黄海夏季海雾的边界层结构特征及其与春季海雾的对比*

任兆鹏,张苏平

(1.中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室海洋-大气相互作用与气候实验室,山东青岛266100;2.青岛市气象局,山东青岛266003)

海雾(Sea fog)直接影响人类海上的各类活动,并对沿海地区空气质量、人类健康等有重要影响。黄海是我国沿海雾日最多的区域,青岛年雾日数为50 d以上,山东半岛东部的成山头年雾日数可达80 d以上,其中60%～80%以上的雾出现在4～7月,形成黄海的雾季[1-2]。

虽然黄海雾季期间主要是平流冷却雾,即暖湿空气流经冷海面,近海面空气冷却达到其露点温度形成雾[1],但是近几年研究表明,黄海春季(4～5月)和夏季(6～7月)海雾形成的大气环流条件有所不同。比如黄海春季和夏季成雾的背景环流分别是冬季风系统中的大陆高压和夏季风系统中的太平洋副热带高压[3];冬季风强弱影响春季海雾多寡,夏季风强弱影响夏季海雾多寡[4-5]。最近,利用青岛市气象台L波段二次测风雷达提供的高分辨率探空资料发现青岛近海海洋大气边界层(MABL)静力稳定度、湍流发展条件春、夏季具有明显的不同,4月月平均逆温层最强,出现逆温的日数可达24 d以上,7月月平均逆温层基本消失,稳定性明显减弱,出现逆温的日数不足12 d[6];对春季和夏季海雾的统计分析表明,春季海雾较薄,夏季海雾较厚[7]。以上研究从气候学角度探讨了黄海春季和夏季海雾形成的背景环流异同,并给出了春季和夏季海雾垂直结构的若干统计学特征。但是,对春季海雾和夏季海雾的具体个例对比分析尚不多见,诸如为什么夏季雾较厚、春季海雾和夏季海雾在MABL中的温湿结构特征差异的成因等科学问题尚没有回答。

本文利用最新的海上浮标站资料、L波段二次测风雷达和数字探空仪资料和WRF(Weather Research Fo recast Model)中尺度天气模式,从M ABL层结结构等方面,对夏季(2008年7月7日～11日)1次黄海海雾过程进行分析,在此基础上,与春季海雾个例(2008年5月2日～4日)进行对比分析,加深对海雾形成物理过程的理解,为不同季节海雾的预报提供参考,同时也可以为海雾模式的边界层参数化方案的修正提供参考。

1 资料和方法

1.1 资料

本文使用的资料和模式与张苏平等[8]所用的基本一致。为了使本文保持相对完整,简要介绍如下。使用的主要资料有:(1)GOES-9可见光卫星云图资料;(2)青岛气象台L波段二次测风雷达和GTS1型数字式探空仪数据(以下简称探空资料),雷达站位置在黄海沿岸(120°20′E、36°04′N),海拔高度75 m,资料的垂直分辨率为30 m,一般每日北京时间07∶00和19∶00时2次探测(其中7月7、9、10、11和12在01∶00时加密1次),要素有温度、湿度、气压、风向、风速等;(3)青岛近海浮标站观测资料,包括海表面以上2 m的气温(SA T)、气压、湿度、能见度、风向风速和海表面以下1m的水温(SST),时间间隔为1 h;(4)NCEP的FNL(Final Analysis)客观分析资料(http://dss.ucar.edu/datasets/ds083.2/),全球范围,水平分辨率为1(°)×1(°),垂直分层为26层,时间间隔为6 h。

1.2 模式简介及模式试验设计

本文使用中尺度模式WRF(v3.0),积分区域中心点为122°E、27°N,采用双向反馈两重嵌套网格。粗、细网格水平分辨率分别为30和10 km,格点数分别为60×81、85×115,垂直方向取35层σ坐标①35层σ坐标分别为:1.000,0.993,0.983,0.970,0.954,0.934,0.909,0.880,0.845,0.807,0.765,0.719,0.672,0.622,0.571,0.520,0.468,0.420,0.376,0.335,0.298,0.263,0.231,0.202,0.175,0.150,0.127,0.106,0.088,0.070,0.055,0.040,0.026,0.013,0.000。选择了适合海雾过程的参数化方案[9],其中微物理过程采用Lin et al.方案[10];积云对流参数化方案采用具有浅对流并包含水汽、云和水相态的Kain.Fritsch方案[11-12];边界层方案采用了Yonsei University(YSU)PBL方案;长波辐射和短波辐射方案采用RRTM方案[13]和Dudhia方案[14]。

模式积分的初始场采用NCEP提供的FNL客观分析资料,积分时间为2008年7月6日12∶00U TC～11日12∶00U TC,每6 h提供FNL数据侧边界信息。粗细网格的时间积分步长分别为180和60 s,每3 h输出1次模拟结果。

2 观测分析

2.1 天气形势

2008年7日00∶00U TC,受海上高压的影响,黄海海区850 hPa到500 hPa盛行偏南风,低层1 000 hPa为南-东南风,7日06∶00U TC低空从1 000～850 hPa均转为东南风(见图1a～b),将黄-东海海区的水汽向北输运,7月7日在黄海东部朝鲜半岛西岸的冷水区首先形成了海雾。7～11日,副热带高压一直稳定在黄-东海海区,中纬度没有明显冷空气活动,低层1 000 hPa为东南-南风,利于海雾维持。同时高压控制下的下沉气流也有利于黄海稳定海洋大气边界层层结的形成,为海雾的形成和维持提供了有利的层结条件。雾区从黄海东部扩展并向西移动,于7日06∶00U TC前后开始影响青岛地区。7月11日受西风带短波槽影响,使黄海西部产生了对流降水,11日之后海雾逐渐消散,此次海雾过程结束。

图1 天气形势图2008年7月7日06时U TCFig.1 Weather chart at 06U TC,July 7,2008

2008年7月7日00∶00U TC(北京时间7月7日08∶00)可见光卫星云图上,从黄海中部往东直到朝鲜半岛西岸的黄海东部海区有乳白色的反照率较高区,为海雾最初形成的标志(见图2a)。至7月7日05∶00U TC(见图2b),雾区渐渐向黄海西北部扩展,与山东半岛东部的成山头、辽东半岛的东部接壤。7月8日00∶00U TC(见图2c),雾区扩散至整个黄海海区并与黄海周边的朝鲜半岛西岸、辽东半岛东岸,山东半岛东部、南部以及江苏沿岸接壤。此时雾区面积达到最大值。8日09∶00U TC(见图2d),雾区范围有所减小,仅在辽东半岛东部和山东半岛东南部与陆地接壤。到7月9日09∶00U TC(见图2e),雾区南部的海雾消散。从7月10日00∶00U TC(见图2f)整个黄海东部和北部被浓密的白色云区所覆盖,这是层云甚至是积云的明显特征。从可见光云图上难以分辨海雾的影响是否结束。通过青岛站的人工观测记录可知,此次海雾过程在11日00∶00U TC结束。

图2 GOES-9卫星可见光云图Fig.2 GOES-9 visible cloud images

2.2 浮标站观测

图3为2008年7月7～12日海雾过程中青岛近海浮标站观测的SA T、SST和能见度的时间变化曲线。可以看出,海雾出现之前和消散之后,气温明显高于海温,气海温差(SAT-SST)在2.5℃左右。海雾出现时,气温下降,海温变化不大,气海温差(SAT-SST)有所减小,但一直维持在1.5℃左右。在10日06∶00U TC以后的大雾时段,气温有上升的趋势,气海温差增大。在7～12日海雾期间,能见度在7月8日12∶00UTC出现短时的转好现象,在7月9日12∶00UTC～10日06∶00UTC则由于降水原因(图略),能见度出现了波动现象,但形成海雾的天气形势一直维持,一直到7月11日12∶00之后,转为偏北气流控制,海雾消散,因此将7～11日看成1个海雾过程。

图3 青岛近海浮标站观测资料Fig.3 The observations of buoy station

图4a为春季(2008年5月2～3日)和夏季(2008年7月7～11日)2个海雾过程的气海温差。可以看出在夏季个例中,气温始终高于海温,海雾期间气海温差维持在1～2℃左右。在春季个例中,海雾出现时气温明显下降,海雾期间气海温差不足0.5℃,特别是在浓雾时段(5月2日17～18U TC[15]),出现了SA T

图4a 青岛近海浮标站2 m气温与SST差值观测资料Fig.4a The observations of buoy station of the difference between air temperature at 2 m and SST

图4b 2008年4次海雾过程2 m气温与SST差值Fig.4b The difference between air temperature at 2 m and SST of four seafog cases in 2008

根据潜热公式:

其中ρ为空气密度,L为蒸发潜热,Ce为与稳定度和高度有关的潜热系数,u为风速,Ts为海面温度,qs为Ts下的饱和比湿,qa为空气的比湿。夏季雾中的SA T明显高于SST,虽然雾中空气已经饱和,在气温高于海温条件下,海面蒸发停止,说明夏季海雾的维持基本依靠水汽的平流输送,为典型的平流冷却雾。春季海雾过程中出现气温低于海温的情况,虽然空气已经饱和,但在SST高于气温的条件下,海面蒸发仍然能够继续。因此春季的平流冷却雾过程中,也有局地海面蒸发的贡献,但是平流冷却效应是主要的。

2.3 MABL层结和湍流条件

在夏季个例中,浓雾主要出现在7月7日18U TC～7月11日00U TC之间(见图3)。由探空资料可以看出(见图5a),在海雾过程中(浓雾阶段相对湿度RH≥95%),MABL低层层结近于等温,间或出现逆温,逆温强度与春季(见图5b)相比明显较弱,与统计结果一致[6]。说明夏季MABL层结的稳定性比春季弱。受夏季风的控制,MABL中夏季的水汽量大于春季,而且雾区上方没有明显的干层(RH<80%)。夏季黄海MABL中静力稳定度较春季减弱,静力稳定度下降有利于湍流的发展。加之水汽量较大,容易形成比较厚的雾,雾层高度可达500 m。而春季水汽供应量较少,更加稳定的层结可以使水汽局限于比较低的空中,形成比较薄的雾层,雾层高度在200 m左右。这在一定程度上解释了为什么夏季海雾的厚度一般比春季厚的观测事实[17]。

图5 青岛站探空廓线Fig.5 The sounding p rofile in Qingdao

由Richardson数(Ri)可以看出,夏季和春季低层均存在湍流较强区(Ri<0.25),但夏季在雾顶附近(400～500 m)存在另1个湍流较强区,与Zhang等[17]给出的统计结果一致。夏季的高低2个湍流较强区并没有连通,表明对于较深厚的雾,雾顶的湍流冷却不一定能影响到低层。而春季雾层很薄,只存在1个湍流较强区。需要指出的是由于探空站高度距离海平面75 m,水平方向距离海边约1 000 m,而浮标站非常接近海面,两者对雾的确认可能有差异,这种情况以浮标站观测为标准。

3 数值模拟

前面的分析表明,夏季海雾期间,MABL中近于等温,静力稳定度较春季减弱;而春季海雾期间,MABL中逆温层非常明显,这种温度层结可以对雾的厚度有影响。以下用数值模拟的结果进一步探讨不同季节MABL层结的形成过程以及内部结构。

3.1 控制试验

根据海雾的定义,能见度是辨别海雾区的重要物理量。在大气为水平均一的情况下,气象能见度可以根据大气消光系数计算得出,即柯喜密什(Koschmieder)公式[18]。结合模式给出的物理量,建立了能见度计算公式[19-20]:

其中XVIS是水平能见度,单位:km,β是消光系数,由云水消光系数、雨水消光系数、云冰晶消光系数和雪消光系数4部分组成。由于春季和夏季黄海海雾过程中没有冰晶和降雪,一般也没有降水,能见度主要受云水消光系数的影响,有

其中q为液态水含量(g/kg)ρ为大气密度(g/m3)。傅等[21]、Gao等[22]、张和任[8]用(1)式较好地模拟了春季黄海海雾中的能见度。本文即采用该公式计算能见度。

图6a～f是由模式第一层云水混合比所计算出大气水平能见度的分布图。可以看到与之前的卫星云图相比(见图2),模式较好的模拟出了此次海雾过程雾区随时间变化的过程。可以看出WRF模拟的结果与实况还是比较一致的。对于春季(2008年5月2～3日)的个例已经进行了控制试验分析,模拟结果与实况基本一致[8]。

图6 模式第一层大气水平能见度(m)Fig.6 The simulated horizontal visibility(m)at firstmodel level

3.2 MABL层结的形成过程

Zhang等[6]的研究表明,春季4月份黄海海面存在一明显浅薄反气旋环流,反气旋西部的偏南气流(暖平流较弱)流经黄海冷海面和低空(约925hPa)来自大陆的暖偏西气流(暖平流较强)在黄海西部上空叠加,形成逆温层。用WRF模式的输出结果和拉格朗日方法对MABL中气块后向追踪,可以更加清楚的表明逆温层的形成过程。在青岛近海雾区MABL中10、100、500和1 000 m 4个不同的高度上确定4个追踪点。春季个例从5月2日21U TC后向追踪27 h至5月1日18U TC(见图7a)。10和100 m 2个较低高度上的气块始终在海洋上空经过,而500和1 000 m 2个较高高度上的气块则先是经过了浙江、江苏地区的陆地,之后才进入黄海。从沿轨迹路线的温度和湿度变化上来看,在起始时刻,4个点的温度差别不大,都在16℃附近。随着气块的移动,下层近海面的气块温度逐渐降低到12℃,上层经过陆地的气块温度逐渐升高到20℃(春季陆地温度明显高于SST),最终在青岛近海形成了8℃的强逆温结构。从相对湿度的变化图上,底层的相对湿度一直保持在90%以上,随高度升高逐渐减小。低层气块进入黄海后气温明显下降,相对湿度上升达100%,反映了暖湿空气平流到冷海面冷却成雾的过程。

同样利用模式模拟结果进行夏季海雾个例的边界层内气块追踪。从青岛近海7月8日12U TC后向追踪48 h至7月6日12U TC(见图7b)。与春季不同的是4个高度上的气块均始终在海洋上空经过,500和1 000 m 2个较高高度上的气块比低层气块的路径偏西,但基本处于海洋上空,反应了深厚的夏季风特征。沿着轨迹路线,低层气块在向北移动的过程中,通过与黄海冷海面的感热交换,温度逐渐降低,但由于夏季海水层化明显,SST的径向梯度小于春季,气块降温速率明显小于春季。而高层气块是从更高的空中下沉北移,绝热增温的效应比较明显。最终在青岛近海形成了3℃的逆温结构,比春季个例的逆温强度弱的多。从相对湿度的变化图上,低层的相对湿度一直保持在90%以上,500 m以上气块绝热下沉增温的同时,相对湿度明显下降。

总体来说夏季MABL中由于高低层气块均来自海洋上空,性质差异不大,高层下沉增温和低层感热降温的综合效应使得青岛近海MABL也是静力稳定的,但逆温的强度较弱(3℃/500 m),因此与春季(8℃/500 m)相比,夏季MABL层结稳定性较弱(见图7a、b)。而春季MABL中高低层气块分别来自海洋和陆地,下垫面感热作用导致强逆温层。黄健[3]认为夏季黄海海雾产生的背景环流是副热带高压,本夏季个例中的下沉可能与副热带高压相联系,但尚需更多的资料加以证实。

图7 边界层内气块追踪路径图[6]Fig.7 Trajecto ry of the boundary layer air

图8 模式的云水混合比(g/kg,阴影)和海气温差(℃,曲线)Fig.8 Simulated cloud water mixing ratio(g/kg,shaded)and temperature differences between sea surface and air(℃,contour)

3.3 海雾内部温湿结构

图8为模拟的5月2日12U TC和7月2日12U TC时刻海气温差(海表面水温减50 m高度处的气温)和云水混合比沿34°N和123°E的剖面图。春季个例中(见图8a),雾区内海气温差(SST-SA T)较小(-0.5～0.5℃),雾区外的海气温差明显增大(<-1℃),浓海雾区雾顶高度在250 m左右,薄海雾区雾顶高度在50 m左右。在夏季个例中,雾区内海气温差(0～-2℃)大于雾区外海气温差(0～-1℃),浓雾区中心的海气温差更大(<-2℃)(见图8b),这一点与春季海雾个例正相反。夏季浓海雾区雾顶高度在400 m左右,薄海雾区雾顶高度在200 m左右,雾层的高度比春季海雾厚很多,浓雾区(云水混合比>0.7 g/kg)比春季海雾大的多,说明夏季海雾的含水量要高于春季,水汽在凝结成雾的过程中放出更多的凝结潜热,使雾区内的温度升高,这很可能是夏季雾区内的海气温差比雾区外大的原因之一。在本次夏季海雾的观测中虽然没有表明雾区内海气温差比雾区外大,但夏季海雾中的海气温差明显大于春季,而且在浓雾阶段海气温差有增大的趋势(见图4a)。在海雾发展旺盛时期,雾顶的夹卷作用,也能够将雾区上部的干暖空气卷入雾区内部,造成雾体温度的升高[23]。

图9 (a)模拟的云水混合比(g/kg,阴影)和9θv/9z(K/m,等值线)沿123°E的垂直剖面;(b)模拟的云水混合比(g/kg,阴影)和Richardson数(等值线)沿123°E的垂直剖面;(c)模拟的云水混合比(g/kg,阴影)和气温(℃,等值线)时间:2008年7月7日12U TCFig.9 (a)Vertical section of cloud water mixing ratio(g/kg,shaded)and 9θv/9z(K/m,contour)along 123°E;(b)Vertical section of cloud water mixing ratio(g/kg,shaded)and Richardson Number(contour);(c)Vertical section of cloud water mixing ratio(g/kg,shaded)and air temperature(℃,contour)along 123°E at 07/07 12U TC

图9a为夏季个例沿123°E经线作的9θv/9z高度-经度剖面图,可以看出,9θv/9z的值在0～0.03 K/m之间,均为正值,即气层为静力稳定。与春季情况相比,虽然9θv/9z的值都为正值,而春季9θv/9z值可达0.08 K/m[8],因此夏季的气层相比春季稳定性差,特别是在近海面水汽含量较高(q>0.6 g/kg)的浓雾区里9θv/9z的值小于0.01 K/m,表明较弱的稳定性可能有利于浓海雾的发展和维持,支持了观测所得结论。在Ri高度-经度剖面图上(见图9b),湍流较强的区域(Ri<0.25)集中在100～250 m的雾层中上部,没有到达底层,这一点与探空观测基本一致。因此底层的温度较少受到雾顶长波辐射降温的影响。从气温剖面(见图9c)上能看到,相比于雾区外气温在雾层顶部较低,雾区中部的温度较低,而在雾层底部海气界面附近,温度又有微弱的上升。通过之前的分析,作者认为雾区顶部的降温是雾顶长波辐射冷却作用的结果,而底部的微弱升温则可能是由于水汽的潜热释放和雾顶长波辐射和湍流混合冷却效应影响较小的结果。而春季的雾层高度本身较低,雾顶之上有干层,使雾顶的强烈长波辐射冷却作用可以达到较低的高度,因此春季雾中气温明显下降甚至低于SST。

4 结论

本文对2008年7月7日黄海夏季海雾个例的边界层结构特征进行了观测分析与数值模拟,并将结果与春季的黄海海雾个例进行对比研究。主要结论如下:

(1)观测表明,夏季雾中的SA T多高于SST,局地蒸发基本停止,春季雾中常出现SST高于SA T的情况,可有局地蒸发,但均是典型的平流冷却雾。夏季MABL中温度层结近于等温或者较弱逆温,静力稳定度较春季下降,有利于湍流的发展。加之水汽量较大,容易形成比较厚的雾(500 m)。春季逆温层非常明显,水汽供应量较少,强稳定层结可以使水汽局限于比较低的空中,易形成比较薄的雾层(200 m)。模式结果表明,夏季海雾个例雾区内部的稳定度比春季个例弱。春季雾区内部9θv/9z可以达到0.05 K/m以上,而夏季雾区内部只有0.01 K/m。

(2)利用模式对边界层气块轨迹在拉格朗日框架下进行后向追踪,发现夏季MABL中高低层气块均来自海洋上空,温湿性质差异不大,低层感热降温较小,高层有下沉绝热增温,综合效应使得青岛近海温度垂直差异较小,MABL层结稳定性较春季弱,海雾发展高度较高。而春季MABL中高低层气块分别来自陆地和海洋,近海面感热降温和来自陆地的暖干平流共同作用,导致强逆温层和雾区上方的干层,雾顶长波辐射强烈,雾层高度较低。

(3)利用模式结果研究雾区内部温湿结构表明,夏季海雾的含水量要高于春季,水汽在凝结成雾的过程中放出更多的凝结潜热。根据Ri,夏季雾区内部湍流层分别在贴近海面层和100～300 m的雾层中上部,表明雾顶长波辐射冷却作用可能不易到达雾区底部。潜热增加和冷却效应减小的共同作用,使夏季海雾的气温明显高于海温。因此夏季雾区内的气海温差比春季雾区内大。由于春季海雾厚度本身较薄,雾顶之上存在明显干层,导致雾顶强烈的长波辐射冷却,湍流混合将雾顶的冷却作用带到雾区底部,从而形成雾中气温明显下降,气-海温差较小,甚至气温低于海温。

(4)春季海雾和夏季海雾在MABL中温湿结构和稳定度的不同主要是受不同环流形势的影响。春季主要是黄海局地反气旋西部的偏南气流从东海北部/黄海南部向黄海西北部输送水汽,925 hPa为偏西气流来自陆地。而夏季海雾是受深厚的夏季风影响,M ABL中的气块均来自海洋,水汽量大且深厚。因此,夏季不仅海雾厚度较厚,而且持续时间长、范围大。

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