基于中尺度數值大氣模式的海霧特征參數研究

龍胤宇，陳慧敏，王鳳杰，陸長平

(1.北京理工大學 機電動態控制重點實驗室，北京 100081；2.上海無線電設備研究所，上海 201109)

0 引言

海霧是由于微小的水滴或冰晶懸浮在海洋大氣邊界層中，使大氣水平能見度小于1 km的一種天氣現象[1]。海霧形成的水滴或冰晶懸浮在空氣中，使目標物發出的光線被吸收、散射或折射，模糊目標物與其背景，造成能見度降低[2]。激光引信作為典型的掠海類激光武器[3]，其發射激光由于液態霧滴對其吸收和散射使得傳輸過程受到干擾，能量衰減嚴重而無法正常使用，甚至導致激光引信的虛警和早炸。魏海亮等[4]通過仿真分析得出能見度對激光衰減系數的影響最大，二者呈反比。徐春鳳等[5]通過仿真研究分析了能見度對探測概率的影響。然而，之前的研究往往是利用自擬能見度，脫離了實際的海霧環境，或使用某地點的觀測數據，對大范圍的海霧數據無法有效獲取。氣象界已經提出使用液態水含量直接預報海霧的方法[6]。

國內外利用數值模擬方法對海霧的研究已經取得了一定進展。文獻[7-8]對海霧過程進行了觀測和數值模擬分析，討論了其生消機制。文獻[9-10]基于WRF模式改進其初始場和循環模塊，從而改善了數值模擬結果。陸雪等[11]利用2005年～2011年10次春季黃海海霧個例，分析了邊界層方案及微物理方案的選擇及組合對海霧模擬結果的影響規律。田濟揚等[12]分析和總結了物理參數化方案、數據同化方法以及合理的空間尺度對WRF模式在氣象領域模擬預報效果的影響。楊悅等[13]基于WRF模式，分析了不同垂直分辨率下模式對黃海海霧的模擬表現，統計分析了水平霧區與霧頂高度對垂直分辨率的敏感性。王靜菊等[14]基于WRF模式，同化了大氣紅外探測器(AIRS)衛星溫度與濕度廓線數據，成功再現并分析了海霧的形成過程。高榮珍等[15]采用同化系統，使用WRF模式對2014年～2016年青島近海17個海霧個例進行了模擬，分析了3種能見度算法的預報效果。陳淑瑩等[16]基于WRF模式，分析了不同參數化方案組合對數值模擬結果的影響，并得出了針對新疆天山地區的最優方案組合。

在已有研究中，利用所獲取的微觀物理參數對海霧的空間分布、隨時間變化規律等研究較少。本文基于數值模擬方法，基于中尺度數值大氣模式的天氣研究和預報(WRF)模型對海霧過程進行仿真研究，通過對海拔高度400 m以下區域的密集分層設置，得到了高可靠性海霧云水混合比、能見度、霧頂高度等特征參數，對典型海霧的特征參數分布及變化規律進行了分析討論，仿真結果對掠海激光類武器在海霧氣溶膠環境下的回波特性研究提供一定的數據參考。

1 數值模擬前處理及運行

數值模擬使用的WRF模式為當前國際大氣科學界先進、成熟的新一代中尺度數值預報模式系統，WRF模式憑借其同化方法先進、技術支持有力等優點，廣泛用于科學研究。

數值模擬所使用資料包括歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)提供的歐洲氣象中心資料(ERA-Interim) 0.125°×0.125°高分辨率再分析資料數據，2015年4月28日00:00～2015年4月29日00:00 FY-2E可見光云圖資料，日本氣象廳多功能傳送衛星(MTSAT)紅外1通道和4通道亮溫資料。

WRF模式數值模擬前處理主要包括模擬區域選取、參數化方案、氣壓追隨坐標η坐標設置。

1.1 模擬區域選取

圖1 “namelist.wps”文件部分截圖Fig.1 Screenshot of “namelist.wps” file section

根據海霧過程的起始時間、發生區域確定數值模擬區域，為最大限度地提高數值模擬效率，模擬區域選取應在保證海霧被覆蓋的前提下縮小區域范圍。實現方法是編輯修改WRF模式中的“namelist.wps”的文本文件(見圖1)，以及數值模擬所要求的時間、區域。數值模擬過程中使用了WRF的嵌套模式(見圖2)，包括大范圍低分辨率的黃渤海海域d01，以及小范圍高分辨率的渤海海域d02，如表1所示。在實際使用中也可使用“WRFdomain”軟件進行網格設置，完成典型區域的選取。

圖2 數值模擬區域選取Fig.2 Numerical simulation area selection

表1 數值模擬區域Tab.1 Numerical simulation area

1.2 參數化方案

表2 WRF模式參數化方案設置Tab.2 WRF mode parameterization scheme settings

1.3 垂直η坐標設置

WRF模式采用氣壓追隨坐標η坐標，取值范圍0～1，表達式為

(1)

式中：pη為模式某層氣壓；pt為模式頂層氣壓(本文采用50 hPa)；pb表示地面氣壓；在pb采用地面氣壓的情況下，η=1表示地面，η=0表示模式頂層氣壓50 hPa處。

以往的觀測資料、探空資料以及數值模擬結果表明，就黃海海霧而言，春季海霧高度在200 m左右，夏季最多可達到400 m[17]。基于這一客觀事實，為得到更好的模擬結果，根據楊悅等[13]和劉現鵬等[18]的研究成果，本文增大了低空區域的垂直分層數量，本次海霧垂直分層η為50層(見圖3)，其中海霧所在低空區域有26層(約400 m以下)。某區域26層坐標對應海拔高度：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層～20層(3.9～157.2 m)層精度約8 m，與激光引信作用距離量級相符。

圖3 η坐標垂直分層示意圖Fig.3 Schematic diagram of vertical layering of η coordinates

2 數值模擬結果分析

2.1 結果檢驗

將模式輸出η最底層且云水混合比大于0.016 g/kg的區域[19-21]作為本次模擬的霧區。將日本氣象廳MTSAT紅外1通道和4通道亮溫資料監測到的海霧與同一時間模式模擬得到的霧區圖進行對比分析(見圖4)，在模擬分辨率較高的d02區域中海霧分布與監測霧區分布接近，在d01區域海霧模擬相似度較低，總體而言，在區域d02內本次數值模擬較好地再現了海霧的時空分布。

2.2 數值模擬分析

由于海霧數值模擬涉及范圍過大，時間較長，為了更好地對模擬結果進行分析，本文選取模擬嵌套區域d02內渤海區域不同位置的4個參考點(見圖5(a))為例對數值模擬相關結果進行分析，點A(38.09° N，120.54° E)、點B(39.06° N，119.08° E)、點C(38.43° N，119.65° E)、點D(37.85° N，119.92° E)。為了更直觀地對海霧發展進行分析，對點D做垂直剖面圖，其切線如圖5(b)所示。

圖5 參考點設置與剖面選擇Fig.5 Reference point setting and section selection

2.3 D點霧區垂直剖面圖

圖6所示為剖面霧區分布，時間分別為2015年4月28日10:00(見圖6(a))、2015年4月28日13:00(見圖6(b))、2015年4月28日14:00(見圖6(c))、2015年4月28日15:00(見圖6(d))。由圖6可見，海霧的發展速度較快，在幾小時內從霧頂高度最高130 m發展到300 m以上，同時總體而言，霧層中云水混合比的值隨著高度的增加而增大，低層比較小，在0.4～0.5 g/kg左右，在靠近霧頂處達到最大值(高達0.8 g/kg以上)。這種情況與霧頂長波輻射的冷卻效應有關[14]，霧頂的向上長波輻射會帶走大量熱量，造成霧層上部降溫，使水汽達到飽和而凝結，表現出霧層上部比下部的液態水含量更高的現象；同時霧頂長波輻射會使霧頂上空形成逆溫層，以及冷卻效果隨著湍流混合下傳至整個霧層內，都有利于海霧的發展與維持，這又使得霧頂長波輻射繼續存在，形成了一個正反饋過程，從而導致云水混合比的大值區保持在霧層上部。

圖6 不同時間的D點霧區垂直剖面圖Fig.6 Vertical section of fog region at reference point D at different times

2.4 云水混合比隨高度變化

在海霧研究中，云水混合比是一個相當重要的數據，甚至大多海霧研究會直接將數值模擬獲得的云水混合比的時空分布與海霧的時空分布對等。云水混合比是獲得海霧水平能見度的關鍵數據，而WRF模式可以直接通過數值模擬得到云水混合比數據，因此對其結果進行分析有利于對海霧過程的理解與后續仿真的進行。圖7所示為參考點A在2015年4月28日8:00～2015年4月28日23:00時刻云水混合比隨海拔高度的變化曲線，可見在同一時刻云水混合比分布下層變化平穩，上層變化劇烈，且有中間斷層的現象發生(見圖7(d))。

圖7 參考點A在2015年4月28日8:00～2015年4月28日23:00時刻的云水混合比隨高度變化曲線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 最大海霧霧頂高度隨時間變化

海霧霧頂高度是海霧最具代表性的宏觀特征，通過同一參考點在24 h內的霧頂高度隨時間變化曲線分析其海霧特征。如圖8所示，不同參考點海霧霧頂高度隨時間推移為增加，表明海霧呈發展趨勢。

通過實地調查，認真分析全縣核桃產業發展現狀和趨勢，大荔縣發展核桃產業優勢明顯、潛力巨大。現有核桃面積4266.7hm2，與其它縣相比，具有得天獨厚的潛力和優勢，主要表現在以下3點。

圖8 不同參考點的海霧霧頂高度隨時間變化圖Fig.8 Variation of sea fog top height with time at different reference points

2.6 同一參考點不同η層數云水混合比隨時間變化

通過對空間中固定位置處云水混合比隨時間變化曲線(見圖9)，分析同一參考點下不同η分層的海霧特征變化可以看出：對于本文研究的海霧過程，海霧出現時刻差距較大(2015年4月28日0：00～2015年4月29日8：00時刻不等)，但空間中固定位置處的云水混合比能在1～2 h內達到峰值，之后整體呈下降趨勢；在云水混合比值達到峰值后，其下降比例處于20%～50%之間；對于同一參考點，較高處(η=0.994)的海霧云水混合比值變化更為劇烈。

圖9 同一參考點和不同η分層的云水混合比隨時間變化圖Fig.9 Change of different η layering cloud-water mixing ratios with time at the same reference point

2.7 不同參考點同一η層數云水混合比隨時間變化

通過對不同參考點同一層的海霧特征對2.5節的仿真結果進行橫向補充分析(見圖10)可以看出，雖然不同參考點相對同一參考點較大，但是整體同樣滿足在短時間上升到一個高峰，隨后呈下降趨勢的規律。

圖10 不同參考點和同一η分層的云水混合比隨時間變化圖Fig.10 Change of η layering cloud-water mixing ratio with time at different reference points

3 能見度計算

由于能見度數據可以直接用于后續的海霧激光回波仿真，對本次數值模擬得到的云水混合比等數據進行計算，得到相應的能見度數據。利用目前國際學術界公認的海霧判定方法，對模式模擬的霧區進行分析，霧中大氣水平能見度用Koschmieder公式[22]，如Stoelinga等[23]根據大氣消光系數提出的計算水平能見度的經驗公式為

(2)

式中：Xv為能見度(m)；β為大氣消光系數，由云水、云冰、雪和雨水的消光系數確定。在本次海霧過程中沒有積雪和云冰的影響，而雨水量遠低于云水，對能見度的影響可以忽略不計，因此用云水消光系數來計算能見度，表達式為

(3)

式中：ρ為濕空氣密度(kg/m3)；qc為云水混合比(g/kg)。大氣物理學濕空氣的狀態方程表達式為

p=ρRd(1+0.608×1 000qv)T，

(4)

式中：p為大氣壓強(Pa)；Rd為干空氣的比氣體常數取287.05 J/(kg·K)；qv為水汽混合比(g/kg)；T為干空氣的絕對溫度。由(3)式、(4)式可計算出特定位置處的能見度。圖11所示為以參考點A為例，對4個不同時刻(8:00、12:00、16:00、20:00)下能見度隨高度變化進行的分析結果。由圖11可見，與圖7相比，云水混合比值越大，能見度越低，二者呈反比關系。

圖11 參考點A在不同時刻下能見度與海拔高度變化曲線Fig.11 Change of visibility value with sea wave height at reference point A at different times

4 結論

本文以掠海激光類武器在海霧環境中的傳輸特性為研究背景，利用WRF模式對2015年4月28日00:00～2015年4月29日00:00的一次黃渤海海域海霧過程進行了數值模擬，得到云水混合比、海霧霧頂高度等特征參數，并對其進行了分析。得到主要結論如下：

1)本次海霧過程霧頂高度基本處于海拔高度400 m以下，對比同一條件下垂直方向上海拔高度400 m以下及海拔高度400 m以上的數據可見，提高η分層有利于在垂直方向得到高精度的海霧特征參數數據。

2)云水混合比是表征海霧特征的主要數據，本文利用云水混合比值對海霧的空間分布及時域變化進行了分析。在垂直方向上，低層的云水混合比值變化小、數值接近，邊界層數據變化劇烈；在時間維度上同樣具有以上特征。因此在空間上，海霧呈現內部穩定、邊界波動的特征；在時域上，海霧所處發展階段(發展階段、消散階段等)是影響海霧變化的主要因素。

3)影響激光類武器傳輸特性的能見度數據可以由云水混合比等海霧特征參數推算得出，且其精度由參數精度直接影響。總體而言，能見度與云水混合比呈反比，云水混合比值越大，海霧能見度越低。

后續研究中可通過本文所獲取的典型海霧特征參數建立典型海霧，尤其是垂直方向上的特征模型。本文所得到的能見度數據可用于后續的激光傳輸特性的仿真研究，以解決傳統激光回波仿真研究中有關能見度數據的單一性、不可靠性等問題，從而進一步改進激光回波仿真模型，為掠海激光類武器在海霧環境中的傳輸特性研究提供更可靠的數據參考，對改善激光武器性能有著積極意義。