一次典型层积云发展-消亡过程对东海黑潮海洋锋响应的个例研究*

张志伟， 李昀英， 陈广超

(1.国防科技大学气象海洋学院， 湖南 长沙 410073； 2.中国人民解放军92192部队， 浙江 宁波 315000)

层积云(Stratocumulus，Sc)是一种典型的海洋边界层云，加利福尼亚沿岸等海表温度(Sea Surface Temperature，SST)较低的海域是层积云覆盖的大值区[1]。观测表明，中国东海黑潮海域同样存在着大量的层积云[2-3]，其云特征与加利福尼亚沿岸冷洋面层积云存在显著差异，且受到海表温度锋(简称海洋锋，下同)的影响。海洋锋通过其在冷、暖洋面强迫出完全不同的大气行星边界层(Planetary boundary layer，PBL)结构影响层积云的云量以及形成过程[4]。

大气对海洋锋的响应机制可分为气压调整机制和垂直混合机制[5-7]。关于何种机制在大气对海洋锋的响应过程中占据主导地位有着大量的研究和讨论：高分辨率卫星观测资料以及区域大气-海洋耦合模式的模拟结果表明，大气对海洋锋的响应机制主要是气压调整机制[8-10]，而大气探空和大涡模拟的结果表明，大气对海洋锋的响应机制主要是垂直混合机制[11-12]。前期基于CloudSat云资料的统计表明，在气候尺度下，层积云对春季黑潮海洋锋的响应机制是气压调整机制[4]。然而在天气尺度下，何种机制占据主导地位引起了我们的关注。

观测研究表明，天气尺度下大气对海洋锋的响应过程受到垂直混合机制的影响。张苏平等[13]以及王媛等[14]基于云高仪、探空数据和数值模式对黑潮延伸体海区一次层积云发展过程进行了研究，发现在西北风控制下，锋区暖洋面高空西风动量下传，通过垂直混合机制导致行星边界层内混合层厚度加大，层积云的云底和云顶高度抬升。最近的研究表明，海洋锋以及海洋中尺度涡旋会对行星边界层结构以及层积云产生显著影响[15]，海洋中尺度暖涡通过释放热通量形成异常低压和海表风场的辐合，导致行星边界层厚度增大[16]。

2010年3月9—11日(世界时，下同)静止卫星可见光云图和CloudSat卫星在中国东海黑潮海洋锋海域观测到了一次层积云发展-消亡的全过程。在该过程中海洋锋对层积云有显著的影响，尤其在维持阶段，CloudSat卫星观测到了云垂直结构在冷、暖洋面存在显著的差异，体现出天气尺度下海洋锋对云垂直结构存在显著的影响，因此本文将基于卫星观测资料讨论此次典型过程对黑潮海洋锋响应的主导机制。本研究有助于理解天气尺度下大气对海洋锋响应的机理，为层积云的形成-消亡过程提供新的有益补充。

1 资料介绍

使用CloudSat云资料分析此次层积云发展-消亡过程中的云垂直结构特征，主要使用2B-CLDCLASS-LIDAR产品。CloudSat的采样分辨率为跨轨1.3 km，沿轨1.1 km，垂向为0.24 km，全球观测周期大约为16 d。研究表明，层积云的云底高度一般在0.5～1.5 km。CloudSat手册[17]上提醒我们，受到地面回波信息的影响，近地面的信息中含有不可避免的误差，0～1 km的云底高度反演值慎用。但是，通过统计和对比研究发现，层积云底高的反演值与观测非常接近，是值得信任的[18]。Zuidema和Mapes[19]在孟加拉湾和热带太平洋东部进行的船舶探测也验证了CloudSat产品在海洋性低云反演中的可靠性。本文的研究范围内共有两条轨迹，分别于2010年3月9日04时和10日16时经过黑潮海域(见图1)。

((a)中黑色实线为跨越锋区的一条直线，黑色矩形为合成区域平均动能的海域。(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.)

本文使用的其他资料包括：多功能传送卫星(Multi-Functional Transport Satellites, MTSAT)的可见光云图。美国国家海洋和大气局的逐日最佳插值海表温度(Optimum Interpolation SST，OISST)资料，分辨率为0.25 (°)×0.25(°)。逐小时欧洲中心第5代再分析资料(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Reanalysis Model, ERA5)，水平分辨率为0.25(°)×0.25(°)，垂直方向上为1 000～500 hPa 共16层。使用的气象要素包括：海表10 m风场，感热通量(Sensible Heat Flux，SHF)以及潜热通量(Latent Heat Flux，LHF)等。

2 天气形势分析

图2是2010年3月9—11日06时500 hPa位势高度以及海平面气压(Sea Level Pressure, SLP)。9日黑潮海域位于冷锋的后部(见图2(a))，10—11日则主要受到高压的影响(见图2(b)～(c))。11日高压中心位于黑潮海域，海表风场呈现出显著的辐散特征(见图2(c))。辐散的风场不利于海表饱和水汽向层积云的云底处输送，切断了层积云维持的水汽来源，导致层积云消散。历史地面天气图(图略)表明，10日该高压在我国东南部经历了多次分裂-合并过程，于12 时分裂为3个高压，21 时3个高压与前期位于青海西藏一带的高压合并为1个高压，中心位于福州市上空。12～21时之间分裂形成的小高压也进行了合并-分裂过程，因而该高压移动缓慢，11日中心才位于黑潮海域。9日黑潮海域位于500 hPa东亚大槽的前部，受到西南风控制(见图2(d))，而10—11日位于东亚大槽的后部，受到西北风或西风的控制(见图2(e)～(f))。3月9日东亚大槽产生的高空动能下传对层积云发展过程有显著影响，10—11日其移动至黑潮延伸体海域，对本次过程的影响较小。

3 层积云特征

基于静止卫星以及极轨卫星CloudSat，本文研究了层积云(Sc)的分布特征。静止卫星可见光云图显示2010年3月9日06时冷洋面层积云主要分布于朝鲜半岛以南，黄海北部出现层云(见图3(a))。2010年3月10日06时，从静止卫星云图上可以看到黑潮海洋锋海域多为细胞状的层积云，与冷洋面相比，暖洋面层积云间的缝隙更小(见图3(b))。2010年3月11日06时，可见光云图显示此时黑潮海域冷洋面的层积云几乎完全消散，而台湾岛以东以及日本以南海域仍存在一些零散的层积云(见图3(c))。

图3 MTSAT卫星可见光云图Fig. 3 Satellite visible imagery from MTSAT

2010年3月9日04时，CloudSat观测到冷、暖洋面层积云的云底高度较低，在0.5～1 km之间，云顶高度较高，可达3.5 km，云层的厚度较厚(见图4(a))。在层积云的上方存在一些高积云、高层云(见图4(a))，其云底高度与层积云的云顶高度相差不大。2010年3月10日16时CloudSat观测到28°N以南层积云的云底高度在1 km左右，云顶高度在1.5～1.7 km之间。28°N以北层积云的云顶高度逐渐增加，32°N处云顶高度可达2.5 km(见图4(b))。

(对于相同颜色的线段，高层代表云顶，低层代表云底。红色方块代表海洋锋中心所在的位置。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 海洋锋对层积云形成和维持过程的影响机制

为了研究海洋锋对大气影响的主导机制，合成了冷、暖洋面500 hPa以下的区域平均动能以及稳定度(∂θ/∂z)。冷洋面合成范围为图1中黑色矩形内SST小于286 K的区域，而暖洋面合成范围为SST大于290 K的区域。合成结果显示 3月9日00时—10日00时冷、暖洋面均存在由500 hPa向下伸展到海表面的动能舌(见图5(a)～(b))。图5(a)～(b)也显示东海黑潮海洋锋海域，尤其是暖洋面， 800 hPa以下的不稳定度增大。与冷洋面相比，暖洋面的海气温差(ΔT)、海表风速、LHF和SHF较冷洋面大(见图5(c)～(d))，其中暖洋面LHF在层积云形成阶段是冷洋面的两倍，体现出黑潮海洋锋通过调节冷、暖洋面热通量的大小影响行星边界层和层积云。伴随动能舌的高空西风动能下传以及更大的ΔT、SHF和LHF在暖洋面的海气界面造成更强的垂向湍流混合，形成相对湿润的行星边界层，导致更大的云量且云缝隙较小(见图3(a))，这一过程通常采用垂直混合机制进行解释[20]。

图5 区域平均动能(m2·s-2，等值线)和稳定度(K·km-1，填色)的时间序列(a～b)，10 m水平风速(m·s-1)和ΔT(K)的时间序列以及LHF(W·m-2)和SHF(W·m-2)的时间序列(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时后，高空向下伸展的动能舌消失，海表风速和热通量迅速减弱，表明此时垂直混合机制已不再起主导作用。为了突出显示黑潮海洋锋对大气的影响，对ERA5的气象要素应用了6经度和8纬度的空间高通滤波。而对于SST则仿照Minobe等[21]的方法采用了拉普拉斯算子，即2SST，该算子的作用相当于空间高通滤波。图6(a)显示2010年3月9日高通滤波后的SST与海表风场散度之间没有较好的对应关系，但图6(b)显示2010年3月10日SST与海表风场散度之间具有负相关关系：SST的正异常值对应海表风场的辐合而SST的负异常值对应海表风场的辐散，这与Minobe等[21]采用相同滤波方法得出的SST与海表风场散度的关系一致，表明3月10日黑潮海洋锋通过气压调制机制影响行星边界层和层积云。

图6 空间高通滤波后的SST(K，填色)以及海表10 m风场散度(10-5 s-1，等值线，负值代表辐合，正值代表辐散)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)

为了更清楚的揭示海洋锋冷、暖两侧行星边界层结构的差异，图7给出了跨锋区且经过冷池和暖舌的直线方向的径向风和垂向速度分布特征。2010年3月10日，东海海域主要受到高压控制(见图2(b))，因此700 hPa以下的高度主要受下沉气流影响(见图7(a)～(b))。空间滤波后的结果表明，2010年3月10日12时暖洋面存在显著的上升气流，而冷洋面存在显著的下沉气流，在海洋锋的锋区附近构成一近似闭合的次级环流(见图7(c))。在暖洋面，受上升气流的影响，海表面温暖湿润的空气向对流层中层输送，有利于层积云的维持。而在冷洋面，下沉气流不利于海表面相对湿润的空气向上输送，导致2010年3月11日06时冷洋面的层积云完全消散而暖洋面仍有少量的层积云。另一方面，在海洋锋的锋区(27°N—31°N)，层积云的云顶/底高度在冷洋面下降而在暖洋面抬升(见图4(b))。云底高度和云顶高度的这一起伏特征与图7(c)～(d)中的次级环流位置一致，说明海洋锋主要通过气压调整机制影响层积云的维持和垂直结构。而在2010年3月9日12—18时，冷锋过境后，暖洋面的上升气流很弱，影响高度在850 hPa以下，而冷洋面的下沉气流很强，结合图6(a)中高通滤波后的SST与海表风场散度没有较好的对应关系，表明此时气压调整机制可能对层积云由一定的影响，但不是主导机制。

对图5～7的比较可以发现，在2010年3月9日00时—10日00时，高通滤波后的SST没有较好的海表风场散度对应关系，次级环流也很弱，这表明在层积云的发展阶段，气压调整机制可能对其有一定的影响，但不是主导机制。而从自由大气延伸到海表面的动能舌以及随之增大的海表风速、热通量表明垂直混合机制是主导作用。在层积云的维持阶段，动能舌消失，海表风速和热通量迅速减弱，这表明垂直混合机制对层积云的影响减弱。而图6(b)和图7(c)～(d)显示的高通滤波后SST与海表风场散度之间的负相关关系以及高度可达700 hPa的次级环流均表明此时气压调整机制起主导作用。

图7 (a～b)沿图1a黑色直线的经向风(m/s，矢量)和垂向速度(10-1 hPa·s-1，填色)及(c～d)空间高通滤波后的经向风(m/s,矢量)和垂向速度(10-2 hPa·s-1，填色)

5 结论与讨论

基于卫星观测资料以及探空资料，本文研究了层积云发展-消亡阶段对黑潮海洋锋的响应机制。主要结论如下：

(1)在层积云的发展阶段，黑潮海洋锋的冷、暖洋面主要受到西北风或北风的控制，层积云的形成过程主要受到垂直混合机制控制。通过垂直混合机制，自由大气向下传输的干冷空气和西北风携带的冷平流导致海气界面湍流较强，黑潮向大气释放的热通量增大。海表湿润的空气向上混合，达到抬升凝结高度后凝结成云，且此时层积云的高度较高，厚度较厚。

(2)在层积云的维持阶段，海洋锋对其的影响机制主要为气压调整机制。高通滤波后SST与海表风场散度存在较好的负相关关系，且海洋锋在锋区形成一闭合的次级环流。在暖洋面，上升气流把海表面温暖湿润的空气向对流层中层输送，有利于层积云的维持，而在冷洋面下沉气流叠加在背景大气环流上加剧了层积云的消散。次级环流对层积云的垂直结构也有显著影响，层积云的云底高度和云顶高度在冷洋面下降而在暖洋面抬升。

(3)在层积云的消散阶段，黑潮海洋锋对其的影响较弱，在背景强下沉气流的作用下，层积云消散。

大量的研究表明，大气对海洋锋的响应机制在天气尺度上是通过垂直混合机制实现的，本文的研究表明，气压调整机制也能影响行星边界层结构以及层积云的维持过程。关于气压调整机制和垂直混合机制在大气对海洋锋的响应过程谁处于主导地位仍存在争论。本文的结论有利于加深行星边界层对海洋锋响应机制的认识，但关于海洋锋如何影响层积云仍需要更多高分辨海上观测和数值模拟进行深入研究。

致谢：感谢审稿专家对本文提出的宝贵审稿意见，本文所用历史天气图由中国海洋大学高山红教授保存并提供(http://222.195.136.24/)，在此表示诚挚谢意。