!"#$ % &'& & 卷 #4%$% # ## # 40# 1% / & #! (* 4 # / 1#!! ( 1 #4 ( &# &&# #&!# /# #! - 4#! &#! ( 1 # 0-$ 4/ 4 # ((# # /# ## % # 4 & 4/ 0 44/! (2# % (01

第 卷 第 期 年 月!"#$ % &'& & 黄 健 王 斌 周 发 等 华 南 沿 海 暖 海 雾 过 程 中 的 湍 流 热 量 交 换 特 征 大 气 科 学 ( ) (* +,- #. /# # -& ( 0$! ( 1 # # & #!# ' #!"#$ % & '& & 华 南 沿 海 暖 海 雾 过 程 中 的 湍 流 热 量 交 换 特 征 黄 健 王 斌 周 发 黄 菲 吕 卫 华 黄 敏 辉 黄 辉 军 杨 永 泉 毛 伟 康 中 国 气 象 局 广 州 热 带 海 洋 气 象 研 究 所 广 州 夏 威 夷 大 学 气 象 系 与 国 际 太 平 洋 研 究 中 心 美 国 5 中 国 海 洋 大 学 海 洋 环 境 学 院 青 岛 广 东 气 象 局 广 州 摘 要 湍 流 交 换 是 海 雾 中 的 关 键 物 理 过 程 在 海 雾 的 热 量 和 水 汽 平 衡 过 程 中 起 重 要 作 用 本 文 根 据 年 月 日 一 次 海 雾 的 外 场 观 测 数 据 分 析 了 海 雾 过 程 中 近 海 面 湍 流 热 量 交 换 特 征 并 在 区 分 风 切 变 机 械 湍 流 与 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 热 力 湍 流 的 基 础 上 着 重 分 析 了 两 种 不 同 性 质 的 湍 流 对 海 雾 发 展 和 维 持 的 作 用 结 果 表 明 本 次 海 雾 是 在 西 南 低 压 和 变 性 冷 高 压 的 控 制 下 来 自 南 海 东 部 暖 水 区 的 空 气 平 流 在 近 岸 冷 海 面 上 形 成 的 暖 海 雾 暖 海 雾 中 的 湍 流 热 量 交 换 过 程 比 冷 海 雾 更 为 复 杂 在 暖 海 雾 的 形 成 和 消 散 阶 段 风 切 变 机 械 湍 流 的 热 量 输 送 起 主 要 作 用 而 在 发 展 和 维 持 阶 段 既 有 风 切 变 机 械 湍 流 的 热 量 输 送 作 用 也 有 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 热 力 湍 流 的 热 量 输 送 作 用 风 切 变 机 械 湍 流 向 冷 海 面 输 送 热 量 对 近 海 面 空 气 起 到 降 温 和 增 湿 作 用 热 力 湍 流 同 样 向 冷 海 面 输 送 热 量 但 对 雾 层 起 到 增 温 和 降 湿 作 用 暖 海 雾 中 的 湍 流 热 量 交 换 机 制 与 雾 层 的 非 充 分 混 合 结 构 有 密 切 关 系 关 键 词 暖 海 雾 湍 流 热 量 交 换 风 切 变 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 文 章 编 号 中 图 分 类 号 6 文 献 标 识 码 "! "# $ # %# &#'!# % 7" )" * + 87,- 7", 9:) 7" 7" 3 ;" ; ( 4 "8 )(!"#$% & '# %!! $ " (#! ) % * #!*!"# +, & (& '# &. /# -& (!# % & % &! (! $# 4 1 %$ # 44 %2 收 稿 日 期 收 修 定 稿 资 助 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 项 目 "" + 中 国 气 象 局 新 技 术 推 广 项 目 ". 广 东 省 科 技 三 项 珠 江 口 海 雾 预 警 系 统 研 究 广 东 省 科 技 厅 计 划 项 目 * 高 等 学 校 创 新 引 智 计 划 项 目 * 作 者 简 介 黄 健 男 年 出 生 博 士 主 要 从 事 大 气 物 理 研 究 2$3($& ( 1 & 通 讯 作 者 黄 菲 2$ (! & 4 &

!"#$ % &'& & 卷 #4%$% # ## # 40# 1% / & #! (* 4 # / 1#!! ( 1 #4 ( &# &&# #&!# /# #! - 4#! &#! ( 1 # 0-$ 4/ 4 # ((# # /# ## % # 4 & 4/ 0 44/! (2# % (01 42 # &( #0### / 1 4! ( &&1 # & 40## & #!# ' #2 ' '' 4#! $41 &#!0$ 4$ #! $# 6%% ' 0&4 # & #!# 0%' #0 # 4# #! $ 4& 4(%1 # &. # /# # -& ( &# 40## 0$! ( $ & $%&# 4# ##4 (# & 4! ( (#! $#44 % %!# 0$! (# ## % # %$ 4 & 4/ 0 4 0 4 (# 4 1 %$ # %# & % # # /# ## % # 4 & 4/ / ## 0 44# (01 4# &(##! (# %. 0 4 2 4 & 4# /& # % # ## #!&!1 (&( 4$ #(!##!&. ## % ## (! $#! (2# % (2 01 4# &( # % # #4 0 04/ #0$ 44 # #!&. $ & $! # -& ( 4 (# 0$! ( & #%0## $$# $- ( # &# #! ( # &! (# /# #! -0 4 (01 4# &(##! (# % 引 言 海 雾 是 中 国 近 海 及 沿 岸 地 区 的 主 要 海 洋 气 象 灾 害 之 一 海 雾 可 导 致 水 平 和 垂 直 能 见 度 降 低 严 重 影 响 海 上 渔 业 平 台 作 业 航 运 军 事 行 动 以 及 沿 岸 航 空 和 公 路 交 通 是 引 发 重 大 事 故 的 主 要 原 因 之 一 由 于 海 雾 物 理 机 制 和 过 程 的 复 杂 性 目 前 对 海 雾 的 认 识 还 很 不 充 分 预 报 准 确 率 亟 待 提 高 9 02 #4 # 海 雾 多 为 暖 空 气 平 流 到 冷 海 面 上 冷 却 并 达 到 饱 和 水 汽 凝 结 形 成 的 平 流 冷 却 雾 王 彬 华 由 于 大 气 与 海 洋 条 件 的 差 异 平 流 冷 却 雾 的 发 展 和 维 持 有 不 同 的 物 理 机 制 和 过 程 既 可 能 表 现 为 气 温 比 海 温 高 几 度 的 暖 雾 也 可 能 演 变 成 气 温 比 海 温 低 的 冷 雾. 冷 海 雾 是 英 国 北 海 沿 岸 美 国 加 州 南 部 等 海 域 的 主 要 雾 型 9$/ 6< # 9 %% 多 出 现 在 风 速 微 弱 的 条 件 下 ( 冷 海 雾 形 成 与 雾 顶 长 波 辐 射 的 冷 却 作 用 有 关 9$/ 平 流 到 冷 海 面 上 的 暖 空 气 因 湍 流 交 换 冷 却 达 到 饱 和 首 先 形 成 浅 薄 的 雾 层 由 于 液 态 水 具 有 较 高 的 长 波 辐 射 率 长 波 向 外 辐 射 冷 却 是 促 使 海 雾 形 成 和 控 制 雾 层 发 展 维 持 和 消 散 的 最 终 因 子 = & # 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 导 致 的 热 力 混 合 使 雾 层 形 成 一 个 充 分 的 混 合 层 雾 层 内 的 温 度 呈 湿 绝 热 递 减 分 布 = & # / 雾 顶 长 波 辐 射 的 冷 却 效 应 可 抵 消 与 海 面 输 送 雾 顶 夹 卷 和 太 阳 短 波 辐 射 对 雾 层 的 加 热 作 用 使 雾 层 中 的 热 量 达 到 平 衡, 4# # 冷 海 雾 对 天 空 状 态 非 常 敏 感 一 旦 雾 顶 之 上 出 现 云 层 可 导 致 雾 迅 速 消 散 & 暖 海 雾 在 世 界 各 地 如 美 国 东 海 岸 西 海 岸 北 部 北 大 西 洋 西 北 太 平 洋 等 海 域 广 泛 存 在. 2 9 %%, &>#! # 也 是 中 国 近 海 的 主 要 雾 型 王 彬 华 周 发 和 刘 龙 太 但 对 暖 海 雾 的 研 究 不 多 一 般 认 为 暖 海 雾 的 出 现 与 强 暖 平 流 有 关. 只 有 源 源 不 断 的 暖 湿 空 气 平 流 输 送 才 能 维 持 近 海 面 逆 温 的 存 在 并 进 一 步 提 供 水 汽 凝 结 的 机 会 王 彬 华 风 切 变 导 致 的 湍 流 热 量 交 换 是 暖 空 气 平 流 过 程 中 冷 却 达 到 饱 和 的 关 键 机 制.4 进 一 步 的 研 究 认 为 在 暖 平 流 的 强 稳 定 条 件 下 雾 层 难 以 发 展 到 数 百 米 的 高 度 暖 海 雾 的 垂 直 发 展 主 要 取 决 于 风 切 变 的 强 度 6 %% 49 风 切 变 湍 流 的 垂 直 混 合 作 用 也 可 使 暖 海 雾 发 展 到 近 $ 的 高 度 # 但 一 些 研 究 也 提 出 了 不 同 的 看 法 王 彬 华 认 为 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 对 暖 空 气 起 到 降 温 作 用 常 常 使 雾 层 加 厚 雾 性 增 浓 胡 瑞 金 等 认 为 海 雾 生 成 的 主 要 推 动 力 是 长 波 辐 射 冷 却 风 切 变 湍 流 的 冷 却 作 用 只 发 生 在 雾 的 初 始 阶 段 且 仅 限 于 低 层 由 于 观 测 条 件 的 限 制 目 前 对 暖 海 雾 过 程 中 湍 流 交 换 过 程 尤 其 是 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 所 起 的 作 用 认 识 还 不

期 黄 健 等 华 南 沿 海 暖 海 雾 过 程 中 的 湍 流 热 量 交 换 特 征 7" #. /# # -& ( )$', ( 1 # ##!' # 一 致! # 海 雾 发 生 在 海 洋 大 气 边 界 层 中 受 到 湍 流 交 换 辐 射 效 应 雾 滴 沉 降 风 切 变 雾 顶 夹 卷 等 一 系 列 边 界 层 微 物 理 过 程 的 作 用 或 影 响 其 中 湍 流 交 换 是 海 雾 中 的 关 键 物 理 过 程 在 海 雾 的 热 量 和 水 汽 平 衡 过 程 中 起 重 要 作 用 4 本 文 根 据 外 场 观 测 试 验 获 取 的 数 据 分 析 了 暖 海 雾 过 程 中 的 宏 观 与 湍 流 热 量 交 换 特 征 讨 论 了 风 切 变 与 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 对 海 雾 发 展 和 维 持 的 作 用 第 节 介 绍 本 次 海 雾 过 程 的 观 测 设 备 和 数 据 处 理 方 法 第 节 首 先 对 海 雾 的 天 气 气 象 条 件 和 垂 直 结 构 等 宏 观 特 征 以 及 湍 流 热 量 交 换 特 征 进 行 了 分 析 并 根 据 湍 流 热 通 量 的 交 叉 谱 特 征 区 分 海 雾 过 程 中 引 起 热 量 输 送 的 湍 流 性 质 最 后 着 重 分 析 了 风 切 变 和 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 产 生 的 两 种 不 同 性 质 的 湍 流 对 暖 海 雾 发 展 和 维 持 的 作 用 或 影 响 在 第 节 中 暖 海 雾 中 的 湍 流 热 量 交 换 机 制 做 了 初 步 讨 论 第 节 为 结 论 ( 数 据 获 取 与 处 理 华 南 沿 海 是 我 国 近 海 海 雾 的 多 发 地 区 在 每 年 春 季 冬 季 风 逐 渐 减 弱 夏 季 风 尚 未 完 全 建 立 的 特 殊 环 流 背 景 下 由 于 沿 岸 水 域 存 在 季 节 性 上 升 流 导 致 的 海 表 温 度 ''. 低 值 区 当 出 现 有 利 于 将 暖 湿 空 气 输 送 到 近 岸 冷 水 区 的 大 尺 度 环 流 时 该 地 区 往 往 出 现 海 雾 天 气 在 国 家 自 然 科 学 基 金 南 海 海 雾 过 程 的 湍 流 输 送 观 测 研 究 等 项 目 的 支 持 下 年 月 在 粤 西 电 白 地 区 开 展 了 为 期 个 月 的 海 雾 外 场 综 合 观 测 试 验 观 测 点 位 于 电 白 县 电 城 镇 莲 头 半 岛 南 侧 的 海 岸 线 上 海 岸 线 呈 东 北? 西 南 走 向 南 面 为 广 阔 的 南 海 水 域 北 部 为 植 被 稀 疏 的 丘 陵 $ 观 测 铁 塔 位 于 海 岸 平 整 的 沙 滩 中 部 沙 滩 长 度 达 到 $ 以 上 来 自 海 上 的 偏 东 风 和 偏 南 风 受 树 木 地 形 或 建 筑 物 的 影 响 很 小 见 图 观 测 项 目 包 括 常 规 气 象 要 素 能 见 度 垂 直 结 构 湍 流 通 量 等 其 中 常 规 气 象 要 素 由 ")' 自 动 气 象 站 观 测 能 见 度 变 化 由 2 ")' 自 动 气 象 站 配 带 的 6) 能 见 度 传 感 器 测 量 其 配 带 的 防 尘 罩 能 够 较 好 地 避 免 降 水 尘 埃 等 因 素 对 传 感 器 的 影 响 雾 的 垂 直 结 构 由 中 国 科 学 院 大 气 物 理 研 究 所 生 产 的 5"62 型 系 留 探 空 图 观 测 点 位 置 图,(. &#!# / 1## 系 统 探 测 探 测 精 度 为 气 温 @ 相 对 湿 度 @A 在 观 测 过 程 中 每 次 探 测 前 后 都 与 ")' 自 动 气 象 站 的 温 湿 度 值 进 行 对 比 以 保 证 每 次 探 测 的 准 确 性 湍 流 数 据 由 安 装 在 观 测 铁 塔 $ 高 度 上 的 $%/ '". 超 声 风 温 仪 测 量 采 样 频 率 为 > 由 于 潮 汐 涨 落 的 关 系 '". 相 对 于 海 平 面 的 高 度 有 一 定 的 变 化 $ 观 测 数 据 的 源 区 也 因 此 出 现 一 定 的 变 化 本 文 采 用! #% # 方 法 '& %% # 估 算 了 观 测 数 据 的 代 表 性 根 据 观 测 期 间 的 风 速 潮 位 变 化 和 海 面 状 况 海 面 粗 糙 度 取 为 # 计 算 结 果 显 示 风 速 在 $ 的 条 件 下 观 测 数 据 的 源 区 位 于 海 上 $ 范 围 内 图 略 湍 流 观 测 数 据 的 处 理 包 括 剔 除 野 点 噪 音 和 坐 标 旋 转 等 数 据 统 计 的 时 间 序 列 长 度 取 $, ( # 为 避 免 湿 度 测 量 仪 器 在 雾 中 可 能 产 生 的 误 差 本 文 以 '". 测 量 的 垂 直 速 度 脉 动 值 - 与 虚 温 - 水 平 风 速 - 计 算 热 力 学 单 位 时 间 的 热 通 量 -- 并 按 =$ 推 荐 的 方 法 计 算 了 海 雾 过 程 中 热 通 量 的 余 谱 " -- 其 中 为 频 率 ) 主 要 结 果 ) 海 雾 的 宏 观 特 征 年 月 日 粤 西 沿 海 地 区 出 现 了 一 次 海 雾 天 气 过 程 这 次 海 雾 过 程 以 其 影 响 范 围 广 能 见 度 低 和 持 续 时 间 长 为 近 年 来 华 南 沿 海 所 罕 见 由 ) 的 器 测 能 见 度 图 可 见 日 凌

!"#$ % &'& & 卷 图 年 月 日 的 能 见 度 时 间 序 列,(. #$!1 /#! # % 4!# 图 日 8""2" 的 云 图 / 日 时 地 面 天 气 形 势 图,(. & 4$%! 8""2" & # 9'./#!& 0 # &##9'. 晨 约 时 北 京 时 下 同 开 始 能 见 度 缓 慢 下 降 至 日 上 午 时 左 右 轻 雾 转 化 为 能 见 度 低 于 $ 的 大 雾 并 持 续 了 约 小 时 在 太 阳 辐 射 的 作 用 下 中 午 时 左 右 能 见 度 迅 速 好 转 大 雾 转 为 轻 雾 日 下 午 时 左 右 大 雾 又 再 次 出 现 并 持 续 到 日 时 左 右 在 整 个 雾 的 过 程 中 大 雾 的 持 续 时 间 长 达 小 时 以 上 日 8""2 " "41 & 4 ( #4 $ 2 # 第 通 道 的 遥 感 图 像 图 显 示 海 雾 覆 盖 了 广 东 省 西 部 江 门 至 湛 江 沿 海 的 广 泛 地 区 但 雾 在 海 上 仅 局 限 于 近 岸 水 域 这 一 特 征 与 过 去 的 研 究 结 果 一 致 王 彬 华 何 云 开 等 由 年 月 日 时 的 地 面 天 气 形 势 图 图 / 可 见 本 次 海 雾 是 在 西 南 低 压 和 变 性 冷 高 压 外 围 环 流 的 控 制 下 形 成 的 日 时 大 陆 冷 锋 南 压 到 南 岭 地 区 来 自 西 南 地 区 的 低 压 发 展 和 加 强 并 随 冷 锋 向 东 南 移 动 而 数 日 前 控 制 华 南 沿 海 地 区 的 变 性 冷 高 压 东 移 海 雾 出 现 西 南 低 压 和 变 性 冷 高 压 之 间 王 彬 华 曾 总 结 了 中 国 近 海 海 雾 常 见 的 三 种 典 型 天 气 型 入 海 变 性 的 高 压 型 西 太 平 洋 副 热 带 高 压 脊 型 和 中 国 大 陆 东 移 的 低 压 或 低 槽 型 本 次 海 雾 过 程 受 到 高 压 与 低 压 天 气 系 统 环 流 的 共 同 作 用 更 有 利 于 海 上 暖 湿 空 气 的 平 流 输 送 图 给 出 了 海 雾 出 现 期 间 ''. 气 流 轨 迹 以 及 海 雾 的 分 布 状 况 其 中 海 雾 分 布 为 日 时 至 日 时 广 东 省 个 地 面 气 象 站 的 天 气 现 象 统 计 结 果 ''. 为 '' 5 卫 星 遥 感 的 日 南 海 北 部 日 平 均 ''. 气 流 轨 迹 是 根 据 6 ", 9

期 黄 健 等 华 南 沿 海 暖 海 雾 过 程 中 的 湍 流 热 量 交 换 特 征 7" #. /# # -& ( )$', ( 1 # ##!' # BCB 再 分 析 资 料 以 日 时 作 为 时 间 起 点 计 算 得 到 的 小 时 后 向 气 流 轨 迹 由 图 可 见 受 季 节 性 沿 岸 流 的 影 响 南 海 北 部 ''. 呈 南 高 北 低 分 布 近 岸 水 域 最 低 海 雾 是 由 南 海 东 北 部 暖 水 区 的 暖 湿 空 气 在 西 南 低 压 和 变 性 高 压 外 围 环 流 的 共 同 作 用 下 平 流 到 粤 西 沿 岸 冷 水 区 而 形 成 的 属 于 王 图 海 雾 过 程 中 雾 ''. 分 布 与 气 流 轨 迹 实 心 方 框 和 空 心 方 框 分 别 表 示 日 时 日 时 期 间 有 雾 和 无 雾 等 值 线 日 的 日 平 均 ''. 分 布 单 位 点 线 日 时 和 $ 高 度 上 的 小 时 气 流 后 向 轨 迹,(. 4 #/ #!! ( 4''. 4! 0#3 &# 4 (#! ( 1 #.4 4 0 4# %% (!! ( 4! ( % &#1! $9'. # 9'. # & #4# # 4 1 (! ''. # 4 #24# # 2/& 04 #3 &#!! 0#9'. #??? 42$ (# 彬 华 定 义 的 平 流 冷 却 雾 图 分 别 给 出 了 海 雾 期 间 日 时 日 时 和 时 气 温 和 相 对 湿 度 廓 线 的 观 测 结 果 首 先 由 温 度 廓 线 可 见 雾 中 不 仅 有 高 度 达 到 $ 的 高 层 逆 温 而 且 也 有 明 显 的 近 海 面 贴 地 逆 温 虽 然 日 时 近 海 面 气 温 较 高 未 见 明 显 的 近 海 面 贴 地 逆 温 但 较 高 气 温 同 样 也 是 使 海 面 与 空 气 的 温 度 梯 度 加 大 逆 温 更 强 本 次 海 雾 有 典 型 的 强 暖 平 流 下 的 暖 海 雾 特 征 王 彬 华 但 湿 度 廓 线 显 示 雾 层 内 并 非 完 全 处 于 饱 和 状 态 结 合 能 见 度 可 知 雾 层 有 可 能 破 碎 为 低 云 并 出 现 短 暂 的 消 散 现 象 ) ( 海 雾 过 程 的 湍 流 热 通 量 由 图 可 知 本 次 暖 海 雾 过 程 主 要 出 现 在 月 日 两 天 由 于 设 备 原 因 观 测 数 据 并 不 完 全 连 续 考 虑 到 本 次 雾 过 程 的 连 续 性 和 天 气 型 的 相 似 性 本 文 选 择 海 雾 过 程 中 的 典 型 阶 段 作 为 分 析 重 点 雾 过 程 大 致 分 为 三 个 阶 段 日 时 后 能 见 度 逐 渐 下 降 至 日 时 下 降 到 $ 这 一 阶 段 作 为 海 雾 的 形 成 阶 段 日 时 后 能 见 度 由 $ 以 上 迅 速 下 降 到 $ 以 下 并 维 持 到 日 时 左 右 可 认 为 是 雾 的 发 展 维 持 阶 段 日 时 之 后 能 见 度 迅 速 增 大 到 $ 以 上 并 在 时 超 过 $ 作 为 雾 的 消 散 阶 段 由 雾 中 的 湍 流 热 通 量 变 化 图 可 知 在 形 成 阶 段 湍 流 热 通 量 均 为 稳 定 的 负 热 通 量 热 量 由 空 气 向 海 面 输 送 并 且 随 能 见 度 降 低 热 量 输 送 逐 图 海 雾 过 程 中 温 度 实 线 与 相 对 湿 度 虚 线 廓 线 日 时 / 日 时 & 日 时,(. %!!# $% # 4 4 #1 $4# 4 4 4 (#! ( 1 #9'. / 9'.&9'.

!"#$ % &'& & 卷 图 海 雾 过 程 中 的 能 见 度 与 热 通 量 时 间 序 列,(. #$!1 /# 4# /# #! - 4 (#! ( 1 # 渐 减 小 在 发 展 维 持 阶 段 初 期 的 湍 流 热 通 量 较 小 但 也 是 明 显 地 向 下 输 送 到 了 时 左 右 出 现 一 次 短 暂 的 强 向 下 输 送 日 时 开 始 出 现 第 二 次 强 向 下 热 量 输 送 并 持 续 到 时 左 右 时 间 长 达 小 时 值 得 注 意 的 是 时 出 现 了 第 二 次 强 向 下 热 量 输 送 后 日 时 左 右 能 见 度 明 显 增 大 并 出 现 近 海 面 气 温 上 升 相 对 湿 度 下 降 的 现 象 图 在 发 展 维 持 阶 段 的 后 期 即 日 时 以 后 湍 流 热 通 量 值 小 幅 波 动 但 仍 以 负 湍 流 热 通 量 为 主 在 雾 的 消 散 阶 段 湍 流 热 通 量 变 化 不 大 也 以 弱 向 下 输 送 为 主 在 冷 海 雾 的 形 成 和 消 散 阶 段 湍 流 热 量 输 送 由 空 气 向 海 面 输 送 而 在 发 展 维 持 阶 段 由 于 气 温 低 于 ''. 热 量 转 为 海 面 向 空 气 输 送, 4# # 从 本 次 暖 海 雾 过 程 的 观 测 结 果 来 看 虽 然 各 个 阶 段 的 湍 流 热 量 输 送 强 度 不 同 但 热 量 都 是 是 由 大 气 向 海 面 输 送 近 年 来 采 用 超 声 风 温 仪 等 高 精 度 设 备 的 观 测 结 果 也 证 实 了 冷 暖 海 雾 过 程 中 的 湍 流 热 量 交 换 存 在 明 显 的 差 异! # 9# 本 文 的 观 测 结 果 与! # 的 观 测 结 果 一 致 可 以 排 除 观 测 仪 器 造 成 的 不 确 定 性 ) ) 湍 流 热 通 量 的 余 谱 特 征 海 雾 中 的 湍 流 热 量 交 换 主 要 来 自 风 切 变 产 生 的 机 械 湍 流 和 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 产 生 的 热 力 湍 流 作 用 '# 为 了 分 析 两 种 不 同 性 质 的 湍 流 在 海 雾 过 程 中 的 作 用 本 文 首 先 对 湍 流 热 通 量 进 行 交 叉 谱 分 析 并 根 据 其 余 谱 特 征 区 分 不 同 阶 段 的 湍 流 的 性 质 由 图 可 见 在 雾 的 形 成 阶 段 个 时 次 的 湍 流 热 通 量 余 谱 在 频 率 分 布 上 比 较 接 近 谱 峰 值 都 位 于 频 率 D 附 近 向 下 热 量 输 送 主 要 是 由 于 频 率 大 于 的 高 频 湍 涡 贡 献 在 发 展 维 持 阶 段 的 初 期 图 / 日 时 的 热 量 输 送 虽 然 明 显 增 大 但 与 日 时 的 热 通 量 余 谱 特 征 接 近 谱 峰 值 仍 然 位 于 频 率 D 附 近 时 的 热 通 量 余 谱 显 示 既 有 高 频 湍 涡 向 下 的 热 量 输 送 也 有 低 频 湍 涡 向 上 的 热 量 输 送 两 者 共 同 作 用 使 总 热 量 输 送 趋 于 零 日 时 谱 宽 增 大 到 附 近 谱 峰 值 也 由 高 频 端 向 低 频 端 移 动 表 明 低 频 湍 涡 对 热 量 输 送 的 贡 献 开 始 增 大 到 了 日 时 图 & 谱 峰 值 移 动 到 D 附 近 低 频 湍 旋 的 贡 献 已 占 主 要 地 位 而 高 频 湍 涡 的 热 量 输 送 减 小 在 经 过 强 向 下 热 量 输 送 后 日 时 无 论 在 高 频 端 或 低 频 端 湍 涡 的 热 量 输 送 都 趋 于 零 而 到 了 时 高 频 湍 涡 的 热 量 输 送 又 重 新 恢 复 最 后 在 时 消 散 阶 段 图 4 不 仅 有 高 频 端 湍 涡 的 向 下 热 量 输 送 还 有 低 频 端 D 湍 涡 作 用 这 似 乎 与 太 阳 辐 射 增 强 导 致 的 雾 层 增 温 有 关 & 时 雾 已 完 全 消 失 此 时 基 本 上 是 高 频 湍 涡 的 热 量 输 送 本 次 暖 海 雾 的 形 成 消 散 阶 段 热 量 输 送 主 要 是 频 率 大 于 的 高 频 湍 涡 贡 献 时 间 尺 度 在 $ 以 下 发 展 维 持 阶 段 大 多 数 时 间 也 是 频 率 大 于 的 高 频 湍 涡 贡 献 但 日 时 的 热 量 输 送 主 要 是 频 率 分 布 在 之 间 的 低 频 湍 涡 作 用 时 间 尺 度 可 达 到 $ 根 据 典 型 的 湍 流 时 间 尺 度 风 切 变 产 生 的 机 械 湍 流 时 间 尺 度 在 $ 之 间 雾 或 层 积 云 中 热 力 湍 流 的 时 间 尺 度 为 $ '# 可 知 暖 海 雾

期 黄 健 等 华 南 沿 海 暖 海 雾 过 程 中 的 湍 流 热 量 交 换 特 征 7" #. /# # -& ( )$', ( 1 # ##!' # 图 海 雾 过 程 中 的 热 通 量 余 谱 形 成 阶 段 / & 发 展 维 持 阶 段 和 4 消 散 阶 段,(% &# $! # #! -4 (#! ( 1 #! $##( /&4 1 % ( $ # ( #( 444 %2 ##( 形 成 消 散 阶 段 的 热 量 输 送 主 要 与 风 切 变 湍 流 有 关 而 发 生 在 日 时 的 热 量 输 送 具 有 不 稳 定 条 件 下 热 力 湍 流 输 送 的 特 征 与 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 有 关 与 过 去 的 一 些 研 究 不 同 本 次 暖 雾 的 实 测 结 果 表 明 在 暖 海 雾 的 形 成 和 消 散 阶 段 风 切 变 湍 流 对 热 量 输 送 起 主 要 作 用 而 在 发 展 维 持 阶 段 既 有 风 切 变 湍 流 的 作 用 也 有 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 的 热 力 湍 流 作 用 在 量 级 上 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 导 致 的 热 量 输 送 远 大 于 风 切 变 的 输 送 热 量 ) * 湍 流 热 量 输 送 与 气 象 要 素 的 关 系 目 前 对 于 风 切 变 湍 流 在 暖 海 雾 中 的 作 用 已 有 比 较 一 致 的 看 法 但 对 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 在 暖 海 雾 中 的 作 用 认 识 还 很 少 由 于 观 测 条 件 的 限 制 本 次 海 雾 垂 直 结 构 的 观 测 时 间 分 辨 率 不 高 难 以 反 映 海 雾 中 复 杂 的 变 化 过 程 下 面 结 合 自 动 气 象 站 的 连 续 观 测 数 据 重 点 分 析 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 在 暖 海 雾 发 展 和 维 持 过 程 中 的 作 用 图 给 出 了 在 观 测 点 测 量 的 湍 流 热 通 量 和 自 动 气 象 站 观 测 的 气 温 相 对 湿 度 风 速 和 风 向 时 间 序 列 首 先 由 图 的 气 温 时 间 序 列 可 见 在 雾 的 发 展 和 维 持 阶 段 雾 层 中 的 气 温 变 化 异 常 日 时 前 气 温 变 化 与 常 见 的 气 温 日 变 化 规 律 基 本 一 致 日 时 后 雾 层 中 出 现 了 明 显 的 增 温 现 象 并 持 续 到 日 时 左 右 在 日 时 日 出 后 随 太 阳 短 波 辐 射 加 强 气 温 反 而 有 所 下 降 自 动 气 象 站 位 于 观 测 点 西 北 侧 约 $ 图 中 十 处 由 号 自 动 站 的 气 温 与 露 点 变 化 图 可 见 该 站 的 温 度 露 点 差 达 到 左 右 并 未 受 到 雾 的 影 响 日 时 后 气 温 和 露 点 也 都 出 现 明 显 的 上 升 现 象 日 时 后 虽 然 太 阳 短 波 辐 射 开 始 加 强 但 气 温 和 露 点 的 变 化 并 不 大 号 自 动 站 的 气 温 和 露 点 变 化 表 明 引 起 观 测 点 夜 间 气 温 上 升 的 主 要 原 因 是 由 于 来 自 海 上 的 暖 湿 空 气 平 流 输 送 有 所 加 强 而 日 时 后 观 测 点 的 气 温 变 化 还 与 雾 中 的 复 杂 物 理 过 程

!"#$ % &'& & 卷 图 海 雾 过 程 中 热 通 量 与 气 温 / 相 对 湿 度 & 风 速 4 风 向 的 时 间 序 列,(. #$!# / #! -1 # $% # / #1 $4# &0 4 % 4 440 44 &# 4 2 (#! ( 1 # 有 关 虽 然 观 测 点 受 暖 湿 平 流 增 温 效 应 的 影 响 仔 细 对 比 温 度 与 湍 流 热 通 量 的 关 系 仍 可 发 现 观 测 点 温 度 变 化 也 有 湍 流 热 量 输 送 的 贡 献 由 图 / 的 温 度 廓 线 可 见 虽 然 日 时 和 日 时 都 受 到 暖 平 流 的 影 响 但 日 时 近 海 面 气 温 比 日 时 上 升 了 近 同 时 还 出 现 相 对 湿 度 下 降 的 现 象 这 与 号 自 动 站 的 温 度 变 化 趋 势 明 显 不 同 图 另 外 自 动 气 象 站 观 测 的 气 温 变 化 也 可 见 图 当 时 出 现 强 热 量 输 送 时 气 温 随 之 显 著 上 升 而 热 量 输 送 减 弱 后 气 温 也 随 之 下 降 气 温 变 化 略 滞 后 于 热 通 量 这 与 号 自 动 站 气 温 变 化 趋 势 的 差 异 更 为 明 显 & 指 出 当 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 引 发 的 热 力 混 合 持 续 加 强 会 导 致 雾 顶 以 上 的 干 暖 空 气 夹 卷 进 入 雾 层 增 加 造 成 雾 层 内 气 温 上 升 湿 度 下 降 另 外 强 热 力 混 合 作 用 也 会 使 雾 层 的 热 力 性 质 趋 于 一 致 湍 流 活 动 减 弱 其 结 果 一 方 面 使 向 下 动 量 输 送 减 弱 风 速 减 小 另 一 方 面 也 使 热 量 输 送 减 弱 气 图 海 雾 过 程 中 自 动 气 象 站 测 量 的 气 温 实 线 和 露 点 温 度 虚 线 时 间 序 列,(.$!# $% # 444 02% # # $% # 4 4 $ 4# # $#&0 # ## 4 (#! ( 1 # 温 变 化 减 小 (4= 由 图 & 4 也 可 见 这 一 现 象 在 风 向 和 风 速 的 变 化 上 也 有 明 显 反 映 分 析 日 时 的 相 对 湿 度 与 热 通 量 的 关

期 黄 健 等 华 南 沿 海 暖 海 雾 过 程 中 的 湍 流 热 量 交 换 特 征 7" #. /# # -& ( )$', ( 1 # ##!' # 系 也 可 知 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 对 近 海 面 雾 层 起 到 一 定 的 降 湿 作 用 由 图 / 可 见 日 时 的 相 对 湿 度 变 化 与 热 通 量 有 很 好 的 对 应 关 系 当 日 时 出 现 强 热 量 输 送 时 相 对 湿 度 略 有 增 加 日 时 后 的 热 量 输 送 减 弱 相 对 湿 度 有 所 下 降 日 时 后 相 对 湿 度 下 降 在 日 时 的 垂 直 结 构 观 测 中 图 / 也 有 所 反 映 显 然 相 对 湿 度 的 变 化 与 暖 湿 平 流 的 关 系 不 大, 4# # 的 观 测 结 果 显 示 雾 顶 长 波 辐 射 的 冷 却 作 用 使 雾 顶 温 度 最 低 雾 滴 往 往 集 中 在 雾 顶 附 近 当 雾 层 中 的 热 力 混 合 较 强 时 雾 滴 也 随 之 向 下 输 送 雾 滴 蒸 发 可 使 雾 层 的 相 对 湿 度 维 持 在 一 定 的 水 平 但 垂 直 混 合 减 弱 后 雾 滴 向 下 输 送 减 少 必 然 导 致 蒸 发 量 减 少 相 对 湿 度 下 降 在 雾 发 展 维 持 阶 段 的 后 期 日 时 虽 有 太 阳 短 波 辐 射 的 加 热 作 用 但 雾 层 中 反 而 出 现 气 温 下 降 相 对 湿 度 上 升 的 现 象 图 / 低 云 和 近 海 面 层 存 在 湍 流 冷 却 作 用 有 可 能 是 这 一 现 象 出 现 的 主 要 原 因 一 方 面 干 暖 空 气 夹 卷 进 入 雾 层 可 使 雾 层 破 碎 形 成 低 云 另 一 方 面 日 出 后 雾 顶 入 射 短 波 辐 射 大 于 向 外 长 波 辐 射 也 可 导 致 雾 层 内 形 成 多 层 逆 温 使 雾 层 破 碎 (4 = 低 云 可 起 到 阻 挡 太 阳 短 波 辐 射 对 近 海 面 层 空 气 的 加 热 作 用 同 时 多 层 逆 温 也 将 水 汽 限 制 在 更 小 的 垂 直 范 围 内 & 当 近 海 面 风 切 变 加 强 时 湍 流 热 量 输 送 的 冷 却 作 用 有 可 能 使 近 海 面 空 气 又 达 到 饱 和 雾 重 新 恢 复 王 彬 华 认 为 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 对 暖 海 雾 起 到 降 温 作 用 常 常 使 暖 海 雾 的 雾 层 加 厚 雾 性 增 浓 本 文 的 实 测 结 果 表 明 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 虽 然 对 暖 海 雾 的 垂 直 发 展 起 到 一 定 作 用 但 同 时 也 对 雾 层 起 到 增 温 和 降 湿 作 用 * 讨 论 在 冷 海 雾 中 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 产 生 向 上 的 热 量 输 送 对 雾 层 起 到 冷 却 作 用 & 本 项 观 测 显 示 在 暖 海 雾 中 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 引 发 的 湍 流 热 量 输 送 无 论 在 输 送 方 向 还 是 在 作 用 效 果 上 都 与 冷 海 雾 相 反 对 于 这 一 现 象 的 出 现 原 因 迄 今 为 止 还 没 有 很 好 的 解 释, 4# # 和 = & # / 都 指 出 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 的 热 力 混 合 作 用 在 冷 海 雾 中 可 形 成 一 个 由 海 面 至 雾 顶 的 充 分 混 合 层 气 温 在 垂 直 方 向 上 呈 湿 绝 热 递 减 分 布 图 由 本 次 暖 海 雾 的 温 度 廓 线 图 可 知 近 海 面 雾 层 中 有 逆 温 现 象 即 在 强 暖 平 流 作 用 下 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 引 发 的 垂 直 混 合 有 可 能 只 形 成 一 个 非 充 分 的 混 合 层 根 据 暖 海 雾 结 构 示 意 图 图 / 以 暖 平 流 中 心 轴 为 界 可 将 非 充 分 混 合 的 雾 层 分 为 高 层 低 层 两 部 分 低 层 以 风 切 变 湍 流 的 热 量 输 送 为 主 由 大 气 向 冷 海 面 输 送 而 高 层 的 热 量 交 换 过 程 与, 4# # 描 述 的 冷 海 雾 过 程 类 似 即 雾 顶 附 近 的 冷 空 气 下 沉 暖 平 流 中 心 轴 附 近 的 暖 空 气 上 升 由 此 产 生 向 上 的 热 量 输 送 但 当 暖 平 流 加 强 时 暖 平 流 中 心 轴 附 近 的 气 温 与 雾 顶 附 近 的 气 温 梯 度 增 大 会 使 雾 层 内 稳 定 度 减 弱 热 力 垂 直 混 合 加 强 强 热 力 垂 直 混 合 的 作 用 一 方 面 可 引 发 雾 顶 以 上 干 暖 空 气 夹 卷 进 入 雾 层 另 一 方 图 冷 海 雾 示 意 图, 4# # / 暖 海 雾 示 意 图 '"9 湿 绝 热 递 减 率,( '& $#&4($!& 4! (4 1 4! $, 4# # 4/0$! ( /# 4 # % # # 4 '"9 # # 44/#&% #

!"#$ % &'& & 卷 面 也 对 暖 平 流 中 心 轴 附 近 的 空 气 产 生 向 下 的 强 迫 当 热 力 垂 直 混 合 导 致 的 暖 空 气 向 下 输 送 进 入 暖 平 流 中 心 轴 以 下 相 对 较 冷 的 雾 层 时 其 效 果 是 产 生 向 下 的 热 量 通 量 '# 并 使 近 海 面 雾 层 气 温 上 升 相 对 湿 度 下 降 + 结 论 本 文 根 据 年 月 日 一 次 暖 海 雾 过 程 的 湍 流 观 测 数 据 结 合 观 测 期 间 获 取 天 气 气 象 和 垂 直 结 构 等 数 据 分 析 了 暖 海 雾 的 宏 观 特 征 和 湍 流 热 量 交 换 特 征 并 在 区 分 风 切 变 机 械 湍 流 与 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 热 力 湍 流 输 送 的 基 础 上 着 重 分 析 了 两 种 不 同 性 质 湍 流 对 暖 海 雾 发 展 维 持 的 作 用 得 到 初 步 结 论 如 下 本 次 海 雾 是 在 西 南 低 压 和 变 性 冷 高 压 外 围 环 流 的 共 同 作 用 下 来 自 南 海 东 部 暖 水 区 的 暖 空 气 平 流 到 近 岸 冷 海 面 上 形 成 的 暖 海 雾 与 冷 海 雾 相 比 暖 海 雾 过 程 中 由 于 存 在 暖 平 流 的 作 用 雾 层 的 结 构 和 湍 流 热 量 交 换 机 制 更 为 复 杂 在 海 雾 的 形 成 消 散 阶 段 风 切 变 湍 流 的 热 量 输 送 起 主 要 作 用 而 在 发 展 维 持 阶 段 既 有 风 切 变 湍 流 的 热 量 输 送 也 有 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 热 力 湍 流 的 热 量 输 送 在 量 级 上 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 导 致 的 热 量 输 送 远 大 于 风 切 变 的 输 送 热 量 在 暖 海 雾 中 风 切 变 湍 流 由 大 气 向 海 面 输 送 热 量 对 近 海 面 空 气 起 到 降 温 和 增 湿 作 用 有 利 于 雾 的 发 展 和 维 持 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 导 致 的 热 量 输 送 方 向 上 与 风 切 变 湍 流 的 输 送 方 向 一 致 但 对 雾 层 起 到 增 温 和 降 湿 作 用 使 雾 趋 于 消 散 在 强 暖 湿 平 流 条 件 下 雾 顶 长 波 辐 射 冷 却 的 热 力 混 合 作 用 强 迫 高 层 暖 空 气 进 入 近 海 面 相 对 较 冷 的 雾 层 有 可 能 是 出 现 向 下 热 量 输 送 并 造 成 近 海 面 雾 层 增 温 降 湿 的 主 要 原 因 暖 海 雾 的 湍 流 热 量 交 换 机 制 与 雾 层 中 非 充 分 混 合 结 构 有 关 参 考 文 献,' &! #, 5 1 #(#! &#! &!& #! (4 (#% 4*4 9 4" '.! -% $ #&# 4 '.) 85 5.# 6 ($ ( 4! ( 1 # # ( 4 0! 4. & # #. & % 4/42 4 #! -% $ # 0 0 4 * "$ #' &, &> = 44 9 /#!$2! ( (#! # % # 2 '&%% 5 2 ## #!8&(% 9 ", 4# & ) & (*.! #2 # '& # 4 E ##' &, ( $ # ; " 2 1 #! (2 # $! -$ $ ## &6#5"1 ( ( 4& 42 # ## *4 29 # '(9(' * # " 1! ( 1 # 1 # ; 0'& " 4 $ & $ 4 ( "41 "#$'& #. "#$ % &*4 9 $2 /4( $/4( 7 1 # 6%% 何 云 开 黄 健 贺 志 刚 等 南 海 北 部 近 岸 春 季 海 雾 的 年 际 变 化 热 带 海 洋 学 报 ;( +( ( #5 # 2 1/#! % (! ( 1# ' # '!. %& 82 &(% 胡 瑞 金 董 克 惠 周 发 海 雾 生 成 过 程 中 平 流 湍 流 和 辐 射 效 应 的 数 值 试 验 海 洋 科 学 进 展 3 (= +,-$ & -% $ # 0## 41 &# # /& 44#! &# #! (! $# % & "41 & '& & =$ '4# &! 4 &#$ $ #! # /#! -4%!# #$ % &!& "#$ % &. &(. & = & 9 %%,9 0 4 (! ( # 7 '! & #4 ( # % 1 #!> = & *( " $# /, $# 1 #44 %#!& #! ( *4 29 # 9$/#'! (# & #! #*#2 # ( 8!& 6 /&# 8 9 %%, & # ( $$! (#' $ " ) ##" # ) #(" ) # ' 1&. &% %% 9 %%,, ( # 7 ' ) # #" 1 0 * "$ #' & 9# 95!&!! (##!&#4# /#! -1 # &'.5 ## #!$ # 2 ( #7%% 7 1 # 9 0= & 4$ 4=. '! (& # 7 # 4= (4 $ 47 # 4'## " # & & 4 ( # * "$ #' & & '. 4 $&! ## & $"&!# / 12

期 黄 健 等 华 南 沿 海 暖 海 雾 过 程 中 的 湍 流 热 量 交 换 特 征 7" #. /# # -& ( )$', ( 1 # ##!' # # 4& $% 0#$- 4 $ 4 E # #' & 6 %% )9 '. % #%$# $ ##! 4/4 #.! 6< & ( ) #.! $#!$2! ( 4# 4 1 %$ #!! (2 ## # $(# 2! & # "%%# &). *& # / &, (6#?.! $#4 4 %#!! ( ) # 4 *.! &#!# /&! (! $#. 2 (6= & 4#1 #! 4# /& # & 42# %% 4$ #$ % &/4 "#2 $'& '& %%6 9 & & ; &6 5 #, #% # % 4&#! &! -! $ #&#!# 4! # *4 29 # '# * " 5 # 4 &# # *4 9 # ( 4 &#= 0 "&4 $&6 / %%.5.! $#!! ( 4$ # E # #' & 王 彬 华 海 雾 北 京 海 洋 出 版 社 %% ) (* 2 ', ( * 3 ( 8& 6 %% 周 发 刘 龙 太 长 江 口 及 济 州 岛 邻 近 海 域 综 合 调 查 报 告 海 雾 山 东 海 洋 学 院 学 报 +,- 9 9 (#. % #!& $% 1 1 #(#! # 43& #!# $ #! (3 ( 1 4 3 5 2 4'! ( "&#' 4 (5 ## #!8&(%