山東半島東端毗鄰海域冬季海霧的季節內分布特征與變化規律

塔 娜,方 越,劉寶超,孫雙文,王輝武

(1.中國海洋大學海洋與大氣學院,山東青島266061;2.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061;3.青島海洋科學與技術國家實驗室區域海洋動力學與數值模擬功能實驗室,山東青島266061)

山東半島東端毗鄰海域冬季海霧的季節內分布特征與變化規律

塔 娜1,2,方 越2,3*,劉寶超2,孫雙文2,王輝武2

(1.中國海洋大學海洋與大氣學院,山東青島266061;2.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061;3.青島海洋科學與技術國家實驗室區域海洋動力學與數值模擬功能實驗室,山東青島266061)

山東半島東部耳狀鋒面區的冬季海霧是一個重要但被忽視了的海氣相互作用現象。利用AVHRR Pathfinder Version 5.2數據中SST資料的質量數值,通過轉換和歸一化處理,簡單有效地提取了耳狀鋒面區海霧的覆蓋區域和海霧強度的信息。結果顯示海霧的空間分布與耳狀鋒面非常一致,亦呈現“耳狀”,其覆蓋面積和強度存在顯著的季節內變化。海霧一般開始出現于12月的上旬,位于耳狀鋒面南段的海域。之后,海霧的覆蓋區域迅速北擴,覆蓋面積不斷增大且強度不斷增強,并于2月達到峰值后進入衰減期,至3月下旬基本消失。海霧的季節內變化與冬季風風速、黃海西側沿岸流、黃海暖流的季節內變化及它們之間的超前/滯后關系密切相關。海霧強度的主軸位置相對比較固定,位于40～50 m等深線附近,沒有顯著的季節內變化,其原因是耳狀鋒面的主軸位置受控于水深分布,不隨時間變化。本研究所建立的提取海霧關鍵信息的方法以及海霧與季風、環流、耳狀鋒面這三者的相互關系還需要觀測和數值模擬的進一步驗證。

海霧;黃海;季節內特征;溫度鋒面;AVHRR

黃海是一個位于中國大陸和朝鮮半島之間的半封閉淺海,水深分布總體上呈現出東西兩側較淺而中部較深的特征。冬季在強烈北風和表面冷卻的共同作用下黃海基本是一個正壓的海洋,海水溫度在垂向分布上相對均一,此時的密度流很弱,冬季風是主要的驅動力。在這個季節中,海水溫度主要受海水熱慣性的影響,其水平分布特征與水深的水平分布基本一致[1]。因此,水深變化劇烈的地方通常也是溫度水平梯度大、溫度鋒面出現多的海域。當黃海東西兩側沿岸海水在北風作用下向南流動時,在黃海深水區(主要是黃海槽西側)會形成一支補償性質的北向海流,即黃海暖流[2-5]。黃海暖流與沿岸流的交匯是除了上述“熱慣性機制”之外冬季黃海存在豐富而又空間分布復雜溫度鋒面的另外一個重要機制。在形成的溫度鋒面中,位于山東半島東部的鋒面無論是在空間尺度上還是強度上都最為顯著。根據其水平分布特征通常被稱為耳狀鋒面,也是被稱為N-型鋒面的東段[6-9]。

海霧是黃海海域一種常見的海氣現象,并且在春季和夏季最為顯著。在春季,海陸溫差是海霧形成的一個關鍵機制,此時陸地增溫比海洋快,當海面風場由冬季北風逐漸轉為西南風控制時,陸地的暖空氣被輸送到黃海西部。由于海面溫度相對較低,在海面上100～350 m的大氣邊界層形成逆溫層,有利于平流霧的形成[10]。在夏季,黃海海面風場主要以南風為主,溫暖潮濕的空氣由東海輸送至黃海。與此同時,黃海受潮流混合作用的影響,形成多個冷區。當暖濕空氣到達冷區上方時,在大氣邊界層同樣形成了逆溫層,在湍流混合作用下達到露點而形成海霧[11]。黃海冬季海霧的發生由于其范圍和強度遠不及春季和夏季海霧,因而常常被忽視。海霧極易發生的另一個區域是冷、暖水交匯區,即海溫鋒面區,一個很好的例子就是黑潮區的北側。其實,在山東半島東端毗鄰海域冬季也存在著這樣一個區域——耳狀鋒面區。水溫較高的黃海暖流導致耳狀鋒面東側蒸發強烈,增加了空氣中的水汽含量,當暖濕空氣被海表面風輸送至鋒面西側時,氣溫在湍流混合作用下迅速降至露點溫度。與此相似,當黃海西側沿岸流上空的冷空氣平流至黃海暖流表面時,黃海暖流表面的暖濕空氣也會被冷卻[12]。這兩個過程都將導致海霧的形成。

1 耳狀鋒面區海霧面積及強度的探測方法

衛星接收到的輻射決定于水汽含量,大氣中水汽含量越多,發射的輻射越小;水汽含量越少,大氣低層的輻射越可以透過水汽到達人造衛星,則人造衛星接收的輻射越大。在水汽圖上,色調越白,輻射越小,水汽越多;否則越少。以鋒面最強的2月為例,圖1給出的是2007-02黃海不同時間MTSAT-2提供的水汽分布衛星圖片,發現在黃海西側無論晴空或是存在云霧的情況下,耳狀鋒面上空均存在一個水汽含量明顯偏高的耳狀區域。這就說明黃海西側氣象條件對耳狀鋒面上空水汽含量偏高的影響不大,耳狀鋒面上空水汽含量持續偏高最合理的解釋就是該區域在冬季長期存在由鋒面引起的海霧。而海霧的存在將會對衛星探測SST的數據質量造成明顯的影響,下面本文將利用衛星觀測SST時產生的數據質量數值來探測和估算山東半島東端毗鄰海域冬季海霧的面積和強度,并分析其季節內和年際分布特征與變化規律。

圖1 2007-02海霧分布情況Fig.1 Distribution of sea fog in February 2007 based on MTSAT-2 satellite

由于海霧的光學輻射特征與晴空有顯著的不同[13],耳狀鋒面區海霧的形成會對衛星獲取的SST數據造成“污染”,從而降低SST的數據質量。本文使用的數據來自AVHRR Pathfinder Version 5.2(PFV5.2)[14],該數據可以通過美國國家海洋數據中心(NODC)和GHRSST(http:∥pathfinder.nodc.noaa.gov)的同時也給出了數據的質量數值,其變化范圍為0～5,其中0代表數據質量最差,5為質量最優。這樣我們就可以通過質量數值的大小來估計海霧情況。將海霧強度F定義為

式中,Q代表SST的質量數值。根據該算法可知,F的變化范圍為0～5,其中0代表晴空(或無海霧),5代表濃霧。圖2所示的是4個比較有代表性月份的F分布圖。由于冬季黃海處于西伯利亞高壓的控制之下,黃海上空尤其是黃海西側(包括耳狀鋒面區)在這個季節以晴空為主,這一特征在圖2中也有很好的體現。雖然耳狀鋒面區毗鄰陸地,但從圖中可以看出陸地的干擾僅限于陸地邊緣很窄的區域,這樣我們就可以合理地假設耳狀鋒面區F的大值主要是由于海霧導致的。由圖2可見,在山東半島東端毗鄰海域耳狀鋒面區存在一個狹長的F高值區,這也證實了通過SST數據的質量數值探測耳狀鋒面區海霧的可行性。

圖2 代表性月份F的分布特征Fig.2 Distribution of F of four typical months

在某些時候(如圖2b和圖2d),由于大氣環流異常致使F值整個海域普遍升高,這就加大了用同一固定標準探測海霧的難度。為了降低背景場對耳狀鋒面區海霧探測的影響,我們對F做歸一化處理:

圖3 代表性月份F norm分布圖Fig.3 Distribution of F norm of four typical months

圖4 通過F norm提取的代表性月份的海霧區域及強度分布Fig.4 Spatial coverage and intensity of sea fog extracted from F norm of typical months shown in Fig.3

2 耳狀鋒面區海霧的季節內變化特征

為了研究耳狀鋒面區海霧覆蓋面積和強度的特征變化,我們首先利用PFV5.2 1982—2011年的SST質量數值計算氣候態的每10 d平均的F場,并通過本文第1節介紹的方法和標準提取海霧信息。這樣的處理可以最大限度的減小諸如云層干擾、天氣變化等短時間天氣變化對耳狀鋒面區域SST質量數的影響。數據的處理結果顯示,海霧最早出現在12月上旬并可持續至次年3月下旬(圖5)。

12月初海霧形成于山東半島東側海域,中心位置在123°00'E,36°30'N附近,此時海霧的覆蓋面積小且強度弱。海霧出現的時間和位置與文獻[8]計算得到耳狀鋒面初步形成的時間和位置十分吻合,這實際上也從另外一個側面反映了這一海域海霧與耳狀鋒面之間的聯系。由于東亞冬季風開始形成于10月,而這一海域的海洋環流通常比季風滯后約1個月,所以冬季的海洋環流基本上是在11月開始形成。此時,黃海暖流作為南向沿岸流的補償流仍處于形成初期,僅對黃海低緯度海區有影響。在隨后的一個月中,也就是12月份,黃海暖流迅速向北延伸,影響范圍逐步達到黃海中部。當黃海暖流攜帶的暖水開始與沿岸流攜帶的冷水在山東半島東南側交匯時,溫度鋒面便開始形成[15](圖5),這也恰好吻合海霧出現的時間和位置。隨著黃海暖流繼續向北延伸至黃海北部,溫度鋒面也不斷向北擴展,同時強度增加。反映到海霧的形成上也有類似的特征,這在圖6中12月中旬和下旬的海霧分布圖上得到了很好的體現,此時海霧最強位置仍位于鋒面南段。

圖5 1982—2011年AVHRR PFV5.2計算得出的2月SST的分布特征和山東半島附近黃海冬季的流系分布Fig.5 Climatological SST distribution of February based on AVHRR PFV5.2 from 1982—2011,and schematic circulation pattern of the Yellow Sea in winter

12月冬季風在黃海達到強盛時期,環流的滯后使得黃海暖流和黃海西側沿岸流都在1月達到最強。由于耳狀鋒面強度的季節內變化主要受這兩支海流攜帶至此的海水溫度差異影響,因此最強的耳狀鋒面也應該出現在這個時期。為了找出耳狀鋒面空間分布和強度的季節內演變特征,我們采用了“重力法”[17]對PFV5.2的SST數據進行計算得到了12月至翌年3月每10 d的鋒面情況(圖7)。從圖中可以看到,耳狀鋒面最強的時間的確是在1月,此后逐漸減弱并在3月下旬基本消失。1月海霧的面積和強度都進一步擴大和加強,一個重要的特征就是,這一時期海霧強度的最強位置開始由鋒面中段逐漸向北段移動。這是由于黃海西側沿岸流所攜帶的冷水主要形成于渤海中西部的渤海灣和萊州灣,冷水最終達到耳狀鋒面區有一定的時間滯后(根據Fang的結果[18]估算大約需要半個月左右的時間)。所以,這種海霧最強中心的北移實際上是黃海西側沿岸流的作用所導致的。

圖6 由氣候態10 d平均F norm計算得到的海霧的季節內變化Fig.6 Intra-seasonal evolution of sea fog derived from the climatological 10-day averaged F norm fields

圖7 由氣候態10 d平均SST通過“重力法”計算得到的耳狀鋒面的季節內變化Fig.7 Intra-seasonal evolution of the ESTF derived from the climatological 10-day averaged SST

值得注意的是,盡管耳狀鋒面在2月中旬已經開始減弱,但是海霧的強度在這期間仍繼續增強。這里需要考慮的一個重要因素就是冬季風風速變化對海霧持續時間的影響。一般來說,低風速有利于海面大氣邊界層逆溫層的形成和維持,也就是說,相同強度的鋒面低風速時對海霧形成有利,而較高風速對海霧形成不利同時還會使已形成的海霧消散。我們知道,黃海冬季風最強出現在12月,之后不斷減弱。所以相對于1月,2月的耳狀鋒面雖然已開始減弱,但風速的減弱對海霧強度的增強作用更為顯著,導致此時期海霧強度繼續增強。而在3月這個接近于季風轉換期的時間,風場雖然有時并不弱于冬季,但是這一時期風場的風向發生了改變,變化的風向不利于形成耳狀鋒面的黃海西側沿岸流和黃海暖流的加強,所以這一時期鋒面強度逐漸減弱,與之相關的海霧也會逐漸消散。這使得海霧強度的季節內變化滯后于耳狀鋒面強度的變化。

為了更清楚的看到耳狀鋒面強度變化和海霧強度變化之間的超前/滯后關系。我們定義海霧強度指數為

式中,N為所提取的海霧覆蓋區的格點總數,也可以用于代表海霧覆蓋區的面積。通過計算我們得到了耳狀鋒面強度指數和海霧強度指數的季節內變化(圖8)。圖中結果與前文分析所得結果一致。

圖8 耳狀鋒面強度指數和海霧強度指數的季節內變化Fig.8 Intra-seasonal evolution of the intensity of the ESTF index and sea fog index

耳狀鋒面區的海霧除了在覆蓋面積和強度上存在季節內變化外,其主軸位置也存在變化。為了抓住主軸變化最主要的特征,我們對海霧覆蓋區域在不同緯度上強度最大點的連線進行了三次曲線的擬合。圖9所示為海霧最強的3個月(1—3月)在1982—2011年的主軸分布圖和月平均主軸分布圖。從圖中可以看出,主軸的形狀在各個月基本保持不變,其位置在各個月也比較穩定,不論是在東西向還是南北向其變化幅度均在0.5個經緯度范圍以內。就各月的平均主軸而言(圖9d),其形狀和位置十分一致,分布在40～50 m等深線之間,主軸線的中段更靠近40 m等深線。

耳狀鋒面區海霧分布的主軸為什么沒有像海霧強度或面積那樣有顯著的季節內變化?從海霧形成的最根本機制來說,海霧是耳狀鋒面的一個產物,因此海霧分布的主軸位置和形狀應該與耳狀鋒面的主軸位置和形狀相關聯。耳狀鋒面的形成與黃海熱慣性空間分布特征和環流分布特征密切相關,冬季的黃海是一個近似正壓的海洋,黃海熱慣性空間分布基本上取決于水深的分布,是不隨時間變化的。而在山東半島東部海域,水深梯度變化最大的地方恰恰也就是30～60 m等深線的區域。與耳狀鋒面相關的冬季環流是黃海西側沿岸流和黃海暖流,黃海暖流的路徑取決于黃海的水深分布[3,5,16]。由于黃海暖流是沿岸流的補償流,所以當其中一支增強(或減弱)時,另一支也必然增強(或減弱)。因此,從動力平衡的角度來看,這兩支流系的交匯位置也基本取決于水深的分布。從以上分析我們得出,耳狀鋒面的形狀與山東半島東部海域變化梯度最大的等深線走向基本一致,其位置理論上不會有顯著的變化。這就解釋了為什么海霧分布的主軸沒有顯著的季節內變化。

圖9 海霧主軸各個月份在1982—2011年的分布情況Fig.9 Variability of main axis of sea fog in winter from 1982 to 2011

3 結 語

山東半島東部耳狀鋒面區冬季海霧的形成、分布和變化是一個重要但被忽視了的海氣相互作用現象。根據已有的研究成果,該區域的海霧主要是由于鋒面的存在而導致的,屬于平流霧的一種。本文利用PFV5.2數據中SST資料的質量數值,通過轉換和歸一化處理,簡單有效地提取了耳狀鋒面區海霧的覆蓋區域和海霧強度的空間分布。

海霧的空間分布與耳狀鋒面非常一致,亦呈現“耳狀”。海霧的出現有很強的季節性,其覆蓋面積和強度存在顯著的季節內變化。海霧一般開始出現于12月的上旬,位于山東半島的東南端毗鄰海域,即耳狀鋒面南段的海域。該月海霧的覆蓋區域迅速向北擴展,強度不斷增強,但強度最大區域仍位于耳狀鋒面的南段。進入次年1月,海霧的控制區域進一步擴大,強度進一步加強,強度最大區域逐漸北移,并且在2月達到峰值。此后,海霧進入衰減期,覆蓋面積減小,強度減弱,并在3月下旬基本消失。不過,在衰減期,海霧的最大強度位于耳狀鋒面區的北側。海霧的季節內變化與冬季風風速、黃海西側沿岸流、黃海暖流的季節內變化以及它們之間的超前/滯后關系密切相關。海霧強度最強出現在2月,滯后于耳狀鋒面達到最強的時間大約一個月,這與海面風速的變化有關。海霧強度的主軸位置相對比較固定,分布于40～50 m等深線區域,沒有顯著的季節內變化。這主要是因為耳狀鋒面的主軸位置在熱力和動力方面受控于水深的分布,不隨時間變化。

盡管本研究所建立的提取海霧關鍵信息的方法在實際應用中是有效的,但仍然缺乏相關理論的支持。這里涉及的主要問題包括:鋒面強度和海霧強度的關系究竟是怎樣的?海霧影響質量數值的關系是否是線性的?背景場的變化對耳狀鋒面區海霧的形成產生怎樣的影響?等等。這些問題還需要理論和現場觀測相結合,進行深入的研究。此外,盡管季風、環流、耳狀鋒面這三者的相互關系和它們超前/滯后的關系可以很好地解釋海霧強度的季節內變化,但仍然缺少對其中物理過程的深入認識,因此將來開展相關數值模擬的研究也是十分必要的。

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Seasonal Characteristics and Variability of Sea Fog to the East of the Shandong Peninsular During Wintertime

Tana1,2,FANG Yue2,3,LIU Bao-chao2,SUN Shuang-wen2,WANG Hui-wu2
(1.College of Oceanic and Atmospheric Sciences,Ocean University of China,Qingdao 266061,China;2.The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China;3.Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266061,China)

Sea fog formed due to the ear-shaped thermal front(ESTF)to the east of the Shandong Peninsular in winter is an important but neglected air-sea interaction phenomenon in the Yellow Sea.In present study,quality numbers provided with the SST of the AVHRR Pathfinder Version 5.2 data can be used to represent the coverage and intensity of sea fog by simply conversion and normalization.Results show that the spatial distribution of sea fog,just like the ESTF,also demonstrates an ear-shape,and its coverage and intensity shows remarkable intra-seasonal variation.The sea fog usually appear in early December above the southern segment of the ESTF.Its coverage extends northward in the following months with intensity increased rapidly and peaks in February and decays in March.The intra-seasonal variability of the sea fog is closely linked to variation of the East Asian monsoon,coastal currents in the western Yellow Sea,and the Yellow Sea Warm Current as well as their lead/lag relationships.Axis of the sea fog basically follows the isobaths of 40～50 m and shows little intra-seasonal variability.This is because the axis of the ESTF is mainly controlled by the distribution of bathymetry of the Yellow Sea,which is independent of time.The method established for extracting the information of the sea fog and the relationship between the sea fog and the monsoon,circulation,ESTF need to be further investigated by observational measurements and numerical simulations.

sea fog;Yellow Sea;seasonal variability;thermal front;AVHRR

May 26,2016

P732

A

1671-6647(2017)04-0483-12

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.04.005

2016-05-26

國家自然科學基金項目——東亞季風年代際變異對黃海暖流及局地海-氣相互作用的影響(41576028);國家自然科學基金委員會-山東省人民政府聯合資助海洋科學研究中心項目——海洋環境動力學和數值模擬(U1606405)

塔 娜(1988-),女,內蒙古臨河人,博士研究生,主要從事海洋環流、氣候變化方面研究.E-mail:tana@fio.org.cn

*通訊作者:方 越(1970-),男,山東青島人,研究員,博士,主要從事海氣相互作用方面研究.E-mail:yfang@fio.org.cn

(李 燕 編輯)