一次高压型海雾中的液态含水量演变特征

2008年3月16—17日在粤西电白出现了一次在高压天气系统控制下的海雾过程。利用这次海雾的综合观测数据,分析了这一高压型海雾的液态含水量演变特征,讨论了液态含水量与雾滴平均直径和数密度以及气温、风速、湍流交换等的关系。结果显示:(1)海雾有发展-消散-再发展的准周期性变化特征;(2)海雾过程中的雾滴数有显著的变化,而雾滴平均直径的变化较小;雾滴数变化对海雾的发展、消散起主要作用;(3)在海雾生成和发展阶段,空气的冷却机制起主要作用;而在海雾的维持阶段冷却机制的作用并不明显;(4)在雾的生成阶段,弱湍流交换有利于雾的生成;而在雾的发展和维持阶段,湍流交换减弱,液态水增长,反之液态水减少。湍流交换的强、弱与海雾发展-消散-再发展的周期性变化有密切关系。     

华南沿海暖海雾过程中的湍流热量交换特征

湍流交换是海雾中的关键物理过程, 在海雾的热量和水汽平衡过程中起重要作用。本文根据2007年3月24～25日一次海雾的外场观测数据, 分析了海雾过程中近海面湍流热量交换特征; 并在区分风切变机械湍流与雾顶长波辐射冷却热力湍流的基础上, 着重分析了两种不同性质的湍流对海雾发展和维持的作用。结果表明: (1) 本次海雾是在西南低压和变性冷高压的控制下, 来自南海东部暖水区的空气平流在近岸冷海面上形成的暖海雾; 暖海雾中的湍流热量交换过程比冷海雾更为复杂; (2) 在暖海雾的形成和消散阶段, 风切变机械湍流的热量输送起主要作用; 而在发展和维持阶段, 既有风切变机械湍流的热量输送作用, 也有雾顶长波辐射冷却热力湍流的热量输送作用; (3) 风切变机械湍流向冷海面输送热量, 对近海面空气起到降温和增湿作用; 热力湍流同样向冷海面输送热量, 但对雾层起到增温和降湿作用; (4) 暖海雾中的湍流热量交换机制与雾层的非充分混合结构有密切关系。     

黄海海雾WRF数值模拟中垂直分辨率的敏感性研究

基于WRF模式探究不同垂直分辨率下模式对黄海海雾的模拟表现。将3种垂直分层方案（35η、44η与63η）和2种边界层方案（YSU、MYNN）组合,对10次海雾做模拟研究。统计分析了水平雾区与雾顶高度对垂直分辨率的敏感性,并利用1次典型个例剖析了雾顶长波辐射与雾体湍流的作用。统计结果显示,提高垂直分辨率能显著改进水平雾区的模拟效果,改善明显的个例在不同垂直分辨率试验下的雾顶高度差异也较大;YSU方案相比于MYNN方案更敏感,从35η层增至44η层其试验个例的击中率（POD）和公正预兆得分（ETS）的平均改进率分别提高了13.29%和10.22%。典型个例研究结果揭示,模式对雾顶长波辐射和雾体湍流作用的模拟程度强烈依赖垂直分辨率：粗垂直分辨率给出的湍流强度很弱,导致模拟失败;雾顶存在“云水含量增多→长波辐射增强→降温加大→云水含量增多”的正反馈过程,细垂直分辨率比粗垂直分辨率更容易维持与增强此反馈;只有细垂直分辨率才能模拟出雾顶长波辐射冷却产生的贯穿雾体直抵海面、强度不弱于近海面机械湍流的浮力湍流,它导致雾体降温而出现符合观测事实的海温高于气温的现象。     

北京一次大雾天气边界层结构特征及生消机理观测与数值模拟研究

在对2007年10月26日北京大雾天气形势及能见度分析的基础上, 利用12通道微波辐射计、风廓线仪及NOAA极轨卫星监测资料与中尺度数值模拟结果, 比较研究了雾的分布区域、温度、湿度、风速及液态水含量的边界层分布特征。利用中尺度模式模拟结果探讨了此次大雾的维持和形成机理, 具体展现了此次大雾是在稳定大气层结、充沛水汽条件下, 地面长波辐射冷却及雾顶的长波辐射冷却降温形成发展的过程, 而太阳的短波辐射对雾的减弱消散有重要影响。     

2008年冬季一次东海海雾过程研究

本文利用卫星资料,站点资料,再分析资料结合HYSPLIT-4模式对2008年1月8-10日发生在东海的一次海雾过程进行研究,观测分析表明:此次海雾是辐射冷却-平流雾,大尺度环流场为其发生了提供了背景场,冷暖空气相互作用冷凝成雾,海洋锋区决定了海上雾区"楔形"形状;在海雾形成前,已有接地的逆温层存在,逆温层使夜间辐射冷却,高空暖平流,低层冷空气渗入等多方面结果,低层湍流触发海雾形成,海雾形成于不接地的逆温层中,强湍流导致海雾的消散;海雾期间风速较小,风向不定,并且冬季海雾浅薄,雾顶高度在100m左右。以上结果有利于对冬季东海海雾的理解,以及为海雾预报提供新的思路。     

南海西北部一次海上海雾的微物理及化学特性分析

利用2017年3月MICAPS资料、欧洲气象中心再分析ERA-Interim数据及在南海西北部海上的海雾观测数据,分析了南海西北部一次海上海雾的微物理特征和雾水化学特性,并将海上海雾与南海岸边海雾进行对比分析。结果表明:此次海雾为南海偏南暖气流移至冷海面发生冷却并达到饱和而形成。海雾过程中气压与气温变化趋势相反,相对湿度不断增加,雾滴数浓度、液态含水量和平均直径的平均值分别为198 cm-3、0.116 g/cm3和5.6 μm。相比广东湛江东海岛和广东茂名博贺地区岸边海雾个例,本次海上海雾水汽充足,雾滴偏大。本次海雾属于酸性海雾,pH值变化范围为2.51~3.50,海雾后的雨水样本pH值则为4.05。海雾发生初期电导率比其它阶段高很多,说明海雾发生的初始阶段雾水溶解了大量的气溶胶。海上雾水中Na+和Cl-浓度最高,浓度分别为32 535 μmol/L和53 466 μmol/L,K+浓度远高于Mg2+和Ca2+,而东海岛岸边海雾相反。      

黄渤海一次持续性海雾过程形变特征及其成因分析

2016年3月3—5日,渤海和黄海大部出现了一次大范围持续性的海上大雾天气过程。本文从卫星遥感监测上分析海雾在生成、发展和消亡三个阶段的形态演变特征。从海洋气象条件上分析了山东半岛东南近海没有海雾和海雾形态演变的原因。结果表明:(1)在海雾形成初期,在山东半岛东南海域有弱气旋性弯曲,大气层结不稳定,地面形势受低压影响,虽受偏南风控制,但湿度小,无水汽辐合,因此在山东半岛东南近海没有雾。(2)海雾的形成与低层的偏南暖湿气流有关,而这个偏南暖湿气流来源于西北太平洋,雾区对应着水汽辐合区,海气温差为0～1℃的区域与雾区吻合,在海雾发展成熟期,雾顶长波辐射导致雾体降温,出现气温低于海温的现象。(3)925～1000 hPa垂直风切变有利于海雾在逆温层内维持和垂直高度上的发展,形成有一定厚度的海雾。     

城市下垫面特性对辐射雾生消过程影响的数值研究

针对城市下垫面条件进行合理的参数设置,将城市影响引入辐射雾模式,并结合NCEP/ CFSv2(Climate Forecaset System Verison2)资料及常规气象观测资料,对2010年2月8日发生在上海宝山的一次辐射雾过程进行数值研究。结果表明:(1) 受城市地表影响,感热输送成为城市地表加热大气的主要方式;城市下垫面的湍流交换作用较强,近地面湍流交换系数最大可达2.0 m2/s;(2) 城市辐射雾的起雾高度比农村高,雾首先在32 m高度上形成,且雾顶可发展到150 m高度;上部雾形成的主要原因是长波辐射冷却引起的水汽凝结;而8 m以下气层雾形成的主要原因是重力沉降导致的含水量的累积。      

湛江东海岛一次春季海雾的宏微观结构及边界层演变特征

2011年2—3月利用雾滴谱仪、能见度仪、风廓线雷达及100 m边界层气象要素梯度观测塔在湛江东海岛开展海雾综合观测试验。选取2011年2月23—24日一次约15 h的浓雾过程,从宏微观角度着重分析了其间近地层风、温、湿结构和热、动力演变,微物理过程和爆发性增长特征,及湍流通量输送。结果表明：来自南海暖海面的偏东南暖湿气流平流至广东省沿岸冷海面,发生冷却并达到饱和形成海雾。偏东南暖湿气流为浓雾的酝酿、生成及成熟提供了充沛水汽和稳定的逆温层结条件,逆温强度与暖湿气流强度关系密切。海雾多发生在270 m以下,当630—870 m 高度层存在明显的下沉运动时,150—390 m高度层则可保持近似等温和弱逆温层,阻止了下层（270 m以下）水汽与其上层（390 m以上）干冷空气交换,导致下层大气持续高湿稳定状态。整个过程中,雾滴数浓度（N）、含水量（W）、平均直径（D_ave）、谱宽（D_max）和有效半径（R_eff）的平均值分别为248 cm^-3、0.102 g/cm³、5.2 μm、36.0 μm和7.0 μm。雾滴数浓度（N）与平均直径（D_ave）在雾发展初期（生成、发展）和末期（消散）多成正相关趋势,而在成熟阶段两者多成反相关趋势。雾前4小时稳定层结及偏东南暖湿气流持续增湿可认为是雾层爆发性增长的酝酿阶段,雾滴谱拓宽是经过活跃—稳定—爆发的3阶段完成,湍流混合对其影响不大;浓雾快速消散是雾滴蒸发、重力碰并沉降、湍流碰并沉降等共同作用造成的,其中直径大于21 μm液滴的大量耗散是消散的重要阶段。雾前,湍流由强转弱。雾发生后,湍流持续较弱。由于东南急流引发的风切变导致湍流增强,感热通量出现向上强输送,这与冷海雾维持阶段高层热量交换过程类似。雾消散时,湍流逐渐转强。平均动能在雾前和雾中的两次跃增与偏东南暖湿气流显著增强有关,而雾成熟期湍流动能大幅跃增主要是由雾顶辐射冷却产生的热力湍流和风切变引发的机械湍流增强所致。     

2015-04-28渤海海雾形成过程中的海气相互作用分析

利用FY和MTSAT卫星资料、ERA Interim再分析资料、黄渤海浮标站资料、黄渤海自动站逐小时观测资料,对发生在2015年4月28—29日的渤海海雾成因进行分析,着重探讨了海雾形成过程中的海气相互作用。结果发现,近海面处大气低层逆温层抬升,大于90%的大湿度区向上、向西扩展,对海雾形成非常有利;海雾生成前、生成发展过程中存在明显的东到东南风,有利于黄海水汽向渤海输送,海面上空有水汽通量大值区由渤海海峡向渤海中部移动,使得渤海上空水汽输送加强,提供了海雾形成所需的水汽;在海雾形成过程中渤海上空气温高于海温,风切变造成的海气界面湍流热交换为大气输送向海洋,使得冷海面上空暖湿空气降温冷却达到饱和形成海雾,是平流冷却雾。      

Characteristics of Quasi-Periodic Oscillations During Sea Fog Events

Based on the high-resolution datasets collected in a sea fog field experiment at the northern coast of South China Sea, the variations of liquid water content (LWC) and net longwave radiation flux (NLRF) during two sea fog events on 16th-17th and 18th-19th March, 2008 are exaimeed by wavelet analysis, and the cooling mechanisms for fog formation and persistence are also investigated. The main results are shown as follows. (1) Sea fog may develop and persist whether it is cloudy or not aloft. However, when there is cloud aloft the LWC is less and wind speed in sea fog is higher than that in the clear sky. (2) The quasi-periodic oscillations (QPOs) of NLRF are observed in the formation stage of the two fogs. QPOs of LWC are only found in the developing stage no matter with cloudless or cloudy condition. (3) It is likely that sea fog forms by the cooling effects of longwave radiation and develops through the vertical mixing induced by the radiative cooling at the upper level. (4) During sea fog development and persistence, other mechanisms could also play important roles in fog-layer cooling, such as turbulent heat transport and radiation transport between air-sea interfaces.     

利用MODIS和CERES遥感数据研究青藏高原的云辐射强迫效应

准确估算青藏高原的云辐射效应,对分析该地区的近地面感热通量十分重要。本文首先利用加权平均方法,分别将中分辨率成像光谱仪(MODIS)、测云雷达(CPR)和云与地球辐射能量系统(CERES)的像元数据进行融合。利用这些数据,分析了青藏高原上多云个例(2017年5月5日)与少云个例(2017年8月2日)情况下的可见光通道和热红外通道的信号、云参数和大气长短波辐射强迫等的差异。研究表明,少云时高原地区的大气顶大气长波辐射强迫为108.3 W·m-2,多云时为104.5 W·m-2。同时少云个例中塔里木盆地的大气顶大气长波辐射强迫为200.7 W·m-2,表明该辐射强迫受到地表热力状况影响较大。深厚与浅薄云区的云顶高度相差不大,但多云个例中深厚云区的短波辐射强迫是浅薄云区的2倍多,这一比例远大于长波。这表明短波辐射强迫对云厚度较敏感。最后,本文分析了CERES观测的大气顶长短波辐射分别与MODIS热红外和可见光通道之间的关系,结果表明它们存在很好的相关性(相关系数超过0.95),MODIS的可见光通道可以用于估算大气顶的短波辐射量,而MODIS的热红外通道只可用来估算云区的大气顶长波辐射量。     

Turbulence, Radiation and fog in Dutch Stable Boundary Layers

The effect of longwave radiation on the structure the clear stable boundary layer (SBL) is examined. Special emphasis is given to radiative cooling near the surface and the top of the boundary layer and its impact on the heat flux profile. Further, the formation, growth and dissipation of fog in the SBL are studied both from observations and from a one-dimensional ensemble averaged turbulence closure model. The model is compared with detailed observations that were made for both a shallow (about 30 m) radiation fog and a deep (about 200 m) fog layer at the 200-m tower at Cabauw in the Netherlands. The model describes adequately the most important mechanisms occurring during the fog evolution. In this study special attention is given to the parameterization of the vegetation, which is important for a good representation of the (minimum) air temperature. The influence of turbulence transport, longwave radiative cooling and gravitational droplet settling on the fog evolution is described. The study demonstrates the need for more accurate measurements of turbulence quantities, especially the master length scale, in a variety of SBLs.     

沪宁高速公路一次复杂性大雾过程的数值模拟试验

为探明高速公路大雾天气的成因和演变规律,揭示雾影响交通能见度的机理,本文根据布设于我国沪宁高速公路沿线的环境气象自动监测系统(AWMS)实测资料和覆盖公路周边地区的常规气象台站观测资料,筛选出2009年11月7日发生在沪宁高速公路上的一次典型复杂性大雾天气过程.在分析天气实况的基础上,应用高时空分辨率的非静力中尺度数值预报模式WRF3.1,结合NCEP 0.5°×0.5°气象再分析资料,对该过程进行了数值模拟;利用实测资料对模拟结果进行了验证,并剖析了此次复杂性大雾过程形成的动力、水汽和热力条件.研究表明:(1)本次大雾前后的天气形势相对稳定,江苏地区主要受入海反气旋西南侧东南气流影响,整个大雾过程中地面风力始终微弱,为大雾形成提供了有利的动力条件;(2)模式模拟的由大气液态含水量条件判别的成雾区分布与实测雾区范围基本吻合;(3)模式模拟的能见度与AWMS实测能见度十分接近;(4)本次大雾过程最初是团雾雏形,在夜间辐射冷却作用下,转为辐射雾,之后,来自东南海上的暖湿空气平流进入江苏陆地后,所产生的平流雾雾体与原有辐射雾雾体结合发展为范围更大的辐射平流混合雾;(5)日出后短波辐射增温是此次复杂性大雾雾体得以快速消散的主要原因.     

一次区域暖雾的特征分析及数值模拟

2004年12月17～19日在我国中东部的大部分地区出现了大雾天气,对这次大雾天气过程进行了综合探测,探测仪器包括粒子测量系统、能见度仪、雾滴谱取样仪以及常规气象观测等。作者分析了部分观测结果并结合区域尺度数值模式,揭示了区域雾的一些基本特征,研究了雾形成和发展机制。结果表明,这是一次典型的辐射雾过程,雾的覆盖范围大,水平分布很不均匀。雾先从地面生成,然后不断向高处扩展,没有出现雾的爆发性增长现象。近地面逆温层的存在、充沛的水汽供应和微风条件有利于雾的形成和维持,太阳短波辐射增温和地面长波辐射降温是雾形成和消散的主要因素。     

Radiative and Evaporative Cooling in the Entrainment Zone of Stratocumulus – the Role of Longwave Radiative Cooling Above Cloud Top

A mixing fraction determines the relative amount of above-cloud-top air that has been mixed into a cloudy air parcel. A method, based on the use of mixing fractions, to calculate the cooling effects due to mixing, longwave radiation and phase changes at cloud top is derived and discussed. We compute cooling effects for the whole range of mixing fraction for two observed cases of the stratocumulus-topped marine boundary layer. In both cases the total radiative cooling effect is found to be the most dominant contributor to the negative buoyancy excess found at cloud top. The largest radiative cooling rates are found for clear-air parcels immediately adjacent to cloud top rather than inside the cloud. With the help of a simple longwave radiation model, we show this to be caused by clear-air radiative cooling due to the temperature inversion at cloud top. Further we show that flux profiles in the entrainment zone can be computed from data obtained from a horizontal level run that is half the time in cloud and half the time out of cloud.     

北京及其周边地区一次大雾的数值模拟及诊断分析

利用美国国家大气研究中心研制的第5代中尺度模式系统MM5对2002年12月1~4日北京及其周边地区出现的一次大雾进行了数值模拟研究,模拟的雾出现和消散时间与实况一致。同时对雾形成和维持的机制进行了分析,讨论了雾发生发展阶段的物理过程,并对影响大雾过程的辐射条件做了敏感性试验。结果表明:形成大雾的主要原因是大气层结稳定,水汽充沛,地面的长波辐射冷却;近地面层微物理过程充分发展和雾顶的强烈辐射降温致使雾在垂直空间上出现爆发性发展;而太阳短波辐射对雾的减弱消散有着重要影响;深厚逆温层的维持对雾层长时间维持起着决定性作用。