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《中国海洋大学》 2008年 博士论文
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海雾形成与发展机制的观测分析与数值模拟研究

郭敬天  
【摘要】: 本文利用尽可能多的观测资料和中尺度大气模式Regional Atmospheric Modeling System(RAMS)的高分辨率数值模拟结果,对1977年08月03日发生在荷兰北部Cabauw地区的陆地辐射雾、2004年04月11日黄海海雾和2005年03月08日东黄海海雾的形成、发展和演变过程进行了详尽的刻画,并对其形成与发展机制进行了研究。对Cabauw地区陆地辐射雾的模拟研究表明,RAMS模式对雾有较强的刻画能力。对两个海雾个例的观测与数值模拟研究发现,两者具有完全不同的特点,湍流、辐射、平流和海表温度(SST)等物理因素在其形成与发展过程中起不同的作用。 在荷兰北部Cabauw地区陆地辐射雾的形成过程中,由于夜间长波辐射冷却使近地面空气温度降低,使其达到饱和凝结成雾,垂直风切变产生的湍流使雾向上发展。而随着太阳的升起,短波辐射对雾层的加热作用以及地面长波辐射的加强,使雾区低层温度迅速升高,造成雾区低层的层结不稳定,湍流增强,使雾向上发展。伴随着雾向上发展,云水混合比降低,减弱了辐射冷却作用,加速破坏逆温层结。在湍流的作用下,雾迅速向高空发展,并随气温升高逐渐消失。 2004年04月11日海雾覆盖黄海大部分地区。观测分析表明在海雾发生前气温高于海温,RAMS数值模拟结果显示由于大气层结稳定,垂直风切变较弱,不能产生足够强的湍流使海面冷却降低低层大气的温度凝结成雾。垂直风切变增大,可加速大气的热量向海面传输,海雾在近海面处形成。由于雾本身的长波辐射冷却作用,使雾区降温到SST以下,引起海面的蒸发。而较弱的湍流不能使蒸发的水汽向上发展,水汽在辐射作用下产生凝结,使云水混合比在贴近海面处最大,且随高度迅速降低。这种云水混合比的垂直分布在辐射冷却的作用下进一步增加大气层结的稳定性,抑制湍流的发展,使海雾贴近在海面上。在发展阶段,海雾在湍流的作用下向上发展,近海面处的云水混合比减小,雾顶的强辐射冷却作用使雾顶处的云水含量较高,在短波辐射和雾顶向下发出的长波辐射作用下,雾低层加热。垂直风切变对湍流起产生作用,并随雾区向东北方向移动,在海雾水平发展过程中对湍流的发展起正贡献。SST敏感性试验表明,增加SST使气海温差减小,并增大雾区的范围,减小SST使气海温差增大,并减小雾区的范围。模式大气辐射敏感性试验表明,关闭液态水的长波辐射后山东半岛东南侧海区海雾消失,成山头东北部海雾仍然存在。模式微物理过程敏感性试验表明,改变单位质量的雾滴个数只会影响雾的浓度,而不会影响雾的形态和水平分布。模式水平分辨率敏感性试验表明,海雾的形成与发展对模式水平分辨率从8km到4km的改变并不敏感。 与2004年04月11日的黄海海雾不同,2005年03月08-09日海雾首先在东海上空生成,并随天气系统的变化从南向北推进,逐步影响我国东海及黄海海区。此次海雾发生时垂直风切变较强,有足够强的湍流使海面冷却一定高度的大气,形成高度较高的雾层。大气长波辐射冷却作用在雾顶附近较强,形成了高的云水混合比含量区,而在近海面处大气辐射冷却作用较弱,云水混合比较低。在海雾的低层,大气层结稳定性较弱,垂直风切变能够产生足够的湍流,但在雾顶处稳定层结的抑制下,湍流迅速减弱,使雾顶维持在一定高度。在09日,由于南风和下沉运动将暖空气输送到东海上空,不但增加了近海面的大气温度,而且增加了大气的层结稳定性,抑制了湍流的发展,海面很难迅速冷却低空大气使之饱和,造成东海上空海雾消失。模式SST敏感性试验表明,增加SST减小气海温差会减小雾区范围,但雾顶发展较高,减小SST会加大气海温差,增加雾区的范围,雾顶高度会降低。模式辐射敏感性试验表明,液态水的长波辐射对该海雾的形成起不到决定性作用,但对其增强十分重要。 通过比较2004年04月11日黄海海雾和2005年03月08日东黄海海雾的特点及形成机制发现,前者雾顶较低,云水含量最大区贴近海面,且气温低于海温,后者雾顶较高,云水含量最大区在雾顶部,气温高于海温。其产生原因是由于前者垂直风切变对湍流的产生作用弱于后者,而层结稳定性和辐射冷却作用均强于后者造成的。研究表明海雾的形成与发展机制十分复杂,需要更多的观测和数值模拟研究才能阐明。


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