張 華，王 晶，何貴成

（華北電力大學(xué) 可再生能源學(xué)院，北京 102206）

1 研究背景

霧是水汽凝結(jié)成細(xì)微的水滴懸浮于近地面層空氣中，使水平能見度下降的天氣現(xiàn)象。霧是中國東部冬季常見的災(zāi)害性天氣之一。早期霧的數(shù)值模擬主要是研究輻射霧的成因和維持機(jī)制。具有代表性的是Fisher and Caplan［1］建立一維霧模式，闡述了建立霧預(yù)報(bào)模式的可行性。Roach and Brown［2］應(yīng)用二維模式研究了輻射霧，發(fā)現(xiàn)重力沉降對(duì)霧水含量有重要影響。國內(nèi)對(duì)霧的數(shù)值模擬研究始于20世紀(jì)80年代，黃培強(qiáng)等［3］首先對(duì)我國輻射霧進(jìn)行數(shù)值模擬研究。20世紀(jì)90年代后，人們開始利用中尺度數(shù)值模式進(jìn)行數(shù)值模擬。樊琦等［4］對(duì)珠江三角洲地區(qū)的一次輻射霧進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，李元平等［5］對(duì)北京地區(qū)的一次冬季平流霧過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

Westcott［6］發(fā)現(xiàn)在美國中西部，霧發(fā)生時(shí)常出現(xiàn)降水。Tardif and Rasmussen［7］定義在霧形成前的幾個(gè)小時(shí)及霧維持過程中，只要出現(xiàn)降水就稱為雨霧。過去關(guān)于輻射霧、平流霧等研究較多，對(duì)弱降水及能見度偏高的雨霧過程研究卻較少，應(yīng)用WRF數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式進(jìn)行雨霧的數(shù)值模擬存在一定的挑戰(zhàn)。本文以2007年12月06日溧水河烏剎橋段的一次典型雨霧為例，應(yīng)用WRF數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式進(jìn)行數(shù)值模擬，得到海平面氣壓場、風(fēng)場、液態(tài)水含量、相對(duì)濕度等模擬數(shù)據(jù)，結(jié)合來自Weather Underground（https：//www.wunderground.com/）的氣象觀測數(shù)據(jù)，初步分析此次雨霧過程的形成、維持和消散機(jī)制。

目前國內(nèi)外對(duì)雨霧過程的模擬研究較少，本文對(duì)雨霧過程的生消機(jī)制和發(fā)展過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究成果能夠?yàn)橛觎F的預(yù)報(bào)提供參考，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值；還有，雨霧和泄洪霧化在其水霧產(chǎn)生機(jī)制上，有著一定的相似性，雨霧特性的研究能夠?yàn)樗娬拘购殪F化的相關(guān)研究提供參考。

2 模擬方案

本文使用WRF數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式進(jìn)行數(shù)值模擬，采用雙向反饋的四重嵌套模式，四重網(wǎng)格水平格距分別為27、9、3、1 km，格點(diǎn)數(shù)分別為100×100、88×88、76×76、64×64，模擬中心點(diǎn)設(shè)在（31.734°N，118.872°E），模擬區(qū)域及最內(nèi)層嵌套范圍的地形高度如圖1所示。

圖1 模擬區(qū)域及最內(nèi)層嵌套范圍的地形高度（五角星處為烏剎橋位置）

Miao［8-9］等在模擬近地面層情況時(shí)，在垂直方向?qū)Φ蛯蛹用?，模擬效果較好。為了更好地模擬出此次霧的過程，垂直方向按照σ位面分為不等距36層，低層采用加密，如圖2所示。模式計(jì)算所用初始資料為NCEP FNL1°×1°再分析資料，每隔六小時(shí)一次的氣象再分析資料。模擬時(shí)間為北京時(shí)間2007年12月05日20∶00至06日20∶00。積分時(shí)間步長為60s。模式物理方案設(shè)置情況，如表1所示。

圖2 垂直方向σ位面不等距分層示意圖

表1 模式物理方案設(shè)置

3 模擬結(jié)果分析

3.1 海平面氣壓場模擬的2007年12月06日05∶00、06∶00、08∶00、10∶00四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溧水河烏剎橋段的第二層嵌套范圍的海平面氣壓場分布情況，如圖3所示。

2007年12月06日05∶00-06∶00時(shí)，溧水河烏剎橋段西北部為高壓，溧水河烏剎橋段位于南部低壓的低壓槽處，有利于水汽聚集，水汽易達(dá)到飽和。2007年12月06日07∶00-10∶00，溧水河烏剎橋段處于鞍型氣壓區(qū)附近，為均壓場，有利于水汽的維持。

3.2 風(fēng)場模擬的2007年12月06日05∶00、06∶00、08∶00、10∶00四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溧水河烏剎橋段的第二層嵌套范圍的10 m高度風(fēng)場分布情況，如圖4所示。

2007年12月06日05∶00-06∶00時(shí)，溧水河烏剎橋段主要是西北風(fēng)向，風(fēng)速較小，風(fēng)級(jí)小于3級(jí)。2007年12月06日07∶00-10∶00時(shí)，溧水河烏剎橋段依然主要是西北風(fēng)向，風(fēng)速增大，風(fēng)級(jí)為3級(jí)微風(fēng)。

圖3 2007年12月06日四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溧水河烏剎橋段的第二層嵌套范圍的海平面氣壓場（五角星處為烏剎橋位置）（單位：hPa）

2007年12月06日05∶00-13∶00的溧水河烏剎橋位置10 m風(fēng)速模擬值與觀測值對(duì)比，如圖5所示。

模擬的風(fēng)速變化趨勢比較符合風(fēng)速實(shí)際觀測的變化趨勢。對(duì)于風(fēng)速模擬值來說，05∶00-06∶00風(fēng)速模擬值小于3 m/s，07∶00-09∶00的風(fēng)速模擬值有所增大，為3-4 m/s。

風(fēng)速模擬效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)選用均方根誤差RMSE，公式如下：

式中：n為樣本個(gè)數(shù)；VMi、Vpi分別為i時(shí)刻的模擬值和實(shí)測值。

10 m風(fēng)速模擬值的均方根誤差為1.405 m/s。風(fēng)速模擬效果較好。

3.3 液態(tài)水含量模擬的2007年12月06日05∶00-10∶00的包括溧水河烏剎橋段的第二層嵌套范圍的地面液態(tài)水含量（LWC）分布情況，如圖6所示。

由圖6模擬結(jié)果可知，2007年12月06日05∶00溧水河烏剎橋段的地面液態(tài)水含量小于0.001 g/kg，從06∶00開始，至09∶00，溧水河烏剎橋段的地面液態(tài)水含量均大于或等于0.015 g/kg，10∶00之后溧水河烏剎橋段的地面液態(tài)水含量小于0.001 g/kg。

圖4 2007年12月06日四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的包含溧水河烏剎橋段的第二層嵌套范圍的10m高度風(fēng)場（五角星處為烏剎橋位置）

圖5 2007年12月06日05∶00-13∶00的溧水河烏剎橋位置10m風(fēng)速模擬值與觀測值對(duì)比

研究發(fā)現(xiàn)，液態(tài)水含量大小與霧的存在與否具有相關(guān)性［10］。根據(jù)判斷條件：地面液態(tài)水含量大于或等于0.015g/kg，則判定有霧存在［11］。結(jié)合模擬的溧水河烏剎橋段地面液態(tài)水含量，得出溧水河烏剎橋段在2007年12月06日06∶00左右開始起霧，07∶00-09∶00一直處于有霧狀態(tài)，至10∶00左右霧散。

綜合溧水河烏剎橋段地形高度（圖1）、海平面氣壓場（圖3）、風(fēng)場（圖4-5）和地面液態(tài)水含量（圖6）的模擬情況進(jìn)行分析，將2007年12月06日05∶00-10∶00分為兩個(gè)時(shí)間段，05∶00-06∶00為起霧階段，07∶00-10∶00為霧維持及霧消散階段。

圖6 2007年12月06日05∶00-10∶00的溧水河烏剎橋段的第二層嵌套范圍的地面液態(tài)水含量（五角星為烏剎橋位置）（單位：g/kg）

05∶00-06∶00起霧階段，一方面，溧水河烏剎橋段地形高度比周圍低，位置處于低壓槽，有利于水汽聚集，水汽易達(dá)到飽和，有利于雨霧天氣形成；另一方面，風(fēng)速較小的西北風(fēng)有利于溧水河烏剎橋段西部與北部高壓區(qū)的雨霧向溧水河烏剎橋段緩慢擴(kuò)散。

07∶00-10∶00霧維持及霧消散階段，溧水河烏剎橋段地形高度比周圍低，不利于霧的擴(kuò)散；溧水河烏剎橋段處于鞍型氣壓區(qū)附近，為均壓場，有利于霧天氣維持；隨著西北風(fēng)風(fēng)速逐漸增大，溧水河烏剎橋段雨霧逐步向溧水河烏剎橋段東南部高坡移動(dòng)。至10∶00左右，溧水河烏剎橋段的雨霧消散。

3.4 相對(duì)濕度及能見度2007年12月06日06∶00-11∶00的溧水河烏剎橋位置相對(duì)濕度、能見度情況如表2所示。

表2 溧水河烏剎橋位置相對(duì)濕度模擬值與觀測值和能見度計(jì)算值與觀測值對(duì)比

對(duì)于相對(duì)濕度，2007年12月06日06∶00左右起霧，之后溧水河烏剎橋位置相對(duì)濕度逐漸增大。07∶00-09∶00霧維持階段，溧水河烏剎橋位置相對(duì)濕度保持在較高水平，維持在85%以上。10∶00之后，霧消散階段，溧水河烏剎橋位置相對(duì)濕度逐漸下降。相對(duì)濕度模擬值與觀測值絕對(duì)誤差在1.3%-6.2%之間，相對(duì)濕度的均方根誤差為3.67%，模擬效果較好。

本研究引用以相對(duì)濕度為主的能見度經(jīng)驗(yàn)公式來反映輕霧的能見度，經(jīng)驗(yàn)公式［12］如下：

式中：Vm為能見度，單位為km；R為相對(duì)濕度，20%≤R≤100%。

06∶00左右起霧，此時(shí)能見度絕對(duì)誤差為1.09 km。

07∶00-09∶00霧維持階段，能見度觀測值和計(jì)算值均維持在2 km以下，而且能見度絕對(duì)誤差均小于0.5 km，估算的能見度與實(shí)測的差值范圍在1 km以內(nèi)［12］，說明能見度的模擬較好。

10∶00左右霧開始消散，能見度開始大于2 km，能見度誤差絕對(duì)值在0.77 km以內(nèi)，能見度模擬效果較好。

2007年12月06日07∶00—11∶00溧水河烏剎橋位置的能見度計(jì)算值和觀測值，如圖7所示。

2007年12月06日07∶00—11∶00溧水河烏剎橋位置的能見度計(jì)算值曲線和觀測值曲線的變化趨勢一致。能見度計(jì)算值的均方根誤差為0.48 km，小于1 km，預(yù)測效果較好。

圖7 2007年12月06日07∶00—11∶00溧水河烏剎橋位置的能見度計(jì)算值和觀測值

總體來看，以相對(duì)濕度為主的能見度經(jīng)驗(yàn)公式來反映輕霧的能見度，模擬效果較好，在霧維持階段和霧消散階段，估算的能見度與實(shí)測的能見度絕對(duì)誤差均在1 km以內(nèi)，能夠表征雨霧過程中能見度的大小情況和變化趨勢。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用WRF數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式對(duì)2007年12月06日發(fā)生在溧水河烏剎橋段的一次典型雨霧過程進(jìn)行了精細(xì)化的數(shù)值模擬，將得到的模擬結(jié)果結(jié)合氣象觀測數(shù)據(jù)，初步分析了本次雨霧過程的形成、維持和消散機(jī)制。主要結(jié)論如下：

（1）本次溧水河烏剎橋段雨霧過程大致可分為三個(gè)階段：起霧階段，溧水河烏剎橋段位于低壓槽，有利于水汽聚集，水汽易達(dá)到飽和，且溧水河烏剎橋段地形高度比周圍低，有利于雨霧天氣形成。雨霧維持階段，溧水河烏剎橋段位于均壓區(qū)，相對(duì)濕度大，微風(fēng)，有利于雨霧天氣維持。雨霧消散階段，風(fēng)速增大，相對(duì)濕度減小，有利于雨霧消散。

（2）液態(tài)水含量LWC高值區(qū)與能見度低值區(qū)有較好的匹配，液態(tài)水含量指標(biāo)可以較好地表征雨霧范圍，顯示雨霧的運(yùn)動(dòng)方向。

（3）伴隨弱降水的雨霧過程能見度偏高。應(yīng)用以相對(duì)濕度為主的能見度經(jīng)驗(yàn)公式來反映輕霧的能見度，模擬效果較好。在霧維持階段和霧消散階段，估算的能見度與實(shí)測的能見度絕對(duì)誤差均在1 km以內(nèi)，能夠表征雨霧過程中能見度的大小情況和變化趨勢。