WRF模式對(duì)烏魯木齊機(jī)場(chǎng)一次凍霧天氣的數(shù)值預(yù)報(bào)對(duì)比試驗(yàn)分析

陳陽權(quán)，杜安妮，竇新英，王清平，張利平

（1.民航新疆空中交通管理局氣象中心，新疆 烏魯木齊830016；2.新疆氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊830002）

霧的形成受到天氣系統(tǒng)、本地溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、大氣成分、地形等諸多因素的影響，其預(yù)報(bào)是一個(gè)非常復(fù)雜的難題。目前對(duì)大霧的預(yù)報(bào)主要依靠天氣分型法、指標(biāo)法、傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法等，在實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中已經(jīng)取得了一定效果，但這些方法嚴(yán)重依賴觀測(cè)資料的時(shí)間和空間分辨率，在一些資料匱乏的地區(qū)難以應(yīng)用，對(duì)于一些局地性的大霧預(yù)報(bào)較難。近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)開始利用中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)霧進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到了有意義的研究成果[1-3]。已有的這些研究成果表明，霧的數(shù)值預(yù)報(bào)水平與模式的各物理過程參數(shù)化方案密切相關(guān)，這些參數(shù)化方案包括微物理過程、邊界層過程、陸面過程、垂直分辨率等。

WRF（Weather Research and Forecasting）模式作為新一代中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式，提供了多種完善的參數(shù)化方案可供選擇，模式分辨率在初始場(chǎng)分辨率較高的條件下可以精確到3 km或者更細(xì)，垂直分辨率甚至可以達(dá)到幾十米，被廣泛應(yīng)用于降水、大風(fēng)等業(yè)務(wù)系統(tǒng)，也被廣泛應(yīng)用于霧的診斷與預(yù)報(bào)試驗(yàn)[1]。在民航氣象領(lǐng)域，部分地區(qū)空管局氣象中心已經(jīng)開始利用WRF進(jìn)行低云、低能見度預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)化系統(tǒng)的試驗(yàn)。

在大霧的模擬研究中，常將特定的液態(tài)含水量臨界值作為判斷霧區(qū)的條件之一[4-6]，有時(shí)也選定相對(duì)濕度的閾值作為判斷大霧出現(xiàn)和消散的條件[7]。不同的地域特點(diǎn)及不同的出霧條件決定了各地霧中液態(tài)含水量和相對(duì)濕度條件必然各不相同。據(jù)統(tǒng)計(jì)，新疆80豫耀90豫的大霧天氣出現(xiàn)在相對(duì)濕度>90豫的環(huán)境，5豫耀20豫的大霧出現(xiàn)在相對(duì)濕度80豫耀90豫的環(huán)境下，低于80豫的相對(duì)濕度環(huán)境下很少出現(xiàn)大霧天氣[8]。王春紅等[9]對(duì)烏魯木齊機(jī)場(chǎng)一次初霧天氣的模擬分析中選用地面濕度逸80%作為出現(xiàn)大霧的潛在區(qū)域，并取得了較好的效果。

航空氣象上霧是指近地面中水汽凝結(jié)或凝華而使能見度低于1000 m的視程障礙現(xiàn)象，凍霧是霧的一種形態(tài)，包括凍結(jié)和過冷卻兩種，凍結(jié)指在地面上形成了霧凇，過冷卻指地面上未凍結(jié)，但霧中由過冷卻水滴組成。烏魯木齊機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)能見度低于800 m的凍霧時(shí)就會(huì)影響航空器運(yùn)行正常，而每年11月—次年3月，都會(huì)頻繁出現(xiàn)能見度低于800 m的凍霧天氣，王楠等[10]通過對(duì)烏魯木齊機(jī)場(chǎng)37 a霧的特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)場(chǎng)霧累積出現(xiàn)時(shí)間呈上升趨勢(shì)。據(jù)機(jī)場(chǎng)氣象部門統(tǒng)計(jì)，在2015年12月、2016年1月分別出現(xiàn)了27 d和29 d的凍霧，凍霧日數(shù)突破歷史同期的極值，凍霧成為冬季影響機(jī)場(chǎng)航班安全和正常的重要復(fù)雜天氣。本文利用WRF模式對(duì)2016年11月28—29日烏魯木齊機(jī)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間凍霧天氣過程進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)，以2 m相對(duì)濕度逸80%作為評(píng)估參數(shù)，機(jī)場(chǎng)實(shí)況進(jìn)行對(duì)比，研究WRF模式在凍霧預(yù)報(bào)過程中對(duì)各種參數(shù)化方案的敏感性，選擇出最優(yōu)的參數(shù)化方案組合，并在此基礎(chǔ)上分析預(yù)報(bào)結(jié)果，期望直接利用數(shù)值預(yù)報(bào)診斷出此次凍霧過程，為凍霧預(yù)報(bào)積累經(jīng)驗(yàn)。

1 天氣過程

2016年11月28日10時(shí)—29日06時(shí)（文中時(shí)間均為世界協(xié)調(diào)時(shí)UTC），北疆沿天山一帶的烏蘭烏蘇至烏魯木齊機(jī)場(chǎng)一帶出現(xiàn)了大范圍的凍霧天氣，能見度普遍在100 m左右。烏魯木齊機(jī)場(chǎng)28日10時(shí)，開始出現(xiàn)凍霧天氣，至29日06時(shí)能見度迅速好轉(zhuǎn)到900 m，凍霧持續(xù)時(shí)間達(dá)20 h以上，能見度最低100 m，對(duì)航空運(yùn)行造成了極大影響，凍霧期間主導(dǎo)能見度變化如圖1所示。凍霧在28日10時(shí)出現(xiàn)，實(shí)屬罕見。烏魯木齊市區(qū)從29日03時(shí)開始能見度迅速降低至800~1000 m，在07時(shí)后能見度迅速下降至500 m及以下，最低100 m。

圖1 2016年11月28—29日凍霧期間主導(dǎo)能見度變化

2 資料與方法

2.1 所用資料包括

2016年11月28—29日機(jī)場(chǎng)METAR報(bào)文資料及新疆地區(qū)逐小時(shí)自動(dòng)站資料；28日00時(shí)UTC GFS 1毅伊 1毅預(yù)報(bào)場(chǎng)資料。

2.2 預(yù)報(bào)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用WRF3.7.1版本，使用三重雙向嵌套網(wǎng)格，中心點(diǎn)位于烏魯木齊附近（44毅N，87毅E），網(wǎng)格分辨率分別為27、9、3 km，區(qū)域設(shè)計(jì)見圖2a。垂直層次為45層，對(duì)底層進(jìn)行加密，3 km以下15層，垂直層次見圖2b。以28日00時(shí)GFS全球預(yù)報(bào)場(chǎng)作為初始場(chǎng)，積分步長(zhǎng)90 s，積分48 h，大區(qū)域每3 h輸出一次結(jié)果，小區(qū)域每1 h輸出一次結(jié)果，分析中以前6 h作為SPIN-UP時(shí)間。

圖2 區(qū)域嵌套設(shè)計(jì)及垂直層次的高度變化

目前，WRF模式參數(shù)化方案主要包括微物理方案、長(zhǎng)波輻射方案、短波輻射方案、近地層方案、陸面過程方案、邊界層方案及積云對(duì)流方案等。由于積云對(duì)流參數(shù)化方案對(duì)新疆區(qū)域冬季影響較小，本文選擇KF方案（Kain-Fritsch（new Eta）scheme）。長(zhǎng)波輻射方案選用RRTM方案，短波輻射方案選用Dudhia方案[11-15]。由于霧是近地層的視程障礙現(xiàn)象，且其主要發(fā)生在穩(wěn)定的邊界層中，其對(duì)下墊面性質(zhì)極為敏感[16]，因此，本文將重點(diǎn)研究近地層方案、邊界層方案、陸面過程方案的組合對(duì)霧的影響。在利用模式模擬霧的研究中，經(jīng)常用到的陸面過程方案有SLAB方案（5-layer thermal diffusion scheme）和Noah方案（Unified Noah land-surface model）；邊界層方案主要有YSU方案 （Yonsei University scheme）、MYJ方案（Mellor-Yamada-Janjic TKE scheme）和QNSE方案（Quasi-Normal Scale Elimination PBL），與之對(duì)應(yīng)的近地層方案分別是MM5 similarity方案、Eta similarity方案和QNSE surface layer方案；微物理過程采用Lin方案（Lin et al.scheme）和WDM6方案（WDM 6-class scheme）。為了找出不同方案對(duì)霧的預(yù)報(bào)效果，參考黃政[3]等在高速公路大霧過程研究中的參數(shù)化方案組合方法，將不同方案進(jìn)行組合得到12套物理方案選擇。另外，榮昕等[14]在其研究中提到微物理方案選擇Morrison方案（Morrison double-moment scheme）、積云對(duì)流方案選擇G3方案（Grell 3D ensemblescheme）、陸面過程方案選擇SLAB方案、邊界層方案選擇QNSE方案時(shí)，對(duì)霧的模擬效果較好，因此本文也考慮這套方案的預(yù)報(bào)效果，方案組合見表1。

表1 各參數(shù)化方案組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)[3]

3 不同參數(shù)化方案效果評(píng)估

對(duì)13個(gè)試驗(yàn)方案組合的500 hPa環(huán)流形勢(shì)及海平面氣壓場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在28日12時(shí)UTC 13個(gè)試驗(yàn)方案預(yù)報(bào)新疆西部地區(qū)為脊區(qū)控制，新疆其它大部地區(qū)為脊前西北氣流控制，海平面氣壓場(chǎng)上北疆大部為高壓控制，13個(gè)方案預(yù)報(bào)的高空和地面環(huán)流形勢(shì)完全一致，且預(yù)報(bào)高空環(huán)流形勢(shì)與實(shí)況基本吻合，北疆地面高壓位置與實(shí)況也一致，強(qiáng)度略偏小。通過對(duì)高空地面形勢(shì)分析可排除降水對(duì)2 m相對(duì)濕度的影響，在13個(gè)試驗(yàn)方案形勢(shì)預(yù)報(bào)一致的條件下，本文將通過模式預(yù)報(bào)的2 m相對(duì)濕度與機(jī)場(chǎng)2 m相對(duì)濕度實(shí)況進(jìn)行對(duì)比分析，選擇最優(yōu)的參數(shù)化方案組合。

由表2可知，機(jī)場(chǎng)實(shí)況顯示09時(shí)濕度超過80%，對(duì)比圖1中能見度可知，能見度從1600 m迅速下降至1000 m，至10時(shí)能見度下降至200 m，之后長(zhǎng)時(shí)間維持在100耀200 m。對(duì)比13個(gè)方案中2 m相對(duì)濕度變化來看，組合方案3、9、13預(yù)報(bào)的2 m相對(duì)濕度在10時(shí)均超過80%，且之后一直維持，而其余方案2 m相對(duì)濕度在10時(shí)均低于80%，組合方案4、5、6、10、11、12等方案整個(gè)預(yù)報(bào)過程中2 m相對(duì)濕度預(yù)報(bào)一直低于70%，與實(shí)際差異較大。以2 m相對(duì)濕度的變化來代表能見度變化，組合方案3、9、13預(yù)報(bào)效果相對(duì)于其余方案較好。

單獨(dú)分析方案3、9、13方案（圖3）在28日19時(shí)前預(yù)報(bào)基本一致，與實(shí)況趨勢(shì)也基本一致，但預(yù)報(bào)的相對(duì)濕度比實(shí)況小。19時(shí)后，實(shí)況出現(xiàn)了上下波動(dòng)，方案3和9能預(yù)報(bào)出這種波動(dòng)，方案13預(yù)報(bào)結(jié)果仍然持續(xù)上升，3個(gè)方案在20時(shí)后預(yù)報(bào)相對(duì)濕度均比實(shí)況大。與方案3相比，方案9的預(yù)報(bào)更接近于實(shí)況。由此可見，方案9在這次試驗(yàn)中是最優(yōu)的。

對(duì)比（表2）可知，方案3、9、13近地層方案均為QNSE、陸面方案均為SLAB、邊界層方案均為QNSE，由此可見，WRF模式2 m相對(duì)濕度的預(yù)報(bào)對(duì)近地層方案、陸面過程方案、邊界層方案組合較為敏感，而微物理過程起到微調(diào)作用，Lin方案和WDM6兩者預(yù)報(bào)趨于一致，在數(shù)值上略有差異。Morrison方案在預(yù)報(bào)后期表現(xiàn)略差，尤其是在實(shí)況出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，預(yù)報(bào)效果沒有Lin方案和WDM6好。

圖3 方案3、9、13預(yù)報(bào)2 m相對(duì)濕度與實(shí)況對(duì)比

表2 機(jī)場(chǎng)28日06時(shí)—29日06時(shí)實(shí)況相對(duì)濕度及WRF各參數(shù)化方案預(yù)報(bào)2 m相對(duì)濕度 %

4 預(yù)報(bào)結(jié)果分析

通過對(duì)13個(gè)方案的對(duì)比分析，方案9（即WDM6、QNSE、SLAB、QNSE、KF）在此次試驗(yàn)中表現(xiàn)最好，利用方案9的預(yù)報(bào)結(jié)果，嘗試對(duì)天氣形勢(shì)、穩(wěn)定層、溫濕度、風(fēng)場(chǎng)混合等條件進(jìn)行分析，期望能直接通過模式預(yù)報(bào)診斷出此次凍霧天氣，對(duì)將來分析和預(yù)報(bào)凍霧提供一定的幫助。以下分析中所參考圖形高度均為sigma層高度，該高度與實(shí)際高度關(guān)系見圖2b，具體對(duì)應(yīng)數(shù)值見表3。

表3 sigma層高度與實(shí)際高度對(duì)應(yīng)數(shù)值 m

4.1 形勢(shì)預(yù)報(bào)

28日09時(shí)預(yù)報(bào)的500 hPa高空環(huán)流形勢(shì)（圖4a）上，北疆處于槽后西北氣流控制，中亞至新疆西部地區(qū)為淺脊區(qū)，500 hPa環(huán)流形勢(shì)逐漸趨于穩(wěn)定，且蒙古至新疆東部以東為高空槽區(qū)，高空環(huán)流形勢(shì)非常有利于中低層形成穩(wěn)定的東南風(fēng)層，使得逆溫層穩(wěn)定且深厚，為凍霧出現(xiàn)和長(zhǎng)時(shí)間維持提供非常好的環(huán)流條件。海平面氣壓場(chǎng)的預(yù)報(bào)上（圖4b），北疆大部處于高壓控制，北疆沿天山正好處于高壓底部區(qū)域，氣壓梯度小，地面風(fēng)場(chǎng)弱，且在高壓控制下天空放晴，利于輻射降溫而形成輻射霧。

4.2 穩(wěn)定層預(yù)報(bào)

穩(wěn)定層結(jié)是凍霧出現(xiàn)和持續(xù)的必要條件之一。從弱減溫層、等溫層至出現(xiàn)逆溫層，層結(jié)越來越穩(wěn)定，凍霧出現(xiàn)和持續(xù)的可能性越來越大。從06時(shí)開始，溫度層結(jié)在615 m以下由等溫層逐漸發(fā)展為逆溫層，在17時(shí)以后，268耀652 m出現(xiàn)東南風(fēng)層，東南風(fēng)增溫作用使得該層次溫度升高，而東南風(fēng)層以下高度溫度變化不大，逆溫強(qiáng)度加強(qiáng)（圖5a）。由圖5b可知，在09時(shí)107耀450 m高度已經(jīng)出現(xiàn)1益的弱逆溫層，與10時(shí)出現(xiàn)的凍霧天氣有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，至18時(shí)，逆溫層加厚至652 m，逆溫層底部貼近地面，逆溫強(qiáng)度明顯加強(qiáng)超過6益，持續(xù)且強(qiáng)盛的逆溫層對(duì)凍霧強(qiáng)度加強(qiáng)和持續(xù)非常有利。29日03時(shí)預(yù)報(bào)逆溫層明顯抬高（圖5c），逆溫層底抬高至107 m，逆溫層頂抬高至827 m，至06時(shí)逆溫層底抬高至180 m，逆溫層頂抬高至1305 m，逆溫層的抬高表明機(jī)場(chǎng)凍霧將逐漸減弱抬高，對(duì)06時(shí)凍霧減弱有較好的指示作用，同時(shí)逆溫層抬高與烏魯木齊市氣象站的能見度變差的時(shí)間吻合較好。

圖4 方案9預(yù)報(bào)28日09時(shí)500 hPa高度場(chǎng)（a）和海平面氣壓場(chǎng)（b）

圖5 方案9預(yù)報(bào)機(jī)場(chǎng)上空風(fēng)溫時(shí)間剖面及溫度垂直廓線

由此可見，本方案中逆溫層的變化與實(shí)況的能見度的變化有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，逆溫層的變化對(duì)凍霧生消、加強(qiáng)及減弱有明顯的參考價(jià)值。

4.3 溫濕條件

在干旱和半干旱地區(qū)，水汽條件在形成霧的過程中起著十分關(guān)鍵的作用[9]。從方案9預(yù)報(bào)的2 m對(duì)相對(duì)濕度上分析機(jī)場(chǎng)上空相對(duì)濕度變化情況（圖6a），在2 m溫度預(yù)報(bào)上，從28日08時(shí)開始，機(jī)場(chǎng)溫度迅速下降，導(dǎo)致相對(duì)濕度快速上升，2 m濕度維持超過80%的時(shí)段，與機(jī)場(chǎng)出霧時(shí)間基本一致，在17時(shí)后維持超過90%的濕度。從28日10—17時(shí)，機(jī)場(chǎng)上空相對(duì)濕度幾乎小于80%（圖6b），17時(shí)后相對(duì)濕度大于80%的厚度開始增加，29日07時(shí)達(dá)到了268 m，最厚時(shí)高度達(dá)372 m，相對(duì)濕度強(qiáng)度加強(qiáng)和厚度增加對(duì)霧的加強(qiáng)和維持是有利的。從濕度垂直結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)來看，10—17時(shí)霧的厚度比較小，17時(shí)后霧區(qū)厚度加大，但是由于沒有資料佐證，并不能確定霧區(qū)真正達(dá)到的高度，而烏魯木齊市區(qū)（較機(jī)場(chǎng)高約282 m）29日07時(shí)后能見度迅速下降至500 m或以下，能從側(cè)面反映濕度逸80%的區(qū)域確實(shí)與霧區(qū)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可作為霧出現(xiàn)和霧厚度的判據(jù)之一。

4.4 混合條件

圖6 方案9預(yù)報(bào)機(jī)場(chǎng)28日06時(shí)—29日15時(shí)溫度、2 m濕度（a）及濕度隨高度的時(shí)間剖面（b）

圖7 風(fēng)場(chǎng)及機(jī)場(chǎng)上空風(fēng)、垂直速度的時(shí)空剖面（b圖中等值線為垂直速度，單位為100 m/s）

28日09時(shí)10 m風(fēng)場(chǎng)（圖7a）上，烏魯木齊機(jī)場(chǎng)附近有偏北風(fēng)和偏南風(fēng)的弱輻合區(qū)，風(fēng)速維持在1~3 m/s，弱風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)有利于污染物在烏魯木齊機(jī)場(chǎng)附近聚集，在其它條件具備情況下，凍霧易在機(jī)場(chǎng)附近生成且維持。在垂直方向上（圖7b），28日06時(shí)—29日06時(shí)，機(jī)場(chǎng)上空180 m下為弱風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)速1耀2 m/s，垂直速度較弱，但大部分時(shí)間為弱的上升運(yùn)動(dòng)，這種弱上升運(yùn)動(dòng)有利于水汽和污染物在垂直方向上混合，使得霧區(qū)厚度加大，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。

5 結(jié)論與討論

（1）此次個(gè)例中，通過對(duì)參數(shù)化方案進(jìn)行組合試驗(yàn)，以2 m相對(duì)濕度逸80%來表示凍霧進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)模式預(yù)報(bào)對(duì)近地層、陸面過程、邊界層等參數(shù)化方案組合較為敏感，微物理過程有微調(diào)作用，最好的方案為方案9，即微物理過程為WDM6、近地層方案為QNSE，陸面過程方案為Noah，邊界層方案QNSE。

（2）在合適的方案下，通過對(duì)此次凍霧過程的要素預(yù)報(bào)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，模式預(yù)報(bào)的環(huán)流形勢(shì)、層結(jié)條件、溫濕條件、混合條件能夠幫助預(yù)報(bào)員判別出此次凍霧的生消。針對(duì)本次凍霧過程，模式預(yù)報(bào)中機(jī)場(chǎng)上空穩(wěn)定層的變化，濕層結(jié)構(gòu)、風(fēng)場(chǎng)的水平和垂直結(jié)構(gòu)等，對(duì)凍霧的生消以及大霧過程的能見度變化有一定的指示意義。

（3）本文對(duì)凍霧天氣的預(yù)報(bào)分析說明，利用WRF模式對(duì)烏魯木齊機(jī)場(chǎng)凍霧進(jìn)行預(yù)報(bào)具有一定的可行性，通過對(duì)出霧條件進(jìn)行診斷，可以診斷出凍霧過程，為預(yù)報(bào)提供高時(shí)空分辨率的資料，但仍需要進(jìn)一步驗(yàn)證，在驗(yàn)證完成后，建立診斷預(yù)報(bào)模型，直接輸出相應(yīng)的產(chǎn)品，為將來機(jī)場(chǎng)凍霧預(yù)報(bào)提供參考資料。

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