耦合模式在局地辐射雾三维数值模拟研究中的应用

本文利用中尺度数值模式MM5与三维辐射雾模式相耦合,分别对重庆和长沙地区的一次冬季辐射雾过程进行了模拟研究。结果表明,中尺度数值模式与三维辐射雾模式的单向耦合可以较好地模拟出雾的生消演变过程,以及雾的浓度、地理分布特征、形成和维持。由此可以说,利用耦合模式开展雾的预报是可行的。     

北京地区一次辐射雾的数值模拟

利用非静力中尺度模式MM5V3对2006年11月20日北京地区的一次大雾天气过程进行了数值研究。模拟结果与极轨卫星监测图像以及十二通道微波辐射计观测资料的对比表明,模式对此次雾的模拟是比较成功的,尤其是在雾区的分布位置、雾的高度以及雾的维持时间等方面。针对不同的云物理方案、长波辐射项、短波辐射项以及模式的垂直分辨率进行了4组敏感性实验。结果表明,地面的长波辐射冷却促使辐射雾的形成,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选取更加详细的云微物理方案可以使模式模拟的辐射雾的结果有明显的改善。     

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。     

浅水湖沼—陆面地区平流辐射雾的数值模拟

建立了一个二维时变数值模式,模拟了浅水湖沼—陆面地区平流辐射雾形成、演变和消散的基本过程。结果表明,地面温度迅速下降是成雾前的一个重要特征;浅水湖沼地区充沛的水汽对平流辐射雾的形成极为有利;平流作用可使辐射雾呈爆发性发展;长短波辐射与湍流混合的共同作用是辐射雾生消的主要物理机制;成雾后在雾顶的稍下方有长波辐射冷却率的极大区,最大值为２１×１０－３ｏＣ／ｓ（７６ｏＣ／ｈ）。模拟结果与观测事实基本一致。     

华东地区一次辐射雾的数值模拟分析

利用非静力中尺度模式WRF3.2对2010年11月17日出现在华东的一次辐射雾生消过程进行了数值模拟分析.结果表明:此次大雾是一次典型的辐射雾,稳定的环流形势、近地面层充足的水汽和辐射降温是造成此次大雾的根本原因.WRF模式对此次雾具有很好的模拟能力,模拟雾生消的时间、强度和范围都与实况比较接近,特别是雾中心的模拟,与...     

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。     

辐射雾中振荡现象的数值研究

本文利用一维二阶矩闭合边界层土壤藕合模式模拟了夜间边界层中辐射雾的形成、发展和消亡过程。结果表明:湍流场和辐射场的相互作用对辐射雾的形成和发展有重要的影响。雾中液态水含量以及一些特征参量呈现准周期振荡变化，这种振荡和雾中湍涡的涨落有关。模拟结果和观测基本符合。     

二维平流辐射雾的数值模拟

本文采用二维非定常数值模式,模拟了大气边界层内辐射雾、平流辐射雾和在海陆交界处的平流辐射雾的形成、演变规律。研究了雾发展过程中湍流-辐射作用及风场、水汽平流和海陆风环流对雾发展影响的特点。模拟计算结果得出湍流-辐射作用是雾发展变化的主要物理因子。大气边界层风场及风场环流和水汽的平流输送对在不同地点,时刻雾的发展和强度变化也有重要的影响。     

WRF模式对沪宁高速公路浓雾的模拟与检验研究

统计表明,发生在沪宁高速公路的大雾以辐射雾最多,而以平流雾形成浓雾的可能性最大。利用WRF模式3.0版本优选微物理过程和陆面过程方案,对2006年6月—2009年5月发生在沪宁高速公路能见度低于500 m的大雾,按照成因分为辐射雾和平流雾进行数值模拟,并利用实测资料进行检验,验证WRF模式对大雾的模拟预报能力。结果表明,模式对平流浓雾天气的模拟效果较好,模拟预报准确率较高,但未能模拟出辐射浓雾天气。      

贵阳机场一次辐射大雾的数值模拟研究

利用中尺度数值模式MM5对贵阳机场的一次辐射雾天气过程进行数值模拟研究,并在成功模拟的基础上,进行敏感性试验。结果表明:MM5中尺度非静力模式对此次大雾的生消演变过程具有较好的数值模拟能力;辐射是雾发生的关键因素;模式中大气辐射传输过程及微物理过程的选取对雾的强度及雾区分布有明显影响。     

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.     

最近40年中国雾日数和霾日数的气候变化特征

根据1971～2010年567个中国地面观测站点的雾日数和霾日数资料,分析了我国雾日数和霾日数的空间分布、季节变化以及年代际变化特征,并且利用REOF（旋转经验函数正交）分解对雾日数进行气候区划。结果表明：（1）雾主要分布在东南沿海地区、四川盆地地区、湘黔交界、山东沿海以及云南南部等地区。霾主要集中于华北、河南以及珠三角和长三角地区。（2）在季节变化上：秋、冬季雾和霾的分布大于春夏。（3）雾日数和霾日数年代际变化明显,雾日数在20世纪70至90年代较多,20世纪90年代以后减少;霾日数自2001年以来急剧增长。（4）雾日数可以共可分为10个区,其中华北区、川渝区以及长江中下游区是雾出现频率较高的几个重点区域。     

北京及其周边地区一次大雾的数值模拟及诊断分析

利用美国国家大气研究中心研制的第5代中尺度模式系统MM5对2002年12月1~4日北京及其周边地区出现的一次大雾进行了数值模拟研究,模拟的雾出现和消散时间与实况一致。同时对雾形成和维持的机制进行了分析,讨论了雾发生发展阶段的物理过程,并对影响大雾过程的辐射条件做了敏感性试验。结果表明:形成大雾的主要原因是大气层结稳定,水汽充沛,地面的长波辐射冷却;近地面层微物理过程充分发展和雾顶的强烈辐射降温致使雾在垂直空间上出现爆发性发展;而太阳短波辐射对雾的减弱消散有着重要影响;深厚逆温层的维持对雾层长时间维持起着决定性作用。     

北京一次大雾天气边界层结构特征及生消机理观测与数值模拟研究

在对2007年10月26日北京大雾天气形势及能见度分析的基础上, 利用12通道微波辐射计、风廓线仪及NOAA极轨卫星监测资料与中尺度数值模拟结果, 比较研究了雾的分布区域、温度、湿度、风速及液态水含量的边界层分布特征。利用中尺度模式模拟结果探讨了此次大雾的维持和形成机理, 具体展现了此次大雾是在稳定大气层结、充沛水汽条件下, 地面长波辐射冷却及雾顶的长波辐射冷却降温形成发展的过程, 而太阳的短波辐射对雾的减弱消散有重要影响。     

珠江口附近春季一次海雾的观测分析及三维数值模拟

为了探讨南海春季海雾的成因及数值模式的预报能力,利用边界层观测资料对2006年3月21—22日珠江口附近春季一次海雾的形成和发展过程进行了分析,然后用WRF中尺度模式对该次海雾过程进行了三维数值模拟。观测表明,该次海雾属于北方冷空气南下到达南海,然后减弱消失,南海北部受到偏南暖湿气流影响后迅速增暖,冷海面与近海面的暖湿空气相互作用而形成的一次平流冷却雾。模拟结果显示,模式模拟的这次海雾形成时间和发展演变过程与观测非常相近,模拟的海雾空间变化、边界层大气层结变化、地面感热通量变化以及海雾形成原因与观测事实均比较吻合,数值模式对这次海雾过程表现出了较高的模拟能力。这次海雾的形成和发展主要与冷的下垫面、暖湿空气的影响和近地面稳定的大气层结有关。     

中国东部不同区域城市群下垫面变化气候效应的模拟研究

本文利用法国动力气象实验室发展的大气环流模式(LMDZ)对珠江三角洲(简称珠三角)、长江三角洲(简称长三角)和北京市、天津市、河北省区域(简称京津冀)城市群下垫面变化的东亚气候进行模拟试验, 以探讨不同区域城市群下垫面变化带来的夏季气候效应及其可能机制, 结果表明:珠三角、长三角和京津冀城市群下垫面类型改变后, 地表潜热蒸发显著减少, 为了平衡地面能量收支, 地面温度升高, 进而感热通量、地表有效长波辐射增强, 地表通过升温对能量进行再分配和再平衡, 且下垫面改变引起的温度、地表能量变化基本集中于城市群下垫面变化区域, 温度响应具有显著的局地性;对比不同区域城市化温度响应的强弱, 发现各区域地表气温变化和能量变化存在较好的对应关系, 长三角、珠三角城市群的总能量变化远高于京津冀城市群, 其局地增温也是京津冀城市群的一倍以上;局地温度增加, 虽有利于低层形成热低压, 出现明显上升运动, 但蒸发减弱使局地水汽明显减少, 最终导致降水减少, 表明水汽条件改变是降水减少的主要因素。同时由于中国东部高层呈现南正北负的异常变化, 西太平洋副高加强西伸, 使降水减少区域并没有集中在局地, 特别是东部城市带试验中, 出现了东部地区大范围的降水偏少。     

中国主要城市群在灰霾污染下的近地面风场特征

利用2015—2016年全国PM_(2.5)质量浓度站点资料及CCMP(Cross Calibrated Multi-Platform)风场再分析资料,对中国华北、长三角、珠三角以及四川盆地主要城市在PM_(2.5)污染下的近地面风场及其影响进行统计分析。结果表明:(1)近地面风速与PM_(2.5)质量浓度表现为负相关,低风速有利于PM_(2.5)的积累,但是该相关关系并不完全显著,体现出"冬强夏弱"的季节性差异;(2)不同地区PM_(2.5)质量浓度对不同风向的反应不同,华北地区在偏南风主导下PM_(2.5)质量浓度较高,长三角则是在偏西风主导下PM_(2.5)质量浓度较高,而珠三角地区冬季PM_(2.5)质量浓度较高,主导风向为偏北风;(3)通过分析地面散度场发现不同地区主导的污染类型不同,华北地区、长三角以及珠三角污染类型主要为区域性污染,四川盆地主要为局地型污染。     

基于卫星探测资料的珠江三角洲城市群对降水影响的观测研究

利用卫星观测TRMM降水以及QuikSCAT风场资料, 对珠江三角洲地区及临近区域降水的分布特征进行了探讨, 结果表明: (1) 同一纬度相比, 珠江三角洲城市群所处的区域降水明显多于其周边地区, 表明了城市化可能会使所处区域的降水增加; (2) 珠江三角洲城市群所处区域降水的增加存在明显的季节变化特征, 在前汛期城市所处区域的降水增多较其它季节明显; (3) 珠江三角洲城市化对降水的影响与风场的分布密切关联, 降水增多的区域通常位于城市群所在之处及其下风方向的邻近地区; (4) 珠江三角洲城市化使城市群所处区域的降水时次减少, 而降水强度则加强; (5) 珠江三角洲城市群的天气、 气候效应只对对流性降水产生影响, 而层状降水的分布则与城市群的位置没有明显关联。     

NUMERICAL PREDICTION EXPERIMENT OF AN ADVECTION FOG IN NANLING MOUNTAIN AREA*

Now more comprehensive cloud microphysical processes have been included in advanced three-dimensional mesoscale meteorological model such as PSU/NCAR MM5 model,so the model can be used in the prediction of fog.In this paper,MM5 was utilized to simulate an advection fog occurring in Nanling Mountain area.The simulated results were compared with the facts obtained by detailed observation experiment.The results showed that the simulation was successful in the following aspects:(1)the formation and development of the fog;(2)the temporal variation of the maximum liquid water content;(3)the diffusion of the cold air,especially the temporal variation of the ground temperature;and (4)the uplift of the air and the formation and development of the low-lever inversion.Besides,we did some sensitivity numerical experiments and discussed the effects of the radiation,the release of condensation latent heat and the change of soil moisture and temperature on the formation and development of fog.The success of numerical simulation experiment of fog has proved that the numerical forecasting of fog is promising.     

珠三角关键大气挥发性有机物的模拟精度评估

大气挥发性有机物（VOCs）是导致臭氧污染的关键前体物,是城市空气质量建模不可或缺的重要组成部分,但由于其非常复杂的构成和来源以及监测数据缺乏,目前对其模拟精度的了解仍非常有限。本文利用嵌套网格空气质量模式预报系统（NAQPMS）对珠江三角洲（简称珠三角）地区2017年9月21日至11月20日的VOCs开展了模拟试验,并利用光化学监测网8个地面站点的VOCs浓度监测数据,对模式模拟的关键VOCs组分进行了精度评估。结果发现,模式对强活性的甲苯、乙烯和二甲苯具有较高的模拟精度,模拟浓度偏差百分比为0.4%～26.6%,模拟能较好再现其日均浓度变化趋势和日变化的双峰特征。但是模式对化学反应活性强且与植物排放密切相关的异戊二烯具有很大的模拟偏差,偏差比近100%,无法再现其白天浓度高、夜间浓度低的观测日变化特征。通过分析发现,现有模拟系统主要考虑人为污染物排放而未考虑生物源排放,可能是导致这一模拟偏差的关键原因。同时,评估结果也表明模式在VOCs空间分布模拟上仍面临很大的不确定性。本文结果揭示了珠三角VOCs模拟面临的关键不确定性,表明融合VOCs观测数据来揭示并减小VOCs模拟的不确定性具有非常迫切的需求。