黃海海霧天氣特征與逆溫層成因分析?

楊 悅， 高山紅

(中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省高校海洋-大氣相互作用與氣候重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

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黃海海霧天氣特征與逆溫層成因分析?

楊 悅， 高山紅??

(中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省高校海洋-大氣相互作用與氣候重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

基于日本氣象廳Multi-functional Transport Satellite(MTSAT)可見(jiàn)光衛(wèi)星云圖、韓國(guó)氣象局天氣圖和美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心Climate Forecast System Reanalysis(CFSR)數(shù)據(jù)，選取2007—2012年2～6月發(fā)生的32次黃海海霧個(gè)例進(jìn)行研究。首先統(tǒng)計(jì)分析了黃海海霧的天氣特征，接著歸納總結(jié)了有利于黃海海霧生成的天氣系統(tǒng)類(lèi)型，進(jìn)而分別挑選了各類(lèi)型的一次個(gè)例，解釋其海上大氣逆溫層成因。結(jié)果表明：(1)黃海海霧天氣系統(tǒng)可分為入海變性高壓(南高北低、東高西低和獨(dú)立高壓)、中國(guó)大陸東移低壓或低槽、北太平洋高壓脊和入西太平洋高壓4類(lèi)，各自所占比例約為62.5%、21.9%、9.4%和6.2%。(2)天氣系統(tǒng)控制下的冷暖平流與海面湍流冷卻作用決定了海上大氣逆溫層的形成。海霧生成前，天氣系統(tǒng)在演變過(guò)程中支配著形成逆溫的暖氣團(tuán)，暖氣團(tuán)來(lái)源于陸上，則主要是上層強(qiáng)暖平流、下層弱暖(冷)平流導(dǎo)致逆溫；暖氣團(tuán)來(lái)源于海上，則多由近冷海面的湍流混合、冷卻降溫形成逆溫。

黃海；海霧；天氣特征；逆溫層；平流效應(yīng)；湍流作用

霧是近地面大氣層中懸浮的水滴和冰晶大量堆積使水平能見(jiàn)度小于1 km的一種天氣現(xiàn)象[1]，而海霧則是在海洋影響下出現(xiàn)在海上(包括岸濱和島嶼)的霧[2]。海霧是一種災(zāi)害性海洋天氣，可造成能見(jiàn)度大幅降低，有時(shí)甚至接近0 m，嚴(yán)重影響海上和沿岸的生產(chǎn)與生活。中國(guó)近海是海霧多發(fā)區(qū)，其中黃海是發(fā)生最為頻繁的海區(qū)[2-4]。

海洋對(duì)海霧的形成有直接作用。譬如，黃海以平流冷卻霧為主[2-3,5-9]，冷海面直接導(dǎo)致海霧的形成。然而，海上大氣邊界層內(nèi)的層結(jié)與水汽狀況是海霧形成的先決條件，它們的發(fā)展、演變由具體天氣系統(tǒng)控制。鑒于此，諸多研究者總結(jié)了中國(guó)海霧產(chǎn)生時(shí)的天氣形勢(shì)，王彬華[2]將中國(guó)近海海霧天氣系統(tǒng)分為入海變性高壓、北太平洋高壓脊和中國(guó)大陸東移低壓或低槽3類(lèi)；出于實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)需要，大量天氣形勢(shì)的統(tǒng)計(jì)分析研究主要是針對(duì)特定海域，如膠東半島北部沿海[10]、青島沿海[11-13]、浙江沿海[14-15]、華南沿海[16-18]、黃海[19]、黃東海海區(qū)[20-21]。此外，大氣層結(jié)狀況是天氣形勢(shì)的一個(gè)重要方面，胡基福等[22]將魯南海區(qū)海霧天氣形勢(shì)劃分為不穩(wěn)定層結(jié)型、穩(wěn)定層結(jié)型與干層型。值得注意的是，以上研究側(cè)重于歸納海霧發(fā)生時(shí)的天氣形勢(shì)。

單純利用沿岸站點(diǎn)探空觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，已有研究指出：黃海海霧形成與維持過(guò)程中，低層大氣中總有逆溫或等溫層存在[5,10,12]；有些海霧生成前就已經(jīng)存在逆溫層[20]。隨著觀(guān)測(cè)手段的增加和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，諸多研究綜合運(yùn)用觀(guān)測(cè)分析與數(shù)值模擬的方法，解釋了不同時(shí)空條件下黃海海霧上空逆溫層的形成原因。例如，黃海霧季4月的季節(jié)性逆溫層[23]，夏季黃海表面冷水區(qū)的逆溫[24]，黃海春、夏霧季的逆溫[25-28]和高、低壓系統(tǒng)下的逆溫[7,29-30]等。然而，黃海海霧過(guò)程中，特別是海霧發(fā)生前的階段，關(guān)于逆溫層形成與具體天氣系統(tǒng)演變之間的聯(lián)系仍需進(jìn)一步的分析與總結(jié)。

以往所研究的海霧過(guò)程多受控于高壓系統(tǒng)[6-7,20,25-31]，較少涉及其他天氣形勢(shì)，可能還存在未被關(guān)注的天氣系統(tǒng)。另外，增濕降溫是黃海海霧形成的主要途徑，充足的水汽是成霧的重要條件之一[2,5]。盡管從較長(zhǎng)時(shí)間尺度來(lái)看，黃海海霧所需的水汽不是由局地提供，而是從熱帶地區(qū)輸送而來(lái)[32-34]，但針對(duì)具體天氣系統(tǒng)影響下的海霧，其水汽分布特征還有待細(xì)致地區(qū)分。

隨著山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)的發(fā)展，對(duì)黃海海霧的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)提出了迫切的要求。黃海海霧天氣特征與逆溫層成因分析是其中的重要環(huán)節(jié)。本文擬基于大量觀(guān)測(cè)事實(shí)清楚的黃海海霧個(gè)例，詳細(xì)分析其天氣特征的異同與對(duì)應(yīng)逆溫層的演變過(guò)程，試圖建立海霧時(shí)空變化、天氣形勢(shì)演變及逆溫層形成之間的聯(lián)系，解釋不同天氣形勢(shì)下黃海海霧逆溫層的形成原因。

1 數(shù)據(jù)與個(gè)例

1.1 數(shù)據(jù)介紹

(1)日本氣象廳(Japan Meteorological Agency, JMA)提供的多用途輸送靜止衛(wèi)星MTSAT可見(jiàn)光衛(wèi)星云圖*http://222.195.136.24/forecast.html，1 h /次。

(2)韓國(guó)氣象局(Korea Meteorological Administration, KMA)提供的實(shí)況天氣圖①http://222.195.136.24/forecast.html。高空天氣圖，12 h/次，地面天氣圖，3 h/次；其中有霧站點(diǎn)使用了醒目的黃色標(biāo)記。

(3)美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)提供的CFSR大氣再分析數(shù)據(jù)*http://nomads.ncdc.noaa.gov/modeldata/cmd_pgbh。水平格點(diǎn)分辨率為0.5(°)×0.5(°)，垂直方向共37個(gè)等壓面層*1000，975，950，925，900，875，850，825，800，775，750，700，650，600，550，500，450，400，350，300，250，225，200，175，150，125，100，70，50，30，20，10，7，5，3，2與1 hPa，變量主要包括位勢(shì)高度、溫度、風(fēng)的u和v分量、垂直速度、相對(duì)濕度、比濕以及2 m溫度等。

1.2 個(gè)例選取

在可見(jiàn)光衛(wèi)星云圖上，黃海海霧特征明顯，呈暗淡柔和的乳白色，表面紋理均勻，與海岸線(xiàn)吻合，海上邊界較光滑，位置固定，形狀少變[20,35]；海霧研究者通常將這些特征作為確定海霧研究個(gè)例的主要參考依據(jù)[2,5,7-9,19,24-31]。根據(jù)MTSAT可見(jiàn)光衛(wèi)星云圖的海霧特征，同時(shí)結(jié)合KMA地面天氣圖上沿岸有霧站點(diǎn)的信息與海上零星觀(guān)測(cè)，辨識(shí)并搜集到發(fā)生于2007—2012年2～6月之間的32次黃海海霧典型個(gè)例，具體見(jiàn)表1。表1顯示，2月海霧個(gè)例最多，達(dá)到10次；而6月最少，僅為3次。為保證所搜集個(gè)例的準(zhǔn)確性，選擇無(wú)中、高云覆蓋的海霧過(guò)程，黃海霧季的7、8月份由于常有諸如鋒面降水云系的干擾，因此本文沒(méi)有涉及；但為了彌補(bǔ)研究的空缺，文中引用前人關(guān)于夏季7月份海霧個(gè)例的研究成果[26-27]進(jìn)行說(shuō)明。

表1 黃海海霧個(gè)例的時(shí)間分布Table 1 Temporal distribution of the selected Yellow Sea fogs

2 黃海海霧天氣特征分析

2.1 天氣系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分類(lèi)

依據(jù)MTSAT衛(wèi)星云圖和KMA地面與高空天氣圖，逐一分析32次典型海霧個(gè)例的霧區(qū)時(shí)空變化和天氣形勢(shì)演變，統(tǒng)計(jì)了控制它們的天氣系統(tǒng)(以后簡(jiǎn)稱(chēng)“天氣型”)。在王彬華[2]歸納的海霧天氣型基礎(chǔ)上，將入海變性高壓型進(jìn)一步細(xì)分為南高北低型、東高西低型、獨(dú)立高壓型3種，同時(shí)根據(jù)幾個(gè)海霧個(gè)例的分析結(jié)果補(bǔ)充了一種新類(lèi)型——入西太平洋高壓型。表2給出了詳細(xì)的分類(lèi)結(jié)果，包括各類(lèi)型發(fā)生的次數(shù)和所占的比例。

由表2可知，黃海海霧主要天氣系統(tǒng)為入海變性高壓型，所占比例達(dá)62.5%，其中南高北低、東高西低、獨(dú)立高壓分別占40%、25%與35%；新發(fā)現(xiàn)的入西太平洋高壓型的百分比最低，約為6.2%。入海變性高壓型多形成于春季，中國(guó)大陸東移低壓或低槽型在冬春季節(jié)存在，這與王彬華[2]和刁學(xué)賢[11]對(duì)黃海海霧天氣型的季節(jié)特征分析基本相一致；入西太平洋高壓型多發(fā)生于冬夏。

2.2 天氣系統(tǒng)的概念圖

針對(duì)每種海霧天氣型挑選一次典型過(guò)程，利用MTSAT衛(wèi)星云圖和CFSR再分析數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致地比較分析。通過(guò)考察1000hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)，并結(jié)合海霧發(fā)生前和發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)高度的水汽通量及其散度場(chǎng)，最終抽象出每種海霧天氣型的概念圖。其中，中國(guó)大陸東移低壓或低槽型、北太平洋高壓脊型的概念圖與王彬華[2]給出的非常一致，下面逐一介紹這幾種天氣型。

2.2.1 入海變性高壓型 圖1為王彬華[2]給出的入海變性高壓型概念圖，可以看出氣壓場(chǎng)配置為東高西低，海霧形成于高壓后部，但這只是較為普遍的高壓后部偏南氣流產(chǎn)生海霧的天氣型。然而陸上高壓外圍入海部分性質(zhì)的改變也可促使海霧生成，故根據(jù)高、低壓配置和海霧生成位置，將入海變性高壓型進(jìn)一步細(xì)化為3種(見(jiàn)表2)。南高北低型中高、低壓之間的西南氣流有利于海霧形成(見(jiàn)圖2(a))，東高西低型中海霧多生成于高壓后部的偏南氣流區(qū)域(見(jiàn)圖2(b))，而獨(dú)立高壓型中海霧較為零散，發(fā)生在高壓內(nèi)部的偏北氣流區(qū)(見(jiàn)圖2(c))。通過(guò)分析水汽分布(見(jiàn)圖3(a)～(c))，發(fā)現(xiàn)大部分水汽提前從西北太平洋或日本海輸送至黃海，少部分來(lái)自中國(guó)大陸；這些水汽在黃、東海海域聚積，為海霧生成提供良好的水汽條件。

表2 典型海霧的天氣型統(tǒng)計(jì)分類(lèi)Table 2 Statistical classification on synoptic systems of the typical Yellow Sea fogs

注：數(shù)字代表不同天氣型在各月份的發(fā)生次數(shù)和所占比例，如7(3，1，3)分別表示入海變性高壓型在2月份共發(fā)生7次，其中南高北低型、東高西低型、獨(dú)立高壓型各發(fā)生3次、1次和3。

Note：Figures represent the frequency and percentage of each month for different synoptic systems.For example,7(3,1,3) represent transition high to sea totally occurred 7 times in February.High in the south and low in the north,high in the east and low in the west and isolated high occurred 3,1,3 times,respectively.

①Transition high to sea(high in the south and low in the north,high in the east and low in the west,isolated high);②Low or trough of eastern China;③The North pacific ridge;④High to the Western Pacific

(圖中“≡”代表海霧，下同。“≡”represents sea fog,hereafter.)

2.2.2 中國(guó)大陸東移低壓或低槽型 從中國(guó)大陸東移低壓或低槽型概念圖(見(jiàn)圖4(a))可以看到，來(lái)自中國(guó)大陸的低壓或低槽系統(tǒng)在東移靠近黃海西部沿岸時(shí)，槽前形成西南-東北向海霧，它是由來(lái)自海上的暖濕空氣流經(jīng)冷的黃海沿岸流區(qū)域?qū)е隆Ｋ麠l件分析表明(見(jiàn)圖3(d))，該霧區(qū)對(duì)應(yīng)水汽輻合區(qū)，水汽來(lái)源于海霧周邊的局地陸、海區(qū)域，由西南氣流輸運(yùn)。

2.2.3 北太平洋高壓脊型 圖4(b)為北太平洋高壓脊型概念圖。它顯示北太平洋副熱帶高壓脊西伸至我國(guó)東南地區(qū)且系統(tǒng)穩(wěn)定，阻礙了上游天氣系統(tǒng)東移。此種形勢(shì)導(dǎo)致北太平洋高壓脊與其北部低壓之間氣壓梯度較大，在西南氣流控制下利于海霧形成。由水汽分布可以看出(見(jiàn)圖3(e))，海霧發(fā)生前到海霧生成、維持階段，始終有水汽不斷地從臺(tái)灣附近及西太平洋海區(qū)向黃海輸運(yùn)。

2.2.4 入西太平洋高壓型 圖5給出的概念圖為入西太平洋高壓型。它在已有研究中未被提及到，其特殊之處在于高壓的來(lái)源。從華東沿岸入海的陸上高壓與其西北部的高壓合并后繼續(xù)東移，移至(“入”)西太平洋海區(qū)后呈緯向分布并長(zhǎng)久停留(見(jiàn)圖5(a)下部的“H”)；隨著時(shí)間推移，入西太平洋的高壓分裂為東西兩部分(見(jiàn)圖5(b)右下部的兩個(gè)“H”)；占據(jù)東海的高壓其西側(cè)部分逐漸向西擴(kuò)展登陸，偏南氣流促使霧區(qū)生成(見(jiàn)圖5(c))。這種天氣型的形成較緩慢，需要3 d左右的時(shí)間，高壓從中國(guó)大陸東移首次進(jìn)入黃、東海時(shí)并沒(méi)有海霧產(chǎn)生，而是經(jīng)過(guò)移入西太平洋海區(qū)發(fā)展變性后，待再次西移返回黃海時(shí)才生成海霧。此類(lèi)天氣型的水汽分析表明(見(jiàn)圖3(f))，水汽來(lái)自于臺(tái)灣以東洋面的遠(yuǎn)距離輸運(yùn)。綜合以上天氣型的演變與水汽條件，發(fā)現(xiàn)它不同于“入海變性高壓型”。

3 黃海海霧逆溫層成因分析

3.1 初步猜想

海上大氣逆溫層是海霧形成、維持和發(fā)展的重要條件，它猶如無(wú)形的干暖蓋，抑制其下近海面大氣的對(duì)流發(fā)展，阻擋水汽向上擴(kuò)散。利用CFSR再分析數(shù)據(jù)，通過(guò)分析975與1000hPa或950與1000hPa之間的逆溫(前者減去后者；下同)、1000hPa至海面的溫度垂直梯度，并結(jié)合天氣系統(tǒng)(1000hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和流場(chǎng))，試圖得到逆溫層結(jié)與天氣系統(tǒng)之間的聯(lián)系。例如，一次由入西太平洋高壓控制的黃海南部海霧(見(jiàn)圖5(c))生成前，逆溫層形成于2007年2月5日20時(shí)(北京時(shí)，記為L(zhǎng)ST；下同)的黃、東海交界處，由于975與1000hPa之間(見(jiàn)圖6(a)、(b))以及1000hPa至海面的逆溫(圖略)同時(shí)存在，所以可能是由于高壓西側(cè)偏南氣流的持續(xù)作用，使得來(lái)自臺(tái)灣以東洋面和浙閩沿岸的暖空氣平流到黃海南部的冷海面，近海面湍流冷卻降溫而形成逆溫。一次受中國(guó)大陸東移的低壓或低槽影響下的山東半島南部海霧(見(jiàn)圖4(a))，霧區(qū)生成前，逆溫層形成于2009年2月10日08時(shí)山東半島南部，由于950與1000hPa之間存在逆溫(見(jiàn)圖6(c)、(d))，而1000hPa至海面沒(méi)有逆溫(圖略)，所以推測(cè)它是由低壓槽前的西南氣流將來(lái)自黃淮內(nèi)陸的上層暖空氣和下層夜間地面輻射降溫形成的冷空氣平流到山東半島南部海面，上層暖平流和下層冷平流造成的。

圖2 入海變性高壓型的3種形式：南高北低(a)、東高西低(b)與獨(dú)立高壓(c)

(箭頭代表1000 hPa水汽通量，填色為1000 hPa水汽通量散度。The arrows indicate the water vapor flux at 1 000 hPa.The green shading is its divergence.)

圖3 6種天氣型對(duì)應(yīng)的水汽通量及其散度：南高北低型(a)、東高西低型(b)、獨(dú)立高壓型(c)、中國(guó)大陸東移低壓或低槽型(d)、入西太平洋高壓型(e)與北太平洋高壓脊(f)
Fig.3 Water vapor flux and its divergence of six types of synoptic systems: high in the south and low in the north (a), high in the east and low in the west (b), isolated high (c), low or trough of eastern China (d), high to the Western Pacific (e) and the North Pacific ridge (f)

圖4 中國(guó)大陸東移低壓或低槽型(a)與北太平洋高壓脊型(b)

圖5 入西太平洋高壓型Fig.5 High to the Western Pacific

針對(duì)表2中的6種天氣型，按照上述思路同時(shí)結(jié)合前人的研究成果[25-29]，逐一考察各典型海霧個(gè)例中逆溫與天氣系統(tǒng)之間的聯(lián)系*楊?lèi)?，高山紅.黃海海霧天氣特征與逆溫層成因分析，青島：中國(guó)海洋大學(xué)本科畢業(yè)論文，2013，總結(jié)出了關(guān)于相應(yīng)逆溫層的形成猜想(見(jiàn)表3)。需要特別注意的是，個(gè)例的天氣系統(tǒng)在演變過(guò)程中，首先促成逆溫層，進(jìn)而形成海霧，所以逆溫形成時(shí)的天氣形勢(shì)與海霧形成時(shí)的未必一致，前者有可能超前。

3.2 驗(yàn)證分析

再次利用CFSR再分析數(shù)據(jù)，綜合分析水平溫度平流，追蹤暖空氣的移動(dòng)路徑及干濕屬性，對(duì)表3給出的逆溫層形成猜想進(jìn)行驗(yàn)證分析。由于挑選的典型海霧個(gè)例2月份最多見(jiàn)(見(jiàn)表1)，下面就以該月份的入西太平洋高壓型和中國(guó)大陸東移低壓或低槽型為例，分別代表暖氣團(tuán)來(lái)源于海上和陸上兩種情形，詳細(xì)展現(xiàn)驗(yàn)證分析過(guò)程，其他類(lèi)型的驗(yàn)證結(jié)果就利用前人的研究進(jìn)行說(shuō)明。

3.2.1 入西太平洋高壓型及其他暖氣團(tuán)來(lái)源于海上的天氣型 圖7展示了入西太平洋高壓型逆溫層(見(jiàn)圖6(a)、(b))形成過(guò)程中975與1000hPa高度上的海上溫度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)分布?？梢钥吹?日02時(shí)海上呈現(xiàn)北冷南暖的溫度場(chǎng)分布，海上高壓反氣旋式環(huán)流將低緯海上的暖空氣向西向北輸運(yùn)，使得臺(tái)灣及浙江東部海區(qū)維持溫度暖脊，整個(gè)黃海上空為暖平流控制，且上層強(qiáng)于下層(見(jiàn)圖7(a)、(d))；海上暖脊配合高壓西側(cè)南向氣流，持續(xù)的暖平流作用導(dǎo)致08時(shí)東海和黃海西南部上空出現(xiàn)強(qiáng)的增溫效應(yīng)，黃海西南部上層的暖平流作用顯著(見(jiàn)圖7(b)、(e))；20時(shí)，入西太平洋高壓穩(wěn)定控制黃、東海海區(qū)，其外圍偏南氣流將來(lái)自臺(tái)灣以東洋面和浙閩沿岸的暖氣團(tuán)平流到黃海南部冷海面，上下層均存在暖平流(見(jiàn)圖7(c)、(f))。表明天氣系統(tǒng)控制下的暖平流有利于此次逆溫的形成。

(上排填色為975-1000 hPa的逆溫，下排填色為950-1000 hPa逆溫；(a)與(b)為入西太平洋高壓型，(c)與(d)為中國(guó)大陸東移低壓或低槽型；黑色矩形框標(biāo)識(shí)出了海霧生成前相應(yīng)位置的逆溫，黑色實(shí)線(xiàn)代表1000 hPa等高線(xiàn)，藍(lán)色帶箭頭實(shí)線(xiàn)為1000hPa流線(xiàn)。The shading in top and bottom rawsare the inversion layers of 975 minus 1 000 hPa and 950 minus 1 000 hPa. (a) and (b) are both high to the Western Pacific, (c) and (b) are both low or trough of eastern China；The black rectangles indicate the locations of inversion layers before the sea fog generated.The black solid lines represent the isothermal lints at 1 000 hPa.The blue solid lines with arrows indicate the streamlines of 1 000 hPa.)

圖6 不同氣壓層之間的逆溫水平分布
Fig.6 Distribution of inversion layer between different pressure levels

由圖7中等壓面上等溫線(xiàn)構(gòu)成南北向的暖脊以及南風(fēng)向作用，可判斷高壓西側(cè)為暖空氣的移動(dòng)路徑。圖8為沿此路徑(圖7(c)中紫色直線(xiàn)AB)作的垂直剖面。結(jié)果顯示5日02時(shí)，臺(tái)灣以東附近海上的低層為暖濕氣團(tuán)占據(jù)，其北側(cè)溫度偏低(見(jiàn)圖8(a))；與入西太平洋高壓西側(cè)相聯(lián)系的下沉運(yùn)動(dòng)和低緯海面強(qiáng)烈的加熱作用導(dǎo)致了效果明顯的低層增溫現(xiàn)象，在南向氣流持續(xù)作用下，低緯暖濕空氣不斷北移至黃海西南部(見(jiàn)圖8(b))；20時(shí)，950hPa以上氣團(tuán)輸送比較均勻，存在弱的下沉運(yùn)動(dòng)，以下水平風(fēng)在垂直方向上存在剪切，發(fā)現(xiàn)低層暖氣團(tuán)移至黃海西南部冷海面時(shí)，上層暖平流作用并伴有下沉增溫，下層湍流降溫，近海面逐漸形成逆溫(見(jiàn)圖8(c))。Gao等[7]的海霧數(shù)值試驗(yàn)也明確指出，暖空氣流經(jīng)冷海面的逆溫通常是由近海面湍流混合造成的。

此外，任兆鵬等[26]、Zhang等[27]的研究表明，夏季7月份的北太平洋高壓脊型個(gè)例，由于海洋大氣邊界層的上、下氣塊均來(lái)自海洋，溫、濕屬性差異不大，靜力穩(wěn)定度下降，十分有利于湍流發(fā)展，上層下沉增溫和下層感熱降溫形成逆溫層。

表3 不同海霧天氣型相關(guān)逆溫層的形成猜想

(上下排分別對(duì)應(yīng)975與1000 hPa；黑色實(shí)線(xiàn)為等高線(xiàn)、藍(lán)色實(shí)線(xiàn)為等溫線(xiàn)、填色為海上暖平流、箭頭代表海上1000hPa風(fēng)場(chǎng)。The top and bottom rows correspond to 975 and 1 000 hPa,respectively. The black solid lines represent contours. The blue solid lines indicate isothermal lines. The shading is the warm advection over the sea. Arrows represent the sea wind field at 1 000 hPa.)

圖7 入西太平洋高壓型逆溫層形成的天氣形勢(shì)

Fig.7 Weather pattern of the inversion layer formation associated with the high to the Western Pacific

(藍(lán)色實(shí)線(xiàn)表示比濕，填色表示溫度，箭頭代表剖面上合成的風(fēng)矢量。The blue solid lines represent specific humidity. The shading is temperature. Arrows indicate:the wind vector on section.)

圖8 沿圖7(c)中直線(xiàn)AB作的剖面
Fig.8 The cross section along the line AB in Fig.7(c)

3.2.2 中國(guó)大陸東移低壓或低槽型及其他暖氣團(tuán)來(lái)源于陸上的天氣型 圖9給出了中國(guó)大陸東移低壓或低槽型逆溫層(見(jiàn)圖6(c)、(d))形成過(guò)程中975與1000hPa高度上的溫壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)。8日08時(shí)，由蒙古高壓分裂的高壓控制黃海，其前部氣流將北方的冷空氣向南不斷囤積(圖略)，造成9日20時(shí)975hPa以下的黃海上空為深厚的冷氣團(tuán)控制，華北、黃淮陸上有暖脊維持，有一淺槽配合暖脊，槽前偏西氣流將暖空氣平流輸送到黃海西南部(見(jiàn)圖9(a))，下層溫度脊不強(qiáng)且氣壓梯度小，導(dǎo)致同一海區(qū)暖平流較弱，甚至出現(xiàn)冷平流(見(jiàn)圖9(d))；10日02時(shí)，中國(guó)大陸低壓南伸的槽加深，975hPa上槽前較強(qiáng)的暖平流使山東半島南部海區(qū)溫度略有升高(見(jiàn)圖9(b))，在1000hPa上則由于暖平流較弱和冷平流作用，對(duì)應(yīng)位置存在小幅降溫或等溫(見(jiàn)圖9(e))；08時(shí)，975hPa上山東半島南部暖平流維持(見(jiàn)圖9(c))，1000hPa上低壓槽前盛行的西南氣流將陸上的冷空氣向山東半島南部海區(qū)推移，弱冷平流引起低層降溫(見(jiàn)圖9(f))，表明天氣系統(tǒng)控制的上層暖平流和下層冷平流導(dǎo)致了此次逆溫。

(上下排分別對(duì)應(yīng)975與1000hPa；黑色實(shí)線(xiàn)為等高線(xiàn)、藍(lán)色實(shí)線(xiàn)為等溫線(xiàn)、填色為海上暖平流、箭頭代表海上1000hPa風(fēng)場(chǎng)。The top and bottom rows correspond to 975 and 1 000 hPa,respectively. The black solid lines represent contours. The blue solid lines indicate isothermal lines. The shading is the warm advection over the sea. Arrows represent the sea wind field at 1 000 hPa.)

圖9 中國(guó)大陸東移低壓或低槽型逆溫層形成的天氣形勢(shì)

Fig.9 Weather pattern of the inversion layer formation associated with the low or trough of the Eastern China

圖10為沿低壓槽前西南氣流(圖9(c)中紫色直線(xiàn)AB)作的斜剖面?？梢钥吹?日14時(shí)，800hPa以下的黃海上空為深厚的冷氣團(tuán)控制，120°E以西為陸上受白天太陽(yáng)短波輻射加熱的暖干氣團(tuán)(見(jiàn)圖10(a))。夜間由于地面的長(zhǎng)波輻射冷卻作用，在陸上逐漸形成夜間穩(wěn)定邊界層。08時(shí)，斜剖面上水平風(fēng)速增大，950和975hPa上各有強(qiáng)度不同的暖舌伸向海面，950hPa上的暖平流較強(qiáng)(見(jiàn)圖10(b))。上層的暖干氣團(tuán)在西南氣流的推動(dòng)下向黃海上空移動(dòng)，暖平流引起增溫效應(yīng)，下層的西南氣流將由夜間陸面輻射冷卻形成的冷氣團(tuán)向海上推移，弱冷平流引起低層降溫，上層暖空氣沿冷空氣頂部平流形成逆溫(見(jiàn)圖10(c))。再次表明，天氣系統(tǒng)控制下的溫度平流決定了此次逆溫層的形成。

(藍(lán)色實(shí)線(xiàn)表示比濕，填色表示溫度，箭頭表示剖面上合成的風(fēng)矢量。The blue solid lines represent specific humidity. The shading is temperature. Arrows indicate:the wind vector on section.)

圖10 沿圖9(c)中直線(xiàn)AB作的剖面 Fig.10 The cross section along the line AB in Fig.9(c)

另外，齊伊玲[28]分析的春季南高北低型個(gè)例是由上層北部低壓后部西-西南向的陸上暖平流和下層西南高壓輸送的冷平流綜合作用導(dǎo)致的逆溫。Zhang等[25]研究的4月份春季海霧為東高西低型，認(rèn)為黃海海面淺薄高壓西部的偏南氣流(暖平流較弱)和低空(925hPa)來(lái)自大陸的暖偏西氣流(暖平流較強(qiáng))在黃海冷海面上空疊加形成逆溫。張守寶[29]提出3月份獨(dú)立高壓型個(gè)例的逆溫是由于高壓前部來(lái)自陸上的東北氣流從低層注入冷空氣導(dǎo)致下層降溫。諸多研究已說(shuō)明入海變性高壓輸送陸上的冷暖平流在海上大氣邊界層不同高度上的差異導(dǎo)致逆溫層形成。

為了說(shuō)明海氣之間的熱量交換，圖11給出了海面感熱通量和海面10 m風(fēng)場(chǎng)。海面感熱通量是由于氣海溫差的存在而產(chǎn)生的熱輸送量，主要通過(guò)湍流擴(kuò)散完成，氣溫高于海溫，表面感熱通量的方向向下，為負(fù)值；反之則方向向上，為正值。中國(guó)大陸東移低壓或低槽型個(gè)例(見(jiàn)圖11(a))中，與圖6(c)海上逆溫形成位置對(duì)應(yīng)的感熱通量為正值，即海溫高于氣溫，感熱通量由海洋傳遞給溫度較低的大氣使其增溫，所以低層冷空氣不是來(lái)自海洋的冷卻，只能是來(lái)自沿岸陸上的平流過(guò)程。對(duì)入西太平洋高壓型(見(jiàn)圖11(b))而言，與圖6(b)上逆溫形成位置對(duì)應(yīng)的海面感熱通量的值為負(fù)，代表氣溫高于海溫，熱量由大氣通過(guò)湍流混合過(guò)程傳遞給溫度較低的海洋，從而導(dǎo)致低層空氣冷卻降溫形成逆溫層。

(填色表示海面感熱通量，箭頭代表海面10 m風(fēng)場(chǎng)。The blue shading is sea surface sensible heat het flux. Arnaws indicate the wind field of 10 m over the sea.)

圖11 海面感熱通量和10 m風(fēng)場(chǎng)
Fig.11 Sea surface sensible heat net flux and wind of 10 m above sea surface

3.3 成因示意圖

通過(guò)對(duì)6次個(gè)例逐一討論，驗(yàn)證分析了逆溫層的形成猜想，同時(shí)補(bǔ)充了平流氣團(tuán)的來(lái)源及其溫濕屬性。根據(jù)天氣型控制下暖氣團(tuán)的來(lái)源不同，可將逆溫層形成過(guò)程歸納為2類(lèi)(見(jiàn)圖12，13)，暖氣團(tuán)主要來(lái)源于陸上的有入海變性高壓型和中國(guó)大陸東移低壓或低槽型；主要來(lái)源于低緯海上的有入西太平洋高壓型；北太平洋高壓脊型或包括以上兩種來(lái)源。

圖14顯示，若暖氣團(tuán)由陸上平流而來(lái)，則一般是由于各氣壓層上的溫度平流不一致導(dǎo)致逆溫，或者是上層暖平流強(qiáng)于下層，或者是上層暖平流而下層冷平流，其中包括暖氣團(tuán)沿冷氣團(tuán)平流、冷氣團(tuán)從底部楔入暖氣團(tuán)等。

(紅、藍(lán)陰影區(qū)代表暖、冷氣團(tuán)，黑色箭頭代表氣流方向，即作剖面圖的大致位置。The red and blue shading are warm and cold air mass,respectively.The black arrows represent the ariflow direction,ramely,the location of cross section.)

圖12 暖空氣來(lái)源于陸上的天氣型：南高北低型(a)、東高西低型(b)、獨(dú)立高壓型(c)、中國(guó)大陸東移低壓或低槽型(d)
Fig.12 Synoptic systems that warm air mass comes from land: high in the south and low in the north (a), high in the east and low in the west (b), isolated high (c), low or trough of the eastern China (d)

(紅、藍(lán)陰影區(qū)代表暖、冷氣團(tuán)，黑色箭頭代表氣流方向，即作剖面圖的大致位置。The red and blue shading are warm and cold air mass,respectively.The black arrows represent the ariflow direction,ramely,the location of cross section.)

圖13 暖空氣來(lái)源于低緯海區(qū)的天氣型：
入西太平洋高壓型(a)與北太平洋高壓脊(b)

Fig.13 Synoptic systems that warm air mass comes from
low latitude sea areas: high to the Western Pacific (a) and the North Pacific ridge (b)

(折線(xiàn)代表溫度垂直廓線(xiàn)。The polylines indicate the vertical profiles of temperature.)

圖14 當(dāng)暖空氣來(lái)源于陸上時(shí)的逆溫層形成示意圖

Fig.14 Diagrammatic sketch of the inversion layer formation if warm air mass comes from land

由圖15可以看出，若暖氣團(tuán)由海上平流而來(lái)，則各氣壓層上的溫度平流較一致，一般是由于暖空氣平流至冷海面，近海面湍流混合、冷卻降溫導(dǎo)致逆溫。

(折線(xiàn)代表溫度垂直廓線(xiàn)。The polylines indicate the vertical profiles of temperature.)

圖15 當(dāng)暖空氣來(lái)源于低緯海區(qū)時(shí)的逆溫層形成示意圖
Fig.15 Diagrammatic sketch of the inversion layer formation
if warm air mass comes from low latitude sea areas

4 結(jié)論

本文選取2007—2012年2～6月之間的32次黃海海霧典型個(gè)例為研究對(duì)象，利用日本氣象廳MTSAT可見(jiàn)光衛(wèi)星云圖、韓國(guó)氣象局天氣圖和美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心CFSR數(shù)據(jù)，首先統(tǒng)計(jì)了黃海海霧的天氣特征，將海霧天氣系統(tǒng)進(jìn)行分類(lèi)，然后分析了各天氣系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)海上大氣逆溫層的成因。主要結(jié)論如下：

(1)黃海海霧天氣系統(tǒng)存在入海變性高壓、中國(guó)大陸東移低壓或低槽、北太平洋高壓脊與入西太平洋高壓4類(lèi)。其中，入海變性高壓除了包括常見(jiàn)的東高西低，還有南高北低和獨(dú)立高壓2種，入西太平洋高壓為新發(fā)現(xiàn)的類(lèi)型。入海變性高壓型多形成于春季，中國(guó)大陸東移低壓或低槽型在冬春季節(jié)均存在，北太平洋高壓脊型主要集中在夏季，入西太平洋高壓型多發(fā)生于冬夏。

(2)決定海上大氣逆溫層形成的因素是天氣系統(tǒng)控制的冷暖平流和海面湍流冷卻作用。暖空氣來(lái)源于陸上的有入海變性高壓和中國(guó)大陸東移低壓或低槽，暖氣團(tuán)來(lái)源于低緯海上的有入西太平洋高壓。前者一般由上層強(qiáng)暖平流、下層弱暖(冷)平流造成逆溫；后者一般為暖氣團(tuán)平流至冷海面，湍流引起近海面海氣熱量交換，冷卻降溫形成逆溫；形成北太平洋高壓脊逆溫的暖氣團(tuán)包括陸、海兩部分，逆溫形成除上述兩種原因外，還需考慮上層的下沉增溫作用。

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責(zé)任編輯 龐 旻

Analysis on the Synoptic Characteristics and Inversion Layer Formation of the Yellow Sea Fogs

YANG Yue, GAO Shan-Hong

(The Key Laboratory of Physical Oceanography, Ministry of Education, Ocean-Air Interaction and Climate Laboratory of Shandong Universities, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Based on Multi-functional Transport Satellite (MTSAT) visible satellite imagery of the Japan Meteorological Agency (JMA), synoptic charts from the Korea Meteorological Administration (KMA) and Climate Forecast System Reanalysis (CFSR) of National Centers for Environmental Prediction (NCEP), 32 cases of the Yellow sea fogs that occurred during February to June from 2007 to 2012 are chosen and studied. The synoptic characteristics are statistically analyzed, the favorable synoptic systems of the Yellow Sea fogs are summed up, and then one case of each type are selected to clarify the formation of corresponding inversion layer in marine atmosphere. The results are outlined as: (1) Favorable synoptic systems for sea fog over the Yellow Sea can be classified into 4 types that includes transition high to sea (high in the south and low in the north, high in the east and low in the west, isolated high), low or trough of the eastern China, the North Pacific ridge and high to the Western Pacific. Their percentages are 62.5%, 21.9%, 9.4% and 6.2%, respectively. (2) Cold and warm advection controlled by synoptic systems and near sea surface turbulence mixing jointly dominates the formation of inversion layer in marine atmosphere prior to sea fogs occurrence. If warm air mass comes from land, the inversion is usually produced by the structure with upper warm advection and lower weak (cold) advection; if warm air mass flows over sea areas of low latitude, the inversion forms due to the cooling near sea surface caused by turbulence mixing.

Yellow Sea; sea fog; synoptic characteristics; inversion layer; advection effect; turbulence effect

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41276009)資助

2014-03-02；

2014-05-04 作者簡(jiǎn)介： 楊 悅 (1990-)，女，碩士生。E-mail：yangyueouc@163.com

P468.0+28

A

1672-5174(2015)06-019-12

10.16441/j.cnki.hdxb.20140059

?? 通訊作者： E-mail：gaosh@ouc.edu.cn