一次重力波對(duì)黃海海霧發(fā)生、發(fā)展的影響研究

宋美琪， 張?zhí)K平，2， 戴光耀

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院海洋氣象系， 山東 青島 266100；2. 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重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100；3. 中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院海洋技術(shù)系, 山東 青島 266100)

海霧是指在海洋的影響下，海濱、島嶼或開(kāi)放海域海上大氣邊界層內(nèi)懸浮著的大量微小的水滴或冰晶使能見(jiàn)度降低至1 km(0.62 mile)以下的天氣現(xiàn)象，海霧導(dǎo)致的低大氣能見(jiàn)度對(duì)人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生重大影響[1-2]。開(kāi)展對(duì)海霧的研究具有非常重要的意義。

關(guān)于海霧的發(fā)生，前人研究大都是圍繞海霧天氣下的大氣環(huán)流背景和層結(jié)條件。平流冷卻霧是暖空氣在冷水面發(fā)生凝結(jié)而形成，在4—7月多發(fā)于黃海海域，其發(fā)生、發(fā)展主要影響因子包括東南風(fēng)影響下的水汽輸送、冷水面[1, 3-4]、穩(wěn)定的海上大氣邊界層[5-7]、霧頂長(zhǎng)波輻射冷卻[8-10, 12]與霧頂夾卷作用[12]等。低空水平風(fēng)的垂直切變?cè)斐傻耐牧骰旌鲜强諝饨禍卦鰸裥纬赡Y(jié)的重要原因[11-12]。一般來(lái)講平流霧是順著風(fēng)向發(fā)展的，但是有結(jié)果表明，海表面風(fēng)場(chǎng)與海霧的發(fā)展并不是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系[13]，且實(shí)際觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)海霧在發(fā)展時(shí)，其面積和形態(tài)是發(fā)生變化的，霧區(qū)變化方向與背景風(fēng)場(chǎng)之間存在一定的夾角，甚至霧區(qū)是不連續(xù)的。這些變化特征僅僅用海霧發(fā)生、發(fā)展的背景條件難以充分解釋。

靜力穩(wěn)定的層云云頂有時(shí)可清晰看到重力波的存在[14]。邊界層內(nèi)由水平風(fēng)的垂直切變引起的重力波又稱(chēng)開(kāi)爾文亥姆霍茲不穩(wěn)定(Kelvin-Helmholtz instability，KHI)，會(huì)引起邊界層內(nèi)湍流混合[15-17]。重力波位相的傳播使氣層中氣溫、液態(tài)水含量、能見(jiàn)度等氣象要素具有周期性振蕩的特征。海霧可以認(rèn)為是貼近海面的層云[4, 18]，前人利用衛(wèi)星、雷達(dá)等觀測(cè)手段發(fā)現(xiàn)陸地霧層中存在重力波引起的波紋狀結(jié)構(gòu)，波長(zhǎng)通常在(102～104) m[18-21]，重力波引起的滾輪對(duì)流會(huì)使層積云出現(xiàn)規(guī)律的“云街”形態(tài)[22]。黃海海霧的發(fā)生、霧區(qū)的變化發(fā)展是否和重力波之間有存在一定關(guān)系，迄今尚無(wú)研究。

2014年5月17—18日“東方紅2號(hào)”科考船捕捉到海霧過(guò)程伴隨重力波活動(dòng)。本文利用船測(cè)、衛(wèi)星、再分析資料分析重力波在海霧生成和發(fā)展階段的作用，利用WRF嵌套的LES模式再現(xiàn)海霧過(guò)程，進(jìn)一步驗(yàn)證重力波與海霧的關(guān)系。

1 資料、方法與模式

1.1 資料與方法

2014年春季，中國(guó)海洋大學(xué) “東方紅2號(hào)”科考船進(jìn)行了為期25天的黃渤海航次科研考察工作，科考船甲板上搭載了自動(dòng)氣象站、能見(jiàn)度測(cè)量?jī)x、多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)等儀器。本文使用的船載觀測(cè)的資料有：(1)船載XZC6-1型自動(dòng)氣象站資料，包括經(jīng)度、緯度、氣溫(SAT)、相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等。該儀器位于距海平面10 m高度處，每10 s記錄一次數(shù)據(jù)；(2)船載上海長(zhǎng)望NQ-1型能見(jiàn)度測(cè)量?jī)x觀測(cè)的科考船行駛方向的水平能見(jiàn)度數(shù)據(jù)，時(shí)間間隔為1 min，范圍在6～30 000 m；(3)國(guó)產(chǎn)長(zhǎng)峰儀器AF-06-A型號(hào)的全球定位系統(tǒng)(GPS，Global Position System) 探空儀資料，包括氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度、風(fēng)向、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率為1 s，垂直分辨率10 m，最高可觀測(cè)到約13 000 m；(4)船載中國(guó)海洋大學(xué)和青島鐳測(cè)創(chuàng)芯科技有限公司共同研制的脈沖相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)Wind3D 6000資料。儀器掃描窗口距海平面8 m高度處，主要使用該資料的PPI掃描下風(fēng)速的徑向分量，每分鐘輸出一次仰角為0°的掃描結(jié)果，用于記錄大氣風(fēng)速的波動(dòng)信號(hào)；(5)船載CPEC310閉路渦動(dòng)相關(guān)通量觀測(cè)系統(tǒng)CSAT3A三維超聲風(fēng)速儀三維測(cè)風(fēng)儀(通量?jī)x)數(shù)據(jù)；(6)船載芬蘭Vaisala激光云高儀(CL31型號(hào))資料，時(shí)間分辨率為16 s，垂直高度范圍0～8 000 m，其配套軟件系統(tǒng)計(jì)算每3 min記錄一次云底高度、邊界層高度和云的種類(lèi)(包括霧)；(7)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)提供的ERA5再分析資料(1)Hersbach H, Bell B, Berrisford P, et al. ERA5 hourly data on pressure levels from 1979 to present. Copernicus climate change service (C3S) climate data store (CDS), 2018, 10.24381/cds.bd0915c6, https: //cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/.，垂直共37層，時(shí)間間隔為1 h，水平分辨率0.25(°)×0.25(°)，用于天氣形勢(shì)以及要素場(chǎng)分析，并作為WRF-LES模式提供初始場(chǎng)和邊界條件。

本文采用Gao等利用雙通道法提出的適合黃海的雙通道之差海霧判別閾值的夜間霧區(qū)反演產(chǎn)品[23]。利用日本氣象廳多功能運(yùn)輸衛(wèi)星(MTSAT，The Multi-Functional Transport Satellite) 氣象衛(wèi)星4 km×4 km每小時(shí)的可見(jiàn)光云圖，以及紅外1、4通道數(shù)據(jù)以及中分辨率成像光譜儀(MODIS，The Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)衛(wèi)星0.25 km×0.25 km可見(jiàn)光通道獲取日間海霧區(qū)域。海霧在可見(jiàn)光云圖上一般表現(xiàn)為表面均一、邊緣清晰且紋理光滑的乳白色的特征[24]。本文用到Morlet連續(xù)小波分析方法[25]，對(duì)重力波引起的垂直速度、能見(jiàn)度、溫度等氣象要素波動(dòng)特征進(jìn)行分析。

1.2 模式介紹

本研究針對(duì)海霧過(guò)程的模擬采用的LES模式是帶有高級(jí)研究WRF(Advanced Research WRF，ARW) 動(dòng)態(tài)求解器的WRF v3.7.1版本。WRF嵌套的LES模式需關(guān)閉邊界層參數(shù)化方案，因此需要通過(guò)提高水平與垂直分辨率來(lái)直接地描述湍流結(jié)構(gòu)。對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行四重網(wǎng)格嵌套(D01～D04)，網(wǎng)格間距分別為9，3，1和200 m(見(jiàn)圖1)。使用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的水平分辨率0.25(°)×0.25(°)，時(shí)間分辨率1 h的ERA5再分析資料運(yùn)行D01、D02和D03區(qū)域網(wǎng)格。使用WRF中的ndown技術(shù)，將D03輸出的結(jié)果(時(shí)間間隔為10 min)單獨(dú)作為嵌套的LES層D04區(qū)域網(wǎng)格的初始條件和邊界條件。模擬時(shí)段是2014年5月17日12:00 UTC—19日00:00 UTC，模式初始時(shí)刻的中心位置(35°N，122°E)，四重網(wǎng)格的垂直層數(shù)均為44，具體的參數(shù)化方案見(jiàn)表1。

表1 WRF模式和LES模式參數(shù)設(shè)定Table 1 Options of WRF model and LES model

圖1 模式區(qū)域設(shè)置Fig. 1 Domain configuration

2 天氣過(guò)程

5月18日00:00 UTC“東方紅2號(hào)”位于紅點(diǎn)(123.17°E，37.00°N)，700 hPa(見(jiàn)圖2(a))，我國(guó)東北地區(qū)和渤海位于高空槽后，受下沉西北氣流控制；925 hPa(見(jiàn)圖2(b))和1 000 hPa(見(jiàn)圖2(c))上黃海海域有一較弱的反氣旋環(huán)流，小高壓控制，等壓線(xiàn)稀疏，黃海以南位于氣旋式環(huán)流前部，較強(qiáng)的東南風(fēng)攜帶著相對(duì)溫暖濕潤(rùn)的氣體北上；圖2(d)是10 m風(fēng)場(chǎng)和1 000 hPa相對(duì)濕度分布圖，觀測(cè)位置的南部大范圍區(qū)域的相對(duì)濕度接近100%，并且吹南風(fēng)，可以看到觀測(cè)位置受偏南氣流影響，風(fēng)速較小，環(huán)流形式和水汽條件利于海霧的生成和發(fā)展。

((a), (b), (c)分別是700，925和1 000 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線(xiàn)，gpm)和風(fēng)場(chǎng)(箭頭，m/s)；(d)2 m溫度場(chǎng)(紅色實(shí)線(xiàn)，K)，10 m風(fēng)場(chǎng)(小箭頭，m/s)，1 000 hPa相對(duì)濕度場(chǎng)(填色，單位：%)以及10 m風(fēng)場(chǎng)平均風(fēng)矢量(紅框內(nèi)黑色箭頭)和925 hPa風(fēng)場(chǎng)平均風(fēng)矢量(藍(lán)色箭頭))。(a), (b),(c) are 700, 925 and 1 000 hPa geopotential height fields(contours, gpm) and wind fields(arrows, m/s), respectively； (d) The 2 m temperature field(red solid line, K), the 10 m wind field(small arrow, m/s), the 1 000 hPa relative humidity field(filled, Unit:%), and the 10 m wind field average wind vector in the red box(black arrow) and 925 hPa wind field mean wind vectors(blue arrows).)圖2 2014年5月18日00:00 UTC天氣形勢(shì)Fig. 2 Synoptic weather map at 00:00 UTC 18 May， 2014

3 海霧與重力波觀測(cè)分析

3.1 海霧觀測(cè)分析

船載能見(jiàn)度儀記錄的水平能見(jiàn)度顯示本次海霧個(gè)例發(fā)生的時(shí)間是2014年5月17日22:43 UTC至18日01:24 UTC(見(jiàn)圖3(d))，此過(guò)程中船位于123.17°E，37.00°N，位置幾乎沒(méi)有發(fā)生變化。船載激光云高儀在相對(duì)應(yīng)的時(shí)段cloud status顯示“4”，說(shuō)明此時(shí)段觀測(cè)到的是海霧[33]。在觀測(cè)位置附近海表面吹南風(fēng)，風(fēng)速較小(見(jiàn)圖2)。

圖3 船載自動(dòng)氣象站溫度T(℃)、露點(diǎn)Td(℃)、相對(duì)濕度Rh(%)、三維測(cè)風(fēng)儀垂直風(fēng)速w(m/s)和能見(jiàn)度儀能見(jiàn)度(m)的時(shí)間序列Fig. 3 Time series of temperature T(℃), dew point Td(℃), relative humidity Rh(%) measured by the shipboard automatic weather station, vertical wind speed w(m/s) of 3D anemometer and visibility (m) measured by the visibility meter

從夜間反演海霧產(chǎn)品和可見(jiàn)光云圖(見(jiàn)圖4)上可以看到，17日20:00 UTC海霧已在黃海西南部大范圍分布；21:00—22:00 UTC科考船位于這一大片海霧的北側(cè)邊緣；23:00—01:00 UTC海霧的北側(cè)邊緣向東北方向發(fā)展，經(jīng)過(guò)科考船。由此可知，船測(cè)到的海霧過(guò)程是山東半島以南已經(jīng)存在大片海霧北側(cè)延伸出的小范圍海霧，科考船只記錄到一次維持了近3 h的低能見(jiàn)度天氣，海霧向北移動(dòng)離開(kāi)科考船，能見(jiàn)度恢復(fù)至1 km以上，隨后科考船駛離海霧分布的區(qū)域。

圖4 夜間海霧反演產(chǎn)品和MTSAT可見(jiàn)光云圖Fig. 4 Nacturnal sea fog inversion products and MTSAT visible light clouds

船載自動(dòng)氣象站和三維測(cè)風(fēng)儀顯示，21:50 UTC垂直速度(見(jiàn)圖3(c))振幅突然增大至0.3 m/s，與此同時(shí)自動(dòng)氣象站觀測(cè)的氣溫開(kāi)始下降(見(jiàn)圖3(a))，5 min后溫度露點(diǎn)差降低至0 ℃，相對(duì)濕度接近100%(見(jiàn)圖3(b))，達(dá)到水汽飽和狀態(tài)。并且每當(dāng)5 min垂直速度出現(xiàn)較大的振幅時(shí)，就會(huì)伴有明顯的降溫。21:55—22:40 UTC船測(cè)點(diǎn)及附近維持水汽飽和的狀態(tài)，大氣溫度、濕度條件均已符合產(chǎn)生海霧的條件，能見(jiàn)度呈現(xiàn)緩慢波動(dòng)態(tài)勢(shì)下降，但未產(chǎn)生海霧，直至22:43 UTC能見(jiàn)度迅速下降至1 km以下。也就是說(shuō)生成海霧的溫度、濕度條件均已具備，已經(jīng)接近飽和的氣層維持了近50 min才生成海霧。發(fā)生海霧時(shí)兩次探空觀測(cè)(見(jiàn)圖5)顯示，在200 m高度的位置有強(qiáng)烈的逆溫層，相對(duì)濕度達(dá)到最大值，垂直方向上有明顯的風(fēng)切變， 風(fēng)向隨高度由南風(fēng)轉(zhuǎn)為東風(fēng)，風(fēng)速增大，由此可確定霧頂高度大概在200 m。圖2(d)中標(biāo)示出的10 m高度(黑色箭頭)和925 hPa高度(藍(lán)色箭頭)之間存在明顯的風(fēng)切變，分別為1.7 m/s的南風(fēng)和6.3 m/s的東風(fēng)。

圖5 GPS探空溫度(黑色實(shí)線(xiàn))、露點(diǎn)溫度(藍(lán)色虛線(xiàn))、相對(duì)濕度(綠色虛線(xiàn))、位勢(shì)溫度(黑色虛線(xiàn))和風(fēng)矢量(箭頭)廓線(xiàn)Fig.5 GPS soundings of temperature (black solid line), dew poinr temperature (blue dashed line), relative humidity (green dashed line), potential temperature (black dashed line) and wind vector (arrow) contours

3.2 海霧中重力波特征分析

隨著小范圍的海霧向北移動(dòng)，能見(jiàn)度逐漸增大至1～5 km后，進(jìn)行了一組多普勒激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的觀測(cè)。圖6(a)是5月18日03:40 UTC風(fēng)速?gòu)较蚍至匡@示掃描區(qū)域是南風(fēng)，通過(guò)速度方位角(VAD，Velocity Azimuth Display) 反演方法[34]，即減去徑向風(fēng)速在同半徑弧線(xiàn)上的正弦擬合，去除方位角信息，保留的是水平方向風(fēng)速的振蕩信號(hào)(見(jiàn)圖6(b))，可以明顯看到水平風(fēng)速在重力波的作用下表現(xiàn)為規(guī)律的波動(dòng)，重力波的波長(zhǎng)在800～1 000 m。連續(xù)時(shí)間段的觀察發(fā)現(xiàn)，重力波的位相向東北方向傳播，相速度大約2.0 m/s，水平風(fēng)速振幅在0.5 m/s上下，周期6～8 min，符合低層大氣小尺度重力波KHI的特征，與前人通過(guò)激光雷達(dá)觀測(cè)到的海霧中的KHI的特性類(lèi)似[21]。

圖6 2014年5月18日03:40 UTC船載脈沖相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá) PPI掃描0°仰角(a)風(fēng)速的徑向分量(m/s)及(b)VAD反演方法后的風(fēng)速(m/s)Fig.6 Products of CDL at 03:40 UTC 18 May, 2014 (a) radial component of wind speed (m/s) and (b) wind speed after VAD inversion method (m/s)

對(duì)船載三維測(cè)風(fēng)儀在的垂直速度(w)進(jìn)行小波分析，選取溫度降低，濕度近飽和，w的振幅增大，但還沒(méi)有生成海霧之前的時(shí)段。圖7(a)顯示，w存在明顯的周期為5～8 min的規(guī)律振蕩，與激光雷達(dá)測(cè)得的重力波的周期相吻合。前人發(fā)現(xiàn)，在海霧過(guò)程中能見(jiàn)度、風(fēng)速等存在強(qiáng)烈的3～5 min的準(zhǔn)周期振蕩[17, 21]。

((a)小波分析能量譜，黑色實(shí)線(xiàn)表示通過(guò)95%的信度檢驗(yàn)，錐線(xiàn)以外不可信；(b)總體波譜圖(實(shí)線(xiàn))和95%信度線(xiàn)(虛線(xiàn))。 (a) Wavelet analysis energy spectrum. The solid black line indicates that it passes the 95% confidence test and is not credible beyond the cone line; (b) Overall wavelet spectrogram (solid line) and 95% confidence line (dashed line).)圖7 船測(cè)海霧前垂直速度w小波分析Fig.7 Wavelet analysis before sea fog vertical velocity w

圖8 2014年5月17日23:43 UTC靜力穩(wěn)定度(a)和Brunt-V?is?l?頻率廓線(xiàn)(b)Fig. 8 Static stability(a) and Brunt-V?is?l? frequency contours(b) at 23:43 UTC 17 May， 2014

圖4顯示大片的海霧或?qū)釉圃诖瑴y(cè)點(diǎn)觀測(cè)到海霧前已經(jīng)出現(xiàn)，說(shuō)明該海域上空大氣是穩(wěn)定層結(jié)的，已具備產(chǎn)生和維持重力波的良好的背景條件。船測(cè)點(diǎn)南部出現(xiàn)海霧的區(qū)域上空存在強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，是激發(fā)出重力波的條件。

MODIS可見(jiàn)光通道影像(見(jiàn)圖9)顯示，18日02:50 UTC觀測(cè)到的海霧正在向北移動(dòng)遠(yuǎn)離科考船(紅點(diǎn))，在其北側(cè)邊緣的位置可以清晰看到沿東西方向延展的條紋狀態(tài)，條紋之間的距離大概是1～10 km的尺度，這是邊界層內(nèi)的單一重力波使氣團(tuán)在垂直方向上規(guī)律的振蕩，引起溫度、濕度、液態(tài)水含量等氣象要素的規(guī)律振蕩，最終在霧傳播方向前沿以清晰的云街/霧街的形態(tài)呈現(xiàn)。同樣在這片霧的中部也存在著肉眼可見(jiàn)的想南北方向延伸，沿東西方向傳播的波動(dòng)。

圖9 2014年5月18日02:50 UTC MODIS 可見(jiàn)光云圖Fig.9 MODIS visible light cloud map at 02:50 UTC 18 May， 2014

3.3 海霧發(fā)生發(fā)展與重力波的關(guān)系

以上觀測(cè)和分析表明，海霧過(guò)程中是存在重力波活動(dòng)的，在此高度上重力波的周期是6～8 min，與理論符合。重力波是由于穩(wěn)定的大氣層結(jié)中存在水平風(fēng)的垂直切變，垂直風(fēng)切變作為擾動(dòng)源引起了重力波的傳播。但是觀測(cè)發(fā)現(xiàn)偏西的南風(fēng)背景下，乳白色的霧區(qū)是向東北方向移動(dòng)，說(shuō)明霧區(qū)的發(fā)展和移動(dòng)方向不是單純由風(fēng)場(chǎng)決定的。

穩(wěn)定層結(jié)中湍流混合是海霧形成的重要因素之一。依據(jù)觀測(cè)分析提出生成海霧過(guò)程的猜想：重力波在海霧過(guò)程中的作用分為三個(gè)階段：(1)穩(wěn)定層結(jié)中垂直風(fēng)切變產(chǎn)生的重力波引起大氣在垂直方向上規(guī)律的振蕩，使氣層內(nèi)的垂直混合作用加強(qiáng)，上層熱量向下輸送，從混合層頂開(kāi)始降溫，混合層上部的逆溫增強(qiáng)，逆溫層以下形成高濕氣層，并且這種狀態(tài)會(huì)維持一定時(shí)間。(2)重力波會(huì)引起氣層內(nèi)的湍流混合作用，在準(zhǔn)飽和的狀態(tài)下，湍流混合作用使原來(lái)已經(jīng)接近飽和的氣層達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，使混合層內(nèi)水汽開(kāi)始發(fā)生凝結(jié)，液態(tài)水含量增大，在長(zhǎng)波輻射冷卻機(jī)制共同作用下，霧層會(huì)迅速發(fā)展起來(lái)，厚度加深。(3)當(dāng)海霧生成后，在重力波的作用下出現(xiàn)規(guī)律的滾輪狀的特征。

4 模式結(jié)果分析

為了驗(yàn)證猜想，進(jìn)一步探究海霧發(fā)展過(guò)程與重力波之間的關(guān)系，利用WRF模式嵌套LES模式模擬了此次海霧過(guò)程。圖10～11的區(qū)域?qū)?yīng)圖1的D04區(qū)域。模式底層的水平云水混合比在18日00:00—04:00 UTC(見(jiàn)圖10 (a)～(c))顯示的霧區(qū)與上述的大片海霧北側(cè)延伸出的小團(tuán)海霧的觀測(cè)事實(shí)基本一致，圖10(b)霧區(qū)的形態(tài)與MODIS云圖顯示的霧區(qū)形態(tài)高度吻合，圖11(a)是該時(shí)刻的垂直速度w，對(duì)應(yīng)在這片海霧的北側(cè)邊緣存在明顯的重力波，后續(xù)向北移動(dòng)發(fā)展，霧區(qū)面積增大(見(jiàn)圖10(c))。LES還模擬出了船測(cè)海霧時(shí)段后大片海霧整體向東北發(fā)展的過(guò)程(見(jiàn)圖10(d)～(f))。06:00—10:00 UTC有大面積的海霧向東北方向擴(kuò)散，海霧的邊緣移動(dòng)的速度約8 m/s，此時(shí)是5 m/s的南風(fēng)。結(jié)合08:00 UTC垂直速度分布圖(見(jiàn)圖11(b))觀察到在大片海霧移動(dòng)方向的下游有明顯的波長(zhǎng)為1.2～2.0 km重力波，波動(dòng)特征與激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖6(b))反映的重力波的波長(zhǎng)、周期、速度等特征均吻合。由此可知，不論是山東半島東部的小范圍海霧，還是后期發(fā)展較迅速的大范圍海霧，其發(fā)展方向的前緣均有明顯的重力波存在，海霧邊緣的形態(tài)與重力波相位傳播形態(tài)類(lèi)似，并且與重力波相位移動(dòng)的方向一致?？梢?jiàn)重力波參與海霧生成和發(fā)展的過(guò)程，并起到重要的作用。

圖10 模式最底層大氣的水平云水混合比(填色，單位：g/kg)水平分布Fig. 10 Simulated horizontal cloud water mixing ratio (shaded, Unit:g/kg) at the lowest level

圖11 模式20 m高度處垂直速度w(填色,單位：m/s)水平分布Fig. 11 Horizontal distribution of vertical velocity w (shaded, Unit: m/s) out of mode 20 m height

沿著船測(cè)點(diǎn)所在位置的經(jīng)線(xiàn)(123.17°E)方向做垂直剖面(見(jiàn)圖12)，D04和D03分別是LES模式和WRF模式的結(jié)果。D04顯示04:00 UTC在貼近海面的大氣存在海霧，云水混合比隨高度減小。垂直速度振幅明顯的區(qū)域位溫在空間上波動(dòng)起伏也隨之增大，位溫的波動(dòng)與垂直速度的波動(dòng)存在π/2個(gè)相位差[14]。在36.75°N—36.85°N區(qū)間，垂直速度表現(xiàn)出重力波沿經(jīng)向的波長(zhǎng)約1.5 km，重力波從低緯向高緯傳播，在同一時(shí)刻的WRF結(jié)果中，該位置沒(méi)有出現(xiàn)海霧，說(shuō)明LES模式結(jié)果中重力波是海霧產(chǎn)生過(guò)程的關(guān)鍵因素。

圖12 模式沿123.17°E的垂直剖面云水混合比(黑色實(shí)線(xiàn)，g/kg)，位溫(紅色實(shí)線(xiàn)，K)及垂直速度(填色，單位：m/s)Fig. 12 Cloud-water mixing ratio (black solid line, g/kg), potential temperature (red solid line, K),vertical velocity (shaded, Unit:m/s) of the vertical profile of the model along 123.17°E

11:00 UTC海霧發(fā)展旺盛，厚度在180 m左右。低層位溫線(xiàn)稀疏是垂直混合充分的結(jié)果，286 K位溫線(xiàn)可以認(rèn)為是混合層頂，其上是穩(wěn)定的逆溫層，逆溫層增強(qiáng)并且抬升，混合層內(nèi)穩(wěn)定性增強(qiáng)。霧層中液態(tài)水含量在水平方向上也隨重力波有規(guī)律的振蕩，w向上時(shí)表現(xiàn)為液態(tài)水含量增大，并且w越大，液態(tài)水含量越大，并且在混合層頂是云水混合比的大值區(qū)。這是因?yàn)榛旌献饔煤烷L(zhǎng)波輻射冷卻作用[11-12]使混合層頂降溫最明顯，液態(tài)水含量增加最快。這也證實(shí)了海霧發(fā)生后，在重力波的影響下，海霧(尤其在霧頂)出現(xiàn)規(guī)律的滾輪狀結(jié)構(gòu)。

綜合來(lái)看，重力波對(duì)海霧產(chǎn)生的作用表現(xiàn)在：重力波的湍流混合作用使維持了一段時(shí)間的飽和狀態(tài)的氣層出現(xiàn)過(guò)飽和并發(fā)生凝結(jié)，產(chǎn)生海霧，隨后產(chǎn)生的海霧又在重力波的影響下，出現(xiàn)滾輪狀特征。

5 結(jié)論與討論

本文從“東方紅2號(hào)”船載激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)在2014年5月17—18日觀測(cè)到的黃海海霧中的重力波活動(dòng)引發(fā)思考并進(jìn)行研究：重力波與海霧的發(fā)生發(fā)展有什么關(guān)系？通過(guò)觀測(cè)資料、衛(wèi)星云圖等結(jié)合WRF模式嵌套LES模式數(shù)值實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，從天氣形勢(shì)、觀測(cè)分析和數(shù)值模擬分析方面對(duì)海霧的發(fā)生和發(fā)展階段與重力波的關(guān)系的進(jìn)行了研究，主要結(jié)論有：

(1) 通過(guò)船載激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)海霧過(guò)程中存在重力波的活動(dòng)跡象，重力波波長(zhǎng)為800～1 000 m，周期6～8 min，向東北方向傳播，相速約2 m/s，自動(dòng)氣象站和通量?jī)x記錄的能見(jiàn)度、溫度和垂直速度等因素存在周期為5～8 min的規(guī)律振蕩，衛(wèi)星云圖顯示的霧中也有重力波的結(jié)構(gòu)特征。該海域產(chǎn)生海霧之前是穩(wěn)定的邊界層，有明顯的水平風(fēng)的垂直切變，是產(chǎn)生和維持重力波的原因。

(2) 分析觀測(cè)資料表明，重力波引起垂直速度振幅增大會(huì)引起氣層的降溫、增濕過(guò)程，垂直混合使層結(jié)達(dá)到接近飽和的狀態(tài)并維持一段時(shí)間。在準(zhǔn)飽和大氣中，重力波產(chǎn)生的湍流混合作用會(huì)使原本已經(jīng)接近飽和的氣層達(dá)到過(guò)飽和并凝結(jié)，產(chǎn)生海霧，在長(zhǎng)波輻射冷卻等機(jī)制共同作用下，海霧迅速發(fā)展。重力波在水平方向上的相位傳播使經(jīng)過(guò)的區(qū)域湍流混合作用增大，為海霧的產(chǎn)生營(yíng)造了良好的溫濕條件，也對(duì)原本已經(jīng)接近飽和的氣層起到激發(fā)海霧的作用，在一定程度上決定了海霧的發(fā)展方向。

(3) 模式結(jié)果驗(yàn)證了重力波對(duì)海霧的發(fā)生起到觸發(fā)作用，驗(yàn)證了利用觀測(cè)數(shù)據(jù)推測(cè)的結(jié)論。重力波會(huì)引起的湍流混合作用使在準(zhǔn)飽和狀態(tài)下大氣達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，混合層內(nèi)水汽開(kāi)始發(fā)生凝結(jié)，液態(tài)水含量增大，在長(zhǎng)波輻射冷卻機(jī)制共同作用下，霧層會(huì)迅速發(fā)展起來(lái)。水平方向上，海霧發(fā)展方向的前緣均有明顯的重力波存在，霧區(qū)邊緣的形態(tài)以及發(fā)展方向與重力波相位的形態(tài)和傳播方向一致。充分混合后的混合層頂是云水混合比的大值區(qū)，且存在垂直速度向上時(shí)表現(xiàn)為液態(tài)水含量增大，向下時(shí)減??；垂直速度振幅越大，云水混合比波動(dòng)越大，解釋了海霧出現(xiàn)滾輪狀結(jié)構(gòu)特征的原因。

海霧產(chǎn)生和發(fā)展是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要多種要素配合。關(guān)于重力波對(duì)海霧產(chǎn)生和發(fā)展的影響的研究，本文僅是一次個(gè)例分析，未來(lái)還需要對(duì)更多的代表性個(gè)例進(jìn)行研究得出更具有普遍性的結(jié)論。

致謝：感謝中國(guó)海洋大學(xué)“東方紅2號(hào)”2014年春季黃渤海航次及王媛，鐘文秀隨船科考，提供數(shù)據(jù)支持；感謝中國(guó)海洋大學(xué)高山紅教授等建立區(qū)域大氣與海洋短期實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)海霧監(jiān)測(cè)與反演產(chǎn)品；感謝陳蒞佳博士、張瑋航博士在數(shù)值模式方面提供的幫助。