环渤海大雾形成的观测和模拟分析及影响机制研究

论文摘要

环渤海区域亦或是环渤海经济圈,在我国的沿海发展战略中占有非常重要的地位,特别是国家提出“京津冀一体化”协同发展和“一带一路”之后,其区位优势更加明显。环渤海区域经济发达、交通便利,拥有我国北方最大的综合性港口群,陆地、海洋和空中交通运输网密集,但频发的大雾天气常常会对该区域的各项经济活动造成严重影响。然而,海岸带雾的预报是一直存在的难题,特别是环渤海区域,因其特定地理环境和气候因素,该区域大雾的形成机制有别于国内外其他沿海区域,给该地区雾的预报工作提出了很大的困难和挑战。为增加对环渤海区域大雾形成机理的认识,进一步提高预报准确率,有必要对该区域大雾的演变过程、边界层特征和影响大雾形成的物理因素进行深入研究。因此,本文针对典型冬季平流雾过程,首先利用微波辐射计、风廓线雷达、四分量辐射仪和超声风速仪等多种类型观测资料和多个陆地与海洋常规气象站、海上浮标站、探空站实测资料以及卫星云图和NCEP FNL再分析数据,对2006-2016年4次大雾过程（以2016年12月17-19日为主）的环流形势、边界层演变特征和形成机制开展了观测研究,认识到雾前期的西南低空急流对冬季大雾形成和长时间维持的关键影响。其次,在观测研究的基础上,利用中尺度天气模式Weather Research and Forecasting Model（WRF）对大雾形成机制进一步开展模拟研究,并进一步针对低空急流及其引导的平流水汽输送和渤海海洋对环渤海区域大雾的影响,开展了数值模拟敏感性试验。得到的主要结论如下:（1）对2006年2月12-14日、2013年1月27-31日、2016年12月17-19日、2016年12月29日-2017年1月1日4次持续性环渤海大雾个例进行分析,发现这几次大雾过程都存在相似环流特征,即对流层高层为平直西风气流,对流层低层均经历了由大陆高压前侧偏北气流控制,到高压入海后的后部西南气流控制的转变,因此大雾形成前期,偏南暖湿气流输送明显。以2016年12月17-19日的大雾过程为例,雾前期,入海高压于黄海南部上空稳定少动,随着大陆低压不断东移,水平气压梯度增大导致高低压之间产生了超过16 m/s的强低空急流。与其相伴的暖湿气流输送为环渤海区域提供了约1200 m厚的稳定逆温层和持续的水汽输送,近地面比湿的增速与低空急流的强度成正比,非常有利于后期大雾天气的形成。当西北弱冷空气东移南下侵入环渤海区域,与该地区前期暖湿气团混合形成了此次锋面雾过程。大雾首先在水汽通量辐合区域的辽东湾西岸形成,在冷空气不断侵入的过程中不断向南岸扩展,最终形成平行渤海西岸的一条东北-西南走向的雾带。（2）大雾形成前,环渤海区域大气边界层水汽增加,使得向下的短波辐射通量逐渐减小,向下的长波辐射通量逐渐增加。大雾形成后,向下长波辐射通量的增加最为明显,且近地层大气逐渐达到辐射平衡。湍流运动受逆温层抑制,雾前湍流动能和摩擦速度均经历了由强变弱的过程,雾中略有增加。在大雾维持阶段,大气稳定度在近地面和水汽浓度高值区顶部均存在间歇性不稳定状态。（3）对2016年12月17-19日环渤海大雾的数值模拟分析证明,环渤海大雾的产生与前期低空急流引导的远距离暖湿气流输送、局地辐射降温及海面状况存在密切关系。雾前湿度平流导致跨越4.5个经度、高3000 m以上的湿柱形成,相对湿度首先在边界层较高层增加,后逐渐影响到近地面,约1200 m的稳定逆温层的存在,有利于水汽在近地面层积累。同时,夜间局地辐射降温形成的贴地逆温与平流引起的深厚逆温层合并,逐渐形成双层逆温结构,雾生后逆温强度达到1.3℃/100m,有利于大雾的维持,雾层内则以不稳定层结为主,湍流运动促进了大雾的垂直发展。（4）水汽是大雾形成最为基础的物质条件,长生命周期的低空急流及其引导的暖湿平流输送,对环渤海大雾的形成和维持至关重要,这一点在雾中边界层水汽来源追踪中得到证实。基于模式输出结果,利用Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory（HYSPLIT）模式,可将环渤海区域边界层中低层水汽向南追溯到低空急流最初形成的区域,且模拟得到的水汽通量与气块回溯结果一致。同时由于水汽通量高值区位于渤海西海岸及以南区域,因此这一区域液态水含量（Liquid Water Content,LWC）较高,而辽东湾及渤海以北地区偏南气流更为深厚,因此在这个区域雾顶更高。（5）改变南部水汽含量、环渤海周边地形和模式不同起始时刻的敏感性试验进一步证实了水汽输送对环渤海雾至关重要。环渤海雾的面积和高度受南部水汽输送影响明显,移除36°N以南初始场和侧边界各层水汽后进行积分运算,黄渤海及近岸雾的面积显著减小;移除山东丘陵地形后,由于缺少了山地阻挡,低空急流引导的水汽输送受环渤海地形影响明显,移除山东地形的敏感性试验表明,由于去除了地形扰流的影响,水汽平流发生的相应改变最终导致山东近地层雾区面积增加,渤海中南部及渤海西海岸雾区面积减小,辽东湾及东北地区高层雾区面积增加;而移除长白山地形后,低空急流的位置向东偏移,东北雾带也随之东移;此外,由于不同起始时刻的初始场中所包含的水汽输送信息差异较大,导致远距离输送来的水汽在局地的积累存在差异,进而影响环渤海大雾模拟结果。起报时间距离大雾生成的时间越远,包含低空急流平流输送的信息越多,模拟雾区与卫星观测实况越接近。（6）除了远距离水汽输送,渤海热动力作用对环渤海大雾的形成也存在局地影响。调整海表面温度（SST）的一系列敏感性试验表明,减小SST会导致近地面温度下降,逆温强度增加,大气边界层更趋于稳定,在这种情况下雾区范围增加,液态水含量增加。而升高SST,虽然海气通量交换增加导致近地面比湿增加,但温度也同时增加,逆温层抬升,大气边界层趋于不稳定,因此渤海海雾面积减小,但沿岸液态水含量增加。改变渤海海面为城市下垫面后,大气边界层中低层的温湿特性也发生了改变,最终导致渤海及周边地区近地层的液态水含量增加,渤海海雾的雾顶高度减小。基于这些分析引入海气耦合模式后,大雾常规气象要素的模拟准确率得到了提高。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
•   1.1 沿岸雾研究的历史回顾
•     1.1.1 观测研究
•     1.1.2 数值模拟研究
•   1.2 雾的形成机制研究
•   1.3 本文的研究内容
• 第二章 数据与方法
•   2.1 观测数据
•     2.1.1 研究区域
•     2.1.2 主要观测数据
•   2.2 数值模拟
•     2.2.1 模式介绍
•     2.2.2 对照试验
•     2.2.3 敏感性试验
•     2.2.4 海气耦合试验
•   2.3 后向轨迹追踪模式
•   2.4 物理量及诊断方法
•     2.4.1 大气水平能见度
•     2.4.2 水汽通量和水汽通量散度
•     2.4.3 比湿计算
•     2.4.4 湍流动能
•     2.4.5 模式检验标准
• 第三章 观测分析
•   3.1 个例筛选和大尺度环流背景分析
•   3.2 卫星云图反演分析
•   3.3 微波辐射计垂直探测
•   3.4 站点气象和水文要素的演变特征
•   3.5 成因的初步分析
•     3.5.1 低空急流引导的水汽输送
•     3.5.2 海气温差
•     3.5.3 辐射与湍流
•   3.6 小结
• 第四章 数值模拟研究
•   4.1 模式检验
•     4.1.1 常规气象要素的检验
•     4.1.2 大气能见度及液态水含量检验
•     4.1.3 雾区范围检验
•     4.1.4 边界层温湿廓线的检验
•   4.2 WRF模式模拟结果分析
•   4.3 小结
• 第五章 平流水汽输送对大雾的影响
•   5.1 水汽来源追踪
•   5.2 南支水汽输送对雾影响的分析
•   5.3 地形对水汽输送的影响
•   5.4 不同时刻初值对大雾的影响
•   5.5 小结
• 第六章 海洋下垫面对环渤海大雾形成的影响初探
•   6.1 海温变化对环渤海大雾的影响
•   6.2 改变海洋下垫面对环渤海大雾的影响
•   6.3 海气耦合模式对环渤海大雾的模拟
• 第七章 总结与展望
•   7.1 主要结论
•     7.1.1 观测研究
•     7.1.2 模拟研究
•     7.1.3 关于水汽平流输送的研究
•     7.1.4 关于渤海海面局地影响的研究
•   7.2 本文创新点
•   7.3 研究展望
• 参考文献
• 在学期间的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 田梦

导师: 张文煜,吴彬贵

关键词: 环渤海大雾,观测分析,数值模拟,敏感性试验,机制研究

来源: 兰州大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 兰州大学

分类号: P714.1

总页数: 117

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