Numerical Experiment Research of a Marine Fog Event in the Pearl River Estuary Region

A marine fog event that occurred near the Pearl River Estuary region on 26 March 2002 was investigated with the fifth-generation Pennsylvania State University/National Center for Atmospheric Research Mesoscale Model (MM5). The results of numerical experiment are very consistent with the surface observations, especially in the processes of marine fog formation and evolution. Besides, a series of sensitivity numerical experiments were performed by varying the distribution of landuse type and the turbulence exchange process. It is shown that the marine fog forms along the coastal line. Tests have indicated that when the distribution of landuse type is modified, the regions where the marine fog can intrude into are obviously different. The turbulence process in the model is important for fog formation and evolution. If the influence of turbulence process is ignored in numerical simulation experiment, the simulated maximum of the cloud liquid water content and the height of fog top will be decreased greatly.     

THE NUMERICAL MODELING OF RADIATION FOG

The formation and development of radiation fog are studied by using a one-dimensional model.Theresults are as follows:(1)The fog can change the ambient wind and temperature fields,on the contrary,theambient fields may also influence the fog;(2)The modeling fog forms initially at a certain level above thesurface,which is detailedly explained in the paper;(3)Turbulence delays the formation of fog but promotesits development;(4)Whether fog liquid water content exchange coefficient equals momentum exchangecoefficient has no influence on the numerical results.In addition,wind,temperature,exchange coefficient,and net radiative flux before and after the formation of radiation fog,are also studied.     

A THREE-DIMENSIONAL NUMERICAL STUDY ON DENSE FOG OVER MOUNTAINOUS AREAS

Using the non-hydrostatic meso-scale model MM5v3, dense fog that occurred from March 7 to March 8, 2001 over the Mts. Nanling area was studied. With integrated field experiments and observations, the occurrence, development and lift mechanism of fog were analyzed. The results indicate that before the coming of stratiform clouds, southerly warm and wet air ascended along mountainside and cooling condensation formed mountain fog. Then fog was formed by the stratiform on cloud-contacting mountaintop. A front inversion layer accelerated the development and extended the duration of the lower cloud and fog. The intensity, occurrence time, mass content and the variation of temperature and relative humidity of the fog agreed with those of the observation. It showed that the meso-scale model has the potential to forecast mountain fog.     

珠江三角洲地区一次辐射雾的数值模拟研究

本文利用美国国家大气研究中心(NCAR)和宾夕法尼亚州立大学联合研制的第5代中尺度气象模式系统MM5对珠江三角洲地区夏季出现的一次辐射雾过程进行了数值模拟研究。模拟的结果在辐射雾出现的时间以及辐射雾的高度方面都与实况十分相近。我们对辐射雾的形成机制也进行了分析和数值试验．结果表明．地面的长波辐射冷却促使辐射雾形成．而短波辐射的加热是辐射雾消散的主要原因。另外．增加模式的垂直分辨率以及改变珠江三角洲地区的下垫面类型都可以使模式模拟的辐射雾的结果有明显的改善。     

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.     

一次广东省大雾过程的数值模拟分析

利用美国国家大气研究中心（NCAR）和宾夕法尼亚州立大学联合研制的第5代中尺度气象模式系统MM5,对广东省地区春季出现的一次大雾过程进行了数值模拟研究。模式模拟结果与实际温湿探空的对比表明,模式很好地模拟了大雾过程的流场变化特征及表征大雾的液态水含量分布。对这次大雾生消过程起决定性作用的是925 hPa风场的变化。当925 hPa转为偏南风控制时,暖湿的海洋性空气流经较冷的下垫面从而形成大范围的平流雾;而当925 hPa转为干冷的偏北风控制时,原本形成的大雾很快就消散了。同时模式也很好地模拟了伴随此次平流雾出现的逆温过程。逆温层高度约在900 hPa附近,具有相当的厚度,这对于大雾的形成和维持有一定作用。另外,利用模式模拟的液态水含量值估算的能见度水平分布情况与实况的观测结果也较为一致。     

北京地区一次平流雾过程的分析和数值模拟

2007年2月21日北京地区发生了一次严重的平流雾, 对广大群众的出行和交通影响甚大, 属高影响天气事件。该文利用首都机场地面观测、北京市自动气象站观测以及NCEP分析场等资料对该过程进行分析, 同时利用MM5模式对该过程进行数值模拟研究。分析表明:造成北京地区此次平流雾的主要天气形势是弱低压辐合型。平流雾发生前, 北京地区没有明显冷空气侵入, 大气层结相对稳定, 地面观测到中尺度辐合线, 其南侧的东南气流向北京地区输送了水汽, 为夜间雾的形成提供了良好的基础条件。模拟结果表明:模拟的雾区范围及其移动基本与实况吻合, 显示了中尺度模式预报平流雾的潜在能力。进一步分析表明:雾区的边缘具有明显的水平温度梯度; 在贴地面层东南气流被雾区阻挡偏向西, 在雾区前沿辐合; 雾区的逆温区前沿930 hPa以下存在一个明显的垂直热力环流, 雾区下沉, 雾区前沿上升。     

江苏地区夏季一次辐射雾的数值模拟及生消机理分析

利用地面观测资料、秒级探空资料结合WRF中尺度数值模式,对2016年6月25—26日江苏南部地区一次影响范围广、持续时间长的罕见辐射雾过程进行了数值模拟分析。结果表明:(1)雾区范围和气象要素数值模拟结果与实况基本一致;(2)低层超薄超强逆温为此次夏季雾的形成、发展和维持提供了稳定条件;(3)成雾前江苏南部地区白天出现的降水是夜间浓雾形成的重要水汽来源;(4)夜间地表辐射冷却作用是浓雾形成的重要因素;地面风速稳定低于2 m·s^-1,有利于浓雾的维持;日出后随着短波辐射增强风速增大、稳定层结破坏促使浓雾减弱消散。     

2014年初冬湖北省一次大雾成因分析和数值模拟

利用湖北省高速公路交通气象站观测数据及NCEP的1°×1°格点再分析资料,分析了2014年1月29—30日发生在湖北省内的大雾天气过程的气象要素变化特征及大雾形成机理,并利用优化参数化方案的数值模式对本次大雾过程进行了模拟。结果表明,大雾过程能见度基本与相对湿度变化趋势相反,气温与能见度变化趋势基本一致,风速都较之前有所下降。本次大雾是暖平流影响后,经夜间辐射冷却降温后形成,属平流辐射雾。利用WRF模式对本次大雾过程的模拟结果表明,除对海拔较高、受局地地形影响较大区域的模拟效果不理想外,模拟的大雾范围、强度、生消时间等与实况基本相符,可为以后大雾预报提供一定的参考。     

不同边界层参数化方案对江苏地区一次平流雾过程的模拟影响

边界层参数化方案的选取在平流雾的预报准确度上起着决定性的作用。本文利用WRF模式对2013年3月18~19日发生在江苏地区的一次平流雾过程进行数值模拟试验,对耦合不同闭合方式边界层参数化方案的试验结果与实测气象数据进行对比分析,评估了他们对此次平流雾的模拟效果,探讨了边界层高度对此次平流雾的生成和发展的影响。研究结果表明:（1）耦合不同边界层方案的WRF模式对地面气象要素的模拟结果均呈现气温偏低、湿度和风速偏大的特征。（2）QNSE方案对气温的模拟能力最强;ACM2方案对相对湿度的模拟性能最好;YSU方案对风速的模拟效果最佳。不同边界层方案的模拟结果在垂直方向上的差别主要表现在低空相对湿度上:QNSE方案预报的湿度更大。（3）综合TS（Threat Score）和BS（Bias Score）两个评分指标来看,ACM2方案对雾区分布的模拟效果最好。三个边界层方案对此次平流雾的模拟结果在江苏沿海站点的预报评分较高,在距海较远站点的预报评分表现较差。YSU方案对东南沿海地区的雾区预报评分较高;QNSE方案对长江沿江区域的雾区预报评分较高;ACM2方案对沿海地区、尤其对沿海北部地区的有较好的预报效果。（4）QNSE方案对此次平流雾的生成时间、出现地点预报比较准确。（5）平流雾的生成与发展阶段模拟雾区覆盖范围与边界层高度关系十分紧密,适当强度的湍流混合作用有助于平流雾在地面的生成与发展;但是过强的湍流混合作用会导致大雾过早的消散。     

2003年春季江淮一次暴雪过程的模拟研究

采用NCEP全球再分析资料和常规地面、高空观测资料，利用非静力中尺度数值模式MM5（V3．6）对2003年2月江淮地区暴雪过程进行了数值模拟。结果表明，MM5能够较好地模拟出地面及中低空大、中尺度环流系统，能够成功模拟出暴雪中尺度低涡的发生、发展及结构演变；低空西南急流与暴雪有着密切关系，对暴雪天气预报有很好的指导作用；对涡度场、散度场和垂直速度场的诊断表明，运动场和热力场的相互配置及耦合关系非常有利于暴雪切变线的发展及暴雪形成与维持。还利用模拟雷达反射率因子检验了模拟的正确性。对温度场的分析可知。降水性质与700hPa、850hPa温度平流有直接关系。     

河南省一次大雾的数值模拟及生消机制分析

应用非静力平衡中尺度模式MM5及NCEP资料和高空地面资料,模拟分析了2006年1月28日发生在河南省的一次大雾天气过程,结果发现：这次雾体最强的时段在日出后1～2h内,相对湿度下降的拐点滞后于气温回升的拐点2h左右;先出现贴地逆温再出现大雾,逆温最强的时段也是雾体最强的时段,逆温层顶始终覆盖在雾体上方;近地面的微风和风向的转变,有利于雾体的形成和向上发展,风向转变的时间也是雾体形成的时间;增温、减湿和逆温层的破坏是大雾消散的主要原因。     

Summertime Thermally-Induced Circulations over the Lake Nam Co Region of the Tibetan Plateau

Performance of the fifth-generation Pennsylvania State University/National Center for Atmospheric Research Mesoscale Model(MM5) over the Lake Nam Co region of the Tibetan Plateau was evaluated based on the data from five surface observation sites in 2006. The interaction between two thermally-induced circulations(lake breezes and mountain-valley winds) was also investigated. The results show that MM5 could be used to simulate 2-m air temperature; however, MM5 needs improvement in wind field simulation.Two numerical simulations were conducted to study the effect of the lake on the local weather and wind system. The original land cover of the model was used in the control experiment, and the lake was replaced with grassland resembling the area surrounding the lake in the sensitive experiment. The results of the simulations indicate that the lake enhanced the north slope mountain-valley wind and the mountain changed the offshore flow direction at the north shore. During the day, a clear convergent zone and a strong upflow were observed over the north slope of the Nyainq?entanglha Range, which may cause frequent precipitation over the north slope. During the night, the entire area was controlled by a south flow.     

辐射雾的数值模拟

本文通过数值模拟的方法,研究了辐射雾的形成和发展过程。模式较详细地考虑了湍流交换、长波辐射传输、重力沉降等过程。计算结果表明,辐射雾形成后会改变环境风、温场,反之,风、温场的改变又影响了辐射雾的发展。计算结果还表明,辐射雾最初是在离地面一定的高度上形成的,文中作了详细解释;辐射雾的发展是在湍流场和辐射场的相互作用下引起的。湍流作用是决定辐射雾形成、发展的重要因子,它一方面阻碍了辐射雾的形成,另一方面,它又能促进已形成的雾的发展。本文还研究了辐射雾形成前后的风、温变化以及长波辐射通量的变化。研究了含水量交换系数对模式的影响,结果表明,含水量交换系数的取值与动量交换系数是否相等,对模拟结果没有明显的影响。     

1998年“4.18”强沙尘暴分析及数值模拟

对1998年4月18－19日发生在新疆、甘肃、宁夏、内蒙古等地的一次强沙尘暴天气过程从天气事实、天气学成因等方面进行了分析和诊断，然后利用非静力MM5模式对这次沙尘暴天气进行了数值模拟。结果表明，西西伯利亚强冷空气迅速东移，在新疆西部上空形成强锋区，对应的地面冷锋东移至前期增暖显著的新疆、内蒙古、甘肃、宁夏等地形成了本次大风、强沙尘暴天气。用非静力MM5模式较好地模拟出了此次强沙尘暴天气过程的地面强风系统、高空锋区的发生发展。     

基于旋翼无人机观测的雾天和霾天VOCs垂直分布特征研究

为研究雾和霾天气下VOCs时空变化特征,于2020年11月19 日—2021年1月15日在江苏省东海国家气象观测站进行为期58 d的外场观测试验。利用自主研发的多旋翼无人机捕获2次辐射雾和2次霾天气过程,获得气温、气压、相对湿度、风向、风速、VOCs、O₃等7种要素100多条垂直廓线。结果表明:时间上,霾过程夜间VOCs体积浓度(0.225~0.253 ppm(parts per million, 1 ppm=10^-6))明显高于白天(0.191~0.205 ppm),雾形成前体积浓度(0.121~0.239 ppm)显著高于雾过程(0.056~0.209 ppm)。雾过程中VOCs体积浓度与雾强度变化相反,雾层高度与VOCs体积浓度剧烈变化高度一致,雾层(<200 m)中VOCs体积浓度(0.172~0.178 ppm)明显减小,显著低于雾形成前(0.195~0.240 ppm),雾层以上浓度变化大,雾结束后1 h内保持雾过程中分布特点。雾对逆温层中的水溶性污染物有清除作用,VOCs体积浓度和O₃质量浓度均下降。     

华北地区一次大雾过程的三维变分同化试验

文中采用WRF非静力数值预报模式及其三维变分同化系统(WRF3D-Var),对2006年1月13—14日发生在华北地区及山东半岛的一次大雾过程进行了包括GTS(Global Telecommunication System)资料、AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay)资料和9210资料的不同资料组合的三维变分同化试验,以及时间间隔分别为6、3和1h不同时间频率的循环同化试验,并以同化分析场为初始场进行了36h的模拟试验。对同化分析场和模拟结果进行了分析,分析结果表明,采用三维变分方法同化AMDAR等多种非常规观测资料后,分析场均有明显的改变,对雾区的模拟结果也有局部不同程度的修正。进一步分析起修正作用的原因得知同化资料后对低层的湿度和层结趋稳性有所改善。同化GTS资料对低层的增湿贡献明显,但对层结趋稳性贡献不大;而同化AMDAR资料主要使层结趋稳性明显,对增湿无贡献;9210资料对低层湿度和层结趋稳性均有贡献。不同时间间隔的循环同化试验表明,多时次的循环同化比单时次的同化分析增量要大,逐时循环同化与6和3h循环同化相比,可明显改善模拟效果。     

Formation,Evolution, and Dissipation of Coastal Sea Fog

Evolution of sea fog has been investigated using three-dimensional Mesoscale Model 5 (MM5) simulations. The study focused on widespread fog-cloud layers advected along the California coastal waters during 14–16 April 1999. According to analysis of the simulated trajectories, the intensity of air mass modification during this advection significantly depended on whether there were clouds along the trajectories and whether the modification took place over the land or ocean. The air mass, with its trajectory endpoint in the area where the fog was observed and simulated, gradually cooled despite the gradual increase in sea-surface temperature along the trajectory. Modelling results identified cloud-top cooling as a major determinant of marine-layer cooling and turbulence generation along the trajectories. Scale analysis showed that the radiative cooling term in the thermodynamic equation overpowered surface sensible and latent heat fluxes, and entrainment terms in cases of the transformation of marine clouds along the trajectories. Transformation of air masses along the trajectories without clouds and associated cloud-top cooling led to fog-free conditions at the endpoints of the trajectories over the ocean. The final impact on cloud-fog transition was determined by the interaction of synoptic and boundary-layer processes. Dissipation of sea fog was a consequence of a complex interplay between advection, synoptic evolution, and development of local circulations. Movement of the high-pressure system over land induced weakening of the along-shore advection and synoptic-pressure gradients, and allowed development of offshore flows that facilitated fog dissipation.     

一次大雾天气下PM2.5二次无机粒子的数值模拟

利用多尺度空气质量模式系统（Models-3/CMAQ）对2002年12月1—3日北京及周边地区发生的一次大雾天气进行数值模拟,分析了大雾天气下PM2.5二次无机粒子的演变及其影响。结果表明,白天相对湿度降低,雾滴蒸发脱水后PM2.5二次无机粒子会悬浮在大气中;夜间在水汽凝结成雾滴的过程中,大量的PM2.5二次无机粒子提供了充足的凝结核,促进大雾天气的进一步发展。午后PM2.5二次无机粒子积聚及较高的相对湿度是造成北京及周边地区低能见度的重要原因,并推断该区域很可能是霾天气。     

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。