史得道，吳振玲，高山紅，楊悅

（1.天津海洋中心氣象臺，天津300074；2.天津市氣象臺，天津300074；3.中國海洋大學(xué)，山東青島266100）

1 引言

海霧是受海洋影響發(fā)生在海上或沿海地區(qū)低層大氣中大量水滴或冰晶使大氣水平能見度小于1 km的天氣現(xiàn)象[1]。海霧是中國近海多發(fā)的災(zāi)害性天氣之一，會對海上船舶通航造成很大影響[2-3]，每年因海霧造成的船舶碰撞、觸礁和擱淺等事故時有發(fā)生。據(jù)舟山海事局統(tǒng)計，海上發(fā)生的船舶碰撞和觸礁等海難事故有70%左右由海霧引起[4]，例如1989年6月6日某部“575船”在福建東山海域霧中航行時與浙?！?03船”碰撞，致使“103船”沉沒，9名船員失蹤，1名溺亡[5]。海霧的生成、持續(xù)和消散受水文條件和氣象條件共同影響，成因復(fù)雜，預(yù)報難度較大。目前氣象部門預(yù)報業(yè)務(wù)中大霧的預(yù)報方法主要有天氣學(xué)方法和統(tǒng)計預(yù)報方法[6]。天氣學(xué)方法對預(yù)報員的主觀經(jīng)驗依賴性高，但準確率較低[7]；統(tǒng)計預(yù)報方法缺乏對海霧過程物理規(guī)律的描述，多依賴于歷史統(tǒng)計資料的質(zhì)量和數(shù)量[8]。隨著計算機技術(shù)的進步以及對海霧發(fā)生和發(fā)展規(guī)律的深入認識，數(shù)值模式逐漸成為海霧模擬和預(yù)報的重要方法[7]。

現(xiàn)階段海霧數(shù)值模式多用于科研[9-11]，真正實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用的還很少[12]。渤海是海霧多發(fā)海域，也是海上航運和石油開采最繁忙的海域之一，海霧預(yù)報的準確率關(guān)系到社會經(jīng)濟活動的開展和航運安全[13]，因此迫切需要改進渤海海霧的預(yù)報技術(shù)方法和手段。本文利用氣象研究與預(yù)報（Weather Research and Forecasting，WRF）模式的中尺度數(shù)值預(yù)報模式，基于循環(huán)三維變分（Three Dimen sional VARiation，3DVAR）數(shù)據(jù)同化方案，選擇合適的參數(shù)化方案，建立渤海海霧數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，為環(huán)渤海區(qū)域海霧預(yù)報提供重要支撐。

2 海霧數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)

2.1 預(yù)報區(qū)域設(shè)置

天津市氣象臺基于WRF 3.7.1版本模式的海霧數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)于2015年12月搭建完成。該系統(tǒng)開展35°N以北的黃渤海海域海霧數(shù)值預(yù)報，每天08時（北京時，下同）和20時各預(yù)報1次，每次預(yù)報模式運行時間約3 h。模式采用預(yù)報區(qū)域雙重嵌套，小區(qū)為35°N以北的黃渤海海域，大區(qū)為數(shù)值預(yù)報背景場區(qū)域，經(jīng)緯度范圍大致為25°～50°N、100°～140°E，為小區(qū)提供初始場和開邊界條件。兩個區(qū)域都采用蘭伯特投影（Lambert Conformal）方式，區(qū)域中心點為39.9°N、121.0°E。大區(qū)格點數(shù)120×108，水平分辨率30 km，小區(qū)格點數(shù)100×94，水平分辨率10 km，兩區(qū)垂直分層都為44層。

2.2 參數(shù)化方案

在WRF模式參數(shù)化方案選擇上，一方面結(jié)合前人研究結(jié)果選用公認預(yù)報效果最好的參數(shù)化方案，比如積云方案選用Kain-Fritsch方案，長短波輻射方案選用RRTMG方案等；另一方面選取典型海霧個例進行數(shù)值模擬試驗，設(shè)計不同邊界層方案和微物理方案組合，檢驗不同組合方案具體預(yù)報效果，并參考陸雪等[14]研究成果，確定邊界層方案與微物理方案的最佳組合為YSU和Lin方案（見表1）。

表1 WRF模式參數(shù)化方案設(shè)置

2.3 背景場和同化數(shù)據(jù)

海霧預(yù)報系統(tǒng)用的初始場數(shù)據(jù)與側(cè)邊界條件由美國國家環(huán)境預(yù)報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）的全球預(yù)報系統(tǒng)（Global Forecast System，GFS）數(shù)據(jù)（0.25°×0.25°，3 h/次）提供，海溫數(shù)據(jù)來源于NCEP日平均海溫數(shù)據(jù)集（0.083°×0.083°）。系統(tǒng)同化的常規(guī)和非常規(guī)觀測數(shù)據(jù)包括：3 h/次的地面觀測資料和船舶氣象資料[20]、12 h/次的探空觀測資料[20]、一天2次的ASCAT（Advanced SCATterometer）散射計海面風(fēng)資料[20]。地面、船舶和探空數(shù)據(jù)來自于世界氣象組織全球通信系統(tǒng)（Global Telecommunication System，GTS）的觀測數(shù)據(jù)，可在全球范圍內(nèi)共享。ASCAT數(shù)據(jù)來源于歐洲航天局MetOP-A衛(wèi)星上搭載的新一代微波散射計[21]，是數(shù)值模式中重要的初始場同化資料[22-23]，空間分辨率12.5 km，在我國近海有較好的可信度[21,24-26]。這些資料通過互聯(lián)網(wǎng)方式下載到本地服務(wù)器，插值到WRF數(shù)值模式水平網(wǎng)格點上進行同化。

2.4 循環(huán)3DVAR數(shù)據(jù)同化方案

WRF數(shù)值預(yù)報模式的同化方案多采用單時次3DVAR同化方式，同化窗較短，只能利用到很少的非常規(guī)觀測數(shù)據(jù)[27]。為了同化更多的非常規(guī)觀測數(shù)據(jù)，我們選擇高山紅等[27-28]設(shè)計的循環(huán)3DVAR同化方案（見圖1）來增加同化時段，以便同化更多觀測資料從而提高預(yù)報效果。本系統(tǒng)設(shè)計同化5次，3 h 1次，每次同化該時刻前后各1.5 h內(nèi)觀測資料。運行流程如下：

圖1 循環(huán)3DVAR同化方案[27]

（1）首先下載模式運行所需背景場數(shù)據(jù)和同化觀測數(shù)據(jù)。

（2）運行WRF模式前置模塊（WRF Preprocessing System，WPS）程序，對系統(tǒng)所用GFS背景場數(shù)據(jù)和海溫數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，插值到WRF模式水平格點場中，并從地形與植被數(shù)據(jù)庫中獲取陸面模式所需的信息。

（3）運行WRF模式主模塊的real.exe程序，將WPS模塊運行結(jié)果插值到模式垂直44層上，得到單純由GFS格點背景場數(shù)據(jù)形成的初始條件與時變邊界條件。

（4）運用3DVAR數(shù)據(jù)同化手段，消化各種觀測數(shù)據(jù)，將觀測數(shù)據(jù)插值到real.exe形成的數(shù)據(jù)場中。對real.exe程序形成的初始條件進行優(yōu)化，得到質(zhì)量較高的初始場。

（5）運行WRF模式主模塊的wrf.exe程序，驅(qū)動WRF模式積分到下一個同化時刻進行下一次3DVAR同化。同化結(jié)果為WRF模式提供初始場，如此重復(fù)循環(huán)。

（6）最后一次3DVAR同化完畢后，再次運行wrf.exe程序向前積分，得到各種預(yù)報數(shù)據(jù)。

相較以前的海霧數(shù)值模擬和預(yù)報，本系統(tǒng)采用的循環(huán)3DVAR數(shù)據(jù)同化方案有其獨特的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）不同于以往的單次三維變分同化[29]模塊，循環(huán)3DVAR同化方案可以通過增加同化次數(shù)來延長同化數(shù)據(jù)時段從而同化更多的觀測資料。本項目設(shè)計5次循環(huán)同化能同化15 h內(nèi)的觀測資料，從而更好地優(yōu)化模式初始場。

（2）循環(huán)3DVAR同化方案擴展的同化時段恰好可供模式進行動力調(diào)整，從而有效地消除模式“spin-up”現(xiàn)象[27]。

（3）同化的觀測資料更多更廣，包括3 h/次的地面氣象資料和船舶資料、12 h/次的探空資料以及ASCAT衛(wèi)星反演風(fēng)場資料，對提高初始場質(zhì)量有很大幫助。

（4）WRF模式邊界層方案采用YSU方案，微物理方案采用Lin方案，該組合在霧區(qū)模擬以及邊界層溫濕信息垂直分布方面與實況更加接近[14]。

2.5 產(chǎn)品研發(fā)

海霧數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)主要開發(fā)了高空產(chǎn)品、地面產(chǎn)品、站點產(chǎn)品、剖面產(chǎn)品和云霧產(chǎn)品5大類數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，可以通過天津市氣象局內(nèi)網(wǎng)查看。每類產(chǎn)品中包含多種相關(guān)產(chǎn)品（見圖2），高空物理量有：位勢高度場、風(fēng)場、溫度場、流場與混合比、垂直速度和渦度；地面物理量有：海平面氣壓、地面10 m風(fēng)場、2 m溫度、相對濕度、水平能見度和降水；站點產(chǎn)品有塘沽、渤海A平臺、渤中28平臺、綏中36平臺、長島和成山頭的探空圖以及溫度、露點溫度、氣壓、相對濕度和降水的時間序列；云霧產(chǎn)品包括霧區(qū)總覽、霧頂高度、云幕高度和云頂溫度等。剖面產(chǎn)品包括經(jīng)向和緯向剖面產(chǎn)品；產(chǎn)品形式主要分4種：平面圖、站點序列圖、剖面圖和郵票圖，方便預(yù)報員查看。

圖2 渤海海霧數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)

3 海霧預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)功能

渤海海霧預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)系統(tǒng)是基于渤海海霧數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)建立的，可供預(yù)報員進行海霧實況監(jiān)測和預(yù)報預(yù)警產(chǎn)品制作。系統(tǒng)功能框架主要包括海霧實時監(jiān)測、數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品顯示、主觀預(yù)報訂正與顯示、預(yù)報檢驗評估和歷史個例庫等幾個模塊（見圖3），同時也建立了包含海霧歷史個例、海霧實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和海霧數(shù)值預(yù)報數(shù)據(jù)的綜合數(shù)據(jù)庫。

圖3 渤海海霧預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)和C/S結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式。綜合顯示部分采用B/S結(jié)構(gòu)，以查詢?yōu)g覽為目的和以產(chǎn)品制作為核心的用戶，可以通過Web方式在任何客戶端上訪問，實現(xiàn)方便快速的產(chǎn)品瀏覽和制作。數(shù)據(jù)綜合采集部分采用C/S結(jié)構(gòu)，開發(fā)的窗體應(yīng)用程序可以從ftp站點、共享文件夾和網(wǎng)絡(luò)資源上，實現(xiàn)輪詢方式的資料數(shù)據(jù)檢查、自動下載、分析和歸并，將各種來源的數(shù)據(jù)統(tǒng)一為同種格式入庫保存，作為綜合顯示部分的數(shù)據(jù)源。

3.2 數(shù)據(jù)采集處理

海霧預(yù)報與觀測數(shù)據(jù)的來源多種多樣，數(shù)據(jù)格式繁多。本系統(tǒng)采用多數(shù)據(jù)源模式，將多種數(shù)據(jù)格式、空間分辨率格式和時間分辨率格式的數(shù)據(jù)重新規(guī)格化為統(tǒng)一的時空分辨率數(shù)據(jù)格式后進行顯示。數(shù)據(jù)采集處理綜合平臺涉及并處理5大類數(shù)據(jù)：

（1）實況資料數(shù)據(jù)，包括地面填圖資料、自動站資料、衛(wèi)星資料和海溫再分析數(shù)據(jù)等，以O(shè)rcale數(shù)據(jù)庫形式存儲。

（2）數(shù)值預(yù)報格點數(shù)據(jù)，包含高空、地面和站點預(yù)報資料，還包括合成產(chǎn)品數(shù)據(jù)（風(fēng)、濕度、能見度、霧頂高度、霧區(qū)和降水等要素在不同時間段合成后的格點預(yù)報數(shù)據(jù)），以NC（NetCDF）文件格式存儲。

（3）能見度訂正數(shù)據(jù)，對能見度客觀預(yù)報產(chǎn)品進行人工訂正后錄入訂正數(shù)據(jù)庫，在繪制海霧落區(qū)時進行調(diào)用，以NC文件存儲。

（4）主觀預(yù)報產(chǎn)品數(shù)據(jù)，包括人工繪制不同等級（輕霧、霧、濃霧和強濃霧）的海霧落區(qū)圖和海霧預(yù)報預(yù)警文本文件等，以圖形和文本形式存儲。

（5）歷史個例數(shù)據(jù)，提供近10 a渤海海霧個例庫，可設(shè)置按時間、海區(qū)、霧等級、影響系統(tǒng)和持續(xù)時間等進行查詢，并能實時添加新個例。

4 海霧數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 海霧過程統(tǒng)計檢驗

為評估海霧數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的預(yù)報能力，我們統(tǒng)計了2016—2017年的海霧過程，以此對海霧數(shù)值預(yù)報結(jié)果進行檢驗。2016年1—4月渤海有4次海霧過程，其中有兩次被數(shù)值預(yù)報模式成功預(yù)報，1次過程漏報是由于海霧只發(fā)生在局部海域，另外1次由于系統(tǒng)故障沒有預(yù)報。2016年10月—2017年4月有19次海霧過程，海霧范圍有的覆蓋整個渤海，有的只在渤海某個區(qū)域。將實測結(jié)果與海霧數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的預(yù)報結(jié)果進行對比分析，我們發(fā)現(xiàn)有7次過程漏報，10次過程準確預(yù)報，但從海霧出現(xiàn)范圍和起止時間上看，部分個例存在預(yù)報范圍偏大且持續(xù)時間偏長的情況；另有兩次過程因服務(wù)器調(diào)整沒有預(yù)報資料。綜合兩次檢驗結(jié)果，在23次海霧過程中，12次預(yù)報有霧，8次漏報，3次過程沒有預(yù)報資料。有預(yù)報資料的20次過程中預(yù)報有霧的準確率達到60%。

4.2 海霧個例檢驗分析

（1）2016年3月3—5日海霧過程

2016年3月3—5日，黃渤海出現(xiàn)一次比較明顯的海霧過程[30]。3月3日凌晨02時左右，海霧出現(xiàn)在黃海北部海域，慢慢向南向西擴展，3日白天海霧主要分布在黃海和渤海海峽，夜間海霧慢慢擴展到渤海中西部。4日白天和夜間黃渤海海霧處于維持階段，主要位于渤海灣、渤海中部、遼東灣、渤海海峽北部以及黃海北部和中部海域。隨著冷空氣來臨，5日08時前后海上西北風(fēng)逐漸加大，渤海、渤海海峽和黃海海霧從西向東逐漸消散。

此次海霧發(fā)生時黃渤海位于高壓后部低壓前部，盛行南到東南風(fēng)，渤海觀測站點最小能見度為0。渤海西部平臺能見度從3日20時的15 km迅速下降到4日08時的200 m，5日08時能見度增大到1.2 km，5日14時霧完全消散，能見度回升到15 km。成山頭位于山東半島東部沿海，海霧出現(xiàn)時間比渤海西部平臺早，3月2日20時能見度為6 km，3日05時能見度下降到0，為強濃霧。此后強濃霧一直持續(xù)到5日早上，5日08時能見度略有好轉(zhuǎn)，增大到2.1 km，14時又下降到700 m，20時增大到4.6 km，之后霧消散，能見度逐漸好轉(zhuǎn)。

從2016年3月3—5日海霧數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品來看，此次海霧過程預(yù)報比較成功。2月28日20時提前3 d預(yù)報出3月3日02時左右黃海海域有霧，與實際霧生成時間非常接近。3月2日20時預(yù)報結(jié)果顯示，3日白天海霧主要出現(xiàn)在黃海北部和中部海域，夜間海霧從遼東灣逐漸向南擴展到渤海中西部和南部，黃海海霧也向西擴展至渤海海峽，兩片霧區(qū)連在一起，4日白天到前半夜黃渤海海霧維持，預(yù)報結(jié)果與實際情況比較接近。5日凌晨開始，受冷空氣影響海霧從西向東逐漸消散，比實際霧消散時間略有提前。3日20時預(yù)報結(jié)果顯示5日05時左右渤海西部霧消散，08時渤海中部霧消散，11時渤海海峽霧消散，14時黃海海霧也逐漸消散，與實際情況更加接近?？梢婎A(yù)報時效越臨近，預(yù)報效果越好。另外，此次海霧預(yù)報范圍覆蓋到渤海、渤海海峽、黃海北部和中部，與實際衛(wèi)星反演海霧范圍也比較一致。

（2）2017年4月5—7日海霧過程

2017年4月5—7日，渤海出現(xiàn)了一次明顯海霧過程。4月5日下午渤海中部海域首先出現(xiàn)能見度小于1 km的霧，后向南擴展到萊州灣，向西向北擴展到渤海灣和遼東灣，至6日08時前后整個渤海海域基本被海霧覆蓋。6日上午海霧維持，午后能見度逐漸好轉(zhuǎn)，部分海域仍有輕霧天氣。7日上午渤海中南部海域又出現(xiàn)小于1 km的霧，7日夜間遼東灣海域也出現(xiàn)海霧。

海霧數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)從4月2日08時提前72 h開始預(yù)報此次過程，5日05時前后渤海西部出現(xiàn)海霧，然后范圍慢慢擴大，到5日14時擴展到整個渤海海域，直到5日夜間海霧一直維持。4月4日08時預(yù)報5日02時渤海西部開始出現(xiàn)海霧，范圍逐漸擴大，到5日17時擴展到整個渤海海域，然后一直持續(xù)到4月7日。實際上4月6日下午到夜間屬于海霧空報，但總體來說此次過程也成功被預(yù)報。

5 結(jié)論與展望

本文利用WRF 3.7.1中尺度數(shù)值模式，基于循環(huán)3DVAR數(shù)據(jù)同化方案，選擇合適的參數(shù)化方案，建立了渤海海霧數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)并進行業(yè)務(wù)應(yīng)用，系統(tǒng)輸出產(chǎn)品包括高空和地面物理量產(chǎn)品、站點時間序列產(chǎn)品、海霧霧區(qū)和霧頂高度產(chǎn)品及霧區(qū)剖面圖產(chǎn)品等?？陀^預(yù)報這些產(chǎn)品對環(huán)渤海區(qū)域海霧預(yù)報預(yù)警具有參考意義。

經(jīng)過對2016—2017年20次渤海海霧過程的統(tǒng)計檢驗，發(fā)現(xiàn)海霧數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)對海霧過程預(yù)報準確率達到60%。挑選2016年1次海霧過程進行詳細分析，海霧數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)能提前3 d對海霧進行準確預(yù)報。預(yù)報時效越臨近，預(yù)報效果越好，預(yù)報海霧范圍、起止時間和持續(xù)時間等與實際情況比較接近。

但是在實際預(yù)報業(yè)務(wù)中，也發(fā)現(xiàn)海霧數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)在客觀預(yù)報上存在一些問題，比如對局地發(fā)生的和持續(xù)時間短的海霧預(yù)報能力較差，對大范圍海霧預(yù)報有時存在持續(xù)時間偏長和預(yù)報范圍偏大的問題。后期需要針對這些問題進行改進，一方面提高同化觀測數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量，改進模式初始場；另一方面開展海霧外場觀測試驗，加強海霧發(fā)生發(fā)展機理研究，為數(shù)值模式參數(shù)化方案的改進提供參考。