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黄海海雾的观测和基于WRF模式的数值模拟研究

李鹏远  
【摘要】:海雾是悬浮在海洋大气边界层中的大量水滴使得海上大气水平能见度小于1km的一种天气现象。黄海海域是我国沿海海雾频发的海域之一。与海雾相伴随的大气低能见度对陆路,航空以及海上运输造成的经济损失正随着人类在沿岸地区和海上的活动的日益增多而增大。本文首先对发生在2003-2008年的六次黄海海雾过程进行了详尽的观测分析,并利用WRFV3模式对其中的2005年3月9日和2008年7月7日两次海雾过程进行了数值模拟研究,对比分析了两个个例的异同。 对六个黄海海雾个例发生时的大气能见度,海平面气压,温度,相对湿度等相关因子进行了分析,发现根据地面观测站的海平面气压随时间变化将六个个例可以分为两类:气压减弱型和气压增强型。前者发生在春季,后者则发生在夏季。在黄海海域与西北太平洋高压相伴随的西南气流为海雾生成输送水汽。海雾的消散主要与风向转变(即西北太平洋高压南撤或东退,黄海海域盛行风由偏南风转向偏北风)和大气层结稳定度的降低(即逆温层的消失)有关。有利于黄海海雾形成的条件有:(1)2-10 m/s的弱的偏南风,(2)西北太平洋高压位于(25-35°N, 120-140°E),(3)大气逆温层的存在(7-20℃/km,2-6℃/300m),(4)南北海温梯度(4-16℃)。这些是黄海平流冷却型海雾生成的重要因素。 对2005年3月9日春季海雾过程的数值模拟分析发现本次海雾个例的发生发展以及消散都与低空急流有密切的联系,在海雾的发生发展以及成熟阶段,925 hPa以下,黄海位于低压前部和高压后部的等压线密集区,西南风急流形成于此区域并不断增强。海雾消散阶段,850 hPa以下,黄海处于低压后部和高压前部的等压线密集区,该区域偏北风急流的出现加速了海雾的消散。在海雾的生成阶段,湍流发展的高度与海雾的高度一致,与西南风急流相伴随底层的风切变是湍流动能的主要贡献因子。在湍流动能强度不足以克服逆温层束缚的情况下,海雾的发展高度只能局限于逆温层底部。除去福建一带地形的敏感性试验证明去除地形后急流减弱,湍流强度相应减弱,海雾高度被降低了大约100米。在海雾的消散阶段,逆温层消失,偏北风急流产生的风垂直切变与低层的热力不稳定共同产生的湍流运动使海雾逐渐抬升成低云。后向追踪分析表明本次海雾过程逆温层暖空气来源于华南陆地。地形敏感性试验表明除去福建一带地形对此次海雾过程的影响主要表现在逆温层强度和海雾强度减弱两方面。逆温层减弱与地形去除后的绝热升温过程消失有关。去除地形后水汽在东南风的携带下进入陆地,导致黄海海域的水汽输送减小,这是导致海雾强度减小的主要原因。 对2008年7月7日夏季海雾过程的数值模拟分析发现,在海雾的发生发展阶段,湍流是海雾垂向发展的主要原因。风垂直切变是海雾生成阶段湍流产生的主要机制。海雾消散阶段,逆温层消失,湍流活动使海雾抬升成为低云。这一阶段大气低层存在热力不稳定,热力和动力的共同作用产生湍流。在海雾的生消两个阶段湍流动能相对较小,范围在0.01-0.25 m~2s~(-2)。向后追踪分析表明该海雾个例的逆温层暖空气来自于台湾以东大洋上。地形试验表明,去除福建一带地形后逆温层增强,海雾的强度减弱。逆温层增强与改变地形后大气环流的改变有关。海雾的减弱,与去除地形后水汽输送被分流到华南沿岸地区有关。 对比春夏两个个例的天气形势、海雾概况、大气层结稳定度、海雾生消机制和地形敏感性试验发现:在850 hPa和地面,春夏两个个例都有高压出现并控制黄海海域,黄海海域盛行偏南风。春季个例的高压中心位置更偏南,在30°N以南海上,而夏季个例的高压中心位置在在30°N以北黄海东部和朝鲜半岛上空。海雾过程中春季个例的高压比夏季个例要强,黄海海域等压线更密集。夏季雾要比春季雾高,夏季平均高度为200米左右,最高550米,春季平均高度为100米,最高可达450米。夏季海雾比春季浓,持续时间长,气海温差海雾生成阶段春季比夏季大。两次个例的水汽来源都来自东海及其南部海域。春季个例比夏季个例的大气层结更稳定。逆温层的气团来源不同,春季来自华南陆地,夏季来自台湾以东大洋上。春季个例有急流存在,夏季个例没有。海雾的生消机制对比,湍流对海雾的作用在春夏基本一致。春季的湍流动能在海雾的生消两阶段都比夏季大。地形敏感性试验的对比结果表明,两次过程去除地形后,春季个例逆温层减弱,夏季增强,海雾的强度和范围都减弱。


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