2018年2月琼州海峡持续性海雾过程的数值模拟分析

2018年2月春节期间琼州海峡发生持续性大雾天气,造成大量船舶停航。本文结合葵花8号卫星反演海雾产品、琼州海峡沿岸站点能见度观测数据及美国国家环境预报中心NCEP（National Centers for Environmental Prediction） 提供的FNL（Final Analysis）客观分析资料,对2018年2月18～20日的大雾过程进行了天气学成因分析,并进一步利用CMA-MESO（Global and Regional Assimilation and Prediction System）高分辨率数值模式从边界层方案、模式垂直分层以及海雾能见度算法三个方面进行敏感性试验,以找出模拟效果更好的模式设置方案。研究结果表明:大雾期间华南近海海温较常年平均偏低,受地面冷高压南下补充的弱冷空气影响,偏东暖湿气流流经冷海面并快速凝结。而数值模拟对比试验显示,采用YSU（Yonsei University）边界层方案、边界层垂直层次加密及美国国家海洋大气局预报系统实验室（FSL/NOAA）的海雾诊断方案（简称FSL）对改进能见度预报效果显著:YSU边界层方案比MRF（Medium Range Forecast Model）边界层方案对该次大雾过程的分布范围和最低能见度出现的时间模拟效果更优;模式低层分层加密可更好体现出低能见度的演变过程;通过能见度算法与实况对比,基于模式预报性能较好的湿度和温度预报而来的FSL算法,其能见度预报与站点实况最为接近。     

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。     

Characteristics of the Boundary Layer Structure of Sea Fog on the Coast of Southern China

Using boundary layer data with regard to sea fog observed at the Science Experiment Base for Marine Meteorology at Bohe,Guangdong Province,the structure of the atmospheric boundary layer and the characteristics of the tops of the fog and the clouds were analyzed.In addition,the effects of advection,radiation,and turbulence during sea fog were also investigated.According to the stability definition of saturated,wet air,the gradient of the potential pseudo-equivalent temperature equal to zero was defined as the thermal turbulence interface.There is evidence to suggest that two layers of turbulence exist in sea fog.Thermal turbulence produced by long-wave radiation is prevalent above the thermal turbulence interface,whereas mechanical turbulence aroused by wind shear is predominant below the interface.The height of the thermal turbulence interface was observed between 180 m and 380 m.Three important factors are closely related to the development of the top of the sea fog:(1) the horizontal advection of the water vapor,(2) the long-wave radiation of the fog top,and(3) the movement of the vertical turbulence.Formation,development,and dissipation are the three possible phases of the evolution of the boundary-layer structure during the sea fog season.In addition,the thermal turbulence interface is the most significant turbulence interface during the formation and development periods;it is maintained after sea fog rises into the stratus layer.     

A Numerical Study of Sea-Fog Formation over Cold Sea Surface Using a One-Dimensional Turbulence Model Coupled with the Weather Research and Forecasting Model

The formation mechanism of a cold sea-fog case observed over the Yellow Sea near the western coastal area of the Korean Peninsula is investigated using numerical simulation with a one-dimensional turbulence model coupled with a three-dimensional regional model. The simulation was carried out using both Eulerian and Lagrangian approaches; both approaches produced sea fog in a manner consistent with observation. For the selected cold sea-fog case, the model results suggested the following: as warm and moist air flows over a cold sea surface, the lower part of the air column is modified by the turbulent exchange of heat and moisture and the diurnal variation in radiation. The modified boundary-layer structure represents a typical stable thermally internal boundary layer. Within the stable thermally internal boundary layer, the air temperature is decreased by radiative cooling and turbulent heat exchange but the moisture loss due to the downward vapour flux in the lowest part of the air column is compensated by moisture advection and therefore the dewpoint temperature does not decrease as rapidly as does the air temperature. Eventually water vapour saturation is achieved and the cold sea fog forms in the thermal internal boundary layer.     

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。     

华北平原一次持续性大雾过程的动力和热力特征

利用台站加密观测资料和NCEP/NCAR再分析资料对2004年11月29日—12月3日华北平原一次罕见的持续性大雾天气过程进行了研究, 通过对本次过程动力和热力特征的深入分析, 揭示了其成因和维持机制。结果表明:对流层中低层暖性高压脊及地面变性冷高压的稳定维持为持续性大雾过程提供了良好的背景条件; 地表净辐射引起的近地层冷却是大雾的触发和加强机制; 中低空下沉气流的存在有助于近地层的弱风条件和稳定层结的建立; 低层暖平流的输入和边界层的浅层抬升有利于大雾的长时间维持; 伴随负温度平流南下的偏北风的爆发是使大雾消散的动力因子。     

华南沿海暖海雾过程中的湍流热量交换特征

湍流交换是海雾中的关键物理过程, 在海雾的热量和水汽平衡过程中起重要作用。本文根据2007年3月24～25日一次海雾的外场观测数据, 分析了海雾过程中近海面湍流热量交换特征; 并在区分风切变机械湍流与雾顶长波辐射冷却热力湍流的基础上, 着重分析了两种不同性质的湍流对海雾发展和维持的作用。结果表明: (1) 本次海雾是在西南低压和变性冷高压的控制下, 来自南海东部暖水区的空气平流在近岸冷海面上形成的暖海雾; 暖海雾中的湍流热量交换过程比冷海雾更为复杂; (2) 在暖海雾的形成和消散阶段, 风切变机械湍流的热量输送起主要作用; 而在发展和维持阶段, 既有风切变机械湍流的热量输送作用, 也有雾顶长波辐射冷却热力湍流的热量输送作用; (3) 风切变机械湍流向冷海面输送热量, 对近海面空气起到降温和增湿作用; 热力湍流同样向冷海面输送热量, 但对雾层起到增温和降湿作用; (4) 暖海雾中的湍流热量交换机制与雾层的非充分混合结构有密切关系。     

WRF模式对青藏高原那曲地区大气边界层模拟适用性研究

采用WRF（Weather Research and Forecasting）模式4种边界层参数化方案对青藏高原那曲地区边界层特征进行了数值模拟,并利用"第三次青藏高原大气科学试验"在青藏高原那曲地区5个站点的观测资料对模拟结果进行验证,分析不同参数化方案在那曲地区的适用性。研究表明,YSU、MYJ、ACM2和BouLac方案对2 m气温和地表温度的模拟偏低。BouLac方案模拟的地表温度偏差较小。通过对能量平衡各分量的对比分析发现,温度模拟偏低可能是向下长波辐射模拟偏低以及感热通量和潜热通量交换过强导致的。对于边界层风、位温和相对湿度垂直结构的模拟,局地方案的模拟效果均优于非局地方案。BouLac方案对那曲地区近地层温度、边界层内位温和相对湿度的垂直分布模拟效果较好。      

一次深厚浓雾过程的边界层特征和生消物理机制

2007年12月13-14日,南京出现一次厚度达600 m、持续近14 h的浓雾过程,其中强浓雾阶段维持4 h.通过系留气球边界层探测系统、涡动协方差测量系统、雾滴尺度分布和自动气象站等外场试验资料分析了此次深厚浓雾过程的边界层结构特征和生消物理机制.结果表明,此次雾过程首先由地面辐射冷却形成贴地雾层,而后因低空平流冷却形成低云.在发展阶段,伴随低云不断下伸,贴地雾层不断抬升.在贴地雾层受到地面弱冷空气平流降温影响下,雾中微物理过程迅速发展,雾滴数密度、含水量、平均直径、最大直径等微物理参数在15 min内跃增,雾体爆发性升高,最终导致地面雾和低云上下贯通形成深厚雾层,地面能见度骤降至15 m以下.雾体爆发性增强时,地面垂直动量通量和向下长波辐射通量密度增大,净辐射趋于零.整个雾过程中,由于贴地层持续弱冷平流降温和上层雾阻碍了下层雾的辐射降温,二者的共同作用使贴地强逆温结构始终维持.     

北京一次浓雾过程的边界层结构及成因探讨

利用逐小时地面加密观测资料、系留气球探空资料、常规观测资料、NCEP再分析资料等对2004年11月30日至12月1日发生在北京的一次浓雾过程进行了分析。结果表明:浓雾过程发生在边界层有浅槽东移,地面为均压场、微风、入夜后迅速辐射降温的条件下;浓雾生成前、后近地层维持辐合区,有利于水汽的聚集;在浓雾发生发展的不同阶段,边界层中逆温层、湿度和风的分布是有差别的;从动力学的角度对温、湿场结构的形成原因进行了初步探讨,指出了与其它辐射雾的不同点。     

夏季低压控制下黄海西北部海域海雾发生气象条件合成分析

利用瞬变扰动分析的原理,提供了一个可以客观判定海雾发生时天气类型的方法。在分类结果的基础上,对环流形势、散度和垂直速度以及温度湿度的垂直廓线等进行合成分析,得到低空（1 000 hPa）为低压扰动下发生海雾（L型海雾）的环流和物理量场基本特征,并与高压控制下海雾（H型海雾）进行对比,结果表明：1）L型海雾位势高度负异常扰动主要表现在低层,其平均值为-65.66 gpm,向上逐渐减弱;2）L型海雾在发生时其逆温强度小于H型海雾,雾层较厚,雾层上空湿度仍然比较大,而H型海雾雾层上空有比较明显的干层;3）L型海雾在垂直方向上的分布具有三层结构,第一层1 000～950 hPa为辐合伴有弱上升和下沉运动,第二层950～850 hPa为辐散伴有弱下沉运动,第三层850～500 hPa为逐渐加强的上升运动;H型海雾为两层结构,1 000 hPa为辐散伴有弱的上升和下沉运动,950～500 hPa为一致的下沉运动;4）概率密度统计分析进一步定量表明了L型和H型海雾发生时垂直运动以及相对湿度在各层中的分布情况。这些结论对黄海西北部夏季低压环流形势下海雾的预报提供了重要参考。     

一次黄海海雾的数据同化试验与形成机制研究

选取2012年4月14日的一次存在东西2片雾区的黄海春季海雾为研究对象,借助WRF（Weather Research and Forecasting）模式,采用循环3DVAR（3-Dimensional Variational）数据同化方案,考虑了湿度控制变量的背景误差协方差CV6,进行了AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）卫星温度与湿度廓线数据的同化试验,并基于同化试验结果探讨了此次海雾的形成机制。同化试验结果表明：同化 AIRS 卫星温度与湿度廓线数据后,模式能成功再现海雾的形成过程,特别是东西2片雾区之间的晴空区的存在,这归功于AIRS数据的同化能够显著改善海上大气边界层的温湿结构、影响海雾的低层高压的范围与强度;机制分析揭示：东西2片雾均为典型的平流冷却雾,但二者厚薄和气团来源不同;海上高压控制黄海西岸陆地的暖空气入海,受低海温的冷却作用降温先形成逆温层,然后逆温层底部生成了较薄的西侧雾区;来自黄海中部的空气向东北移动至朝鲜半岛西部海域,高压下沉增温形成一个顶部较高的稳定层,从而生成较厚的东侧雾区;高压中心下沉区内,近海面风速小使得机械湍流弱,空气增温与海温暖舌共同作用下使得近海面气海温差小,海雾无法生成导致了晴空区的存在。     

山东一次持续性平流辐射雾过程特征及成因分析

2017年1月1—5日,山东出现了一次大范围的平流辐射雾过程。利用山东地区自动气象站观测资料、青岛探空站资料、风廓线雷达资料和NCEP/NCAR再分析资料,通过分析此次连续大雾过程的大尺度环流背景场、温湿场特征,地面、高空气象要素条件,揭示了其形成原因、维持机制和消散机理。结果表明：中高纬度平直的大气环流、静稳的垂直结构是此次大雾形成的背景条件;水汽输送阶段变化造成的低层水汽浓度变化是大雾阶段变化的原因;两次弱低槽冷锋过程显著增加了雾的强度和范围,也使雾的性质由平流雾变为辐射雾。当低层水汽持续减少,中低层东风气流增强并破坏了大气的稳定层结时,大雾逐渐消散。     

重庆雾气候特征及天气成因分析

利用1980-2011年的重庆全市36个区县气象站的能见度及相对湿度资料,分析了重庆全区域雾的气候特征。选取全市的典型浓雾个例,利用NCEP 1°×1°的再分析资料和L波段雷达资料,合成分析了辐射雾和雨雾的环流形势、温、湿、风的垂直结构。结果表明：重庆全区域雾呈现西多东少的分布形势,出现的时间主要集中在10月至次年2月,年平均雾日数在21世纪初呈现显著下降趋势,雾日减少的突变发生在2002年。辐射雾发生时500 hPa中亚及青藏高原地区为高压脊,地面上重庆位于高气压内部的均压场中,冷锋已到达华南地区;而雨雾发生时500 hPa青藏高原地区为低压槽区,地面冷高压中心位于我国北方地区,有弱冷空气经大巴山从东北向渗入重庆。两种雾的温、湿、风垂直结构特征表现为辐射雾近地层逆温明显强于雨雾;上干下湿和湿层深厚分别是辐射雾和雨雾形成时,湿度垂直结构的主要特征;两种雾形成时近地层风速都很小,总体来看雨雾发生时各层的风速都大于辐射雾。     

北京市一次大雾过程边界层结构的模拟研究

利用一个包括土壤 植被 大气相互作用的一维边界层模式 ,对 1999年 11月发生在北京的一次大雾过程的边界层特征进行了数值模拟。通过与相应时段边界层观测资料的对比表明 ,模式能较好地模拟出雾的大气边界层结构特征 ,以及雾的发生、消散时间和持续过程。由于模式中包括了辐射和平流物理过程 ,因此 ,模拟结果进一步证实相应的雾属于平流辐射雾。另外 ,对模式模拟结果的不足之处和可能原因也进行了分析。     

辐射雾的大气边界层特征

利用ＡＤＡＳ对一次连续５天辐射雾进行探测,获得了辐射雾生消过程中的温度、湿度、风场等要素的垂直分布。通过对这些资料的详尽分析,讨论了辐射雾在不同发展阶段的边界层特征。结果表明：逆温层对雾的形成和维持起着重要的作用,而雾又对大气边界层中的温、湿、风结构产生重要影响。     

上合组织青岛峰会期间海雾维持和消散阶段的环境场特征

利用常规观测、地面加密自动站及NCEP再分析资料,针对上合组织青岛峰会的气象服务过程,对海雾维持和消散两个阶段的气象要素特征进行了分析。结果表明：1）当能见度低于1 000 m时,相对湿度为99%,能见度介于1 000～2 000 m之间时,相对湿度为95%～99%。2）近地面层30°N以北黄海海域持续吹东南风,并在青岛形成水汽辐合中心,有利于青岛形成海雾;当东南风转为东北风,水汽辐合中心减弱或消失时,海雾趋于消散。3）在海雾维持阶段,逆温层最低高度稳定在980 hPa以下,总逆温差逐渐增强,逆温梯度跃升与海雾强度增强同步;最大逆温层厚度和逆温层总厚度下降12 h后海雾逐渐减弱,逆温层最低高度上升时能见度也随之上升。4）白天逆温层之上为下沉运动,之下为上升运动,夜间700 hPa之下均为上升运动,且上升运动中心位于逆温层之下,这种垂直结构有利于逆温层和海雾的维持;当逆温强度减弱,垂直运动穿越逆温层贯穿700 hPa以下对流层时,海雾趋于消散。     

辐射雾的大气边界层特征

利用ADAS对一次连续5天辐射雾进行探测,获得了辐射雾生消过程中的温度、湿度、风场等要素的垂直分布。通过对这些资料的详尽分析,讨论了辐射雾在不同发展阶段的边界层特征。结果表明：逆温层对雾的形成和维持起着重要的作用,而雾又对大气边界层中的温、湿、风结构产生重要影响。     

一次华南海雾过程的观测分析

针对华南粤西沿海出现的一次海雾过程,采用现场观测试验获取的数据,结合NCEP再分析数据,分析了此次南海北部海雾的大尺度环流背景、边界层结构以及雾的微物理特征.分析结果表明:这一海雾过程发生在春季西南低涡发展南下的天气背景下,大气底层有明显暖湿气流输送、而高层层结稳定;在西南低涡特殊的天气背景下,白天雾层较浅薄,夜间雾层向上发展;雾的微物理结构与雾层的发展有密切关系,在雾的初始阶段大水滴明显较多,而在雾层向上发展、垂直混合阶段,雾滴有明显的蒸发现象,雾滴具有局地特征.     

南京冬季一次雾过程宏微观结构的突变特征及成因分析

2006年冬, 利用系留气球探测系统、雾滴谱仪、能见度仪等仪器在南京北郊进行了雾的综合观测。本文选取2006年12月14日的一次浓雾过程, 利用边界层廓线、雾滴谱、能见度以及NCEP再分析资料, 深入研究雾顶和地面雾浓度的突变特征 (爆发性增强和迅速减弱过程) 及其成因。结果表明: 雾顶的爆发性发展是湍流促使水汽向上输送、 在上层逆温下累积并伴随大幅降温引起的; 地面雾浓度爆发性增强时, 近地层冷平流降温导致饱和水汽压减小, 同时上层系统性的下沉增温引起逆温增强, 水汽得以累积; 雾顶的迅速下降过程中, 雾顶部湍流发展, 同时下沉运动引起了气层增温、 雾体双层结构和低空急流的出现; 地面雾的迅速减弱是太阳辐射和动量下传共同作用的结果; 下沉运动对雾生消的作用具有双重性; 雾的双层结构出现在雾顶大幅下降过程中, 并加快了雾顶的下降速度, 这与以往研究中双层结构促使雾顶爆发性发展有很大差异。