CALIPSO 卫星资料的春夏季黄海海雾高度特征分析

2020-07-29孙艺杨悦甄晴

海洋预报 2020年3期

孙艺，杨悦，甄晴

（1.烟台市人民政府人工影响天气办公室，山东烟台264003；2.中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室，海洋与大气学院，山东青岛266100；3.龙口市气象局，山东烟台265700）

1 引言

黄海是我国海雾发生频率最高的海区之一，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[1-2]。黄海海雾以暖湿空气经过冷海面形成的平流雾为主，其主要特点是分布范围广、大气水平能见度低、持续时间较长。张苏平等[1]在统计黄海海雾的气候特征时发现，海雾一般在每年4—7月的春夏季达到最盛期，8月雾季结束，标志是海上盛行风由偏南风转为偏东风。关于海雾的形成，王彬华[2]总结了我国沿海海雾发生的海洋和气象条件，海洋条件主要包含海表面温度和冷暖洋流的作用，而气象条件中，近海面大气温度、湿度和稳定度是发挥作用的主要因素；同时还归纳了几种我国沿海海域极有可能生成海雾的天气类型，即北太平洋脊、我国大陆东移的低槽或低压系统、入海变性的高压。杨悦等[3]在此基础上又将黄海海雾天气型中的入海变性高压型细分为南高北低、东高西低、独立高压3种配置，并补充了入西太平洋高压型。在上述天气系统的控制下，当低纬的暖湿空气平移至黄海的冷海面，稳定层结使低层的暖湿空气不易向上发展，聚集在近海面而形成海雾[4-5]。除了天气系统的支配，成雾之后，雾体内部的湍流与雾顶的长波辐射冷却对海雾的维持和演变必不可少。夏季海上大气边界层中温度层结近于等温或较弱逆温，静力稳定度下降，有利于湍流的发展，加之水汽量较大，雾顶高度较高[6]。胡瑞金等[7]认为平流作用在黄海海雾形成的初期有明显影响，辐射在海雾发展的中后阶段影响更加显著。杨悦等[8]通过加密垂直分辨率进行天气预报模式（Weather Research and Forecasting，WRF）试验时指出，雾顶液态水含量的增多会使雾顶长波辐射冷却率增强，雾顶降温幅度增大，进一步促进雾顶液态水含量的积累，这种正反馈机制有助于雾顶高度的抬升。

由于海雾多发于冷暖海流交汇的特定海域，这决定了对它的研究也因海域而不同。在雷州半岛附近海域，赵丽娟[9]分析了海雾的宏微观特征，发现在海雾的发展和成熟阶段湍流运动增强可以促进水汽和雾滴的湍流输送，使海雾增厚。除了国内对于海雾的研究，国际上针对其他类型雾的高度特征研究也取得了一定的成果。Leipper等[10]研究加州沿海的海雾时表明，近海面湍流促使海雾生成，成雾后雾顶长波辐射冷却也会导致湍流而促进海雾发展，雾顶高度增高。沿岸海雾发展至厚度超过100 m后，雾顶长波辐射冷却比近海面湍流混合冷却占优势，成为海雾向上发展和维持的推动力[11]。在英格兰地区陆地辐射雾的观测研究中，Roach[12]发现成雾后雾滴的辐射冷却会导致雾顶高度的升高，这对海雾的研究有借鉴意义。

海雾高度特征的变化会影响不同高度的大气水平能见度。随着山东半岛蓝色经济区的发展和“21世纪海上丝绸之路”的建设，海上经济、社会和军事活动的日益增多使得黄海海雾雾顶高度的信息对沿岸航空、海上航运和渔业作业等至关重要。但已有对黄海海雾的研究中，有关海雾垂直特征的分析较少，所以有必要深入探究黄海海雾的高度特征。考虑到CALIPSO（The Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation）卫星在边界层内的垂直分辨率高达30 m，因此利用CALIPSO卫星资料不仅可以一定程度弥补海上观测数据的匮乏，还能细致刻画雾顶高度的特征。

由于海上观测匮乏，预报员无法获取海雾发生时其内部的湍流和辐射状况，因而无法对雾顶高度进行估计。而可见光卫星云图和地面天气图是预报员能及时获取的可靠资料。为了给春夏季黄海海雾的预报提供参考，有必要据此建立不同天气型与黄海海雾雾顶高度变化之间的联系。影响黄海海雾生成的天气型的一个共同特点是支配黄海上空吹偏南方向的风[13]。海表面风（主要是风向）和散度是影响黄海海雾形成的主要因素。南风分量越大越有利于水汽的输送，容易成雾[14]。海雾形成时风速在2～4级最为合适[15]。具体到特定海域，青岛沿海的海雾多发于江淮气旋前部、入海高压后部[16-18]。杨悦等[5]统计了黄海海雾天气型，天气系统主要为入海变性高压型，3月和5月较多；其次为大陆低压低槽东移型，发生在2—5月。王静菊等[19]通过黄海海雾数据同化试验，提出高压下沉增温形成顶部较高的稳定层，从而生成较厚的雾区。

本文基于CALIPSO卫星资料，细致研究2007—2018年春夏季黄海海雾的高度特征，按照不同天气型分析影响雾顶高度变化的因素，重点关注入海变性高压型和大陆低压低槽东移型，从而进一步加深对黄海海雾发展机制的认识。

2 数据与个例

2.1 观测资料

本文使用的数据资料来源有：

（1）美国国家航天航空局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）提供的 CALIPSO卫星一级Level 1B数据和Level 2 VFM（Vertical feature mask）产品。Level 1B数据包括CALIPSO卫星的扫过路径和垂直分层结构等数据，Level 2 VFM产品将云和气溶胶分别分为不同的种类。Level 1B 532 nm数据和Level 2 VFM产品在-0.5～8.2 km的高度范围内垂直分辨率为30 m，水平分辨率为333 m。本文利用VFM数据描绘云和气溶胶水平、垂直分布的特性来判别海雾，用532 nm总衰减后向散射系数和高度数据来获得黄海海雾的高度信息和卫星的轨迹。

（2）MTSAT（Multi-functional Transport Satellite）可见光卫星云图、”葵花8号“（HIMAWARI-8）可见光卫星云图和韩国气象局（Korea Meteorological Admini-stration，KMA）地面天气图。可见光云图主要用于获取黄海海雾的发生时间和水平分布特征，从而挑选海雾个例。韩国地面天气图用于分析黄海海雾发生时的天气系统，进行天气形势的分析。

2.2 个例选取

在可见光云图上，海雾的特征表现为颜色暗淡、质地均匀，边缘与海岸线贴合度高、边界痕迹明显，且位置随时间变化不大。根据以上特征，我们从2007—2018年的历史可见光卫星云图中挑选出了有黄海海雾发生的白天样本，逐月的黄海海雾天数统计见表1。

获取黄海区域内CALIPSO的Level 1B和VFM产品，通过可见光云图找到海雾区域，接着把卫星轨迹图和可见光云图相结合，对于卫星没有扫描到黄海海雾雾区的数据文件进行剔除，只保留卫星轨迹恰好经过黄海海雾雾区的数据文件，结合VFM产品中识别为靠近地面时的云即为海雾，从而得到所要研究的白天海雾个例集，共79例（见表2）。

表1 2007—2018年逐月黄海海雾天数统计表（单位：d）

表2 黄海海雾对应的天气形势汇总

3 黄海海雾的高度特征

由表1给出的2007—2018年逐月黄海海雾发生天数（雾日数）可以发现，黄海海雾发生频率较高的时间主要集中在3—7月份，属于春季和夏季，其中5月份海雾出现频率最高，共83次，4月份次之，共81次，这两个月份海雾发生的频率占了全年的50.6%；而秋季和冬季的黄海海雾发生频率明显降低，这与前人的统计结果一致[17]。另外，不同的年份黄海的雾日数也存在明显的差异，2018年黄海雾日数最多，为53 d，2011年的雾日数最少，仅有10 d。

为了获得黄海海雾的垂直结构，绘制已筛选的黄海海雾个例的532 nm总衰减后向散射系数垂直剖面图（图1给出部分个例），同时提取海雾高度数据，获得黄海海雾个例的雾顶高度。由于海雾发生在海上大气边界层内，可被认为是接到海面的云，因此在处理数据时去掉了高空数据，选取的是1 km以下的数据。CALIPSO卫星此高度范围内垂直分辨率高达30 m，故将云底高度小于70 m的层云作为海雾统计。参考已有海雾研究中认定的总衰减后向散射系数值大于0.03/（km·sr）为海雾区[20]。由于1 km以上的海雾较少，因此在1 km以下直到海面的黄色至橙红色的总衰减后向散射系数高值区，衰减系数范围为0.03～0.1/（km·sr），说明此时有海雾，海雾雾区内气溶胶粒子密度很高。对图1进行分析，发现2008年4月7日（见图1a）海雾雾顶高度为250 m，2012年3月28日（见图1b）和2013年6月3日（见图1c）两次海雾雾顶高度约为220 m，2014年3月26日（见图1d）和2018年4月20日（见图1h）两次海雾雾顶高度约为280 m，2015年4月30日（见图1e）海雾雾顶高度为340 m，2016年4月9日（见图1f）和2017年4月17日（见图1g）两次海雾雾顶高度均为160 m，通过这些初步可以确定大多数海雾雾顶高度介于100～400 m。

提取黄海海雾的雾顶高度数据并制成雾顶高度散点图（见图2a），图中显示：黄海海雾雾顶高度月变化特征显著，7月散点的高度整体高于其他月份，在150～400 m之间，说明7月份海雾雾顶的高度较高，3月散点的高度整体略低于其他月份，在100～300 m之间，说明该月份的海雾雾顶高度较低。通过图2和表2可以看出，所有个例中雾顶高度最高为370 m，计算得到这些海雾个例的平均雾顶高度是211 m。春季（3—5月）61个海雾个例的平均雾顶高度为210 m，最高高度为340 m，出现在2013年5月11日、2014年5月21日、2015年4月29日、2015年4月30日和2016年4月8日；夏季（6—8月）15个海雾个例的平均雾顶高度为214 m，最高高度为370 m，出现在2018年6月8日。对黄海海雾雾顶高度按月份进行平均，得到分布图（见图2b），图中显示：和散点图分布特征相似，海雾高度月变化明显，7月份的高度最高，3月份的高度最低。

4 黄海海雾天气型的个例分析

参考前人对海雾的分型研究[5,13,16-19]，接下来主要针对黄海海雾较常见的入海变性高压型和低压低槽东移型展开详细研究，其中入海变性高压型比例为62.03%，低压低槽东移型比例为37.97%。借助海雾发生时的地面天气图，将79次海雾个例按照天气型进行归类（见表2），逐个探讨影响黄海海雾雾顶高度的气象条件，从而进一步研究不同天气型下黄海海雾的高度特征。

4.1 入海变性高压型

由表2可知，有49次海雾个例受入海变性高压型控制，个例时间都集中在春季和夏季。在春季多为闭合的小型高压，夏季的高压系统经常由副热带高压西伸北抬造成。在对入海变性高压型个例分析中发现，东高西低气压场配置的黄海海雾平均高度（219 m）与南高北低配置的海雾平均高度（196 m）接近，两种气压场配置下海雾的高度分布特征也存在相似之处。以2008年5月2日（见图3）的黄海海雾个例为例，它是典型的东高西低气压场配置，在地面天气图上（见图3a）黄海在高压系统控制下盛行偏西南风。总衰减后向散射系数垂直剖面图（见图3b）上可以发现，海雾高度由南向北逐渐降低，在海上高压系统的西南部雾顶高度较高,雾顶高度介于200～340 m。根据CALIPSO卫星轨迹（直线AB）在地面天气图（见图3a）上的位置，轨迹处于高压后部，海上的高压系统产生下沉气流，下沉增温有助于在海上边界层内形成逆温层，从而利于海雾的生成和维持，地面风向以西南风为主，其中35°N以南风速较小，所以，雾顶高度较高处受风速较低的偏南气流控制。2014年4月10日的海雾个例配置与之类似，在弱西南风的高压后部雾顶高度较高，雾顶高度介于220～280 m。雾顶高度偏低处多位于高压前部，以及高压与低压之间等压线较密集的区域。

图1 黄海海雾532 nm总后向散射衰减系数垂直剖面图

图2 2007—2018黄海海雾雾顶高度随月份变化

图3 2008年5月2日天气图、散射系数垂直剖面图和MTSAT可见光云图

图4 2012年5月15日天气图、散射系数垂直剖面图和MTSAT可见光云图

2012年5月15日（见图4a）海雾个例属于南高北低的气压场配置，结合总衰减后向散射系数垂直剖面图（见图4b），发现33°N和37°～38°N附近，即高压系统的西南部和西北部海雾雾顶高度大于220 m,高于其他区域。根据卫星轨迹（直线CD）可以判断，沿CD为西北风，高压系统的反气旋环流能够把南部的暖湿气流输送到黄海，雾顶高度较高的区域等压线梯度较小，西北风较弱；靠近C点的区域位于低压外围，雾顶高度较低。

4.2 低压低槽东移型

2012年5月8日（见图5a）和2016年3月31日（见图6a）的海雾个例是属于低压低槽东移型。2012年5月8日个例（见图5b）中36°～37°N海雾雾顶高度稍高，介于100～160 m，其他区域海雾不明显；对照地面天气图（见图5a）发现雾顶较高区域位于低压前部，等压线较密集，以偏南风为主。从地面天气图（见图6a）上分析发现，2016年3月31日在我国内蒙古东部地区有一个气旋，此时黄海海域是偏西南向的风，形成平流雾。根据总衰减后向散射系数垂直剖面图（见图6b），靠近31°N的区域雾顶高度高于36°～37°N区域，雾顶高度介于200～250 m，该区域位于低压槽前，南部有一个高压中心，气压梯度大于靠近H点的区域，西南风风速稍大，约为4 m/s。雾顶高度较低的区域西南风较弱，附近站点风速一般小于4 m/s。