基于中尺度数值大气模式的海雾特征参数研究

龙胤宇，陈慧敏，王凤杰，陆长平

(1.北京理工大学 机电动态控制重点实验室，北京 100081；2.上海无线电设备研究所，上海 201109)

0 引言

海雾是由于微小的水滴或冰晶悬浮在海洋大气边界层中，使大气水平能见度小于1 km的一种天气现象[1]。海雾形成的水滴或冰晶悬浮在空气中，使目标物发出的光线被吸收、散射或折射，模糊目标物与其背景，造成能见度降低[2]。激光引信作为典型的掠海类激光武器[3]，其发射激光由于液态雾滴对其吸收和散射使得传输过程受到干扰，能量衰减严重而无法正常使用，甚至导致激光引信的虚警和早炸。魏海亮等[4]通过仿真分析得出能见度对激光衰减系数的影响最大，二者呈反比。徐春凤等[5]通过仿真研究分析了能见度对探测概率的影响。然而，之前的研究往往是利用自拟能见度，脱离了实际的海雾环境，或使用某地点的观测数据，对大范围的海雾数据无法有效获取。气象界已经提出使用液态水含量直接预报海雾的方法[6]。

国内外利用数值模拟方法对海雾的研究已经取得了一定进展。文献[7-8]对海雾过程进行了观测和数值模拟分析，讨论了其生消机制。文献[9-10]基于WRF模式改进其初始场和循环模块，从而改善了数值模拟结果。陆雪等[11]利用2005年～2011年10次春季黄海海雾个例，分析了边界层方案及微物理方案的选择及组合对海雾模拟结果的影响规律。田济扬等[12]分析和总结了物理参数化方案、数据同化方法以及合理的空间尺度对WRF模式在气象领域模拟预报效果的影响。杨悦等[13]基于WRF模式，分析了不同垂直分辨率下模式对黄海海雾的模拟表现，统计分析了水平雾区与雾顶高度对垂直分辨率的敏感性。王静菊等[14]基于WRF模式，同化了大气红外探测器(AIRS)卫星温度与湿度廓线数据，成功再现并分析了海雾的形成过程。高荣珍等[15]采用同化系统，使用WRF模式对2014年～2016年青岛近海17个海雾个例进行了模拟，分析了3种能见度算法的预报效果。陈淑莹等[16]基于WRF模式，分析了不同参数化方案组合对数值模拟结果的影响，并得出了针对新疆天山地区的最优方案组合。

在已有研究中，利用所获取的微观物理参数对海雾的空间分布、随时间变化规律等研究较少。本文基于数值模拟方法，基于中尺度数值大气模式的天气研究和预报(WRF)模型对海雾过程进行仿真研究，通过对海拔高度400 m以下区域的密集分层设置，得到了高可靠性海雾云水混合比、能见度、雾顶高度等特征参数，对典型海雾的特征参数分布及变化规律进行了分析讨论，仿真结果对掠海激光类武器在海雾气溶胶环境下的回波特性研究提供一定的数据参考。

1 数值模拟前处理及运行

数值模拟使用的WRF模式为当前国际大气科学界先进、成熟的新一代中尺度数值预报模式系统，WRF模式凭借其同化方法先进、技术支持有力等优点，广泛用于科学研究。

数值模拟所使用资料包括欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的欧洲气象中心资料(ERA-Interim) 0.125°×0.125°高分辨率再分析资料数据，2015年4月28日00:00～2015年4月29日00:00 FY-2E可见光云图资料，日本气象厅多功能传送卫星(MTSAT)红外1通道和4通道亮温资料。

WRF模式数值模拟前处理主要包括模拟区域选取、参数化方案、气压追随坐标η坐标设置。

1.1 模拟区域选取

图1 “namelist.wps”文件部分截图Fig.1 Screenshot of “namelist.wps” file section

根据海雾过程的起始时间、发生区域确定数值模拟区域，为最大限度地提高数值模拟效率，模拟区域选取应在保证海雾被覆盖的前提下缩小区域范围。实现方法是编辑修改WRF模式中的“namelist.wps”的文本文件(见图1)，以及数值模拟所要求的时间、区域。数值模拟过程中使用了WRF的嵌套模式(见图2)，包括大范围低分辨率的黄渤海海域d01，以及小范围高分辨率的渤海海域d02，如表1所示。在实际使用中也可使用“WRFdomain”软件进行网格设置，完成典型区域的选取。

图2 数值模拟区域选取Fig.2 Numerical simulation area selection

表1 数值模拟区域Tab.1 Numerical simulation area

1.2 参数化方案

表2 WRF模式参数化方案设置Tab.2 WRF mode parameterization scheme settings

1.3 垂直η坐标设置

WRF模式采用气压追随坐标η坐标，取值范围0～1，表达式为

(1)

式中：pη为模式某层气压；pt为模式顶层气压(本文采用50 hPa)；pb表示地面气压；在pb采用地面气压的情况下，η=1表示地面，η=0表示模式顶层气压50 hPa处。

以往的观测资料、探空资料以及数值模拟结果表明，就黄海海雾而言，春季海雾高度在200 m左右，夏季最多可达到400 m[17]。基于这一客观事实，为得到更好的模拟结果，根据杨悦等[13]和刘现鹏等[18]的研究成果，本文增大了低空区域的垂直分层数量，本次海雾垂直分层η为50层(见图3)，其中海雾所在低空区域有26层(约400 m以下)。某区域26层坐标对应海拔高度：3.9 m、11.9 m、19.8 m、27.8 m、35.8 m、43.9 m、51.8 m、59.9 m、67.9 m、76.0 m、84.1 m、92.2 m、100.3 m、108.4 m、116.5 m、124.6 m、132.8 m、140.9 m、149.1 m、157.2 m、169.5 m、185.8 m、202.2 m、218.7 m、235.1 m、263.9 m、305.3 m.其中1层～20层(3.9～157.2 m)层精度约8 m，与激光引信作用距离量级相符。

图3 η坐标垂直分层示意图Fig.3 Schematic diagram of vertical layering of η coordinates

2 数值模拟结果分析

2.1 结果检验

将模式输出η最底层且云水混合比大于0.016 g/kg的区域[19-21]作为本次模拟的雾区。将日本气象厅MTSAT红外1通道和4通道亮温资料监测到的海雾与同一时间模式模拟得到的雾区图进行对比分析(见图4)，在模拟分辨率较高的d02区域中海雾分布与监测雾区分布接近，在d01区域海雾模拟相似度较低，总体而言，在区域d02内本次数值模拟较好地再现了海雾的时空分布。

2.2 数值模拟分析

由于海雾数值模拟涉及范围过大，时间较长，为了更好地对模拟结果进行分析，本文选取模拟嵌套区域d02内渤海区域不同位置的4个参考点(见图5(a))为例对数值模拟相关结果进行分析，点A(38.09° N，120.54° E)、点B(39.06° N，119.08° E)、点C(38.43° N，119.65° E)、点D(37.85° N，119.92° E)。为了更直观地对海雾发展进行分析，对点D做垂直剖面图，其切线如图5(b)所示。

图5 参考点设置与剖面选择Fig.5 Reference point setting and section selection

2.3 D点雾区垂直剖面图

图6所示为剖面雾区分布，时间分别为2015年4月28日10:00(见图6(a))、2015年4月28日13:00(见图6(b))、2015年4月28日14:00(见图6(c))、2015年4月28日15:00(见图6(d))。由图6可见，海雾的发展速度较快，在几小时内从雾顶高度最高130 m发展到300 m以上，同时总体而言，雾层中云水混合比的值随着高度的增加而增大，低层比较小，在0.4～0.5 g/kg左右，在靠近雾顶处达到最大值(高达0.8 g/kg以上)。这种情况与雾顶长波辐射的冷却效应有关[14]，雾顶的向上长波辐射会带走大量热量，造成雾层上部降温，使水汽达到饱和而凝结，表现出雾层上部比下部的液态水含量更高的现象；同时雾顶长波辐射会使雾顶上空形成逆温层，以及冷却效果随着湍流混合下传至整个雾层内，都有利于海雾的发展与维持，这又使得雾顶长波辐射继续存在，形成了一个正反馈过程，从而导致云水混合比的大值区保持在雾层上部。

图6 不同时间的D点雾区垂直剖面图Fig.6 Vertical section of fog region at reference point D at different times

2.4 云水混合比随高度变化

在海雾研究中，云水混合比是一个相当重要的数据，甚至大多海雾研究会直接将数值模拟获得的云水混合比的时空分布与海雾的时空分布对等。云水混合比是获得海雾水平能见度的关键数据，而WRF模式可以直接通过数值模拟得到云水混合比数据，因此对其结果进行分析有利于对海雾过程的理解与后续仿真的进行。图7所示为参考点A在2015年4月28日8:00～2015年4月28日23:00时刻云水混合比随海拔高度的变化曲线，可见在同一时刻云水混合比分布下层变化平稳，上层变化剧烈，且有中间断层的现象发生(见图7(d))。

图7 参考点A在2015年4月28日8:00～2015年4月28日23:00时刻的云水混合比随高度变化曲线Fig.7 Cloud-water mixing ratio as a function of height at reference point A at 8:00-23:00 on April 28,2015

2.5 最大海雾雾顶高度随时间变化

海雾雾顶高度是海雾最具代表性的宏观特征，通过同一参考点在24 h内的雾顶高度随时间变化曲线分析其海雾特征。如图8所示，不同参考点海雾雾顶高度随时间推移为增加，表明海雾呈发展趋势。

通过实地调查，认真分析全县核桃产业发展现状和趋势，大荔县发展核桃产业优势明显、潜力巨大。现有核桃面积4266.7hm2，与其它县相比，具有得天独厚的潜力和优势，主要表现在以下3点。

图8 不同参考点的海雾雾顶高度随时间变化图Fig.8 Variation of sea fog top height with time at different reference points

2.6 同一参考点不同η层数云水混合比随时间变化

通过对空间中固定位置处云水混合比随时间变化曲线(见图9)，分析同一参考点下不同η分层的海雾特征变化可以看出：对于本文研究的海雾过程，海雾出现时刻差距较大(2015年4月28日0：00～2015年4月29日8：00时刻不等)，但空间中固定位置处的云水混合比能在1～2 h内达到峰值，之后整体呈下降趋势；在云水混合比值达到峰值后，其下降比例处于20%～50%之间；对于同一参考点，较高处(η=0.994)的海雾云水混合比值变化更为剧烈。

图9 同一参考点和不同η分层的云水混合比随时间变化图Fig.9 Change of different η layering cloud-water mixing ratios with time at the same reference point

2.7 不同参考点同一η层数云水混合比随时间变化

通过对不同参考点同一层的海雾特征对2.5节的仿真结果进行横向补充分析(见图10)可以看出，虽然不同参考点相对同一参考点较大，但是整体同样满足在短时间上升到一个高峰，随后呈下降趋势的规律。

图10 不同参考点和同一η分层的云水混合比随时间变化图Fig.10 Change of η layering cloud-water mixing ratio with time at different reference points

3 能见度计算

由于能见度数据可以直接用于后续的海雾激光回波仿真，对本次数值模拟得到的云水混合比等数据进行计算，得到相应的能见度数据。利用目前国际学术界公认的海雾判定方法，对模式模拟的雾区进行分析，雾中大气水平能见度用Koschmieder公式[22]，如Stoelinga等[23]根据大气消光系数提出的计算水平能见度的经验公式为

(2)

式中：Xv为能见度(m)；β为大气消光系数，由云水、云冰、雪和雨水的消光系数确定。在本次海雾过程中没有积雪和云冰的影响，而雨水量远低于云水，对能见度的影响可以忽略不计，因此用云水消光系数来计算能见度，表达式为

(3)

式中：ρ为湿空气密度(kg/m3)；qc为云水混合比(g/kg)。大气物理学湿空气的状态方程表达式为

p=ρRd(1+0.608×1 000qv)T，

(4)

式中：p为大气压强(Pa)；Rd为干空气的比气体常数取287.05 J/(kg·K)；qv为水汽混合比(g/kg)；T为干空气的绝对温度。由(3)式、(4)式可计算出特定位置处的能见度。图11所示为以参考点A为例，对4个不同时刻(8:00、12:00、16:00、20:00)下能见度随高度变化进行的分析结果。由图11可见，与图7相比，云水混合比值越大，能见度越低，二者呈反比关系。

图11 参考点A在不同时刻下能见度与海拔高度变化曲线Fig.11 Change of visibility value with sea wave height at reference point A at different times

4 结论

本文以掠海激光类武器在海雾环境中的传输特性为研究背景，利用WRF模式对2015年4月28日00:00～2015年4月29日00:00的一次黄渤海海域海雾过程进行了数值模拟，得到云水混合比、海雾雾顶高度等特征参数，并对其进行了分析。得到主要结论如下：

1)本次海雾过程雾顶高度基本处于海拔高度400 m以下，对比同一条件下垂直方向上海拔高度400 m以下及海拔高度400 m以上的数据可见，提高η分层有利于在垂直方向得到高精度的海雾特征参数数据。

2)云水混合比是表征海雾特征的主要数据，本文利用云水混合比值对海雾的空间分布及时域变化进行了分析。在垂直方向上，低层的云水混合比值变化小、数值接近，边界层数据变化剧烈；在时间维度上同样具有以上特征。因此在空间上，海雾呈现内部稳定、边界波动的特征；在时域上，海雾所处发展阶段(发展阶段、消散阶段等)是影响海雾变化的主要因素。

3)影响激光类武器传输特性的能见度数据可以由云水混合比等海雾特征参数推算得出，且其精度由参数精度直接影响。总体而言，能见度与云水混合比呈反比，云水混合比值越大，海雾能见度越低。

后续研究中可通过本文所获取的典型海雾特征参数建立典型海雾，尤其是垂直方向上的特征模型。本文所得到的能见度数据可用于后续的激光传输特性的仿真研究，以解决传统激光回波仿真研究中有关能见度数据的单一性、不可靠性等问题，从而进一步改进激光回波仿真模型，为掠海激光类武器在海雾环境中的传输特性研究提供更可靠的数据参考，对改善激光武器性能有着积极意义。