海雾的天气气候特征与边界层观测研究

摘要

在本文中，首先利用ICOADS和NCEP/NCAR等资料，以黄海成雾的气流轨迹作为分类依据，研究了黄海雾季(4～7月)不同季节海雾的海气温差、水汽输送、天气型及其动力结构等海洋气象条件的共性和差异；根据热量平衡方程，分析了不同海气温差的海雾物理机制，并进一步分析了决定海雾海气温差的关键物理因子，初步揭示不同季节、不同路径气流的海雾物理机制。其次，基于外场实测数据，研究海雾边界层特征及其演变过程，雾顶长波辐射、风切变产生的机械湍流在雾发生、发展和消散中的作用；研究了海雾过程的动量、热通量、热通量的交叉谱及雾滴谱特征，初步揭示了湍流输送南海海雾生成、发展和消散过程中的作用。 主要结论概括如下： (1)在黄海雾季(4-7月)空气温度平均高于海面水温，海面冷却效应总是存在，这是雾季的气候背景，而4～6月成雾时，海面存在蒸发效应，海面蒸发增加了低层空气的水汽。在一定的天气条件下，依靠局地蒸发充其量只能形成轻雾，雾的形成需要来自低纬的水汽输送；黄海海雾的水汽输送是由特定的天气系统完成的，这是黄海海雾具有系统性和间歇性的原因，也是黄海海雾的重要特征。黄海海雾的生成和维持，冷却和增湿效应同时存在，但增湿效应的重要性大于冷却效应； (2)与过去单纯的天气型分类方法相比，采用气流路径分组方法具有显著的天气学意义，能更细致地区分或归纳海雾形成的天气型及海洋气象条件特征。春季4、5月黄海成雾的气流路径可分为西北、偏东、东南和西南气流4组，天气型可分为黄海高压型和东高西低型，两种天气型在大气低层(1000、850hPa)动力结构基本一致，都具有明显的、独立的辐散结构。黄海高压型与东高西低型相比，前者的水汽输送能力远低于后者；同时，前者中气温高于海温的比例也低于后者；5月两种天气型成雾的气温高于海温的比例都比4月升高，形成典型的平流冷却雾机会越来越多； (3)海雾中不同的海气温差表现意味着具有不同的冷却机制。当海雾中的气温低于海表温度时(此时的空气露点温度必然低于海温)，雾顶长波辐射是海雾形成唯一的冷却过程，需要更高的雾顶长波辐射效率，即：需要良好天空状况；而当气温高于海表温度时，空气的冷却是雾顶长波辐射、海气间感热、潜热输送、长波辐射的共同作用，此时对雾顶长波辐射的要求相对不高； (4)海雾中出现气温低于海温的现象与天气型的高压性质有关，而出现气温低于海温的现象与高压边沿有关。海雾中的海气温差主要取决于不同路径的海面风速和海气间水汽梯度差等海洋气象条件；即较大的风速和较强海气垂直湿度差是气温高于海温，有利于平流冷却雾出现的主要原因； (5)夏季6～7月黄海成雾的气流路径与4、5月相比发生了较大的变化。春、夏季黄海成雾的主要天气系统分别是冬季风系统中的大陆高压和夏季风系统的太平洋副热带高压，随季节的变化，夏季风天气型成雾所占的比例逐渐增大，这也反映出海雾具有明显的季风特征；与春季一样，夏季各路径的低层大气仍然具有独立、明显的辐散结构，但表现为弱稳定的特征。与夏季风时期相比，春季除了沿东南路径外，其余路径下的水汽通量都很小。春季黄海成雾的水汽主要来自中纬度地区或黄海局地，夏季6、7月份热带西太平洋暖池地区的水汽由副热带高压的外围环流输送到黄海； (6)春、夏季黄海成雾冷却机制有所不同。春季，海雾空气冷却主要是依靠雾顶长波辐射的冷却作用；而夏季，空气冷却是感热输送、潜热输送、海气间长波辐射和雾顶长波辐射的共同作用。黄海成雾冷却机制是天气系统性质、天气型、海面水汽输送等条件及其季节变化决定的； (7)基于2007年3月“春季南海北部海岸带边界层与海雾科学试验”获取的边界层风、温、湿垂直廓线数据分析：西南低压控制下，海雾发展阶段的边界层大气呈弱静力稳定状态。海雾可以在弱静力稳定度条件下发展和成熟，而不以逆温或强稳定层结为必要条件； (8)在海雾发展阶段，边界层低层有明显的夜间低空急流现象。低空急流一方面起到抑制下层雾垂直发展，使雾顶变得模糊的作用：另一方面还有可能通过动力强迫混合的方式使上层空气冷却，为雾层向上发展提供有利条件。充分混合的海雾发生在几乎整个边界层水汽达到饱和，并出现雾顶水汽凝结、长波辐射冷却增强的条件下。充分混合的雾层厚度可达600m左右； (9)当雾顶以上风切变增强、气温上升时，可能引发雾顶上干、暖空气卷央进入雾层，导致雾层破碎或消散；当雾顶以上风切变减弱、空气温度下降时，辐射冷却也有可能使雾层恢复； (10)深厚的雾层能降低太阳短波辐射对雾的消散作用，延长雾的消散时间。太阳辐射一方面使上层空气增温、雾滴蒸发，但增温也有助于低层空气保持稳定，使地面的雾层继续维持，直到太阳辐射增温由上至下逐渐侵蚀雾层； (11)海雾在发展和维持阶段与形成和消散阶段相比，总体上有稳定度加强、动量和热量交换减弱现象；其中动量主要由下向上输送，热量主要由空气向海面输送； (12)在雾的不同阶段，湍涡尺度有明显差异；在雾的发展阶段中大尺度湍涡对热量交换的贡献逐渐增大，直到雾层发生充分混合，而在在雾层充分混合后的维持和消散阶段，大、小尺度湍涡在热量交换共同起作用； (13)在近地层，雾顶辐射冷却导致的对流混合只是间断出现，并非连续过程：大尺度湍涡在对流混合过程中起主要作用：对流混合发生时，雾中的气象要素有明显的变化，强对流混合使气温度升高，相对湿度下降；风速减小，风向转变； (14)春季华南沿海出现海雾时，地面多为偏东风；较大的液态水含量雾主要出现在风速小于5m·s-1、气温度2l～22℃，水汽密度18～20g·m-3的气象条件下；除在气温18～20℃时有雾滴数密度较大之外，雾滴数密度整体上随温度上升呈增加趋势； (15)华南沿海海雾的微物理结构特征与青岛的比较接近；华南海雾的计算能见度值与观测值总的来说比较接近，海雾能见度与含水量的关系式为：Rm=0.085W-0.61。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一篇海雾的天气气候特征研究

1第一篇绪论

2黄海海雾过程中的冷却和增湿作用

2.1数据和方法

2.2主要结果

2.3小结

3春季黄海海雾的天气学特征与海洋气象条件

3.1数据和分析方法

3.2典型气流路径

3.3与气流路径对应的天气型

3.4海雾天气型的动力特征

3.5各组路径气流的温湿特性与水汽输送

3.6各组路径气流成雾的海气温差

3.7小结

4春季黄海海雾的物理机制与海气温差

4.1海雾中的热量平衡

4.2海雾中的物理过程与海气温差的关系

4.3影响海雾中海气温差的物理因子

4.4小结

5夏季黄海海雾的天气学特征及海洋气象条件

5.1成雾的气流路径

5.2各组气流路径的热力性质

5.3成雾的水汽条件

5.4各组气流路径的天气型

5.5天气型的动力特征

5.6成雾的物理机制讨论

5.7 小结

第一篇参考文献

第二篇海雾的边界层观测研究

6第二篇绪论

6.1海雾边界层观测试验简介

7海雾的大气边界层结构特征

7.1引言

7.2数据获取与天气背景

7.3主要结果

7.4讨论

7.5结论

8海雾过程中的湍流交换特征

8.1湍流观测基本原理

8.2湍流通量数据处理与订正

8.3海雾过程的近地层湍流输送特征分析

8.4主要结果

8.5 结论

9海雾的微物理结构特征

9.1引言

9.2观测过程与方法

9.3主意结果与分析

9.4 结论

第二篇参考文献

10总结与展望

10.1本文研究工作总结

10.2有待进一步研究的问题

致谢

个人简历、发表的学术论文、学习期间参加的研究项目