溧水河烏剎橋段一次雨霧的數(shù)值模擬研究

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)重力沉降對霧水含量有重要影響。國內(nèi)對霧的數(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)生時常出現(xiàn)降水。Tardif and Rasmussen［7］定義在霧形成前的幾個小時及霧維持過程中，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)外對雨霧過程的模擬研究較少，本文對雨霧過程的生消機(jī)制和發(fā)展過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究成果能夠為雨霧的預(yù)報提供參考，具有重要的實際應(yīng)用價值；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為水電站泄洪霧化的相關(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，格點數(shù)分別為100×100、88×88、76×76、64×64，模擬中心點設(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，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。模式計算所用初始資料為NCEP FNL1°×1°再分析資料，每隔六小時一次的氣象再分析資料。模擬時間為北京時間2007年12月05日20∶00至06日20∶00。積分時間步長為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∶00四個時間點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，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∶00四個時間點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，溧水河烏剎橋段主要是西北風(fēng)向，風(fēng)速較小，風(fēng)級小于3級。2007年12月06日07∶00-10∶00時，溧水河烏剎橋段依然主要是西北風(fēng)向，風(fēng)速增大，風(fēng)級為3級微風(fēng)。

圖3 2007年12月06日四個時間點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比，如圖5所示。

模擬的風(fēng)速變化趨勢比較符合風(fēng)速實際觀測的變化趨勢。對于風(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)速模擬效果的評價指標(biāo)選用均方根誤差RMSE，公式如下：

式中：n為樣本個數(shù)；VMi、Vpi分別為i時刻的模擬值和實測值。

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日四個時間點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分為兩個時間段，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。至10∶00左右，溧水河烏剎橋段的雨霧消散。

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

表2 溧水河烏剎橋位置相對濕度模擬值與觀測值和能見度計算值與觀測值對比

對于相對濕度，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濕度逐漸下降。相對濕度模擬值與觀測值絕對誤差在1.3%-6.2%之間，相對濕度的均方根誤差為3.67%，模擬效果較好。

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

式中：Vm為能見度，單位為km；R為相對濕度，20%≤R≤100%。

06∶00左右起霧，此時能見度絕對誤差為1.09 km。

07∶00-09∶00霧維持階段，能見度觀測值和計算值均維持在2 km以下，而且能見度絕對誤差均小于0.5 km，估算的能見度與實測的差值范圍在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算值曲線和觀測值曲線的變化趨勢一致。能見度計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算值和觀測值

總體來看，以相對濕度為主的能見度經(jīng)驗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，估算的能見度與實測的能見度絕對誤差均在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)報模式對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，顯示雨霧的運動方向。

（3）伴隨弱降水的雨霧過程能見度偏高。應(yīng)用以相對濕度為主的能見度經(jīng)驗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，估算的能見度與實測的能見度絕對誤差均在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。