2009年春季一次黄海海雾的观测分析及数值模拟

利用5种观测资料和RAMS（regional atmospheric modeling system）模式对2009年5月2_5日发生在黄海海域的一次海雾过程进行了观测分析和数值模拟研究。结果表明：1）所取个例的整个生命过程受同一高压系统影响,该高压在海雾过程后期的形变促使海雾消散,这在以往的黄海海雾中较为罕见。2）黄海北部形似“7”的雾区形态的出现和演化与1～3℃气海温差的变化吻合,气海温差对海雾形成和演变的重要作用得到再次验证。3）RAMS模式具有一定的海雾数值模拟能力,得到的雾顶高度分布与卫星云图所显示的雾区形态吻合良好。     

边界层湍流参数化改进对雾的模拟影响

为了提高边界层参数化在我国复杂下垫面上的描述能力,改善边界层能量和物质输送计算和检验其数值模拟效果,本文选取WRF三维模式,采用基于我国不同下垫面上的边界层观测资料改进的新MYNN（Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino）参数化方案对2009年3月17日黄海海雾以及2011年12月4日华北地区两次大雾过程进行模拟检验,探讨边界层参数化方案对雾和边界层结构模拟的影响。参照卫星云图和探空资料,边界层内云水混合比垂直积分的水平分布的模拟能力明显提高,反映了改进的MYNN方案能够更好地模拟出两次雾过程的发生、移动和雾区空间分布,更精确的云水混合比和温度的垂直分布能更好地给出雾区的垂直结构和稳定层结,同时可改善雾区低层位温以及比湿垂直分布的模拟。     

上海地区辐射雾演变成因及模式预报

利用地面和高空气象观测资料、卫星云图及数值模式产品,对2015年11月29日至12月1日上海地区陆地及近海一次大雾过程的演变特征与生消成因进行了分析,并采用WRF模式和EC模式对此次大雾过程进行预报。结果表明:上海地区此次大雾过程主要由辐射降温造成的,具有强度大和近海雾持续时间长的特征,此次大雾过程大致分可为3个阶段,29日夜间陆地及近海辐射雾生成;30日白天陆地雾蒸发消散,近海大雾维持;30日傍晚后近海雾平流到沿岸并加强,直至12月1日上午大雾过程完全结束。低云云底不断下降和辐射降温冷却是此次大雾过程起雾时间较一般辐射雾更早的主要原因。近海雾区由于升温条件差且增湿条件较好,较难消散且持续时间长;当夜间近海雾区移向上海沿岸地区时,雾平流作用加上辐射降温再次导致局部地区出现强浓雾。华东区域WRF模式和EC高分辨模式均未能较好地预报出此次大雾过程,对大气低层湿度模拟效果较差可能是主要原因;在模式预报性能尚未达到业务需求之前,云图和近海自动气象站观测资料的综合分析对近海雾的临近预报至关重要。     

风云三号微波观测资料的海雾同化模拟

数值模式边界层物理过程和初值场条件的欠缺是海雾模拟准确率偏低的主要原因。本文为改进模式初始场,开展针对海雾模拟的卫星观测资料同化试验,将质量控制和偏差订正后的FY-3A卫星微波湿度计（MWHS）和微波温度计（MWTS）的优选通道数据,经3DVar（Three-dimensional variational data assimilation）进入WRF模式以试验其对黄、渤海海雾模拟的影响。通过分析静止气象卫星检测到的海雾区模拟大气温、湿场同化分析增量,发现代表环境场条件的海雾类型及模式对其模拟能力的差异,显著影响了同化效果,表现为同化对模式模拟能力较强的平流冷型海雾改进明显,对模拟效果不甚理想的非典型混合过程中的暖型海雾阶段则基本没有改进效果。为寻找原因,对包括海雾区低层大气模拟场逆温结构在内的温湿度场与邻近探空观测进行了对比,分析了随时间演变的海雾格点温、湿场同化分析增量,发现冷型海雾区格点同化分析增量能弥补观测—模拟差异,使气温调减,相对湿度调增,同时水汽和液态水也出现负相关的变化,边界层相关热力动力场同化分析增量在垂直方向也有配合迹象,相比而言,主体是暖型海雾的非典型过程则未见此类现象和其他的有益调整迹象。     

2015-04-28渤海海雾形成过程中的海气相互作用分析

利用FY和MTSAT卫星资料、ERA Interim再分析资料、黄渤海浮标站资料、黄渤海自动站逐小时观测资料,对发生在2015年4月28—29日的渤海海雾成因进行分析,着重探讨了海雾形成过程中的海气相互作用。结果发现,近海面处大气低层逆温层抬升,大于90%的大湿度区向上、向西扩展,对海雾形成非常有利;海雾生成前、生成发展过程中存在明显的东到东南风,有利于黄海水汽向渤海输送,海面上空有水汽通量大值区由渤海海峡向渤海中部移动,使得渤海上空水汽输送加强,提供了海雾形成所需的水汽;在海雾形成过程中渤海上空气温高于海温,风切变造成的海气界面湍流热交换为大气输送向海洋,使得冷海面上空暖湿空气降温冷却达到饱和形成海雾,是平流冷却雾。      

黄海海雾的卫星云图特征分析

本文用NOAA-10卫星上,由AVHRR获得的卫星云图,分析黄海海雾特征。用GMS卫星云图分析海雾的演变过程。     

2008年冬季一次东海海雾过程研究

本文利用卫星资料,站点资料,再分析资料结合HYSPLIT-4模式对2008年1月8-10日发生在东海的一次海雾过程进行研究,观测分析表明:此次海雾是辐射冷却-平流雾,大尺度环流场为其发生了提供了背景场,冷暖空气相互作用冷凝成雾,海洋锋区决定了海上雾区"楔形"形状;在海雾形成前,已有接地的逆温层存在,逆温层使夜间辐射冷却,高空暖平流,低层冷空气渗入等多方面结果,低层湍流触发海雾形成,海雾形成于不接地的逆温层中,强湍流导致海雾的消散;海雾期间风速较小,风向不定,并且冬季海雾浅薄,雾顶高度在100m左右。以上结果有利于对冬季东海海雾的理解,以及为海雾预报提供新的思路。     

黄海海雾WRF数值模拟中垂直分辨率的敏感性研究

基于WRF模式探究不同垂直分辨率下模式对黄海海雾的模拟表现。将3种垂直分层方案（35η、44η与63η）和2种边界层方案（YSU、MYNN）组合,对10次海雾做模拟研究。统计分析了水平雾区与雾顶高度对垂直分辨率的敏感性,并利用1次典型个例剖析了雾顶长波辐射与雾体湍流的作用。统计结果显示,提高垂直分辨率能显著改进水平雾区的模拟效果,改善明显的个例在不同垂直分辨率试验下的雾顶高度差异也较大;YSU方案相比于MYNN方案更敏感,从35η层增至44η层其试验个例的击中率（POD）和公正预兆得分（ETS）的平均改进率分别提高了13.29%和10.22%。典型个例研究结果揭示,模式对雾顶长波辐射和雾体湍流作用的模拟程度强烈依赖垂直分辨率：粗垂直分辨率给出的湍流强度很弱,导致模拟失败;雾顶存在“云水含量增多→长波辐射增强→降温加大→云水含量增多”的正反馈过程,细垂直分辨率比粗垂直分辨率更容易维持与增强此反馈;只有细垂直分辨率才能模拟出雾顶长波辐射冷却产生的贯穿雾体直抵海面、强度不弱于近海面机械湍流的浮力湍流,它导致雾体降温而出现符合观测事实的海温高于气温的现象。     

雷达反射率因子在中尺度云分辨模式初始化中的应用Ⅰ：云微物理量和垂直速度的反演

对于水平网格距小于10 km的高分辨率非静力平衡的显式云分辨模式,云微物理量的初始化以及物理量之间的相互协调是十分重要的,并且一直是云分析领域的一个难题。考虑在云雨处于定常状态的前提下,根据暖云过程,可得到云中水成物之间相互转化以及与垂直速度的约束关系,而雨水含量跟雷达反射率因子(Z)有关。因此,采用合肥新一代天气雷达2003年7月5日02时(北京时)的观测资料,针对雷达探测的特点对雷达原始数据进行了坐标转换,并进行了插值处理和简单的质量控制,然后依据Z-qr关系和定常暖云方案,反演了雨水混合比(qr)、云水混合比(qc)、水汽混合比(qv)和垂直速度(w)。结果表明,由此得到的雷达回波主要特征及量值分布与雷达站的CAPPI图像基本一致;水汽、云水、雨水和垂直速度量值大小的分布与雷达回波强度的分布也是吻合的,体现出了云中水成物和垂直速度的三维分布结构;各物理量的量值也符合梅雨锋暴雨的特点,梅雨锋积层混合云系中层状云和对流云的差别十分明显。在较强的回波区,雨水在6 km以下含量较大,最大值位于4 km左右,可超过3.0 g/kg;上升速度在5 km左右最大,最大值超过5 m/s;云水含量大值区位于5 km以上,在7 km高度上达到最大,超过3.0 g/kg;雨滴末速度虽然上下比较一致,一般几米每秒,但在5 km左右为大值区。     

一次华南沿海海雾个例的数值模拟研究

利用中尺度数值模式WRF模拟了2011年3月20—22日华南沿海一次平流冷却雾过程,同时利用综合观测资料(包括台站资料、MODIS卫星云顶温度资料、GPS探空资料和海洋气象观测平台资料等),对比和验证一次海雾个例模拟的范围、大气边界层结构和海气界面特征。针对此次海雾个例的研究发现:(1) 使用水平分辨率为0.5 °×0.5 °的海温,已经可以较好地模拟华南沿海中尺度海雾的范围;(2) 随着大气边界层内垂直层次的增加,可以在一定程度上改善海雾垂直结构的模拟效果,主要表现为可以较好地模拟贴海面的逆温层结;(3) 模式可以较好地模拟海雾期间的向下短波辐射、向下长波辐射和感热通量。并对此次海雾过程模拟存在的问题进行了讨论。      

卫星云图在海岸带大雾天气监测及预警中的应用

利用2005-2010年卫星云图FY-2E、海岸带一海区出现的28次大雾天气资料和2008-2010年海岛站资料,依据大气状态方程、热力学原理,在MICAPS3．0系统下,应用云图与同步探空、地面雾区叠加图、温度场逆温层剖面及TBB值与海面温度比较,估算雾区面积、高度及秋、冬季雾区温度垂直递减率。结果表明：在环渤海地区特定的环流背景下,红外云图和可见光云图监测到的雾区分别在大连、烟台及天津一带由轻雾转为大雾,沿海岸带向北发生发展,雾区垂直厚度为400-600m,递减率为0．02-0．04℃／100m,渤海东西向温度差值为1q℃,南北向为3-5℃;辐射雾对应弱高压均压场,平流雾对应弱低压均压场;低云覆盖雾区浓雾加重,轻雾被低云叠加使得能见度降低;平流雾被锋面抬升后混合到低空水汽输送带之中,对后期降雪（水）具有指示作用。在2009-2010年海区一海岸带大雾天气预报及预警信号升级应用中效益显著,可为海岸带大雾预报因子选取及预报监测业务流程的改进提供参考。     

An observational and modeling study of a sea fog event over the Yellow Sea on 1 August 2003

A dense sea fog episode that occurred near the coastal city of Qingdao in the Shandong Peninsula of China on 1 August 2003 is investigated by using all of the available observational data and high-resolution modeling results from the Regional Atmospheric Modeling System (RAMS). This fog event reduced the horizontal visibility to be less than 60 m in some locations and caused several traffic accidents locally. In this paper, all of the available observational data, including visible satellite imagery of Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES)-9 and MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), objectively reanalyzed Final Analysis (FNL) data issued by the National Centers for Environmental Prediction (NCEP), sounding data at the Qingdao and Dalian stations, and the latest 4.4 version of the RAMS model, were employed to study this sea fog case. We begin with the analyses of the environmental conditions of the sea fog event, including the large-scale conditions, the difference between T _2m (air temperature at 2 m altitude) and sea surface temperature (SST), and the atmospheric sounding profiles of the two stations. The characteristics of this sea fog event was documented by using visible satellite imagery of GOES-9 and MODIS. In order to better understand the fog formation mechanism, a high-resolution RAMS model of dimensions 4 km × 4 km was designed, which was initialized and validated by FNL data. A 54-h modeling period that started from 18 UTC 31 July 2003 reproduced the main characteristics of this sea fog event. The simulated lower visibility area agreed well with the sea fog area identified from the satellite imagery. It is shown that advection cooling effect plays a significant role in the fog formation.     

海洋飞沫对台风“Morakot”结构影响的数值模拟研究

将海洋飞沫参数化引入到高分辨率、非静力中尺度模式中,并对0908号台风"Morakot"进行了数值模拟,研究了海洋飞沫对台风"Morakot"结构和强度的影响。结果表明:(1)不论是否考虑海洋飞沫作用,模式均能较好地模拟出台风"Morakot"的移动路径,说明海洋飞沫对其移动路径影响不大;(2)引入海洋飞沫参数化后,台风眼墙区域的切向风速、径向风速、垂直速度、涡度、云水混合比、雨水混合比等物理量均增强,表明飞沫对台风结构变化的影响明显;(3)海洋飞沫对台风"Morakot"演变的直接影响是在对流层低层,低层风速明显增大,大风速区的影响尤为显著;(4)飞沫的蒸发使台风范围内的潜热和感热通量明显增强,尤其是潜热通量,其大值区对应着台风中心附近的最大风速区。由于水汽和热量输送的增强,使台风眼壁附近的云水量与雨水量增多,因此降水强度明显增加。     

Analysis and high-resolution modeling of a dense sea fog event over the Yellow Sea

A ubiquitous feature of the Yellow Sea (YS) is the frequent occurrence of the sea fog in spring and summer season. An extremely dense sea fog event was observed around the Shandong Peninsula in the morning of 11 April 2004. This fog patch, with a spatial scale of several hundreds kilometers and lasted about 20 h, reduced the horizontal visibility to be less than 20 m in some locations, and caused a series of traffic collisions and 12 injuries on the coastal stretch of a major highway. In this paper, almost all available observational data, including Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES)-9 visible satellite imagery, objectively reanalyzed data of final run analysis (FNL) issued by the National Center for Environmental Prediction (NCEP) and the sounding data of Qingdao and Dalian, as well as the latest 4.4 version of Regional Atmospheric Modeling System (RAMS) model, were employed to investigate this sea fog case. Its evolutionary process and the environmental conditions that led to the fog formation were examined by using GOES-9 visible satellite imagery and sounding observations. In order to better understand the fog formation mechanism, a high-resolution RAMS modeling of 4 km × 4 km was designed. The modeling was initialized and validated by FNL data. A 30-h modeling that started from 18 UTC 10 April 2004 reproduced the main characteristics of this fog event. The simulated lower horizontal visibility area agreed reasonably well with the sea fog region identified from the satellite imagery. Advection cooling effect seemed to play a significant role for the fog formation.     

春季黄海海雾WRF参数化方案敏感性研究

利用2005—2011年10次春季黄海海雾个例开展WRF模式参数化方案敏感性研究。结果表明:边界层方案对WRF模式雾区模拟结果起决定作用,而微物理方案影响较小,它主要影响海雾浓度和高度。边界层与微物理方案的最佳组合为YSU与Lin方案,最差为Mellor-Yamada与WSM5方案;Mellor-Yamada和QNSE方案模拟的近海面湍流过强,导致边界层过高,不利于海雾的发展与维持;而MYNN与YSU方案刻画的湍流强度与边界层高度合适,有利于海雾发展与维持。MYNN方案虽与YSU方案相当,但在大多数海雾个例中,后者明显优于前者,而在有些个例中却刚好相反。因此对于某一具体海雾个例而言,所用边界层方案仍需在它们之中选择最优者。这些信息可为黄海海雾WRF模式边界层与微物理方案的选择与改进提供参考。     

2011年12月3-7日山东省连续大雾分析

利用2011年12月1-7日的常规探测资料和NCEP再分析资料,采取诊断分析的方法,分析了山东省大范围连续性大雾产生的天气背景、温湿条件和大气层结等特征。结果表明：此次连续大雾发生在稳定的大气层结下,高空中纬度环流平直,地面气压场上表现为从东西伯利亚到华南一个庞大的变性高压区（山东处于高压的中部）,天气形势稳定;在高分辨率可见光云图上,大雾图像顶部较光滑、边缘较清晰,在红外云图上特征不明显;近地面层是弱的东到东北风（风力在2 m·s^-1以下）,既有利于海洋上暖湿气流的平流输送,也为较冷的下垫面的建立创造了条件;大气边界层湍流活跃,湍流动力垂直输送明显;大雾初期低空有明显的逆温层,天气状况较好,辐射降温明显,大雾性质以辐射雾为主,中后期是暖湿空气平流到温度较低的下垫面上时冷却而形成,以平流雾为主。     

A study on the transition mechanism of a stratus cloud into a warm sea fog using a single column model PAFOG coupled with WRF

The transition mechanism of stratus cloud into warm sea fog over the Yellow Sea near the western coastal area of the Korean Peninsula is investigated using numerical simulation with a 1D turbulence model, PAFOG, coupled with a 3D regional model, WRF. The coupled model system was run in the two approaches, Eulerian and Lagrangian. For the selected warm sea fog case, the model results in the Eulerian approach showed that the bottom of the stratus cloud was lowered by cooling of the air just below the cloud base by turbulent heat loss. The Lagrangian approach showed the lowering of the stratus cloud top, owing to the evaporation of cloud droplets in this region by the entrainment of warm and dry air above the cloud top. The sensitivity test to SST indicated that the timing of water vapor saturation just below the cloud base depended on the magnitude of the turbulent heat flux from the sea surface. The subsidence rate was found to be important: when the subsidence rate was set to be half of the prescribed value, neither the lowering of the stratus cloud top nor the bottom occurred and the model could not produce a fog.