低云在不同季節(jié)對東海黑潮海洋鋒響應(yīng)的個(gè)例研究*

楊 爽，劉敬武，張?zhí)K平

（中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 海洋－大氣相互作用與氣候山東省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100）

東海是世界上最大的陸架海之一，是中國海上運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ?。黑潮是與大西洋墨西哥灣流對應(yīng)的、太平洋強(qiáng)大的西邊界暖流，它起源于菲律賓以東的北赤道流，緊貼中國臺灣東部進(jìn)入東海，帶來熱帶的暖水，具有流速強(qiáng)、流量大、流幅窄、高溫高鹽等特征，對東亞乃至全球的氣候有重要影響［1－2］。徐蜜蜜和徐海明等人通過衛(wèi)星觀測和再分析資料，發(fā)現(xiàn)春季東海海洋鋒可以通過影響兩側(cè)邊界層大氣的穩(wěn)定度和垂直混合的強(qiáng)弱，對附近的總降水、對流、層云降水均有影響［3-4］。

低云比海表面反射率高，可以有效減少海洋接收到的凈輻射，從而影響海表面和大氣頂部的能量收支，故在全球氣候系統(tǒng)中很重要［5－7］。前人研究表明，海洋鋒能夠通過改變海洋上空的大氣邊界層（MABL）結(jié)構(gòu)影響低云性質(zhì)。Linzen和Nigam提出海平面氣壓調(diào)整機(jī)制［8］，高海溫區(qū)海表面氣壓降低，風(fēng)場輻合；反之，低海溫區(qū)海表面氣壓升高，風(fēng)場輻散，從而在MABL內(nèi)產(chǎn)生次級環(huán)流，影響海洋鋒兩側(cè)云高、云狀［9－10］。Xie等發(fā)現(xiàn)冬季在黑潮海洋鋒暖側(cè)，海表面風(fēng)輻合，風(fēng)速大，且云頻增加［11］。Tokinaga等利用船測資料刻畫了黑潮延伸體區(qū)域低云的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在海洋鋒兩側(cè)MABL結(jié)構(gòu)和低云均有突變，在冬季海洋鋒南側(cè)釋放強(qiáng)烈的湍流熱量，其影響甚至可以穿透MABL達(dá)到對流層中層［12］。以上海上云層研究數(shù)據(jù)主要來自出海觀測和衛(wèi)星資料，海上觀測數(shù)據(jù)由于受到航線和時(shí)間的限制，無法長時(shí)間、大范圍地描述云層特征；所用衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間分辨率較低，且通過亮溫計(jì)算的云高并不精確，無法清楚看到海洋鋒上空云垂直結(jié)構(gòu)的變化，從而使我們對低云形成機(jī)制的認(rèn)識非常有限。

由美國國家宇航局NASA于2006年4月發(fā)射的CALIPSO（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations）太陽同步衛(wèi)星，可以通過激光雷達(dá)的后向散射強(qiáng)度直接測得云頂高度，且空間分辨率高，水平分辨率達(dá)到333m。Patrick等利用CALIPSO資料估測光學(xué)厚云的云頂高度，并證明了CALIPSO通過激光雷達(dá)直接獲得云頂高度、云垂直結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性［13］。Stein等運(yùn)用CloudSat和CALIPSO 4年的數(shù)據(jù)分析了西非季風(fēng)的不同種類云的垂直結(jié)構(gòu)［14］。通過該衛(wèi)星可以看到云層在海洋鋒附近的變化。Liu等利用CALIPSO數(shù)據(jù)分析了低云對灣流鋒的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)海洋鋒暖側(cè)低云頂比冷側(cè)抬升500m，低云的相態(tài)也受到鋒面的影響［15］。在冬季，海洋向大氣的潛熱和感熱通量增加，海氣界面不穩(wěn)定，出現(xiàn)層積云頻率較多［9，16］；春夏季海氣界面較為穩(wěn)定［12］，抑制湍流通量，邊界層高度較低，是層云和海霧的高發(fā)時(shí)期［17］，且二者關(guān)系密切，在某些條件下可以轉(zhuǎn)化［18］；秋季一般低云較少［19］。

前人研究很少有對海洋性邊界層云進(jìn)行多方位立體觀測，對云的垂直結(jié)構(gòu)和對應(yīng)的邊界層結(jié)構(gòu)缺乏認(rèn)識。本文利用高分辨率的CALIPSO衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過不同季節(jié)的個(gè)例研究，探究冬季、春季和夏季不同種類的低云對東海黑潮海洋鋒（以下簡稱黑潮鋒）響應(yīng)的特征，加深對不同季節(jié)海洋鋒上空低云變化的物理機(jī)制的理解。本文將低云定義為云頂高度低于4km的云，秋季由于云量較少，暫不予以討論。

1 資料和方法

本文使用的資料主要有：（1）CALIPSO衛(wèi)星資料，該衛(wèi)星由美國國家宇航局NASA于2006年4月發(fā)射，沿太陽同步軌道運(yùn)行，每16天為一個(gè)周期。水平分辨率為333m，垂直分辨率可達(dá)30m，可提供后向散射強(qiáng)度系數(shù)、云頂/底高度等信息；（2）MODIS（Moderateresolution Imaging Spectroradiometer）衛(wèi)星云圖，該衛(wèi)星與CALIPSO同屬于A-Train衛(wèi)星群，且與CALIPSO幾乎同時(shí)經(jīng)過黃東海區(qū)域，故可反映CALIPSO經(jīng)過時(shí)的云圖信息。（3）MTSAT靜止氣象衛(wèi)星可見光云圖，由日本氣象廳（JMA）提供；（4）ERA-Interim 再分析資料，由ECMWF（European Centre for Mediumrange Weather Forecasts）提供的最新全球大氣再分析資料，水平分辨率為0.75°，500hPa以下共16層；（5）OISST海表面溫度數(shù)據(jù)，由美國國家海洋和大氣管理局NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）提供，選用日平均資料，分辨率達(dá)0.25°；（6）美國懷俄明大學(xué)網(wǎng)站提供的探空資料，主要分析個(gè)例中溫度、位溫以及相對濕度隨高度的變化；（7）由青島氣象臺提供的GFE（L）型二次測風(fēng)雷達(dá)和GTS1型數(shù)字式探空儀數(shù)據(jù)，站點(diǎn)高度海拔75m；（8）中國氣象局提供的地面站觀測資料，包括低云量、高低云狀、風(fēng)速風(fēng)向、天氣現(xiàn)象等。

Wood等提出EIS（Estimated Inversion Strength）可表示低層穩(wěn)定度，在氣候態(tài)上與低云相關(guān)性比LTS（Lower-Troposphere Stability）更 好［20］。 計(jì) 算 公 式：EIS＝LTS－Г850m（Z700－LCL）。其中：LTS＝θ700－θ0；Г表示濕絕熱位溫梯度；Z700表示700hPa所在高度；LCL表示抬升凝結(jié)高度。EIS值越大表示MABL越穩(wěn)定。本文通過在個(gè)例中計(jì)算EIS，探究它對低云個(gè)例是否有很好響應(yīng)。用歐洲中心06UTC的再分析資料計(jì)算。

本文結(jié)合天氣圖和云圖來判斷云類，在冬、春、夏季分別選取了典型個(gè)例，分析不同季節(jié)邊界層結(jié)構(gòu)與云狀態(tài)的關(guān)系。

2 冬季層積云個(gè)例

2.1 觀測分析

層積云一般發(fā)生在中緯度和東亞熱帶地區(qū)，MABL混合較好，且上面有較強(qiáng)逆溫［7］。本次個(gè)例中，高空黃東海區(qū)域位于東亞大槽后部（圖略），槽后下沉氣流有利于海洋大氣邊界層（MABL）中逆溫層的形成。由圖1（a）中黑色橢圓區(qū)域的云狀信息，結(jié)合MODIS觀測（見圖1（b）），可以確定黃東海區(qū)域上空無中高云，低云狀為層積云，且位于地面高壓中心附近及其北側(cè)。海面及長江口沿海測站為偏北風(fēng)，風(fēng)速較?。恢袊鴸|部陸地上為偏南風(fēng)。海洋鋒位于28°N，126°E附近，CALIPSO恰好貫穿層積云區(qū)域，且跨越海洋鋒（見圖1（c））。

圖1 2009年1月15日冬季層積云個(gè)例Fig.1 Stratocumulus case during spring on 15Jan 2009

圖2為2009年1月15日沿CALIPSO軌跡的各要素變化。后向散射強(qiáng)度系數(shù)屬于CALIPSO衛(wèi)星一級數(shù)據(jù)，其突然增大的地方表示可能有云層出現(xiàn)，經(jīng)過反演得到云頂高度等2級數(shù)據(jù)，圖2（a）中用粉色散點(diǎn)表示?？梢钥闯?0°N～37°N均為層積云，云頂高度位于1.2～2.5km，自北向南逐漸抬升。經(jīng)過海洋鋒（28°N）時(shí)，海氣溫差達(dá)到最大，云頂、底高度突然升高。在33°N附近，SST梯度也較大，海氣溫差增加，達(dá)到第二大極值，該處云頂、底高度也有較小幅度的突變（見圖2（a）、（d））。冬季氣溫低，海氣溫差為正，海氣界面不穩(wěn)定，邊界層底部混合較好（見圖2（b））。36°N以南均為北風(fēng)，由于地面高壓系統(tǒng)的影響，西北風(fēng)向南逐漸轉(zhuǎn)成東北風(fēng)，經(jīng)向風(fēng)速維持在8m/s左右（見圖2（c））。EIS大體上呈向南減小趨勢，在海洋鋒南北兩側(cè)有顯著差別，北側(cè)更加穩(wěn)定。

圖2 2009年1月15日沿CALIPSO軌跡的各要素變化Fig.2 Variables along the CALIPSO track on 15Jan 2009

中緯度地區(qū)冬季氣溫低，海面向大氣輸送的熱通量大，邊界層垂直混合較好，MABL高度較高，層積云出現(xiàn)頻率多。層積云屬于低云，但高度相對較高，經(jīng)常大片地出現(xiàn)，在可見光云圖中呈絮狀。個(gè)例中層積云位于高壓中心附近，地面偏北風(fēng)，風(fēng)速較小，海洋鋒位于28°N附近，CALIPSO恰好貫穿層積云區(qū)域，且跨越海洋鋒。

2.2 MABL垂直結(jié)構(gòu)分析

白翎島和濟(jì)州島站位置如圖3（a）所示，該時(shí)刻兩觀測站上空均有層積云。底層位溫隨高度不變，說明邊界層底部混合均勻，相對濕度逐漸增大至80%以上，上空均存在蓋頂逆溫，逆溫層內(nèi)相對濕度迅速減小，該逆溫層為云頂所在位置。其中白翎島位于北側(cè)，云高在1 300m左右，而濟(jì)州島站位于南側(cè)，云高約為1 500 m，且云層明顯更厚，與圖2（a）中云頂高度向南逐漸抬升的趨勢相符。冬季濕度較低，高空相對濕度降到了10%以下。白翎島站底部為北風(fēng)，風(fēng)速較小，底層向上逐漸偏西，有冷平流，加強(qiáng)邊界層底部湍流混合。濟(jì)州島站底部西北風(fēng)，風(fēng)速相對較大。

2.3 機(jī)理分析

觀測分析表明，向南經(jīng)過海洋鋒（28°N）及SST大梯度區(qū)（33°N）時(shí)，云頂、底高度均有明顯的抬升突變，如圖2中黑色直線標(biāo)記處。冬季氣溫低，海氣溫差一般為正，海氣界面不穩(wěn)定。自北向南，氣溫逐漸升高，但在28°N和33°N附近，SST劇烈升高，而氣溫沒有如此突然的變化，導(dǎo)致海氣溫差隨之增加，分別達(dá)到2個(gè)極值，造成該處海氣界面不穩(wěn)定性增加（見圖2（b）），云層抬升。36°N以南均為北風(fēng)（見圖2（c）），且經(jīng)向風(fēng)速維持在8m/s左右，北風(fēng)將冷空氣帶到暖海面，使邊界層更不穩(wěn)定，故EIS向南逐漸減??；海洋鋒區(qū)內(nèi)SST變化劇烈，而氣溫變化相對小得多，故海洋鋒兩側(cè)穩(wěn)定性有顯著差別，冷水側(cè)更加穩(wěn)定（見圖2（d））；根據(jù)垂直混合機(jī)制［21］，由于南側(cè)邊界層更不穩(wěn)定，故南側(cè)表面風(fēng)速逐漸增大（見圖2（a）、（c））。

圖3 MTSAT 1月15日00UTC可見光云圖（a）；白翎島（b）和濟(jì)州島站（c）00UTC的探空曲線Fig.3 Visible cloud image from MTSAT at 00UTC 15Jan and the stations（a），plot of sounding data at 00UTC 15Jan in Baengnyeongdo（b）and Cheju（c）

濾波計(jì)算方法如下：將區(qū)域內(nèi)每點(diǎn)的變量值減去以該點(diǎn)為中心，7.5（°）×7.5（°）方格內(nèi)所有點(diǎn)的平均值，得到濾波后的變量分布。該方法可將天氣尺度的影響濾掉。

圖2（b）中SST、SAT變化趨勢一致，根據(jù)靜力關(guān)系，海洋鋒暖水側(cè)氣壓降低，對應(yīng)海表面輻合區(qū)（見圖4），產(chǎn)生上升運(yùn)動，使云抬升，與氣壓調(diào)整機(jī)制［8］符合。故海洋鋒暖水側(cè)云層較高，冷水側(cè)較低。

圖5中相對濕度高值區(qū)可以認(rèn)為是云層所在位置，高度達(dá)到1.3～2km，自北向南逐漸升高，在海洋鋒處有突變，與云層位置基本對應(yīng)，南側(cè)比云頂偏高，只有28°N附近偏低，與衛(wèi)星觀測基本一致。1km以下位溫梯度幾乎為零，說明邊界層底部混合均勻，自北向南邊界層高度逐漸升高，這是由于海洋鋒暖側(cè)（24°N～26°N）海表面氣壓低，使表面風(fēng)輻合，產(chǎn)生上升運(yùn)動，加強(qiáng)邊界層的垂直混合，也使云加深；相應(yīng)地，海洋鋒冷側(cè)（29°N～32°N）產(chǎn)生下沉運(yùn)動，云層較低，并在 MABL內(nèi)形成次級環(huán)流，冬季邊界層較不穩(wěn)定，故次級環(huán)流比春季明顯。水汽主要集中在混合層內(nèi)，由于云層上部1.5～2km位溫垂直梯度大，層結(jié)穩(wěn)定，上升運(yùn)動減弱，故水汽不易向上輸運(yùn)。

圖4 濾波后06UTC的海平面氣壓（黑色虛線），10m風(fēng)散度（填色）及SST（藍(lán)色實(shí)線）Fig.4 Smoothed sea level pressure（black dash line），divergence of 10mwind（shaded）at 06UTC and SST（blue solid line）

圖5 沿CALIPSO軌跡剖面06UTC的相對濕度（填色）、位溫（等值線）及經(jīng)向風(fēng)（m/s）和垂直速度（－10－2hPa/s）Fig.5 Profile along the CALIPSO track at 06UTC relative humidity（shaded），potential temperature（contour），meridional wind（m/s）and vertical velocity（－10－2hPa/s）

3 春季層云個(gè)例分析

3.1 觀測分析

由圖6（a）中黑色圓圈區(qū)域的云狀信息可以看到，長江口附近東海上空為層云，結(jié)合MODIS觀測可以判斷層云位于東海上空，長江口至山東半島以南，其北側(cè)被中高云覆蓋（見圖6（b））。東海區(qū)域位于低壓前部，海面為南風(fēng)；黃渤海區(qū)域則受高壓控制，海面呈北風(fēng)，在34°N附近形成一條東北－西南向的靜止鋒，云區(qū)位于靜止鋒附近及其南部。高空東亞大槽位于黑龍江北部，層云區(qū)位于槽前；850hPa等壓面圖中，該區(qū)域主要受北側(cè)低壓槽控制，其西北側(cè)有一弱高壓，有強(qiáng)烈冷平流（圖略）。黑潮鋒位于28°N～30°N，但其上空無云層，層云位于30°N以北，選取緯度30°N～40°N進(jìn)行分析，其中沿CALIPSO軌跡32.5°N～34°N等SST線密集（見圖6（c））。

圖6 同圖1，但為2011年5月20日層云個(gè)例Fig.6 Same as Fig.1，but for the stratus case on 20May，2011

由圖7（a）可以看到，層云發(fā)生在32°N～34.5°N，云頂高度在300～700m，云頂比較平滑，自南向北略有下降趨勢，在33°N附近有輕微突變，其南側(cè)云層的下降比北側(cè)更快。該位置SST梯度最大，北側(cè)達(dá)到海氣溫差極小值，邊界層更穩(wěn)定。5月氣溫已經(jīng)升高，海表面溫度低于氣溫，海氣界面穩(wěn)定（見圖7（b））。地面緯向風(fēng)速小，經(jīng)向風(fēng)速由6m/s的南風(fēng)向北轉(zhuǎn)為6m/s的北風(fēng)，在34.7°N處經(jīng)向風(fēng)幾乎為0，也即靜止鋒所在位置。SST在該處有一冷中心，海溫達(dá)到最低。靜止鋒兩側(cè)云高變化顯著，云類型也有所轉(zhuǎn)變。EIS向北逐漸增大，在36.2°N達(dá)到極大。

層云云頂高度比層積云低，故在圖6b中黃東海區(qū)域的云顏色較淺，且其邊緣比較平滑。春季海氣界面穩(wěn)定，該個(gè)例中層云位于靜止鋒南側(cè)，地面為偏南風(fēng)。

圖7 同圖2，但為2011年5月20日層云個(gè)例Fig.7 Same as Fig.2，but for the stratus case on 20May 2011

3.2 MABL垂直結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)地面觀測資料可知，青島站19日23UTC（即當(dāng)?shù)貢r(shí)間7時(shí)）有層云發(fā)生（圖略）。觀察其探空曲線可以發(fā)現(xiàn)，底層相對濕度很大，100～300m超過90%，100m以下位溫梯度較小，為混合層，地表風(fēng)速很小，呈北風(fēng)。在300～600m出現(xiàn)逆溫，并伴隨著相對濕度驟減，位溫梯度突然增大，邊界層穩(wěn)定，云頂位于600m左右。邊界層以上，逐漸變?yōu)槲鞅憋L(fēng)，850hPa有冷平流，受偏北氣流影響，相對濕度持續(xù)降低，到達(dá)2km后，轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂巷L(fēng)，相對濕度快速增大，達(dá)到90%，可能出現(xiàn)云層。由于CALIPSO衛(wèi)星沒有恰好經(jīng)過該站上空，且時(shí)間也不吻合，故無法進(jìn)行精確對比，但仍可觀察到層云邊界層內(nèi)的特征。

圖8 青島站5月19日23UTC（a）和白翎島20日00UTC（b）的L－波段雷達(dá)探空曲線Fig.8 Plot of sounding data at 23UTC 19May in Qingdao and at 00UTC 20May in Baengnyeongdo

白翎島探空站海拔高度為158m，地面觀測到霧，可能是層云接地。從白翎島00UTC的探空曲線可以看到，邊界層內(nèi)出現(xiàn)了退耦現(xiàn)象，300和1 500m高度處均有逆溫層出現(xiàn)。400m以下相對濕度接近100%。地面西南風(fēng)，故水汽充足。底層風(fēng)向隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，表示有較強(qiáng)暖平流，有利于近海面逆溫形成。

3.3 機(jī)理分析

由觀測分析可以看出，層云區(qū)域（32°N～34.5°N）SST下降很快，地面為南風(fēng)，風(fēng)速約5m/s，SAT也略有下降，但幅度較小，海氣溫差緩慢減小，EIS增大，邊界層更加穩(wěn)定，故云頂高度向北逐漸降低。在34.7°N附近南風(fēng)變北風(fēng)，地面風(fēng)場輻合，形成靜止鋒，產(chǎn)生上升運(yùn)動，同時(shí)SST開始上升，SAT繼續(xù)下降，海氣溫差急劇升高，垂直混合加強(qiáng)，故云頂高度產(chǎn)生突變。

圖9 同5，但為2011年5月20日層云個(gè)例Fig.9 Same as Fig.5，but for the stratus case on 20May，2011

根據(jù)等位溫線的分布，可以明顯地看到1.7km以下南邊位溫梯度大，邊界層較穩(wěn)定，而37°N以北位溫梯度小，這是由于CALIPSO在37°N經(jīng)過陸地上空，由于海陸下墊面熱力性質(zhì)不同，13時(shí)的陸地表面溫度高于海表，邊界層不穩(wěn)定，層頂向上抬升。層云區(qū)沒有下沉運(yùn)動，800m以下相對濕度達(dá)到90%，有利于層云產(chǎn)生，云頂高度與衛(wèi)星觀測吻合。34°N～35°N附近由于地面靜止鋒，產(chǎn)生強(qiáng)烈上升運(yùn)動，上升大值區(qū)隨高度向北傾斜，相對濕度與之配合，水汽向上輸送，云層抬升，與圖7a中該位置較高的云層對應(yīng)。北側(cè)37°N～40°N除受下墊面熱力影響外，還受地面高壓控制，產(chǎn)生強(qiáng)烈下沉運(yùn)動，由陸地吹來的干空氣，使該位置底層相對濕度降低。

4 夏季海霧個(gè)例分析

4.1 觀測分析

海霧是指在海洋的影響下出現(xiàn)在海上的霧［22］。由圖10（a）中的地面天氣現(xiàn)象可以看出，山東半島至長江口沿岸均有海霧，且位于高壓中心，基本呈南風(fēng)，風(fēng)速很小。高空位于低壓槽后，有下沉運(yùn)動，并且在850和925hPa均有來自陸地的暖平流，使邊界層更加穩(wěn)定，有利于海霧的形成和維持。在海霧南側(cè)，有一條靜止鋒，地面風(fēng)輻合，產(chǎn)生上升運(yùn)動，且水汽充足，形成夏季梅雨帶。圖10（b）的MODIS衛(wèi)星云圖中，海霧呈乳白色，表面均勻且邊緣平滑清晰，與陸地吻合很好［23］。黑潮鋒位于27°N左右（見圖10（c）），但夏季最弱，該個(gè)例中海洋鋒與梅雨帶位置接近。

圖10 同圖1，但為2011年6月5日海霧個(gè)例Fig.10 Same as Fig.1，but for the fog case on 5Jun，2011

圖11 同圖2，但為2011年6月5日海霧個(gè)例Fig.11 Same as Fig.2，but for the fog case on 5Jun 2011

由圖11（a）的CALIPSO后向散射系數(shù)及云頂高度圖可以看出，29.8°N～33°N為對流性低云，海霧發(fā)生在34°N～37°N。霧頂平滑，高度小于700m，自南向北逐漸降低。夏季氣溫較高，海溫較低，故海氣溫差均小于0，海氣界面穩(wěn)定。SAT均勻下降，在34°N海霧形成，由于霧頂長波輻射冷卻，使北側(cè)SAT下降幅度增大。SST在30.5°N～33.3°N梯度最大，其冷側(cè)為海霧，暖側(cè)由于上升運(yùn)動相對較強(qiáng)，云層較高且不平滑（見圖11（b））。北側(cè)在高壓中心內(nèi)，故風(fēng)速很小，表現(xiàn)為東北風(fēng)，29°N附近南風(fēng)變?yōu)楸憋L(fēng)，與靜止鋒位置吻合（見圖11（c））。霧區(qū)內(nèi)EIS穩(wěn)定度較高（見圖11（d））。

4.2 MABL垂直結(jié)構(gòu)分析

青島站4日23UTC 300m以下相對濕度大于90%，地面風(fēng)速為0，有霧。250m以下為混合層，其上為逆溫層，水汽無法上傳，故相對濕度驟減，逆溫層頂位于700m，且經(jīng)向風(fēng)變得更弱，低空有暖平流，使海氣界面更加穩(wěn)定，有利于海霧的維持。

圖12 青島站4日23UTC（a）和白翎島5日00UTC（b）的L－波段雷達(dá)探空曲線Fig.12 Plot of sounding data at 23UTC 4Jun in Qingdao and at 00UTC 5Jun in Baengnyeongdo

白翎島站00UTC霧頂高度約400m，由于該探空資料分辨率較低，缺乏底層探空數(shù)據(jù)，無法精確描述邊界層底部特性。300～400m有逆溫穩(wěn)定層存在，且相對濕度從94%迅速減小。600m以下風(fēng)速很小，底層表現(xiàn)為東南風(fēng)，850hPa有暖平流（見圖12）。

4.3 機(jī)理分析

圖13顯示邊界層呈北低南高的分布，霧區(qū)內(nèi)位溫梯度比南側(cè)大，邊界層穩(wěn)定，高度在500m左右。霧區(qū)內(nèi)盛行北風(fēng)，將陸地暖空氣帶到冷海面上，并伴有強(qiáng)烈下沉運(yùn)動，高濕區(qū)域位于邊界層內(nèi)，形成平流冷卻霧，霧頂位于500m左右。相對濕度大值區(qū)向南逐漸抬升，與衛(wèi)星觀測一致。29°N海表面風(fēng)輻合，上升運(yùn)動強(qiáng)烈，將水汽帶到高空，與圖11（a）中的對流性低云對應(yīng)。

圖13 同圖5，但為2011年6月5日海霧個(gè)例Fig.13 Same as Fig.5，but for the fog case on 5Jun，2011

通過觀察近幾年的可見光云圖以及地面站觀測資料，發(fā)現(xiàn)黃東海地區(qū)低云以層積云為主，尤其發(fā)生在冬季；夏季海霧居多，其特性與層云接近。

5 結(jié)論和討論

本文分別選取了冬、春、夏季較為典型的低云個(gè)例，3個(gè)個(gè)例均屬于邊界層云，且海霧在某種意義上屬于層云的一種，但它們的形態(tài)性質(zhì)卻不盡相同，通過對比分析這3種邊界層云，也在一定程度上反應(yīng)了不同季節(jié)邊界層結(jié)構(gòu)的不同。主要結(jié)論如下：

（1）層積云發(fā)生在高空槽后，伴有冷平流，地面位于高壓中心附近；層云發(fā)生在槽前，伴有強(qiáng)烈冷平流，地面位于低壓前部，靜止鋒南側(cè)；海霧發(fā)生在高空槽后，地面高壓中心處，位于靜止鋒及梅雨帶北側(cè)，低層有暖平流。

（2）層積云經(jīng)常大片出現(xiàn)，在可見光云圖中呈絮狀，高度較高，云頂1.2～2.5km，云低0.7～2km；層云在可見光云圖中顏色略淺，邊緣較平滑，云頂高度300～700m，云底不接地；海霧呈乳白色，表面均一且紋理光滑，與陸地邊界吻合很好，霧頂?shù)陀?00m，底部一般是接地的，由于濕度較大使地面能見度降低，在一定的環(huán)境條件下與層云可以相互轉(zhuǎn)化。3種低云云頂高度自南向北均逐漸下降，在海洋鋒及SST大梯度區(qū)有突變。

圖14中所畫方差是由云（霧）區(qū)內(nèi)每0.05°小格內(nèi)的最高層低云頂高度所得，可反映三種邊界層云云頂?shù)钠交潭?。其中層積云云頂抖動最劇烈，方差大體上在60m2以內(nèi)，而小于30m2的僅有52%，觀察其方差隨緯度的變化可看到在海洋鋒處云頂方差突然增大達(dá)到極大值，說明該處最不平滑，也即海洋鋒處層積云云頂高度有突變（圖略）。層云和海霧的平滑度很好，方差均在28m2以內(nèi)，相比之下海霧更平滑。這是由于海霧和層云在穩(wěn)定邊界層內(nèi)形成，垂直環(huán)流較弱，故云頂也更平滑；而層積云在冬季居多，冬季海洋暖大氣冷，邊界層不穩(wěn)定，垂直環(huán)流強(qiáng)，上升運(yùn)動使云頂高度變化較大。從MTSAT和MODIS的可見光云圖中也可以粗略地看到，海霧和層云顏色較為均一，而層積云則完全不同，故其云頂平滑度也較差。

圖14 層云、海霧（左）和層積云（右）云頂高度的方差分布Fig.14 Variance of stratus，fog（left）and stratocumulus（right）

（3）層積云多出現(xiàn)于冬季，海氣溫差為2～12℃，海洋向大氣輸送熱通量，海氣界面不穩(wěn)定，表面呈偏北風(fēng)；層云和海霧個(gè)例中海氣溫差小于0，海氣界面穩(wěn)定，表面呈南風(fēng)。

（4）冬季盛行北風(fēng)，氣溫低，可以明顯看到海洋鋒引起的次級環(huán)流，即海洋鋒暖側(cè)有上升運(yùn)動，冷側(cè)下沉。層積云個(gè)例中邊界層不穩(wěn)定，底層垂直混合較好，上方存在逆溫穩(wěn)定層，邊界層高度呈南高北低的分布形勢。

（5）層云個(gè)例發(fā)生在靜止鋒南側(cè)，南風(fēng)使該處SAT升高，等位溫線也比較密集，邊界層穩(wěn)定性強(qiáng)，有不接地逆溫，云區(qū)無下沉運(yùn)動。海陸熱力性質(zhì)差異使邊界層特性明顯不同。

（6）海霧一般發(fā)生在夏季，尤其在南風(fēng)暖平流的條件下，發(fā)生頻率更高。個(gè)例中低空有暖平流，邊界層穩(wěn)定，逆溫層很低，且伴有下沉運(yùn)動，底層水汽充足，地表相對濕度超過90%。

本文通過對東海黑潮區(qū)域冬、春、夏季3次典型個(gè)例的分析，對比了層積云、層云、海霧在天氣系統(tǒng)、云特征、海面氣象條件、邊界層結(jié)構(gòu)四方面的特性，在一定程度上反映了低云在不同季節(jié)對東海黑潮海洋鋒的響應(yīng)，但仍存在局限性，需要更多的個(gè)例分析來支持。在今后的工作中將對CALIPSO衛(wèi)星多年數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，從氣候尺度上進(jìn)一步探究探究不同季節(jié)、不同種類的低云對東海黑潮海洋鋒響應(yīng)的特征，加深對其物理機(jī)制的理解。

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