CALIPSO 衛(wèi)星資料的春夏季黃海海霧高度特征分析

孫藝，楊悅，甄晴

（1.煙臺(tái)市人民政府人工影響天氣辦公室，山東煙臺(tái)264003；2.中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海洋與大氣學(xué)院，山東青島266100；3.龍口市氣象局，山東煙臺(tái)265700）

1 引言

黃海是我國(guó)海霧發(fā)生頻率最高的海區(qū)之一，青島年霧日數(shù)為50 d以上，山東半島東部的成山頭年霧日數(shù)可達(dá)80 d以上[1-2]。黃海海霧以暖濕空氣經(jīng)過(guò)冷海面形成的平流霧為主，其主要特點(diǎn)是分布范圍廣、大氣水平能見(jiàn)度低、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。張?zhí)K平等[1]在統(tǒng)計(jì)黃海海霧的氣候特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，海霧一般在每年4—7月的春夏季達(dá)到最盛期，8月霧季結(jié)束，標(biāo)志是海上盛行風(fēng)由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)。關(guān)于海霧的形成，王彬華[2]總結(jié)了我國(guó)沿海海霧發(fā)生的海洋和氣象條件，海洋條件主要包含海表面溫度和冷暖洋流的作用，而氣象條件中，近海面大氣溫度、濕度和穩(wěn)定度是發(fā)揮作用的主要因素；同時(shí)還歸納了幾種我國(guó)沿海海域極有可能生成海霧的天氣類型，即北太平洋脊、我國(guó)大陸東移的低槽或低壓系統(tǒng)、入海變性的高壓。楊悅等[3]在此基礎(chǔ)上又將黃海海霧天氣型中的入海變性高壓型細(xì)分為南高北低、東高西低、獨(dú)立高壓3種配置，并補(bǔ)充了入西太平洋高壓型。在上述天氣系統(tǒng)的控制下，當(dāng)?shù)途暤呐瘽窨諝馄揭浦咙S海的冷海面，穩(wěn)定層結(jié)使低層的暖濕空氣不易向上發(fā)展，聚集在近海面而形成海霧[4-5]。除了天氣系統(tǒng)的支配，成霧之后，霧體內(nèi)部的湍流與霧頂?shù)拈L(zhǎng)波輻射冷卻對(duì)海霧的維持和演變必不可少。夏季海上大氣邊界層中溫度層結(jié)近于等溫或較弱逆溫，靜力穩(wěn)定度下降，有利于湍流的發(fā)展，加之水汽量較大，霧頂高度較高[6]。胡瑞金等[7]認(rèn)為平流作用在黃海海霧形成的初期有明顯影響，輻射在海霧發(fā)展的中后階段影響更加顯著。楊悅等[8]通過(guò)加密垂直分辨率進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)模式（Weather Research and Forecasting，WRF）試驗(yàn)時(shí)指出，霧頂液態(tài)水含量的增多會(huì)使霧頂長(zhǎng)波輻射冷卻率增強(qiáng)，霧頂降溫幅度增大，進(jìn)一步促進(jìn)霧頂液態(tài)水含量的積累，這種正反饋機(jī)制有助于霧頂高度的抬升。

由于海霧多發(fā)于冷暖海流交匯的特定海域，這決定了對(duì)它的研究也因海域而不同。在雷州半島附近海域，趙麗娟[9]分析了海霧的宏微觀特征，發(fā)現(xiàn)在海霧的發(fā)展和成熟階段湍流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)可以促進(jìn)水汽和霧滴的湍流輸送，使海霧增厚。除了國(guó)內(nèi)對(duì)于海霧的研究，國(guó)際上針對(duì)其他類型霧的高度特征研究也取得了一定的成果。Leipper等[10]研究加州沿海的海霧時(shí)表明，近海面湍流促使海霧生成，成霧后霧頂長(zhǎng)波輻射冷卻也會(huì)導(dǎo)致湍流而促進(jìn)海霧發(fā)展，霧頂高度增高。沿岸海霧發(fā)展至厚度超過(guò)100 m后，霧頂長(zhǎng)波輻射冷卻比近海面湍流混合冷卻占優(yōu)勢(shì)，成為海霧向上發(fā)展和維持的推動(dòng)力[11]。在英格蘭地區(qū)陸地輻射霧的觀測(cè)研究中，Roach[12]發(fā)現(xiàn)成霧后霧滴的輻射冷卻會(huì)導(dǎo)致霧頂高度的升高，這對(duì)海霧的研究有借鑒意義。

海霧高度特征的變化會(huì)影響不同高度的大氣水平能見(jiàn)度。隨著山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)的發(fā)展和“21世紀(jì)海上絲綢之路”的建設(shè)，海上經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和軍事活動(dòng)的日益增多使得黃海海霧霧頂高度的信息對(duì)沿岸航空、海上航運(yùn)和漁業(yè)作業(yè)等至關(guān)重要。但已有對(duì)黃海海霧的研究中，有關(guān)海霧垂直特征的分析較少，所以有必要深入探究黃海海霧的高度特征?？紤]到CALIPSO（The Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation）衛(wèi)星在邊界層內(nèi)的垂直分辨率高達(dá)30 m，因此利用CALIPSO衛(wèi)星資料不僅可以一定程度彌補(bǔ)海上觀測(cè)數(shù)據(jù)的匱乏，還能細(xì)致刻畫霧頂高度的特征。

由于海上觀測(cè)匱乏，預(yù)報(bào)員無(wú)法獲取海霧發(fā)生時(shí)其內(nèi)部的湍流和輻射狀況，因而無(wú)法對(duì)霧頂高度進(jìn)行估計(jì)。而可見(jiàn)光衛(wèi)星云圖和地面天氣圖是預(yù)報(bào)員能及時(shí)獲取的可靠資料。為了給春夏季黃海海霧的預(yù)報(bào)提供參考，有必要據(jù)此建立不同天氣型與黃海海霧霧頂高度變化之間的聯(lián)系。影響黃海海霧生成的天氣型的一個(gè)共同特點(diǎn)是支配黃海上空吹偏南方向的風(fēng)[13]。海表面風(fēng)（主要是風(fēng)向）和散度是影響黃海海霧形成的主要因素。南風(fēng)分量越大越有利于水汽的輸送，容易成霧[14]。海霧形成時(shí)風(fēng)速在2～4級(jí)最為合適[15]。具體到特定海域，青島沿海的海霧多發(fā)于江淮氣旋前部、入海高壓后部[16-18]。楊悅等[5]統(tǒng)計(jì)了黃海海霧天氣型，天氣系統(tǒng)主要為入海變性高壓型，3月和5月較多；其次為大陸低壓低槽東移型，發(fā)生在2—5月。王靜菊等[19]通過(guò)黃海海霧數(shù)據(jù)同化試驗(yàn)，提出高壓下沉增溫形成頂部較高的穩(wěn)定層，從而生成較厚的霧區(qū)。

本文基于CALIPSO衛(wèi)星資料，細(xì)致研究2007—2018年春夏季黃海海霧的高度特征，按照不同天氣型分析影響霧頂高度變化的因素，重點(diǎn)關(guān)注入海變性高壓型和大陸低壓低槽東移型，從而進(jìn)一步加深對(duì)黃海海霧發(fā)展機(jī)制的認(rèn)識(shí)。

2 數(shù)據(jù)與個(gè)例

2.1 觀測(cè)資料

本文使用的數(shù)據(jù)資料來(lái)源有：

（1）美國(guó)國(guó)家航天航空局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）提供的 CALIPSO衛(wèi)星一級(jí)Level 1B數(shù)據(jù)和Level 2 VFM（Vertical feature mask）產(chǎn)品。Level 1B數(shù)據(jù)包括CALIPSO衛(wèi)星的掃過(guò)路徑和垂直分層結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)，Level 2 VFM產(chǎn)品將云和氣溶膠分別分為不同的種類。Level 1B 532 nm數(shù)據(jù)和Level 2 VFM產(chǎn)品在-0.5～8.2 km的高度范圍內(nèi)垂直分辨率為30 m，水平分辨率為333 m。本文利用VFM數(shù)據(jù)描繪云和氣溶膠水平、垂直分布的特性來(lái)判別海霧，用532 nm總衰減后向散射系數(shù)和高度數(shù)據(jù)來(lái)獲得黃海海霧的高度信息和衛(wèi)星的軌跡。

（2）MTSAT（Multi-functional Transport Satellite）可見(jiàn)光衛(wèi)星云圖、”葵花8號(hào)“（HIMAWARI-8）可見(jiàn)光衛(wèi)星云圖和韓國(guó)氣象局（Korea Meteorological Admini-stration，KMA）地面天氣圖?？梢?jiàn)光云圖主要用于獲取黃海海霧的發(fā)生時(shí)間和水平分布特征，從而挑選海霧個(gè)例。韓國(guó)地面天氣圖用于分析黃海海霧發(fā)生時(shí)的天氣系統(tǒng)，進(jìn)行天氣形勢(shì)的分析。

2.2 個(gè)例選取

在可見(jiàn)光云圖上，海霧的特征表現(xiàn)為顏色暗淡、質(zhì)地均勻，邊緣與海岸線貼合度高、邊界痕跡明顯，且位置隨時(shí)間變化不大。根據(jù)以上特征，我們從2007—2018年的歷史可見(jiàn)光衛(wèi)星云圖中挑選出了有黃海海霧發(fā)生的白天樣本，逐月的黃海海霧天數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

獲取黃海區(qū)域內(nèi)CALIPSO的Level 1B和VFM產(chǎn)品，通過(guò)可見(jiàn)光云圖找到海霧區(qū)域，接著把衛(wèi)星軌跡圖和可見(jiàn)光云圖相結(jié)合，對(duì)于衛(wèi)星沒(méi)有掃描到黃海海霧霧區(qū)的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行剔除，只保留衛(wèi)星軌跡恰好經(jīng)過(guò)黃海海霧霧區(qū)的數(shù)據(jù)文件，結(jié)合VFM產(chǎn)品中識(shí)別為靠近地面時(shí)的云即為海霧，從而得到所要研究的白天海霧個(gè)例集，共79例（見(jiàn)表2）。

表1 2007—2018年逐月黃海海霧天數(shù)統(tǒng)計(jì)表（單位：d）

表2 黃海海霧對(duì)應(yīng)的天氣形勢(shì)匯總

3 黃海海霧的高度特征

由表1給出的2007—2018年逐月黃海海霧發(fā)生天數(shù)（霧日數(shù)）可以發(fā)現(xiàn)，黃海海霧發(fā)生頻率較高的時(shí)間主要集中在3—7月份，屬于春季和夏季，其中5月份海霧出現(xiàn)頻率最高，共83次，4月份次之，共81次，這兩個(gè)月份海霧發(fā)生的頻率占了全年的50.6%；而秋季和冬季的黃海海霧發(fā)生頻率明顯降低，這與前人的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致[17]。另外，不同的年份黃海的霧日數(shù)也存在明顯的差異，2018年黃海霧日數(shù)最多，為53 d，2011年的霧日數(shù)最少，僅有10 d。

為了獲得黃海海霧的垂直結(jié)構(gòu)，繪制已篩選的黃海海霧個(gè)例的532 nm總衰減后向散射系數(shù)垂直剖面圖（圖1給出部分個(gè)例），同時(shí)提取海霧高度數(shù)據(jù)，獲得黃海海霧個(gè)例的霧頂高度。由于海霧發(fā)生在海上大氣邊界層內(nèi)，可被認(rèn)為是接到海面的云，因此在處理數(shù)據(jù)時(shí)去掉了高空數(shù)據(jù)，選取的是1 km以下的數(shù)據(jù)。CALIPSO衛(wèi)星此高度范圍內(nèi)垂直分辨率高達(dá)30 m，故將云底高度小于70 m的層云作為海霧統(tǒng)計(jì)。參考已有海霧研究中認(rèn)定的總衰減后向散射系數(shù)值大于0.03/（km·sr）為海霧區(qū)[20]。由于1 km以上的海霧較少，因此在1 km以下直到海面的黃色至橙紅色的總衰減后向散射系數(shù)高值區(qū)，衰減系數(shù)范圍為0.03～0.1/（km·sr），說(shuō)明此時(shí)有海霧，海霧霧區(qū)內(nèi)氣溶膠粒子密度很高。對(duì)圖1進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)2008年4月7日（見(jiàn)圖1a）海霧霧頂高度為250 m，2012年3月28日（見(jiàn)圖1b）和2013年6月3日（見(jiàn)圖1c）兩次海霧霧頂高度約為220 m，2014年3月26日（見(jiàn)圖1d）和2018年4月20日（見(jiàn)圖1h）兩次海霧霧頂高度約為280 m，2015年4月30日（見(jiàn)圖1e）海霧霧頂高度為340 m，2016年4月9日（見(jiàn)圖1f）和2017年4月17日（見(jiàn)圖1g）兩次海霧霧頂高度均為160 m，通過(guò)這些初步可以確定大多數(shù)海霧霧頂高度介于100～400 m。

提取黃海海霧的霧頂高度數(shù)據(jù)并制成霧頂高度散點(diǎn)圖（見(jiàn)圖2a），圖中顯示：黃海海霧霧頂高度月變化特征顯著，7月散點(diǎn)的高度整體高于其他月份，在150～400 m之間，說(shuō)明7月份海霧霧頂?shù)母叨容^高，3月散點(diǎn)的高度整體略低于其他月份，在100～300 m之間，說(shuō)明該月份的海霧霧頂高度較低。通過(guò)圖2和表2可以看出，所有個(gè)例中霧頂高度最高為370 m，計(jì)算得到這些海霧個(gè)例的平均霧頂高度是211 m。春季（3—5月）61個(gè)海霧個(gè)例的平均霧頂高度為210 m，最高高度為340 m，出現(xiàn)在2013年5月11日、2014年5月21日、2015年4月29日、2015年4月30日和2016年4月8日；夏季（6—8月）15個(gè)海霧個(gè)例的平均霧頂高度為214 m，最高高度為370 m，出現(xiàn)在2018年6月8日。對(duì)黃海海霧霧頂高度按月份進(jìn)行平均，得到分布圖（見(jiàn)圖2b），圖中顯示：和散點(diǎn)圖分布特征相似，海霧高度月變化明顯，7月份的高度最高，3月份的高度最低。

4 黃海海霧天氣型的個(gè)例分析

參考前人對(duì)海霧的分型研究[5,13,16-19]，接下來(lái)主要針對(duì)黃海海霧較常見(jiàn)的入海變性高壓型和低壓低槽東移型展開(kāi)詳細(xì)研究，其中入海變性高壓型比例為62.03%，低壓低槽東移型比例為37.97%。借助海霧發(fā)生時(shí)的地面天氣圖，將79次海霧個(gè)例按照天氣型進(jìn)行歸類（見(jiàn)表2），逐個(gè)探討影響黃海海霧霧頂高度的氣象條件，從而進(jìn)一步研究不同天氣型下黃海海霧的高度特征。

4.1 入海變性高壓型

由表2可知，有49次海霧個(gè)例受入海變性高壓型控制，個(gè)例時(shí)間都集中在春季和夏季。在春季多為閉合的小型高壓，夏季的高壓系統(tǒng)經(jīng)常由副熱帶高壓西伸北抬造成。在對(duì)入海變性高壓型個(gè)例分析中發(fā)現(xiàn)，東高西低氣壓場(chǎng)配置的黃海海霧平均高度（219 m）與南高北低配置的海霧平均高度（196 m）接近，兩種氣壓場(chǎng)配置下海霧的高度分布特征也存在相似之處。以2008年5月2日（見(jiàn)圖3）的黃海海霧個(gè)例為例，它是典型的東高西低氣壓場(chǎng)配置，在地面天氣圖上（見(jiàn)圖3a）黃海在高壓系統(tǒng)控制下盛行偏西南風(fēng)?？偹p后向散射系數(shù)垂直剖面圖（見(jiàn)圖3b）上可以發(fā)現(xiàn)，海霧高度由南向北逐漸降低，在海上高壓系統(tǒng)的西南部霧頂高度較高,霧頂高度介于200～340 m。根據(jù)CALIPSO衛(wèi)星軌跡（直線AB）在地面天氣圖（見(jiàn)圖3a）上的位置，軌跡處于高壓后部，海上的高壓系統(tǒng)產(chǎn)生下沉氣流，下沉增溫有助于在海上邊界層內(nèi)形成逆溫層，從而利于海霧的生成和維持，地面風(fēng)向以西南風(fēng)為主，其中35°N以南風(fēng)速較小，所以，霧頂高度較高處受風(fēng)速較低的偏南氣流控制。2014年4月10日的海霧個(gè)例配置與之類似，在弱西南風(fēng)的高壓后部霧頂高度較高，霧頂高度介于220～280 m。霧頂高度偏低處多位于高壓前部，以及高壓與低壓之間等壓線較密集的區(qū)域。

圖1 黃海海霧532 nm總后向散射衰減系數(shù)垂直剖面圖

圖2 2007—2018黃海海霧霧頂高度隨月份變化

圖3 2008年5月2日天氣圖、散射系數(shù)垂直剖面圖和MTSAT可見(jiàn)光云圖

圖4 2012年5月15日天氣圖、散射系數(shù)垂直剖面圖和MTSAT可見(jiàn)光云圖

2012年5月15日（見(jiàn)圖4a）海霧個(gè)例屬于南高北低的氣壓場(chǎng)配置，結(jié)合總衰減后向散射系數(shù)垂直剖面圖（見(jiàn)圖4b），發(fā)現(xiàn)33°N和37°～38°N附近，即高壓系統(tǒng)的西南部和西北部海霧霧頂高度大于220 m,高于其他區(qū)域。根據(jù)衛(wèi)星軌跡（直線CD）可以判斷，沿CD為西北風(fēng)，高壓系統(tǒng)的反氣旋環(huán)流能夠把南部的暖濕氣流輸送到黃海，霧頂高度較高的區(qū)域等壓線梯度較小，西北風(fēng)較弱；靠近C點(diǎn)的區(qū)域位于低壓外圍，霧頂高度較低。

4.2 低壓低槽東移型

2012年5月8日（見(jiàn)圖5a）和2016年3月31日（見(jiàn)圖6a）的海霧個(gè)例是屬于低壓低槽東移型。2012年5月8日個(gè)例（見(jiàn)圖5b）中36°～37°N海霧霧頂高度稍高，介于100～160 m，其他區(qū)域海霧不明顯；對(duì)照地面天氣圖（見(jiàn)圖5a）發(fā)現(xiàn)霧頂較高區(qū)域位于低壓前部，等壓線較密集，以偏南風(fēng)為主。從地面天氣圖（見(jiàn)圖6a）上分析發(fā)現(xiàn)，2016年3月31日在我國(guó)內(nèi)蒙古東部地區(qū)有一個(gè)氣旋，此時(shí)黃海海域是偏西南向的風(fēng)，形成平流霧。根據(jù)總衰減后向散射系數(shù)垂直剖面圖（見(jiàn)圖6b），靠近31°N的區(qū)域霧頂高度高于36°～37°N區(qū)域，霧頂高度介于200～250 m，該區(qū)域位于低壓槽前，南部有一個(gè)高壓中心，氣壓梯度大于靠近H點(diǎn)的區(qū)域，西南風(fēng)風(fēng)速稍大，約為4 m/s。霧頂高度較低的區(qū)域西南風(fēng)較弱，附近站點(diǎn)風(fēng)速一般小于4 m/s。

圖5 2012年5月8日天氣圖、散射系數(shù)垂直剖面圖和MTSAT可見(jiàn)光云圖

圖6 2016年3月31日天氣圖、散射系數(shù)垂直剖面圖和MTSAT可見(jiàn)光云圖

5 結(jié)論與討論

本文利用多種觀測(cè)資料，包括CALIPSO衛(wèi)星資料、MTSAT可見(jiàn)光云圖和KMA地面天氣分析圖等，選取2007—2018年白天發(fā)生的海霧個(gè)例，對(duì)春夏季海霧的高度特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并研究了不同天氣型下霧頂高度的變化趨勢(shì)，得到結(jié)論如下：

（1）黃海海霧主要集中出現(xiàn)在春夏季，秋冬季發(fā)生頻率明顯降低。不同年份霧日數(shù)差異顯著，2018年最多為53 d，2011年天數(shù)最短僅為10 d。

（2）黃海海霧霧頂高度在不同月份有明顯差異，7月黃海海霧的霧頂高度最高。2007—2018年黃海春夏季海霧的平均霧頂高度是211 m，海霧霧頂高度最高為370 m，大多數(shù)黃海海霧霧頂高度介于100～400 m。

（3）控制黃海海霧生成發(fā)展的主要天氣型是入海變性高壓型和大陸低壓低槽東移型。入海變性高壓控制下的弱偏南風(fēng)區(qū)域的海霧霧頂高度相對(duì)較高；大陸低壓低槽東移型的槽前風(fēng)速稍大區(qū)域的海霧霧頂高度偏高。