WRF模式中不同邊界層及云微物理方案對(duì)兩次黃海海霧個(gè)例數(shù)值模擬的影響

饒莉娟 高山紅2 張愷

（1 青島市黃島區(qū)氣象局，青島 266400；2 中國(guó)海洋大學(xué)，青島 266100）

0 引言

海霧是海洋上低層大氣中的一種水汽凝結(jié)現(xiàn)象，由于水滴或冰晶的大量聚積，使能見(jiàn)度低于1 km[1]，給海上交通運(yùn)輸、沿岸的生產(chǎn)與生活造成嚴(yán)重影響。黃海是我國(guó)近海發(fā)生海霧最為頻繁的海區(qū)[2]。近年來(lái)我國(guó)從多方面對(duì)海霧進(jìn)行了研究：海霧天氣氣候?qū)W研究[3-7]、海霧遙感探測(cè)和觀測(cè)分析[8-11]、海霧微物理研究[12-15]和海霧數(shù)值模擬研究[16-18]等。其中，海霧的數(shù)值模擬研究蓬勃發(fā)展，已成為研究海霧的不可缺少的主要方法[19-20]。但邊界層方案和云微物理方案直接影響海霧的數(shù)值模擬質(zhì)量。

WRF（Weather Research and Forecasting）模式有多個(gè)邊界層方案和云微物理方案可供選擇，這些方案都有各自的特點(diǎn)、適用條件及優(yōu)勢(shì)。研究表明，選取不同邊界層方案和云微物理方案對(duì)降水、氣溫、風(fēng)速、臺(tái)風(fēng)等模擬效果均存在顯著差異[21-25]，對(duì)霧的模擬也是如此。陳陽(yáng)權(quán)等[26]對(duì)烏魯木齊機(jī)場(chǎng)一次凍霧天氣過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)此次凍霧過(guò)程對(duì)邊界層方案較為敏感；黃政等[27]對(duì)江蘇省高速公路網(wǎng)2011—2013年發(fā)生的21場(chǎng)大霧過(guò)程進(jìn)行研究，表明云微物理方案選用WDM6，邊界層方案選用QNSE霧的數(shù)值模擬效果最優(yōu)；王佳等[28]對(duì)2006年滬寧高速公路的一次持續(xù)性大霧的模擬中，發(fā)現(xiàn)對(duì)相對(duì)濕度等常規(guī)氣象要素的模擬，各個(gè)參數(shù)化方案的模擬效果都較好，對(duì)直接表征能見(jiàn)度的液態(tài)水含量的模擬，云微物理過(guò)程采用Lin方案模擬效果最好；陸雪等[29]利用2005—2011年11次春季黃海海霧個(gè)例開(kāi)展WRF模式參數(shù)化方案敏感性研究，發(fā)現(xiàn)邊界層與云微物理方案的最佳組合為YSU與Lin方案，最差為Mellor Yamada與WSM5方案；而Steeneveld等[30]在對(duì)英國(guó)的一次強(qiáng)濃霧過(guò)程的研究中，則發(fā)現(xiàn)云微物理方案WDM6要優(yōu)于WSM5和WSM6。

本文以發(fā)生在2006年3月6—8日和2012年3月27—28日的兩次大范圍黃海海霧事件為研究對(duì)象，利用WRF模式及其循環(huán)三維變分同化系統(tǒng)（循環(huán)3DVAR）設(shè)計(jì)了一系列數(shù)值模擬對(duì)比試驗(yàn)，并對(duì)霧區(qū)模擬效果進(jìn)行檢驗(yàn)和分析。

1 海霧個(gè)例

1.1 觀測(cè)霧區(qū)

以發(fā)生在2006年3月的一次濃厚海霧與發(fā)生在2012年3月一次較為淡薄的海霧為研究對(duì)象。高山紅等[31]利用MODIS可見(jiàn)光云圖以及MTSAT-1R紅外通道數(shù)據(jù)，得到2006年海霧/低層云個(gè)例的演變過(guò)程（圖1）。此外還給出了黃海周邊地面和海上船舶的水平能見(jiàn)度的觀測(cè)事實(shí)。利用夜間雙通道法及Wang等[32]提出的方法反演得到了2012年海霧個(gè)例的演變信息（圖2）。

圖1 2006年3月6—8日海霧演變的衛(wèi)星觀測(cè)事實(shí)[31]（圖a和e為MODIS可見(jiàn)光云圖，圖d和f為MTSAT-1R可見(jiàn)光云圖，圖b-c與g-i為MTSAT-1R雙通道數(shù)據(jù)反演圖片（棕色表示海霧/低云，深綠色與深藍(lán)色分別代表海陸分布，其他色彩表示紅外1通道亮溫分布）。圖a～i對(duì)應(yīng)的時(shí)間（當(dāng)?shù)貢r(shí)間）分別為：3月6日10：22，20：00，3月7日02：00， 08：00，12：25，14：00，20：00，3月8日02：00，05：00。圖中符號(hào)·、▲、o和×分別代表0～1 km，1～2 km，2～10 km和10 km以上的地面水平能見(jiàn)度觀測(cè)）Fig. 1 Satellite observation from 6 to 8 March, 2006[31](Figs. 1a and 1e, Figs. 1e and 1f are MODIS and MTSAT-1R visible images, respectively. Figs.1 b-1c and 1g-1i are MTSAT-1R dual-channel derived images (brown color represents sea fog/ stratus, dark green and dark - blue colors indicate land and ocean, respectively, and other colors represent bright temperature distribution of the channel-1) .Figs. 1a-1i represent the following time: 1022, 2000 BT on 6 March, 0200, 0800, 1225, 1400 and 2000 BT on 7 March,0200 and 0500 BT on 8 March, respectively. The symbols “·”, “▲”, “o”, and “×” represent the observed visibility with values 0-1 km, 1-2 km , 2-10 km and more than 10 km, respectively)

圖2 2012年3月27—28日海霧演變的MTSAT反演觀測(cè)事實(shí)（填色為霧區(qū)與霧頂高度，圖中符號(hào)含義見(jiàn)圖1）Fig. 2 The sea fog detection algorithm using MTSAT data from 27 to 28 March 2012(The fog area and fog top height, the meanings of the symbols in the figure are shown in Fig. 1)

1.2 天氣形勢(shì)與邊界層特征

考察發(fā)生兩次海霧個(gè)例的天氣背景發(fā)現(xiàn)，兩次海霧的形成與發(fā)展均是受到高壓系統(tǒng)的影響，其天氣型為北太平洋高壓脊型[1,3]，海霧發(fā)生前至海霧生成及維持階段均有暖濕空氣從臺(tái)灣海峽附近向黃海海域輸送，并且形成逆溫層結(jié)。

圖3 沿圖5中A-B線的海面至800 hPa溫度與風(fēng)速的垂直剖面圖Fig. 3 Vertical sections of temperature and winds along the A-B line of Fig. 5 from sea surface to 800 hPa

2006年個(gè)例沿圖5中A-B線做海面至800 hPa溫度風(fēng)速剖面（圖3），從圖中可以看到本次海霧發(fā)展過(guò)程中逆溫始終存在，且發(fā)展較高。7日14 LST由于海上高壓中心移出黃海，黃海上空為偏南風(fēng)，使得逆溫增強(qiáng)。由于逆溫層較高，且水汽充沛，海霧發(fā)展較厚，從可見(jiàn)光云圖中也可看出本次海霧較為濃厚。2012年個(gè)例沿圖5中C-D線做海面至800 hPa溫度風(fēng)速剖面（圖4），從圖中可以看到2012年海霧個(gè)例發(fā)生前，27日白天黃海上空逆溫即已存在。在南向氣流的作用下，逆溫向北推進(jìn)并且加強(qiáng)。而在28日，黃海西北方向的高壓入海，黃海受其前部影響，風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，其帶來(lái)較干冷的空氣使得暖濕空氣南退。由于逆溫層較低，海霧不能突破逆溫層向上發(fā)展，本次海霧發(fā)展高度較低。從高分辨率的MODIS衛(wèi)星云圖上可看出本次海霧較為淡薄，尤其是南部海霧，其下墊面藍(lán)色海水隱約可見(jiàn)。

圖4 沿圖5 C-D線的海面至800 hPa溫度與風(fēng)速的垂直剖面圖Fig. 4 Vertical sections of temperature and winds along the C-D line of Fig. 5 from sea surface to 800 hPa

2 WRF數(shù)值試驗(yàn)

2.1 WRF模式設(shè)置

借助WRF模式模擬此次的海霧演變過(guò)程，模式設(shè)置的詳細(xì)信息和模式各個(gè)物理選項(xiàng)的選取見(jiàn)表1，模擬的區(qū)域設(shè)置如圖5所示，采用了雙重雙向嵌套，分辨率較高的內(nèi)區(qū)（圖5中的D2區(qū)域）覆蓋了海霧演變的范圍。

為模擬試驗(yàn)提供背景數(shù)據(jù)和邊界條件的是FNL再分析數(shù)據(jù)（1°×1°，6 h/次）和NEAR-GOOS（0.25°×0.25°）日平均海溫?cái)?shù)據(jù)。主要依據(jù)內(nèi)區(qū)的模擬輸出結(jié)果對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了得到最佳的模擬海霧的云微物理方案和邊界層方案，利用WRF模式及其循環(huán)3DVAR同化模塊，通過(guò)設(shè)置不同的云微物理方案和邊界層方案，設(shè)計(jì)了4組數(shù)值模擬對(duì)比試驗(yàn)（表2）。兩次個(gè)例同化時(shí)間窗均為12 h，模擬時(shí)段分別為北京時(shí)間2006年3月6日08時(shí)—8日08時(shí)和2012年3月27日20時(shí)—28日20時(shí)。所有的數(shù)值試驗(yàn)均采用了相同的區(qū)域設(shè)置、初始場(chǎng)、物理選項(xiàng)（除了邊界層方案和云微物理方案外）、背景場(chǎng)數(shù)據(jù)和海溫?cái)?shù)據(jù)。

表1 WRF模式設(shè)置Table 1 Specifications of the WRF model

圖5 WRF數(shù)值試驗(yàn)的模擬區(qū)域Fig. 5 Domains of WRF numerical experiment

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Design of experiments

3 模擬結(jié)果分析：霧區(qū)的對(duì)比

圖6為2006年個(gè)例第一組的4個(gè)數(shù)值模擬試驗(yàn)給出的海霧演變過(guò)程。圖中彩色填充區(qū)域?yàn)閿?shù)值試驗(yàn)?zāi)M出的海霧或低層云頂部高度的水平分布，藍(lán)色等值線為10 m高度云水含量＞0.1 g/kg的區(qū)域，兩者重合的區(qū)域即可認(rèn)為是霧區(qū)，而其他部分則認(rèn)為是低層云區(qū)。圖中行排從上到下，依次對(duì)應(yīng)每組試驗(yàn)中的Exp_A～Exp_D（分別為L(zhǎng)in方案、WSM5方案、WDM5方案及Thompson方案）；列排從左到右依次對(duì)應(yīng)模擬的時(shí)間。將圖6與海霧演變過(guò)程的衛(wèi)星觀測(cè)事實(shí)（圖1）進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)：Exp_A較好地呈現(xiàn)了海霧生成并向北逐漸發(fā)展的過(guò)程，模擬的海霧霧區(qū)與觀測(cè)結(jié)果較為接近，但沒(méi)有體現(xiàn)出3月8日海霧向南退移并逐漸消散的過(guò)程；Exp_B 與Exp_D 的模擬結(jié)果較為接近，模擬的海霧霧區(qū)以及10 m高度的云水含量＞0.1 g/kg的區(qū)域較Exp_A減小，但比Exp_C的模擬結(jié)果更接近實(shí)際觀測(cè)；Exp_C的結(jié)果與觀測(cè)事實(shí)相差較大，模擬的海霧霧區(qū)整體上偏小，3月7日午后本應(yīng)該是海霧發(fā)展的旺盛期，但Exp_C模擬的海霧區(qū)域卻縮小了很多。

2006年個(gè)例的第二組數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果如圖7，可以明顯地看出圖中的4個(gè)模擬試驗(yàn)?zāi)M的海霧霧區(qū)及10 m的云水含量＞0.1 g/kg的區(qū)域較圖6整體變小，與觀測(cè)有一定差距，但基本上體現(xiàn)出了從3月6日海霧發(fā)生、發(fā)展，至7日海霧發(fā)展到旺盛期后，海霧在8日向南退移并逐漸消退的整個(gè)過(guò)程，Exp_C的模擬結(jié)果與觀測(cè)事實(shí)相差仍然最大。從整體上看，4個(gè)試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果之間的差異有所減小。第三組試驗(yàn)的模擬結(jié)果與第2組的模擬結(jié)果十分相近，而第四組的4個(gè)模擬試驗(yàn)的結(jié)果與觀測(cè)事實(shí)相差較大，模擬效果較差（圖略）。

僅從霧區(qū)的模擬結(jié)果來(lái)看，2006年個(gè)例邊界層方案采用YSU方案時(shí)，云微物理方案采用Lin方案得到的模擬結(jié)果較為理想，采用WSM5及Thompson方案的模擬結(jié)果次之。邊界層方案采用MYNN 2.5 level TKE scheme（MYNN2.5）和MYNN 3rd level TKE scheme（MYNN3）時(shí)模擬結(jié)果較YSU稍差，而采用Mellor-Yamada-Janjic TKE scheme （MYJ）時(shí)的模擬結(jié)果最為不好，與觀測(cè)事實(shí)不相符。

然而對(duì)于2012年個(gè)例，采用不同云微物理方案之間的差異較小，主要差異在于采用不同的邊界層方案。這與陸雪等[29]結(jié)論相符，即邊界層方案對(duì)WRF模式霧區(qū)模擬結(jié)果起決定作用，而微物理方案影響較小。圖8是2012年個(gè)例不同邊界層方案的對(duì)比試驗(yàn)給出的模擬結(jié)果（云微物理方案均為L(zhǎng)in方案），圖中行排從上到下，依次對(duì)應(yīng)的邊界層方案為MYNN2.5、YSU、MYJ（MYNN3的結(jié)果與MYNN2.5較為相似，故略去）。與觀測(cè)事實(shí)相比，采用MYNN2.5方案模擬得到的海霧霧區(qū)的變化同衛(wèi)星云圖觀測(cè)到的事實(shí)相符，特別是海霧向北且向南的推進(jìn)過(guò)程、海霧發(fā)展成熟后的形態(tài)以及整齊的西邊界（與觀測(cè)相比較為偏南）。而采用YSU與MYJ方案的模擬結(jié)果與觀測(cè)卻相距較遠(yuǎn)，只得到朝鮮半島沿岸的海霧，北部及南部的海霧都沒(méi)有模擬出來(lái)。

通過(guò)對(duì)比模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，邊界層方案較云微物理方案對(duì)兩次個(gè)例的模擬結(jié)果影響更大。而邊界層方案中，YSU方案與MYNN方案在2006年個(gè)例與2012年個(gè)例中的表現(xiàn)完全不同。對(duì)于2006個(gè)例來(lái)說(shuō)YSU方案較MYNN方案好，而2012個(gè)例則是MYNN方案模擬更為準(zhǔn)確，YSU方案的模擬結(jié)果卻相差甚遠(yuǎn)。

圖6 2006年個(gè)例第一組模擬試驗(yàn)給出的海霧演變過(guò)程（標(biāo)示X代表試驗(yàn)Exp-X編號(hào)（X=A,B,C,D），x為模擬時(shí)間順序編號(hào)（x=a, b, c, d, e, f）Fig. 6 Evolution of the first group of simulated sea fog case 2006(The markers “X” and “x” have the following meaning: X represents experiment Exp-X (X=A, B, C, D), and x represents simulated time serial number (x=a, b, c, d, e, f ) )

圖7 2006年個(gè)例第2組模擬試驗(yàn)給出的海霧演變過(guò)程Fig. 7 Evolution of the second group of simulated sea fog case 2006

圖8 2012年個(gè)例模擬試驗(yàn)給出的海霧演變過(guò)程Fig. 8 Evolution of the sea fog case 2012 numerical experiments

不同的邊界層方案對(duì)邊界層刻畫(huà)是不同的，正是因?yàn)槿绱瞬艑?dǎo)致不同的海霧模擬結(jié)果。YSU方案屬于一階K閉合方案，它是從MRF（Medium-Range Forecast）方案改進(jìn)而來(lái)的，改進(jìn)的部分考慮了逆梯度輸送在計(jì)算垂直擴(kuò)散系數(shù)與邊界層高度中的作用，考慮了Prandtl數(shù)對(duì)邊界層高度的影響作用，削弱機(jī)械強(qiáng)迫引起的邊界層混合，增強(qiáng)熱量引起的自由對(duì)流下邊界層混合[33]。MYNN方案是基于M-Y方案改進(jìn)而成，是一個(gè)預(yù)報(bào)湍流動(dòng)能的參數(shù)化方案。MYNN方案是針對(duì)M-Y方案忽視浮力的作用、長(zhǎng)度尺度表達(dá)式不明確、混合層高度過(guò)高以及湍流動(dòng)能量級(jí)過(guò)大的不足加以改進(jìn)的[34-35]。2006年個(gè)例較2012年個(gè)例更為濃厚，較為濃厚的海霧其湍流強(qiáng)度比淡薄海霧更強(qiáng)。猜想由于YSU方案刻畫(huà)的湍流強(qiáng)度小于MYNN方案，對(duì)于湍流較強(qiáng)的濃海霧，MYNN方案刻畫(huà)的湍流過(guò)強(qiáng)，使海霧脫離海面而消散，而YSU方案對(duì)此類(lèi)海霧刻畫(huà)的湍流強(qiáng)度適合其維持與發(fā)展。而對(duì)于湍流較弱的淡薄海霧，YSU方案刻畫(huà)的湍流弱而不利于海霧生成，但是由于MYNN方案得到的湍流較YSU強(qiáng)，更適合此類(lèi)海霧的發(fā)生發(fā)展，從而模擬得到了較好的結(jié)果。以上猜想需要在今后工作中進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本文選取同為在高壓系統(tǒng)影響下形成與發(fā)展的兩次海霧個(gè)例為研究對(duì)象，利用WRF模式，針對(duì)不同的邊界層方案和云微物理方案，設(shè)計(jì)了4組海霧數(shù)值模擬對(duì)比試驗(yàn)。得到以下結(jié)論：

1）對(duì)于2006年較為濃厚的海霧個(gè)例，邊界層方案采用YSU、云微物理方案采用Lin得到的模擬霧區(qū)與觀測(cè)事實(shí)最為相符；YSU和Thompson方案、MYNN和Lin方案的組合模擬結(jié)果次之。邊界層方案采用MYJ時(shí)，無(wú)論采用何種云微物理方案，模擬結(jié)果均較差。

2）對(duì)于2012年較為淡薄的海霧個(gè)例，采用不同云微物理方案之間的差異較小，而采用不同的邊界層方案得到的模擬霧區(qū)差異顯著。采用MYNN邊界層方案得到的模擬霧區(qū)與觀測(cè)事實(shí)最為相符，而YUS和MYJ方案均不能很好的模擬出此次海霧過(guò)程。