丁菊麗 梁志超,2 費(fèi)建芳 呂慶平 趙小峰

1.國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院，長沙，410003 2.96746部隊(duì)，庫爾勒，841000 3.91001部隊(duì)，北京，100143

1 引言

大氣波導(dǎo)能顯著改變電磁波的傳播路徑和作用范圍，因此具有重要的研究價(jià)值（姚展予等，2000；胡昊等，2018；王華等，2021）。蒸發(fā)波導(dǎo)是發(fā)生在海洋大氣近地層內(nèi)的一類特殊的大氣波導(dǎo)，它是因海水蒸發(fā)引起濕度在很小的垂直高度范圍內(nèi)發(fā)生銳減而形成的（戴福山等，2002）。實(shí)際應(yīng)用中（如圖1a所示），通常利用近地層大氣修正折射率（M）廓線來確定蒸發(fā)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，M的計(jì)算公式為

式中，T是氣溫（K），p是氣壓（hPa），e是實(shí)際水汽壓（hPa），re是地球平均半徑（m），z是海面以上的高度（m）。M廓線上最小值對應(yīng)的高度稱為蒸發(fā)波導(dǎo)高度（EDH），蒸發(fā)波導(dǎo)高度通常為幾米到幾十米。

蒸發(fā)波導(dǎo)作為影響海上雷達(dá)系統(tǒng)探測性能的主導(dǎo)機(jī)制（Wang，et al，2018），近幾十年來，一直是海-氣耦合過程及波導(dǎo)傳播研究的熱點(diǎn)（焦林等，2009；Ding，et al，2015a，2020； Ulate，et al，2019）。當(dāng)艦載雷達(dá)處于蒸發(fā)波導(dǎo)層內(nèi)時（如圖1b所示），雷達(dá)電磁波會發(fā)生明顯的超視距探測現(xiàn)象，并在波導(dǎo)層上方形成電磁盲區(qū)，這種異常傳播結(jié)構(gòu)對雷達(dá)裝備系統(tǒng)的探測結(jié)果影響極大。由于蒸發(fā)波導(dǎo)幾乎永久存在于海洋和沿海地區(qū)，基于蒸發(fā)波導(dǎo)直接建立點(diǎn)對點(diǎn)（如島嶼與大陸）的超視距通信鏈路成為一項(xiàng)極具吸引力的成本節(jié)約型方案，在未來的地-海-空一體化通信網(wǎng)絡(luò)中具有重要的應(yīng)用前景（Liu，et al，2021）。

圖1 蒸發(fā)波導(dǎo)結(jié)構(gòu) （a） 及其對電磁波傳播影響 （b） 示意Fig.1 The structure of the evaporation duct （a） and its influence on the electromagnetic wave propagation （b）

由于海上測站較少且海洋大氣近地層內(nèi)湍流活動較強(qiáng)，通過直接測量近地層大氣修正折射率（M）廓線確定蒸發(fā)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法存在較大的困難。因此，基于莫寧-奧布霍夫（Monin-Obukhov）相似理論的蒸發(fā)波導(dǎo)診斷模型，利用海表以上某一高度處的氣壓、氣溫、相對濕度、水平風(fēng)速和海表溫度作為輸入?yún)?shù)，診斷海洋大氣近地層內(nèi)的溫、濕、壓垂直廓線，進(jìn)而利用式（1）計(jì)算M廓線并確定蒸發(fā)波導(dǎo)高度。再將M廓線輸入到電磁波傳播模型（如Advanced Propagation Model，APM），得到電磁波傳播損耗的二維空間分布，進(jìn)而確定超視距探測距離和盲區(qū)所在的位置。這種方法也是快速評估波導(dǎo)傳播特性的主流方法。宙斯盾號自我防衛(wèi)系統(tǒng)要求電磁波傳播損耗的預(yù)報(bào)誤差控制在3—5 dB內(nèi)（Dockery，1988）。Babin等（1997）也曾指出，為了準(zhǔn)確評估電磁波傳播特性，蒸發(fā)波導(dǎo)高度的診斷誤差一般不能超過2 m。

已有研究（戴福山等，2002；Ding，et al，2015a）表明，蒸發(fā)波導(dǎo)高度對海溫非常敏感，在氣海溫差、水平風(fēng)速和相對濕度一定的情況下，無論是不穩(wěn)定層結(jié)或是穩(wěn)定層結(jié)，蒸發(fā)波導(dǎo)高度都隨海溫的升高而單調(diào)增高。因此，一般情況下熱帶海域的平均蒸發(fā)波導(dǎo)高度要高于高緯度海域。例如，Alappattu等（2016）利用觀測資料和基于COARE（the Coupled Ocean-Atmospheric Response Experiment）V3.0算法的蒸發(fā)波導(dǎo)診斷模型，得到從加利福尼亞沿岸（34° N）到夏威夷群島（21.5° N）附近，蒸發(fā)波導(dǎo)高度平均從7 m穩(wěn)定增加到15 m左右。丁菊麗等（2009）利用鐵塔平臺多層觀測資料，對比了中國南海與東海海域的實(shí)測資料，擬合蒸發(fā)波導(dǎo)高度的均值分別為13.4 和9.1 m。另外，Glaeser（1978）指出，在海溫劇烈變化的鋒區(qū)，會引起波導(dǎo)傳播特性的突然變化。

Haack等（2010）針對美國東海岸墨西哥灣暖流（GS）與大陸架冷水體（SW）間形成的海表溫度鋒（SST鋒，以下簡稱海洋鋒），重點(diǎn)分析并指出海溫分析場對海洋鋒的精確描述是準(zhǔn)確模擬海上大氣波導(dǎo)中尺度結(jié)構(gòu)的重要前提。近期，CASPER-East（the Coupled Air-Sea Processes and Electromagnetic（EM）ducting Research-East）試 驗(yàn)（Wang，et al，2018）從觀測和數(shù)值模擬的角度證實(shí)，美國東海岸墨西哥灣暖流與大陸架冷水體間形成的海洋鋒（也稱灣流鋒）不僅造成表面湍流通量、低云和表面粗糙度的突然變化，而且也會造成該處電磁波異常傳播的突變。例如冷鋒過境時，相對干冷的空氣以較強(qiáng)的風(fēng)速流經(jīng)墨西哥灣暖流區(qū)的暖洋面時，該區(qū)表面感熱和蒸發(fā)潛熱通量都會顯著增大，與近岸大陸架冷海域形成鮮明的對比，此處蒸發(fā)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)也會呈現(xiàn)明顯的非均勻性。Ulate等（2019）利用COAMPS（the Coupled Ocean-Atmosphere Mesoscale Prediction System）海-氣耦合模式對CASPER-East試驗(yàn)期間的沿海大氣波導(dǎo)進(jìn)行了數(shù)值模擬與實(shí)測對比研究，結(jié)果表明灣流鋒區(qū)的波導(dǎo)高度標(biāo)準(zhǔn)偏差最大，即波導(dǎo)高度突變性最強(qiáng)。

中國東部海域有黑潮存在。作為北太平洋西邊界最強(qiáng)的暖流，黑潮與大陸沿岸低溫水體間也存在明顯的海洋鋒，稱為黑潮海洋鋒（主要包括東海黑潮鋒和黑潮延伸體鋒）。已有研究（Tokinaga，et al，2009；Zhang，et al，2010；Liu，et al，2013；楊爽等，2015）主要關(guān)注黑潮海洋鋒對海表面風(fēng)、邊界層結(jié)構(gòu)和低云等產(chǎn)生的局地氣候?qū)W效應(yīng)。隨著不同航次海洋科學(xué)考察的持續(xù)實(shí)施，搜集到更多珍貴的海上現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)。越來越多的研究表明，黑潮海洋鋒可以通過調(diào)節(jié)天氣尺度擾動，影響海洋大氣邊界層垂直結(jié)構(gòu)、海霧、低云等天氣現(xiàn)象（Tanimoto，et al，2009；Tomita，et al，2013；張?zhí)K平等，2017）。張?zhí)K平等（2017）利用東方紅 2 號科學(xué)考察船，在黑潮延伸體海區(qū)捕捉到一次層積云在海洋鋒上空迅速發(fā)展的過程，觀測與機(jī)制分析表明，天氣尺度擾動疊加在海洋鋒效應(yīng)上會使得擾動信號明顯放大，這種作用對層積云的迅速發(fā)展可能有直接影響。

作為主要發(fā)生在海洋大氣近地層內(nèi)的現(xiàn)象，蒸發(fā)波導(dǎo)受黑潮海洋鋒的天氣尺度強(qiáng)迫是必然存在的，國際上已有較多研究關(guān)注灣流鋒對大氣波導(dǎo)（含蒸發(fā)波導(dǎo)）及其傳播效應(yīng)的影響（Glaeser，1978；Haack，et al，2010；Thompson，2011； Wang，et al，2018； Ulate，et al，2019），而關(guān)于中國東部海域黑潮海洋鋒對蒸發(fā)波導(dǎo)的影響研究幾乎還未見報(bào)道。2018年春季航次“海氣相互作用觀測試驗(yàn)”在3月31日至4月3日兩次穿越黑潮海洋鋒區(qū)，并進(jìn)行了海上自動氣象觀測站和邊界層加密探空觀測，為本研究奠定了珍貴的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本研究將主要分析調(diào)查船穿越黑潮海洋鋒的過程中蒸發(fā)波導(dǎo)及其相關(guān)氣象要素場的響應(yīng)和變化特征，并利用中尺度數(shù)值模式對黑潮海洋鋒強(qiáng)迫下的蒸發(fā)波導(dǎo)時、空演變特征進(jìn)行數(shù)值模擬，最后結(jié)合觀測和模擬分析，揭示黑潮海洋鋒對蒸發(fā)波導(dǎo)突變與非均勻性的天氣尺度強(qiáng)迫機(jī)制。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

2018年海洋調(diào)查獲取的觀測資料包括：船上自動觀測站7 m高度上觀測的氣溫、氣壓、相對濕度、風(fēng)速風(fēng)向，紅外輻射儀觀測的海表溫度（主要選取逐時平均值）；每日00和12時（世界時）獲取的1200 m高度以下大氣邊界層的高垂直分辨率（分辨率約6 m）溫、壓、濕廓線數(shù)據(jù)。利用歐洲中期天氣預(yù) 報(bào) 中 心（ECMWF）0.125°×0.125°再 分 析 資 料（ERA-Interim）揭示觀測船走航期間的大尺度平均環(huán)流和氣壓場形勢。

2.2 蒸發(fā)波導(dǎo)診斷模型

近年來，蒸發(fā)波導(dǎo)模型的改進(jìn)主要依賴海-氣界面總體通量算法（如COARE算法）本身的改進(jìn)（李云波等，2009；楊坤德等，2009；Alappattu，et al，2016； Ulate，et al，2019）。但 是COARE算 法自2003年發(fā)布最新的3.0版后，至今沒有更新，且COARE V3.0算法主要針對中高緯度海域和穩(wěn)定層結(jié)進(jìn)行優(yōu)化，在其他條件下不一定優(yōu)于早期版本。為此，Ding等（2015a）提出了UED（Universal Evaporation Duct）模型，與以往研究不同的是，UED模型沒有固定采用某一特定版本的COARE算法，而是將COARE算法分為穩(wěn)定度關(guān)系式、風(fēng)速粗糙度方案、標(biāo)量粗糙度方案和算法框架4個部分，各部分均可靈活地選取和進(jìn)行必要的改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上，迭代確定各種近地層特征尺度參數(shù)z0、z0t、z0q、u?、θ?、q?、 ζ（具體步驟包括：以中性層結(jié)條件下的值作為初值，然后根據(jù)式（2）計(jì)算穩(wěn)定度參數(shù)（ζ），根據(jù)ζ的大小重新判斷層結(jié)條件，計(jì)算穩(wěn)定度關(guān)系式ψu(yù)、ψt、ψq，表達(dá) 式 見 表1；依 次重新計(jì)算z0、u*、z0t、z0q、θ*、q*和“陣風(fēng)性”速度wg，最后判斷是否滿足收斂條件），然后固定采用NPS（National Postgraduate School）模型的做法（Newton，2003），利用式（3）—（5）計(jì)算近地層內(nèi)的平均溫、濕、壓廓線，再利用式（1）計(jì)算M廓線（其中實(shí)際水汽壓（e）需要根據(jù)比濕（q）做簡單轉(zhuǎn)換），最后找到廓線上最小M值對應(yīng)的高度定義為蒸發(fā)波導(dǎo)高度。

表1 穩(wěn)定度關(guān)系式的具體形式Table 1 The exact form of theψ function

式中，z一般取為水平風(fēng)速的觀測高度（m），g取9.8 m/s2，κ是馮·卡門常數(shù)，取0.4，Ta是觀測高度處的氣溫（K），qa是觀測高度處的比濕（kg/kg），u*、θ?、q?分別代表風(fēng)速、位溫和比濕的特征尺度（u*也稱為摩擦速度）。

式中，L為奧布霍夫長度，ζ=z/L為近地層穩(wěn)定度參數(shù)，可由式（2）計(jì)算得到，ζ＞0代表穩(wěn)定層結(jié)，ζ＜0為不穩(wěn)定層結(jié)，ζ＝0為中性層結(jié)。z0、z0t、z0q分別代表風(fēng)速、溫度和濕度粗糙度高度，ψu(yù)、ψt和ψq分別是風(fēng)速、溫度和比濕的穩(wěn)定度關(guān)系式，也稱通量廓線關(guān)系式，莫寧-奧布霍夫相似理論沒有給出它們的具體形式，需要根據(jù)觀測給出經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。R為干空氣比氣體常數(shù)，取為287.04 J/(kg·K)；為z1—z2氣層的平均虛溫（單位：K），=[Tv(z1)+Tv(z2)] /2；T(z)、q(z)、p(z)分別代表近地層氣溫、比濕和氣壓的垂直廓線。Tsea和qsea分別代表海表面溫度和比濕。

Ding等（2015a）通過敏感性分析，揭示了穩(wěn)定度關(guān)系式ψ是影響蒸發(fā)波導(dǎo)模型診斷結(jié)果最關(guān)鍵的因子，Ding等（2015b，2020）分別利用中國南海西沙島（熱帶海域）和美國東海岸的ASIT（the Air-Sea Interaction Tower）觀測塔（溫帶海域）數(shù)據(jù)，指出ψ關(guān)系式和蒸發(fā)波導(dǎo)模型的適用性需要針對不同海域進(jìn)行最優(yōu)化改進(jìn)。不穩(wěn)定層結(jié)條件下的ψ關(guān)系式，熱帶海域推薦采用Fairall96關(guān)系式（Fairall，et al，1996），而溫帶海域則推薦Fairall03關(guān)系式（Fairall，et al，2003），這與總體通量算法（COARE算法）的適用性是一致的。穩(wěn)定層結(jié)條件下，推薦采用更新的SHEBA07非線性關(guān)系式（Grachev，et al，2007）取代早期的Businger-Dyer線性關(guān)系式（Businger，et al，1971；Dyer，1974）。考慮到調(diào)查船經(jīng)過的主要是熱帶/副熱帶海域，因此采用的UED模型中，不穩(wěn)定層結(jié)使用Fairall96關(guān)系式，而穩(wěn)定層結(jié)采用SHEBA07關(guān)系式，具體表達(dá)式如表1所示。

蒸發(fā)波導(dǎo)模型一般利用ζ來判斷大氣層結(jié)穩(wěn)定度。但是ζ的大小，不僅依賴于觀測到的氣海溫差、風(fēng)速和濕度，還與模型有關(guān)，即同一組觀測數(shù)據(jù)，不同蒸發(fā)波導(dǎo)模型計(jì)算的ζ值存在差異。因此，在利用船載自動氣象觀測站數(shù)據(jù)和ERA-Interim資料判定觀測海域的層結(jié)穩(wěn)定度時，采用僅依賴觀測數(shù)據(jù)的總體理查森數(shù)RiB式中，下標(biāo)a代表參考高度處的觀測值，下標(biāo)s代表海表處的值，z和g的取值同式（2），U代表觀測高度處的水平風(fēng)速（m/s），RiB＜0代表不穩(wěn)定層結(jié)，RiB＞0為穩(wěn)定層結(jié)，RiB= 0為中性層結(jié)。

2.3 氣塊軌跡追蹤

氣流經(jīng)過不連續(xù)溫度的下墊面（如SST鋒）時，由暖海面吹到冷海面和由冷海面吹到暖海面，海洋大氣邊界層的響應(yīng)是不同的。為了更加準(zhǔn)確地了解觀測點(diǎn)海域氣流的運(yùn)動情況，利用HYSPLIT（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectories）模式和ERA-Interim再分析資料計(jì)算氣塊軌跡。HYSPLIT是由美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）開發(fā)的大氣傳輸和擴(kuò)散模式，采用拉格朗日和歐拉混合方法計(jì)算氣塊軌跡和污染物濃度。HYSPLIT模式最常見的應(yīng)用就是進(jìn)行后向軌跡溯源分析，通過計(jì)算氣塊的源地，確定源地和觀測點(diǎn)的聯(lián)系，該模式是大氣科學(xué)領(lǐng)域最常用的軌跡分析工具（Draxler，et al，1998；Stein，et al，2015）。

在本研究中針對航線上每個觀測點(diǎn)10 m高度處的氣塊進(jìn)行后向24 h軌跡溯源，如圖2中不同顏色的實(shí)線所示，左頂點(diǎn)為觀測點(diǎn)，右頂點(diǎn)代表追溯到的源點(diǎn)。根據(jù)氣流軌跡經(jīng)過海域的海表溫度與觀測點(diǎn)海表溫度的相對冷暖進(jìn)行分類：當(dāng)氣流運(yùn)動軌跡經(jīng)過的海表溫度值中超過2/3部分低于觀測點(diǎn)的海表溫度時，認(rèn)為氣流從冷海水吹向暖海水；當(dāng)運(yùn)動軌跡經(jīng)過的海表溫度值超過2/3部分高于觀測點(diǎn)的海表溫度時，認(rèn)為氣流從暖海水吹向冷海水；當(dāng)都未超過2/3時，認(rèn)為氣流經(jīng)過的海域無明顯海表溫度變化，稱為過渡段。因此整個觀測期可以分為3個時段，S1時段氣流由暖海水吹向冷海水（圖2中用紅色軌跡實(shí)線表示），S2時段氣流由冷海水吹向暖海水（圖2中用藍(lán)色軌跡實(shí)線表示，S1和S2之間短暫的過渡段用黑色軌跡線表示），S3時段氣流又從暖海水區(qū)吹向冷海水區(qū)（圖2中用黃色軌跡實(shí)線表示）。

3 天氣形勢與走航觀測分析

3.1 觀測期間的大氣環(huán)境背景

圖2給出的是2018年3月31日00時（世界時，下同）—4月3日23時逐時走航觀測點(diǎn)、觀測點(diǎn)后向24 h溯源軌跡和這段時間平均的海表溫度和10 m風(fēng)場分布?？梢苑浅Ｈ菀椎刈R別出黑潮，黑潮穿過巴士海峽沿中國臺灣島以東向北延伸，在黑潮西側(cè)與冷的大陸水體間形成了明顯的海洋鋒，海表溫度梯度達(dá)到4.0℃/（100 km）。同時黑潮與其右側(cè)相對較冷的海水之間存在弱的海洋鋒，而且在130°E附近存在一個北赤道暖流的暖海水延伸體，在其左側(cè)也存在較弱的海洋鋒，這些鋒區(qū)海表溫度梯度大約為1.2℃/（100 km）。海調(diào)船3月31日00時從浙江沿海出發(fā)至4月3日23時到達(dá)呂宋島西北部海域，在3月31日和4月3日兩次穿越黑潮海洋鋒。

圖2 2018年3月31日至4月3日觀測點(diǎn)分布 （小圓點(diǎn)?代表每小時自動氣象觀測點(diǎn)，五角星★代表高分辨率探空觀測點(diǎn)，不同顏色代表不同時間段）、HYSPLIT模式計(jì)算的航線上每個觀測點(diǎn)10 m高度處氣塊的后向24 h軌跡 （不同顏色的實(shí)線，左頂點(diǎn)為觀測點(diǎn)，右頂點(diǎn)為追溯到的氣塊源地，紅色、藍(lán)色、黃色分別代表S1、S2、S3段）、疊加該時段的平均海表溫度（色階，單位：℃） 和10 m高度風(fēng)場 （矢量箭頭，單位：m/s）Fig.2 The observational track during 31 March to 3 April 2018 （dots indicate locations of hourly automatic meteorological observations，pentagrams are the locations of high-resolution soundings，and different observational periods are marked by different colors） and 24 h backward trajectories of air parcels at 10 m height from the HYSPLIT model （solid lines with different colors，red：the S1 segment；blue：the S2 segment；yellow： the S3 segment；the left-side point of the solid line is the observational point and the right-side point is the backward source） overlaid by the averaged SST（shaded，unit：℃） within this period and 10 m horizontal winds （vector，unit：m/s）

圖3a—d分別給出了2018年3月31日至4月3日的天氣形勢，在這段時間研究區(qū)域主要位于西北太平洋副熱帶高壓的西伸脊區(qū)，盡管觀測區(qū)域東南方向（17°N，138°E）附近存在熱帶氣旋，但隨著時間的推移該熱帶氣旋逐漸東移減弱，對觀測區(qū)域影響不大。因此，整體上看，研究區(qū)域的天氣形勢比較穩(wěn)定，走航的觀測點(diǎn)基本上處于副熱帶高壓西伸脊的南部，盛行偏東風(fēng)。

圖3 （a） 2018年3月31日00時、（b） 4月1日00時、（c） 4月2日00時、（d） 4月3日00時2 m高度比濕 （色階，單位：g/kg）、海平面氣壓 （黑色實(shí)線，單位：hPa） 和10 m高度風(fēng)場 （矢量箭頭，單位：m/s） 分布 （藍(lán)色圓點(diǎn)?和五角星★是當(dāng)日觀測點(diǎn)位置；海表溫度、10 m高度風(fēng)場、海平面氣壓場，2 m高度比濕數(shù)據(jù)和軌跡計(jì)算所用數(shù)據(jù)均來自ERA-Interim 0.125°×0.125°再分析資料）Fig.3 Specific humidity at 2 m height （shaded，unit：g/kg），sea level pressure SLP （black contour，unit：hPa），and horizontal winds at 10 m height （vector，unit：m/s） at （a） 00：00 UTC 31 March，（b） 00：00 UTC 1 April，（c） 00：00 UTC 2 April，（d） 00：00 UTC 3 April （the blue dots and the pentagrams are the daily observational points；the synoptic situations of SST，10 m winds，SLP，2 m specific humidity and the data used in backward trajectory calculation are from the ERA-Interim 0.125°×0.125°）

3.2 蒸發(fā)波導(dǎo)及相關(guān)要素場的響應(yīng)分析

海調(diào)船兩次從冷水區(qū)穿越黑潮海洋鋒向暖水區(qū)航行分別是3月31日13時—4月1日01時和4月2日20時—4月3日08時，海表溫度沿航線都出現(xiàn)了比較明顯的升高，12 h內(nèi)海表溫度觀測值分別升高了8和3℃（圖4a）。越過黑潮中心后海表溫度都存在一個小幅降低的過程，在4月1日21時觀測到海表溫度的一個極小值（圖4a），此時海調(diào)船航向由東南轉(zhuǎn)向西南（圖2），轉(zhuǎn)向之前是從黑潮中心向東面相對較冷的水體行進(jìn)，轉(zhuǎn)向之后又向黑潮中心駛?cè)?，因此出現(xiàn)了海表溫度的極小值。船載自動觀測站觀測的風(fēng)向顯示研究時段內(nèi)以偏東風(fēng)為主（圖4f），與ERA-Interim再分析資料提供的背景場吻合（圖2）。觀測區(qū)域主要位于副熱帶高壓西伸脊的南側(cè)，基本形勢比較穩(wěn)定，且邊界層大氣直接受下墊面的影響，整個研究時段內(nèi)海面氣溫（SAT）與海表溫度的變化基本一致，氣海溫差較?。▓D4a）。

利用HYSPLIT模式通過追蹤氣塊軌跡（詳見前面2.3節(jié)），將觀測分為3個時段，S1段氣流由暖海水吹向冷海水（圖2紅色軌跡實(shí)線），結(jié)合圖4b可知該時段內(nèi)總體理查森數(shù)基本上都大于0，即為穩(wěn)定層結(jié)，特別是在靠近海岸的冷海水處（3月31日06時為典型的強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)），這與氣流從暖海水吹向冷海水容易形成穩(wěn)定層結(jié)是吻合的。需要特別說明的是，在最開始的3個時次觀測的海表溫度異常偏高，導(dǎo)致不穩(wěn)定層結(jié)的出現(xiàn)，但此時海調(diào)船剛離開港口，近海環(huán)境比較復(fù)雜，且觀測海表溫度的紅外輻射儀也比接觸式傳感器校準(zhǔn)精度要求更高，因此后面的分析忽略這3個時次。

S1段存在要素場的突變，在整個觀測時段內(nèi)最典型。首先3月31日06時，海面出現(xiàn)低風(fēng)速強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)，總體理查森數(shù)超過0.1（圖4b），為海霧的形成提供了有利的環(huán)境，結(jié)合衛(wèi)星云圖（圖5）可以看出，此時大陸沿岸冷水區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)大范圍海霧。僅3 h后觀測船進(jìn)入霧區(qū)，從31日09—16時，相對濕度連續(xù)7 h達(dá)到100%且伴隨能見度不足200 m、最低能見度不足50 m（圖4c、d）的情況，由于蒸發(fā)波導(dǎo)高度對相對濕度最為敏感，且隨著觀測高度處相對濕度的增大而減小，因此當(dāng)海霧出現(xiàn)時，相對濕度接近100%，近海面數(shù)十米范圍內(nèi)不存在濕度隨高度銳減的情況，因此不利于蒸發(fā)波導(dǎo)的出現(xiàn)，此時模型診斷的蒸發(fā)波導(dǎo)高度也近乎為0（圖6）。在此之前（3月31日06時），由于強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)的出現(xiàn)（圖4b），模型診斷的蒸發(fā)波導(dǎo)高度達(dá)到約20 m（圖6）。31日16時后，調(diào)查船首次穿越黑潮海洋鋒進(jìn)入暖水區(qū)（圖2），加之水平風(fēng)速的加大（圖4e），不利于海霧的形成和維持，因此觀測船至此離開霧區(qū)的影響，能見度恢復(fù)（圖4d）且相對濕度也顯著下降（圖4c）。有趣的是，至S1段結(jié)束時蒸發(fā)波導(dǎo)高度也恢復(fù)到原先20 m左右的較高值，但從層結(jié)穩(wěn)定度、風(fēng)速和相對濕度的角度綜合考慮，此時的蒸發(fā)波導(dǎo)高度應(yīng)該低于06時的結(jié)果，因?yàn)橐酝哪Ｐ兔舾行苑治觯ù鞲Ｉ降龋?002；Ding，et al，2015a）和實(shí)測擬合平均蒸發(fā)波導(dǎo)高度的變化規(guī)律（Ding，et al，2020）均表明，其他條件一致時，穩(wěn)定層結(jié)條件下的蒸發(fā)波導(dǎo)高度隨著風(fēng)速的加大而降低，與不穩(wěn)定層結(jié)時正好相反。進(jìn)一步分析海溫場的影響（圖2、4a）可知，此時調(diào)查船已經(jīng)從大陸冷海水第一次穿越SST鋒到達(dá)黑潮海域的暖水區(qū)，海溫迅速升高了8℃，直接導(dǎo)致蒸發(fā)波導(dǎo)高度的增高。

圖4 3月31日00時—4月3日23時船載自動觀測站觀測的 （a） 海表溫度和海面氣溫、（b） 總體理查森數(shù)RiB、（c） 相對濕度、（d） 能見度、（e） 水平風(fēng)速和 （f） 風(fēng)向 （溫壓濕風(fēng)數(shù)據(jù)均取自7 m觀測高度，根據(jù)軌跡將整個研究時段分為S1、S2、S3及S1與S2間的過渡段）Fig.4 Hourly automatic meteorological measurements during 00：00 UTC 31 March to 23：00 UTC 3 April： （a） SST and sea surface air temperature （SAT），（b） bulk Richardson numberRiB ，（c） relative humidity，（d） visibility，（e） horizontal wind speeds，and （f） wind directions （all data were measured at 7 m above the sea surface；the whole observational period is divided into S1，S2，S3 segments，and the transitional period between S1 and S2）

圖5 Himawari-8衛(wèi)星觀測的2018年3月31日06時可見光云圖Fig.5 The visible image from the Himawari-8 satellite at 06：00 UTC 31 March 2018

接下來，持續(xù)近66 h的S2段，氣流由冷海水吹向暖海水（圖2藍(lán)色軌跡實(shí)線），結(jié)合總體理查森數(shù)（圖4b）可知，此段層結(jié)以不穩(wěn)定為主，且由于氣海溫差總體上比較接近（圖4a），后期不穩(wěn)定度減弱接近中性層結(jié)，這與S2段的水平風(fēng)速呈階梯狀上升有關(guān)（圖4b、e），因?yàn)轱L(fēng)速的加大有利于層結(jié)向中性調(diào)整。需要說明的是，4月2日06時的風(fēng)速突然減小與觀測船的位置變化有關(guān)，如圖3c所示，臨近時刻觀測點(diǎn)接近西伸脊氣壓梯度低值區(qū)。另外，S2段包含調(diào)查船兩次穿越黑潮主體（圖2），因此海溫整體高于S1段，并表現(xiàn)出波動變化的特征（圖4a）。根據(jù)以往的研究經(jīng)驗(yàn)，遠(yuǎn)海一般以不穩(wěn)定層結(jié)為主（Edson，et al，2004），且基于Fairall96關(guān)系式的UED模型在熱帶海域的近中性弱不穩(wěn)定層結(jié)條件下（?0.2≤RiB＜0）診 斷 效 果 最 理 想（Ding，et al，2015b）。除此之外，田斌等（2009）的研究也證實(shí)基于Fairall96關(guān)系式（不穩(wěn)定層結(jié)）和Businger-Dyer關(guān)系式（穩(wěn)定層結(jié)）的蒸發(fā)波導(dǎo)A模型（也稱Babin模型或BYC模型）在中國海區(qū)的近中性層結(jié)比較適用。由于整個S2段基本上都處于近中性弱不穩(wěn)定層結(jié)，此時模型診斷結(jié)果可信度很高，模型蒸發(fā)波導(dǎo)高度在12 m上下波動（圖6），這一高度足以讓很多艦載雷達(dá)系統(tǒng)受其影響改變傳播距離和作用范圍，產(chǎn)生超視距探測和雷達(dá)盲區(qū)的異常傳播現(xiàn)象。這里進(jìn)一步關(guān)注S2段的兩個突變點(diǎn)（圖6），首先4月2日06時前后模型蒸發(fā)波導(dǎo)高度突然下降至約7 m，這主要是觀測船駛?cè)敫备呶魃旒箖?nèi)的氣壓梯度低值區(qū)導(dǎo)致風(fēng)速突然減小引起的（圖3c、4e），前面的分析也提到，不穩(wěn)定層結(jié)時的蒸發(fā)波導(dǎo)高度一般隨著風(fēng)速的減小而降低。另外，4月1日23時出現(xiàn)的蒸發(fā)波導(dǎo)高度極大值與短時出現(xiàn)的增溫減濕有關(guān)，此時氣溫明顯高于海溫為弱穩(wěn)定層結(jié)，加之相對濕度降至約68%，濕度隨高度銳減程度明顯加劇，且穩(wěn)定層結(jié)時蒸發(fā)波導(dǎo)模型對氣海溫差、相對濕度和風(fēng)速都更加敏感，因此出現(xiàn)蒸發(fā)波導(dǎo)高度模型值竄至近38 m的情況。

S3段調(diào)查船第二次穿越黑潮主體后向西南方向前進(jìn)，氣流再次從暖海水吹向冷海水（圖2黃色軌跡實(shí)線），層結(jié)近乎中性（圖4b），此時觀測船位置最接近低緯度熱帶海域加上黑潮的影響，海溫仍較高（圖2、4a）。蒸發(fā)波導(dǎo)高度伴隨相對濕度的變化（圖4c），先降后升（圖6）。

圖6 3月31日00時—4月3日23時由UED模型診斷的蒸發(fā)波導(dǎo)高度Fig.6 Model-derived EDHs based on the UED model from 00：00 UTC 31 March to 23：00 UTC 3 April

4 蒸發(fā)波導(dǎo)時空分布的模擬結(jié)果分析

為了更全面和直觀地了解此次黑潮海洋鋒區(qū)的蒸發(fā)波導(dǎo)時、空分布特征，利用WRF V3.9.1模式，采用MM5近地層參數(shù)化方案、YSU邊界層方案、Kain-Fritsch積云參數(shù)化方案、RRTMG長、短波輻射方案、Lin 微物理方案，對此次觀測海區(qū)的蒸發(fā)波導(dǎo)現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬時間為2018年3月30日12時—4月4日00時。模擬區(qū)域?yàn)槿厍短祝钔鈱訁^(qū)域范圍約為（EQ—50°N，100°E—150°W），水平分辨率為27、9、3 km。從地面到50 hPa模式層頂，垂直分為 60 層，在邊界層1.6 km 以下垂直分辨率為50 m。初始場和邊界條件來自 NCEP FNL再分析資料，水平分辨率為1°×1°。為了使海溫分析場能夠盡可能準(zhǔn)確描述黑潮海洋鋒，采用 HYCOM（The HYbrid Coordinate Ocean Model）海溫資料作為下邊界強(qiáng)迫，每6 h更新一次。利用船載自動氣象觀測站的走航資料，對模式最低層（約為 4 m）輸出的溫、壓、濕、風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)值模式的模擬能力（圖略，詳見梁志超，2021）。

將數(shù)值模式輸出的最低模式層上的溫、壓、濕、風(fēng)輸入U(xiǎn)ED蒸發(fā)波導(dǎo)診斷模型，獲得觀測海域蒸發(fā)波導(dǎo)高度的時空演變特征（圖7）。結(jié)合圖7a中海溫場的分布特征可知，黑潮海洋鋒區(qū)的蒸發(fā)波導(dǎo)高度突變和非均勻性很明顯，特別是伴隨暖海水吹向冷海水的鋒區(qū)突變性更強(qiáng)。因此，模擬結(jié)果能夠更加系統(tǒng)地揭示黑潮海洋鋒對蒸發(fā)波導(dǎo)的天氣尺度強(qiáng)迫作用，而前面的走航觀測受觀測船位置的影響較大，3月31日12時觀測船處于大陸冷水區(qū)的海霧控制下（圖2），此時模擬的蒸發(fā)波導(dǎo)高度也近乎為0（圖7b），與S1段的走航觀測分析結(jié)果一致；此后結(jié)合圖2中觀測船所在的位置與圖7c、d的模擬結(jié)果可知，4月1日00時和3日00時，觀測船正好處在蒸發(fā)波導(dǎo)高度的較高值區(qū)域（12 m左右），這也與前面S2段的走航觀測分析結(jié)果吻合。

圖7 模式輸出的 （a） 第二重網(wǎng)格觀測海域附近的海表溫度水平分布 （以2018年3月31日00時 （模擬12 h后） 為代表；黑色圓點(diǎn)和五角星構(gòu)成的路線即為觀測船走航路線） 與 （b—d） 第三重網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的蒸發(fā)波導(dǎo)高度時空演變特征（b.3月31日12時 （模擬24 h后），c.4月1日00時 （模擬36 h后），d.4月3日00時 （模擬84 h后））Fig.7 Simulated horizontal distribution of SST （a） in part of the domain D02 （00：00 UTC 31 March 2018 after 12 h of integration； black dots and stars indicate the track of observations） and the evolution of EDH in the domain D03 at（b） 12：00 UTC 31 March after 24 h of integration，（c） 00：00 UTC 1 April after 36 h of integration，and（d） 00：00 UTC 3 April after 84 h of integration

5 黑潮海洋鋒的強(qiáng)迫機(jī)制分析

5.1 海霧的影響

前面的觀測與模擬分析都表明海霧的出現(xiàn)是造成蒸發(fā)波導(dǎo)突變的一種原因，而以往研究（Tanimoto，et al，2009）也表明海洋鋒區(qū)有利于海霧的形成。本次的走航觀測過程（3月31日9—16時）正好捕捉到一次海霧過程。此時調(diào)查船附近海域盛行的是偏東風(fēng)，風(fēng)速3—4 m/s（圖4e、f），屬于向岸風(fēng)，在此前的31日06時，海面處于強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)（圖4b），風(fēng)向也為偏東風(fēng)，風(fēng)速只有1.6 m/s，此后能見度開始迅速下降。因此，此次海霧的形成并非傳統(tǒng)的離岸風(fēng)伴隨穩(wěn)定層結(jié)的平流海霧，而是調(diào)查船自大陸冷水區(qū)向南行進(jìn)的過程中（圖2），因其東側(cè)存在黑潮，偏東氣流自黑潮區(qū)的暖水面吹向冷水面，從而形成局地的穩(wěn)定內(nèi)邊界層，特別是從圖2可知，31日12—16時調(diào)查船觀測點(diǎn)仍然處于冷水區(qū)，而氣流的軌跡溯源已來自黑潮主體區(qū)域，此時上部暖下部冷的逆溫更強(qiáng)。由于下部冷水面上方的空氣容納水汽的能力弱，暖水面吹來的空氣中容納的多余水汽將發(fā)生凝結(jié)，從而形成海霧，而穩(wěn)定層結(jié)也有利于海霧的維持。而且從每日00時和12時釋放的高分辨探空儀得到的溫濕度廓線（圖8a、b）來看，3月31日12時確實(shí)存在厚度約80 m的逆溫層，層頂接近200 m，逆溫強(qiáng)度超過5℃，說明在合適的平流條件下，黑潮對下游低層大氣的影響可以到達(dá)200 m左右的高度。31日16時后，調(diào)查船首次穿越海表溫度鋒區(qū)進(jìn)入黑潮暖水區(qū)（圖2），與氣流軌跡源點(diǎn)的海溫差異不再顯著，加上水平風(fēng)速的加大也不利于海霧的形成。因此，16時后觀測船離開霧區(qū)，不再受海霧的影響。此次觀測船在大陸沿岸冷水區(qū)觀測到的海霧，其形成與黑潮區(qū)暖空氣向大陸冷海水的持續(xù)平流有關(guān)，海霧區(qū)霧頂?shù)拈L波輻射使近地層空氣進(jìn)一步降溫冷卻，觀測的氣溫接近甚至低于海溫（圖4a），這也解釋了圖4b中強(qiáng)穩(wěn)定層結(jié)在3月31日09—16時明顯減弱至近中性的原因。海霧出現(xiàn)時因空氣接近飽和，不滿足濕度隨高度銳減的條件，因此蒸發(fā)波導(dǎo)高度也接近于0，海霧的出現(xiàn)會加劇黑潮海洋鋒區(qū)的蒸發(fā)波導(dǎo)的突變。

圖8 高分辨探空儀觀測的溫度 （a） 和相對濕度 （b） 垂直廓線 （分辨率約6 m）Fig.8 Vertical profiles of air temperature （a） and relative humidity （b） from the high-resolution （～ 6 m） soundings

5.2 層結(jié)穩(wěn)定度的影響

以往通常認(rèn)為遠(yuǎn)海以不穩(wěn)定層結(jié)為主（Edson，et al，2004），近海區(qū)域容易受離岸風(fēng)的影響（Atkinson，et al，2001），離岸風(fēng)將暖干大陸氣團(tuán)平流到冷海面后，在沿岸下風(fēng)方向數(shù)十乃至數(shù)百千米內(nèi)的海面上形成穩(wěn)定的海洋內(nèi)邊界層。本研究表明，因?yàn)楹诔钡拇嬖?，即使是在開闊海域盛行向岸風(fēng)時，氣流從黑潮主體的暖水區(qū)吹向大陸冷海域，也會因兩者的強(qiáng)烈溫差形成具有穩(wěn)定層結(jié)的海洋內(nèi)邊界層，從而與其他開闊海域的不穩(wěn)定層結(jié)形成鮮明對比，造成蒸發(fā)波導(dǎo)高度在這里發(fā)生突變。這說明在黑潮海洋鋒本身的海溫梯度引起的非均勻性基礎(chǔ)上，又疊加了層結(jié)穩(wěn)定度的突變，造成蒸發(fā)波導(dǎo)高度非均勻性進(jìn)一步加強(qiáng)。極端情況下，還可能伴隨海霧的生成，導(dǎo)致此處蒸發(fā)波導(dǎo)高度突降為0。

此外S2段的走航觀測，按照軌跡的分類方法氣流是由冷海水吹到暖海水，層結(jié)是不穩(wěn)定的，但是注意到這種不穩(wěn)定隨著時間變化逐漸減弱（圖4b），除了前面分析指出S2階段風(fēng)速呈階梯狀加大有利于層結(jié)向中性調(diào)整，還可以從氣流的軌跡溯源得到解釋。從4月1日01—23時逐時觀測點(diǎn)的24 h后向軌跡溯源過程中對應(yīng)的海表溫度變化（圖9）可以看出，氣流運(yùn)動（從圖中最右端的源點(diǎn)到最左端的觀測點(diǎn)）的確是由冷海水吹向暖海水引起海洋下墊面相對其上的低層大氣更熱，因此大氣層結(jié)是不穩(wěn)定的。但是應(yīng)該注意到從4月1日17時后軌跡對應(yīng)的海表溫度變化（從右到左）不再單調(diào)增加，而是出現(xiàn)了波動變化特征（圖9）。結(jié)合圖2可以看到，此時氣流軌跡開始受到130°E附近暖海水延伸體的影響，層結(jié)穩(wěn)定度向近中性弱不穩(wěn)定層結(jié)調(diào)整，根據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn)，此時蒸發(fā)波導(dǎo)模型診斷精度很高，走航與模擬結(jié)果都表明此區(qū)域以10—14 m高度的蒸發(fā)波導(dǎo)為主。

圖9 4月1日01—23時逐時后向24 h軌跡溯源過程的海表溫度變化Fig.9 Hourly variation of SST along the 24 h backward source trajectory from 01：00 UTC to 23：00 UTC 1 April

6 結(jié)論

利用2018年春季航次“海氣相互作用觀測試驗(yàn)”的海上自動氣象觀測站和邊界層加密探空觀測資料，結(jié)合ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)和HYSPLIT氣塊軌跡溯源開展了天氣形勢與走航觀測分析。重點(diǎn)關(guān)注調(diào)查船穿越黑潮海洋鋒的過程中，蒸發(fā)波導(dǎo)及其相關(guān)氣象要素場的響應(yīng)和變化特征，并利用中尺度數(shù)值模式對黑潮海洋鋒強(qiáng)迫下的蒸發(fā)波導(dǎo)時空演變特征進(jìn)行了數(shù)值模擬，從觀測和模擬的角度揭示黑潮海洋鋒對蒸發(fā)波導(dǎo)突變與非均勻性的天氣尺度強(qiáng)迫機(jī)制。

走航觀測分析中，主要分離出兩個重要的觀測時段：S1段（持續(xù)約21 h）氣流從暖海水吹向冷海水，以穩(wěn)定層結(jié)為主，其間因黑潮海洋鋒的存在，氣流由黑潮主體的暖水區(qū)吹向大陸冷海域時，形成具有強(qiáng)逆溫層的海洋內(nèi)邊界層，并伴隨海霧的生成，導(dǎo)致此處蒸發(fā)波導(dǎo)高度突降為0。此后持續(xù)近66 h的S2段，氣流由冷海水吹向暖海水，以近中性弱不穩(wěn)定層結(jié)為主，模型診斷精度高，蒸發(fā)波導(dǎo)高度維持在12 m左右。

數(shù)值模擬結(jié)果更加全面地展示了黑潮海洋鋒對蒸發(fā)波導(dǎo)的天氣尺度強(qiáng)迫作用，幾乎整個模擬時期內(nèi)，黑潮海洋鋒區(qū)的蒸發(fā)波導(dǎo)高度突變性和非均勻性都比較明顯，特別是伴隨暖海水吹向冷海水的鋒區(qū)突變性更強(qiáng)。進(jìn)一步的機(jī)制分析表明，即使在開闊海域盛行向岸風(fēng)時，氣流從黑潮主體的暖水區(qū)吹向大陸冷海區(qū)時，也會因兩者的強(qiáng)烈溫差形成具有穩(wěn)定層結(jié)的海洋內(nèi)邊界層，從而與其他開闊海域的不穩(wěn)定層結(jié)形成鮮明對比，造成蒸發(fā)波導(dǎo)高度在這里發(fā)生突變。這說明在黑潮海洋鋒本身的海溫梯度引起的非均勻性基礎(chǔ)上，又疊加了層結(jié)穩(wěn)定度的突變，造成蒸發(fā)波導(dǎo)高度非均勻性進(jìn)一步加強(qiáng)。極端情況下，還可能伴隨海霧的生成，導(dǎo)致此處蒸發(fā)波導(dǎo)高度突降為0，進(jìn)一步加劇了蒸發(fā)波導(dǎo)高度的突變性。

此外，穩(wěn)定層結(jié)時的湍流參數(shù)化和通量廓線關(guān)系式的適用性仍不理想，這也在一定程度上制約了蒸發(fā)波導(dǎo)模型在穩(wěn)定層結(jié)條件下的診斷精度；而且蒸發(fā)波導(dǎo)模型依賴的莫寧-奧布霍夫相似理論是在均勻且定常的假設(shè)前提下得到的，在黑潮海洋鋒區(qū)，下墊面海溫存在明顯的非均勻性，莫寧-奧布霍夫相似理論的假設(shè)前提并不成立，這進(jìn)一步加劇了黑潮海洋鋒區(qū)的蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測難度。未來需要針對黑潮海洋鋒區(qū)開展更多的波導(dǎo)環(huán)境與傳播觀測、評估和預(yù)報(bào)研究。