2015年4月一次穿過東海黑潮鋒大氣邊界層高度變化的觀測分析*

霍志麗，張?zhí)K平**，郭九華,2，龍景超

(1.中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點實驗室 海洋-大氣相互作用與氣候重點實驗室，山東 青島 266100；2.臺州市氣象局，浙江 臺州 318000)

海洋上空的海洋大氣邊界層(Marine Atmospheric Boundary Layer，MABL)是直接受海洋影響的氣層，對海表面強迫有明顯的響應(yīng)。動量、熱量和水汽等在自由大氣和海洋下墊面之間的MABL中進(jìn)行快速的輸送交換，是海洋向大氣傳輸能量的重要通道。MBAL垂直結(jié)構(gòu)的變化不僅影響海洋上空的云霧、風(fēng)、降水等天氣現(xiàn)象，同時也對海洋水文氣象環(huán)境有重要影響。隨著人類海上活動越來越多，對MABL的研究得到更多的關(guān)注。

東海是中國重要經(jīng)濟活動區(qū)，探究該海區(qū)海上大氣邊界層(MABL)變化的物理機制有著非常重要的意義。東海位于東亞季風(fēng)區(qū)，由冬至初夏，東海黑潮與其北面的陸架冷水之間形成明顯的海表面溫度梯度，我們稱之為東海黑潮鋒[1]。東海黑潮鋒對氣旋活動路徑、云/雨帶位置等有一定的作用[2-4]。對比夏季與春季黃東海MABL特征時發(fā)現(xiàn)，在春季，MABL中的近海面氣塊來自海洋，氣溫低，較高層(大約925 hPa)氣塊來自陸地，屬性干暖，兩層氣塊在黃海西南部疊加產(chǎn)生強的逆溫層，而夏季MABL中的氣塊都來自海洋，逆溫層強度減弱[5-6]。黃東海大氣邊界層存在著明顯的季節(jié)與空間變化特征，即春夏低于秋冬、西北低于東南[7]。但這些研究多集中于東海黑潮鋒的氣候?qū)W效應(yīng)。

海洋鋒區(qū)域是指海表面溫度(SST)急劇變化的海區(qū)。海洋鋒對大氣的影響在海-氣相互作用領(lǐng)域一直受到高度關(guān)注[8-11]。海洋鋒通過改變MABL的內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響海洋鋒兩側(cè)的云高、云狀[12-14]。當(dāng)梅雨鋒位于黑潮延伸體海洋鋒的不同位置(南北兩側(cè))時，MABL的結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，當(dāng)鋒面位于海洋鋒南側(cè)時，海面受北風(fēng)影響，低云在逆溫層下生成；當(dāng)鋒面位于海洋鋒北側(cè)時，海面受西南風(fēng)影響，有利于海霧的生成[15]。

但是由于觀測手段的局限，對該海域MABL的海上實際觀測非常少。孔楊等[16]通過使用船載GPS探空數(shù)據(jù)的研究表明，負(fù)的海氣溫差(海溫與氣溫的差即SST-SAT)一般會伴隨穩(wěn)定大氣邊界層，并且大氣邊界層的日變化較陸地小，暖區(qū)一側(cè)的大氣邊界層頂高度與海氣溫差大小有較強的相關(guān)性。研究表明，下墊面是大氣邊界層的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的重要因素。張?zhí)K平等[17]通過對黑潮延伸體海洋鋒上一次層積云的觀測指出，在海上低壓槽后部西北風(fēng)控制下，在海洋鋒的暖水側(cè)(下風(fēng)方)形成熱通量大值中心和低壓槽，有助于高空西風(fēng)動量下傳，進(jìn)而又使得海氣界面熱通量增加，這種正反饋效應(yīng)為MABL內(nèi)混合層厚度加大和云底/頂高度在海洋鋒的下風(fēng)方升高提供有利背景條件，為天氣尺度下海洋鋒對大氣影響的機理提供了參考。此次東方紅2號科考船在穿過東海黑潮鋒時，觀測到了一次云的發(fā)展與云量減少的過程，同時也伴隨著MABL頂高度的變化，那么是什么原因造成了云和MABL的變化呢？云與MABL之間又存在什么樣的關(guān)系呢？本文通過觀測分析結(jié)合再分析資料，討論導(dǎo)致此次云與MABL變化的原因及兩者之間的可能關(guān)系。

1 資料來源及方法介紹

1.1 船測資料

“東方紅2號”科學(xué)考察船上的各氣象及海洋探測的儀器。包括XZC6-1型船用自動氣象儀、北京長峰微電科技有限公司所研發(fā)的，型號為AF-06-A型GPS探空儀等，數(shù)據(jù)說明如下：

(1)GPS探空儀可以用來探測船面至高空的溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、濕度等要素的垂直分布，分辨率為10 m，經(jīng)過對數(shù)據(jù)的處理以此分析大氣的垂直結(jié)構(gòu)。

(2)將時間分辨率為10 s的自動氣象站固定于頂層甲板，隨船走航進(jìn)行連續(xù)觀測。主要運用觀測的氣溫(SAT)、氣壓(P)、風(fēng)、濕度等對走航過程中不同經(jīng)緯度的近海表面氣象要素的連續(xù)變化進(jìn)行分析。

(3)用芬蘭維薩拉公司 CL31云高儀連續(xù)觀測數(shù)據(jù)可以得到云底高度、大氣邊界層頂高度等，輸出時間間隔16 s；同時，進(jìn)行的實際走航觀測，每隔1小時人工記錄天氣實況，如能見度、天氣現(xiàn)象、云狀云量等，結(jié)合云高儀確定云狀、云量。

(4)SBE56型海水溫度測量儀，深度為2 m左右，時間間隔為30 s。海水溫度(SST)與用自動氣象站測得的氣溫(SAT)數(shù)據(jù)進(jìn)行海氣溫差的計算。

1.2 再分析數(shù)據(jù)和衛(wèi)星資料

(1)歐洲中心ECMWF(Europe Center for Medium Weather Forecasts)提供的ERA-Interim再分析資料，空間網(wǎng)格點為0.125°×0.125°，用于天氣背景形勢和氣象要素場的分析。將文中所用6個時刻探空資料與對應(yīng)時刻對應(yīng)區(qū)域的再分析資料進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，兩者基本相符，因此再分析資料可以使用(圖略)。

(2)美國國家海洋和大氣管理局NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)提供的OISST(Optimum Interpolation Sea Surface Temperature)日平均資料數(shù)據(jù)，空間網(wǎng)格點為0.25°×0.25°，用于分析海氣界面熱通量的空間分布。

(3)MTSAT(The Multi-functional Transport Satellite)可見光云圖，分辨率為1 km，對云區(qū)的范圍進(jìn)行判別。

1.3計算方法

(1)本文中將位溫梯度最大的高度定義為MABL的高度[18]。

(2)感熱通量和潛熱通量應(yīng)用航線上實測數(shù)據(jù)通過COARE Bulk Flux Algorithm 3.0a[19]的計算方法得到熱通量。

(3)抬升凝結(jié)高度估算公式為：zc≈123(T0-Td0)。T0和Td0分別為地面的氣溫和露點。

2 天氣形勢

2.1 天氣背景和航線

2015年春季，“東方紅二號”考察船對東海黑潮海洋鋒海區(qū)進(jìn)行了科學(xué)考察。本文選取了2015年4月2日12BJT至2015年4月3日12BJT為研究時段。在研究時段內(nèi)航線區(qū)域受海上高壓后部西南氣流控制(見圖1(a)(b))，西南風(fēng)將暖濕空氣向北輸送(見圖1(c))。高空500 hPa為高壓脊，天氣天氣形勢比較穩(wěn)定(見圖1(d))。此航段內(nèi)，船為西北-東南走向(圖1中藍(lán)色點為釋放探空氣球A1到A8的位置)，穿越了海洋鋒(見圖1中黑框)，順船行駛方向，由低海溫駛向高海溫(海溫由18 ℃左右變?yōu)?3 ℃左右)，海溫在航線內(nèi)升高了將近5 ℃。

2.2 衛(wèi)星云圖分析

根據(jù)可見光云圖，自4月2日12BJT開始(見圖2(a))，在航段內(nèi)晴朗少云，人工觀測為晴，隨著時間的推移，云系逐漸增加，4月3日08BJT(見圖2(c))，處于東海黑潮鋒暖水測的航線上空一直有云層的覆蓋，對應(yīng)人工觀測為層積云，云量為8/10，云系一直維持，直到4月3日12BJT(見圖2(d))。之后船駛出海洋鋒區(qū)。

(綠色點為航線位置,黑框為本文關(guān)注的東海黑潮區(qū)域。The greendots denote the location of the line.The black box denote the Kuroshio Front in the East China Sea in this paper.)
圖1 (a)2015年4月2日14BJT地面天氣圖；(b)2015年4月3日11BJT地面天氣圖；(c)2015年4月2日到3日OISST(℃，填色)、海平面氣壓場(hPa，等值線)及10 m風(fēng)場(風(fēng)矢量，m/s)；(d)2015年4月2日到3日平均的500 hPa位勢高度場(gpm，等值線)，風(fēng)場(m/s，矢量箭頭)
Fig.1 (a)Surface circulation pattern in 14BJT 2ndApril，2015 ;(b)Surface circulation pattern in 11BJT 3ndApril，2015;(c)Sea surface temperature (℃,shaded),sea level pressure(hPa,contours)and 10 m wind(vector,m/s)above sea level in 2ndto 3rdApril，2015;(d)500 hPa geopotential height(gpm ,contours)and wind (vector,m/s)in 2ndto 3rdApril,2015

((a)2015年4月2日15 BJT；(b)3日08BJT；(c)3日10BJT；(d)3日12BJT。紅色線段船所在位置。(a)15BJT2ndApril，2015；(b)08 BJT 3rdApril，2015；(c)10 BJT 3rdApril,2015；(d)12 BJT 3rdApril，2015.The red lines denote the location of the line.)
圖2 MTSAT可見光云圖
Fig.2 Visible images from MTSAT satellite

3 走航分析

在此段航線內(nèi)，船穿越東海黑潮海洋鋒面(見圖3(a)中A2-A6)。2日15BJT至3日00BJT之間，SST持續(xù)上升，在177 km內(nèi)從18 ℃上升至23 ℃，變化了5 ℃左右(見圖3(f)(g))，表明是東海黑潮鋒的位置。3日00BJT以后，進(jìn)入海洋鋒的暖水一側(cè)，SST維持在24 ℃左右。在穿越海洋鋒過程中，SST-SAT由明顯負(fù)值逐漸接近0 ℃，海氣界面穩(wěn)定度變?nèi)酢穸茸兓砻鳎瑵駥?相對濕度>85%)在冷水側(cè)出現(xiàn)在30 m的高度，甚至貼近了海面，濕層的厚度為300 m。在暖水側(cè)，濕層出現(xiàn)在600 m，濕層的厚度為500 m。結(jié)合衛(wèi)星和云高儀的觀測可知，暖水區(qū)的高濕層與低云相對應(yīng)，低云頂高度在1 000 m左右，為MABL頂?shù)母叨?。暖水一?cè)云的發(fā)展可能與穩(wěn)定度的減弱，MABL中湍流混合的加強有關(guān)[13-14,20]。

圖3 (a)沿航段動能(藍(lán)色等值線，J/m3))、位溫(黑色等值線，K)、相對濕度(填色圖，%)、風(fēng)(矢量，m/s)GPS探空垂直剖面圖；(b)感熱通量(W/m2)；(c)潛熱通量(W/m2)；(d)氣壓(hPa)；(e)風(fēng)(矢量，m/s)；(f)實測氣溫(黑色線，℃)、海溫(藍(lán)色線，℃)；(g)海氣溫差(紅色線，℃)Fig.3 (a)Longitude-height section of kinetic energy (blue contours,J/m3),potential temperature(black contours at 1-K intervals),wind (vectors,m/s)and relative humidity (%,shaeded)observed by GPS shipboard marine meteorological observations for A1 to A8;(b)Sensible heat flux(W/m2);(c)Latent heat flux(W/m2);(d)Pressure(hPa);(e)Wind (vectors,m/s);(f)SAT(black line,℃),SST(blue line,℃); (g)SST-SAT(red line,℃)

根據(jù)云高儀的觀測顯示(見圖4)，4月3日00BJT之后開始有云的生成，云底高度在500 m左右，而后云底高度繼續(xù)抬升到1 000 m左右，3日9BJT之后云底高度抬升到1 200 m左右，與探空和人工觀測的結(jié)果一致。

圖4 Vasalai 激光云高儀的后向散射系數(shù)填圖(填色)、云底高度(藍(lán)色散點，m)以及MABL頂高度(藍(lán)綠色散點，m)Fig.4 Time-height section of vasalai backscattering coefficient(shaded),cloud-baseheight (blue dots ,m)and boundary layer height(peacock blue dots ,m)

4 云發(fā)展及MABL頂高度變化可能原因

4.1 層積云發(fā)展的可能原因

在海洋鋒的冷水側(cè)，氣溫明顯高于海溫(見圖3(f))，導(dǎo)致大氣向海洋輸送感熱通量，感熱通量為負(fù)值，為-43 W·m-2(見圖3(c))。潛熱通量是海洋加熱大氣，潛熱保持在40 W·m-2(見圖3(b))，說明海面有蒸發(fā)，海洋向大氣輸送水汽。A2與A3站為海洋鋒的冷水側(cè)，在200 m以下存在一個貼近海面逆溫(見圖5(a)(b))，這是與冷海面有關(guān)。隨著垂直高度增加，在較暖的西南氣流控制下，氣溫上升，形成逆溫層。由A2～A3站探空看出，200 m以上，氣溫隨高度下降，垂直減溫率為9.3 K·km-1，接近于干絕熱溫度遞減率，表現(xiàn)干絕熱混合層特征(見圖5(a))。在1 000 m左右又存在著一個逆溫，該高度逆溫更加明顯，在6個探空中均存在(圖4(a)～(f))，說明其可能與背景環(huán)流的高壓下沉運動有關(guān)(見圖1(a)(b))，是主逆溫層，該逆溫層以下為混合比較充分的大氣邊界層。

進(jìn)入海洋鋒后，隨著SST的迅速升高，感熱通量絕對值接近0，但是潛熱通量明顯增加，為95 W·m-2，海洋向大氣輸送水汽明顯加強。由于大氣向海洋的感熱通量變小，使得整個湍流熱通量值(感熱與潛熱之和)增加，海洋對大氣放熱增加。同時的西南風(fēng)風(fēng)速逐漸增大(見圖2(e))，對熱通量的增加有貢獻(xiàn)。由500 hPa高空圖(見圖1(d))和探空風(fēng)向垂直變化(見圖5)可知，海面至自由大氣是一致的西南風(fēng)，一個高動能舌從MABL 之上向下伸展到 MABL 中，表示有高空西風(fēng)動量下傳(見圖2(a))。動量下傳可導(dǎo)致海面風(fēng)速加大，海面熱通量增加。即：熱通量增加，MABL穩(wěn)定度減弱，MABL內(nèi)湍流加強，自由大氣動量下沉加強，導(dǎo)致熱通量進(jìn)一步加強的正反饋效應(yīng)，這與張?zhí)K平等[17]的提出的“熱通量—SAT—MABL 穩(wěn)定性—混合層—風(fēng)速”正反饋效應(yīng)(HAMMS機制)一致。

(溫度(黑色實線，℃)，露點溫度(藍(lán)色實線，℃)，相對濕度(紅色實線，%)，位溫(黑色虛線，K)，抬升凝結(jié)高度(黃色虛線，m)。Temperature(black solid line,℃)；Dew point(blue solid line,℃)；Relative humidity (red solid line ,%)；Potential temperature(black dashed line,K)；Lifting condensation level (orange dashed line,m).)
圖5 航段內(nèi)GPS探空廓線
Fig.5 Vertical profiles of observed by GPS sondes at line

航段上海洋對大氣的放熱基本是潛熱釋放，也就是海面蒸發(fā)的效應(yīng)。在海洋鋒的暖水側(cè)，海洋蒸發(fā)加強，下墊面穩(wěn)定度減弱(見圖3(f))，導(dǎo)致湍流混合加強，海面的水汽向上輸運，在MABL底形成濕層，這可能是海洋鋒暖水側(cè)低云發(fā)展的主要原因。

探空圖上也表明，A5站以后(見圖5(d)～(f))，貼海面逆溫消失，海氣溫差為-0.7 ℃。在貼近主逆溫層下方，露點溫度逐漸升高，溫度露點差逐漸減小(見圖5(e)(f))，A6～A8站，相對濕度接近甚至超過了90%，形成了典型的層積云溫濕度廓線(見圖5(e)(f))，與衛(wèi)星云圖和云高儀觀察到的結(jié)果吻合。

由于主逆溫層的存在，使得云在逆溫層以下發(fā)展。暖水區(qū)從A6到A7(見圖5(a)(b))，抬升凝結(jié)高度由590 m下降到470 m，說明低空水汽輸送的增多，1 000 m以下相對濕度達(dá)到85%以上且混合較好，風(fēng)切變在 1 000 m也明顯增強。計算大氣穩(wěn)定度發(fā)現(xiàn)在1 000 m左右大氣呈現(xiàn)小于0，為條件不穩(wěn)定(圖略)。在SST 鋒區(qū)暖水側(cè)，SST明顯升高，對應(yīng)潛熱通量明顯增加，大氣穩(wěn)定度降低，有助于MABL內(nèi)的水汽含量增加，相對于未飽和氣塊而言，大氣層結(jié)由條件性不穩(wěn)定轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定，MABL 內(nèi)出現(xiàn)上升運動，同時天氣尺度的環(huán)流提供了下沉運動，這些條件為 MABL 內(nèi)云的發(fā)展提供有利的背景條件，導(dǎo)致云的發(fā)展。

4.2 MABL頂高度與云底高度升高的可能原因

由海洋鋒的暖水側(cè)再向東南(A7～A8)，SST有所下降(見圖3(f))。由于大氣對海洋響應(yīng)的滯后性，導(dǎo)致氣溫繼續(xù)略有升高，海氣溫差加大，為-1.7℃，下墊面穩(wěn)定度增強，海面蒸發(fā)減小，但環(huán)流形勢穩(wěn)定，MABL頂高度升高至1 200 m，云底高度也隨之升高(見圖4)，MABL升高的原因有可能是動力因子造成的，后文會結(jié)合再分析資料進(jìn)行進(jìn)一步證明。

暖水區(qū)A7到A8抬升凝結(jié)高度分別為470與710 m(見圖5(e)(f))，低空水汽輸送減少，抬升凝結(jié)高度與云底高度之差由90 m增加到590 m，說明在A8時MABL中由于產(chǎn)生強度較小的逆溫，MABL由整層充分混合充分混合變?yōu)槎鄬樱笋罴訌?。根?jù)前人的研究結(jié)果，MABL退耦的一個主要原因是云內(nèi)凈輻射冷卻[21-22]。后續(xù)的研究表明MABL退耦在東海黑潮鋒海區(qū)也存在[14，23]。此時，底層相對濕度減小，可能是由于SST略有下降，潛熱通量減少，海表面蒸發(fā)減少(見圖3(b)(f))，使得水汽輸送減少，而云中的夾卷作用維持使得云有所消耗，導(dǎo)致云量減少。

結(jié)合再分析資料，3日09BJT暖水側(cè)受到天氣尺度擾動的影響，海表面水平風(fēng)散度由A7的較弱的輻散下沉變?yōu)锳8的輻合上升(見圖6(b)(c))，使得MABL中上升運動加強。對應(yīng)垂直方向上(見圖7(a)(b))，A7垂直運動自1 000 hPa到在890 hPa為上升運動，而A8在自1 000～850 hPa為上升運動，上升運動的加強與水汽供應(yīng)的減少，幾個原因共同作用有利于層積云云底高度升高且云量減少[24]。

((a)4月3日08BJT；(b)4月3日14BJT。其中藍(lán)色短線為航線位置。(a)3 April 08BJT；(b)3 April 14BJT；The blue lines denote the location of the line.)
圖6 海平面氣壓(等值線，hPa)、風(fēng)場(風(fēng)矢量，m/s)及風(fēng)散度場(填色，10-5×1/s)場
Fig.6 Sea surface pressure (contour,hPa),sea surface 10 m wind(vectors,m/s)and wind divergence(shaded,10-5×1/s)

垂直混合可導(dǎo)致混合層上部氣溫下降，逆溫層加強，同時云頂長波輻射也可導(dǎo)致降溫?？梢钥吹?，由于云的存在，云頂附近逆溫層強度逐漸加強，逆溫層的強度在A7為-25.8 K·km-1，A8為-39.2 K·km-1。同時，也改變了MABL內(nèi)水汽和熱通量的垂直分布，這些變化也表明云和MABL垂直結(jié)構(gòu)之間可能存在的反饋效應(yīng)。

5 結(jié)論與討論

本文結(jié)合東方紅2號科學(xué)考察船2015年4月2—3日的海上觀測資料，與衛(wèi)星遙感和再分析資料，觀測到了一次穿越東海黑潮海洋鋒層積云的發(fā)展與云量減少的過程，分析了此次的云與MABL頂高度變化的原因。在研究時段受海上高壓后部較穩(wěn)定天氣形勢的影響，處于西南氣流的控制下。順船行駛方向，海溫逐漸升高，在2日18BJT開始穿越了海洋鋒，直到2日21BJT船處海洋鋒暖水測，海氣界面由穩(wěn)定變?yōu)槿醪环€(wěn)定。觀測到2日23BJT東海黑潮海洋鋒暖水側(cè)上空開始有云的生成發(fā)展，直到4月3日08BJT，航線上空一直有云層的覆蓋，云系一直維持到4月3日12BJT，但云底高度升高云量減少。分析此次過程，得出以下結(jié)論：

(1)在海洋鋒的暖水側(cè)，海洋蒸發(fā)加強，MABL穩(wěn)定度減弱，導(dǎo)致湍流混合加強，海面的水汽向上輸運，在MABL底形成濕層，大氣層結(jié)由條件性不穩(wěn)定轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定，這可能是海洋鋒暖水側(cè)低云發(fā)展的主要原因。

(2)繼續(xù)向東南方向(A8)由于受到天氣尺度擾動的影響，海表面水平風(fēng)散度輻合上升，MABL中上升運動加強，層積云底高度抬升，對應(yīng)垂直方向上，上升運動的范圍由1 000～890 hPa 增加到1 000～850 hPa。此時，SST略有下降，潛熱通量減少，海表面蒸發(fā)減少，使得水汽輸送減少，而云中的夾卷作用維持使得云有所消耗，MABL中退耦加強，導(dǎo)致云量減少。

(3)垂直混合可導(dǎo)致混合層上部氣溫下降，逆溫層加強，同時云頂長波輻射也可導(dǎo)致降溫。由于云的存在，云頂附近逆溫層強度逐漸加強，改變了MABL內(nèi)水汽和熱通量的垂直分布，這些變化也表明云和MABL垂直結(jié)構(gòu)之間可能存在的反饋效應(yīng)。

本文中的結(jié)論僅僅通過一次出海的觀測得出的，其中層積云云底高度升高、層積云破碎、云內(nèi)凈輻射冷卻等物理過程還需要結(jié)合數(shù)值模擬和數(shù)值實驗來進(jìn)一步驗證。

致謝：感謝東方紅2號和全體出海人員的大力支持，感謝高山紅教授的網(wǎng)站提供的天氣圖(http://222.195.136.24/)。