海霧形成與發(fā)展機(jī)制的觀測(cè)分析與數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文利用盡可能多的觀測(cè)資料和中尺度大氣模式Regional Atmospheric Modeling System(RAMS)的高分辨率數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)1977年08月03日發(fā)生在荷蘭北部Cabauw地區(qū)的陸地輻射霧、2004年04月11日黃海海霧和2005年03月08日東黃海海霧的形成、發(fā)展和演變過程進(jìn)行了詳盡的刻畫，并對(duì)其形成與發(fā)展機(jī)制進(jìn)行了研究。對(duì)Cabauw地區(qū)陸地輻射霧的模擬研究表明，RAMS模式對(duì)霧有較強(qiáng)的刻畫能力。對(duì)兩個(gè)海

2、霧個(gè)例的觀測(cè)與數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，兩者具有完全不同的特點(diǎn)，湍流、輻射、平流和海表溫度(SST)等物理因素在其形成與發(fā)展過程中起不同的作用。 在荷蘭北部Cabauw地區(qū)陸地輻射霧的形成過程中，由于夜間長(zhǎng)波輻射冷卻使近地面空氣溫度降低，使其達(dá)到飽和凝結(jié)成霧，垂直風(fēng)切變產(chǎn)生的湍流使霧向上發(fā)展。而隨著太陽的升起，短波輻射對(duì)霧層的加熱作用以及地面長(zhǎng)波輻射的加強(qiáng)，使霧區(qū)低層溫度迅速升高，造成霧區(qū)低層的層結(jié)不穩(wěn)定，湍流增強(qiáng)，使霧向上發(fā)展。伴隨著

3、霧向上發(fā)展，云水混合比降低，減弱了輻射冷卻作用，加速破壞逆溫層結(jié)。在湍流的作用下，霧迅速向高空發(fā)展，并隨氣溫升高逐漸消失。 2004年04月11日海霧覆蓋黃海大部分地區(qū)。觀測(cè)分析表明在海霧發(fā)生前氣溫高于海溫，RAMS數(shù)值模擬結(jié)果顯示由于大氣層結(jié)穩(wěn)定，垂直風(fēng)切變較弱，不能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的湍流使海面冷卻降低低層大氣的溫度凝結(jié)成霧。垂直風(fēng)切變?cè)龃?，可加速大氣的熱量向海面?zhèn)鬏?，海霧在近海面處形成。由于霧本身的長(zhǎng)波輻射冷卻作用，使霧區(qū)降溫到S

4、ST以下，引起海面的蒸發(fā)。而較弱的湍流不能使蒸發(fā)的水汽向上發(fā)展，水汽在輻射作用下產(chǎn)生凝結(jié)，使云水混合比在貼近海面處最大，且隨高度迅速降低。這種云水混合比的垂直分布在輻射冷卻的作用下進(jìn)～步增加大氣層結(jié)的穩(wěn)定性，抑制湍流的發(fā)展，使海霧貼近在海面上。在發(fā)展階段，海霧在湍流的作用下向上發(fā)展，近海面處的云水混合比減小，霧項(xiàng)的強(qiáng)輻射冷卻作用使霧頂處的云水含量較高，在短波輻射和霧頂向下發(fā)出的長(zhǎng)波輻射作用下，霧低層加熱。垂直風(fēng)切變對(duì)湍流起產(chǎn)生作用，并隨

5、霧區(qū)向東北方向移動(dòng)，在海霧水平發(fā)展過程中對(duì)湍流的發(fā)展起正貢獻(xiàn)。SST敏感性試驗(yàn)表明，增加SST使氣海溫差減小，并增大霧區(qū)的范圍，減小SST使氣海溫差增大，并減小霧區(qū)的范圍。模式大氣輻射敏感性試驗(yàn)表明，關(guān)閉液態(tài)水的長(zhǎng)波輻射后山東半島東南側(cè)海區(qū)海霧消失，成山頭東北部海霧仍然存在。模式微物理過程敏感性試驗(yàn)表明，改變單位質(zhì)量的霧滴個(gè)數(shù)只會(huì)影響霧的濃度，而不會(huì)影響霧的形態(tài)和水平分布。模式水平分辨率敏感性試驗(yàn)表明，海霧的形成與發(fā)展對(duì)模式水平分辨率從

6、8km到4km的改變并不敏感。 與2004年04月11日的黃海海霧不同，2005年03月08-09日海霧首先在東海上空生成，并隨天氣系統(tǒng)的變化從南向北推進(jìn)，逐步影響我國東海及黃海海區(qū)。此次海霧發(fā)生時(shí)垂直風(fēng)切變較強(qiáng)，有足夠強(qiáng)的湍流使海面冷卻一定高度的大氣，形成高度較高的霧層。大氣長(zhǎng)波輻射冷卻作用在霧頂附近較強(qiáng)，形成了高的云水混合比含量區(qū)，而在近海面處大氣輻射冷卻作用較弱，云水混合比較低。在海霧的低層，大氣層結(jié)穩(wěn)定性較弱，垂直風(fēng)切變

7、能夠產(chǎn)生足夠的湍流，但在霧項(xiàng)處穩(wěn)定層結(jié)的抑制下，湍流迅速減弱，使霧頂維持在一定高度。在09日，由于南風(fēng)和下沉運(yùn)動(dòng)將暖空氣輸送到東海上空，不但增加了近海面的大氣溫度，而且增加了大氣的層結(jié)穩(wěn)定性，抑制了湍流的發(fā)展，海面很難迅速冷卻低空大氣使之飽和，造成東海上空海霧消失。模式SST敏感性試驗(yàn)表明，增加SST減小氣海溫差會(huì)減小霧區(qū)范圍，但霧頂發(fā)展較高，減小SST會(huì)加大氣海溫差，增加霧區(qū)的范圍，霧項(xiàng)高度會(huì)降低。模式輻射敏感性試驗(yàn)表明，液態(tài)水的長(zhǎng)波

8、輻射對(duì)該海霧的形成起不到?jīng)Q定性作用，但對(duì)其增強(qiáng)十分重要。 通過比較2004年04月11日黃海海霧和2005年03月08日東黃海海霧的特點(diǎn)及形成機(jī)制發(fā)現(xiàn)，前者霧頂較低，云水含量最大區(qū)貼近海面，且氣溫低于海溫，后者霧頂較高，云水含量最大區(qū)在霧頂部，氣溫高于海溫。其產(chǎn)生原因是由于前者垂直風(fēng)切變對(duì)湍流的產(chǎn)生作用弱于后者，而層結(jié)穩(wěn)定性和輻射冷卻作用均強(qiáng)于后者造成的。研究表明海霧的形成與發(fā)展機(jī)制十分復(fù)雜，需要更多的觀測(cè)和數(shù)值模擬研究才能闡明