渤海海效應(yīng)暴雪云特征的觀測(cè)分析

鄭 怡高山紅＊吳增茂

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)山東省海洋－大氣相互作用與氣候重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島266100）

渤海海效應(yīng)暴雪云特征的觀測(cè)分析

鄭 怡1）2）高山紅1）2）＊吳增茂1）2）

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)山東省海洋－大氣相互作用與氣候重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島266100）

利用靜止衛(wèi)星（GMS－5，GOES－9，MTSAT）紅外數(shù)據(jù)與CloudSat衛(wèi)星云剖面雷達(dá)數(shù)據(jù)、NCEP FNL分析資料與常規(guī)觀測(cè)資料，對(duì)2001—2010年發(fā)生的12次渤海海效應(yīng)暴雪過程中云的演變特征、渤海熱力作用與暴雪云團(tuán)垂直結(jié)構(gòu)及相態(tài)組成進(jìn)行了觀測(cè)分析。發(fā)現(xiàn)不同生成源地的暴雪云通常在渤海上快速發(fā)展，云中多存在水平范圍可達(dá)100～300km的密實(shí)條狀或塊狀云團(tuán)，其下對(duì)應(yīng)主要降雪區(qū)域；暴雪云生成源地可分為渤海灣及萊州灣附近、渤海中部、遼東灣附近3種，暴雪云在海上移動(dòng)主要受850hPa風(fēng)場(chǎng)影響；渤海暖海面與其上冷空氣間的熱量、水汽交換形成的不穩(wěn)定層結(jié)條件，導(dǎo)致暴雪云進(jìn)一步發(fā)展；暴雪云發(fā)展旺盛時(shí)期高度可達(dá)4km，其冰水含量最大值達(dá)600mg·m－3且主要集中在2km高度附近，平均值可達(dá)303mg·m－3，冰粒子有效半徑最大值約為120μm，平均值約為91μm。

海效應(yīng)暴雪；渤海；暴雪云特征；觀測(cè)分析

引 言

當(dāng)冬季冷空氣爆發(fā)經(jīng)過大范圍暖水面時(shí)，由于水－氣溫度差異，暖水體與低層冷空氣之間通過蒸發(fā)作用與湍流過程進(jìn)行熱量和水汽交換，造成低層大氣不穩(wěn)定，在適當(dāng)觸發(fā)機(jī)制作用下形成對(duì)流并進(jìn)一步發(fā)展導(dǎo)致成云致雪，這種降雪被稱為海／湖效應(yīng)降雪。美國(guó)的五大湖湖區(qū)［1－2］與日本西海岸［3］經(jīng)常發(fā)生此類降雪。而在我國(guó)，位于渤海南岸的山東半島北部是海效應(yīng)降雪的頻發(fā)地區(qū)。冬季冷空氣經(jīng)過相對(duì)較暖的渤海，在山東半島中部丘陵地形的抬升作用下產(chǎn)生局地降雪，國(guó)內(nèi)預(yù)報(bào)員通常將其簡(jiǎn)單稱作冷流降雪［4－5］。當(dāng)冷空氣強(qiáng)盛時(shí)，降雪會(huì)達(dá)到暴雪等級(jí)，給當(dāng)?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸?shù)葞砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失和安全隱患，因此渤海海效應(yīng)暴雪與海霧、海上大風(fēng)一起被列為山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)圈的主要災(zāi)害性天氣，受到廣泛關(guān)注。

近25年來，在渤海海效應(yīng)暴雪的大尺度環(huán)流特征、中尺度組織機(jī)制及地形作用等方面，已有一些研究工作。如曹鋼鋒等［4］較早地總結(jié)了渤海海效應(yīng)降雪的時(shí)空分布特征，根據(jù)冷空氣移動(dòng)路徑將降雪天氣形勢(shì)進(jìn)行了分類。眾多研究者還利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和數(shù)值模擬等方法對(duì)海岸鋒［6－7］、重力波等組織、維持海效應(yīng)暴雪的中尺度機(jī)制［8－9］進(jìn)行探討。此外，從實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)需求出發(fā)，預(yù)報(bào)員利用統(tǒng)計(jì)方法總結(jié)了適用于渤海海效應(yīng)降雪預(yù)報(bào)的海氣溫差［10］、500hPa槽過境時(shí)間［10］、風(fēng)向風(fēng)速［11］等前兆天氣信號(hào)和經(jīng)驗(yàn)性指標(biāo)，明顯改善了海效應(yīng)降雪的預(yù)報(bào)與預(yù)警。但僅依靠這些信號(hào)與指標(biāo)，具體降雪落區(qū)、強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間等方面準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的問題難以克服。

云的形態(tài)及移動(dòng)規(guī)律對(duì)研究降水過程具有重要指示作用［12－14］。隨著觀測(cè)手段與數(shù)值模擬水平的進(jìn)步，除了利用數(shù)值模擬手段研究海效應(yīng)暴雪的動(dòng)力機(jī)制，人們還將目光投射到暴雪過程中云的形態(tài)結(jié)構(gòu)、發(fā)展機(jī)制和微物理特征（為方便與區(qū)分起見，本文下面將海／湖效應(yīng)降雪過程中的云統(tǒng)稱為降雪云，如果降雪達(dá)到暴雪等級(jí)，則稱為暴雪云，而暴雪云的主體稱為暴雪云團(tuán)）。因?yàn)榻笛┑漠a(chǎn)生是降雪云發(fā)展的直接結(jié)果，對(duì)暴雪過程中云演變過程的研究將有助于更好地了解雪帶的生成、發(fā)展和移動(dòng)規(guī)律，有助于數(shù)值模式中云過程模塊的改進(jìn)。周淑玲等［15］利用衛(wèi)星可見光云圖和多普勒天氣雷達(dá)等資料，對(duì)2005年12月4日的一次渤海海效應(yīng)暴雪過程的分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)生暴雪時(shí)渤海大部到山東半島被西北—東南向云街覆蓋，且山東半島暴雪區(qū)存在西南—東北向的橫向云帶。2005年多次暴雪過程的多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)顯示大部分過程中其云頂高度在3km 以下，且雷達(dá)回波多呈帶狀［5，16－17］。然而，目前對(duì)這些暴雪云特征的詳細(xì)了解與形成機(jī)制的研究還鮮見報(bào)道。

Peace等［18］指出降雪云的產(chǎn)生位置和移動(dòng)方向主要取決于云所處高度的風(fēng)，而非地面條件。對(duì)美國(guó)五大湖區(qū)湖效應(yīng)降雪云團(tuán)研究發(fā)現(xiàn)，降雪云系多沿對(duì)流混合層低層風(fēng)風(fēng)向發(fā)展，可分為單云帶型、多云帶型、混合型及比較特殊的中尺度渦型［19－20］；其中，單云帶型多帶來強(qiáng)的窄帶降雪，而多云帶型則一般對(duì)應(yīng)大范圍的較弱降雪；平行于大湖長(zhǎng)軸方向的單云帶和雙云帶主要由陸風(fēng)環(huán)流組織形成［21］。日本西海岸的海效應(yīng)降雪云分為經(jīng)向型、橫向型、廣泛分布型、中尺度渦旋型、山體斜坡型及局地鋒面型6種［22］。暴雪云中的微物理過程對(duì)于降雪的形態(tài)和強(qiáng)度也有重要影響，如Masataka等［23］發(fā)現(xiàn)，在對(duì)流云胞中，雪粒的碰并增長(zhǎng)是降水形成的主要機(jī)制。受大尺度降水云系的影響，較高層次的云有冰晶或雪晶落入低層云中時(shí)，會(huì)使低層云中的冰晶再次增長(zhǎng)，這種播種－反饋機(jī)制會(huì)增強(qiáng)降雪的強(qiáng)度［24－25］。

對(duì)比國(guó)內(nèi)外研究可以看出，目前國(guó)內(nèi)對(duì)渤海海效應(yīng)暴雪過程中暴雪云的研究工作較少。已有工作主要針對(duì)降雪時(shí)段內(nèi)影響山東半島北部暴雪云的特點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)其生成、發(fā)展的前期過程研究較少。本文的初步研究表明，影響山東半島北部的暴雪云往往只是渤海海效應(yīng)暴雪云的南部邊緣部分，其發(fā)展演變與位于渤海上空的主體部分的發(fā)展密切相關(guān)。因此，全面考察渤海海效應(yīng)降雪云特征顯得非常必要。

作為數(shù)值模擬詳細(xì)研究渤海海效應(yīng)暴雪機(jī)制的前期工作，本文首先聚焦于渤海海效應(yīng)暴雪云生成及其演變特征的觀測(cè)分析。針對(duì)2001－2010年內(nèi)強(qiáng)烈影響山東半島所有渤海海效應(yīng)暴雪過程（共12次），首先借助衛(wèi)星紅外云圖對(duì)暴雪云進(jìn)行了特征分析，并依據(jù)暴雪云生成源地分類，結(jié)合NCEP FNL分析資料與環(huán)渤海地面觀測(cè)分析渤海的非絕熱加熱效應(yīng)對(duì)暴雪云團(tuán)發(fā)展的影響，最后以2008年12月5日海效應(yīng)暴雪過程為例，利用衛(wèi)星星載雷達(dá)數(shù)據(jù)詳細(xì)分析了此次暴雪云團(tuán)的垂直特征。

1 資 料

渤海海效應(yīng)暴雪過程中暴雪云特征的統(tǒng)計(jì)分析基于靜止衛(wèi)星紅外數(shù)據(jù)［26］。其中2001—2003年個(gè)例采用 GMS－5（Geostationary Meteorological Satellite 5）衛(wèi)星紅外通道1（IR1）數(shù)據(jù)，分辨率為5km；2004 年個(gè)例采用 GOES－9（Geostationary Operational Environmental Satellite 9）衛(wèi)星IR1數(shù)據(jù)，分辨率為4km；2005年之后個(gè)例利用 MTSAT（Multi－functional Transport Satellite）靜 止 衛(wèi) 星IR1數(shù)據(jù)，分辨率為4km。利用紅外數(shù)據(jù)確定紅外云圖。

渤海海效應(yīng)暴雪過程中暴雪云形成的環(huán)境條件分析基于來自美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心NCEP FNL分析資料［27］（Final Analyses data of Global Forecast System）與常規(guī)觀測(cè)資料［28］。其中，NCEP FNL分析資料垂直方向分為26層，6h1次，水平分辨率為1°×1°；常規(guī)觀測(cè)資料為3h1次，包括溫度、水平能見度、相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度、氣壓和風(fēng)向風(fēng)速等。

渤海海效應(yīng)暴雪過程中暴雪云的垂直結(jié)構(gòu)及相態(tài)組成分析依據(jù) CloudSat衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)［29］。CloudSat衛(wèi)星屬于美國(guó)宇航局“地球觀測(cè)系統(tǒng)科學(xué)探路者（ESSP）”計(jì)劃，其星載的云剖面雷達(dá)（cloud profiling radar，簡(jiǎn)稱CPR）能夠“切開”云層，獲得云層結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息，并結(jié)合搭載的激光雷達(dá)探測(cè)信號(hào)，對(duì)混合相態(tài)的云和降水云中的冰粒子和降水粒子有很好的探測(cè)能力［30－31］。

山東半島及周邊地形分布見圖1。

圖1 山東半島及周邊地形分布（▲為太行山脈；虛線為渤海各分區(qū)分界線；等值線為海拔高度，單位：m）Fig.1 The terrain distribution of Shandong Peninsula and surroundings（▲represents the Taihang Mountains；the dash line represents the boundaries of the Bohai Sea subregions；the contour represent elevation，unit：m）

2 渤海海效應(yīng)暴雪云的觀測(cè)特征

2.1 總體特征

早期利用 NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）衛(wèi)星紅外云圖對(duì)渤海海效應(yīng)降雪云的特征分析表明，降雪云呈排列有序的開口細(xì)胞狀云胞組成的狹長(zhǎng)積云線，排列稀疏，積云線之間可辨別出晴空區(qū)，有時(shí)十分濃密，幾乎連成一片，體現(xiàn)出較為典型的云街狀結(jié)構(gòu)［32－33］。徐中華等［34］指出，海效應(yīng)降雪云為云底高度一般在600～800m之間的積云性層積云。

進(jìn)一步借助 GMS－5，GOES－9與 MTSAT等靜止衛(wèi)星高分辨率紅外觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)表1（時(shí)間為北京時(shí)，下同）中所給出的12次渤海海效應(yīng)暴雪過程中暴雪云的生成、移動(dòng)與發(fā)展經(jīng)過進(jìn)行觀察、分析與總結(jié)。結(jié)果顯示：盡管暴雪云的生成源地不盡相同，但移動(dòng)方向與對(duì)流層低層盛行風(fēng)近于平行，而且最終均移至渤海海峽上空；大多數(shù)暴雪云在海上移動(dòng)過程中會(huì)快速發(fā)展，云中通常存在發(fā)展高度較高、分布比較密實(shí)的塊狀或條狀的暴雪云團(tuán)，尺度約為100～300km，周圍伴隨沿盛行風(fēng)方向高度較低的云街；暴雪云移經(jīng)渤海海峽時(shí)，暴雪云團(tuán)呈西北—東南向或近東—西向帶狀分布，且暴雪云團(tuán)南部邊緣與山東半島中部100～400m山脈地形走勢(shì)一致。

表1 2001—2010年山東半島典型海效應(yīng)暴雪過程Tabel 1 Typical sea－effect snowstorm processes over Shandong Peninsula from 2001to 2010

圖2 2005年12月3—5日海效應(yīng)暴雪過程中云團(tuán)的演變（填色代表云頂亮溫；AB為下文垂直剖面所在位置）（a）3日21：00，（b）4日02：00，（c）4日04：00，（d）4日10：00，（e）4日14：00，（f）5日10：00Fig.2 Evolution of clouds of the sea－effect snow storm during 3—5Dec 2005（color shaded represents cloud top brightness temperature；ABindicates the location of later vertical section）（a）2100BT 3Dec，（b）0200BT 4Dec，（c）0400BT 4Dec，（d）1000BT 4Dec，（e）1400BT 4Dec，（f）1000BT 5Dec

圖3 同圖2，但為2008年12月3—5日海效應(yīng)暴雪過程（CD，EF，GH為下文垂直剖面所在位置）（a）3日12：00，（b）4日08：00，（c）4日10：00，（d）4日20：00，（e）5日02：00，（f）5日13：00Fig.3 The same as in Fig.2，but for the storm case during 3—5Dec 2008（CD，EF，GHindicate the locations of later vertical section） （a）1200BT 3Dec，（b）0800BT 4Dec，（c）1000BT 4Dec，（d）2000BT 4Dec，（e）0200BT 5Dec，（f）1300BT 5Dec

圖2與圖3分別給出了兩次暴雪過程中暴雪云的演變過程。從圖2b～2e與圖3d，3e可以看到清晰的暴雪云團(tuán)與云街分布結(jié)構(gòu)，暴雪云團(tuán)多呈西北—東南向或近東—西向塊狀或帶狀分布。對(duì)陸地降雪觀測(cè)與暴雪云的對(duì)應(yīng)關(guān)系的分析表明（圖略），局地強(qiáng)降雪對(duì)應(yīng)著發(fā)展旺盛的暴雪云團(tuán)而非云街。暴雪云團(tuán)南部邊緣與地形的一致性在圖2e與圖3e中得以體現(xiàn)，這顯示海效應(yīng)暴雪與山東半島地形之間存在聯(lián)系。

2.2 生成源地分類

目前，國(guó)外已對(duì)其局地海／湖效應(yīng)降雪云的形態(tài)特征進(jìn)行了細(xì)致的分類。國(guó)內(nèi)楊成芳［35］基于雷達(dá)回波形態(tài)將山東半島近岸降雪云帶分為L(zhǎng)型、單線型、雙線型和寬廣型4種，這種分類主要針對(duì)影響陸地降雪主要時(shí)段半島北部的云帶形態(tài)特征，根據(jù)前面對(duì)暴雪云的生成、移動(dòng)與發(fā)展的分析結(jié)果，這些暴雪云發(fā)展后期總體特征逐漸趨同，但前期生成源地和移動(dòng)方向存在差異。因此，本文的分類工作主要針對(duì)暴雪云的生成源地。基于1h1次的靜止衛(wèi)星紅外數(shù)據(jù)，逐一分析了表1中12次暴雪過程中云團(tuán)初始階段的形態(tài)位置及移動(dòng)方向，結(jié)合NECP FNL分析資料給出的850hPa天氣形勢(shì)與不穩(wěn)定條件對(duì)其成因進(jìn)行診斷分析（圖略），將暴雪云生成源地分為渤海灣和萊州灣附近、渤海中部、遼東灣附近3種情況（表1）。

2.2.1 渤海灣和萊州灣附近

屬于此種情況的個(gè)例為表1中的第1次、第11次過程。第1次過程中，云團(tuán)生成于萊州灣附近，部分位于渤海中部，云團(tuán)呈塊狀；第11次過程中云團(tuán)初始時(shí)刻位于渤海灣和萊州灣附近，云團(tuán)呈帶狀。通過分析紅外衛(wèi)星云圖和風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間變化可以看出（圖略），初始時(shí)刻生成的云團(tuán)在低層西北偏西風(fēng)或西北風(fēng)的作用下向東南方向移動(dòng)至渤海海峽。

2.2.2 渤海中部

共有8次過程的暴雪云生成于渤海中部海域上空（表1中的第3次～第10次過程），占總次數(shù)的3／4。8次過程中云團(tuán)的具體位置和形態(tài)有所區(qū)別，其中有4次過程（表1中第3次、第4次、第9次、第10次過程）中云團(tuán)生成于以渤海海峽為參照的西北向上游海域，初始時(shí)刻云團(tuán)面積較小或較零散，與山東半島北部無交接，在低層盛行風(fēng)（表1）的作用下向東南方向移動(dòng)至渤海海峽附近，并在海上迅速發(fā)展；其余4次過程中，初始時(shí)刻云團(tuán)的南部即與半島北部相接，其850hPa盛行風(fēng)多為西北風(fēng)或西北偏西風(fēng)（表1），云團(tuán)移動(dòng)方向?yàn)樽晕飨驏|或東南偏東向。

2.2.3 遼東灣附近

表1中的第2次、第12次過程屬于此類，這種類型的云團(tuán)生成于遼東灣附近，云團(tuán)初始時(shí)刻為帶狀或塊狀，850hPa盛行西北偏北向風(fēng)（表1），在偏北風(fēng)的作用下，云團(tuán)逐漸向南移動(dòng)至渤海海峽附近，影響半島北部降雪。

在以上源地與云團(tuán)移動(dòng)方向的統(tǒng)計(jì)分析中可以發(fā)現(xiàn)，初始時(shí)刻云團(tuán)多面積較小或比較零散，呈小的塊狀或帶狀，云團(tuán)的長(zhǎng)軸方向與850hPa等高線走向相近，但也存在某些初始時(shí)刻云團(tuán)圓面積較大的情況（如表1中第2次、第3次過程），這些過程中暴雪云生成于西風(fēng)槽前的環(huán)境云下部，根據(jù)已有研究，屬于中云的環(huán)境云會(huì)從上層播撒冰晶到屬于低云的暴雪云中，這種播撒－反饋機(jī)制會(huì)使低層暴雪云發(fā)展且降雪增強(qiáng)［36］，所以這些過程中云團(tuán)在所能分辨的初始階段已發(fā)展較旺盛。

在移動(dòng)過程中云團(tuán)的形態(tài)多變，具體移動(dòng)路徑與850hPa風(fēng)場(chǎng)密切相關(guān)；云團(tuán)移動(dòng)趨勢(shì)以渤海海峽為參照大致可分為自西向東、自西北向東南、自北向南3種情況，不同源地生成的云團(tuán)最終到達(dá)山東半島北部，造成當(dāng)?shù)亟笛Ｔ谄湟苿?dòng)、發(fā)展過程中，時(shí)有從西北或北部陸地上生成的云團(tuán)融入，這種云團(tuán)可能與渤海上游太行山背風(fēng)側(cè)所形成的背風(fēng)低壓有關(guān)［37］，且這種地形云與海效應(yīng)云之間可能也會(huì)通過播撒－反饋?zhàn)饔么龠M(jìn)暴雪云發(fā)展，進(jìn)而增加降雪強(qiáng)度。

3 渤海海效應(yīng)暴雪云團(tuán)的形成環(huán)境

3.1 冷空氣與降雪

渤海海效應(yīng)降雪之所以被稱為冷流降雪，是因?yàn)槠湫纬膳c冷空氣強(qiáng)度密切相關(guān)。根據(jù)曹鋼鋒等［4］所總結(jié)的造成海效應(yīng)降雪的3種冷空氣路徑：西北路徑、偏北路徑和偏西路徑，對(duì)12次過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可發(fā)現(xiàn)，12次暴雪過程中冷空氣多屬于西北路徑，亞歐大陸呈兩槽一脊形勢(shì)，從脊前到東亞大槽后部深厚的西北氣流引導(dǎo)冷空氣南下，為降雪的形成提供強(qiáng)冷空氣條件。參考楊成芳的研究成果［38］，表1中給出了這些暴雪過程的500hPa天氣系統(tǒng)；12次過程中共有9次存在冷渦，僅3次過程為西風(fēng)槽影響。深厚的冷渦系統(tǒng)移動(dòng)緩慢，其逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)使后部甩下一股股冷空氣進(jìn)行補(bǔ)充，為降雪的持續(xù)和發(fā)展提供冷空氣條件。從對(duì)流層低層（圖略）來看，冷鋒移過渤海后，冷鋒后部西北向氣流受渤海周圍地形的影響易呈氣旋式彎曲，對(duì)應(yīng)低層不穩(wěn)定區(qū)域，云團(tuán)多在此產(chǎn)生。且低層西北向冷空氣在渤海上經(jīng)過的路徑較長(zhǎng)，更有利于對(duì)流層低層空氣與渤海間進(jìn)行水汽和熱量交換，為云團(tuán)發(fā)展提供不穩(wěn)定條件。

3.2 降雪與暴雪云團(tuán)

以表1中的第5次暴雪過程（2005年12月4日）為例，利用紅外云圖和常規(guī)地面觀測(cè)，分析暴雪云團(tuán)的移動(dòng)與陸地觀測(cè)到的降雪變化之間的關(guān)系。選取山東半島北岸的龍口、長(zhǎng)島、福山、威海、成山頭5個(gè)站（站點(diǎn)位置見圖1）。根據(jù)圖2提供的暴雪云演變過程，暴雪云于2005年12月3日21：00生成于高云后部，隨后發(fā)展為暴雪云團(tuán)，并逐漸向東移動(dòng)，其云團(tuán)主體南部自西向東依次經(jīng)過龍口、長(zhǎng)島、福山、威海、成山頭等站，對(duì)應(yīng)各站最大6h降水量出現(xiàn)時(shí)刻也隨站點(diǎn)位置呈現(xiàn)自西向東時(shí)間滯后的特點(diǎn)（圖4），且最大降水量出現(xiàn)時(shí)刻與云團(tuán)位置移動(dòng)有良好對(duì)應(yīng)關(guān)系。這表明，暴雪云團(tuán)的移動(dòng)與地面降雪變化之間存在很好的一致性。

圖4 2005年12月4日海效應(yīng)暴雪過程山東半島沿岸站點(diǎn)最大降水量出現(xiàn)時(shí)刻Fig.4 Occurence time of observed maximal precipitation at several stations along Shandong Peninsula of the snowstorm on 4Dec 2005

3.3 暴雪云團(tuán)與層結(jié)不穩(wěn)定

決定海（湖）效應(yīng)降雪是否產(chǎn)生的最重要因素是對(duì)流層低層的熱力不穩(wěn)定［5］。暴雪云產(chǎn)生位置與海上不穩(wěn)定區(qū)域有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，層結(jié)不穩(wěn)定導(dǎo)致的垂直運(yùn)動(dòng)將增強(qiáng)海面與低層大氣間的熱量與水汽交換，為云團(tuán)的產(chǎn)生與發(fā)展提供了有利的環(huán)境，因此暴雪云多在不穩(wěn)定區(qū)附近產(chǎn)生。

3.4 層結(jié)不穩(wěn)定與渤海非絕熱加熱效應(yīng)

2005年12月3日08：00，渤海上空低層開始盛行西北風(fēng)，秦皇島站位于西北風(fēng)的上游，長(zhǎng)島、成山頭兩站位于西北風(fēng)下游（站點(diǎn)位置見圖1）。由圖5可知，受冷空氣爆發(fā)影響，秦皇島站于4日05：00溫度降至－8℃以下（圖5a）。冷空氣流經(jīng)渤海到達(dá)半島北部后，導(dǎo)致長(zhǎng)島站與成山頭站溫度于4日11：00分別降至－4℃和－2℃，成山頭站溫度較長(zhǎng)島站高2℃，可能是因?yàn)榈竭_(dá)該站的冷氣團(tuán)途經(jīng)渤海暖海面的路徑較長(zhǎng)?？梢钥闯觯淇諝饬鹘?jīng)渤海暖海面后強(qiáng)度減弱，冷空氣下游站點(diǎn)較上游站點(diǎn)的最低溫度均升高，增幅達(dá)到4～6℃左右。

作為對(duì)比，對(duì)同樣呈西北—東南向分布的北京、濟(jì)南、濰坊3個(gè)站（站點(diǎn)位置見圖1）的溫度變化進(jìn)行了分析。北京站與濟(jì)南站、濰坊站之間的距離與上面西北氣流流經(jīng)渤海的距離相近。結(jié)果顯示，北京站在2005年12月4日05：00左右最低溫度同樣達(dá)到－8℃ 以下（圖5b），說明其與秦皇島等站受同股冷空氣影響。在冷空氣影響下，濰坊、濟(jì)南兩站迅速降溫，均于4日05：00達(dá)到最低溫度約－6℃，與過海冷空氣所到達(dá)的站點(diǎn)相比溫度降低2～4℃。這說明，渤海的作用主要體現(xiàn)為對(duì)其上流經(jīng)冷空氣的非絕熱加熱效應(yīng)，使低層冷空氣升溫幅度可達(dá)4℃左右。

3.5 渤海非絕熱加熱效應(yīng)與大氣穩(wěn)定度變化

通過考察沿圖2中AB的垂直剖面，進(jìn)一步揭示暖海面產(chǎn)生的層結(jié)不穩(wěn)定及其對(duì)暴雪云團(tuán)發(fā)展的作用。2005年12月3日14：00紅外云圖顯示渤海上空仍被槽前大尺度系統(tǒng)高云所覆蓋（圖略），渤海區(qū)域大氣低層層結(jié)穩(wěn)定較弱（見圖6a中的假相當(dāng)位溫梯度分布），700hPa附近存在一上升運(yùn)動(dòng)中心（見圖6a中的垂直風(fēng)速負(fù)值中心）。3日20：00（圖6b），伴隨高云移動(dòng)的海效應(yīng)暴雪云團(tuán)已逐漸發(fā)展至旺盛，在云團(tuán)所對(duì)應(yīng)的位置（38.6°N，121°E）附近，不穩(wěn)定層達(dá)到800hPa左右，且上升運(yùn)動(dòng)明顯（圖中垂直速度負(fù)值中心）；上升運(yùn)動(dòng)區(qū)存在水汽輻合（圖中水汽水平輻合負(fù)值區(qū)），對(duì)應(yīng)700hPa存在輻散；近海面氣溫在6h內(nèi)增高1℃，增溫垂直范圍達(dá)到900hPa，而上層750hPa附近卻存在－6℃左右的降溫，850hPa附近變溫垂直梯度較大，說明渤海非絕熱加熱效應(yīng)的直接影響可以達(dá)到850hPa左右。

圖5 2005年12月3日11：00—4日20：00不同站點(diǎn)溫度變化（單位：℃）（a）秦皇島站、長(zhǎng)島站、成山頭站，（b）北京站、濟(jì)南站、濰坊站Fig.5 Time series of site temperatures from 1100BT 03Dec to 2000BT 04Dec in 2005（unit：℃）（a）Qinhuangdao Station，Changdao Station，Chengshantou Station，（b）Beijing Station，Jinan Station，Weifang Station

圖6 沿圖2a中AB2005年12月3—5日500～1000hPa假相當(dāng)位溫梯度（填充色，Δθse／Δp，其中Δp代表NCEP FNL數(shù)據(jù)中氣壓垂直分層間隔）、垂直風(fēng)速（黑線，單位：Pa·s－1）、6h變溫（紅線，單位：℃）與水汽水平輻合（綠線，單位：10－5g·kg－1·s－1）的垂直分布 （a）3日14：00，（b）3日20：00，（c）4日02：00，（d）4日08：00Fig.6 The vertical section from 500to 1000hPa alongABin Fig.2aof pseudo－equivalent potential temperatures gradient（shaded，Δθse／Δp，Δprepresents the vertical pressure interval of NCEP FNL data），pressure vertical velocity（black contours，unit：Pa·s－1），6－h(huán) temperature tendency（red contours，unit：℃）and horizontal convergence of vapor（green contours，unit：10－5g·kg－1·s－1）in 2005（a）1400BT 3Dec，（b）2000BT 3Dec，（c）0200BT 4Dec，（d）0800BT 4Dec

12月3日20：00—4日02：00暴雪云團(tuán)在海上移動(dòng)與進(jìn)一步發(fā)展，并逐漸東移至渤海海峽附近（圖2b）；相應(yīng)地，上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，區(qū)域東移至122°E附近，上升域內(nèi)6h溫度變化約為0℃左右，且垂向較均勻。4日08：00，云團(tuán)海上部分已經(jīng)開始減弱，受山東半島北部地形影響，僅威海、成山頭一帶云團(tuán)發(fā)展較強(qiáng)（圖2c），圖6d中顯示不穩(wěn)定層高度降低，垂直運(yùn)動(dòng)減弱。通過以上分析，渤海的非絕熱加熱效應(yīng)通過加熱其上流經(jīng)的冷空氣，造成低層大氣不穩(wěn)定，引發(fā)上升運(yùn)動(dòng)，而上升運(yùn)動(dòng)有利于對(duì)流的發(fā)展、水汽的垂直輸送，從而為暴雪云團(tuán)的生成、發(fā)展提供有利的環(huán)境條件。

4 渤海海效應(yīng)暴雪云的三維結(jié)構(gòu)特征

在靜止衛(wèi)星紅外觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合Cloud－Sat衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，以2008年12月5日暴雪過程為例，對(duì)暴雪云的三維結(jié)構(gòu)特征及相態(tài)組成等進(jìn)行研究。此次海效應(yīng)暴雪發(fā)生于大范圍冷鋒降雪之后，圖3給出了其暴雪云的演變經(jīng)過。2008年12月4日08：00冷鋒云系已移至渤海以東，暴雪云出現(xiàn)在渤海灣東部及萊州灣處（圖3b）。隨著時(shí)間推移，暴雪云移向渤海中部，逐漸發(fā)展加強(qiáng)為暴雪云團(tuán)（圖3c，3d）；至4日20：00山東半島北岸受暴雪云團(tuán)南部控制，開始觀測(cè)到降雪，并在渤海上空出現(xiàn)西北—東南向的云街結(jié)構(gòu)（圖3d）；之后，暴雪云團(tuán)經(jīng)渤海海峽不斷向黃海海域擴(kuò)展，5日凌晨，云團(tuán)呈西北—東南向，在其西側(cè)的渤海海域，云街結(jié)構(gòu)廣泛分布（圖3e，3f）。

CloudSat衛(wèi)星恰于此次暴雪過程中的冷鋒過境、海效應(yīng)暴雪主要降雪與降雪減弱這3個(gè)階段，先后經(jīng)過渤海上空，3次軌道（分別見圖3a，3e，3f中CD，EF，GH）對(duì)應(yīng)時(shí)間分別約為12月3日12：00，5日02：00與5日13：00。CloudSat衛(wèi)星觀測(cè)包含反射率因子與冰水含量數(shù)據(jù)，可以用來刻畫暴雪云的垂直結(jié)構(gòu)與相態(tài)組成［30］。

經(jīng)過渤海的3次軌道的反射率因子垂直剖面如圖7所示。圖7中反射率因子大值區(qū)代表對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)區(qū)域［39］。由圖7a可以看到，渤海上空冷鋒云系（118.4°～119.2°E）對(duì)流旺盛，發(fā)展高度為8km左右；3km以下存在對(duì)流柱狀結(jié)構(gòu)，柱間存在微小間隙，其上云氈范圍較大，云頂較平。與冷鋒對(duì)流云相比，海效應(yīng)暴雪云團(tuán)對(duì)流發(fā)展高度明顯較低，主要降雪時(shí)段可達(dá)4km左右（圖7b），其他時(shí)段在2.5～3km之間（圖7c）。云團(tuán)的水平發(fā)展演變過程中，在云團(tuán)主體兩側(cè)對(duì)應(yīng)的明顯云街結(jié)構(gòu)（圖3e，3f），此時(shí)在垂直剖面圖上表現(xiàn)為反射率因子強(qiáng)弱相間的豎條狀結(jié)構(gòu)，高度低于云團(tuán)主體且隨云團(tuán)的發(fā)展而變化，在云團(tuán)旺盛和減弱階段分別為3km和2km左右。

圖7 沿圖3中CD，EF，GH2008年12月3—5日CloudSat反射率因子垂直剖面 （a）3日12：00（沿CD），（b）5日02：00（沿EF），（c）5日13：00（沿GH）Fig.7 The vertical section of reflectivity factor observed by CloudSat alongCDat 1200BT 3Dec 2008（a），EFat 0200BT 5Dec 2008（b），GHat 1300BT 5Dec 2008（c）in Fig.3

圖8給出了此次過程中CloudSat衛(wèi)星經(jīng)過渤海的3次軌道所觀測(cè)到的冰水含量和冰粒子有效半徑的垂直剖面?？梢园l(fā)現(xiàn)，雖然冷鋒云系的對(duì)流發(fā)展高度（圖8a）幾乎是海效應(yīng)暴雪主要時(shí)段云團(tuán)高度（圖8c）的2倍，但海效應(yīng)暴雪云團(tuán)中的冰水混合物含量（圖8c）也達(dá)到了冷鋒云系的最大值（圖8a），約為600mg·m－3；冷鋒云系中極值主要位于低層高度約3km的對(duì)流柱內(nèi)（圖8a），對(duì)應(yīng)冰粒子有效半徑最大達(dá)到140μm（圖8b），而暴雪云團(tuán)中冰水含量則主要集中在2km左右（圖8c），冰粒子有效半徑略小于冷鋒云系，最大值約120μm（圖8d），然而，對(duì)兩種云中發(fā)展較旺盛區(qū)域（圖8a～8d中黑框內(nèi)區(qū)域）進(jìn)行空間平均計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，暴雪云中的冰水含量平均值（303mg·m－3）遠(yuǎn)大于冷鋒云系中平均值（185mg·m－3），且暴雪云團(tuán)中冰粒子有效半徑平均值（91μm）也略大于冷鋒云系（86μm）。而在海效應(yīng)暴雪云團(tuán)發(fā)展減弱階段，云中冰水混合物含量和冰粒子有效半徑較其旺盛階段均有所降低（圖8e，8f）。

圖8 2008年12月3—5日海效應(yīng)暴雪過程中CloudSat衛(wèi)星沿圖3中CD，EF，GH給出的冰水混合物含量及冰粒子有效半徑分布（a）3日12：00沿CD冰水混合物含量，（b）3日12：00沿CD冰粒子有效半徑，（c）5日02：00沿EF冰水混合物含量，（d）5日02：00沿EF冰粒子有效半徑，（e）5日13：00沿GH冰水混合物含量，（f）5日13：00沿GH冰粒子有效半徑Fig.8 Vertical section of the CloudSat observations for the process during 3—5Dec 2008alongCE，EF，GHin Fig.3（a）ice－water mixture content alongCDat 1200BT 3Dec，（b）ice effective radius alongCDat 1200BT 3Dec，（c）ice－water mixture content alongEFat 0200BT 5Dec，（d）ice effective radius alongEFat 0200BT 5Dec，（e）ice－water mixture content alongGHat 1300BT 5Dec，（f）ice effective radius alongGHat 1300BT 5Dec

綜合圖7與圖8展示的CloudSat衛(wèi)星觀測(cè)信息可以看到，海效應(yīng)暴雪云為淺對(duì)流云，但旺盛期云頂高度可達(dá)4km左右，高于之前研究者普遍認(rèn)為的3km 以下［13－14］，云底高度約600～800m；暴雪云中冰水含量及冰粒子有效半徑最大值與冷鋒云系內(nèi)部相當(dāng)，但暴雪云中冰水含量和冰粒子有效半徑的平均強(qiáng)度均超過冷鋒云系，反映了渤海海效應(yīng)作用為暴雪云團(tuán)發(fā)展提供大量水汽，導(dǎo)致其降下暴雪。

相比CloudSat星載云剖面雷達(dá)，岸基多普勒天氣雷達(dá)對(duì)海效應(yīng)暴雪云團(tuán)三維結(jié)構(gòu)特征的揭示有其自身優(yōu)缺點(diǎn)。其掃描間隔較短，能夠連續(xù)地對(duì)云的發(fā)展過程進(jìn)行追蹤分析，有助于細(xì)致了解近岸及陸面降雪過程及云團(tuán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但受到仰角范圍影響，對(duì)雷達(dá)上方或距雷達(dá)較遠(yuǎn)區(qū)域探測(cè)能力較弱。借助煙臺(tái)站多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)海上云團(tuán)的垂直特征進(jìn)行分析，取海上云團(tuán)發(fā)展較旺盛時(shí)期12月4日20：00雷達(dá)組合反射率因子圖（圖9a），對(duì)海上云團(tuán)沿縱向做剖面（圖9b）。由于受最低仰角高度限制，離雷達(dá)較遠(yuǎn)處低層云區(qū)無法探測(cè)，海上云團(tuán)發(fā)展高度最高處約為4km，存在3個(gè)反射率因子大值中心（圖9b中箭頭所指位置），說明云團(tuán)內(nèi)部存在多個(gè)對(duì)流單體，反射率因子大值區(qū)對(duì)應(yīng)的粒子半徑較大區(qū)域位于1～2km高度處（圖9b），與CloudSat衛(wèi)星12月5日02：00經(jīng)過海上云團(tuán)的剖面特征（圖7b）基本相符，這進(jìn)一步證實(shí)了CloudSat衛(wèi)星數(shù)據(jù)的可用性。

5 小 結(jié)

渤海海效應(yīng)暴雪是山東半島的一種地方性災(zāi)害天氣，降雪通常由暴雪云直接引起。本文選取了2001—2010年發(fā)生的12次渤海海效應(yīng)暴雪過程開展研究。首先基于靜止衛(wèi)星紅外數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)了暴雪云的演變特征，結(jié)合NCEP FNL分析資料進(jìn)行了云團(tuán)生成源地分類和移動(dòng)特征研究；并利用常規(guī)觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析降雪與暴雪云團(tuán)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，探討了渤海的非絕熱加熱效應(yīng)對(duì)暴雪云團(tuán)演變的作用；最后，借助CloudSat衛(wèi)星觀測(cè)，刻畫了暴雪云的垂直特征。主要結(jié)論如下：

1）盡管生成源地不同，但暴雪云通常在渤海上快速發(fā)展，旺盛階段出現(xiàn)水平范圍可達(dá)100～300km的暴雪云團(tuán)，導(dǎo)致了地面的強(qiáng)降雪。

2）暴雪云生成源地可分為渤海灣及萊州灣附近、渤海中部、遼東灣附近3種情況，暴雪云在海上移動(dòng)方向主要受850hPa風(fēng)場(chǎng)影響，主要移動(dòng)方向以渤海海峽為參照大致可分為自西向東、自西北向東南、自北向南3種。

3）渤海海效應(yīng)主要體現(xiàn)在向其上冷空氣輸送熱量與水汽，形成不穩(wěn)定層結(jié)條件并促進(jìn)淺對(duì)流逐漸發(fā)展至旺盛，從而形成暴雪云團(tuán)。

4）暴雪云團(tuán)在其旺盛時(shí)期高度可達(dá)4km，其冰水含量最大值達(dá)600mg·m－3且主要集中在2km高度附近，平均值可達(dá)303mg·m－3，冰粒子有效半徑最大值約為120μm，平均值約為91μm。

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Observational Analysis of Cloud Characteristics of the Bohai Sea－effect Snowstorms

Zheng Yi1）2）Gao Shanhong1）2）Wu Zengmao1）2）

1）（Key Laboratory of Physical Oceanography Ministry of Education，Ocean University of China，Qingdao266100）
2）（Key Laberatory of Ocean－atmosphere Interction and Climate in Universities of Shandong，Ocean University of China，Qingdao266100）

Sea－effect snowstorm is a kind of typical local disastrous weather phenomena in winter of Shandong Province.The pioneering researches on snowstorm clouds usually focus on the period of snowfalls，but studies on their formation and development stages are rare.The clouds over the northern Shandong Peninsula usually are the southern edge of the sea－effect snowstorm clouds，and its evolution is closely relative to the main clouds over the Bohai Sea.12sea－effect snowstorm events during 2001—2010over the Bohai Sea are investigated.

First，stationary satellites（GMS－5，GOES－9，MTSAT）infrared data is used to investigate the evolution characteristics of snowstorm clouds，and combined with NECP FNL data，forming locations and moving features of different processes are classified.In addition，routine observation is used to analyze the corresponding relationship between snow and snowstorm clouds and the influence of the diabatic heating effect over the Bohai Sea.Finally，cloud profiling radar data of CloudSat are used to analyze the vertical structure and compositions of snowstorm clouds.

The snowstorm clouds with different origins usually grow rapidly over the Bohai Sea，and among the clouds there are dense clouds with horizontal scale of 100—300km in form of strips or a bulk，which is closely relative to the snowfall areas.

The snowstorm clouds during their initial stages can be classified into three main categories according to their forming locations，near the Bohai Bay and the Laizhou Bay，the central part of the Bohai Sea，and near the Liaodong Bay.The movements of snowstorm clouds depend on winds at 850hPa，and its dominant directions of movements can be classified into three types，by reference to the Bohai Strait move from west to east，from northwest to southeast，and from north to south，and finally the clouds reach the upper air of the northern Shandong Peninsula，which leads to its snowfalls.

As cold winds move across long expanses of warmer water，the heat and moisture transport from the Bohai Sea warm surface upwards to its above cold air，defined as the Bohai sea－effect，results in the unstable conditions over the Bohai Sea.And meanwhile，the unstable conditions improve the shallow convection to intense，which results in the snowstorm clouds.

The height of mature sea－effect snowstorm clouds can reach 4km or so，and its ice－water mixture content has an average value of about 303mg·m－3，its maximum is about 600mg·m－3and mainly distributes at 2km height，and additionally the maximum and average values of ice effective radius is about 120μm and 91μm，respectively.

sea－effect snowstorms；the Bohai Sea；cloud characteristics；observational analysis

鄭怡，高山紅，吳增茂.渤海海效應(yīng)暴雪云特征的觀測(cè)分析.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2014，25（1）：71－82.

2013－01－04收到，2013－10－30收到再改稿。

公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（GYHY201106006），國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41276009，41175044）

＊通信作者，email：gaosh＠ouc.edu.cn