張志偉， 李昀英， 陳廣超

(1.國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410073； 2.中國(guó)人民解放軍92192部隊(duì)， 浙江 寧波 315000)

層積云(Stratocumulus，Sc)是一種典型的海洋邊界層云，加利福尼亞沿岸等海表溫度(Sea Surface Temperature，SST)較低的海域是層積云覆蓋的大值區(qū)[1]。觀測(cè)表明，中國(guó)東海黑潮海域同樣存在著大量的層積云[2-3]，其云特征與加利福尼亞沿岸冷洋面層積云存在顯著差異，且受到海表溫度鋒(簡(jiǎn)稱海洋鋒，下同)的影響。海洋鋒通過(guò)其在冷、暖洋面強(qiáng)迫出完全不同的大氣行星邊界層(Planetary boundary layer，PBL)結(jié)構(gòu)影響層積云的云量以及形成過(guò)程[4]。

大氣對(duì)海洋鋒的響應(yīng)機(jī)制可分為氣壓調(diào)整機(jī)制和垂直混合機(jī)制[5-7]。關(guān)于何種機(jī)制在大氣對(duì)海洋鋒的響應(yīng)過(guò)程中占據(jù)主導(dǎo)地位有著大量的研究和討論：高分辨率衛(wèi)星觀測(cè)資料以及區(qū)域大氣-海洋耦合模式的模擬結(jié)果表明，大氣對(duì)海洋鋒的響應(yīng)機(jī)制主要是氣壓調(diào)整機(jī)制[8-10]，而大氣探空和大渦模擬的結(jié)果表明，大氣對(duì)海洋鋒的響應(yīng)機(jī)制主要是垂直混合機(jī)制[11-12]。前期基于CloudSat云資料的統(tǒng)計(jì)表明，在氣候尺度下，層積云對(duì)春季黑潮海洋鋒的響應(yīng)機(jī)制是氣壓調(diào)整機(jī)制[4]。然而在天氣尺度下，何種機(jī)制占據(jù)主導(dǎo)地位引起了我們的關(guān)注。

觀測(cè)研究表明，天氣尺度下大氣對(duì)海洋鋒的響應(yīng)過(guò)程受到垂直混合機(jī)制的影響。張?zhí)K平等[13]以及王媛等[14]基于云高儀、探空數(shù)據(jù)和數(shù)值模式對(duì)黑潮延伸體海區(qū)一次層積云發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在西北風(fēng)控制下，鋒區(qū)暖洋面高空西風(fēng)動(dòng)量下傳，通過(guò)垂直混合機(jī)制導(dǎo)致行星邊界層內(nèi)混合層厚度加大，層積云的云底和云頂高度抬升。最近的研究表明，海洋鋒以及海洋中尺度渦旋會(huì)對(duì)行星邊界層結(jié)構(gòu)以及層積云產(chǎn)生顯著影響[15]，海洋中尺度暖渦通過(guò)釋放熱通量形成異常低壓和海表風(fēng)場(chǎng)的輻合，導(dǎo)致行星邊界層厚度增大[16]。

2010年3月9—11日(世界時(shí)，下同)靜止衛(wèi)星可見光云圖和CloudSat衛(wèi)星在中國(guó)東海黑潮海洋鋒海域觀測(cè)到了一次層積云發(fā)展-消亡的全過(guò)程。在該過(guò)程中海洋鋒對(duì)層積云有顯著的影響，尤其在維持階段，CloudSat衛(wèi)星觀測(cè)到了云垂直結(jié)構(gòu)在冷、暖洋面存在顯著的差異，體現(xiàn)出天氣尺度下海洋鋒對(duì)云垂直結(jié)構(gòu)存在顯著的影響，因此本文將基于衛(wèi)星觀測(cè)資料討論此次典型過(guò)程對(duì)黑潮海洋鋒響應(yīng)的主導(dǎo)機(jī)制。本研究有助于理解天氣尺度下大氣對(duì)海洋鋒響應(yīng)的機(jī)理，為層積云的形成-消亡過(guò)程提供新的有益補(bǔ)充。

1 資料介紹

使用CloudSat云資料分析此次層積云發(fā)展-消亡過(guò)程中的云垂直結(jié)構(gòu)特征，主要使用2B-CLDCLASS-LIDAR產(chǎn)品。CloudSat的采樣分辨率為跨軌1.3 km，沿軌1.1 km，垂向?yàn)?.24 km，全球觀測(cè)周期大約為16 d。研究表明，層積云的云底高度一般在0.5～1.5 km。CloudSat手冊(cè)[17]上提醒我們，受到地面回波信息的影響，近地面的信息中含有不可避免的誤差，0～1 km的云底高度反演值慎用。但是，通過(guò)統(tǒng)計(jì)和對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，層積云底高的反演值與觀測(cè)非常接近，是值得信任的[18]。Zuidema和Mapes[19]在孟加拉灣和熱帶太平洋東部進(jìn)行的船舶探測(cè)也驗(yàn)證了CloudSat產(chǎn)品在海洋性低云反演中的可靠性。本文的研究范圍內(nèi)共有兩條軌跡，分別于2010年3月9日04時(shí)和10日16時(shí)經(jīng)過(guò)黑潮海域(見圖1)。

((a)中黑色實(shí)線為跨越鋒區(qū)的一條直線，黑色矩形為合成區(qū)域平均動(dòng)能的海域。(a)The black solid line is a straight line across the front area and the rectangular box represents the area used to calculate the regional average kinetic energy.)

本文使用的其他資料包括：多功能傳送衛(wèi)星(Multi-Functional Transport Satellites, MTSAT)的可見光云圖。美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局的逐日最佳插值海表溫度(Optimum Interpolation SST，OISST)資料，分辨率為0.25 (°)×0.25(°)。逐小時(shí)歐洲中心第5代再分析資料(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Reanalysis Model, ERA5)，水平分辨率為0.25(°)×0.25(°)，垂直方向上為1 000～500 hPa 共16層。使用的氣象要素包括：海表10 m風(fēng)場(chǎng)，感熱通量(Sensible Heat Flux，SHF)以及潛熱通量(Latent Heat Flux，LHF)等。

2 天氣形勢(shì)分析

圖2是2010年3月9—11日06時(shí)500 hPa位勢(shì)高度以及海平面氣壓(Sea Level Pressure, SLP)。9日黑潮海域位于冷鋒的后部(見圖2(a))，10—11日則主要受到高壓的影響(見圖2(b)～(c))。11日高壓中心位于黑潮海域，海表風(fēng)場(chǎng)呈現(xiàn)出顯著的輻散特征(見圖2(c))。輻散的風(fēng)場(chǎng)不利于海表飽和水汽向?qū)臃e云的云底處輸送，切斷了層積云維持的水汽來(lái)源，導(dǎo)致層積云消散。歷史地面天氣圖(圖略)表明，10日該高壓在我國(guó)東南部經(jīng)歷了多次分裂-合并過(guò)程，于12 時(shí)分裂為3個(gè)高壓，21 時(shí)3個(gè)高壓與前期位于青海西藏一帶的高壓合并為1個(gè)高壓，中心位于福州市上空。12～21時(shí)之間分裂形成的小高壓也進(jìn)行了合并-分裂過(guò)程，因而該高壓移動(dòng)緩慢，11日中心才位于黑潮海域。9日黑潮海域位于500 hPa東亞大槽的前部，受到西南風(fēng)控制(見圖2(d))，而10—11日位于東亞大槽的后部，受到西北風(fēng)或西風(fēng)的控制(見圖2(e)～(f))。3月9日東亞大槽產(chǎn)生的高空動(dòng)能下傳對(duì)層積云發(fā)展過(guò)程有顯著影響，10—11日其移動(dòng)至黑潮延伸體海域，對(duì)本次過(guò)程的影響較小。

3 層積云特征

基于靜止衛(wèi)星以及極軌衛(wèi)星CloudSat，本文研究了層積云(Sc)的分布特征。靜止衛(wèi)星可見光云圖顯示2010年3月9日06時(shí)冷洋面層積云主要分布于朝鮮半島以南，黃海北部出現(xiàn)層云(見圖3(a))。2010年3月10日06時(shí)，從靜止衛(wèi)星云圖上可以看到黑潮海洋鋒海域多為細(xì)胞狀的層積云，與冷洋面相比，暖洋面層積云間的縫隙更小(見圖3(b))。2010年3月11日06時(shí)，可見光云圖顯示此時(shí)黑潮海域冷洋面的層積云幾乎完全消散，而臺(tái)灣島以東以及日本以南海域仍存在一些零散的層積云(見圖3(c))。

圖3 MTSAT衛(wèi)星可見光云圖Fig. 3 Satellite visible imagery from MTSAT

2010年3月9日04時(shí)，CloudSat觀測(cè)到冷、暖洋面層積云的云底高度較低，在0.5～1 km之間，云頂高度較高，可達(dá)3.5 km，云層的厚度較厚(見圖4(a))。在層積云的上方存在一些高積云、高層云(見圖4(a))，其云底高度與層積云的云頂高度相差不大。2010年3月10日16時(shí)CloudSat觀測(cè)到28°N以南層積云的云底高度在1 km左右，云頂高度在1.5～1.7 km之間。28°N以北層積云的云頂高度逐漸增加，32°N處云頂高度可達(dá)2.5 km(見圖4(b))。

(對(duì)于相同顏色的線段，高層代表云頂，低層代表云底。紅色方塊代表海洋鋒中心所在的位置。For lines with the same color, upper/lower line represents the top/base of the cloud. The red rectangle is the center of SST front.)

4 海洋鋒對(duì)層積云形成和維持過(guò)程的影響機(jī)制

為了研究海洋鋒對(duì)大氣影響的主導(dǎo)機(jī)制，合成了冷、暖洋面500 hPa以下的區(qū)域平均動(dòng)能以及穩(wěn)定度(?θ/?z)。冷洋面合成范圍為圖1中黑色矩形內(nèi)SST小于286 K的區(qū)域，而暖洋面合成范圍為SST大于290 K的區(qū)域。合成結(jié)果顯示 3月9日00時(shí)—10日00時(shí)冷、暖洋面均存在由500 hPa向下伸展到海表面的動(dòng)能舌(見圖5(a)～(b))。圖5(a)～(b)也顯示東海黑潮海洋鋒海域，尤其是暖洋面， 800 hPa以下的不穩(wěn)定度增大。與冷洋面相比，暖洋面的海氣溫差(ΔT)、海表風(fēng)速、LHF和SHF較冷洋面大(見圖5(c)～(d))，其中暖洋面LHF在層積云形成階段是冷洋面的兩倍，體現(xiàn)出黑潮海洋鋒通過(guò)調(diào)節(jié)冷、暖洋面熱通量的大小影響行星邊界層和層積云。伴隨動(dòng)能舌的高空西風(fēng)動(dòng)能下傳以及更大的ΔT、SHF和LHF在暖洋面的海氣界面造成更強(qiáng)的垂向湍流混合，形成相對(duì)濕潤(rùn)的行星邊界層，導(dǎo)致更大的云量且云縫隙較小(見圖3(a))，這一過(guò)程通常采用垂直混合機(jī)制進(jìn)行解釋[20]。

圖5 區(qū)域平均動(dòng)能(m2·s-2，等值線)和穩(wěn)定度(K·km-1，填色)的時(shí)間序列(a～b)，10 m水平風(fēng)速(m·s-1)和ΔT(K)的時(shí)間序列以及LHF(W·m-2)和SHF(W·m-2)的時(shí)間序列(c～d)Fig. 5 Time series of regional average kinetic energy (m2·s-2, contour) and stability (K·km-1, colors) (a～b), wind vectors at 10 m (m·s-1) and ΔT (K) (c), LHF (W·m-2) and SHF (W·m-2) (d)

2010年3月10日06時(shí)后，高空向下伸展的動(dòng)能舌消失，海表風(fēng)速和熱通量迅速減弱，表明此時(shí)垂直混合機(jī)制已不再起主導(dǎo)作用。為了突出顯示黑潮海洋鋒對(duì)大氣的影響，對(duì)ERA5的氣象要素應(yīng)用了6經(jīng)度和8緯度的空間高通濾波。而對(duì)于SST則仿照Minobe等[21]的方法采用了拉普拉斯算子，即2SST，該算子的作用相當(dāng)于空間高通濾波。圖6(a)顯示2010年3月9日高通濾波后的SST與海表風(fēng)場(chǎng)散度之間沒有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但圖6(b)顯示2010年3月10日SST與海表風(fēng)場(chǎng)散度之間具有負(fù)相關(guān)關(guān)系：SST的正異常值對(duì)應(yīng)海表風(fēng)場(chǎng)的輻合而SST的負(fù)異常值對(duì)應(yīng)海表風(fēng)場(chǎng)的輻散，這與Minobe等[21]采用相同濾波方法得出的SST與海表風(fēng)場(chǎng)散度的關(guān)系一致，表明3月10日黑潮海洋鋒通過(guò)氣壓調(diào)制機(jī)制影響行星邊界層和層積云。

圖6 空間高通濾波后的SST(K，填色)以及海表10 m風(fēng)場(chǎng)散度(10-5 s-1，等值線，負(fù)值代表輻合，正值代表輻散)Fig. 6 Spatially high-pass-filtered SST (K, colors) and divergence of wind vectors at 10 m (10-5 s-1, contour, dashed: convergence, solid: divergence)

為了更清楚的揭示海洋鋒冷、暖兩側(cè)行星邊界層結(jié)構(gòu)的差異，圖7給出了跨鋒區(qū)且經(jīng)過(guò)冷池和暖舌的直線方向的徑向風(fēng)和垂向速度分布特征。2010年3月10日，東海海域主要受到高壓控制(見圖2(b))，因此700 hPa以下的高度主要受下沉氣流影響(見圖7(a)～(b))?？臻g濾波后的結(jié)果表明，2010年3月10日12時(shí)暖洋面存在顯著的上升氣流，而冷洋面存在顯著的下沉氣流，在海洋鋒的鋒區(qū)附近構(gòu)成一近似閉合的次級(jí)環(huán)流(見圖7(c))。在暖洋面，受上升氣流的影響，海表面溫暖濕潤(rùn)的空氣向?qū)α鲗又袑虞斔?，有利于層積云的維持。而在冷洋面，下沉氣流不利于海表面相對(duì)濕潤(rùn)的空氣向上輸送，導(dǎo)致2010年3月11日06時(shí)冷洋面的層積云完全消散而暖洋面仍有少量的層積云。另一方面，在海洋鋒的鋒區(qū)(27°N—31°N)，層積云的云頂/底高度在冷洋面下降而在暖洋面抬升(見圖4(b))。云底高度和云頂高度的這一起伏特征與圖7(c)～(d)中的次級(jí)環(huán)流位置一致，說(shuō)明海洋鋒主要通過(guò)氣壓調(diào)整機(jī)制影響層積云的維持和垂直結(jié)構(gòu)。而在2010年3月9日12—18時(shí)，冷鋒過(guò)境后，暖洋面的上升氣流很弱，影響高度在850 hPa以下，而冷洋面的下沉氣流很強(qiáng)，結(jié)合圖6(a)中高通濾波后的SST與海表風(fēng)場(chǎng)散度沒有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表明此時(shí)氣壓調(diào)整機(jī)制可能對(duì)層積云由一定的影響，但不是主導(dǎo)機(jī)制。

對(duì)圖5～7的比較可以發(fā)現(xiàn)，在2010年3月9日00時(shí)—10日00時(shí)，高通濾波后的SST沒有較好的海表風(fēng)場(chǎng)散度對(duì)應(yīng)關(guān)系，次級(jí)環(huán)流也很弱，這表明在層積云的發(fā)展階段，氣壓調(diào)整機(jī)制可能對(duì)其有一定的影響，但不是主導(dǎo)機(jī)制。而從自由大氣延伸到海表面的動(dòng)能舌以及隨之增大的海表風(fēng)速、熱通量表明垂直混合機(jī)制是主導(dǎo)作用。在層積云的維持階段，動(dòng)能舌消失，海表風(fēng)速和熱通量迅速減弱，這表明垂直混合機(jī)制對(duì)層積云的影響減弱。而圖6(b)和圖7(c)～(d)顯示的高通濾波后SST與海表風(fēng)場(chǎng)散度之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系以及高度可達(dá)700 hPa的次級(jí)環(huán)流均表明此時(shí)氣壓調(diào)整機(jī)制起主導(dǎo)作用。

圖7 (a～b)沿圖1a黑色直線的經(jīng)向風(fēng)(m/s，矢量)和垂向速度(10-1 hPa·s-1，填色)及(c～d)空間高通濾波后的經(jīng)向風(fēng)(m/s,矢量)和垂向速度(10-2 hPa·s-1，填色)

5 結(jié)論與討論

基于衛(wèi)星觀測(cè)資料以及探空資料，本文研究了層積云發(fā)展-消亡階段對(duì)黑潮海洋鋒的響應(yīng)機(jī)制。主要結(jié)論如下：

(1)在層積云的發(fā)展階段，黑潮海洋鋒的冷、暖洋面主要受到西北風(fēng)或北風(fēng)的控制，層積云的形成過(guò)程主要受到垂直混合機(jī)制控制。通過(guò)垂直混合機(jī)制，自由大氣向下傳輸?shù)母衫淇諝夂臀鞅憋L(fēng)攜帶的冷平流導(dǎo)致海氣界面湍流較強(qiáng)，黑潮向大氣釋放的熱通量增大。海表濕潤(rùn)的空氣向上混合，達(dá)到抬升凝結(jié)高度后凝結(jié)成云，且此時(shí)層積云的高度較高，厚度較厚。

(2)在層積云的維持階段，海洋鋒對(duì)其的影響機(jī)制主要為氣壓調(diào)整機(jī)制。高通濾波后SST與海表風(fēng)場(chǎng)散度存在較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且海洋鋒在鋒區(qū)形成一閉合的次級(jí)環(huán)流。在暖洋面，上升氣流把海表面溫暖濕潤(rùn)的空氣向?qū)α鲗又袑虞斔?，有利于層積云的維持，而在冷洋面下沉氣流疊加在背景大氣環(huán)流上加劇了層積云的消散。次級(jí)環(huán)流對(duì)層積云的垂直結(jié)構(gòu)也有顯著影響，層積云的云底高度和云頂高度在冷洋面下降而在暖洋面抬升。

(3)在層積云的消散階段，黑潮海洋鋒對(duì)其的影響較弱，在背景強(qiáng)下沉氣流的作用下，層積云消散。

大量的研究表明，大氣對(duì)海洋鋒的響應(yīng)機(jī)制在天氣尺度上是通過(guò)垂直混合機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，本文的研究表明，氣壓調(diào)整機(jī)制也能影響行星邊界層結(jié)構(gòu)以及層積云的維持過(guò)程。關(guān)于氣壓調(diào)整機(jī)制和垂直混合機(jī)制在大氣對(duì)海洋鋒的響應(yīng)過(guò)程誰(shuí)處于主導(dǎo)地位仍存在爭(zhēng)論。本文的結(jié)論有利于加深行星邊界層對(duì)海洋鋒響應(yīng)機(jī)制的認(rèn)識(shí)，但關(guān)于海洋鋒如何影響層積云仍需要更多高分辨海上觀測(cè)和數(shù)值模擬進(jìn)行深入研究。

致謝：感謝審稿專家對(duì)本文提出的寶貴審稿意見，本文所用歷史天氣圖由中國(guó)海洋大學(xué)高山紅教授保存并提供(http://222.195.136.24/)，在此表示誠(chéng)摯謝意。