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典型黄海平流海雾形成机制的研究

作　者: 齐伊玲
导　师: 高山红
学　校: 中国海洋大学
专　业: 大气物理学与大气环境
关键词: 黄海平流海雾逆温层天气系统 WRF模式湍流混合长波辐射
分类号: P732
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

平流海雾是黄海海雾的一种主要类型。海雾的形成和发展与天气系统演变存在密切联系,并且其发生之前往往存在逆温层。逆温层是平流海雾形成的一个必要条件,分析它的形成和变化的天气学原因非常重要。目前,详细探讨具体海雾个例与天气系统及逆温层之间关系的研究工作不多见。黄海平流海雾对形成条件非常敏感,它的生成与演变是一个在动力与热力条件作用下复杂的微物理过程,对其形成机制的了解还不够深入,特别是海雾形成过程中湍流与辐射的具体作用还不清晰。本文选取三次稳定少变的典型黄海平流海雾过程(时间分别为2002年4月2-3日；2004年4月11-13日；2005年3月27-28日)为研究对象,基于常规观测和卫星遥感提供的观测事实,结合FNL (final analysis data)再分析场数据给出的天气形势,借助WRF (The Weather Research and Forecasting)中尺度数值模式的高分辨率数值模拟,分析海雾发生前逆温层的形成变化原因,揭示海雾的发生与天气系统的演变之间的关系,研究海雾形成发展过程中各物理过程,特别是湍流与辐射过程的作用。观测事实的详细分析表明,三次海雾过程的雾区演变、对应天气系统的变化及逆温层的形成基本相似。它们均具有典型平流冷却海雾特征：形成之前受其东南高压系统影响,黄海海域受偏南风控制,导致暖平流输送,气温明显高于海温。北部系统的东移与南下导致较强的偏北风使它们消散。逆温层早于海雾2-3天就开始逐渐形成,受黄渤海北部低压和西南高压东移过程中外围环流影响,它首先在山东半岛西南区域出现,随着南部高压系统入海,其西南气流将近地面约300m以下冷空气推向黄海中北部,高于300m的地方存在暖平流输送,逆温层逐渐发展到黄海上空并稳定维持。利用WRF模式和循环3DVAR (Three Dimensional Variational)同化方案提供的高质量初始场,对这三次海雾过程分别进行了控制试验和一系列的敏感性试验。通过与可见光云图和部分探空站点观测进行对比,发现模拟结果具有很高的可信度。综合控制试验和部分敏感性试验结果对海雾的形成发展机制进行了详细分析,发现它们的形成和维持过程的物理机制作用非常相似。海雾首先形成于逆温层底部的黄海中南部,风垂直切变引起的机械湍流是海雾形成的首要机制,稳定层结下的湍流混合冷却作用使雾体顺风向北发展和逆风向南发展。海雾发展到一定厚度以后,雾顶长波辐射冷却作用是其向上发展和维持的推动力。雾顶的长波辐射作用能引起雾顶附近空气的降温,水汽凝结成雾,海雾向上发展；同时,云水含量高值区出现在雾体上部,冷空气团下沉引起雾体内部的湍流混合,使整个雾体温度逐渐降低到海温以下。海面变得相对较暖,近海面湍流作用使热通量向上输送,雾底升温,云水含量降低,雾体变淡；同时海面蒸发作用为雾体提供水汽,海雾得以维持。敏感性试验的结果还揭示了较强的湍流作用不利于海雾的形成；太阳短波辐射对维持层结强稳定性作用显著,关闭后更利于海雾的形成和大范围扩展；海温升高,气海温差减小,削弱了近海面大气稳定性,利于海雾的形成；海温降低,气海温差增大,增强了近海面大气稳定性,不利于海雾的形成；潜热释放作用能减小海雾的浓度。较为稳定的天气形势导致了本文中三次平流海雾过程雾区2-3天的长时间维持,与其他一些受快变天气系统控制的黄海海雾的雾区变化明显不同。挑选2005年3月9日一次锋面影响下的典型黄海平流海雾过程,与它们进行了对比分析。结果发现：前者北向暖平流强盛,逆温层逐渐向北推移,雾区紧贴逆温层底随暖气团向北发展；后者中逆温层范围几乎覆盖整个黄海且强度较弱,海雾首先发生在逆温层下的黄海中南部海域,离南部较弱的暖气团有一段距离,在湍流冷却与长波辐射冷却的作用下,海雾既顺风向北发展,也逆风向南扩展。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章引言  12-21
  1.1 海雾的主要发生海域与类型  13-14
  1.2 黄海海雾的时空分布特征  14-15
  1.3 黄海海雾形成机制的研究  15-18
    1.3.1 气候学成因  15
    1.3.2 天气学成因  15-17
    1.3.3 湍流与辐射机制研究  17-18
  1.4 本文的研究内容  18-21
    1.4.1 观测事实分析  19
    1.4.2 数值模拟研究  19-21
第二章本文研究所用的数据及主要物理量  21-25
  2.1 观测事实分析主要依据的观测数据  21-22
  2.2 天气形势分析主要依据的数据  22
  2.3 数值模拟研究所用到的数据  22-23
  2.4 分析所涉及到的物理量  23-25
    2.4.1 水汽通量散度  23-24
    2.4.2 湍流动能  24
    2.4.3 Richardson数  24-25
第三章海雾过程及逆温层的观测事实分析  25-39
  3.1 海雾演变过程与天气形势  25-29
    3.1.1 2002年海雾个例  25-26
    3.1.2 2004年海雾个例  26-27
    3.1.3 2005年海雾个例  27-28
    3.1.4 观测事实的对比  28-29
  3.2 逆温层的观测事实  29-34
    3.2.1 2002年海雾个例  29-30
    3.2.2 2004年海雾个例  30-32
    3.2.3 2005年海雾个例  32-34
    3.2.4 三个海雾过程逆温层观测事实的对比分析  34
  3.3 逆温形成的天气系统原因  34-37
    3.3.1 2002年海雾个例  35
    3.3.2 2004年海雾个例  35-36
    3.3.3 2005年海雾个例  36-37
    3.3.4 逆温层形成原因的对比分析  37
  3.4 观测事实小结  37-39
第四章海雾的数值模拟研究  39-62
  4.1 WRF数值试验  40-44
    4.1.1 WRF模式简介  40-41
    4.1.2 循环3DVAR同化初始场形成方案  41-42
    4.1.3 控制试验  42-43
    4.1.4 敏感性试验  43-44
  4.2 控制试验结果分析  44-53
    4.2.1 结果检验  44-46
    4.2.2 海雾的演变过程  46-49
    4.2.3 平流冷却特征分析  49-51
    4.2.4 逆温层成因分析  51-52
    4.2.5 海雾形成后逆温层的变化  52-53
  4.3 海雾形成机制的研究  53-61
    4.3.1 2002年海雾个例  53-56
    4.3.2 2004年海雾个例  56-58
    4.3.3 2005年海雾个例  58-59
    4.3.4 海雾形成过程中各因素作用的共性  59-61
  4.4 海雾形成机制的共同点  61-62
第五章结论与讨论  62-66
  5.1 主要结论  62-64
  5.2 讨论  64-66
参考文献  66-70
附图  70-126
致谢  126-127
个人简历  127
在学期间发表的学术论文  127

典型黄海平流海雾形成机制的研究

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