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。      

海雾的准周期振荡特征

根据南海北部海雾外场观测获取的高分辨率液态含水量、长波辐射通量数据,采用小波分析方法分析了2008年3月16—17日和18—19日两次海雾中的液态水含量、净长波辐射通量的变化特征,讨论南海北部海雾发展和维持的冷却机制。结果显示:(1)无论在有云或无云条件下,海雾都可发展和维持;但前者的液态含水量明显小于后者,而风速大于后者;(2)在地面海雾的生成之前和生成初期,净辐射通量都存在准周期振荡现象,无论无云/有云,地面海雾液态水的大幅度发展的阶段都存在含水量的准周期振荡现象;(3)含水量的准周期振荡现象与振荡发生时段的长波辐射通量关系不大,而主要通过湍流对液态水的混合作用与高空海雾液态水大量生成阶段的雾顶长波辐射间接相关。(4)海雾的生成都与雾顶长波辐射冷却密切相关,但发展和维持可通过不同的冷却机制,既可通过海气间湍流热量输送和辐射传输,也可通过雾顶长波辐射冷却。     

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。     

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。     

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。     

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。     

下垫面热力作用对黄海春季海雾的影响——观测与数值试验

利用海上浮标站、高分辨率数字式探空仪等多种观测手段和中尺度模式WRF,对2008年5月2—3日黄海发生的一次海雾过程进行了观测分析和数值模拟。观测表明,出现海雾时,气温明显下降,气海温差(海表面以上2 m气温减海表面以下1m水温)减小,不足0.5℃,浓雾时,甚至出现海温(SST)高于气温的现象。较强的湍流活动出现在大气边界层低层150 m以下。反映了低层大气稳定性减弱,可能有利于海雾的维持。海雾消散阶段,海气温差明显加大,湍流强度减弱,湍流发展高度升高。海雾过程中,可能存在动量下传的局地海-气相互作用机制,SST的升高可使雾中能见度好转。数值模拟的结果与观测基本一致,雾区内的气海温差明显小于雾区外,敏感性试验进一步表明:100 m以下气层稳定性和湍流发展条件对SST的变化敏感。SST的变化对稳定度的影响和对雾区范围的影响与近海面的水汽含量有关:在湿度较小(q0.5 g/kg)的薄海雾区,SST增加1℃,稳定度明显减弱(θ_v/z≤0.01 K/m),海雾面积缩小;SST下降1℃,稳定度增加(θ_v/z≥0.07 K/m),薄海雾面积增大。在湿度较大(q0.6 g/kg)的浓海雾区,SST的变化对静力稳定度的影响不大,海雾仍然维持。因此,当海气温差减小,甚至出现SST高于气温时,如果仍然有海雾,则一般是水汽含量比较大的浓海雾。该结果有助于对海雾形成机制的认识。     

一次黄海海雾的数据同化试验与形成机制研究

选取2012年4月14日的一次存在东西2片雾区的黄海春季海雾为研究对象,借助WRF（Weather Research and Forecasting）模式,采用循环3DVAR（3-Dimensional Variational）数据同化方案,考虑了湿度控制变量的背景误差协方差CV6,进行了AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）卫星温度与湿度廓线数据的同化试验,并基于同化试验结果探讨了此次海雾的形成机制。同化试验结果表明：同化 AIRS 卫星温度与湿度廓线数据后,模式能成功再现海雾的形成过程,特别是东西2片雾区之间的晴空区的存在,这归功于AIRS数据的同化能够显著改善海上大气边界层的温湿结构、影响海雾的低层高压的范围与强度;机制分析揭示：东西2片雾均为典型的平流冷却雾,但二者厚薄和气团来源不同;海上高压控制黄海西岸陆地的暖空气入海,受低海温的冷却作用降温先形成逆温层,然后逆温层底部生成了较薄的西侧雾区;来自黄海中部的空气向东北移动至朝鲜半岛西部海域,高压下沉增温形成一个顶部较高的稳定层,从而生成较厚的东侧雾区;高压中心下沉区内,近海面风速小使得机械湍流弱,空气增温与海温暖舌共同作用下使得近海面气海温差小,海雾无法生成导致了晴空区的存在。     

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。      

浙江北部海雾预报方法

1 海雾的天气学背景 海雾大多是平流雾,特别是舟山群岛附近的海雾延绵几百公里,是暖湿空气流动到冷海面时产生的水汽凝结而形成。形成海雾首先要有暖湿气流和冷的下垫面,同时,要有充足的水汽条件和合适的风向、风速,其中主要取决于有无暖湿空气的平流。若有连续的暖湿空气,海雾就可持久不消,而且范围广阔,厚度可达几百米甚至上千米。而一旦风向转变,暖湿空气来源中断,平流雾就很快消散,导致了海雾来去突然的现象。舟山海雾生成,持续大致有三个条件。     

大连地区大雾特征

选取2007年2月和4月出现在大连及其沿海地区的两次大雾过程, 采用GTS1型数字式探空仪探测资料、常规观测资料和NCEP/NCAR再分析资料, 对其环境场、热力和动力作用等进行诊断分析。结果表明:大雾期间, 中高纬度地区高空纬向暖干气流和对流层中下层西南暖湿气流, 为大雾形成提供了有利的水汽和风场条件。低层大气稳定层结的建立及暖干空气与雾层的上下叠置, 有利于大雾的维持。黄渤海的海温作用使冬季地面冷高压进一步增温变性, 有利于辐射雾形成发展, 使春季的暖气团冷却凝结, 有利于平流冷却雾的生成维持。伴有冷平流东移南下的偏北风是促使持续大雾消散的动力因子。     

A Numerical Study of Sea-Fog Formation over Cold Sea Surface Using a One-Dimensional Turbulence Model Coupled with the Weather Research and Forecasting Model

The formation mechanism of a cold sea-fog case observed over the Yellow Sea near the western coastal area of the Korean Peninsula is investigated using numerical simulation with a one-dimensional turbulence model coupled with a three-dimensional regional model. The simulation was carried out using both Eulerian and Lagrangian approaches; both approaches produced sea fog in a manner consistent with observation. For the selected cold sea-fog case, the model results suggested the following: as warm and moist air flows over a cold sea surface, the lower part of the air column is modified by the turbulent exchange of heat and moisture and the diurnal variation in radiation. The modified boundary-layer structure represents a typical stable thermally internal boundary layer. Within the stable thermally internal boundary layer, the air temperature is decreased by radiative cooling and turbulent heat exchange but the moisture loss due to the downward vapour flux in the lowest part of the air column is compensated by moisture advection and therefore the dewpoint temperature does not decrease as rapidly as does the air temperature. Eventually water vapour saturation is achieved and the cold sea fog forms in the thermal internal boundary layer.     

A Heavy Sea Fog Event over the Yellow Sea in March 2005： Analysis and Numerical Modeling

In this paper, a heavy sea fog episode that occurred over the Yellow Sea on 9 March 2005 is investigated. The sea fog patch, with a spatial scale of several hundred kilometers at its mature stage, reduced visibility along the Shandong Peninsula coast to 100 m or much less at some sites. Satellite images, surface observations and soundings at islands and coasts, and analyses from the Japan Meteorology Agency （JMA） axe used to describe and analyze this event. The analysis indicates that this sea fog can be categorized as advection cooling fog. The main features of this sea fog including fog area and its movement axe reasonably reproduced by the Fifth-generation Pennsylvania State University/National Center for Atmospheric Research Mesoscale Model （MM5）. Model results suggest that the formation and evolution of this event can be outlined as： （1） southerly warm/moist advection of low-level air resulted in a strong sea-surface-based inversion with a thickness of about 600 m; （2） when the inversion moved from the warmer East Sea to the colder Yellow Sea, a thermal internal boundary layer （TIBL） gradually formed at the base of the inversion while the sea fog grew in response to cooling and moistening by turbulence mixing; （3） the sea fog developed as the TIBL moved northward and （4） strong northerly cold and dry wind destroyed the TIBL and dissipated the sea fog. The principal findings of this study axe that sea fog forms in response to relatively persistent southerly waxm/moist wind and a cold sea surface, and that turbulence mixing by wind shear is the primary mechanism for the cooling and moistening the marine layer. In addition, the study of sensitivity experiments indicates that deterministic numerical modeling offers a promising approach to the prediction of sea fog over the Yellow Sea but it may be more efficient to consider ensemble numerical modeling because of the extreme sensitivity to model input.     

2004年冬季华北平原持续大雾天气的诊断分析

利用GTS1型数字式探空仪探测的资料、NCEP 1°×1°的6小时资料和常规观测资料,对2004年冬季华北平原历史上少见的持续大雾天气进行了天气动力学诊断分析。结果表明:华北平原近地面气层900hPa以下的负涡度平流、冷温度平流和弱辐合上升运动引起该层气温下降,900-500hPa的正涡度平流、暖温度平流和辐散下沉运动造成该层气温升高,在上升和下沉运动区的界面层中形成逆温层,逆温层的高度和强度影响雾的形成和状况。夜间辐射热力强迫作用和950hPa以下的微风是大雾形成的动力因子。大雾边界层中存在的水汽饱和层是在特定的环流形势下华北平原低空盛行东和东南向岸气流,将北部海面的水汽向西向北平流到冷近地面气层中的结果。     

上海一次连续大雾过程的成因分析

利用上海市遥测能见度数据、常规气象资料和T213、GFS分析资料以及GPS-PWV资料,分析了2008年1月5-11日发生在上海地区的一次连续大雾天气过程.分析表明当有天气尺度西风槽频繁活动、槽前暖湿气流不断向气层输入暖湿空气,如再遇特定暖水面或暖海面从近地面向气层输送暖湿气流时,在晴天和微风的早晨极易形成辐射雾;当东、黄海暖湿空气从近地面流向冷水面或冷陆面,如再遇江南低空偏南暖湿气流辐合聚积时,极易形成平流雾.雾区登陆距离与东风气流强弱有关,东风气流越强,雾区西进距离越长.在平流雾期间,0～300 m平均相对湿度的高湿区与雾区吻合.当绝对湿度小于3 g/kg时不会有大雾发生,绝对湿度在9～1 5 g/kg和GPS-PWV值在15 mm左右时,在合适的大气条件下容易形成大雾.     

2007年初一次雪后大雾天气过程分析

大雾天气是主要的灾害性天气之一。利用多种观测资料和NCEP再分析资料,分析了2007年1月15日华北和黄淮地区的雪后大雾天气产生的天气背景及其形成的温湿条件和层结特征。结果表明:在这次大雾天气发生时,亚欧大陆中高纬度的环流形势为两槽一脊型,中纬度无明显冷空气活动,南支气流较为平直,天气形势比较稳定。华北和黄淮地区位于入海高压的后部,近地面层有弱的东北风或偏东风,即有利于海洋上暖湿气流的平流输送,又不至于破坏大雾形成的温湿条件。同时,大气层结是绝对稳定的,低层有深厚的逆温层,当暖湿空气平流到温度较低的下垫面上时冷却而形成雾,因而这次大雾天气属于典型的平流雾。这种形势的稳定维持,造成了这次持续时间较长的大范围的大雾天气。另外,华北和黄淮较低的海拔高度,有利于暖湿空气的平流进入,也是大雾形成的重要因子。     

安徽沿长江东部春季一次大范围雾天气过程诊断分析

利用地面气象观测资料、高空探测资料、NCEP再分析资料、芜湖市边界层风廓线雷达资料和高速公路气象观测站资料,分析了2012年3月6日安徽省沿长江东部大范围雾天气过程形成的环流背景及雾生消的物理条件。结果表明：安徽沿江东部地区此次春季大范围雾的性质为辐射雾,雾发生时雾区上空为西到西南风为主,无明显冷空气影响,地面为高压控制的均压场,有利于雾的生成和维持。由雾生消的物理条件可知,近地面水汽条件较好和长波辐射降温造成的水汽凝结是此次大范围雾形成的重要原因。地面辐射降温形成的近地面逆温层有利于雾的维持,且随着近地面逆温层的抬升,雾层变厚并发展。低空的逆温层则形成稳定的层结,阻止水汽向上传输。近地面风速大小合适,风垂直切变小,低层有湍流,中层无明显上升运动,构成雾形成的有利动力条件;而湿层变厚又阻止了水汽向高层交换,有利于雾的生成和维持。日出后,太阳辐射增强,有利于雾发生和维持的地面辐射降温、逆温和动力条件逐渐消失,雾逐渐消散。