华南沿海海雾的边界层结构的特征外文翻译资料

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华南沿海海雾的边界层结构的特征

黄辉军，刘红年，蒋维楣，黄健，毛伟康

1南京大学大气科学学院，南京210093

2热带季风重点开放实验室和海洋气象联合开放实验室，

广州热带海洋气象研究所，

中国气象局，广州510080

（2010年11月4日标准; 2011年1月27日修订）

摘要

利用广东博河海洋气象科学实验基地观测到的海雾边界层数据，分析了大气边界层的结构及雾顶和云顶的特征。此外，还研究了海雾期间的平流，辐射和湍流的影响。根据饱和湿空气的稳定性定义，将假相当位温等于零的梯度定义为热湍流界面。有证据表明海雾中存在两层湍流。长波辐射产生的热湍流普遍存在于热湍流界面之上，而风切变引起的机械湍流在界面之下占主导地位。热湍流界面的高度在180米至380米之间。三个重要因素与海雾顶端的发展密切相关：（1）水汽的水平平流 （2）雾顶的长波辐射 （3）垂直运动。形成，发展和消散是海雾季节边界层结构演变的三个可能阶段。另外，热湍流界面是形成和发展期间最重要的湍流界面;它在海雾上升到层云层后保持不变。

关键词：华南沿海，海雾，边界层结构，平流，辐射，湍流

1.引言

海雾是在海洋边界层中观察到的水汽凝结;它受到湍流交换，辐射和夹带等边界层中的过程的影响。被认为是对雾的形成和维持有关系的各种物理机制如下（刘易斯等，2004年）：（1）空气通过接触冷海表面温度而达到饱和状态（ SST;即以涡流扩散为关键机制的平流雾）; （2）空气通过热浮力和由此产生的抬升而达到饱和; （3）空气通过浅表层中的辐射冷却而达到饱和，雾层的维持与层顶部的辐射冷却有联系;（4）当冷空气流过温度高得多的水时，通过蒸发使空气饱和。平流雾发生在世界各地的大范围地区;它已被证明发生在北太平洋西部，北大西洋以及北美西部和东部沿海以及其他地区。中国南方海岸的海雾季节主要发生在1月至4月;

这一地区的海雾主要是平流雾（Zhang，1982; Wang，1983; Zhou and Liu，1986; Lewis et al。，2004; Gultepe et al。，2007）。对流雾的研究表明雾的形成与平流，辐射和湍流的影响之间存在着复杂的关系。平流雾的发展和维持具有不同的物理机制和过程，表明在发生这种类型的雾的不同地区存在多种大气条件和大气条件。

一般来说，平流雾与强烈的暖平流有着密切的关系，这有助于保持基于地面的反演，并防止反演过程中温暖潮湿的气团扩散到其上方的空气中。这些条件适合于一些物理机制的连续冷却，这会导致雾的形成（Pilie等，1979; Wang，1983）。然而，Hu等人的数值模拟（2006）证明湍流和辐射是海雾形成的主要影响。相反，平流并没有显示出对雾的形成有直接影响。泰勒（1917）和后来的罗德（1962）确定，由风切变引起的湍流热交换是暖空气团对流过程中空气冷却和饱和的关键机制。 Pepper和Lee（1975）表明，平流雾的垂直发展与风切变强度密切相关。胡等人。 （2006）认为，风剪切湍流引起的冷却效应只发生在雾形成的初始阶段，并且发生在低层。高等人的工作。 （2007）指出热海内边界层（TIBL）逐渐形成于基于强海表面的反演基础上，由风切变引起的机械湍流导致空气湿润和运输从空气到海洋的热量。 Huang等人（2010b）指出，风切变湍流导致（1）空气中的热量传递到海温，（2）气温降低，（3）海面附近的空气湿度增加，导致雾发展和维护。已经对受辐射冷却影响的雾形成的其他方面进行了大量研究。 Petterssen（1938）证实了在海雾形成和维护中的作用。羔羊（1943年）指出，雾的顶部的热量损失是由辐射引起的，这有利于雾的发展。 Pilie等人（1979），Noonkester（1979），Leipper（1994）和Koracin等人（2001）指出，在北美西海岸，由雾层顶部的辐射冷却通过降低层云而在雾发展中起着重要作用。相比之下，德福和柴（1984年，1993年）报告说，雾的顶部的辐射冷却对雾的发展没有影响。 Huang等人（2010b）报道，由雾的顶部进行的辐射冷却产生的热量与风切变引起的机械湍流传递的方向相同，但通过加热空气团并降低其湿度水平，导致雾消散。需要对海雾发生的大气边界层进行更多的研究，以确定平流，辐射和湍流的附加影响。已经开展了相关的，值得注意的野外计划，如1970年代加利福尼亚海岸（CALSPAN）的实验（Pilie等，1979），1976年西海岸海洋气象学合作实验（CEWCOM776 ）和Haar项目（Findlater等，1989）。自2006年以来，中国气象局广州热带海洋气象研究所（ITMM）利用系留气球等仪器支持了海雾研究。这些研究产生了一些有趣的结果，如湍流热交换的特征（Qu et al。，2008; Huang et al。，2010b）。

从2010年3月到4月，ITMM再次对广东省博和海洋气象科学实验基地海雾大气边界层进行了观测。此外，该研究还使用了许多仪器[例如维萨拉全球定位系统（GPS）探空仪]。本研究主要研究大气边界层的结构以及平流雾过程中雾和云顶的特征。此外，还检验了平流，辐射和湍流对海雾的影响。本文的结构如下：第2节描述了数据和观察结果。第3节介绍2010年4月1日和2日海雾的主要过程。第4节分析中国南部海岸海雾边界层结构的特征。第5节介绍了该文的主要结论。

2.资料

2.1场地和仪器

观测地点与2007年和2008年（黄等人，2009年，2010年）相同，位于广东省博河市麻源气象科学实验基地（图1）。 在海平面以上15m处放出气球的维萨拉GPS探测系统和位于上述观测平台19m上的FM-100型雾探测器液滴收集器（Droplet Measurement Technologies，Inc。） 海平面，被用于这些实验

N

Yangxi County

Bohe Harbor

South China Sea

Dianbai County

2.2维萨拉GPS探测数据

使用GPS探测系统测量气压，温度，相对湿度，风向和风速。 2010年海雾观测期间共收集到55个有效GPS数据，并且为本研究选择了三个相对完整的海雾过程。在这三个过程中，两个过程的持续时间相对较短，为3-4小时，发生在清晨。只有在4月1日和2日发生的情况才能快速发展出持续较长时间的海雾。因此，选择了更加强烈的海雾事件进行大气边界层分析。此外，还分析了2010年4月5日和6日发生的两起弱海雾事件。

GPS探测（2-s间隔，4-10米的垂直分辨率）与更强烈的海雾有关。事件是从2010年4月1日的1800 LST到2010年4月2日的8:00 LST收集的。确切的观察时间如下：4月1日1800,2000和2200 LST，以及4月2日的0000,0200,0500和0800 LST。为了实现一系列统一的数据，GPS数据在垂直方向上以10米的间隔进行内插，并且还插入了时间以包括诸如0400 LST和4月2日的0600 LST之类的数据。因此，在分析中使用了8组GPS测深数据（2 h时间间隔和10 m垂直分辨率）。

2010年4月5日和6日对较弱的海雾事件也进行了类似的处理和分析

2.3其他数据

FM-100型雾监测器液滴收集器的使用方式类似于Huang等人。 （2010a），本研究中使用的雾滴尺寸分布包括以1分钟间隔平均的数据。 从雾滴尺寸分布计算液态水含量。 利用Huang等人获得的经验公式，以1分钟间隔内的液态水含量计算大气层水平能见度数据。（2009年）。 NCEP / NCAR（国家环境预测中心/国家大气研究中心）再分析档案计算了气流后向轨迹。 SST是从NCEP海洋建模和分析分部运行产品中获得的。

3.海雾的一般过程

3.1天气背景

地表天气图（图2）显示了保持海雾的时间周期（从4月1日1800 LST到4月2日的1100 LST）以及冷锋离开岭南山的时间在东南方向。海面弱反气旋的西南边缘位于中国南部海岸，其中有一个偏东风。当温暖湿润的气团移向寒冷海面的岸边时，很容易形成平流雾;低压梯度导致海雾的形成和维持。随着冷锋通过海岸，海雾消散。总之，导致海雾形成的天气条件在中国南方沿海是典型的（Zhang，1982）。

40

Surface Weather Chart (a)

Surface Weather Chart (b)

N

30

20

10

100 110 120 130 140 E 100 110 120 130 140 E

Fig. 2. Surface weather chart (from Hong Kong Observatory). (a) 2000 LST 1 April 2010; (b) 0500 LST 2 April 2010. (Isobaric chart, H is the center of anticyclone, L is the center of cyclone. Temperatures (°C) of several main cities are presented.

Fig. 3. The distribution of sea surface temperatures (SSTs) and airflow trajectory. The contours denote the daily average of SST (C) on 1 April; the dot-lines denote the 48-h backward trajectory of airflow at 1800 LST 1 April at 10-m, 300-m, 600-m, 1000-m, and 1500-m height.

SST的分布和气流轨迹（图3）由4月1日SST的日平均值和48 h的气流后向轨迹表示。图3显示，参与海雾事件的低空气从南中国海以北的地区移到了波河之前。随着较低的空气沿着这条轨迹移动，潜在的海洋温度从-27℃变为21℃。

3.2低层大气中基本气象要素的变化特征

如图4a（GPS探空资料）所示，风向接近地面东南方向;然而，方向在西南方1500米以上。风向有顺时针旋转，这说明观测站位于温暖的平流运输附近。如图1和2所示。 4b〜d，风速，温度和比湿的极值出现在距离地面约100-400米处。这些数据表明，在海雾发展期间（从4月2日的〜0000至0500 LST），温暖潮湿的运输发生在地面以上100-400米处。根据显示相对湿度的图表（图4e），海雾始终高于地面600 m，这表明这是一个强烈的海雾事件。海雾顶部的高度始终在变化，这个特征将在本文后面讨论。

由于地表液态水含量和能见度的变化（图5），当温暖潮湿的平流运输加强时，表面液态水含量突然相应增加，能见度迅速下降。当温暖湿润的平流输送在0500和0700 LST之间减弱时，表层液态水含量迅速下降。另外，能见度增加，与表面液体含水量呈反比关系。这些现象表明，温暖湿润的平流转移过程在海雾事件中表层液态水含量和能见度的变化中起着重要作用。

4.中国南海沿岸海雾边界层结构特征

4.1海雾中热湍流界面高度的演变

雾是大气层边界层的凝结现象，当大气层饱和湿气时会发生。在这种饱和潮湿的气氛中，高空气包受到湿绝热变化。在饱和潮湿气氛中的稳定性标准被认为如下：对于电位不稳定性（0se是潜在的伪等效温度），对于中性稳定性是30se / dz = 0，对于中性稳定性是30se / dz lt;0 / dzgt; 0以确保潜在的稳定性。根据饱和潮湿气氛的特征，等于零（3〇se/ dz = 0）的电位伪等效温度的高度定义为热湍流界面的高度。潜在的不稳定层存在于界面之上，并且容易发生热湍流。然而，界面之下是电位稳定层，热扰动不太可能发展。在此过程中热湍流界面的高度在180〜350 m之间，其演变特征如图6所示。观察到当暖湿平流运输加强时，热湍流界面的高度也相应地增加增加。当暖湿平流运输过程减弱时，高度也降低。这些发现表明，温暖湿润的平流运输对海雾热紊流界面的高度也

Fig. 4. Variable characteristics of the basic meteorological elements in the lower atmosphere from 1800 LST 1 April to 0800 LST 2 April 2010. (a) wind barb; (b) wind speed (m s^-1); (c) temperature (K); (d) specific humidity (g kg^-1); (e) relative humidity (%).(from ~0000 to 0500 LST 2 April). According to the graph showing the relative humidity (Fig. 4e),

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