基于ERA5再分析资料的冬季南海北部低云日变化研究

姚海兰 龙景超 谢丹惠 何维帅 李钟锐 薛宇峰

摘要 低云对区域辐射能量平衡和天气、气候具有重要意义。利用ERA5再分析数据和香港探空站资料研究了冬季南海北部低云日变化机理。主要结论如下：（1）南海低云量呈现西北多东南少、夜多昼少，低云高度呈夜高昼低，低云厚度呈夜厚昼薄的特征。（2）冬季南海北部低层大气稳定性强，海气界面稳定性弱，云层下方边界层混合均匀，有利于低云形成。（3）夜间，陆风环流系统改变海洋风场和湿度场的分配，异常南风使近海水汽辐合抬升，为云层发展提供水汽。（4）夜间逆温层强度虽弱但发生频率更高，且云底以下边界层退耦减弱，边界层混合加强，云顶短波辐射加热作用消失，促使低云的产生。这都将有利于提高人们对南海低云日变化的理解和数值模拟能力。

关键词 低云；南海北部；日变化；海陆风环流

中图分类号：P732 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）07–0144-04

云的覆盖面积达到地球面积的2/3左右，在调节地气系统的辐射收支、能量平衡、热量交换、水汽循环等方面起到重要作用[1-4]。其中，低云温度较高，削弱太阳辐射的能力最强，其通过吸收短波辐射、散射长波辐射对地气系统具有冷却作用。低云量每增加4%，气温可降低2～3 K，几乎可以抵消倍增的温室效应。难以预测和估计低云量的变化，因此研究低云的分布特点、日变化特征，以及探讨低云变化的机理等具有重大意义。南海作为我国和西北太平洋最大的陆架边缘海，并且是我国重要的战略海区，因而深入研究南海低云的日变化特征及机理具有重要的意义。

针对低云日变化特征和形成机制，前人开展了大量研究。例如高翠翠等[5]分析了我国中东部云的日变化特征，得到高积云和层积云发生频率的峰值出现在清晨和傍晚。刘奇等[6]在研究热带地区云量日变化特征时，指出低云量峰值多出现在局地05：00，云量极小值出现在18：00左右。李昀英等[7]对我国南方地区层状云的日变化特征及原因做了初步解释，认为云量日变化与边界层日变化有密切联系。张亚洲在研究南海低云时指出低云受海表温度影响较大。因此，不同区域低云日变化特征存在显著的差异，形成机制则存在不同或相似之处，这些研究成果为探讨云的日变化特征提供了重要的科学参考。由于海洋上的观测奇缺，从宏观上客观描述南海低云日变化特征仍然具有很大挑战，相关研究依旧很少[8-11]。本研究将利用再分析数据和香港探空站资料分析南海低云日变化的特征，并试图分析其形成的机理。

1 资料来源和方法

1.1 再分析资料

ERA5是ECMWF对全球气候的第五代大气再分析资料，它是欧洲中期天气预报中心最新的再分析产品。本研究使用2006—2010年的1、2、12月的温度、风场、比湿等参数的每小时数据集，研究南海低云日变化特征及其机理。同时，为了更直观地展示低云的分布特征，还选取了低云量、云水混合比、感热、潜热等参数。所使用数据的时间分辨率为1 h，水平分辨率为0.25°×0.25°，多层变量垂直分辨率为16层，其中700 hPa以下有12层，足以描述低层大气的垂直分布情况。

1.2 香港探空站资料

香港Kings Park探空站处于海陆交界处，能在一定程度上表征华南近海海洋大气边界层状况。探空时间分辨率为2次/d，探空时间为UTC 00：00时和12：00，因此本研究采用该站早晚探空气温用于计算昼夜低层大气层结状态。

1.3 研究方法

（1）取每日数据中的最大值与最小值作差，绘制低云量振幅的空间分布图，振幅越大，低云量变化越明显，选取此区域进行研究的意义更大。

（2）低层大气稳定度（Lower tropo-spheric stability， LTS），定义为700 hPa位温与1 000 hPa位温的差值，LTS值越大，低层大气层结越稳定。

（3）海气界面稳定度，定义为2 m气温与海表温度之差（SAT-SST），差值越大，海气界面越不稳定，湍流混合越均匀，海洋向大气输送的热量越多。

（4）边界层混合度定义为900 hPa比湿与1 000 hPa比湿，值越大，表明边界层混合越弱。

2 南海低云的日变化特征

根据南海低云量的日平均图（图1a）可见，南海西北部尤其是华南近海区域、北部湾等区域，是南海低云的极大值，而南海其他区域的低云量较少，整体低云量呈现西北多东南少的空间分布特征。本研究定义白天时段为北京时08：00～20：00，夜间时段为21：00至次日07：00。对比南海北部白天（图1b）、夜间（图1c）及其差值（图1d）可知，该区域夜间低云量比白天多，呈昼少夜多的日变化特征。

此外，图1e表明南海海域的振幅最大值区（0.4左右）主要集中在海陆交界的华南近海区域，南海其他区域的振幅基本≤0.3，即华南近海区域的低云量变化更加明显。加之南海西北部海域的海气相互作用直接影响我国华南等地区的天气系统，因此可以将研究区域缩小至低云量集中的南海西北部區域（华南近海区域），并进一步分析低云的日变化特征。

对华南近海区域（113°E120°E、19°N22°N，图1a黑框）进行区域平均，图2a很直观地表明，该区域夜间低云量平均值（0.46）略高于白天低云量平均值（0.45），其中最大值出现在凌晨05：00，最小值出现在19：00，最大值与最小值之差达10%。云水混合比的垂直分布的日变化图2b表明，在900～800 hPa的高度上，夜间的云水含量较大，低云云量多，发展厚度较大，但白天云水含量相对较少，对应云量也偏少。云水混合比的日变化也从垂直分布的侧面表明，南海北部低云量具有昼少夜多的特征，低云高（厚）度存在昼低（薄）夜高（厚）的基本特征。考虑是冬季日照时长减少，昼夜变化幅度较小，但足以说明华南近海区域的低云量存在昼少夜多的差异，这与上述南海西北部低云量空间分布中夜间比白天多的情况相匹配。

3 南海北部低云日变化的影响因素

3.1 低层大气和海气界面条件

海气相互作用是长期天气和气候变化的重要因素。海洋与大气作为一个耦合系统起作用，海洋除了给大气提供充足的水汽，还吸收大部分太阳辐射并通过海气交界面以潜热、感热、长波辐射交换等形式供给大气，热量和水汽输送的速率主要取决于海表温度与大气边界层的风、温度和湿度的垂直分布；而大气对海洋的作用主要表现为动量、热量的输送以及云量对辐射的调节。

由图3a所示，南海西北区域的LTS越靠近陆地值越高，与云量 西北多东南少的特征基本吻合。对比LTS夜间与白天的差异（图3b）可知，华南沿岸呈很窄的负值区域，即夜间低层大气稳定性弱于白天，对应该区域低云量增加，其他区域差值基本为正，也对应低云量增加。

定义SAT与SST的差为海气界面稳定度。当（SAT-SST）<0时表明海洋温度比大气温度高，即海气界面不稳定。位温剖面（图4c）表明，云层下方边界层内混合均匀。图3c表明华南近海区域的海气界面差值更大，即海气界面更不稳定，海气相互作用更加剧烈，底层的混合有利于更多水汽向上输送并向云层供应水汽。图3d表明，夜间华南近海区域海气界面更趋于稳定，这可能源于近岸区域风场辐合（图3h），南风带来更多暖平流，从而提高了海气界面稳定度，这可以从图3e～图3f感热的变化得到证实。但对整个云区而言，夜间海气界面稳定性则是减弱的，更有利于云层的形成和抬升。夜间海面潜热通量减弱（图3g～图3h），可能由于夜间海陆差异推动的近海区域风场辐合，南风异常减弱逼近北风，从而减弱海面潜热通量输出。

因此，在海气相互作用中分析华南近海区域的日变化时，夜间形成低云的条件更优越。

3.2 海陆风环流的影响

为了立体地刻画华南沿海区域垂直方向的昼夜差异，对图3b中红线处做纬度—高度剖面。由图4 a可知，从日平均环流来看，由于白天太阳辐射加热陆地而产生大气低层较强的垂直上升运动（图5a），而海洋上由于受陆地冷高压影响盛行下沉运动。由于南海北部近海陆架区域海表面温度锋面（以下简称海洋锋）的影响在22°N附近产生了弱的低层的次级环流（图4a）。由于夜间陆地辐射降温比海上强，因此在陆地和海洋上形成异常的下沉运动和上升运动，即夜间的陆风环流系统（图4b）。在近岸海域的上升运动作用，低层边界层内稳定度减弱，云层从900 hPa附近（图4c）高度抬升到850 hPa附近（图4d）。由于陆风环流的建立，近岸海面辐合上升运动加强，彻底改变了海洋上的风场和水汽分配格局。夜间异常南风，将南方高湿水汽平流输送到近海（图4e），造成水汽辐合抬升（图4f），为云的发展提供充足的水汽。

3.3 区域平均要素的日变化

太阳辐射是地球大气运动的主要能量源泉和地球光热能的主要来源。太阳辐射通过大气，部分到达地表，部分被大气中的云、水汽、尘埃、分子等吸收、散射和反射。云与太阳辐射密切相关。由图5a可知，太阳辐射在06：00～08：00开始，12：00～14：00达到最大，18：00～20：00逐渐消失。结合2 m气温的情况（图5b），在地表接收太阳辐射后，气温逐渐上升，直到太阳辐射减少甚至消失时达到最大。太阳辐射的变化引起了气温的变化。由图5c可知，将LTS的昼夜情况做平均发现，夜间低层大气稳定度略高于白天，这与图3b中LTS昼夜之差的分布基本一致，表明夜间除近岸狭窄海域外，云区大部分区域的大气层结稳定度较高，更容易出现逆温层，从而有利于该区域低云的维持。

探讨云底以下边界层混合状况。边界层均匀混合时，称为混合边界层，海气界面湍流把水汽均匀混合到某一高度，达到凝结高度，就会凝结成云，此时凝结成云的云底与海面的比湿基本相同。若比湿差异很大，说明海面的湿度大，云底湿度小，此时的边界层不均匀混合，也称边界层的不充分耦合，即退耦。如图5d所示，白天的比湿差比夜间大，白天不耦合度更大，湍流混合程度小，换而言之，夜间比日间混合度大，湍流混合得更均匀。分析昼夜海气界面的稳定度、感热和潜热通量、海陆风环流的变化，不难推测夜间边界层的混合主要源于有组织的陆风环流海洋侧的风辐合和上升运动，这为云的形成和发展奠定了基础。低云的发展和维持在一定程度上依靠云顶的长波辐射冷却，长波辐射越强，冷却越强，则混合越强，越有利于低云的维持。但太阳短波辐射使长波辐射冷却减弱，白天太阳辐射强，抵消了长波辐射冷却，则混合减弱对低云发展和维持不利。

香港探空站位于华南沿海，对海洋性大气层结具有一定的代表性。本研究利用香港探空站的高空探测资料，计算研究区域冬季的逆温层强度及其发生频率。如图6所示，夜间弱逆温层发生频率比白天高，这与夜间陆风环流海上存在上升支有关（图4a）。而强度大于4 K的较强的逆温层，白天发生频率更高，说明在冬季风下沉气流控制下白天逆温层更强。因此，低层大气层结的昼夜转换对低云量的日变化具有一定的调控作用。

4 结论

利用2006—2010年1、2、12月的ERA5再分析资料和香港探空站资料研究中国南海北部冬季低云的日变化特征及其机理，结果如下：

（1）南海区域整体低云量呈现西北多東南少的分布特征，其中南海北部低云量夜多昼少，且日变化幅度最明显。在区域平均中，得到华南近海区域低云量平均值的最大值和最小值分别出现在05：00和19：00，两者相差达10%；而在该区域的900～800 hPa高度上，含水量夜间比白天多，低云高度呈夜高昼低、低云厚度呈夜厚昼薄的特征。

（2）冬季南海北部低层大气稳定度高，整个云层的海气界面稳定性弱，云层下方边界层内混合均匀，海气相互作用剧烈，有利于底层混合，使更多水汽往上输送；夜间陆风环流系统改变了海洋的风、湿分配格局，异常的南风易造成近海水汽的辐合抬升，为云的发展提供了水汽条件。

（3）太阳辐射的减少引起气温的变化，使大气层结稳定度上升，更容易出现逆温层。南海北部夜间逆温层强度弱，但其发生频率高，有利于低云的维持；云底以下的边界层不耦合度，湍流混合程度大；同时云顶长波辐射冷却增强，促使了该区域夜间低云的发展。

参考文献

[1] Sun B M， Groisman P Y. Cloudiness variations over the former Soviet Union[J]. International Journal of Climatology， 2000， 20（10）： 1097-1111.

[2] 丁守國，赵春生，石广玉，等.近20年全球总云量变化趋势分析[J].应用气象学报，2005（5）：670-677，706.

[3] 王秀俊.云对太阳辐射的影响[J].科技风，2012（7）：96，99.

[4] Klein S A， Hartmann D L. The seasonal cycle of low stratiform clouds[J]. Journal of Climate， 1993， 6（8）： 1587-160.

[5] 高翠翠，李昀英，陈浩伟.中国中东部云日变化特征及云：降水日变化的联系[C]//中国气象学会.第35届中国气象学会年会S1灾害天气监测、分析与预报. 论文集，2018.

[6] 刘奇，傅云飞.热带地区云量日变化的气候特征[J].热带气象学报，2009，25（6）： 717-724.

[7] 李昀英，宇如聪，徐幼平，等.中国南方地区层状云的形成和日变化特征分析[J].气象学报，2003（6）：733-743.

[8] 张亚洲.南海及周边地区云量分布及低云量与南海海温的关系[J].气象科学， 2012，32（3）：260-268.

[9] 龙景超，冯梓雅，王云.南海低层季风环流对低云时空分布的影响[J].海洋湖沼通报，2021，43（4）：23-30.

[10] Long J C， Wang Y Q， Zhang S P， et al. Transition of low clouds in the East China Sea and Kuroshio region in winter： A regional atmospheric model study[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres， 2020， 125（17）： e2020JD032509. doi.org/10.1029/2020JD032509.

[11] 牛晓瑞，王淑瑜.华北地区低云量的变化特征及其影响因子分析[J].高原气象，2012，31（5）： 1340-1347.

Study on Diurnal Variation Characteristics of Low Clouds in the South China Sea in Winter based on ERA5 Reanalysis Data

Yao Hai-lan et al（College of ocean and meteorology / South China Sea institute of marine meteorology （SIMM）， Guangdong Ocean University， Zhanjiang， Guangdong 524088）

Abstract Low cloud was of great significance to regional radiative energy balance， weather and climate. ERA5 reanalysis data and Hong Kong sounding station data were used to study the diurnal variation characteristics of low clouds in the South China Sea （SCS） in winter. The main conclusion was as follows： （1） The low cloud cover in the SCS was characterized by “more northwest than southeast”， “more night than day”， the low cloud height was “higher night than day” and the low cloud thickness was “thick night and thin day”. （2） In the northern of SCS in winter， the lower tropospheric stability was high， the air-sea interface stability was weak， the boundary layer below the clouds was homogeneously mixing. All of above promotes low-cloud formation. （3） At night， the land breeze circulation system changes the distribution of wind and humidity fields on the ocean， abnormal southerly make the near-sea vapor converge and uplift， which provides water vapor for cloud development. （4） The thermal inversion layer was weak in strength but high in frequency of occurrence at night. Meanwhile， under the cloud bottom， the decoupling degree in the boundary layer was little， the boundary layer mixing was strengthened， and on the cloud top， the heating effect of shortwave radiation disappears， which has contributed to the creation of low clouds. This study was helpful to enhance the understanding of diurnal variation of low cloud in the SCS and improve the ability of numerical simulation.

Key words Low clouds; The northern of South China Sea; Diurnal variation; The land breeze circulation system