基于ERA5再分析資料的冬季南海北部低云日變化研究

姚海蘭 龍景超 謝丹惠 何維帥 李鐘銳 薛宇峰

摘要 低云對區(qū)域輻射能量平衡和天氣、氣候具有重要意義。利用ERA5再分析數(shù)據(jù)和香港探空站資料研究了冬季南海北部低云日變化機理。主要結(jié)論如下：（1）南海低云量呈現(xiàn)西北多東南少、夜多晝少，低云高度呈夜高晝低，低云厚度呈夜厚晝薄的特征。（2）冬季南海北部低層大氣穩(wěn)定性強，海氣界面穩(wěn)定性弱，云層下方邊界層混合均勻，有利于低云形成。（3）夜間，陸風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)改變海洋風(fēng)場和濕度場的分配，異常南風(fēng)使近海水汽輻合抬升，為云層發(fā)展提供水汽。（4）夜間逆溫層強度雖弱但發(fā)生頻率更高，且云底以下邊界層退耦減弱，邊界層混合加強，云頂短波輻射加熱作用消失，促使低云的產(chǎn)生。這都將有利于提高人們對南海低云日變化的理解和數(shù)值模擬能力。

關(guān)鍵詞 低云；南海北部；日變化；海陸風(fēng)環(huán)流

中圖分類號：P732 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）07–0144-04

云的覆蓋面積達(dá)到地球面積的2/3左右，在調(diào)節(jié)地氣系統(tǒng)的輻射收支、能量平衡、熱量交換、水汽循環(huán)等方面起到重要作用[1-4]。其中，低云溫度較高，削弱太陽輻射的能力最強，其通過吸收短波輻射、散射長波輻射對地氣系統(tǒng)具有冷卻作用。低云量每增加4%，氣溫可降低2～3 K，幾乎可以抵消倍增的溫室效應(yīng)。難以預(yù)測和估計低云量的變化，因此研究低云的分布特點、日變化特征，以及探討低云變化的機理等具有重大意義。南海作為我國和西北太平洋最大的陸架邊緣海，并且是我國重要的戰(zhàn)略海區(qū)，因而深入研究南海低云的日變化特征及機理具有重要的意義。

針對低云日變化特征和形成機制，前人開展了大量研究。例如高翠翠等[5]分析了我國中東部云的日變化特征，得到高積云和層積云發(fā)生頻率的峰值出現(xiàn)在清晨和傍晚。劉奇等[6]在研究熱帶地區(qū)云量日變化特征時，指出低云量峰值多出現(xiàn)在局地05：00，云量極小值出現(xiàn)在18：00左右。李昀英等[7]對我國南方地區(qū)層狀云的日變化特征及原因做了初步解釋，認(rèn)為云量日變化與邊界層日變化有密切聯(lián)系。張亞洲在研究南海低云時指出低云受海表溫度影響較大。因此，不同區(qū)域低云日變化特征存在顯著的差異，形成機制則存在不同或相似之處，這些研究成果為探討云的日變化特征提供了重要的科學(xué)參考。由于海洋上的觀測奇缺，從宏觀上客觀描述南海低云日變化特征仍然具有很大挑戰(zhàn)，相關(guān)研究依舊很少[8-11]。本研究將利用再分析數(shù)據(jù)和香港探空站資料分析南海低云日變化的特征，并試圖分析其形成的機理。

1 資料來源和方法

1.1 再分析資料

ERA5是ECMWF對全球氣候的第五代大氣再分析資料，它是歐洲中期天氣預(yù)報中心最新的再分析產(chǎn)品。本研究使用2006—2010年的1、2、12月的溫度、風(fēng)場、比濕等參數(shù)的每小時數(shù)據(jù)集，研究南海低云日變化特征及其機理。同時，為了更直觀地展示低云的分布特征，還選取了低云量、云水混合比、感熱、潛熱等參數(shù)。所使用數(shù)據(jù)的時間分辨率為1 h，水平分辨率為0.25°×0.25°，多層變量垂直分辨率為16層，其中700 hPa以下有12層，足以描述低層大氣的垂直分布情況。

1.2 香港探空站資料

香港Kings Park探空站處于海陸交界處，能在一定程度上表征華南近海海洋大氣邊界層狀況。探空時間分辨率為2次/d，探空時間為UTC 00：00時和12：00，因此本研究采用該站早晚探空氣溫用于計算晝夜低層大氣層結(jié)狀態(tài)。

1.3 研究方法

（1）取每日數(shù)據(jù)中的最大值與最小值作差，繪制低云量振幅的空間分布圖，振幅越大，低云量變化越明顯，選取此區(qū)域進(jìn)行研究的意義更大。

（2）低層大氣穩(wěn)定度（Lower tropo-spheric stability， LTS），定義為700 hPa位溫與1 000 hPa位溫的差值，LTS值越大，低層大氣層結(jié)越穩(wěn)定。

（3）海氣界面穩(wěn)定度，定義為2 m氣溫與海表溫度之差（SAT-SST），差值越大，海氣界面越不穩(wěn)定，湍流混合越均勻，海洋向大氣輸送的熱量越多。

（4）邊界層混合度定義為900 hPa比濕與1 000 hPa比濕，值越大，表明邊界層混合越弱。

2 南海低云的日變化特征

根據(jù)南海低云量的日平均圖（圖1a）可見，南海西北部尤其是華南近海區(qū)域、北部灣等區(qū)域，是南海低云的極大值，而南海其他區(qū)域的低云量較少，整體低云量呈現(xiàn)西北多東南少的空間分布特征。本研究定義白天時段為北京時08：00～20：00，夜間時段為21：00至次日07：00。對比南海北部白天（圖1b）、夜間（圖1c）及其差值（圖1d）可知，該區(qū)域夜間低云量比白天多，呈晝少夜多的日變化特征。

此外，圖1e表明南海海域的振幅最大值區(qū)（0.4左右）主要集中在海陸交界的華南近海區(qū)域，南海其他區(qū)域的振幅基本≤0.3，即華南近海區(qū)域的低云量變化更加明顯。加之南海西北部海域的海氣相互作用直接影響我國華南等地區(qū)的天氣系統(tǒng)，因此可以將研究區(qū)域縮小至低云量集中的南海西北部區(qū)域（華南近海區(qū)域），并進(jìn)一步分析低云的日變化特征。

對華南近海區(qū)域（113°E120°E、19°N22°N，圖1a黑框）進(jìn)行區(qū)域平均，圖2a很直觀地表明，該區(qū)域夜間低云量平均值（0.46）略高于白天低云量平均值（0.45），其中最大值出現(xiàn)在凌晨05：00，最小值出現(xiàn)在19：00，最大值與最小值之差達(dá)10%。云水混合比的垂直分布的日變化圖2b表明，在900～800 hPa的高度上，夜間的云水含量較大，低云云量多，發(fā)展厚度較大，但白天云水含量相對較少，對應(yīng)云量也偏少。云水混合比的日變化也從垂直分布的側(cè)面表明，南海北部低云量具有晝少夜多的特征，低云高（厚）度存在晝低（?。┮垢撸ê瘢┑幕咎卣鳌？紤]是冬季日照時長減少，晝夜變化幅度較小，但足以說明華南近海區(qū)域的低云量存在晝少夜多的差異，這與上述南海西北部低云量空間分布中夜間比白天多的情況相匹配。

3 南海北部低云日變化的影響因素

3.1 低層大氣和海氣界面條件

海氣相互作用是長期天氣和氣候變化的重要因素。海洋與大氣作為一個耦合系統(tǒng)起作用，海洋除了給大氣提供充足的水汽，還吸收大部分太陽輻射并通過海氣交界面以潛熱、感熱、長波輻射交換等形式供給大氣，熱量和水汽輸送的速率主要取決于海表溫度與大氣邊界層的風(fēng)、溫度和濕度的垂直分布；而大氣對海洋的作用主要表現(xiàn)為動量、熱量的輸送以及云量對輻射的調(diào)節(jié)。

由圖3a所示，南海西北區(qū)域的LTS越靠近陸地值越高，與云量 西北多東南少的特征基本吻合。對比LTS夜間與白天的差異（圖3b）可知，華南沿岸呈很窄的負(fù)值區(qū)域，即夜間低層大氣穩(wěn)定性弱于白天，對應(yīng)該區(qū)域低云量增加，其他區(qū)域差值基本為正，也對應(yīng)低云量增加。

定義SAT與SST的差為海氣界面穩(wěn)定度。當(dāng)（SAT-SST）<0時表明海洋溫度比大氣溫度高，即海氣界面不穩(wěn)定。位溫剖面（圖4c）表明，云層下方邊界層內(nèi)混合均勻。圖3c表明華南近海區(qū)域的海氣界面差值更大，即海氣界面更不穩(wěn)定，海氣相互作用更加劇烈，底層的混合有利于更多水汽向上輸送并向云層供應(yīng)水汽。圖3d表明，夜間華南近海區(qū)域海氣界面更趨于穩(wěn)定，這可能源于近岸區(qū)域風(fēng)場輻合（圖3h），南風(fēng)帶來更多暖平流，從而提高了海氣界面穩(wěn)定度，這可以從圖3e～圖3f感熱的變化得到證實。但對整個云區(qū)而言，夜間海氣界面穩(wěn)定性則是減弱的，更有利于云層的形成和抬升。夜間海面潛熱通量減弱（圖3g～圖3h），可能由于夜間海陸差異推動的近海區(qū)域風(fēng)場輻合，南風(fēng)異常減弱逼近北風(fēng)，從而減弱海面潛熱通量輸出。

因此，在海氣相互作用中分析華南近海區(qū)域的日變化時，夜間形成低云的條件更優(yōu)越。

3.2 海陸風(fēng)環(huán)流的影響

為了立體地刻畫華南沿海區(qū)域垂直方向的晝夜差異，對圖3b中紅線處做緯度—高度剖面。由圖4 a可知，從日平均環(huán)流來看，由于白天太陽輻射加熱陸地而產(chǎn)生大氣低層較強的垂直上升運動（圖5a），而海洋上由于受陸地冷高壓影響盛行下沉運動。由于南海北部近海陸架區(qū)域海表面溫度鋒面（以下簡稱海洋鋒）的影響在22°N附近產(chǎn)生了弱的低層的次級環(huán)流（圖4a）。由于夜間陸地輻射降溫比海上強，因此在陸地和海洋上形成異常的下沉運動和上升運動，即夜間的陸風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)（圖4b）。在近岸海域的上升運動作用，低層邊界層內(nèi)穩(wěn)定度減弱，云層從900 hPa附近（圖4c）高度抬升到850 hPa附近（圖4d）。由于陸風(fēng)環(huán)流的建立，近岸海面輻合上升運動加強，徹底改變了海洋上的風(fēng)場和水汽分配格局。夜間異常南風(fēng)，將南方高濕水汽平流輸送到近海（圖4e），造成水汽輻合抬升（圖4f），為云的發(fā)展提供充足的水汽。

3.3 區(qū)域平均要素的日變化

太陽輻射是地球大氣運動的主要能量源泉和地球光熱能的主要來源。太陽輻射通過大氣，部分到達(dá)地表，部分被大氣中的云、水汽、塵埃、分子等吸收、散射和反射。云與太陽輻射密切相關(guān)。由圖5a可知，太陽輻射在06：00～08：00開始，12：00～14：00達(dá)到最大，18：00～20：00逐漸消失。結(jié)合2 m氣溫的情況（圖5b），在地表接收太陽輻射后，氣溫逐漸上升，直到太陽輻射減少甚至消失時達(dá)到最大。太陽輻射的變化引起了氣溫的變化。由圖5c可知，將LTS的晝夜情況做平均發(fā)現(xiàn)，夜間低層大氣穩(wěn)定度略高于白天，這與圖3b中LTS晝夜之差的分布基本一致，表明夜間除近岸狹窄海域外，云區(qū)大部分區(qū)域的大氣層結(jié)穩(wěn)定度較高，更容易出現(xiàn)逆溫層，從而有利于該區(qū)域低云的維持。

探討云底以下邊界層混合狀況。邊界層均勻混合時，稱為混合邊界層，海氣界面湍流把水汽均勻混合到某一高度，達(dá)到凝結(jié)高度，就會凝結(jié)成云，此時凝結(jié)成云的云底與海面的比濕基本相同。若比濕差異很大，說明海面的濕度大，云底濕度小，此時的邊界層不均勻混合，也稱邊界層的不充分耦合，即退耦。如圖5d所示，白天的比濕差比夜間大，白天不耦合度更大，湍流混合程度小，換而言之，夜間比日間混合度大，湍流混合得更均勻。分析晝夜海氣界面的穩(wěn)定度、感熱和潛熱通量、海陸風(fēng)環(huán)流的變化，不難推測夜間邊界層的混合主要源于有組織的陸風(fēng)環(huán)流海洋側(cè)的風(fēng)輻合和上升運動，這為云的形成和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。低云的發(fā)展和維持在一定程度上依靠云頂?shù)拈L波輻射冷卻，長波輻射越強，冷卻越強，則混合越強，越有利于低云的維持。但太陽短波輻射使長波輻射冷卻減弱，白天太陽輻射強，抵消了長波輻射冷卻，則混合減弱對低云發(fā)展和維持不利。

香港探空站位于華南沿海，對海洋性大氣層結(jié)具有一定的代表性。本研究利用香港探空站的高空探測資料，計算研究區(qū)域冬季的逆溫層強度及其發(fā)生頻率。如圖6所示，夜間弱逆溫層發(fā)生頻率比白天高，這與夜間陸風(fēng)環(huán)流海上存在上升支有關(guān)（圖4a）。而強度大于4 K的較強的逆溫層，白天發(fā)生頻率更高，說明在冬季風(fēng)下沉氣流控制下白天逆溫層更強。因此，低層大氣層結(jié)的晝夜轉(zhuǎn)換對低云量的日變化具有一定的調(diào)控作用。

4 結(jié)論

利用2006—2010年1、2、12月的ERA5再分析資料和香港探空站資料研究中國南海北部冬季低云的日變化特征及其機理，結(jié)果如下：

（1）南海區(qū)域整體低云量呈現(xiàn)西北多東南少的分布特征，其中南海北部低云量夜多晝少，且日變化幅度最明顯。在區(qū)域平均中，得到華南近海區(qū)域低云量平均值的最大值和最小值分別出現(xiàn)在05：00和19：00，兩者相差達(dá)10%；而在該區(qū)域的900～800 hPa高度上，含水量夜間比白天多，低云高度呈夜高晝低、低云厚度呈夜厚晝薄的特征。

（2）冬季南海北部低層大氣穩(wěn)定度高，整個云層的海氣界面穩(wěn)定性弱，云層下方邊界層內(nèi)混合均勻，海氣相互作用劇烈，有利于底層混合，使更多水汽往上輸送；夜間陸風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)改變了海洋的風(fēng)、濕分配格局，異常的南風(fēng)易造成近海水汽的輻合抬升，為云的發(fā)展提供了水汽條件。

（3）太陽輻射的減少引起氣溫的變化，使大氣層結(jié)穩(wěn)定度上升，更容易出現(xiàn)逆溫層。南海北部夜間逆溫層強度弱，但其發(fā)生頻率高，有利于低云的維持；云底以下的邊界層不耦合度，湍流混合程度大；同時云頂長波輻射冷卻增強，促使了該區(qū)域夜間低云的發(fā)展。

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Study on Diurnal Variation Characteristics of Low Clouds in the South China Sea in Winter based on ERA5 Reanalysis Data

Yao Hai-lan et al（College of ocean and meteorology / South China Sea institute of marine meteorology （SIMM）， Guangdong Ocean University， Zhanjiang， Guangdong 524088）

Abstract Low cloud was of great significance to regional radiative energy balance， weather and climate. ERA5 reanalysis data and Hong Kong sounding station data were used to study the diurnal variation characteristics of low clouds in the South China Sea （SCS） in winter. The main conclusion was as follows： （1） The low cloud cover in the SCS was characterized by “more northwest than southeast”， “more night than day”， the low cloud height was “higher night than day” and the low cloud thickness was “thick night and thin day”. （2） In the northern of SCS in winter， the lower tropospheric stability was high， the air-sea interface stability was weak， the boundary layer below the clouds was homogeneously mixing. All of above promotes low-cloud formation. （3） At night， the land breeze circulation system changes the distribution of wind and humidity fields on the ocean， abnormal southerly make the near-sea vapor converge and uplift， which provides water vapor for cloud development. （4） The thermal inversion layer was weak in strength but high in frequency of occurrence at night. Meanwhile， under the cloud bottom， the decoupling degree in the boundary layer was little， the boundary layer mixing was strengthened， and on the cloud top， the heating effect of shortwave radiation disappears， which has contributed to the creation of low clouds. This study was helpful to enhance the understanding of diurnal variation of low cloud in the SCS and improve the ability of numerical simulation.

Key words Low clouds; The northern of South China Sea; Diurnal variation; The land breeze circulation system