Analysis and high-resolution modeling of a dense sea fog event over the Yellow Sea

A ubiquitous feature of the Yellow Sea (YS) is the frequent occurrence of the sea fog in spring and summer season. An extremely dense sea fog event was observed around the Shandong Peninsula in the morning of 11 April 2004. This fog patch, with a spatial scale of several hundreds kilometers and lasted about 20 h, reduced the horizontal visibility to be less than 20 m in some locations, and caused a series of traffic collisions and 12 injuries on the coastal stretch of a major highway. In this paper, almost all available observational data, including Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES)-9 visible satellite imagery, objectively reanalyzed data of final run analysis (FNL) issued by the National Center for Environmental Prediction (NCEP) and the sounding data of Qingdao and Dalian, as well as the latest 4.4 version of Regional Atmospheric Modeling System (RAMS) model, were employed to investigate this sea fog case. Its evolutionary process and the environmental conditions that led to the fog formation were examined by using GOES-9 visible satellite imagery and sounding observations. In order to better understand the fog formation mechanism, a high-resolution RAMS modeling of 4 km × 4 km was designed. The modeling was initialized and validated by FNL data. A 30-h modeling that started from 18 UTC 10 April 2004 reproduced the main characteristics of this fog event. The simulated lower horizontal visibility area agreed reasonably well with the sea fog region identified from the satellite imagery. Advection cooling effect seemed to play a significant role for the fog formation.     

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.     

一次黄海海雾成因分析及数值模拟试验

根据GOES-9(Geostationary Operational Environmental Satellite）可见光卫星云图和韩国济州岛探空资料等,利用RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)模式（6.1版）对2009年3月17-18日发生在黄海海域的一次大风条件下出现的海雾天气进行模拟。结果表明：与卫星云图所显示的雾区范围相比,模拟结果对海雾的生成、发展、移动都有较好吻合;云水混合比是影响大气水平能见度分布的主要因子,云水混合比大值区主要集中在距地面300 m以下的低空;雾区存在几个云水混合比大值区,并分布在不同的高度,说明海雾的团状不均匀结构;海上平流雾常发生在风速较大的情况下,RAMS模式对此具有一定的模拟能力。     

2009年春季一次黄海海雾的观测分析及数值模拟

利用5种观测资料和RAMS（regional atmospheric modeling system）模式对2009年5月2_5日发生在黄海海域的一次海雾过程进行了观测分析和数值模拟研究。结果表明：1）所取个例的整个生命过程受同一高压系统影响,该高压在海雾过程后期的形变促使海雾消散,这在以往的黄海海雾中较为罕见。2）黄海北部形似“7”的雾区形态的出现和演化与1～3℃气海温差的变化吻合,气海温差对海雾形成和演变的重要作用得到再次验证。3）RAMS模式具有一定的海雾数值模拟能力,得到的雾顶高度分布与卫星云图所显示的雾区形态吻合良好。     

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。     

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。     

黄海近岸海雾的初始场择优集合预报试验:个例研究

选取2014年4月发生的一次黄海近岸海雾个例,利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式开展了集合预报试验研究。依据每个集合成员初始场中海平面气压、2 m温度、2 m水汽混合比与2 m相对湿度(relative humidity, RH)4个变量的均方根误差(root mean square error, RMSE)与RMSE集合平均值的相对大小,以剔除高于者而保留低于者的原则,设计了4种不同的初始场集合体择优方案,实施了一系列数值预报试验,比较了不同择优方案的集合预报效果。研究结果表明:(1)蒙特卡罗方法所生成的集合体中存在不少海雾预报效果较差的成员,这会降低集合预报效果,因此初始场择优十分必要;(2)以RH作为择优变量的择优方案(记为RH-RMSE方案),集合预报效果明显优于其他3种方案;(3)对比不择优集合预报,采用RH-RMSE方案的择优集合预报效果不仅节省了50%左右的计算时间,并且公正预兆评分(equitable threat score,ETS)改进率高达36%左右。本研究提出的RH-RMSE方案具有业务化应用前景。     

基于多灰度共生矩阵特征值的黄渤海白天海雾识别算法

本文基于多灰度共生矩阵特征值,即相关性、对比度、同质性和能量,进行联合海雾遥感判识,提出一种高准确率黄渤海白天海雾识别算法。采用第二代静止气象卫星FY-4A可见光、近红外和红外数据,将该算法应用于黄渤海区域白天海雾判识,并利用2019—2020年沿黄渤海气象站点能见度实测数据及CALIPSO卫星数据产品对本算法识别结果进行精度验证。结果表明：海雾识别平均检测率(POD)为92%,误报率(FAR)为27%,临近成功指数(CSI)为69%,可以实现对海雾的动态监测,为海上交通等领域提供较好的数据支持。     

珠江口附近春季一次海雾的观测分析及三维数值模拟

为了探讨南海春季海雾的成因及数值模式的预报能力,利用边界层观测资料对2006年3月21—22日珠江口附近春季一次海雾的形成和发展过程进行了分析,然后用WRF中尺度模式对该次海雾过程进行了三维数值模拟。观测表明,该次海雾属于北方冷空气南下到达南海,然后减弱消失,南海北部受到偏南暖湿气流影响后迅速增暖,冷海面与近海面的暖湿空气相互作用而形成的一次平流冷却雾。模拟结果显示,模式模拟的这次海雾形成时间和发展演变过程与观测非常相近,模拟的海雾空间变化、边界层大气层结变化、地面感热通量变化以及海雾形成原因与观测事实均比较吻合,数值模式对这次海雾过程表现出了较高的模拟能力。这次海雾的形成和发展主要与冷的下垫面、暖湿空气的影响和近地面稳定的大气层结有关。     

一个黄渤海海雾大气水平能见度算法

为了提高对黄渤海海雾天气海面大气水平能见度（以下简称“能见度”）的数值预报能力,利用黄渤海23个沿岸和岛屿测站2013—2017年雾天的地面观测数据,构建了基于湿度信息的能见度算法（A-F算法）,并将之应用于黄渤海海雾的能见度数值预报。结果表明,与常用的根据模式预报的云水含量诊断能见度的SW算法（Stoelinga and Warner,1999）相比,A-F算法表现更优,尤其可以诊断出被SW算法漏报的能见度为1～3 km的轻雾,说明A-F算法对黄渤海海雾天气能见度的数值预报具有一定应用价值。若将来加入浮标与船舶观测数据,可以进一步改进A-F算法能见度公式的具体形式;依据本文构建A-F算法的思路,可以发展适合其他海域的海雾天气能见度诊断公式。     

夏季低压控制下黄海西北部海域海雾发生气象条件合成分析

利用瞬变扰动分析的原理,提供了一个可以客观判定海雾发生时天气类型的方法。在分类结果的基础上,对环流形势、散度和垂直速度以及温度湿度的垂直廓线等进行合成分析,得到低空（1 000 hPa）为低压扰动下发生海雾（L型海雾）的环流和物理量场基本特征,并与高压控制下海雾（H型海雾）进行对比,结果表明：1）L型海雾位势高度负异常扰动主要表现在低层,其平均值为-65.66 gpm,向上逐渐减弱;2）L型海雾在发生时其逆温强度小于H型海雾,雾层较厚,雾层上空湿度仍然比较大,而H型海雾雾层上空有比较明显的干层;3）L型海雾在垂直方向上的分布具有三层结构,第一层1 000～950 hPa为辐合伴有弱上升和下沉运动,第二层950～850 hPa为辐散伴有弱下沉运动,第三层850～500 hPa为逐渐加强的上升运动;H型海雾为两层结构,1 000 hPa为辐散伴有弱的上升和下沉运动,950～500 hPa为一致的下沉运动;4）概率密度统计分析进一步定量表明了L型和H型海雾发生时垂直运动以及相对湿度在各层中的分布情况。这些结论对黄海西北部夏季低压环流形势下海雾的预报提供了重要参考。     

一次黄海之滨中尺度对流复合体多尺度结构特征观测研究

2006年7月3日傍晚到4日凌晨,苏北到黄海的一个中尺度对流复合体(MCC)产生了系列龙卷、直线型对流大风和强降水,利用常规高空地面观测、区域自动气象站、卫星云图以及多普勒天气雷达资料,详细分析此次中尺度对流复合体的结构和产生的天气背景。主要结论如下:(1)该中尺度对流复合体高层为对应分离背景场的强辐散,中层在副热带高压西北侧和500 hPa东移的短波槽前,地面位于锋面气旋暖区内;该中尺度对流复合体发生在中等到强的对流有效位能、强的深层(0—6 km)和低层(0—1 km)风垂直切变环境下;(2)该中尺度对流复合体主要垂直环流特征为:近地层东南气流和其上的中低层西南暖湿气流从对流复合体南部流入到复合体中心,复合体后部对流层中低层和中层为较干冷的西北气流夹卷进入中尺度对流复合体,导致降水蒸发冷却形成强烈下沉气流,产生带有西北风动量的下沉气流,到地面形成β中尺度冷池,冷池与周边暖湿气流的交界处为β中尺度阵风锋,同时中尺度对流复合体位于对流层低层到地面部分形成深厚冷池导致的雷暴高压,阵风锋前部有β中尺度暖低压;中尺度对流复合体中高层由于水汽凝结潜热释放加热形成暖心结构,位于对流层中层的主要特征为β中尺度气旋性涡旋对应的中尺度低压,对流层高层存在β中尺度辐散反气旋环流;(3)多普勒天气雷达探测揭示该中尺度对流复合体成熟阶段主要呈现为线性结构,主要构成是一条尺度在150—200 km的活跃弓形飑线,还有数条较弱的呈气旋性弯曲的对流雨带,雨带旋入共同的涡旋中心,该涡旋中心与地面锋面气旋的中心相对应(重合),同时也是相应中尺度对流复合体的β中尺度气旋的中心,直径为40—60 km;(4)在上述活跃弓形飑线的前侧出现多个中尺度涡旋,4个EF2级龙卷和3个EF1级龙卷都发生在这些中尺度涡旋内,导致龙卷的中尺度涡旋水平尺度为4—5 km,旋转速度接近超级单体的强中气旋旋转速度,垂直伸展比超级单体中气旋浅薄,形成机制也与超级单体中气旋有明显差异;(5)该中尺度对流复合体成熟阶段的云系尺度为1000 km,其中低于220 K (-52℃)冷云盖的尺度在400 km左右,其内部结构的主要构成是一条150—200 km长的活跃弓形飑线,地面β中尺度冷池和阵风锋,沿着弓形飑线前侧出现多个尺度为4—5 km的中尺度涡旋,其中部分中尺度涡旋导致尺度只有几十至几百米的EF1和EF2级龙卷,呈现出明显的多尺度结构特征。      

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。     

黄海海雾的卫星云图特征分析

本文用NOAA-10卫星上,由AVHRR获得的卫星云图,分析黄海海雾特征。用GMS卫星云图分析海雾的演变过程。     

黄海冬季雾与夏季雾个例的对比研究

使用具有较高分辨率的NCEP格点数据对2008年7月8-11日和2010年2月22-25日发生在黄海海区的两次海雾过程的环流形势和特征参量进行了对比研究,以探讨黄海海区冬季雾与夏季雾产生机制的异同.结果表明,这两次海雾过程都是发生在稳定层结下的低压前部、高压后部型的平流冷却雾.海雾发生时表面行星边界层有抬升,海雾消散时...     

Analyses and numerical modeling of a polar low over the Japan Sea on 19 December 2003

A meso-α-scale polar low was observed over the Japan Sea on 19 December 2003. It initialed around 11 UTC over the northwestern part of the Japan Sea within a synoptic-scale parent low under the influence of baroclinic environment and disappeared over the eastern edge of Japan Islands with a lifetime of about 20 h. It is of interest that this polar low had “concentric eye-walls” and “warm core” structure at its mature stage. The evolutionary process and spatial structure of this polar low were investigated by using almost all available observational data, including the Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES)-9, the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) satellite imagery, the Final Analyses (FNL) data issued by National Centers for Environmental Prediction (NCEP), the surface observational data and the 9-station sounding data of Japan Islands. In order to study its development mechanism, a 24-h numerical simulation using the version 4.4 of the Regional Atmospheric Modeling System (RAMS) starting from 12 UTC 19 December 2003 with an 8 km × 8 km resolution was performed. It is shown that the RAMS model reproduced the main features of the polar low reasonably well. The vorticity budget analyses indicate that the stretching term is the major contributor for the vorticity increase of the polar low. The baroclinic background seems to play significant role for the initial development of this polar low. However, the effect of the diabatic heating for its later development is also significant.     

黄、渤海气旋暴发性发展的个例分析

对1993年6月初的一个在黄、渤海区达到暴发性发展强度,并形成了一个有明显眼区的温带气旋个例进行了诊断研究。结果表明,温度平流和涡度平流、沿岸锋生以及高空急流的动力作用对气旋暴发性发展有重要贡献。     

黄渤海一次持续性大雾过程的边界层特征及生消机理分析

利用常规气象观测资料、NCEP的FNL客观再分析资料和L波段雷达探测资料以及采用国家卫星气象中心多通道气象卫星监测数据和定性分析海雾的方法来处理卫星监测的海雾信息,探讨了2010年2月22—25日黄渤海大雾过程的边界层海气要素的特征、大雾成因及生消机理,结果表明:(1)这次大雾是产生在欧亚中高纬平直环流、大气层结稳定的气象条件下。南支槽前的西南气流与副热带高压西北侧及沿海高压脊后部的偏南气流汇合,形成一支跨越中低纬的偏南气流为海雾形成提供有利的水汽条件。(2)大雾的生消与海表温度、气海温差、空气稳定度和风场等气象、水文要素有密切关系;大雾期间,黄渤海气海温差在0~2℃;大气边界层至对流层下部均有逆温层和等温层,逆温层内的温差为6~8℃,垂直温度的变化是上层温度随时间增大高于低层,使逆温层加强并不断抬升,抑制空气垂直对流发展。近地层空气湿度较大,在200 m附近出现一个液态水含量达0.6 g·kg~(-1)大值区;850 hPa以下层均由2~4 m·s~(-1)的东北风随高度顺转成6~8 m·s~(-1)的西南风,为大雾形成和持续发展提供了有利条件。(3)大雾的湍流最大发展高度达到240 m,湍流混合作用可将中上层湿区水汽和雾滴带到近海面层,同时也有利于空气的降温,易达到饱和凝结而形成大雾。中低层持续弱暖平流把暖湿气流输送至冷海面上有利于近海面逆温层的建立和维持,海面辐射冷却作用激发平流形成大雾。     

基于FY-3B卫星资料的中国南海海区1—3月海雾时空分布特征研究

为全面了解中国南海海区海雾的分布特征,为南海海雾气象服务提供基础背景资料,利用2011—2016年1—3月FY-3B气象卫星资料的雾监测产品,分析了中国南海海区海雾的时空分布特征。结果表明：中国南海海雾具有特定的区域特征,中国南海海雾多出现在华南沿海、北部湾沿海、琼州海峡和海南岛东北部沿海海区,南海南部海域出现海雾概率低;南海出现高频次海雾的时间多发生在2月,1月次之,3月最少。该研究结果可为中国南海海雾研究提供背景资料。