溧水河乌刹桥段一次雨雾的数值模拟研究

张 华，王 晶，何贵成

（华北电力大学 可再生能源学院，北京 102206）

1 研究背景

雾是水汽凝结成细微的水滴悬浮于近地面层空气中，使水平能见度下降的天气现象。雾是中国东部冬季常见的灾害性天气之一。早期雾的数值模拟主要是研究辐射雾的成因和维持机制。具有代表性的是Fisher and Caplan［1］建立一维雾模式，阐述了建立雾预报模式的可行性。Roach and Brown［2］应用二维模式研究了辐射雾，发现重力沉降对雾水含量有重要影响。国内对雾的数值模拟研究始于20世纪80年代，黄培强等［3］首先对我国辐射雾进行数值模拟研究。20世纪90年代后，人们开始利用中尺度数值模式进行数值模拟。樊琦等［4］对珠江三角洲地区的一次辐射雾进行了数值模拟研究，李元平等［5］对北京地区的一次冬季平流雾过程进行了数值模拟分析。

Westcott［6］发现在美国中西部，雾发生时常出现降水。Tardif and Rasmussen［7］定义在雾形成前的几个小时及雾维持过程中，只要出现降水就称为雨雾。过去关于辐射雾、平流雾等研究较多，对弱降水及能见度偏高的雨雾过程研究却较少，应用WRF数值天气预报模式进行雨雾的数值模拟存在一定的挑战。本文以2007年12月06日溧水河乌刹桥段的一次典型雨雾为例，应用WRF数值天气预报模式进行数值模拟，得到海平面气压场、风场、液态水含量、相对湿度等模拟数据，结合来自Weather Underground（https：//www.wunderground.com/）的气象观测数据，初步分析此次雨雾过程的形成、维持和消散机制。

目前国内外对雨雾过程的模拟研究较少，本文对雨雾过程的生消机制和发展过程进行了数值模拟研究，研究成果能够为雨雾的预报提供参考，具有重要的实际应用价值；还有，雨雾和泄洪雾化在其水雾产生机制上，有着一定的相似性，雨雾特性的研究能够为水电站泄洪雾化的相关研究提供参考。

2 模拟方案

本文使用WRF数值天气预报模式进行数值模拟，采用双向反馈的四重嵌套模式，四重网格水平格距分别为27、9、3、1 km，格点数分别为100×100、88×88、76×76、64×64，模拟中心点设在（31.734°N，118.872°E），模拟区域及最内层嵌套范围的地形高度如图1所示。

图1 模拟区域及最内层嵌套范围的地形高度（五角星处为乌刹桥位置）

Miao［8-9］等在模拟近地面层情况时，在垂直方向对低层加密，模拟效果较好。为了更好地模拟出此次雾的过程，垂直方向按照σ位面分为不等距36层，低层采用加密，如图2所示。模式计算所用初始资料为NCEP FNL1°×1°再分析资料，每隔六小时一次的气象再分析资料。模拟时间为北京时间2007年12月05日20∶00至06日20∶00。积分时间步长为60s。模式物理方案设置情况，如表1所示。

图2 垂直方向σ位面不等距分层示意图

表1 模式物理方案设置

3 模拟结果分析

3.1 海平面气压场模拟的2007年12月06日05∶00、06∶00、08∶00、10∶00四个时间点的溧水河乌刹桥段的第二层嵌套范围的海平面气压场分布情况，如图3所示。

2007年12月06日05∶00-06∶00时，溧水河乌刹桥段西北部为高压，溧水河乌刹桥段位于南部低压的低压槽处，有利于水汽聚集，水汽易达到饱和。2007年12月06日07∶00-10∶00，溧水河乌刹桥段处于鞍型气压区附近，为均压场，有利于水汽的维持。

3.2 风场模拟的2007年12月06日05∶00、06∶00、08∶00、10∶00四个时间点的溧水河乌刹桥段的第二层嵌套范围的10 m高度风场分布情况，如图4所示。

2007年12月06日05∶00-06∶00时，溧水河乌刹桥段主要是西北风向，风速较小，风级小于3级。2007年12月06日07∶00-10∶00时，溧水河乌刹桥段依然主要是西北风向，风速增大，风级为3级微风。

图3 2007年12月06日四个时间点的溧水河乌刹桥段的第二层嵌套范围的海平面气压场（五角星处为乌刹桥位置）（单位：hPa）

2007年12月06日05∶00-13∶00的溧水河乌刹桥位置10 m风速模拟值与观测值对比，如图5所示。

模拟的风速变化趋势比较符合风速实际观测的变化趋势。对于风速模拟值来说，05∶00-06∶00风速模拟值小于3 m/s，07∶00-09∶00的风速模拟值有所增大，为3-4 m/s。

风速模拟效果的评价指标选用均方根误差RMSE，公式如下：

式中：n为样本个数；VMi、Vpi分别为i时刻的模拟值和实测值。

10 m风速模拟值的均方根误差为1.405 m/s。风速模拟效果较好。

3.3 液态水含量模拟的2007年12月06日05∶00-10∶00的包括溧水河乌刹桥段的第二层嵌套范围的地面液态水含量（LWC）分布情况，如图6所示。

由图6模拟结果可知，2007年12月06日05∶00溧水河乌刹桥段的地面液态水含量小于0.001 g/kg，从06∶00开始，至09∶00，溧水河乌刹桥段的地面液态水含量均大于或等于0.015 g/kg，10∶00之后溧水河乌刹桥段的地面液态水含量小于0.001 g/kg。

图4 2007年12月06日四个时间点的包含溧水河乌刹桥段的第二层嵌套范围的10m高度风场（五角星处为乌刹桥位置）

图5 2007年12月06日05∶00-13∶00的溧水河乌刹桥位置10m风速模拟值与观测值对比

研究发现，液态水含量大小与雾的存在与否具有相关性［10］。根据判断条件：地面液态水含量大于或等于0.015g/kg，则判定有雾存在［11］。结合模拟的溧水河乌刹桥段地面液态水含量，得出溧水河乌刹桥段在2007年12月06日06∶00左右开始起雾，07∶00-09∶00一直处于有雾状态，至10∶00左右雾散。

综合溧水河乌刹桥段地形高度（图1）、海平面气压场（图3）、风场（图4-5）和地面液态水含量（图6）的模拟情况进行分析，将2007年12月06日05∶00-10∶00分为两个时间段，05∶00-06∶00为起雾阶段，07∶00-10∶00为雾维持及雾消散阶段。

图6 2007年12月06日05∶00-10∶00的溧水河乌刹桥段的第二层嵌套范围的地面液态水含量（五角星为乌刹桥位置）（单位：g/kg）

05∶00-06∶00起雾阶段，一方面，溧水河乌刹桥段地形高度比周围低，位置处于低压槽，有利于水汽聚集，水汽易达到饱和，有利于雨雾天气形成；另一方面，风速较小的西北风有利于溧水河乌刹桥段西部与北部高压区的雨雾向溧水河乌刹桥段缓慢扩散。

07∶00-10∶00雾维持及雾消散阶段，溧水河乌刹桥段地形高度比周围低，不利于雾的扩散；溧水河乌刹桥段处于鞍型气压区附近，为均压场，有利于雾天气维持；随着西北风风速逐渐增大，溧水河乌刹桥段雨雾逐步向溧水河乌刹桥段东南部高坡移动。至10∶00左右，溧水河乌刹桥段的雨雾消散。

3.4 相对湿度及能见度2007年12月06日06∶00-11∶00的溧水河乌刹桥位置相对湿度、能见度情况如表2所示。

表2 溧水河乌刹桥位置相对湿度模拟值与观测值和能见度计算值与观测值对比

对于相对湿度，2007年12月06日06∶00左右起雾，之后溧水河乌刹桥位置相对湿度逐渐增大。07∶00-09∶00雾维持阶段，溧水河乌刹桥位置相对湿度保持在较高水平，维持在85%以上。10∶00之后，雾消散阶段，溧水河乌刹桥位置相对湿度逐渐下降。相对湿度模拟值与观测值绝对误差在1.3%-6.2%之间，相对湿度的均方根误差为3.67%，模拟效果较好。

本研究引用以相对湿度为主的能见度经验公式来反映轻雾的能见度，经验公式［12］如下：

式中：Vm为能见度，单位为km；R为相对湿度，20%≤R≤100%。

06∶00左右起雾，此时能见度绝对误差为1.09 km。

07∶00-09∶00雾维持阶段，能见度观测值和计算值均维持在2 km以下，而且能见度绝对误差均小于0.5 km，估算的能见度与实测的差值范围在1 km以内［12］，说明能见度的模拟较好。

10∶00左右雾开始消散，能见度开始大于2 km，能见度误差绝对值在0.77 km以内，能见度模拟效果较好。

2007年12月06日07∶00—11∶00溧水河乌刹桥位置的能见度计算值和观测值，如图7所示。

2007年12月06日07∶00—11∶00溧水河乌刹桥位置的能见度计算值曲线和观测值曲线的变化趋势一致。能见度计算值的均方根误差为0.48 km，小于1 km，预测效果较好。

图7 2007年12月06日07∶00—11∶00溧水河乌刹桥位置的能见度计算值和观测值

总体来看，以相对湿度为主的能见度经验公式来反映轻雾的能见度，模拟效果较好，在雾维持阶段和雾消散阶段，估算的能见度与实测的能见度绝对误差均在1 km以内，能够表征雨雾过程中能见度的大小情况和变化趋势。

4 结论

本文应用WRF数值天气预报模式对2007年12月06日发生在溧水河乌刹桥段的一次典型雨雾过程进行了精细化的数值模拟，将得到的模拟结果结合气象观测数据，初步分析了本次雨雾过程的形成、维持和消散机制。主要结论如下：

（1）本次溧水河乌刹桥段雨雾过程大致可分为三个阶段：起雾阶段，溧水河乌刹桥段位于低压槽，有利于水汽聚集，水汽易达到饱和，且溧水河乌刹桥段地形高度比周围低，有利于雨雾天气形成。雨雾维持阶段，溧水河乌刹桥段位于均压区，相对湿度大，微风，有利于雨雾天气维持。雨雾消散阶段，风速增大，相对湿度减小，有利于雨雾消散。

（2）液态水含量LWC高值区与能见度低值区有较好的匹配，液态水含量指标可以较好地表征雨雾范围，显示雨雾的运动方向。

（3）伴随弱降水的雨雾过程能见度偏高。应用以相对湿度为主的能见度经验公式来反映轻雾的能见度，模拟效果较好。在雾维持阶段和雾消散阶段，估算的能见度与实测的能见度绝对误差均在1 km以内，能够表征雨雾过程中能见度的大小情况和变化趋势。