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高压系统影响下黄海海雾的形成机制研究

张守宝  
【摘要】: 高压系统影响下形成的海雾是黄海海雾的一种重要类型,但目前针对它的数值模拟与形成机制的研究颇为少见。本文选取分别发生于2006年3月7日和6月6日的两次明显受高压系统影响的黄海海雾个例为研究对象,对它们进行了观测分析与数值模拟研究。首先,利用卫星观测数据、站点地面与探空观测数据与美国环境预报中心的FNL(final analysis data)大气再分析数据对这两次海雾进行了观测分析,主要包括雾区时空演变观测事实、影响它们的高压天气系统变化和大气逆温层形成。然后,运用WRF (Weather Research and Forecasting)数值模式对它们进行了高分辨率的数值模拟,详尽刻画海雾形成过程及其三维结构变化,并对其形成机制进行研究,探讨了平流、湍流、长短波辐射、潜热释放等物理过程的具体作用。最后,将它们与一次典型的黄海平流冷却海雾过程进行对比,分析了它们之间的异同。 观测事实分析揭示,高压系统影响下的黄海海雾的形成与发展明显受高空系统及其变化的支配。海雾形成之前雾区上空存在逆温层,它是高压系统环流输送的冷暖平流在海上大气边界层不同高度存在差异所导致,或是低层冷平流使空气降温形成逆温层,或是高层暖平流使空气升温形成逆温层。‘海雾发生时,浅薄高压控制着整个黄海,海面风速基本不超过4 m/s;雾区的变化与高压的移动及强度变化密切相关,大范围的雾区主要存在于高压的西北部,雾区在高压变弱时扩展到最大。基于FNL数据的分析显示,成雾所需的水汽大部分是由黄海局地所提供的,很少发现远距离的水汽输运过程。 利用循环3DVAR(three dimensional variational)为WRF数值模拟提供了质量较高的初始场,经海雾卫星云图观测与站点观测数据的检验,WRF数值模式较为成功地再现了两次海雾过程。基于数值模拟结果,细致地探讨了海雾形成机制。海雾开始形成于逆温层底部,海面风的垂直切变导致机械湍流的发展,湍流冷却作用是海雾初始生成的主要机制。雾体形成到一定厚度后,其顶部的长波辐射冷却作用使得海雾得以维持和发展,一定强度的冷平流也对逆风一侧特别是较高高度上的海雾形成起到冷却作用。雾体温度降低到海表温度(SST)以下之后,海面不再对雾体有冷却作用,它主要通过蒸发过程为雾体提供水汽。雾区处于高压产生的冷平流控制时逆风一侧因辐合抬升而产生上升气流,同时冷平流使得逆温层底部向上抬升,迫使雾顶也随之向上抬升,雾顶长波辐射的冷却作用使得雾顶附近液态水增多,因重力和平流的作用顺风下降,海雾顺风向发展;而当高压位置移动而使雾区受暖平流的控制后,海面的湍流冷却和雾顶的长波辐射冷却作用,使海雾顺暖平流风向发展,高压中心附近的下沉气流和暖平流的作用降低了逆温层底,使得海雾扩展时雾顶高度较低。此外,一系列敏感性试验的分析结果。表明:海面一定强度的湍流有利于海雾的形成,而强度过大的湍流会导致海雾的消散;短波辐射对海雾的形成影响较小,而长波辐射是海雾形成发展的关键因素;改变SST对高压影响下海雾形成有一定的影响。 同一次由快变的锋面系统控制的黄海平流冷却海雾相比,所研究的两次海雾过程中由于温度平流强度较小和风速较弱,海雾扩展与消散的速度很慢。但它们形成的物理机制主要皆为平流冷却效应,而且形成与发展都强烈地依赖天气系统及其变化。由此可以说,海雾是变化的天气系统的产物。


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