秦慶昌 于 波 徐路揚(yáng) 紀(jì) 彬 王媛媛 張琳娜

北京市氣象臺，北京 100091

提 要： 2021年3月2—4日北京地區(qū)受持續(xù)性的低云影響，導(dǎo)致氣溫預(yù)報出現(xiàn)較大偏差，全球數(shù)值模式、區(qū)域數(shù)值模式及預(yù)報員均未預(yù)報出此次低云天氣過程。利用常規(guī)氣象觀測資料、ERA5再分析資料、風(fēng)云四號A星(FY-4A)高分辨率可見光云圖及激光云高儀和毫米波云雷達(dá)等新型探測資料，對低云的形成和維持機(jī)制進(jìn)行探討。研究結(jié)果表明：此次低云過程是在前期降水過后無明顯冷空氣影響、近地面濕度未得到很好的清除這一有利背景下，配合穩(wěn)定的大氣層結(jié)、弱上升運(yùn)動和地形因素的共同作用下得以維持和發(fā)展。925 hPa暖平流發(fā)展和風(fēng)速增強(qiáng)破壞了穩(wěn)定層結(jié)，使得邊界層內(nèi)混合加強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致低云消散。利用激光云高儀和毫米波云雷達(dá)可分別獲取云底高度和云體結(jié)構(gòu)的精細(xì)信息，可作為常規(guī)觀測的有益補(bǔ)充。

引 言

云是由大氣中水汽凝結(jié)(凝華)而形成的微小水滴、過冷水滴、冰晶和雪晶等組成的。根據(jù)云底距離地面的高度不同，可分為高云、中云和低云，其中低云的云底距地面高度較低，一般低于2 500 m，持續(xù)的低云和低能見度天氣會對城市交通、飛行安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等帶來嚴(yán)重危害(文丹青和黃波，2010)。關(guān)于低云的形成條件，Stevens and Brenguier(2009)認(rèn)為可分成氣象要素條件和大氣氣溶膠條件：氣象要素條件是指大尺度的環(huán)境熱動力狀態(tài)，決定了低云的宏觀結(jié)構(gòu)；氣溶膠條件是指云凝結(jié)核，決定了低云的微觀結(jié)構(gòu)。Wood and Bretherton(2006)通過觀測試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低云云量與大氣低層的逆溫層強(qiáng)度(estimated inversion strength，EIS)密切相關(guān)。水汽條件(Stevens and Brenguier，2009)、低層垂直運(yùn)動(Weaver and Pearson，1990)等因素對低云的形成和消散也起著重要作用。另外，環(huán)境氣溶膠濃度的變化會改變云的光學(xué)性質(zhì)(Twomey and Wojciechowski，1969)，進(jìn)而通過氣溶膠-云的相互作用調(diào)節(jié)著低云的局地分布和氣候特征(Rosenfeld，2006)。

近年來一些國內(nèi)外學(xué)者對持續(xù)性低云過程進(jìn)行了研究分析，劉峰等(2007)認(rèn)為低云的形成與大氣穩(wěn)定度、逆溫層等因素有關(guān)；劉開宇等(2010)研究表明充沛的水汽、冷卻過程和弱上升運(yùn)動是形成低云的必要條件；文丹青和黃波(2010)研究認(rèn)為，華南地區(qū)的低云有東路弱冷空氣南下和海上冷空氣由東路回流兩種形成機(jī)制；Adler et al(2017)基于觀測結(jié)果分析了與低云形成相關(guān)的物理過程，研究表明邊界層內(nèi)的冷卻過程是持續(xù)性低云形成中最為關(guān)鍵的因素，且冷卻過程主要是由水平冷平流引起的；向喆(2020)針對發(fā)生在福州長樂機(jī)場的一次低云低能見度天氣進(jìn)行了診斷分析，研究表明穩(wěn)定的溫度層結(jié)、極小的溫度露點(diǎn)差和風(fēng)速為3～4 m·s-1的東北風(fēng)是此次低云得以持續(xù)維持的原因，而東北風(fēng)逐漸增大是此次低云消散的主要原因。

由于低云本身的分布和特征總是在不斷變化(熊秋芬等，2007)，故低云的預(yù)報難度很大(劉開宇等，2010)，持續(xù)性低云的預(yù)報則更加困難，目前數(shù)值模式通過云量計(jì)算方案(鄭曉輝等，2013；姜曉飛等，2015；趙晨陽等，2020)可以直接輸出低云量，供預(yù)報人員參考和使用。但是受到海陸分布、下墊面差異和摩擦等因素的影響，數(shù)值模式對地面要素的直接預(yù)報存在一定的誤差，故僅僅依靠模式的預(yù)報難以滿足業(yè)務(wù)需求(陳德輝和薛紀(jì)善，2004；矯梅燕等，2006)。近年來，部分學(xué)者基于數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的解釋應(yīng)用對低云的預(yù)報做了探索，如利用支持向量機(jī)方法建立低云量預(yù)報的精細(xì)化模型，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法在云量的釋用預(yù)報方面具有較好的應(yīng)用前景(熊秋芬等，2007；胡邦輝等，2011；趙文婧等，2016)，但是該模型僅局限于單獨(dú)的站點(diǎn)預(yù)報，無法形成區(qū)域預(yù)報；基于相似預(yù)報原理和相似離度判據(jù)，對云量進(jìn)行時效為10 d的回代預(yù)報，該方案在山西低云云量上具有較好的預(yù)報能力(黃海亮等，2018)，但該方法將所有站點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合在一起建立預(yù)報方程，未考慮站點(diǎn)的差異性，預(yù)報不夠精細(xì)化；基于全球天氣預(yù)報系統(tǒng)(GFS)預(yù)報場資料，采用多元逐步回歸預(yù)報方法建立了0～168 h逐小時精細(xì)化區(qū)域預(yù)報，實(shí)例預(yù)報結(jié)果顯示該方法在低云云量預(yù)報上明顯好于直接使用模式的預(yù)報結(jié)果(杜暉等，2021)，但是多元逐步回歸預(yù)報方法在因子選擇、樣本標(biāo)定等方面具有難以回避的主觀性，即人為干預(yù)較多。因此，尋求理想高效的低云云量預(yù)報模型仍在不斷探索和研究中。

綜上所述，已有不少研究涉及到低云過程的分析和預(yù)報。2021年3月2—4日，北京地區(qū)出現(xiàn)了持續(xù)性低云過程，數(shù)值模式和預(yù)報員均未預(yù)報出此次低云過程，導(dǎo)致3月2—4日的氣溫預(yù)報出現(xiàn)較大偏差。此次低云過程發(fā)生在“春運(yùn)”“兩會”和冬奧測試賽等重大活動期間，給預(yù)報保障服務(wù)造成了一定影響。有鑒于此，本文利用歐洲中期天氣預(yù)報中心第五代大氣再分析全球數(shù)據(jù)(以下簡稱ERA5再分析資料)、風(fēng)云四號A星(FY-4A)衛(wèi)星的逐5 min可見光云圖、北京地區(qū)常規(guī)氣象觀測資料以及激光云高儀、毫米波云雷達(dá)等新型探測資料，詳細(xì)分析此次低云過程發(fā)生的氣象要素條件，探討出現(xiàn)預(yù)報偏差的原因，并為此類過程的監(jiān)測預(yù)報提供思路，以期能加深預(yù)報員對低云過程的認(rèn)識，從而有助于提高北京地區(qū)的精細(xì)化預(yù)報水平。

1 資料介紹

1.1 資料簡介

本文所用觀測資料包括FY-4A衛(wèi)星的逐5 min可見光云圖、北京地區(qū)加密自動氣象站和探空等常規(guī)觀測資料，以及海淀氣象站激光云高儀和毫米波云雷達(dá)等新型探測資料。利用ERA5再分析資料分析天氣形勢，該資料包括緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)、溫度、位勢高度等物理量，時間分辨率為1 h，水平空間分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向上1 000～1 hPa共分為37層。本文時間均為北京時。

1.2 激光云高儀

激光云高儀(下文簡稱云高儀)是一種結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)大的激光雷達(dá)系統(tǒng)，由于其價格低、易于維護(hù)、可以全天候高效運(yùn)行，目前已廣泛用于氣象站、機(jī)場等無人值守平臺。北京市氣象局已建成由10部云高儀(Vaisala CL51型)組成的觀測網(wǎng)，分別安裝在海淀、朝陽、豐臺、房山、大興、通州、昌平、順義、懷柔和平谷等國家氣象站，用來開展氣溶膠垂直分布和邊界層高度的連續(xù)監(jiān)測，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)了全天邊界層高度的反演算法。云高儀以氣溶膠作為示蹤物，利用氣溶膠的濃度差異導(dǎo)致的后向散射信號在垂直方向上的梯度變化來確定大氣邊界層高度(Dang et al,2019)，其確定的邊界層高度為物質(zhì)邊界層高度(Shi et al,2020)。

云高儀通過向天空發(fā)射激光短脈沖，穿過大氣時測量光的反射(由霾、霧、輕霧、雨幡、降水和云層引起的后向散射)來獲取整個探測路徑上的后向散射廓線，并同時探測云底。云高儀的探測精度高，后向散射數(shù)據(jù)具有10 m的垂直分辨率和16 s的時間分辨率，且對地面可見的云的觀測效果好，但其受霧-霾影響較嚴(yán)重，對多層云的觀測能力有限(吳翀等，2017)。

云高儀返回信號功率可由下式獲得：

(1)

根據(jù)激光脈沖發(fā)出和接收到后向散射信號之間的時間差，可以計(jì)算出云底高度、云層厚度等(朱君等，2017)。

1.3 毫米波云雷達(dá)

毫米波云雷達(dá)(下文簡稱云雷達(dá))工作在Ka波段，中心頻率為35 GHz，采用全固態(tài)、準(zhǔn)連續(xù)波體制和脈沖壓縮的信號形式，以頂空垂直固定掃描的方式工作。具有-40～40 dBz的探測能力，并且達(dá)到垂直方向距離上為30 m、時間為1 min的分辨率要求。測量并輸出云回波的反射強(qiáng)度、垂直速度和速度譜寬等一次產(chǎn)品，并在此基礎(chǔ)上反演獲得云頂高、云底高、云厚和云量等二次產(chǎn)品(仲凌志等，2011；趙靜等，2017)。目前，北京市氣象局已在大興、通州、海淀等區(qū)安裝了多部云雷達(dá)。由于云雷達(dá)采用波長為毫米級的微波信號，故具備探測小粒子的優(yōu)勢以及良好的穿透能力，可以探測到云體的內(nèi)部垂直結(jié)構(gòu)(崔延星等，2018)，尤其是對非降水云和弱降水云的探測效果較好，是云三維精細(xì)結(jié)構(gòu)探測的重要工具。

云雷達(dá)的工作原理是基于云和降水粒子對云雷達(dá)發(fā)射的電磁波產(chǎn)生散射作用，其中返回到天線方向被天線接收的部分稱為后向散射，利用后向散射信號可探測到云的宏觀和微觀物理結(jié)構(gòu)。云和降水粒子的回波強(qiáng)度是由后向散射強(qiáng)度決定的，根據(jù)雷達(dá)氣象方程可獲取雷達(dá)反射率因子：

(2)

式中：Pr為雷達(dá)回波功率，Pt為雷達(dá)發(fā)射功率，h為有效照射深度，G為天線增益，λ為雷達(dá)波長，θ和φ分別為波束橫截面在水平和垂直方向上的角寬度，R為目標(biāo)物離雷達(dá)的距離，Z為雷達(dá)反射率因子，m為和降水目標(biāo)物相態(tài)有關(guān)的參數(shù)。

2 過程實(shí)況與預(yù)報情況

2.1 過程實(shí)況

2021年2月28日05時至3月1日12時北京地區(qū)出現(xiàn)雨雪天氣過程，全市平均降水量為7.9 mm，受降水影響，近地層增濕明顯。降水結(jié)束后，2—4日北京地區(qū)850～500 hPa(圖1a～1c)一直受西北偏西氣流控制，無明顯冷空氣活動，同時地面由高壓后部轉(zhuǎn)到弱輻合區(qū)控制(圖1d)。

圖1 2021年3月3日08時(a)500 hPa，(b)700 hPa，(c)850 hPa高度場(等值線，單位：dagpm)和風(fēng)場；(d)海平面氣壓場(等值線，單位：hPa)和風(fēng)場(五角星所示為北京地區(qū)，下同)Fig.1 The (a) 500 hPa, (b) 700 hPa, (c) 850 hPa geopotential height field (contour, unit: dagpm) and wind field, (d) surface pressure field (unit: hPa) and wind field at 08:00 BT 3 March 2021 (The star represents Beijing Area， the same below)

FY-4A衛(wèi)星可見光云圖(圖2a～2e)顯示，從2日上午至4日中午前后，北京地區(qū)持續(xù)受到表現(xiàn)為白亮特征的密實(shí)云層覆蓋，結(jié)合該期間紅外云圖(圖2g～2h)，該云層的云頂亮溫較高，可見這是一次低云影響，直至4日下午(圖2f，2i)低云逐漸消散，在此時段內(nèi)北京城區(qū)全天能見度大部分為1～3 km(圖3)；同時地面相對濕度維持在70%～80%的高濕狀態(tài)。受天空云量覆蓋的影響，北京平原地區(qū)白天太陽短波輻射增溫作用和夜間地表長波輻射降溫作用都非常有限，2—4日最高氣溫分別為4.2、6.8和11.1℃，最低氣溫分別為1.7、2.5和2.0℃。

圖2 2021年3月(a)2日11時，(b)2日15時，(c)3日11時，(d)3日15時，(e)4日10時，(f)4日14時FY-4A衛(wèi)星可見光云圖和(g)2日15時，(h)3日15時，(i)4日14時FY-4A衛(wèi)星紅外云圖Fig.2 Visible cloud images of FY-4A satellite at (a) 11:00 BT 2, (b) 15:00 BT 2, (c) 11:00 BT 3, (d) 15:00 BT 3, (e) 10:00 BT 4, (f) 14:00 BT 4 and infrared cloud images at (g) 15:00 BT 2, (h) 15:00 BT 3, (i) 14:00 BT 4 March 2021

圖3 2021年3月2日08時至5日08時北京觀象臺2 m溫度及能見度時序圖Fig.3 The 2 m temperature and visibility in Beijing Meteorological Observatory from 08:00 BT 2 to 08:00 BT 5 March 2021

2.2 預(yù)報情況

針對此次過程，北京市氣象臺2日06時預(yù)報2—4日以晴為主，預(yù)報最高氣溫分別為8、10和13℃，最低氣溫分別為-4、-2和0℃，與實(shí)況相比，對天空狀況和氣溫的預(yù)報均出現(xiàn)了較大偏差，其中最高氣溫的預(yù)報偏差分別為3.8、3.2和1.9℃，最低氣溫的預(yù)報偏差分別為5.7、4.5和2.0℃。

ECMWF(以下簡稱EC)模式對此次過程的天氣形勢預(yù)報較為準(zhǔn)確，但對邊界層內(nèi)相對濕度的預(yù)報較實(shí)況顯著偏低(溫度露點(diǎn)差顯著偏高)，如表1所示，其中2日08時925 hPa的相對濕度預(yù)報偏差達(dá)60%，而且對邊界層內(nèi)的濕層預(yù)報較實(shí)況明顯偏薄，故模式未能預(yù)報出低云的存在。當(dāng)模式對云量的預(yù)報出現(xiàn)偏差時，由于云量導(dǎo)致的溫度預(yù)報也隨之出現(xiàn)了偏差。圖4為多家數(shù)值模式預(yù)報3月1日20時至5日08時2 m溫度與實(shí)況的偏差，可以看出CMA、EC和NCEP的溫度預(yù)報偏差都較大，最大偏差達(dá)到6.3℃(EC，3日05時)，雖然偏差的具體數(shù)值大小不同，但偏差的趨勢是一致的，即預(yù)報白天高溫偏高、夜間低溫偏低。

表1 2021年3月1日20時EC模式預(yù)報2日08時至4日08時北京觀象臺925 hPa與1 000 hPa相對濕度、實(shí)況相對濕度及偏差大小Table 1 The predicted relative humidity of EC forecast at 20:00 BT 1 March 2021, the observed relative humidity and the deviation from 08:00 BT 2 to 08:00 BT 4 March 2021 at Beijing Observatory

圖4 2021年3月1日20時至5日08時各家數(shù)值模式CMA、ECMWF和NCEP預(yù)報北京觀象臺2 m溫度偏差圖Fig.4 The deviation of 2 m temperature prediction of CMA, ECMWF, NCEP at Beijing Meteorological Observatory from 20:00 BT 1 to 08:00 BT 5 March 2021

2.3 低云的云高儀觀測特征

從海淀站云高儀反演的云底高度和邊界層高度(圖5a～5d)可以看出，低云維持期間云頂平坦，基本呈水平狀分布，2日00時至3日04時云底高度一直在500 m附近；3日11時至4日04時云底高度升高至600～800 m，云層增厚。圖5顯示2日00時至4日13時前后，邊界層高度維持在500～800 m，且無明顯日變化，4日下午隨著低云的逐漸消散，受太陽輻射的影響，湍流交換加強(qiáng)，邊界層高度升至1 km 左右。因此，2—4日邊界層高度幾乎與云底高度一致。

圖5 2021年3月(a,e)2日,(b,f)3日,(c,g)4日和(d,h)5日海淀站(a～d)云高儀后向散射系數(shù)(填色，單位：10-9 m-1·sr-1)、邊界層高度(黑色實(shí)線)及(e～h)相應(yīng)的云底高度Fig.5 (a-d) Backscatter coefficient (colored, unit: 10-9 m-1·sr-1), boundary layer height (black solid line) and (e-h) cloud base height (red dot) from Haidian Ceilometer on (a, e) 2, (b, f) 3, (c, g) 4, (d, h) 5 March 2021

海淀站云高儀的后向散射系數(shù)時序圖(圖5e～5h)顯示，2日00時至4日12時(圖5a～5c)，在低云內(nèi)部后向散射強(qiáng)度呈現(xiàn)出隨高度變化不均勻的特征，2日14—21時隨高度增加，后向散射系數(shù)逐漸增大，其中0～400 m后向散射強(qiáng)度約為3 000×10-9m-1·sr-1，400 m至云底高度處，后向散射強(qiáng)度為10 000×10-9m-1·sr-1，而在2日21時至3日10時，后向散射系數(shù)隨高度變化不明顯，一直維持在10 000×10-9m-1·sr-1左右，這表明該時段內(nèi)云體非常密實(shí)。后向散射強(qiáng)度的這種變化特征與云中氣溶膠粒子分布不均勻有關(guān)，云高儀的后向散射廓線，實(shí)時反饋了大氣氣溶膠粒子的實(shí)際情況。另外，低云區(qū)與晴空區(qū)的后向散射強(qiáng)度差別較大，故兩者的界限十分清楚。晴空區(qū)后向散射強(qiáng)度全天都很小，不超過100×10-9m-1·sr-1，各高度后向散射強(qiáng)度差別不大，且沒有明顯的日變化。

3月5日北京地區(qū)受東路冷空氣的影響，大部分地區(qū)出現(xiàn)了小雨天氣，并伴有3、4級偏北風(fēng)的影響。為便于對比分析不同天氣形勢下云高儀和云雷達(dá)的觀測數(shù)據(jù)特征，在本節(jié)和2.4節(jié)中把5日的兩種觀測資料特征一起進(jìn)行討論。5日08時之后(圖5d)，與2—4日相比，后向散射系數(shù)出現(xiàn)了較大幅度的波動，這一方面是由于受東北路徑冷空氣的影響，海淀上空風(fēng)速變大，空氣流動造成氣溶膠濃度等發(fā)生變化所致；另一方面，5日白天海淀站出現(xiàn)了弱的降水天氣，由于云高儀的波長為910 nm，恰好是水汽的一個吸收帶，云高儀的后向散射信號會受到降水粒子的干擾，故后向散射強(qiáng)度波動范圍較大(朱君等，2017)。5日16時之后，云的結(jié)構(gòu)由單層變成了雙層，但是雙層云的結(jié)構(gòu)并不是特別清楚，這主要是由于云體對云高儀的衰減作用很強(qiáng)，發(fā)射的激光在云底時就會產(chǎn)生較強(qiáng)的后向散射，使得激光強(qiáng)度迅速衰減，在穿過較高層次的云體時，穿透作用弱，故很難清晰探測到高層的云。已有研究表明云高儀對云層的穿透能力平均在300～400 m，大于1 km 時一般無法穿透(李思騰等，2015)。

2.4 低云的云雷達(dá)觀測特征

整體來看，與云高儀的觀測結(jié)果相比，云雷達(dá)(圖6)對低云內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀測較為粗略，且在4日11:50至5日08:10期間(圖6d,6e)沒有探測到低云。

圖6 2021年3月1—5日海淀云雷達(dá)反射率因子時序圖(a)1日22:50至2日10:30,(b)2日10:50—22:35,(c)2日23:50至3日11:30,(d)4日11:50—23:30,(e)4日23:50至5日11:30,(f)5日11:50—23:30Fig.6 Reflectivity factor from Haidian Cloud Radar from 1 to 5 March 2021 (a) 22:50 BT 1 to 10:30 BT 2, (b) 10:50 BT to 22:35 BT 2, (c) 23:50 BT 2 to 11:30 BT 3, (d) 11:50 BT to 23:30 BT 4, (e) 23:50 BT 4 to 11:30 BT 5, (f) 11:50 BT to 23:30 BT 5

在云微物理學(xué)中，云體是由云粒子(云滴、冰晶)和降水粒子(雨、雪、雹)組成的。Kogan et al(2005)提出了非降水云的標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為-17 dBz是出現(xiàn)降水粒子的最低反射率值。1日22:50至5日00:00(圖6a～6e)，云內(nèi)粒子的最大回波強(qiáng)度幾乎都小于-17 dBz，這與在此期間實(shí)況未觀測到降水是相吻合的，同時也說明云體內(nèi)部粒子主要是云滴。5日09:50—23:30(圖6e,6f)，與云高儀相比，云雷達(dá)可以清楚地探測到海淀上空的兩層云，這是由于云雷達(dá)的波長較短，對云滴粒子的散射特性明顯，能夠穿透云層，探測到多層云的垂直結(jié)構(gòu)。以5日15時上空的云為例(圖6f)，第一層云厚為1 500 m，云頂高度接近3 000 m，云中反射率因子強(qiáng)度最大為-23 dBz；第二層云出現(xiàn)在3 600～8 000 m的高層云區(qū)，云厚約為4 400 m，云中反射率因子強(qiáng)度最大達(dá)到9 dBz，而從海淀站逐小時自動站觀測可知15時前后該站出現(xiàn)了弱降水，說明降水主要是由高度在3 600～8 000 m的高層云產(chǎn)生的。

通過2.3節(jié)和2.4節(jié)的分析可知，由于云雷達(dá)和云高儀的探測原理不同，導(dǎo)致兩者探測結(jié)果的差異也是顯而易見的。云雷達(dá)的反射率因子強(qiáng)度與云滴粒徑和濃度有關(guān)，且波長較短，因此具有穿透云層，給出多層云垂直結(jié)構(gòu)信息的能力；云高儀作為一個低能量的觀測方向?yàn)樘祉數(shù)募す饫走_(dá)，通常無法穿透濃密的低層云，因而主要用于云底高度的探測。所以兩者在云的觀測方面都有其各自的優(yōu)勢，在有云時可綜合利用云高儀和云雷達(dá)的探測結(jié)果進(jìn)行分析，才能獲得相對準(zhǔn)確的云的信息。

對于3月2—4日的持續(xù)性低云過程，可利用云高儀后向散射強(qiáng)度、云底高度等的大小和變化趨勢，實(shí)現(xiàn)對低云天氣的實(shí)時監(jiān)測，而且云高儀作為一種可全天候無間歇的觀測設(shè)備，可以滿足連續(xù)性和時效性的要求。而從云雷達(dá)的反射率時序圖中可以獲得云體的垂直結(jié)構(gòu)信息，為預(yù)測云體的發(fā)展、研究云的宏觀結(jié)構(gòu)特征提供良好的基礎(chǔ)。因此，相對于常規(guī)觀測資料，云高儀和云雷達(dá)可獲取到云體結(jié)構(gòu)更為精細(xì)的信息，可作為常規(guī)觀測的有益補(bǔ)充。

3 低云的形成和維持機(jī)制

3.1 水汽條件

利用ERA5再分析資料進(jìn)行診斷分析。首先分析成云的水汽條件，3日08時是這次低云過程中逆溫最強(qiáng)、云體最厚的時段，故著重分析該時段的水汽條件。3日08時北京觀象臺附近900 hPa以下為水汽輻合區(qū)，最大水汽通量散度出現(xiàn)在950 hPa，達(dá)到-0.36×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1(圖7a)，同時900 hPa以下比濕大于3 g·kg-1。因此，水汽的輻合使得900 hPa以下有大量的水汽匯集，形成一個穩(wěn)定的高濕區(qū)。

圖7 2021年3月(a)3日08時沿39.8°N的水汽通量散度(填色，單位：10-7 g· s-1·cm-2·hPa-1，負(fù)值代表水汽輻合區(qū))和比濕(等值線，單位：g·kg-1)的高度-經(jīng)度剖面，(b)1日08時至5日08時北京觀象臺的垂直速度(填色，單位：Pa·s-1)和水平風(fēng)場的高度-時間剖面Fig.7 (a) The water vapor flux divergence (colored, unit: 10-7 g·s-1·cm-2·hPa-1； negative value: water vapor convergence area) and specific humidity (contour, unit: g·kg-1) along 39.8°N at 08:00 BT 3, (b) time-height cross-section of vertical velocity (colored, unit: Pa·s-1) and horizontal wind field at Beijing Meteorological Observatory from 08:00 BT 1 to 08:00 BT 5 March 2021

結(jié)合前期地面物理量的變化(圖8)可以發(fā)現(xiàn)，降水于3月1日08時逐漸結(jié)束，降水結(jié)束之后露點(diǎn)溫度存在短暫的下降，從1日08時的-2.5℃降至11時的-6.3℃，11時后露點(diǎn)溫度迅速上升，這意味著1日08—11時只有短暫的弱冷空氣影響使得北京地區(qū)的絕對濕度下降。地面逐小時自動站觀測資料顯示2月28日08時至3月1日13時北京觀象臺一直為東北氣流，從1日14時開始地面轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，隨著偏南風(fēng)的建立，露點(diǎn)溫度升高(圖8)，絕對水汽含量增大。降水過后，冷空氣的強(qiáng)度較弱、近地層水汽幾乎沒有被清除，是低云形成的有利背景，也是這次低云過程產(chǎn)生的主要原因。而這種現(xiàn)象在北京地區(qū)并不多見，通常情況下，一次降水過后，隨著冷空氣南下影響，露點(diǎn)往往急劇下降，整層變干(孫興池等，2017)。

圖8 2021年2月28日08時至3月1日20時北京觀象臺逐小時露點(diǎn)(綠色曲線,單位：℃)、溫度(紅色曲線,單位：℃)及逐小時降水量(藍(lán)色柱狀,單位：mm)時序圖Fig.8 Dew-point temperature (green curve, unit: ℃), temperature (red curve, unit: ℃) and hourly precipitation (blue column, unit: m) at Beijing Meteorological Observatory from 08:00 BT 28 February to 20:00 BT 1 March 2021

3.2 動力條件

云的形成一般伴隨有上升運(yùn)動。3月2日08時至4日08時觀象臺上空800 hPa以上層次以下沉氣流為主(圖7b)，800 hPa以下為弱上升運(yùn)動區(qū)，其中2日20時前后，弱上升運(yùn)動區(qū)擴(kuò)展至400 hPa，最大垂直速度為-0.5 Pa·s-1(約0.04 m·s-1)，出現(xiàn)在950 hPa附近，因此，低云過程期間弱上升氣流能夠?qū)窨諝鈳У娇罩?，附著在凝結(jié)核上形成云滴，并受到持續(xù)的弱上升氣流的影響，漂浮在低空而使低云維持。

3.3 層結(jié)條件

層結(jié)條件對于低云的發(fā)展和維持至關(guān)重要(劉峰等，2007)，利用北京觀象臺的秒探空資料對低云期間大氣垂直結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行分析。3月1日08時(圖9a)，溫度廓線和露點(diǎn)溫度廓線幾乎完全重合，此時降水處于尾聲，整層飽和程度高。至1日20時(圖9b)，900 hPa高度處的逆溫已經(jīng)形成，這與850 hPa以上層次存在干冷空氣下沉增溫有關(guān)，但露點(diǎn)溫度在此期間并無變化。2日08時(圖9c)和3日08時(圖9d)，溫度和露點(diǎn)溫度廓線在900 hPa處都呈現(xiàn)出明顯的向上張口趨勢，表明高空的干冷空氣出現(xiàn)下沉，溫度增加，露點(diǎn)溫度減小，因此此次低云過程中逆溫的形成主要是由下沉逆溫造成的。表2所示，2日08時至3日08時逆溫層厚度不斷增強(qiáng)，3日08時1～1.5 km逆溫強(qiáng)度達(dá)到7.5℃，與2日08時的逆溫強(qiáng)度3.7℃相比明顯增強(qiáng)，是這次低云過程中逆溫最強(qiáng)、云體最厚的時段，強(qiáng)烈發(fā)展的逆溫層使得逆溫以下的大氣非常靜穩(wěn)。逆溫形成后，垂直方向的交換極其微弱，難以突破逆溫，同時水平方向上風(fēng)較弱，2日08時至4日08時觀象臺附近950 hPa以下風(fēng)速僅為2 m·s-1(圖7b)，靜穩(wěn)形勢得以長時間維持。

另外，這次低云過程中850 hPa以上的中高空雖然都為西北氣流控制，但是西北氣流的偏北風(fēng)分量沒有足夠大，所以下沉運(yùn)動沒有強(qiáng)到可以影響至地面，來打破逆溫層。如果西北氣流再強(qiáng)些，或偏北風(fēng)分量再大些，下沉氣流也許可以沖破逆溫層影響至地面，那么北京地區(qū)將會是晴朗的天氣。所以定性去判斷西北氣流帶來的影響比較困難，需結(jié)合西北氣流的層次、厚度、偏北風(fēng)分量的大小等分析，但這不是本文研究的重點(diǎn)。

3.4 地形作用

北京地區(qū)地處華北平原的北部，西靠太行山北尾，北側(cè)為燕山山脈。雷蕾等(2020)表明，地形在暴雨過程中起著重要作用。那么地形與低云的形成有怎樣的聯(lián)系？利用ERA5再分析資料得到的低云量進(jìn)行分析，以低云發(fā)展最明顯的3月3日08時為例，可以發(fā)現(xiàn)低云量大于6成的分布區(qū)域邊界位于北京沿山一帶，與海拔400 m的高度線相吻合(圖10)，而2日20時云底高度也恰為400 m 左右，低云期間的其他時刻也有類似的規(guī)律特征(圖略)，這說明地形對低云的形成密切相關(guān)。不難理解，地形一方面使得濕空氣抬升達(dá)到飽和形成云，另一方面地形的阻擋作用使得云體穩(wěn)定維持在山前。

圖9 2021年3月(a)1日08時，(b)1日20時，(c)2日08時和(d)3日08時北京觀象臺大氣層結(jié)Fig.9 Atmospheric stratification at Beijing Meteorological Observatory at (a) 08:00 BT 1, (b) 20:00 BT 1, (c) 08:00 BT 2, (d) 08:00 BT 3 March 2021

表2 2021年3月2日08時至4日20時北京觀象臺探空物理量列表Table 2 Physical quantities of Beijing Meteorological Observatory radiosonde from 08:00 BT 2 to 20:00 BT 4 March 2021

綜上所述，此次低云過程是在前期降水過后無明顯冷空氣影響，近地面濕度未得到很好的清除這一有利背景下，配合穩(wěn)定的大氣層結(jié)、弱上升運(yùn)動和地形因素的共同作用下得以維持和發(fā)展。

圖10 2021年3月3日08時北京地區(qū)低云量(陰影)及地形高度分布(等值線，單位：m)Fig.10 Distributions of low cloud cover (shaded) and topography height (contour, unit: m) in Beijing at 08:00 BT 3 March 2021

4 低云的消散機(jī)制

低云過程在3月4日下午逐漸減弱，實(shí)況高空觀測顯示4日08時北京觀象臺925 hPa的溫度為0.8℃，位于北京地區(qū)以南的河北邢臺站溫度為12℃，存在11.2℃的溫差，至20時，北京觀象臺的氣溫升至4℃，而且4日白天河北中南部925 hPa至地面一直都為偏南風(fēng)控制(圖略)，表明925 hPa暖平流的影響使北京平原地區(qū)溫度升高。利用ERA5再分析資料計(jì)算出的925 hPa溫度平流分布顯示4日08時(圖11a)北京北部和城區(qū)東部均為弱的暖平流控制，最大暖平流強(qiáng)度為1.2×10-4℃·s-1，北京城區(qū)西部為冷平流控制，最大冷平流強(qiáng)度為-1.5×10-4℃·s-1，而20時(圖11b)從河北的中南部至北京大部分地區(qū)都為較強(qiáng)的暖平流控制，北京城區(qū)暖平流強(qiáng)度達(dá)到3.5×10-4℃·s-1。北京觀象臺實(shí)況自動氣象站監(jiān)測顯示4日08時2 m相對濕度為89%，15時2 m相對濕度減小至61%，而露點(diǎn)溫度在4日08時和15時均為3.7℃。因此，氣溫升高后，當(dāng)絕對濕度不變時，相對濕度下降，低云減弱消散。同時，20時925 hPa風(fēng)速增大至6 m·s-1(圖略)，使得水平方向上的交換增強(qiáng)，海淀站云高儀也顯示此時邊界層高度升高。綜上所述，925 hPa 暖平流發(fā)展和風(fēng)速增大的共同作用，使得大氣湍流增強(qiáng)，邊界層內(nèi)混合加強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致相對濕度減小，低云消散。

圖11 2021年3月4日(a)08時和(b)20時北京地區(qū)925 hPa溫度平流分布(單位：10-4 ℃·s-1)Fig.11 The 925 hPa temperature advection (unit: 10-4 ℃·s-1) in Beijing at (a) 08:00 BT and (b) 20:00 BT 4 March 2021

5 結(jié)論與討論

本文利用常規(guī)氣象觀測資料、ERA5再分析資料、FY-4A可見光云圖及云高儀和云雷達(dá)等新型探測資料，分析了2021年3月2—4日發(fā)生在北京地區(qū)的一次持續(xù)性低云過程，探討了本次過程的形成和維持機(jī)制，得到以下主要結(jié)論：

(1)多家數(shù)值模式對2—4日的云量預(yù)報均出現(xiàn)了較大偏差，從而導(dǎo)致氣溫的預(yù)報也出現(xiàn)了較大偏差。

(2)此次低云過程是在前期降水過后無明顯冷空氣影響、近地面濕度未得到很好的清除這一有利背景下，配合穩(wěn)定的大氣層結(jié)、弱上升運(yùn)動和地形因素的共同作用下得以維持和發(fā)展。

(3)925 hPa暖平流發(fā)展和風(fēng)速增強(qiáng)破壞了穩(wěn)定層結(jié)，使得邊界層內(nèi)混合加強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致低云消散。

(4)相對于常規(guī)觀測資料，云高儀和云雷達(dá)可獲取到云體結(jié)構(gòu)更為精細(xì)的信息，可作為常規(guī)觀測的有益補(bǔ)充。兩者在云的觀測方面都有其各自的優(yōu)勢，可以利用云高儀后向散射強(qiáng)度、云底高度等的大小和變化趨勢，實(shí)現(xiàn)對低云天氣的實(shí)時監(jiān)測；可以利用云雷達(dá)的反射率時序圖獲得不同天氣狀況下云體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，為預(yù)測云體的發(fā)展、研究云的宏觀結(jié)構(gòu)特征提供良好的基礎(chǔ)。