黄海平流海雾大气边界层云微物理机制的数值研究

Sea fog is a kind of typical ocean-atmospheric interaction product. Among the seas of China, the Yellow Sea experiences sea fog most frequently, which sea fog belongs to advection cooling sea fog. Sea fog is a high effect marine hazard weather phenomenon that is paid more and more attention. However, there is still no available numerical prediction for it. This study will plan to carry out filed observing and numerical study focusing upon the key problem of sea fog numerical prediction - - cloud microphysics mechanism in atmospheric boundary layer (ABL). The main contents are as follows: developing skillful data assimilation methods for operational numerical prediction of the Yellow Sea fog, revealing the cloud microphysics mechanism in ABL, and then proposing an effective ABL parameterization scheme suitable for the Yellow Sea fog. In this study, theoretical study and practical application are tightly combined, and its achievement can be directly used for operational numerical prediction of the Yellow Sea fog.

海雾是一种海气相互作用的产物，黄海是我国海雾发生最频繁的海区，其海雾以平流海雾为主，是一种关注度与日俱增的高影响灾害性海洋天气现象，但至今为止对它还未开展有效的数值业务预报。本项目拟以黄海平流海雾为研究对象，紧密围绕制约海雾数值预报的关键问题- - 大气边界层海雾云微物理机制，开展外场观测与数值模拟研究。主要研究内容是：发展可供黄海海雾业务化数值预报使用的数据同化方法，揭示黄海平流海雾过程中大气边界层云微物理机制，提出适合黄海平流海雾的大气边界层参数化方案。本项目理论研究与实际应用高度结合，研究成果可直接用于黄海海雾的数值业务预报。

黄海海雾生成与演变过程中有4个关键点：高低压天气系统的控制与影响，冷海面条件下海上大气边界层内的湍流混合，水汽凝结成雾与放热，以及雾顶长波辐射冷却。本项目围绕这些关键点，利用WRF模式展开了详细的研究。.大量数值实验的统计结果显示，MYNN、YSU这2种PBL方案、Lin微物理方案适合黄渤海海雾的模拟，但2阶湍流闭合的MYNN与1阶K闭合的YSU的模拟效果不分伯仲。利用WRF-CHEM模式，研究了气溶胶在陆雾与海雾中的作用，发现对于陆雾来说，气溶胶的辐射效应占主导而成核效应处于次要地位，而海雾正好相反。海雾模拟过程中，垂直分辨率比水平分辨率更重要，尤其是近海面的垂直分辨率强烈影响海雾的初始生成。海雾雾顶存在一个正反馈过程——云水含量增多→长波辐射增强→降温加大→云水含量增多，细垂直分辨率比粗垂直分辨率更容易维持与增强此反馈，只有细垂直分辨率才能模拟出雾顶长波辐射冷却产生的贯穿雾体直抵海面、强度不弱于近海面机械湍流的浮力湍流，它导致雾体降温而出现符合观测事实的海温高于气温的现象。.针对黄海海雾短临近预报中初始水汽场往往偏干的情形，提出了一种利用MTSAT观测数据反演海雾3维湿度信息并借助循环3DVAR加以同化的方法。同化试验结果显示该方法十分有效，进一步将雾体及其上部干空气内的典型温度廓线植入同化过程，进一步提高了同化效果。此外，同化多普勒雷达径向风速的数值试验结果展示，流场质量的提高会改进海雾的水平分布。.在上述研究基础上，利用WRF模式构建了一个业务化运行的黄渤海海雾数值预报系统（http://222.195.136.24）。它已经成为环渤黄海气象台与海洋预报台进行海雾业务预报的一种重要参考。由于初始场的不确定性、模式本身的不完美，以及对海温的高度敏感等问题，采用集合预报方式来进行海雾的预报是必然趋势。