一種統(tǒng)計(jì)技術(shù)結(jié)合動(dòng)力釋用的沿海海霧預(yù)報(bào)方法

胡波，杜惠良，郝世峰，俞燎霓，滕代高

（浙江省氣象臺(tái)，浙江杭州310017）

1 引言

浙江地理位置優(yōu)越，東臨東海，毗鄰臺(tái)灣海峽和日本海域，對(duì)內(nèi)是江海聯(lián)運(yùn)樞紐，對(duì)外是遠(yuǎn)東國(guó)際航線要沖，隨著外貿(mào)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，浙江已將海洋開(kāi)發(fā)上升為國(guó)家戰(zhàn)略。春夏之交，東海大霧頻發(fā)，其持續(xù)時(shí)間可達(dá)數(shù)天之久,影響范圍至數(shù)十萬(wàn)平方公里，對(duì)浙江沿海航運(yùn)、海上貿(mào)易等造成不利影響，迫切需要?dú)庀蟛块T(mén)開(kāi)展專門(mén)的海上大霧精細(xì)化預(yù)報(bào)技術(shù)，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展保駕護(hù)航。

針對(duì)大霧發(fā)生發(fā)展規(guī)律的研究工作已經(jīng)得到了廣泛開(kāi)展，預(yù)報(bào)員往往基于天氣學(xué)原理，查找與大霧關(guān)聯(lián)的宏觀因子（如溫、濕、風(fēng)、層結(jié)穩(wěn)定度等要素），利用回歸等方法開(kāi)展預(yù)報(bào)[1-4]，這些預(yù)報(bào)方法沒(méi)有考慮大霧微物理過(guò)程，結(jié)果不能滿足精細(xì)化預(yù)報(bào)需要。大量觀測(cè)事實(shí)表明，大霧能見(jiàn)度與微觀因子直接關(guān)聯(lián)性，如屈鳳秋[5]等對(duì)一次華南海霧過(guò)程分別從宏觀和微觀角度對(duì)大霧機(jī)理進(jìn)行剖析，李曉娜等[6]則對(duì)海霧中的液態(tài)含水量演變特征進(jìn)行探討，這些研究均闡述了大霧的微觀特征。一些研究利用微觀因子建立了大氣能見(jiàn)度經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)模型，如Stoelinga 等[7]利用液態(tài)含水量來(lái)估算大氣消光系數(shù)，從而獲得大氣能見(jiàn)度，該預(yù)報(bào)模型被后來(lái)的數(shù)值預(yù)報(bào)工作普遍采用，并在實(shí)際業(yè)務(wù)中使用[8]，該方法只使用了一個(gè)微觀特征量，預(yù)報(bào)效果還有進(jìn)一步提高的空間；Gultepe 等[9]根據(jù)觀測(cè)事實(shí)又提出了一種新的能見(jiàn)度估算方法，方法使用了液態(tài)水含量和云滴粒子密度作為模型因子，對(duì)比試驗(yàn)表明，其估算的能見(jiàn)度準(zhǔn)確率較以往方法提高了20%—50%，但由于云滴粒子密度參數(shù)在數(shù)值模式中還不能直接輸出，如果采用固定值則不能反映大霧的地域特征，則預(yù)報(bào)效果受到了限制，因此直接在業(yè)務(wù)中應(yīng)用還有一定難度，本文通過(guò)結(jié)合數(shù)值模式輸出和歷史相似個(gè)例分析的方法，提出一種基于經(jīng)驗(yàn)相似原理的動(dòng)態(tài)云滴粒子密度計(jì)算方案，在模式參數(shù)化水平不斷提高的前提下，使Gultepe等提出的基于微物理因子的能見(jiàn)度預(yù)報(bào)方法投入實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)應(yīng)用成為可能。

2 方法

2.1 近地面要素相似

本文根據(jù)鐘元等[10]提出的相似預(yù)報(bào)方法，對(duì)近地面要素場(chǎng)進(jìn)行相似比較，首先，為了避免不同要素的數(shù)據(jù)量級(jí)不一致可能導(dǎo)致的問(wèn)題，需預(yù)先對(duì)各站觀測(cè)要素時(shí)間序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，某個(gè)要素處理后的數(shù)據(jù)時(shí)間序列表示為xt，數(shù)值預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)記為f ，兩者距離Dt(f,x)表示為：

為了對(duì)多個(gè)要素場(chǎng)的相似結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)估，需對(duì)各要素的Dt(f,x)進(jìn)行評(píng)分。首先確定相似距離最大值Max(Dt(f,x)) 與最小值Min(Dt(f,x))，并將極差進(jìn)行N 等分處理：

歷史個(gè)例與界限值C 的絕對(duì)距離表示為：

由此定義某要素i 的相似指數(shù)SIt為：

式中,a 為評(píng)分放大系數(shù)，其值越大就越能有效的拉大相似個(gè)例之間的評(píng)分，a 取為1.3。最后多個(gè)要素場(chǎng)的綜合相似指數(shù)SITt為：

式中,I 為要素總數(shù)，t 為歷史個(gè)例時(shí)次。

2.2 Gultepe能見(jiàn)度估算業(yè)務(wù)化方法

2.2.1 Gultepe能見(jiàn)度參數(shù)化方法

2007年Gultepe 等[9]提出了針對(duì)氣溫在0℃以上、相對(duì)濕度接近100%的暖霧能見(jiàn)度的參數(shù)化估算方案，該方案將能見(jiàn)度作為液態(tài)水含量和云滴粒子數(shù)密度兩者的函數(shù)，公式表示為：

Visobs為能見(jiàn)度，LWC 液態(tài)水含量，Nd為云滴粒子數(shù)密度，可見(jiàn)，能見(jiàn)度與液態(tài)水含量和云滴粒子數(shù)密度呈反比，指出在海洋的環(huán)境下Nd可以固定為100 cmˉ3，在陸地的環(huán)境下可以固定為200 cmˉ3，并進(jìn)一步說(shuō)明這些固定的Nd值并不總是有效的，不能完全反映各地的區(qū)域特征。

2.2.2 LWC 和Nd計(jì)算

液態(tài)水含量參數(shù)可以直接利用WRF 模式輸出的物理量進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)公式8—10。

式中，QVAPOR 為水汽含量，QCLOUD 為云水含量，PRES 為氣壓，TC 為氣溫，tv 為虛溫，ρ 為大氣密度，LWC 為最終得到的液態(tài)水含量。

由于云滴粒子數(shù)密度在云參數(shù)化方案中沒(méi)有考慮，故數(shù)值模式還不能實(shí)現(xiàn)直接輸出，本文考慮使用歷史經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的方法加以解決。對(duì)于沿海海霧來(lái)說(shuō)，影響云滴粒子數(shù)的因子主要包括人類活動(dòng)造成的氣溶膠顆粒物和海面上的微細(xì)鹽粒等吸濕性微粒，這兩者均有典型的地域特征。

首先根據(jù)多要素的綜合相似指SITt確定相似歷史個(gè)例，然后根據(jù)（7）式的反推運(yùn)算得到云滴粒子數(shù)密度（Nd），見(jiàn)公式（11）：

式中：

式中，VisObs為相似個(gè)例的能見(jiàn)度，然后根據(jù)（7）式計(jì)算預(yù)報(bào)能見(jiàn)度。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)方案

為了充分利用有限的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)信息，采用因子循環(huán)方式查找相似個(gè)例，即對(duì)每個(gè)歷史個(gè)例均進(jìn)行輪流試報(bào)，在試報(bào)某個(gè)個(gè)例時(shí)，其余個(gè)例均作為歷史相似查找?guī)?，換另外個(gè)例試報(bào)時(shí)，前一個(gè)試報(bào)個(gè)例將重新進(jìn)入歷史相似查找?guī)?，從而最大限度發(fā)揮了歷史個(gè)例數(shù)據(jù)庫(kù)的信息。

2.2.4 評(píng)估方案

為了對(duì)Gultepe 業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單有效評(píng)估，本文對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分類，分為總的報(bào)對(duì)站次，包括有霧和無(wú)霧的個(gè)例、單獨(dú)大霧報(bào)對(duì)站次以及大霧誤報(bào)和漏報(bào)的站次，并得到了大霧報(bào)對(duì)準(zhǔn)確率和有無(wú)大霧預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

另外，為了與其他能見(jiàn)度預(yù)報(bào)方法比較，本文計(jì)算了目前數(shù)值研究工作普遍采用的Stoelinga等[7]的能見(jiàn)度預(yù)報(bào)結(jié)果，其根據(jù)消光系數(shù)來(lái)計(jì)算大氣的水平能見(jiàn)度：

式中，Vis 是水平能見(jiàn)度, β 為消光系數(shù)。根據(jù)Kunkel[11]研究，云水消光系數(shù)β 可采用的經(jīng)驗(yàn)公式為:

式中，LWC 為液態(tài)水含量，計(jì)算見(jiàn)公式（10）。

3 業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)流程

詳細(xì)的預(yù)報(bào)模型流程見(jiàn)圖1，首先利用近地面要素?cái)?shù)值預(yù)報(bào)資料計(jì)算液態(tài)水含量（LWC），然后結(jié)合根據(jù)歷史站點(diǎn)資料，計(jì)算歷史個(gè)例的綜合相似指數(shù)，得到最佳歷史相似個(gè)例，從而得到歷史相似個(gè)例的云滴粒子數(shù)密度（Nd），最后利用Gultepe 能見(jiàn)度估算公式得到能見(jiàn)度預(yù)報(bào)。

4 計(jì)算數(shù)據(jù)

本文利用由浙江省信息網(wǎng)絡(luò)中心提供的浙江沿海海島14 個(gè)氣象站資料，要素包括能見(jiàn)度、相對(duì)濕度、比濕、風(fēng)、水汽壓、飽和水汽壓、溫度露點(diǎn)差，時(shí)間跨度選為2010—2013年的3—6月,時(shí)次選擇為11 時(shí)和23 時(shí)，其地理分布見(jiàn)圖2。此外總體上來(lái)看，歷史沿海海霧個(gè)例相對(duì)較少，為了更好的判斷模式大霧預(yù)報(bào)效果，選取站點(diǎn)個(gè)例的能見(jiàn)度在5000 m以下,得到304站次個(gè)例。

為了比較好的評(píng)估模型預(yù)報(bào)效果，考慮到模式啟動(dòng)后需要點(diǎn)時(shí)間對(duì)云水參數(shù)化方案進(jìn)行融合，因此使用WRF模式3 h輸出作為試驗(yàn)使用的近地面要素場(chǎng)數(shù)據(jù)，從而盡可能保障預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，資料的時(shí)間跨度為2010—2013年的3—6月，模式起報(bào)時(shí)次為08時(shí)和20時(shí)，空間分辨率為5 km×5 km。最后利用雙線性插值法將模式輸出插值到浙江沿海海島氣象站點(diǎn)上。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)所有歷史個(gè)例都進(jìn)行了循環(huán)試報(bào)，結(jié)果見(jiàn)表1，可見(jiàn)Gultepe 方法無(wú)論是從有無(wú)大霧的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，還是大霧報(bào)對(duì)次數(shù)均比Stoelinga 方法表現(xiàn)要好，有無(wú)大霧準(zhǔn)確率從71%（216/304）提高到79%（243/304），大霧報(bào)對(duì)準(zhǔn)確率也從61%（136/224）提高到73%（167/228）。說(shuō)明Gultepe 方法同時(shí)考慮LWC 和Nd參數(shù)的計(jì)算方法優(yōu)于僅考慮LWC 參數(shù)的Stoelinga方法，Gultepe方法在微物理解釋更加符合大霧實(shí)際發(fā)生規(guī)律。結(jié)果也同時(shí)說(shuō)明了基于經(jīng)驗(yàn)相似統(tǒng)計(jì)技術(shù)和模式輸出的Gultepe 能見(jiàn)度預(yù)報(bào)方法有較好的實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用價(jià)值。

圖1 基于經(jīng)驗(yàn)相似統(tǒng)計(jì)技術(shù)和模式輸出的Gultepe能見(jiàn)度預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)框圖

圖2 浙江省沿海海面大霧試驗(yàn)站點(diǎn)分布

表1 Stoelinga方法和Gultepe方法大霧預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率對(duì)比

6 結(jié)論和討論

已有的研究結(jié)果表明，同時(shí)考慮大氣中的液態(tài)水含量和云滴粒子數(shù)密度兩個(gè)參數(shù)的Gultepe 大霧估算方法具有優(yōu)勢(shì)，但由于其所涉及的參數(shù)還不能直接從現(xiàn)有模式中提取，因此在實(shí)際業(yè)務(wù)中應(yīng)用存在困難。本文提出了一種利用歷史相似個(gè)例查詢技術(shù)，結(jié)合WRF 模式輸出釋用的Gultepe 沿海大霧預(yù)報(bào)方法，實(shí)現(xiàn)LWC 和Nd參數(shù)的業(yè)務(wù)計(jì)算。

通過(guò)對(duì)2011—2013年的3—6月的浙江沿海海霧歷史個(gè)例進(jìn)行試報(bào)，并同Stoelinga預(yù)報(bào)方法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)合統(tǒng)計(jì)方法和動(dòng)力模式輸出可以一定程度上可以克服目前數(shù)值模式不成熟的缺陷，得到較準(zhǔn)確的大氣微物理參數(shù)，使Gultepe 方法在實(shí)際業(yè)務(wù)中應(yīng)用存在可能，提高了WRF 模式大霧預(yù)報(bào)的釋用水平。同時(shí)也再次證明了同時(shí)考慮LWC 和Nd參數(shù)的Gultepe 方法優(yōu)于僅考慮LWC 參數(shù)的Stoelinga方法。

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