)。3月12日 00—03時(shí)(圖1a和圖1b)東海為大片云區(qū)覆蓋,06時(shí)(圖1c)東海海區(qū)北端伸展云區(qū)(圖1d)表現(xiàn)為乳白色,表面均一,紋理光滑,邊界清晰,符合海霧在可見(jiàn)光云圖上的表現(xiàn)特征(鮑獻(xiàn)文等,2005;張紀(jì)偉等,2009)。夜間衛(wèi)星反演云圖(圖1e—圖1h)表明,杭州灣以北為低云/霧區(qū),地面觀測(cè)資料證實(shí)了這片區(qū)域即為海霧,霧區(qū)逐漸向北偏東方向發(fā)展,最終覆蓋黃海大部分海區(qū),并在長(zhǎng)江口與山東半島附近分別向陸地?cái)U(kuò)展,最北端達(dá)到朝鮮半島,與此同時(shí)東海上空云區(qū)逐漸消散。13日03時(shí)(圖1j)東海云區(qū)基本消散,黃海霧區(qū)維持,但范圍逐漸減小,06—09時(shí)黃東海逐漸被云層所覆蓋(圖1k—圖1l)。

圖1 2011年3月12日—13日層云-海霧系統(tǒng)演變過(guò)程MTSAT衛(wèi)星云圖Fig.1 MTSAT satellite detection of stratus-fog system development on 12—13 Mar 2011

在黃東海沿岸由南至北選取云霧區(qū)所影響的站點(diǎn):定海、嵊泗、昆山、呂泗、大豐、海陽(yáng)(圖2右圖),利用其3h/次的地面觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制圖2,由于登陸沿海的海霧通常不能造成小于等于 1km的低能見(jiàn)度,本文選取小于等于2km作為海霧指標(biāo)。

3月12日06—09時(shí)定海、嵊泗站為10成（圖2）層云,這與衛(wèi)星觀測(cè)的東海為云區(qū)覆蓋是一致的(圖1c—圖1d)。15時(shí)嵊泗、定海站先后出現(xiàn)能見(jiàn)度小于等于1km的天氣現(xiàn)象,15—18時(shí)昆山站天氣現(xiàn)象由低云轉(zhuǎn)為霧,昆山以北逐漸被北上霧區(qū)覆蓋。為了展現(xiàn)層云和霧的聯(lián)系,選取離大陸較遠(yuǎn)的海島測(cè)站嵊泗站(SS,位置見(jiàn)圖2右圖)分析其氣象要素變化(表2),12日00—06時(shí)嵊泗站多云到陰短時(shí)伴有小雨,低云云底高度由300m降為100m。09時(shí)初次有100m高的層狀云出現(xiàn)。層云出現(xiàn)3h后能見(jiàn)度降為0.3km,15—21時(shí)出現(xiàn)層云和霧區(qū)并存的現(xiàn)象。13日 06 時(shí)以后轉(zhuǎn)為淡積云,云底高度升高,能見(jiàn)度轉(zhuǎn)好。

圖2 層云-海霧系統(tǒng)演變過(guò)程地面站點(diǎn)觀測(cè)及站位圖Fig.2 Meteorological stations for observation on stratus-fog system development

表2 嵊泗地面站觀測(cè)要素場(chǎng)Tab.2 Weather details observed in the meteorological station at Shengsi

縱觀整個(gè)過(guò)程,南部的定海、嵊泗為層云區(qū),其北為霧區(qū),并且隨著時(shí)間的推移,霧區(qū)北進(jìn)至山東的海陽(yáng)站(圖2,圖1h)。能見(jiàn)度小于等于2km的測(cè)站溫度露點(diǎn)差維持在1°C,小于等于1km的測(cè)站溫度露點(diǎn)差則為 0—1°C。風(fēng)向?yàn)槟?東南,可為云霧區(qū)的北向發(fā)展提供有利條件。地面觀測(cè)和衛(wèi)星監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致,3月12日15 時(shí)—13日00 時(shí),杭州灣(28°—30°N附近)以南為與低壓相匹配的低云區(qū),以北為海霧區(qū),海區(qū)亮溫的變化也證明了這種分布(圖略),東海低云區(qū)范圍較大,霧區(qū)主要集中于黃海西部,在杭州灣附近存在云霧并存的現(xiàn)象,觀測(cè)表明海霧和層云可能存在密切的聯(lián)系。

3 層云-海霧的環(huán)境流場(chǎng)

3.1 水平流場(chǎng)

3月12日06時(shí)(圖3a)1000hPa天氣圖上東海上空為低壓控制,表現(xiàn)在云圖上為大片云區(qū)(圖1a)。黃海為高壓控制,低壓系統(tǒng)東北部的東南氣流,與海上高壓后部的偏南氣流聯(lián)合,向黃海提供暖濕氣流。850hPa(圖3b)黃東海西部處于槽后,槽后下沉氣流有利于逆溫層的形成。

3.2 垂向流場(chǎng)

3月12日06時(shí)(圖4a),30°N以南比濕大值區(qū)(濕度大于 0.005kg/kg)達(dá)到 700hPa,對(duì)應(yīng)低壓系統(tǒng)造成的東海云區(qū),其以北為明顯的偏北下沉氣流,與槽后偏北氣流對(duì)應(yīng)(圖3b)。近海面30°N以北為偏南氣流,與海上高壓后部流場(chǎng)對(duì)應(yīng)(圖3a)。13日00時(shí)(圖4b)在 30°N附近,下沉更加明顯,比濕大值區(qū)從 850hPa陡降至 920hPa,在 30°N以北,下沉氣流控制水汽由云區(qū)向下輸送至冷海面。

由此,這次層云-海霧過(guò)程的流場(chǎng)條件為:30°N以北的黃東海近海面是偏南氣流,上空為下沉氣流,該下沉氣流可導(dǎo)致邊界層溫度層結(jié)更加穩(wěn)定,甚至出現(xiàn)逆溫,使水汽限制在低層,同時(shí)下沉有助于在霧頂上空形成干層,使霧層向上長(zhǎng)波輻射加強(qiáng),有利于海霧的發(fā)展和維持,這與 Zhang等(2011)的結(jié)論是一致的。近海面的偏南氣流為海霧的形成提供水汽,注意到13日00時(shí)(圖4b),在MABL中,30°N以北的偏南氣流趨于來(lái)自南方的低云區(qū),從 850hPa高度下沉至海面,該自南向北的下沉氣流可能直接對(duì)海霧形成有貢獻(xiàn)。

圖3 2011年3月12日06時(shí)天氣形勢(shì)圖Fig.3 Weather chart at 06 UTC 12 Mar 2011

圖4 流線和比濕沿122.5°E剖面Fig.4 Vertical section of streamlines and specific humidity along 122.5°E

4 下沉運(yùn)動(dòng)與水汽輸送

圖5為垂向速度與水汽通量,箭頭區(qū)域表示水汽通量大于 0.0045kg/(cm·hPa·s)。12 日 06 時(shí)(圖5a)低云-海霧系統(tǒng)向北發(fā)展初始階段大陸850hPa高度上已經(jīng)存在明顯的下沉運(yùn)動(dòng),垂直速度大值區(qū)位于 32°N,116°E,為 0.2Pa/s,黃海上空也為下沉氣流,在黃海低空下沉氣流控制范圍內(nèi),有明顯的自南方低壓控制下高水汽輻合區(qū)(云區(qū))的水汽向北輸送。13日 00時(shí)(圖5b)下沉中心移至海上,杭州灣附近下沉明顯增強(qiáng),本文后面的模式結(jié)果表明,過(guò)強(qiáng)的下沉可能會(huì)導(dǎo)致云消散,這說(shuō)明天氣系統(tǒng)的位置和強(qiáng)度對(duì)層云-海霧系統(tǒng)的生消起重要作用。

圖5 850hPa垂直速度與1000hPa水汽通量圖Fig.5 Vertical velocity of 850hPa and vapor flux of 1000hPa

利用 HYSPLIT-4模式對(duì)海霧區(qū)氣塊進(jìn)行后向追蹤,可以有效的揭示海霧水汽來(lái)源。參考3月 12日12 時(shí)反演的海霧區(qū)(圖1e),選取(123.5°E,35°N),(123°E,34°N),(123°E,33°N)作為跟蹤起點(diǎn)(分別對(duì)應(yīng)圖6a中A,B,C三點(diǎn)),對(duì)10m,300m,1000m 3個(gè)不同高度的氣塊進(jìn)行后向36h追蹤。10m氣塊從海上通過(guò)(圖6a),期間并無(wú)明顯的垂向變化,300m氣塊來(lái)至海上,在自南向北運(yùn)動(dòng)中氣塊由 1000m左右下降到300m ,1000m氣塊來(lái)自大陸1500m以上高空(圖6b)。這些氣塊路徑均為反氣旋性彎曲,反映了高壓環(huán)流的影響,證明了下沉氣流的存在。

圖6 2011年3月12日12時(shí)對(duì)海霧區(qū)氣塊后向追蹤的結(jié)果Fig.6 Back trajectory at 12 UTC 12 Mar 2011

圖6c表明10m氣塊在11日12時(shí)前維持40%左右的較小相對(duì)濕度。12日00時(shí),10m氣塊相對(duì)濕度急劇增加至 90%以上,此時(shí)氣塊位于30°N附近。隨后,10m氣塊相對(duì)濕度穩(wěn)定維持在90%左右,表明了海霧的形成和北向發(fā)展。1000m氣塊由大陸 1500m的位置下滑而來(lái),相對(duì)濕度維持在20%左右,與前面分析的MABL以上的干層結(jié)論一致。

最值得一提的是起點(diǎn)為300m的氣塊在11日00—12時(shí),相對(duì)濕度隨高度下降而增加,而此時(shí)近海面(10m氣塊)的相對(duì)濕度卻為40%左右的較低值(圖6c),說(shuō)明300m氣塊相對(duì)濕度的增加很可能來(lái)自云中液態(tài)水的蒸發(fā)。在11日18時(shí)之前,300m氣塊相對(duì)濕度高于10m氣塊,與存在低云相匹配。11日12時(shí)以后,氣塊繼續(xù)下降,氣溫升高(圖6d),但相對(duì)濕度維持在較高水平(圖6c),說(shuō)明氣塊在下降過(guò)程中不斷從環(huán)境吸收水汽,環(huán)境水汽可以來(lái)自云中液態(tài)水的蒸發(fā),亦可以來(lái)自近海面偏南氣流。

參考 Kora?in等(2001)的方法,利用 MICAPS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)行等熵面要素分析以反映 MABL之上氣流變化。根據(jù)常用判定邊界層高度的方法:隨著高度的增加,當(dāng)位溫突然增大,而比濕相對(duì)減小時(shí)的高度定義為邊界層高度(惠小英等,2011),選取層云高度下降明顯區(qū)域(圖7a中的方框區(qū))289 K作為 MABL頂?shù)奈恢?進(jìn)行289 K等熵面要素場(chǎng)分析。289K(圖7b)的等熵面上,沿海地區(qū)存在北向略偏東下沉氣流,并由26°N的500m降到32°N的200m,到34°N已基本接近地面。該觀測(cè)資料的分析與后向追蹤結(jié)果一致,進(jìn)一步證明了下沉氣流的存在。

圖7 2011年3月12日12時(shí)122.5°E垂直剖面圖(a)和基于MICAPS數(shù)據(jù)的289K等熵面分析(b)Fig.7 Vertical section along 122.5°E and analysis of the isentropic surface at 289K based on MICAPS data at 12 UTC 12 Mar 2011

5 逆溫層對(duì)層云-海霧系統(tǒng)的影響

圖8所示的3站點(diǎn)位置已在圖2中標(biāo)出。其中洪家(HJ)處于低壓云團(tuán)的北緣,2011年3月12日00時(shí)濕層(溫度露點(diǎn)差小于3°C)位于960hPa以上,反映云的存在,12時(shí)濕層高度下降,逆溫層初步建立,13日00時(shí)逆溫層明顯下降和加強(qiáng)。上海站(SH)濕層12日00時(shí)位于780 hPa以上,12時(shí)降至960hPa左右,13日00時(shí)濕層則直接接地,反映了霧的存在,該層的溫濕度廓線表明霧層內(nèi)是比較充分的湍流混合,混合層上方是逆溫層,與前人研究的海霧“上穩(wěn)下湍”層結(jié)一致(張?zhí)K平等,2008;Zhanget al,2008),該站逆溫層高度相對(duì)南部洪家站降低。射陽(yáng)站(SY)位置更加偏北,位于霧區(qū),逆溫層更加貼近海面,13日00時(shí)濕層出現(xiàn)990hPa以下?？偟膩?lái)說(shuō),濕層的高度由南向北降低,最終接地,逆溫層底高度也具有同樣的分布形態(tài),表明層云中水汽由南向北輸送的同時(shí)向下輸送,水汽接近冷海面而成霧。

6 WRF模擬結(jié)果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證水汽的輸送,逆溫層的作用,以及28°—30°N下沉區(qū)層云-海霧的關(guān)系,利用WRF模式對(duì)此次海霧過(guò)程進(jìn)行模擬,模式具體參數(shù)化設(shè)置如表1。Kunkel等(1984),Stoelinga等(1999)根據(jù)大氣消光系數(shù)提出了計(jì)算水平能見(jiàn)度的經(jīng)驗(yàn)公式:

其中Xvis為水平能見(jiàn)度(km),β為消光系數(shù)。在黃東海海霧過(guò)程中β取云水的消光系數(shù)(任兆鵬和張?zhí)K平,2011;Zhanget al,2011),能見(jiàn)度與液態(tài)水含量有關(guān)系如下:

其中ρ為空氣密度(g/m3),q為液態(tài)水含量(×10?3),令能見(jiàn)度為 1km,可以計(jì)算出霧的云水混合比(qc)臨界值為 0.016×10?3(Zhanget al,2011)。本文取WRF輸出σ坐標(biāo)結(jié)果的最底層qc大于等于 0.016×10?3作為霧區(qū),第 10層(約 400m 高度)qc大于等于0.016×10?3且最底層qc小于 0.016×10?3作為云區(qū),如圖9所示。

與衛(wèi)星觀測(cè)對(duì)比,雖然霧區(qū)范圍有些差異,但模擬結(jié)果基本可以反映此次“南云北霧”和海霧向北發(fā)展過(guò)程(圖9,圖1)。12日00時(shí)(圖9a)杭州灣以南為零碎低云,灣口已有小片霧區(qū)生成,云霧共存現(xiàn)象與前面觀測(cè)一致。隨后霧區(qū)逐漸向北發(fā)展,09時(shí)發(fā)展至34°N 附近,霧區(qū)局部qc達(dá)到 0.5×10?3以上,東海仍為低云所覆蓋。13日00時(shí)(圖9e)海霧覆蓋整個(gè)黃海海區(qū),東端擴(kuò)展至朝鮮半島,與圖1i對(duì)比,除渤海區(qū)外,模擬結(jié)果與實(shí)際基本一致。隨著時(shí)間的推移,受太陽(yáng)加熱作用,陸面附近湍流混合增強(qiáng),促使其上霧區(qū)消散(對(duì)比圖9e與圖9f),海霧沿著海岸線分布明顯(圖9f—圖9g),整個(gè)霧區(qū)qc均值維持在 0.2×10?3。綜上所述,模式對(duì)所關(guān)心區(qū)域黃東海的低云-海霧系統(tǒng)有較好的刻畫(huà)。

圖9 WRF模式最底層qc,10m的風(fēng)場(chǎng),第10層(約400m高度)的云區(qū)Fig.9 The simulated cloud mixing ratio(×10–3)at the lowest level,wind at 10m(m/s)and cloud cover at 10th level on March 12th and 13th 2011 in the WRF model

圖10 2011年3月12日qc、流線和溫度沿圖9a中的AB剖面(a—c)以及qc、水汽通量和溫度沿圖9a中的CD剖面(d—f)的分布Fig.10 Vertical section of qc,streamlines and temperature(a—c)along AB in Fig.9 and vertical section of qc,water vapor flux and temperature along CD in Fig.9(d—f)on March 12th,2011

2011年3月12日,伴隨下沉運(yùn)動(dòng),28.5°—31°N范圍內(nèi)云底高度從南至北不斷降低,09時(shí)已經(jīng)貼近海面,標(biāo)志海霧的形成(圖10a—圖10c)。無(wú)論層云還是海霧,qc都達(dá)到0.5×10?3以上,并且高值區(qū)集中在頂端(圖10b—圖10c),此為云/霧頂長(zhǎng)波輻射冷卻導(dǎo)致(Zhanget al,2011),在水汽含量充足的情況下,霧頂?shù)拈L(zhǎng)波輻射冷卻會(huì)導(dǎo)致霧區(qū)向上發(fā)展,12時(shí)霧頂抬升至400m左右(圖10c)。強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)域有暖中心形成,下沉升溫可導(dǎo)致云滴蒸發(fā),甚至層云消散,氣塊接近海面后受冷海面非絕熱冷卻作用,水汽可再次凝結(jié),形成海霧(圖10c方框區(qū)),與前面討論的后向追蹤結(jié)果一致。

為進(jìn)一步分析層云和海霧的關(guān)系,根據(jù)氣塊的反氣旋性彎曲路徑,做斜剖面(如圖9a中 CD 線所示)。由圖10d—f能夠更加清楚地看出層云區(qū)源源不斷的水汽隨流場(chǎng)向北向下輸送至海面,如果云中一直保持有液態(tài)水,則反映出沿流場(chǎng)層云下降至海面現(xiàn)象。在30.5°N以北,水汽沿低空氣水平輸送,使海霧向北發(fā)展,并且冷海面上霧區(qū)逐漸變濃(圖10f)。圖2中嵊泗站(SS)先云后云霧共存現(xiàn)象,很可能是云霧相接或者層云向下發(fā)展的結(jié)果,其北面的呂泗站(LS)及以北則完全被霧區(qū)覆蓋。

7 結(jié)論和討論

本文利用地面觀測(cè)資料、高空探空資料、衛(wèi)星資料、FNL等多種再分析資料對(duì) 2011年 3月 12—13日發(fā)生在黃東海一次“南云北霧”過(guò)程進(jìn)行分析,并利用HYSPLIT-4模式、WRF模式對(duì)層云和海霧的關(guān)系進(jìn)行了探討,重點(diǎn)研究了28°—30°N附近層云中水汽向北向下輸送成因和對(duì)海霧的貢獻(xiàn),得出以下結(jié)論:

1)天氣形勢(shì)分析表明,28°—30°N 以南東海低空為低壓,有大片層云與其相配合。低壓北部為高壓,高低壓的南北位置配置使30°N以北的海面為偏東南氣流,水汽由層云區(qū)向黃海輸送,有利于海霧生成。天氣尺度的下沉運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致黃海大氣邊界層穩(wěn)定度增加,甚至出現(xiàn)逆溫,大氣邊界層頂?shù)母叨瘸尸F(xiàn)南高北低的態(tài)勢(shì),使得邊界層中的云自南向北不斷下降,下沉運(yùn)動(dòng)在云霧頂形成干層,有利于海霧發(fā)展和維持。

2)HYSPLIT-4模式的后向追蹤表明,氣塊路徑均呈現(xiàn)反氣旋彎曲,由北向南高度不斷下降,反映了高壓系統(tǒng)的影響。來(lái)自層云的氣塊在向北運(yùn)動(dòng)過(guò)程中高度不斷下降,氣溫升高,相對(duì)濕度增加,說(shuō)明下沉可能導(dǎo)致云滴蒸發(fā),從而增加了氣塊中的水汽。黃海霧區(qū)300m氣塊來(lái)至東海1000m高度的云區(qū),氣塊下降過(guò)程中溫度逐漸升高,底層 10m高度氣塊受冷海面影響溫度逐漸降低,有利于逆溫層的形成。

3)WRF模式對(duì)此次層云-海霧系統(tǒng)有較好的刻畫(huà),結(jié)果表明,天氣尺度的下沉運(yùn)動(dòng)與 MABL內(nèi)的下沉在 30°N附近同位相疊加,導(dǎo)致該海區(qū)上空的下沉運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng),邊界層高度迅速下降,在 30°N 附近來(lái)自層云的水汽下沉接近冷海面凝結(jié)成霧。如果云中一直保持有液態(tài)水,則表現(xiàn)為層云高度不斷降低接近海面;如果下沉運(yùn)動(dòng)過(guò)強(qiáng),可導(dǎo)致層云完全消散,衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)出云區(qū)與霧區(qū)分離。30.5°N以北,水汽主要以平流輸送為主導(dǎo),這促使海霧進(jìn)一步向北發(fā)展,為典型的平流冷卻霧過(guò)程。

值得一提的是在 30°N 附近,下沉特別明顯,邊界層高度明顯下降(圖7a),可能與東海海表面溫度鋒(SSTF)強(qiáng)迫的次級(jí)環(huán)流有關(guān),在SSTF冷水側(cè)為次級(jí)環(huán)流的下沉支,該下沉與天氣尺度環(huán)流導(dǎo)致的下沉運(yùn)動(dòng)同位相疊加,使下沉一直到MABL內(nèi)(圖4b)。關(guān)于下墊面熱力條件和SSTF的作用,我們另文對(duì)2011年6月2—4日黃東海的層云-海霧個(gè)例進(jìn)行了詳細(xì)分析(Liet al,2013),進(jìn)一步證明了本文中提出的猜測(cè)。

在海霧的形成過(guò)程中,除了層云下降蒸發(fā)的水汽外,也有一部分水汽來(lái)自低空偏南氣流,從水汽通量分析看,在28.5°—30°N附近的層云-海霧相接區(qū)域,層云區(qū)下降的水汽更加明顯(圖10d—f)。需要指出的是,并非所有黃海海霧都同時(shí)伴隨東海層云,反之亦然。

本文對(duì)層云-海霧系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展的微物理過(guò)程并沒(méi)有涉及,對(duì)下沉運(yùn)動(dòng)和水平輸送的貢獻(xiàn)沒(méi)有定量的分析,下一步將通過(guò) WRF模式敏感性試驗(yàn),結(jié)合PAFOG一維模式對(duì)下沉、湍流、感熱、潛熱、輻射等機(jī)制進(jìn)行更好的研究。我們將通過(guò)更多個(gè)例分析,研究黃海海霧與東海層云之間的普遍關(guān)系,為海霧預(yù)報(bào)提供新的思路。

致謝感謝青島市氣象局提供的 MICAPS數(shù)據(jù),感謝高山紅教授網(wǎng)站對(duì)云圖和高空數(shù)據(jù)提供下載。

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