姜昊宇,高山紅

(1.中國海洋大學海洋與大氣學院,山東 青島 266100; 2.中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室,山東 青島 266100)

引言

霧是近地或海面空氣達到飽和時,水汽凝結(jié)成水滴或冰晶,使大氣水平能見度(簡稱“能見度”)低于1 km的一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象[1]。霧造成的低能見度給水陸交通運輸、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了嚴重危害[2-3],因此對霧演變機制研究與數(shù)值預(yù)報的需求日益迫切。根據(jù)直接影響霧形成的下墊面物理屬性的差異,霧可以簡單分為陸霧與海霧兩大類,它們的代表性類型分別為輻射霧與平流冷卻霧[4]。

數(shù)值模擬是研究霧演變機制的重要手段[5-8],用于模擬的中尺度大氣數(shù)值模式主要有MM5(The Fifth Generation Penn State/NCAR Mesoscale Model)[9],WRF(Weather Research and Forecasting)[10],RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)[11],以及GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)[12]等。其中,WRF模式的應(yīng)用最為廣泛。在WRF模式的眾多方案中,對霧的模擬而言,大氣邊界層方案、云微物理方案與陸面方案尤其重要。很多研究者已經(jīng)對前兩個方案進行了較為詳細的對比分析[13-15],然而對陸面方案的研究工作相對較少。在WRF模擬中,陸面方案承擔著描述陸面物理過程的任務(wù),如定量刻畫大氣邊界層下墊面動量、熱量與水汽的收支平衡[16]。研究者在采用WRF模式研究陸霧與海霧時,針對陸面方案的選擇存在明顯不同的兩種傾向(表1)。

表1 已有陸/海霧模擬研究中陸面方案的選擇

由表1可以看到,模擬陸霧時傾向于選擇物理過程簡單的SLAB陸面方案,而模擬海霧時則是物理過程完善的Noah陸面方案。譬如,研究者在針對江蘇大霧天氣過程數(shù)值模擬研究中,都選擇了SLAB陸面方案[17-18],而研究華南近海海霧與黃海海霧時,則選擇了Noah陸面方案[6,22]。根據(jù)表1中所列舉文獻,我們了解到:針對陸霧過程的WRF模擬,研究者已經(jīng)初步指出采用SLAB方案給出的模擬結(jié)果要優(yōu)于其他陸面方案(如Noah方案),但這只是基于模擬效果的簡單對比分析[26-27],陸面方案的作用機理基本上沒有涉及;針對海霧過程的WRF模擬,幾乎沒有見到不同陸面方案優(yōu)劣比較的研究。

渤海和黃海是我國近海中海霧最為頻發(fā)的海域之一[3-5],華北地區(qū)與華東地區(qū)是大范圍陸霧的高發(fā)區(qū)[2]。有時大范圍霧區(qū)會同時覆蓋陸地與海域,有時陸霧會移動到海面,而海霧經(jīng)常會在近海發(fā)生且越過海岸線入侵陸地。在這樣的情形下,運用WRF模式進行霧的數(shù)值模擬時,陸面方案應(yīng)選擇SLAB方案與Noah方案中的哪一種?因此,為了探究陸面方案對陸/海霧的模擬效果,本文以2次典型霧過程(陸霧與海霧各1例)為研究對象,擬通過詳細的數(shù)值模擬試驗進行對比分析,嘗試揭示SLAB與Noah陸面方案對陸霧與海霧的影響機理及其差異。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 觀測、再分析與下墊面數(shù)據(jù)

觀測數(shù)據(jù)為常規(guī)地面標準站觀測以及船舶、島嶼氣象觀測數(shù)據(jù)(網(wǎng)址:https://rda.ucar.edu/datasets/ds337.0),不僅用于檢驗不同陸面方案的模擬結(jié)果,揭示不同陸面方案模擬所給出的近地面溫濕特性,而且為數(shù)值試驗中的數(shù)據(jù)同化服務(wù)。

利用韓國氣象局(Korea Meteorological Administration,KMA)所提供的天氣圖(網(wǎng)址:http://web.kma.go.kr/eng/index.jsp),對陸霧與海霧生成發(fā)展階段的氣壓場進行分析,確定影響陸霧與海霧生成的重要天氣系統(tǒng)。利用歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)ERA5的風場再分析數(shù)據(jù)(分辨率0.25°×0.25°,1 h間隔;網(wǎng)址:https://rda.ucar.edu/datasets/ds633.0),檢驗近地層風場的模擬效果。

使用FNL(Final Analysis Data of Global Forecast System)1°×1°再分析數(shù)據(jù)(網(wǎng)址:http://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2)為WRF數(shù)值模擬提供背景場,采用NEAR-GOOS(North-East Asian Regional Global Ocean Observing System)日平均海面溫度(sea surface temperature,SST)數(shù)據(jù)提供海洋下墊面信息。

陸面方案所需的陸地下墊面信息由MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)靜態(tài)21類冠層數(shù)據(jù)與19類土壤數(shù)據(jù)提供。

1.2 觀測霧區(qū)的反演與模擬霧區(qū)的診斷

日本高知大學提供的MTSAT(Multi-functional Transport Satellite)靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)(網(wǎng)址:http://weather.is.kochi-u.ac.jp/sat/GAME/),包括紅外雙通道(紅外短波4通道與紅外長波1通道)數(shù)據(jù)與可見光數(shù)據(jù)。基于這些數(shù)據(jù),借助WANG et al.[28]給出的霧信息反演流程與相應(yīng)的計算程序,來獲取觀測霧區(qū),已有研究[6,29-30]表明該方法是有效的。

模擬霧區(qū)的診斷方法,采用WRF模擬結(jié)果中液態(tài)含水量(liquid water content,LWC)≥0.016 g·kg-1的區(qū)域[28,31],該數(shù)值根據(jù)能見度(visibility)≤1 km換算得到[32-33],同時模仿衛(wèi)星鳥瞰的方式,將霧頂高度定義為自上而下找到LWC≥0.016 g·kg-1所在位置[28],但不高于400 m[31]。

2 觀測分析

2.1 陸霧與海霧個例

2.1.1 個例選取

在可見光衛(wèi)星云圖上,霧表現(xiàn)為光滑均勻的云區(qū),色調(diào)為白到灰白,邊界整齊清楚[34]。其中,黃海海霧特征明顯,呈暗淡柔和的乳白色,表面紋理均勻,與海岸線吻合,海上邊界較光滑,位置固定,形狀少變[35]。通過這些特征,挑選2009年12月發(fā)生于華北至華東地區(qū)的一次陸霧過程(圖1a—d;簡記為Case_L)與2011年5月一次黃海海霧過程(圖1e—h;簡記為Case_S)。由圖1(圖中時間為北京時,UTC+08;下同)可見,這兩次大霧過程的霧區(qū)清晰可見且發(fā)生范圍較大,適合用作研究對象。

2.1.2 觀測事實

陸霧Case_L于2009年11月30日20 時開始在華北地區(qū)小范圍生成并在夜間發(fā)展擴張,在上午至中午期間,霧區(qū)已經(jīng)覆蓋華北與華東大部分區(qū)域(圖1a/b),山東、江蘇和河北等地皆監(jiān)測到強濃霧天氣;1日下午霧區(qū)保持穩(wěn)定(圖1c/d);1日夜間開始萎縮(圖2a/b;圖中霧區(qū)由1.2節(jié)中的觀測霧區(qū)的反演方法得到,下同)。海霧Case_S于2011年5月17日08時生成于黃海,至10時,已呈片狀占據(jù)黃海大部分區(qū)域(圖1e);12—14時,海霧東南部發(fā)展旺盛(圖1f/g),此后海霧逐漸變稀薄(圖1h);入夜后,海霧逐漸由西向東萎縮(圖2c/d)。

圖1 兩個研究個例(陸霧Case_L和海霧Case_S)的MTSAT可見光衛(wèi)星云圖(a/b/c/d. 陸霧Case_L，e/f/g/h. 海霧Case_S)Fig.1 MTSAT visible cloud imageries of land fog Case_L (a/b/c/d) and sea fog Case_S (e/f/g/h)

圖2 MTSAT衛(wèi)星觀測到的陸霧Case_L(a/b)與海霧Case_S(c/d)霧區(qū)與所選地面站點(e)處的相對濕度變化的時間序列(f；單位：%)Fig.2 MTSAT observed fog patches of land fog Case_L (a/b) and sea fog Case_S (c/d) and time series of relative humidity (f; units: %) observed at the selected surface station (e)

值得注意的是,衛(wèi)星觀測顯示入夜后渤海北部出現(xiàn)了一片新霧區(qū)(圖2d黑圈所示)。由于該霧區(qū)為反演結(jié)果,因此需要進一步確認該霧區(qū)是否真實存在。選取渤海北部反演霧區(qū)近岸處4個由南到北的地面站點觀測以及2個離岸較遠的地面站觀測(觀測點位置見圖2e),進行相對濕度的比較。發(fā)現(xiàn)入夜后,近岸(圖2e藍色站點)相對濕度持續(xù)上升并達到80%左右(圖2f藍色線),且整體高于離岸站點(圖2e紅色站點)的相對濕度(圖2f紅色線)。這說明入夜后渤海北部濕度狀態(tài)有利于成霧,圖2e中的反演霧區(qū)存在的可能性很高。

2.2 天氣形勢

霧的發(fā)生及演變與低層天氣系統(tǒng)、大氣低層層結(jié)特征有著密切的關(guān)聯(lián)。韓國天氣圖(圖3a/b)顯示,陸霧Case_L中持續(xù)處于地面高壓的控制下,此后隨著高壓系統(tǒng)的緩慢東移,霧區(qū)開始發(fā)展直至消散,整體氣壓場比較穩(wěn)定。

海霧Case_S位于西北部蒙古低壓與南部東海高壓之間,形成時受高壓的穩(wěn)定環(huán)流形勢影響,同時渤海北部處于蒙古低壓形成的大槽前部。入夜后,南部高壓東移入海,霧區(qū)內(nèi)部盛行偏西風并逐漸萎縮;而在北部蒙古低壓南部的大槽中形成一個新的低壓,該低壓系統(tǒng)進一步加大了槽的深度(圖3c/d)。在此期間,渤海北部始終處于槽前位置,并持續(xù)處于偏南風風場下,這種風場會持續(xù)輸送南方的偏濕空氣,有利于入夜后渤海北部近海海霧的生成。

圖3 陸霧Case_L(a/b)與海霧Case_S(c/d)生成與發(fā)展階段地面天氣實況(a. 2009年12月1日08時,b. 2009年12月1日20時,c. 2011年5月17日08時,d. 2011年5月17日20時)Fig.3 Surface synoptic situation in generation and development phases of land fog Case_L (a/b) and sea fog Case_S (c/d) (a. 08:00 BST 1 December 2009, b. 20:00 BST 1 December 2009, c. 08:00 BST 17 May 2011, d. 20:00 BST 17 May 2011)

3 數(shù)值試驗與結(jié)果驗證

3.1 數(shù)值模擬設(shè)置

使用WRF模式(3.9.1.1版本)進行數(shù)值模擬?；谌S變分(three-dimensional variational，3DVAR)數(shù)據(jù)同化方法，采用高山紅等[36-37]設(shè)計的循環(huán)3DVAR流程對觀測數(shù)據(jù)進行同化。該同化方法是利用前一次3DVAR的結(jié)果為WRF模式提供初始場, 然后WRF模式積分到下一同化時刻接著進行后一次3DVAR, 如此重復；其優(yōu)勢在于擴充同化時段，進而同化更多的觀測數(shù)據(jù)，因此可以提供高質(zhì)量的初始場。如圖4所示，模擬區(qū)域采用雙向兩重嵌套(D1_L與D2_L為陸霧Case_L的模擬區(qū)域，而D1_S與D2_S則為海霧Case_S的模擬區(qū)域)。模式具體設(shè)置詳見表2，內(nèi)區(qū)(圖4中D2_L與D2_S區(qū)域)的模擬輸出為結(jié)果分析對象。

表2 WRF模式設(shè)置

圖4 陸霧Case_L(實線框)與海霧Case_S(虛線框)的WRF模式區(qū)域設(shè)置Fig.4 Domain settings of the WRF simulations for land fog Case_L (box in solid line) and sea fog Case_S (box in dashed line)

3.2 數(shù)值試驗設(shè)計

SLAB方案只刻畫了土壤的熱力過程,沒有考慮土壤類型以及土壤的水文過程,是一種物理過程簡單的陸面方案;而Noah方案則考慮了不同土壤類型以及冠層、雪蓋等地表類型的熱力與水文過程,是一種物理過程完善的陸面方案(表3)?；谶@些不同,兩種方案對下墊面相關(guān)物理量的模擬結(jié)果必然存在差異,這種差異會通過下墊面與近地面大氣之間的熱量與水汽的交換,對霧的形成與發(fā)展產(chǎn)生不同的影響。為了探究這種影響,設(shè)計了4個數(shù)值試驗(表4),對比分析SLAB與Noah陸面方案對陸霧(Exp-L1,Exp-L2)與海霧(Exp-S1,Exp-S2)的模擬效果。

表3 SLAB方案與Noah方案之間的具體差異

表4 數(shù)值試驗設(shè)計

3.3 結(jié)果檢驗

3.3.1 模擬霧區(qū)

利用1.2節(jié)中的診斷方法,得到了數(shù)值試驗的模擬霧區(qū)。圖5與圖6分別展示了Exp-L1與Exp-L2,Exp-S1與Exp-S2模擬霧區(qū)的對比結(jié)果,將模擬霧區(qū)與陸/海霧觀測事實相比較可知:對于陸霧Case_L,SLAB方案在生成發(fā)展階段模擬出了大范圍的陸霧,與觀測霧區(qū)較為一致(比較圖5a—c與圖1a—c),但消散偏慢,出現(xiàn)了虛假霧區(qū)(比較圖5d與圖2a);Noah方案幾乎沒有模擬出任何霧區(qū)(比較圖5e—h與圖1a—d)。對于海霧Case_S,在白天,SLAB方案相比于Noah方案模擬的霧區(qū)范圍偏小且霧區(qū)未連成一片(比較圖6a/b與圖6e/f);在夜晚,它們模擬的黃海霧區(qū)差異較小(比較圖6a—d與圖6e—h),但只有SLAB方案模擬出了與反演相近的渤海北部近海霧區(qū)(比較圖6c/d與圖2c/d),而Noah方案則未模擬出此塊海霧(比較圖6g/h與圖2c/d)。

總體而言,對遠離海岸的開闊海域海霧的模擬,SLAB與Noah兩種方案表現(xiàn)相差不大;而對陸霧與近海霧區(qū)的模擬,SLAB方案的表現(xiàn)明顯優(yōu)于Noah方案。

圖5 Exp-L1(上排，a/b/c/d)和Exp-L2(下排，e/f/g/h)模擬的霧區(qū)(藍線區(qū)域為霧區(qū)；填充色表示厚度，單位：m)Fig.5 Simulated fog area (blue line for fog boundary; colored area for fog thickness, units: m) of Exp-L1 (the first row, a/b/c/d) and Exp-L2 (the second row, e/f/g/h)

圖6 Exp-S1(上排，a/b/c/d/e)和Exp-S2(下排，f/g/h/i/j)模擬的霧區(qū)(藍線區(qū)域為霧區(qū)；填充色表示厚度，單位：m)Fig.6 Simulated fog area (blue line for fog boundary; colored area for fog thickness, units: m) of Exp-S1 (the first row, a/b/c/d/e) and Exp-S2 (the second row, f/g/h/i/j)

3.3.2 地面氣溫與濕度

下墊面的溫度與濕度分布狀態(tài)會直接影響霧的生成與發(fā)展,特別是陸地輻射霧過程[45]。在陸霧Case_L與海霧Case_S中,各選取霧區(qū)外部且無云覆蓋地區(qū)(圖略)的2個地面站點(分別見圖5與圖6中的標記A、B、C與D),來觀察模擬結(jié)果中地面氣溫、濕度與觀測之間的偏差。之所以不選擇霧中以及云覆蓋區(qū)域的站點進行對比,是因為不同數(shù)值試驗給出的模擬霧區(qū)明顯不同,而霧的存在會強烈影響到達地面的太陽短波輻射,這會使得站點處的溫度與濕度差別存在顯著的差異。

圖7 不同數(shù)值試驗在給定站點處地面氣溫(上排，a/b/c/d；單位：℃)、地面濕度(中排，e/f/g/h；單位：g·kg-1)與相對濕度(下排，i/j/k/l；單位：%)時間序列Fig.7 Time series of surface air temperature (the first row, a/b/c/d; units: ℃), surface humidity (the second row, e/f/g/h; units: g·kg-1), and relative humidity (the third row, i/j/k/l; units: %) at given stations in different numerical experiments

4 SLAB與Noah方案的比較分析

模擬霧區(qū)的結(jié)果直觀顯示:對于陸地霧的模擬,SLAB與Noah方案表現(xiàn)截然相反(圖5),前者較為成功,而后者卻失敗了;對于海霧個例,兩種陸面方案的差別主要體現(xiàn)在近海霧區(qū)的模擬(圖6)。地面站點觀測表明,無論陸霧還是海霧,兩種陸面方案模擬給出的地面氣溫與濕度存在明顯差異(圖7)。下面將針對陸霧Case_L與海霧Case_S,進行細致的比較,分析兩者之間差異的產(chǎn)生原因。

4.1 陸霧中地面氣溫與濕度對霧生成的影響

4.1.1 地面氣溫與垂直熱通量的對比

圖8 Exp-L2與Exp-L1模擬的地表溫度(上排，a/b/c/d；填色，單位：℃)、地面垂直感熱熱通量(中排，e/f/g/h；填色，單位：W·m-2)、地面氣溫(下排，i/j/k/l；填色，單位：℃)之差(粗實線界定了Exp-L1的模擬霧區(qū))Fig.8 Difference of simulated ground temperature (the first row, a/b/c/d; colored, units: ℃), surface vertical sensible heat flux (the second row, e/f/g/h; colored, units: W·m-2), and surface air temperature (the third row, i/j/k/l; colored, units: ℃) between Exp-L2 and Exp-L1 (thick solid line denotes simulated fog area in Exp-L1)

陸面方案中熱量與水汽收支平衡強烈影響地表的溫度與濕度。地表作為陸面方案的頂層,同時也是大氣邊界層的底層,來自它的熱量與水汽是導致大氣邊界層變化的源。在對土壤熱力過程的處理中,SLAB方案與Noah方案對地表溫度的診斷方式存在不同:在對密切影響地表溫度的系數(shù)——土壤熱含量與熱力擴散系數(shù)的診斷中,SLAB方案以經(jīng)驗常數(shù)直接替代,而Noah方案則以土壤含水量為依據(jù)進行計算,因此必然導致地表溫度的差異。而地表溫度可以直接反映兩個方案對地表熱量收支平衡計算的差異,這種差異會導致地面氣溫與垂直熱通量的不同,進而影響霧的生成與發(fā)展。

針對陸霧Case_L,圖8給出了Exp-L2(Noah方案)與Exp-L1(SLAB方案)在地表溫度、地面垂直感熱通量與地面氣溫差異的水平分布(前者減去后者,下同)。在SLAB給出的模擬霧區(qū)之內(nèi)(圖8中粗實線界定的區(qū)域),兩個試驗之間存在非常顯著的差異。與Exp-L1相比,Exp-L2白天的地表溫度(圖8b/c)與地面氣溫(圖8j/k)明顯偏高,而在夜晚明顯偏低(圖8a/d);偏高的地表溫度導致了更多熱通量向上輸送(圖8f/g),而偏低的地表溫度卻減少了熱通量向上輸送(圖8e/h)。

圖9 Exp-L2與Exp-L1模擬的地面垂直水汽通量(上排，a/b/c/d；填色，單位：g·m-2·s-1)、地面濕度(下排，e/f/g/h；填色，單位：g·kg-1)之差(粗實線界定了Exp-L1的模擬霧區(qū))Fig.9 Difference of simulated surface vertical water vapor flux (the first row, a/b/c/d; colored, units: g·m-2·s-1) and surface humidity (the second row, e/f/g/h; colored, units: g·kg-1) between Exp-L2 and Exp-L1 (thick solid line denotes simulated fog area in Exp-L1)

一旦霧生成之后,在白天它會削弱到達地面的短波輻射量,在夜晚會阻擋地面的長波輻射,這可能會放大兩個陸面方案對地表溫度模擬的差異。因此,統(tǒng)計當日早晚各三個時次(早:08時,11時,14時;晚:02時,20時,23時),霧外所有陸地格點上Exp-L2與Exp-L1模擬的地表溫度之差的區(qū)域平均,發(fā)現(xiàn)此平均值在白天為0.5～2.0 ℃之間(圖8b/c),在夜晚為-1.0～-0.3 ℃之間(圖8a/d)。這說明Noah方案在白天模擬的地表溫度總體高于SLAB方案模擬的地表溫度,從而導致前者相比于后者模擬的地面垂直熱通量更強(圖8e—h);更多的熱量被傳輸至近地層,使得前者模擬的地面氣溫偏高(圖8i—l)。地面氣溫偏高的后果是,相對濕度降低,水汽難以飽和,致使霧難以生成,這是Noah方案模擬失敗的重要原因之一。

4.1.2 地面垂直水汽輸送與霧的生成

反映水汽收支情況的地表濕度是影響霧生成發(fā)展的另一重要因素。如表3所示,與對陸面過程考慮完善的Noah方案相比,SLAB方案非常簡單。在SLAB方案中,沒有刻畫土壤中液態(tài)水交換過程,無法像Noah方案那樣直接動態(tài)地預(yù)報地表濕度,而是基于地表溫度推算出地表飽和水汽混合比,并將它作為地表濕度信息。而Noah方案不僅考慮了地表溫度對地表濕度的影響,還考慮了土壤、植被、雪、水域的水文過程以及它們之間的相互影響,并對地表與土壤濕度進行了預(yù)報。這體現(xiàn)出兩個方案對陸面水文過程的模擬存在差異,也必會導致模擬的地面垂直水汽通量產(chǎn)生差異。由此可知,雖然SLAB方案沒有預(yù)報地表濕度,但同Noah方案一樣具備診斷地面向上水汽通量的能力。而地面垂直水汽輸送與地表濕度直接相關(guān),并會通過湍流影響近地層空氣的絕對濕度,進而對霧的生成發(fā)展產(chǎn)生重要影響。因此,對比地面垂直水汽通量可以直接體現(xiàn)兩個方案模擬的地表濕度的差異。

經(jīng)病菌室內(nèi)分離培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)病原菌可在金絲小棗樹體及病殘體和棗園周圍的楊樹、榆樹、刺槐樹、桃樹、蘋果樹和梨樹上越冬，其中病棗果和楊樹是主要越冬場所。囊孢殼菌越冬后，5月下旬至9月中旬分生孢子器形成并散發(fā)分生孢子，8月中下旬子囊孢子和分生孢子同時散發(fā)。病原菌孢子隨風、雨傳播，通過傷口和氣孔侵入。6月上旬病原菌開始侵染棗吊、果柄，7月上旬開始侵染棗果，8月下旬為病原菌對棗果的侵染高峰期。因此，8月下旬即為金絲小棗漿爛果病的防治關(guān)鍵期。

圖8展示了兩種陸面方案所模擬的地表溫度、地面氣溫與地面垂直感熱通量的差異。為了進一步了解它們的地面垂直水汽通量與地面濕度上的差異,繪制了圖9;并統(tǒng)計了霧區(qū)之外所有模式陸地格點上差異的區(qū)域平均值(圖9中Ave的數(shù)字)。圖9a—d顯示,相比于SLAB方案,Noah方案模擬的地面向上垂直水汽通量明顯偏低,尤其是在白天差異非常顯著,達到了約0.014 g·m-2·s-1(圖9b/c)。這表明,與SLAB方案相比,Noah方案中由地表向近地層輸送的水汽較少,使得地面濕度偏低0.74 g·kg-1(圖9e—h)。這種變化會借助湍流作用,進一步影響整個大氣層底層的濕度,最終導致近地層濕度整體偏低,空氣相對干燥,不利于霧的生成。

由此看來,Noah方案模擬失敗的另一個原因是,與SLAB方案相比,它模擬的地表濕度偏干,導致近地層水汽條件不足,陸霧沒有形成。

4.2 海霧中低層天氣系統(tǒng)對近海海霧的影響

4.2.1 近海海霧與水汽平流

對于海霧個例中夜晚發(fā)生于渤海北部的近海霧區(qū)(圖2e),Exp_S1與Exp_S2的模擬結(jié)果有明顯差異(分別比較圖6d/e與圖6i/j),這表明近海海霧的生成與陸面方案關(guān)系緊密。在WRF模式中,SLAB方案與Noah方案對海洋下墊面的處理都較為簡單,只考慮了海溫與海面粗糙度,且皆保留了事先給定的海溫信息。因此,這意味著存在來自陸地的作用。

由Exp-S1與Exp-S2給出的地/海面濕度與風場(圖10)可以看出,在北部近海海霧形成前后,渤海整體始終處于偏南風場控制下(圖10a—d與圖10e—h中的風矢量分布),與ERA5數(shù)據(jù)表現(xiàn)的近地層風場(圖略)相符。但它們給出的地/海面濕度差異較大:Exp-S1(圖10a—d)中,渤海西邊與南邊地面濕度比較高,濕度的高值區(qū)會明顯隨著時間推移向北擴展至渤海北部,這很可能是偏南風平流所致;在Exp-S2(圖10e—h)中,并不存在與Exp-S1類似的濕度水平分布,渤海以西的地面濕度反而低于渤海西部海域。通過Exp-S1與Exp-S2在地/海面濕度上的差異,發(fā)現(xiàn)兩個試驗在白天模擬的海面濕度無明顯差異(圖10i—j),但隨著時間的推移,差異逐漸明顯(圖10k—l),譬如圖10k顯示,山東半島北部延伸出一片與Exp-S1模擬相似的濕度高值區(qū)。這表明海面濕度差異的產(chǎn)生可能與偏南風平流有關(guān)。

為了探究偏南風的平流作用對成霧的影響,沿120°E自山東半島向渤海北部方向取四個格點(圖10a紅點),分別對比Exp-S1與Exp-S2模擬的地/海面氣溫、濕度與相對濕度,結(jié)果見圖11?？梢钥闯?SLAB方案相比于Noah方案,在相對濕度上,前者存在對應(yīng)成霧的上升趨勢,后者則不存在(圖11i—l);由海面氣溫看,兩者的差異不大,無法導致相對濕度的明顯差異(圖11a—d);進一步對比海面濕度,發(fā)現(xiàn)兩者差異明顯,前者存在明顯的上升趨勢,且明顯高于后者(圖11e—h)。這說明,前者的濕度高值區(qū)確實是由較強的偏南風水汽平流所致,這導致兩個試驗?zāi)M的海面濕度出現(xiàn)差異并為成霧提供了充足的水汽條件,而后者水汽平流較弱,最終導致前者模擬的成功與后者模擬的失敗。

觀察圖10a—d,整個渤海西部海域的水汽條件都很充足,但為何只有西北海域生成了海霧(圖10b—d中的粗實線所示區(qū)域)?Exp-S1與Exp-S2地/海面10 m風矢量場(簡稱“地/海面風場”)差異(圖10m—p)清晰地顯示,在渤海西北部海霧發(fā)生區(qū)域(圖10i—l中的填色區(qū)),Exp-S1相比于Exp-S2,存在一個弱輻散區(qū)域。這說明,Exp-S1與Exp-S2中控制渤海及其比鄰區(qū)域的低層天氣系統(tǒng)存在差異。

4.2.2 近海海霧與輻散下沉

為了找出Exp-S1與Exp-S2中控制渤海及其比鄰區(qū)域的低層天氣系統(tǒng)存在的具體差異,圖12給出了這兩個試驗的1 000 hPa位勢高度場及其差異(前者減去后者)。由圖12可知,渤海盛行的偏南海面風(圖10)是由渤海西岸的地面低壓控制的(圖12a—d,圖12e—h),這與觀測(圖3d)一致。盡管Exp-S1與Exp-S2兩個試驗皆模擬出了渤海西側(cè)的低壓系統(tǒng),但Exp-S1(圖12a—d)相比Exp-S2模擬的低壓系統(tǒng)(圖12e—h)偏弱約2.6 hPa。渤海在此低壓以東,兩者低壓強度的差異會給渤海北部近海海霧的生成造成什么影響?圖12i—l顯示,在渤海西北部區(qū)域,Exp-S1相比于Exp-S2存在一個輻散區(qū)(圖12k/l中紅框區(qū)域;氣壓偏高約1.3 hPa),近海海霧恰好在該區(qū)域生成。由此推測,這個輻散下沉區(qū)域可能有利于霧的形成。

圖10 Exp-S1(上排，a/b/c/d)與Exp-S2(中上排，e/f/g/h)模擬的地/海面濕度與風場在渤海的水平分布、兩者的地/海面濕度(中下排，i/j/k/l)以及地/海面風場(下排，m/n/o/p)之差(填色，單位：g·kg-1；風矢，單位：m·s-1；粗實線給出了Exp-S1與Exp-S2的模擬霧區(qū))Fig.10 Horizontal distribution of ground/sea surface humidity and wind field simulated by Exp-S1 (the first row, a/b/c/d) and Exp-S2 (the second row, e/f/g/h) in Bohai Sea and difference of ground/sea surface humidity (the third row, i/j/k/l) and ground/sea surface wind field (the fourth row, m/n/o/p) between Exp-S1 and Exp-S2 (colored, units: g·kg-1; wind barb, units: m·s-1; thick solid line denotes simulated fog area in Exp-S1 and Exp-S2)

模擬結(jié)果表明,與Exp-S1相比,Exp-S2給出的低壓系統(tǒng)偏強,影響范圍偏大。Exp-S1與Exp-S2試驗分別采用SLAB與Noah方案(表3),相比于SLAB方案,Noah方案之所以給出了偏強的低壓系統(tǒng),應(yīng)該歸咎于它模擬的地表溫度偏高,因為偏高的地表溫度會導致更多的地面熱通量向上輸送,進而加強低壓系統(tǒng)。由此看來,渤海西側(cè)的低壓系統(tǒng)控制下的水汽平流不僅為近海海霧形成提供了有利的水汽條件,而且它的強弱及影響范圍與海霧形成與否緊密相關(guān)。

5 結(jié)論

針對2次典型霧過程(陸霧與海霧各1例)設(shè)計了WRF數(shù)值對比試驗,分析了SLAB與Noah陸面方案在陸霧與海霧中的具體表現(xiàn)及其差異,并詳細探究了差異產(chǎn)生的原因。主要有如下發(fā)現(xiàn):

1)與物理過程完善的Noah方案相比,僅考慮土壤熱力過程的SLAB方案反而表現(xiàn)較優(yōu),它不僅成功模擬出了陸霧,而且在開闊海域海霧模擬上與Noah方案不相上下,還再現(xiàn)了Noah方案缺失的近海霧區(qū)。

圖11 Exp-S1與Exp-S2在沿120°E自南向北4處模擬的地/海面氣溫(上排，a/b/c/d；單位：℃)、水汽混合比(中排，e/f/g/h；單位：g·kg-1)、相對濕度(下排，i/j/k/l；單位：%)隨時間的變化(a/e/i. 120°E，37°N；b/f/j. 120°E，38°N；c/g/k. 120°E，39°N；d/h/l. 120°E，40°N)Fig.11 Variations of ground/sea surface temperature (the first row, a/b/c/d; units: ℃), water vapor mixing ratio (the second row, e/f/g/h; g·kg-1), and relative humidity (the third row, i/j/k/l; units: %) simulated by Exp-S1 and Exp-S2 at 4 locations along 120°E from south to north

圖12 Exp-S1(上排，a/b/c/d)與Exp-S2(中排，e/f/g/h)在1 000 hPa等高線的水平分布以及前者與后者之差(下排，i/j/k/l)(等值線，單位：gpm；灰色部分為模擬霧區(qū)，粗紅色虛線方框內(nèi)為近海霧區(qū)處Exp-S1與Exp-S2的位勢高度之差)Fig.12 Horizontal distribution of isoline at 1 000 hPa by Exp-S1 (the first row, a/b/c/d) and Exp-S2 (the second row, e/f/g/h) and difference (the third row, i/j/k/l) between Exp-S1 and Exp-S2 (isoline, units: gpm; gray area for simulated fog area, box in thick red dashed line for difference of geopotential height between Exp-S1 and Exp-S2 in offshore fog area)

SLAB方案給出的地面氣溫與濕度更接近觀測,這受益于它對地表溫度與垂直水汽輸送的模擬效果。

2)對于陸霧,與SLAB方案相比,Noah方案模擬的地面2 m氣溫偏高2.5 ℃、地面2 m水汽混合比偏低0.44 g·kg-1以及相對濕度偏低20%,這是由于在白天陸霧發(fā)展旺盛階段,其模擬的地表溫度約偏高1.15 ℃以及地面垂直水汽通量約偏低0.014 g·m-2·s-1所致,最終造成了其模擬陸霧的失敗。而SLAB方案給出的地面氣溫更靠近觀測,且垂直水汽輸送充足,從而成功再現(xiàn)了霧區(qū)。

3)對于海霧,SLAB與Noah方案對海洋下墊面的處理方式基本相同,都較為簡單地只考慮了海溫與海面粗糙度,使得它們對開闊海域海霧的模擬效果大致相當。但由于它們對陸面過程處理的不同,直接造成地表溫度與地面垂直水汽通量的明顯差異,進而導致地面氣溫與濕度的高低、地面天氣系統(tǒng)強弱與地面水汽平流之間的差異,從而強烈影響近海海霧的生成過程。

雖然可以清楚地看出,陸面方案不僅對陸霧模擬至關(guān)重要,而且還對沿岸海霧的模擬也有重要影響。但是,本文研究僅基于兩個典型個例,還需要更多的個例來夯實本文結(jié)論。值得思考的是,Noah方案是一個應(yīng)用廣泛且物理過程較為完善的陸面方案,但對陸霧的模擬效果反而不如物理過程相對簡單的SLAB方案,其原因需要進一步深入探究。此外,本文的發(fā)現(xiàn)提醒我們,其他陸面方案對霧模擬的效果也值得進行對比分析;由于霧的形成是輻射、水汽—水成物—氣溶膠等一系列平衡機制的結(jié)果,陸面方案在這些平衡機制中的作用也需要深入研究。