一次天气尺度扰动过程对东海北部大气边界层垂直结构的影响*

王　磊， 张苏平

(1.中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室 山东省高校海洋-大气相互作用与气候重点实验室，山东 青岛 266100；

2.中国酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉 732750)



一次天气尺度扰动过程对东海北部大气边界层垂直结构的影响*

王磊1,2， 张苏平1**

(1.中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室 山东省高校海洋-大气相互作用与气候重点实验室，山东 青岛 266100；

2.中国酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉 732750)

摘要：利用2013年6月船载GPS探空、云高仪资料，结合ERA-Interim再分析资料、卫星资料，分析一次天气尺度扰动(锋面过境)过程对东海北部海洋大气边界层(MABL)垂直结构的影响。结果表明：受梅雨锋影响，航测区域上空在整个过程中都有低云覆盖，MABL没有呈现日变化特征；当MABL为稳定边界层时，锋面与站位距离越近，站位上空增强的上升运动导致MABL高度越高。梅雨锋过境前后云层之上都覆盖有较为稳定的逆温层，受锋面抬升作用，云底高度和云顶逆温层高度在锋面过境后高度变高；锋面过境导致航测区域上空700 hPa以下大气的上升运动增强，水汽上升到更高位置，云底从MBAL中脱离。锋面过境后，3000 m以下整层大气相对湿度较大，大气层结退耦的产生导致云分层形成高度不同的多层云。

关键词：GPS探空；海洋大气边界层；梅雨锋；低云；逆温层

引用格式：王磊， 张苏平.一次天气尺度扰动过程对东海北部大气边界层垂直结构的影响[J].中国海洋大学学报(自然科学版)， 2016, 46(4)： 13-20.

WANG Lei, ZHANG Su-Ping. Influence of synoptic scale disturbance on the atmospheric boundary layer structure over the Northern East China Sea[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(4): 13-20.

大气边界层(ABL)又称行星边界层(PBL)，它直接受地球表面的影响，对表面强迫力响应的时间尺度约为1h或更小[1]。海洋大气边界层(MABL)在各种尺度的海气相互作用中都非常重要，海洋气象要素的变化，海洋大气之间的能量、通量及物质交换都在MABL中进行。东海沿岸区域是中国重要的经济活动区，海上活动日益繁荣，而该海区海雾和低云频发，因而开展该海区MABL的研究对人们日常生活和城市经济活动都有着重要的意义。

一般来说，边界层可以分为三种类型：对流边界层(CBL)、稳定边界层(SBL)和中性边界层(NRL)[2]。大气边界层高度主要受到2个过程的影响，湍流(垂直风切变造成的动力作用、地表热通量引起的浮力通量造成的热力作用、云顶辐射冷却)和垂直运动(天气系统和大尺度背景环流)[3]。海洋上面边界层厚度的大多数变化是由海面的天气尺度和中尺度过程的垂直运动以及不同气团的平流造成的[1]。

Nicholas[4]在研究ITCZ两侧的边界层层结变化时指出，暖水一侧的边界层比冷水一侧更不稳定，边界层高度也更高。Kim等[5]利用探空资料研究了海雾的季节发生频率与边界层类型之间关系，对流边界层易发生在较冷的月份，海气温差大于0并且低层冷平流很强，这时低云多为层积云；稳定边界层多发生在较暖的月份，海气温差小于0，低层的暖平流增加了海雾的发生频率，此时层云和海雾的发生频率较高。张苏平等[6]在黄海边界层变化与海雾关系的研究中指出，黄海边界层高度存在的显著季节变化与海雾的季节变化密切相关。Tanimoto等[7]在研究梅雨季节穿过黑潮延伸体的MABL结构变化时指出，锋面相对于黑潮延伸体经向位置发生变化时，穿越黑潮延伸体的风向将发生改变，这将引起近海面大气稳定度及湍流热通量的变化，从而改变MABL结构，进而影响云或雾的发生。涂静等[8]在研究黄东海大气边界层高度时空变化特征时指出黄东海大部分海区边界层高度季节变化呈现夏低、冬季高的单峰结构，以及东高西低、南高北低的空间分布。廖国莲[9]提出在影响大气混合层厚度的众多因子中，大气稳定度是决定大气混合层厚度的最主要因子。孔扬等[10]利用船载GPS探空资料分析黄东海上空春、秋季节的MABL高度特征时发现,当海气温差为正时，海气温差的大小对MABL高度有显著影响。

由于探测手段及资料的局限，前人对中国近海MABL的研究较少，且大部分都是基于再分析资料或沿岸台站资料进行的气候尺度分析。本文利用海上实测资料分析一次天气尺度扰动过程对东海北部MABL结构的影响，这将加深对我国近海MABL在天气尺度扰动背景下的变化特征的认识，为边界层参数化方案的改进提供理论依据。

1资料来源

1.1 船载资料

搭载在“科学三号”考察船上的各探测仪器包括GPS探空仪、自动气象仪、云高仪、CTD仪等，得到海上实测数据。 (1)使用北京长峰微电科技有限公司自主研发的AF-06-A型GPS探空仪，经内置程序处理得到垂直方向上10m间隔的大气温度、湿度、风向、风速等数据。 (2)XZC6-1型船用自动气象仪，随船走航连续观测，主要观测气温(SAT)、气压、风、湿度等，数据间隔为1min。同时，每隔1h人工记录天气实况，如能见度、天气现象、云状云量等。(3)使用芬兰VAISALA公司生产的型号为CL31的云高仪，其发射激光脉冲信号得到后向散射系数，根据内置程序得到云底高度等数据。(4)采用CTD(Conductance Temperature Depth)测得的深度为3m的海温(SST)数据与用自动气象站测得的气温(SAT)数据进行海气温差的计算，用以讨论海气界面的稳定度情况。

1.2 再分析数据和卫星数据

(1)欧洲中心ECMWF提供的ERA-Interim再分析资料，1种高分辨率的全球范围格点的数据集，空间分辨率为0.25(°)×0.25(°)，垂直共37层，时间间隔为6h。 (2)美国国家海洋和大气管理局NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)提供的AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)海温数据，空间分辨率为0.25(°)×0.25(°)网格。(3)日本气象厅MTSAT2红外卫星云图。

2背景介绍

2.1 出海概况

2013年夏季，搭载“科学三号”考察船进行了东海MABL结构探测。为分析天气尺度的扰动(锋面过境)过程，本文选取东海北部DH1航段(6月29日03:48UTC至6月29日20:58UTC)。如图1所示，各站位均位于30°N，随时间自西向东分布。

(黑色粗线表示DH1航段;黑色圆点表示GPS探空气球的释放位置。

The ship track is superimposed with heavy black lines; The black dots indicate the GPS sounding stations.)

图12013年6月29日的AVHRR海温场(等值线)及

海气温差场(填色图)

Fig.1AVHRR SST(rainbow contours,℃) and SST-SAT

(shaded,℃) at 29th in June, 2013

2.2 云系的观测事实

从图2中可以看到，从6月29日03UTC至29日21UTC，航测区域上空有大片云系覆盖。在这一时间段内，根据航行过程中的实时气象观测，除DH1-1站位出现小雨，其余站位都为多云天气；地面天气分析图(图略)海上舟山站此时为9～10个云量的不同高度的积云和层积云。

3锋面过境对东海大气边界层结构的影响

3.1 天气背景流场

3.1.1 水平流场结合850hPa等压面槽线、海平面气压场、10m风场切变线和卫星云图等，作者知道这是一个典型的锋面系统。根据地面天气分析图(图略)，此锋面是从中国东部一直延伸至西北太平洋地区的梅雨锋。从6月21—30日，中国江淮地区及东海北部地区受梅雨锋影响。DH1航段处于梅雨锋准静止过程中暖气团占主导作用、锋面向北移动的时间段。图1中，DH1航段的7个站位处于同一纬度(30°N)，从DH1-1到DH1-7站位的过程中，航线自西向东跨越了3个经度的范围，相对于梅雨锋长达数千公里横贯东亚的大尺度范围，站位的空间变化可以忽略，本文仅考虑时间上的变化。

850hPa等压面场中，DH1航段所在位置上空受低压槽控制，槽线随时间向东北移动；海平面气压场中，10 m风场切变线随时间由南向北移动。6月29日06UTC，海平面10m风场切变线位于28°N附近，航线处于切变线(锋面)北侧，海平面10 m风向为东-东南风(见图3(d))；12UTC，10m风场切变线位于29°N左右，航线上的风向为南-东南风；随锋面系统继续向北移动，到18UTC，航线所在区域由处于锋面北侧变为处于锋面偏南，风向随之由东南风变为西南风(见图3(f))。由此，作者知道锋面过DH1航段的时间发生在12UTC到18UTC之间临近18UTC。受锋面过境的影响，DH1航段所在区域的海平面10m风场散度由弱的辐散场变为较强的辐合场。

(红色线段代表DH1航线。The red lines denote the location of DH1.)

(黑色粗线表示DH1航线，棕色线段为槽线，红色线段为10m风场切变线。 The heavy black lines denote the location of DH1, the brown lines represent the trough-line, and the red lines are the shear lines of 10m-wind above sea level.)

图3(a)、(b)、(c)2013年6月29日06UTC、12UTC、

18UTC850hPa位势高度场(等值线，gpm)；(d)、(e)、(f)2013年

6月29日06UTC、12UTC、18UTC海平面气压场(等值线，hPa)、

海平面10m风场(风矢量，m·s-1)及风散度场(填色，10-5s-1)

Fig.3850hPa Geopotential height(contours at 8-gpm intervals)

at (a)06 UTC, (b)12UTC and (c)18UTC 29 Jun 2013.

Sea level pressure(contours at 1-hPa intervals), 10m wind

(vectors,m·s-1) and divergence at (a)

06 UTC, (b)12UTC and (c)18UTC 29 Jun 2013

3.1.2 垂向流场图4中，29日06UTC，DH1航段上空700hPa高度以下的垂直运动较弱，900hPa之下为下沉运动，其上为上升运动；12UTC，垂直运动加强，除1000hPa高度出现下沉运动外，其余高度层均为上升运动；18UTC，船测站位上空的垂直运动继续增强，1000～700hPa整层皆为强烈的上升运动；到30日00UTC，DH1-7站位(125.99°E，6月29日20:58UTC)上空的垂直运动减弱，850hPa内为较弱的下沉运动，850～750hPa为微弱的上升运动，700hPa出现下沉运动，这说明DH1-7站位可能处于上升运动减弱并向下沉运动转换的时间段内。相对湿度的大值区随时间向东移动，但其高度呈下降趋势，这与观测存在差异，具体分析以实际观测为准。

DH1航段所在区域(123°E～126°E)纬向平均后的纬度-高度剖面图中(见图5)，可以看到30°N即为DH1航段所在位置，其上空的上升运动在29日12UTC和18UTC时刻达到最强，700hPa以下的整层都为上升运动，与图3中DH1航段附近的风场辐合带位置一致，说明低层的风场辅合是造成上升运动的主要原因。到30日00UTC，锋面北移至黄海南部，受黄海高压控制，锋面的影响减弱，30°N以北的垂直运动转为下沉运动。相对湿度大值区随时间向北移动的过程中受下沉运动影响其高度逐渐下降。

3.2 低层大气结构的变化

3.2.1 云底高度的变化实测数据显示，整个航段过程中海温的变化幅度在2℃以内，除DH1-3站位海温高于气温约0.5℃，海气界面为弱不稳定；其余站位均为气温高于海温，海气温差都在-1.5～0℃之间，海气界面为弱稳定(见图6(b))。

(蓝色和红色分别表示上升和下沉运动。灰色虚线之间代表DH1航段上空。The blue and red vectors denote upward motion and downward motion, respectively. Spaces between gray dashed lines stand for DH1 line.填色图：相对湿度(%)；等值线：位温(K)；风矢量：纬向风(m·s-1)和垂直速度(10-2hPa·s-1。Relative humidity(shaded,%); Potential temperature(contour,K); Zonal wind(m·s-1) and vertical velocity(10-2hPa·s-1,vectors) .)

图42013年6月29日06UTC(a)、12UTC(b)、18UTC(c)及6月30(d)日00UTC时刻30°N-经度-高度剖面图

Fig.4Meridional-height section of 30°N at (a)06UTC, (b)12UTC, (c)18UTC 29 and (d)00UTC 30 Jun, 2013

(蓝色和红色分别表示上升和下沉运动;灰色虚线代表DH1航段所在纬度。 The blue and red vectors denote upward motion and downward motion, respectively. Gray dashed lines stand for the latitude of DH1 line.填色图：相对湿度(%)；等值线：位温(K)；风矢量：经向风(m·s-1)和垂直速度(10-2hPa·s-1。Relative humidity(shaded,%), potential temperature(contour,K), meridional wind(m·s-1) and vertical velocity(10-2hPa·s-1,vectors).)

图52013年6月29日06UTC(a)、12UTC(b)、18UTC(c)及6月30日(d)00UTC

时刻123°E～126°E平均-纬度-高度剖面图

Fig.5Latitude-height section of average between 123°E～126°E at (a)06UTC,

(b)12UTC, (c)18UTC 29 and (d)00UTC 30 Jun 2013

(黑色圆点表示云高仪探测得到的云底高度(DH1-2站位附近缺测)。Black dots denote the cloud base determined from the ceilometer(There is no signal around DH1-2.)

图6(a)沿DH1航线位温(黑色等值线，K)、相对湿度(填色图，%)及水平风速(风矢量，m·s-1)的GPS探空垂直剖面图

(b)各站位实测海温(蓝色线，℃)、气温(红色线，℃)、海气温差(黑色线，℃)

Fig.6(a)Longitude-height section of potential temperature(black contours at 1-K intervals) and RH(color shading, %)

and horizontal wind(vectors, m·s-1) observed by GPS sondes along DH1and (b)Shipboard marine meteorological observations

along DH1 for SST(blue line,℃), SAT(red,℃) and SST-SAT(black,℃)

从图6(a)中可以看到，DH1-1站位受降水影响，2000m以下相对湿度较大；其余站位上空相对湿度随高度的变化在一定程度上反映了云层的分布，大于70%的大值区由1000m之下逐渐抬升至2000m以上的高度。相对湿度大于70%的区域上空覆盖有稳定的逆温层，根据盛裴轩等[11]提到的云物理学理论，云顶上方一般存在逆温层，Yi等[12]的观测结果也表明低云顶存在逆温，认为此逆温层为云顶逆温层。但该云层的发生发展也可能与锋面有关。受锋面抬升作用，锋面过境导致航测区域表面风场辐合增强，其上空700hPa以下低层大气的上升运动随之增强，从DH1-3～DH1-6站位，云底高度由200m左右逐渐升高至1500m之上，云顶逆温层的高度也随时间由1000m逐渐升高至近2000m。结合云高仪探测的云底高度和云顶逆温层高度，作者可以粗略判断云层发展的厚度，自西向东的过程中站位上空的云层先增厚，后云体上下分离变薄形成垂直方向上不连续的多层云。锋面过境过程使得局地低层风向发生改变，由东南风转为西南风；风向转变带来的西南暖湿气流使得低层大气温度升高；受辐合上升运动及锋面对暖湿气团抬升的影响，锋面过境后，1500～3000m高度的大气相对湿度显著增加。

排除DH1-1站位降水以及DH1-2站位近地面200m高度内缺测的影响，本文选取其余5个站位的GPS探空资料分析锋面过境对MABL垂直结构的影响，其探测时间分别为世界时间09:32、12:37、15:38、18:25、20:58。

3.2.2 MABL垂直结构的变化探空廓线10m以下气象要素的剧烈变化可能是受船甲板的热岛效应影响，暂不予以讨论，忽略其变化。

按照Liu[13]对边界层发展阶段的描述，图7中，除DH1-3站位的MABL为对流边界层，其高度定义为稳定层的底；其余站位的MABL均为稳定边界层，其高度定义为逆温层的顶。DH1-3至DH1-7站位的MABL高度分别为220、160、250、260和100m，由于云层覆盖，太阳辐射的贡献减弱，MABL高度没有呈现日变化特征。结合前面分析的锋面过境时间和GPS探空得到的地面风向转变，众所周知，DH1-5以西站位都处于锋面北侧，DH1-6和DH1-7站位处于锋面南侧。当锋面与站位距离越近，站位上空的上升运动越强(见图4)，在海气界面稳定度一致(SST-SAT<0)的情况下，MABL高度随上升运动增强而升高，故DH1-5和DH1-6站位的MABL高度明显高于DH1-4和DH1-7站位。锋面过境后500m以下风向由东南风转为西南风，带来了较海洋上暖的陆地上的空气，使得DH1-6和DH1-7站位500m以下的低层大气温度高于其它站位。结合云底高度(见图6(a))，本文发现DH1-3站位的云底高度小于MABL高度，说明云底在MABL之内；后半程受天气尺度强烈的上升运动影响，水汽抬升到更高位置，云层底部从MABL内脱离，随后，云逐渐破碎消散(图略)。Zeng等[14]也曾提出:如果边界层高度太低，边界层与云层脱离，会阻断海洋向云层的热量、水汽以及湍流动能的垂直传输，加速云的消散。

(红色实线表示MABL高度。The red lines stand for MABL height.)

DH1-3站位海温高于气温约0.5℃，受海洋热力作用造成的湍流混合影响，MABL近表面层为厚度在200m左右的混合层,其上覆盖有逆温层；DH1-5至DH1-7站位近表面层为稳定的逆温层。孔扬[10]利用船载GPS探空资料分析黄海MABL高度特征时发现海气温差为正时，MABL为对流边界层，并且海气温差在0.5℃左右时，混合层厚度为200m左右，海气温差为负时，MABL为稳定边界层。与前人一致的观测分析表明，MABL类型与海气界面稳定度密切相关；并且，0.5℃的海气温差可能会导致近表面形成厚度为200m左右的混合层。

如图8所示，DH1-4和DH1-7站位分别代表锋面过境前后的大气层结特征。DH1-4站位上空1 700～1 800m之间出现了逆温层，逆温层以下相对湿度较大，云底高度在200m左右(见图6(a))，说明云集中分布在200～1700m之间，云层较厚。根据Nicholls, S.[15]对“退耦”一词的解释，“大气层结退耦”现象为整层混合层被稳定层分为上下两层，稳定层在温度垂直廓线上体现为逆温层，退耦高度为两个混合层之间的稳定层(逆温层)出现的高度。DH1-7站位上空3 000m以下大气温度垂直廓线出现了多层退耦(逆温)现象，主要分布在450～550m、1700～1850m及2550～2600m；此时，站位附近上空400、1700及2500m左右出现了多层云底高度，分别与退耦高度一致，二者之间必然存在某种联系。这一时刻的海温以及海气温差(见图6(b))相较于前一时刻仅有数值上的微弱变化，海气界面稳定度未发生改变。从水平风速的垂直廓线来看，逆温层底的高度出现了风随高度顺时针转向，逆温层之上风随高度逆时针转向，这说明DH1-7站位上空有冷暖平流的交替分布，与DH1-7站位临近时间的再分析资料也显示其上空700 hPa以下存在冷暖平流的交替分布，说明退耦(逆温)现象可能是由高低空冷暖平流差异所导致。受辐合上升运动及锋面对暖湿气团抬升的影响，DH1-7站位上空3 000m以下整层大气相对湿度较大，伴随大气层结退耦的产生，云在垂直方向上变得不连续形成高度不同的多层云。DH1-4和DH1-7站位3 000m以下大气相对湿度的垂直分布能够反映锋面过境前后云层的大概分布。过境前，云层较厚并且集中在2 000m以下。过境后，云在垂直方向上变得不连续形成多层云，上层云能发展至3 000m以上较高高度，云的结构形态可能发生了改变。

(黑色代表DH1-4站位;红色代表DH1-7站位。Black is DH1-4;Red is DH1-7.)

图8温度(实线，℃)、露点温度(虚线，℃)及

水平风速(风矢量，m·s-1)的GPS探空廓线

Fig.8Vertical profiles of temperature(solid line,℃),

dew point(dashed line,℃) and horizontal wind

(vectors, m·s-1) observed by GPS sondes

4结论

利用船载GPS探空等仪器得到的实测数据，结合ERA-Interim再分析资料、卫星资料对东海北部MABL在一次天气尺度扰动(梅雨锋过境)过程中的变化特征进行分析，得出以下结论：

(1)受梅雨锋影响，航测区域上空有低云覆盖，太阳辐射的贡献减弱，MABL没有呈现日变化特征；在海气界面稳定度一致为负(SST-SAT<0)的情况下，MABL为稳定边界层，锋面与站位空间上距离越近，站位上空增强的上升运动使得MABL高度越高。

(2)梅雨锋过境前后云层之上都覆盖有较为稳定的逆温层，受锋面抬升作用，云底高度和云顶逆温层高度在锋面过境后高度变高；锋面过境导致航测区域上空700 hPa以下大气的上升运动增强，水汽上升到更高位置，云底从MBAL中脱离。

(3)梅雨锋过境前，云层厚度较厚并且集中在2000m以下；受上升运动及锋面对暖气团抬升的影响，过境后，3000m以下整层大气相对湿度较大，伴随大气层结退耦的产生，云在垂直方向上变得不连续形成高度不同的多层云，上层云能发展至3000m以上的高度。

5讨论

(1)结合张苏平等[16]提出的黄东海云雾“南云北雾”的分布形态以及层云下降成雾的理论分析，从卫星云图上发现，航测时间段内东海北部上空梅雨云系中的低层层云向黄海上空发展，说明东海上空的云系是黄海层云下降成雾的低云来源，这一点将在后续研究工作中继续进行。

(2)从图3中可以看到，相对湿度大值区从06UTC到18UTC在东移的过程中呈下降趋势，符合卫星云图中云的纬向位移，但与航行实测得到相对湿度不仅数值上有差异，高度上也存在差异，与云高仪探测到的云底高度不相符，这说明ERA-Interim再分析资料对于湿度场的描述整体趋势是比较可信的，但还存在一定误差，在进行个例研究时要结合天气实况分析这种可能的误差对研究结果带来的影响。

(3)结合前人根据实测资料的分析，作者发现MABL类型与海气界面稳定度密切相关，当海气界面稳定度为正(SST-SAT>0)时，MABL为对流边界层，海气温差的大小对MABL内混合层厚度的影响以及二者之间的相关性还需要在今后工中作获取更多的实测资料进一步分析探讨。

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责任编辑庞旻

Influence of Synoptic Scale Disturbance on the Atmospheric Boundary Layer Structure over the Northern East China Sea

WANG Lei1,2, ZHANG Su-Ping1

(1.The Key Laboratory of Physical Oceanography, Ministry of Eclucation, The Key Laboratory of Ocean-Atmospheric Interaction and Climate Laboratory University of Shandong Province, Ocean University of China, Qingdao 266003, China; 2.Jiuquan Satellite Launch Center, Jiuquan 732750, China)

Abstract:This paper studied the influence of synoptic scale disturbance on the atmospheric boundary layer structure over the northern East China Sea based on the shipborne GPS sounding system, ceilometer during the cruise in June 2013. It is shown that there is no diurnal variation of the MABL height covered with clouds along the cruise under the influence of the baiu front. The height of the stable MABL increases when the front is nearby. There are stable inversion layer capping above the clouds. The heights of cloud-base and the inversion layer are both increase under the uplifting effect of the baiu front.The dramatic upward motion below 700hPa due to the passage of the baiu front facilitate the water vapor reach a higher level and help for the cloud-base separating from the MABL. The relative humidity under 3000m is larger after the passage of the baiu front. The clouds are broken into multi-layers clouds on different levels when decoupling of the atmospheric stratification occurs.

Key words:GPS sounding; marine atmospheric boundary layer; baiu front; low cloud; inversion layer

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150187

中图法分类号：P468.0+27

文献标志码：A

文章编号：1672-5174(2016)04-013-08

作者简介：王磊(1987-)，女，硕士生。E-mail：wanglei_tang@163.com**通讯作者：E-mail：zsping@ouc.edu.cn

收稿日期：2015-05-19；

修订日期：2015-07-17

*基金项目：国家自然科学基金项目(411750006)资助

Supported by the National Natural Science Foundation of China (41175006)