热带气象学报  2018, Vol. 34 Issue (3): 324-331  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.03.005
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引用本文  

史得道, 吴振玲, 罗凯, 等. 2015-04-28渤海海雾形成过程中的海气相互作用分析[J]. 热带气象学报, 2018, 34(3): 324-331.DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.03.005.
史得道, 吴振玲, 罗凯, 等. Analysis of air-sea interaction on the formation of april 28, 2015 sea fog over bohai sea[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2018, 34(3): 324-331. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.03.005.

基金项目

天津市科技兴海项目(KJXH2014-20);天津市科技计划项目(15ZCZDSF00210);中国气象局预报预测核心业务发展专项(CMAHX20160204)共同资助

通讯作者

吴振玲, 女, 天津市人, 研究员级高级工程师, 主要从事海洋气象及应用气象研究。E-mail:bigwiselyyn@yahoo.com

文章历史

收稿日期:2017-01-03
修订日期:2018-03-30
2015-04-28渤海海雾形成过程中的海气相互作用分析
史得道 1, 吴振玲 2, 罗凯 1, 左涛 1     
1. 天津海洋中心气象台,天津 300074;
2. 天津市气象台,天津 300074
摘要: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。
关键词渤海海雾    海气相互作用    海气温差    水汽输送    湍流热通量    风切变    
ANALYSIS OF AIR-SEA INTERACTION ON THE FORMATION OF APRIL 28, 2015 SEA FOG OVER BOHAI SEA
SHI De-dao1, WU Zhen-ling2, LUO Kai1, ZUO Tao1     
1. Tianjin Marine Meteorological Center, Tianjin 300074, China;
2. Tianjin Meteorological Observatory, Tianjin 300074, China
Abstract: The sea fog over Bohai Sea from April 28 to 29 2015 is analyzed with FY satellite data, MTSAT satellite data, ERA Interim reanalyzed data, buoy stations data and automatic weather stations data, with the air-sea interaction during the formation and development of the sea fog analyzed intensively. A lower atmosphere inversion layer rose and a wet area of greater than 90% expanded upward and westward, beneficial to the formation of Bohai Sea fog. There was evident east and southeast wind during the sea fog event, in favor of vapor transporting from the Yellow Sea to the Bohai Sea. Strong vapor flux moved from the Bohai Straits to the Bohai Sea, enhanced vapor transport upon it and provided necessary vapor for the formation of sea fog. Bohai Sea air temperature was greater than sea surface temperature, sea surface net turbulence heat exchange caused by wind shear delivered heat from the atmosphere to the sea, then warm moist air cooled down and saturated and advection cooling fog generated.
Key words: Bohai Sea fog    air-sea interaction    air-sea temperature difference    vapor transport    turbulence heat flux    wind shear    
1 引言

海雾(sea fog)是在海洋的影响下发生在海上或沿海地区上空低层大气中凝结的水滴或冰晶使大气水平能见度小于1 000 m的一种天气现象,受下垫面海洋作用影响较大。海雾发生时造成海面水平能见度较低,对海上渔业、航运、平台作业及沿岸航空、公路交通等造成很大影响,是中国近海需要高度关注的灾害性天气。黄海、渤海是海雾多发海域之一[1],但近些年来对海雾生成机制以及海洋作用对海雾的影响分析主要集中在黄海海域,关于渤海海雾的研究涉及较少。海雾的形成机制主要是降温和增湿[1],降温既有暖湿空气与冷海面接触以及风切变引起的湍流混合作用[2],也有雾顶长波辐射冷却对雾层的降温[3]。增湿主要由于海面蒸发及水汽平流输送。Huang等[4]发现黄海海雾形成过程中低纬度水汽输送带来的增湿效应强于局地蒸发,低纬度水汽输送在黄海经海气相互作用产生海雾[5]。且黄海海雾与海温、海-气温差及沿岸流关系密切[6],数值模拟试验证实海温变化对黄海雾区范围、频次有重要影响[7-9]。渤海是我国海上航运、石油平台作业和渔业捕捞等最繁忙的海域之一,对海雾的关注和研究不容忽视。目前仅有文献[10-11]分析了渤海湾海雾的气候统计特征,并对其成因进行了简单探讨。对于渤海海雾发生发展机理、海洋下垫面对海雾的影响、海雾过程中海洋与大气如何相互作用等研究较少。本文通过对一次发生在渤海的持续时间较长的海雾过程进行详尽分析,研究此次海雾发生发展过程中的低层大气层结特征、海温特征、海面水汽输送及海气交换特征,探讨此次海雾发生发展过程中的海气相互作用,提高对渤海海雾的认识和预报水平提供重要的参考依据。

2 资料介绍

本文所用资料包括:2015年4月27—30日FY-2E可见光云图资料;日本气象厅MTSAT (Multi-functional Transport Satellite)卫星红外1通道和4通道亮温资料;ERA(European Centre for Medium-Range Weather Forecasting Reanalysis)Interim 0.25 ° × 0.25 °再分析资料,包含的物理量有海平面气压、地面2 m温度、地面2 m露点温度、10 m风场、海表面温度、高空风场、相对湿度和温度。还利用河北曹妃甸、山东鸡鸣岛浮标站逐小时观测资料,渤海A平台、长岛、成山头自动站逐小时观测资料,浮标站和自动站地理位置如图 1所示。浮标站资料来自中国气象局台风与海洋气象预报中心,自动站资料来自天津市气象信息中心。资料经过质控,可用性较好。

图 1 曹妃甸、鸡鸣岛浮标站、渤海A平台、长岛和成山头自动站地理位置
3 海雾实况 3.1 卫星监测

近年来随着卫星资料时间、空间分辨率的大幅度提高,为监测海雾提供强有力的工具[12-14]。白天利用可见光云图[15-16],夜间利用红外双通道差值法[16-18]进行海雾监测识别,黄渤海海雾对应的卫星IR4、IR1两红外通道亮温差为-5.5~-2.5 ℃[17]。2015年4月28日11时(图 2a),海雾主要位于渤海中部和渤海海峡,呈长条形分布。可见光云图上海雾色调呈灰白色,纹理光滑均匀无暗影,边界明显,在渤海海峡沿海岸线分布,移动不明显。之后海雾向西扩展到渤海西部(图 2b),范围扩大。29日08时整个渤海海峡、渤海中南部都被雾笼罩(图 2c)。29日夜间,渤海西部、南部海雾开始消散,仅在渤海海峡和渤海中部附近海域存在雾区(图 2d),30日之后雾区逐渐消散。

图 2 2015年4月28日11时(a)、28日20时(b)和29日08时(c)、30日02时(d)渤海雾区的可见光云图监测(a、c)和双通道差值法监测(b、d)
3.2 能见度变化

28日05时前后,山东半岛东部成山头站能见度由9 km迅速下降到100 m,28日白天能见度有所好转,仍小于10 km,到23时能见度再度减小到100 m。渤海东部长岛站(图 3)28日08时能见度为6 km,14时减小到1 km,一直到29日11时能见度均小于4 km,14时增大到8 km,但17时又迅速降到200 m,29日后半夜能见度好转。渤海西部A平台(图 3)28日14时能见度为6 km,28日20时为4 km,29日08时下降到400 m,30日08时增大到15 km。可见成山头能见度从28日早上开始减弱,长岛能见度从28日上午开始减弱,A平台能见度从28日下午开始减弱,表明此次海雾是从东向西慢慢发展。长岛站和A平台27日夜间到28日存在明显的东到东南风(图 3),风速在4~8 m/s间,有利于渤海上空水汽输送,相对湿度逐渐增大,形成海雾。

图 3 2015年4月27日20时—30日20时长岛(a)、A平台能见度(b,单位:km)和风(c,单位:m/s)要素的时间变化
4 大气层结特征

27日20时(图 4a)对流层低层湿度基本都小于80%,28日08时(图 4b)低层风场转为东南风,渤海和渤海海峡上空湿度开始增大。28日14时(图 4c)湿度继续加强,渤海中部和渤海海峡上空大于90%的大湿度区扩展到925 hPa以上,渤海西部上空湿度也增大,但大于90%的大湿区较浅薄。随后在偏东风作用下,渤海西部大于90%的大湿区增厚,形成海雾。在海雾维持期间(图 4d),整个渤海和渤海海峡上空1 000 hPa附近相对湿度都均大于95%,渤海中部大湿度区最厚,大于95%的湿区扩展到925 hPa。从温度层结分布来看,27日渤海上空存在逆温层,但逆温层高度较低,在975 hPa以下。28日08时,逆温层高度抬升至950 hPa,表明大气稳定度在加强,对雾的形成非常有利[6]。28日14时逆温层继续抬升到925 hPa,有利于对流层低层水汽积聚。低层的水汽积聚和稳定的大气层结是雾形成和维持的必要条件[19],逆温层和大湿区向上抬升也使得海雾向上发展。

图 4 2015年4月27日20时(a)、28日08时(b)、28日14时(c)、29日02时(d)的相对湿度(阴影,>80%)、温度(等值线,单位:℃)和风场沿38.5 °N剖面
5 海气相互作用 5.1 海气温差

由海上浮标站气温和海温变化显示(图 5)可知,山东鸡鸣岛站27—28日气温呈下降趋势,因海温变化幅度小,海气温差(气温减海温,下同)也逐渐减小。该站点距成山头较近,在28日早上形成海雾时,海气温差在3~4 ℃之间。成雾以后,28—29日的气温和海气温差变化幅度都减小,趋势仍是缓慢降低,海气温差最低在-1 ℃左右。海雾维持时海气温差基本维持在3 ℃以内。河北曹妃甸浮标站因位于渤海西部,成雾时间晚,27—29日气温和海气温差不断下降,大气降温冷却,水汽凝结湿度增大。海雾出现时海气温差也在3 ℃以内,最低不小于-1 ℃。30日凌晨以后气温逐渐回升,海气温差随之增大,海雾逐渐消散。此次渤海海雾范围与海气温差小于3 ℃、近海面相对湿度大于90%区域对应较好,与黄彬等[6]统计分析结果一致。在海雾形成及维持的大部分时间内,气温大于海温且气温逐渐降低使得海气温差逐渐减小,对海雾形成发展有利[6-7]

图 5 2015年4月27日08时—30日20时鸡鸣岛(a)、曹妃甸浮标站(b)的气温(虚线)、海温(点线)、海气温差(实线)变化 单位:℃。
5.2 黄海水汽输送

在海雾生成发展过程中,黄渤海受东到东南风影响,有利于黄海上空水汽向渤海输送。27日20时渤海和渤海海峡对流层低层为明显的偏南向水汽输送,水汽通量大值区在渤海海峡上空,但渤海上空水汽输送也比较可观。28日08时(图 6a),对流层低层风向逆转为东南风,水汽通量大值中心仍在渤海海峡上空,同时渤海上空也有一定的东到东南向水汽输送,但强度小于海峡,这也有利于渤海海峡比渤海优先形成海雾。之后水汽通量大值中心向西移动,由渤海海峡移动到渤海中部(图 6b),渤海上空水汽输送明显加强,从而使得渤海上空高湿区厚度和范围都加强,对海雾形成非常有利。从975 hPa水汽通量空间分布(图 6c)也可以发现,黄海中部上空有水汽通量大值中心,来自黄海的水汽在东南风作用下输送到渤海海峡,然后在偏东风作用下输送进入渤海中西部,在当地边界层经海气相互作用形成海雾[5]

图 6 2015年4月28日08时(a)、20时(b)沿38.5 °N水汽通量剖面和28日08时975 hPa水汽通量空间分布(c) 单位:g/(m·hPa·s)。
5.3 海气交换特征

当海面饱和水汽压大于实际大气水汽压时,就可以引起海水蒸发[1]。27日黄海、渤海海峡、渤海大部分海域的海面饱和水汽压与实际大气水汽压之差大于0,可引起海面蒸发,但随后28—29日在海雾生成、发展、维持过程中,黄渤海海面饱和水汽压与实际大气水汽压之差都小于0,海面蒸发被抑制,不能对海雾的形成提供水汽,水汽来源基本都来自黄海平流输送。

为探讨海雾过程中的降温效应以及渤海与大气之间的湍流热交换,利用块体法[20-23]计算了渤海海气界面处的湍流热通量,其中感热通量主要由于海气温差引起的海洋大气之间热输送,潜热通量主要由于海水蒸发引起的热输送。感热通量和潜热通量的计算公式分别为:

(1)
(2)

式中,ρ为空气密度,cp为空气定压比热,ch为热量交换系数,ce为水汽交换系数,L为水汽的蒸发潜热,Ts为海表面温度,Ta为2 m处气温,qs为海气界面处空气比湿,qa为2 m处空气比湿,u10为10 m处水平风速。

由于海水蒸发被抑制,此次海雾过程中潜热通量由大气向海洋输送。同时在海雾形成、发展、维持过程中,海气温差也基本大于0,感热通量也是由大气向海洋输送。使得在湍流作用下低层大气与海洋之间热交换为大气失去热量(图 7a~7c),温度降低,冷却达到饱和。并且净湍流热通量变化与感热通量变化较一致,说明在海面蒸发被抑制的情况下,感热通量占据主导。当气温高于海温时,空气向海面输送的感热交换居主要地位,从而促使平流到海面的暖空气冷却凝结成雾,称为平流冷却雾[1, 24-25]

图 7 2015年4月27日20时、28日14时、29日08时渤海海面净湍流热通量(a~c,单位:W/m2)和垂直风切变(d~f,单位:m/s)

合适的湍流强度是海雾形成和维持的必要条件[26-27],而湍流混合是由海面上空水平风垂直切变引起的[4]。从渤海海面上空925 hPa以下水平风垂直切变(图 7d~7f)来看,27日风切变基本大于5 m/s,湍流混合明显。28日白天风切变减小到5 m/s以下,到29日08时风切变继续减小,基本小于2 m/s。风切变的减小意味着海气界面之间湍流混合强度减弱,有利于雾的维持发展[28]。从27日夜间到29日,渤海海气界面间净湍流热通量绝对值也是由大变小的,与垂直风切变变化一致。说明渤海上空通过湍流交换由大气向下输送的热量由多变少,使得气温逐渐下降,水汽凝结。此次海雾形成的冷却机制为海气间湍流热量输送[29]

由此可见,在此次海雾形成发展过程中,存在明显的海气相互作用(图 8),由于气温高于海温,海面蒸发被抑制,黄海海面水汽输送提供了海雾形成必要的暖湿空气;稳定层结中渤海上空偏东风的垂直切变造成的近海面湍流混合使大气热量向海洋输送,暖气团逐渐降温冷却形成海雾。

图 8 海雾形成过程中海气相互作用机制
6 结论与讨论

通过对2015年4月28—29日渤海海雾过程中低层大气层结特征及海气相互作用进行分析,得到以下结论。

(1) 此次海雾形成所需水汽来源于黄海上空的水汽输送。海雾形成发展过程中渤海上空气温高于海温,海面饱和水汽压与实际大气水汽压之差小于0,海面蒸发被抑制;黄海中部上空有水汽通量大值中心,来自黄海的水汽在东南风作用下输送到渤海海峡和渤海,渤海上空水汽输送明显加强,为海雾形成提供所需的水汽。

(2) 海气界面湍流热交换是海雾形成的降温机制。水平风的垂直切变造成的湍流混合,使得渤海海气界面湍流热交换为大气向海洋输送,并使海上暖湿空气降温冷却达到饱和形成海雾。

(3) 海面上空低层大气逆温、高湿的层结特征有利于海雾生成。对流层低层逆温层抬升、逆温层顶干暖盖作用均有利于近海面暖湿空气积聚,海面上空稳定的大气层结与湿度的加强有利于海雾发展与维持。

此次海雾过程中的渤海海气相互作用可以代表渤海平流冷却雾的特征,有助于提高对该类海雾的认识水平和预报能力。但对于其他类型的海雾(蒸发雾、辐射雾等)形成过程中的海气相互作用特征,还需要进行更多个例的分析研究。而且随季节变化,海陆热力性质具有明显差异,使得海气交换特征以及海气相互作用也随季节变化而不同,有待今后更深入的研究。

参考文献
[1] 王彬华. 海雾[M]. 青岛: 海洋出版社, 1983: 3-19.
[2] GAO S H, LIN H, SHEN B, et al. A heavy sea fog event over the Yellow Sea in March 2005: Analysis and Numerical Modeling[J]. Adv Atmos Sci, 2007, 24(1): 65-81. DOI:10.1007/s00376-007-0065-2
[3] GUO J T, LI P Y, FU G, et al. The structure and formation mechanism of a sea fog event over the Yellow Sea[J]. J Ocean Univers China, 2015, 14(1): 27-37. DOI:10.1007/s11802-015-2466-7
[4] HUANG J, ZHOU F X. The cooling and moistening effect on the formation of sea fog in the Huanghai Sea[J]. Acta Oceanolog Sin, 2006, 25(2): 49-62.
[5] 周发琇, 王鑫, 鲍献文. 黄海春季海雾形成的气候特征[J]. 海洋学报, 2004, 26(3): 28-37.
[6] 黄彬, 毛冬艳, 康志明, 等. 黄海海雾天气气候特征及其成因分析[J]. 热带气象学报, 2011, 27(6): 920-929.
[7] 张苏平, 任兆鹏. 下垫面热力作用对黄海春季海雾的影响——观测与数值试验[J]. 气象学报, 2010, 68(4): 439-449. DOI:10.11676/qxxb2010.043
[8] 孟宪贵, 张苏平. 夏季黄海表面冷水对大气边界层及海雾的影响[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2012, 42(6): 16-23.
[9] LI M, ZHANG S P. Impact of sea surface temperature front on stratus-sea fog over the Yellow and East China Seas-a case study with implications for climatology[J]. J Ocean Univers China, 2013, 12(2): 301-311. DOI:10.1007/s11802-013-2218-5
[10] 任志军, 卜清军. 渤海湾海雾气候特征与分析[J]. 天津航海, 2007(4): 54-56.
[11] 曲平, 解以扬, 刘丽丽, 等. 1988—2010年渤海湾海雾特征分析[J]. 高原气象, 2014, 33(1): 285-293. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2012.00187
[12] 张春桂, 蔡义勇, 张加春. MODIS遥感数据在我国台湾海峡海雾监测中的应用[J]. 应用气象学报, 2009, 20(1): 8-16. DOI:10.11898/1001-7313.20090102
[13] LI J, HAN Z G, CHEN H B, et al. Fog detection over China's adjacent sea area by using the MTSAT geostationary satellite data[J]. Atmos Oceanic Sci Lett, 2012, 5(2): 128-133. DOI:10.1080/16742834.2012.11446978
[14] 吴晓京, 李三妹, 廖蜜, 等. 基于20年卫星遥感资料的黄海、渤海海雾分布季节特征分析[J]. 海洋学报, 2015, 37(1): 63-72.
[15] 曹祥村, 邵利民, 易海祁, 等. 一次冬季平流辐射雾过程的观测分析及数值模拟研究[J]. 海洋学报, 2009, 31(4): 39-50.
[16] 曹祥村, 邵利民, 李晓东. 黄渤海一次持续性大雾过程特征和成因分析[J]. 气象科技, 2012, 40(1): 92-99.
[17] GAO S H, WU W, ZHU L L, et al. Detection of nighttime sea fog/stratus over the Huang-hai Sea using MTSAT-1R IR data[J]. Acta Oceanolog Sin, 2009, 28(2): 23-35.
[18] WANG Y M, GAO S H, FU G, et al. Assimilating MTSAT-derived humidity in nowcasting sea fog over the Yellow Sea[J]. Wea Forec, 2014, 29(2): 205-225. DOI:10.1175/WAF-D-12-00123.1
[19] 梁军, 张胜军, 隋洪起, 等. 大连地区大雾特征[J]. 应用气象学报, 2009, 20(1): 28-35. DOI:10.11898/1001-7313.20090104
[20] FAIRALL C W, BRADLEY E F, ROGERS D P, et al. Bulk parameterization of air-sea fluxes for tropical ocean global atmosphere coupled ocean-atmosphere response experiment[J]. J Geophys Res, 1996, 101(c2): 3747-3764. DOI:10.1029/95JC03205
[21] 邵庆秋, 周明煜, 李兴生. 洋面动量、感热和潜热通量计算的研究[J]. 大气科学, 1991, 15(3): 9-17.
[22] 褚健婷, 陈锦年, 许兰英. 海-气界面热通量算法的研究及在中国近海的应用[J]. 海洋与湖沼, 2006, 37(6): 481-487.
[23] 陈锦年, 王宏娜, 吕心艳. 南海区域海气热通量的变化特征分析[J]. 水科学进展, 2007, 18(3): 390-397.
[24] 黄健, 黄辉军, 黄敏辉, 等. 广东沿岸海雾决策树预报模型[J]. 应用气象学报, 2011, 22(1): 107-114. DOI:10.11898/1001-7313.20110111
[25] 黄辉军, 詹国伟, 刘春霞, 等. 一次华南沿海海雾个例的数值模拟研究[J]. 热带气象学报, 2015, 31(5): 643-654.
[26] 陆雪, 高山红, 饶莉娟, 等. 春季黄海海雾WRF参数化方案敏感性研究[J]. 应用气象学报, 2014, 25(3): 312-320. DOI:10.11898/1001-7313.20140307
[27] 王鑫, 黄菲, 周发琇. 黄海沿海夏季海雾形成的气候特征[J]. 海洋学报, 2006, 28(1): 26-34.
[28] 李晓娜, 黄健, 申双和, 等. 一次高压型液态海雾中的液态含水量演变特征[J]. 热带气象学报, 2010, 26(1): 79-85.
[29] 沈忱, 黄健, 刘寿东. 海雾的准周期震荡特征[J]. 热带气象学报, 2010, 26(1): 71-78.