龍胤宇，陳慧敏，王鳳杰，陸長平

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)電動態(tài)控制重點實驗室，北京 100081；2.上海無線電設(shè)備研究所，上海 201109)

0 引言

海霧是由于微小的水滴或冰晶懸浮在海洋大氣邊界層中，使大氣水平能見度小于1 km的一種天氣現(xiàn)象[1]。海霧形成的水滴或冰晶懸浮在空氣中，使目標(biāo)物發(fā)出的光線被吸收、散射或折射，模糊目標(biāo)物與其背景，造成能見度降低[2]。激光引信作為典型的掠海類激光武器[3]，其發(fā)射激光由于液態(tài)霧滴對其吸收和散射使得傳輸過程受到干擾，能量衰減嚴(yán)重而無法正常使用，甚至導(dǎo)致激光引信的虛警和早炸。魏海亮等[4]通過仿真分析得出能見度對激光衰減系數(shù)的影響最大，二者呈反比。徐春鳳等[5]通過仿真研究分析了能見度對探測概率的影響。然而，之前的研究往往是利用自擬能見度，脫離了實際的海霧環(huán)境，或使用某地點的觀測數(shù)據(jù)，對大范圍的海霧數(shù)據(jù)無法有效獲取。氣象界已經(jīng)提出使用液態(tài)水含量直接預(yù)報海霧的方法[6]。

國內(nèi)外利用數(shù)值模擬方法對海霧的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。文獻(xiàn)[7-8]對海霧過程進(jìn)行了觀測和數(shù)值模擬分析，討論了其生消機(jī)制。文獻(xiàn)[9-10]基于WRF模式改進(jìn)其初始場和循環(huán)模塊，從而改善了數(shù)值模擬結(jié)果。陸雪等[11]利用2005年～2011年10次春季黃海海霧個例，分析了邊界層方案及微物理方案的選擇及組合對海霧模擬結(jié)果的影響規(guī)律。田濟(jì)揚等[12]分析和總結(jié)了物理參數(shù)化方案、數(shù)據(jù)同化方法以及合理的空間尺度對WRF模式在氣象領(lǐng)域模擬預(yù)報效果的影響。楊悅等[13]基于WRF模式，分析了不同垂直分辨率下模式對黃海海霧的模擬表現(xiàn)，統(tǒng)計分析了水平霧區(qū)與霧頂高度對垂直分辨率的敏感性。王靜菊等[14]基于WRF模式，同化了大氣紅外探測器(AIRS)衛(wèi)星溫度與濕度廓線數(shù)據(jù)，成功再現(xiàn)并分析了海霧的形成過程。高榮珍等[15]采用同化系統(tǒng)，使用WRF模式對2014年～2016年青島近海17個海霧個例進(jìn)行了模擬，分析了3種能見度算法的預(yù)報效果。陳淑瑩等[16]基于WRF模式，分析了不同參數(shù)化方案組合對數(shù)值模擬結(jié)果的影響，并得出了針對新疆天山地區(qū)的最優(yōu)方案組合。

在已有研究中，利用所獲取的微觀物理參數(shù)對海霧的空間分布、隨時間變化規(guī)律等研究較少。本文基于數(shù)值模擬方法，基于中尺度數(shù)值大氣模式的天氣研究和預(yù)報(WRF)模型對海霧過程進(jìn)行仿真研究，通過對海拔高度400 m以下區(qū)域的密集分層設(shè)置，得到了高可靠性海霧云水混合比、能見度、霧頂高度等特征參數(shù)，對典型海霧的特征參數(shù)分布及變化規(guī)律進(jìn)行了分析討論，仿真結(jié)果對掠海激光類武器在海霧氣溶膠環(huán)境下的回波特性研究提供一定的數(shù)據(jù)參考。

1 數(shù)值模擬前處理及運行

數(shù)值模擬使用的WRF模式為當(dāng)前國際大氣科學(xué)界先進(jìn)、成熟的新一代中尺度數(shù)值預(yù)報模式系統(tǒng)，WRF模式憑借其同化方法先進(jìn)、技術(shù)支持有力等優(yōu)點，廣泛用于科學(xué)研究。

數(shù)值模擬所使用資料包括歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)提供的歐洲氣象中心資料(ERA-Interim) 0.125°×0.125°高分辨率再分析資料數(shù)據(jù)，2015年4月28日00:00～2015年4月29日00:00 FY-2E可見光云圖資料，日本氣象廳多功能傳送衛(wèi)星(MTSAT)紅外1通道和4通道亮溫資料。

WRF模式數(shù)值模擬前處理主要包括模擬區(qū)域選取、參數(shù)化方案、氣壓追隨坐標(biāo)η坐標(biāo)設(shè)置。

1.1 模擬區(qū)域選取

圖1 “namelist.wps”文件部分截圖Fig.1 Screenshot of “namelist.wps” file section

根據(jù)海霧過程的起始時間、發(fā)生區(qū)域確定數(shù)值模擬區(qū)域，為最大限度地提高數(shù)值模擬效率，模擬區(qū)域選取應(yīng)在保證海霧被覆蓋的前提下縮小區(qū)域范圍。實現(xiàn)方法是編輯修改WRF模式中的“namelist.wps”的文本文件(見圖1)，以及數(shù)值模擬所要求的時間、區(qū)域。數(shù)值模擬過程中使用了WRF的嵌套模式(見圖2)，包括大范圍低分辨率的黃渤海海域d01，以及小范圍高分辨率的渤海海域d02，如表1所示。在實際使用中也可使用“WRFdomain”軟件進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)置，完成典型區(qū)域的選取。

圖2 數(shù)值模擬區(qū)域選取Fig.2 Numerical simulation area selection

表1 數(shù)值模擬區(qū)域Tab.1 Numerical simulation area

1.2 參數(shù)化方案

表2 WRF模式參數(shù)化方案設(shè)置Tab.2 WRF mode parameterization scheme settings

1.3 垂直η坐標(biāo)設(shè)置

WRF模式采用氣壓追隨坐標(biāo)η坐標(biāo)，取值范圍0～1，表達(dá)式為

(1)

式中：pη為模式某層氣壓；pt為模式頂層氣壓(本文采用50 hPa)；pb表示地面氣壓；在pb采用地面氣壓的情況下，η=1表示地面，η=0表示模式頂層氣壓50 hPa處。

以往的觀測資料、探空資料以及數(shù)值模擬結(jié)果表明，就黃海海霧而言，春季海霧高度在200 m左右，夏季最多可達(dá)到400 m[17]?；谶@一客觀事實，為得到更好的模擬結(jié)果，根據(jù)楊悅等[13]和劉現(xiàn)鵬等[18]的研究成果，本文增大了低空區(qū)域的垂直分層數(shù)量，本次海霧垂直分層η為50層(見圖3)，其中海霧所在低空區(qū)域有26層(約400 m以下)。某區(qū)域26層坐標(biāo)對應(yīng)海拔高度：3.9 m、11.9 m、19.8 m、27.8 m、35.8 m、43.9 m、51.8 m、59.9 m、67.9 m、76.0 m、84.1 m、92.2 m、100.3 m、108.4 m、116.5 m、124.6 m、132.8 m、140.9 m、149.1 m、157.2 m、169.5 m、185.8 m、202.2 m、218.7 m、235.1 m、263.9 m、305.3 m.其中1層～20層(3.9～157.2 m)層精度約8 m，與激光引信作用距離量級相符。

圖3 η坐標(biāo)垂直分層示意圖Fig.3 Schematic diagram of vertical layering of η coordinates

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 結(jié)果檢驗

將模式輸出η最底層且云水混合比大于0.016 g/kg的區(qū)域[19-21]作為本次模擬的霧區(qū)。將日本氣象廳MTSAT紅外1通道和4通道亮溫資料監(jiān)測到的海霧與同一時間模式模擬得到的霧區(qū)圖進(jìn)行對比分析(見圖4)，在模擬分辨率較高的d02區(qū)域中海霧分布與監(jiān)測霧區(qū)分布接近，在d01區(qū)域海霧模擬相似度較低，總體而言，在區(qū)域d02內(nèi)本次數(shù)值模擬較好地再現(xiàn)了海霧的時空分布。

2.2 數(shù)值模擬分析

由于海霧數(shù)值模擬涉及范圍過大，時間較長，為了更好地對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，本文選取模擬嵌套區(qū)域d02內(nèi)渤海區(qū)域不同位置的4個參考點(見圖5(a))為例對數(shù)值模擬相關(guān)結(jié)果進(jìn)行分析，點A(38.09° N，120.54° E)、點B(39.06° N，119.08° E)、點C(38.43° N，119.65° E)、點D(37.85° N，119.92° E)。為了更直觀地對海霧發(fā)展進(jìn)行分析，對點D做垂直剖面圖，其切線如圖5(b)所示。

圖5 參考點設(shè)置與剖面選擇Fig.5 Reference point setting and section selection

2.3 D點霧區(qū)垂直剖面圖

圖6所示為剖面霧區(qū)分布，時間分別為2015年4月28日10:00(見圖6(a))、2015年4月28日13:00(見圖6(b))、2015年4月28日14:00(見圖6(c))、2015年4月28日15:00(見圖6(d))。由圖6可見，海霧的發(fā)展速度較快，在幾小時內(nèi)從霧頂高度最高130 m發(fā)展到300 m以上，同時總體而言，霧層中云水混合比的值隨著高度的增加而增大，低層比較小，在0.4～0.5 g/kg左右，在靠近霧頂處達(dá)到最大值(高達(dá)0.8 g/kg以上)。這種情況與霧頂長波輻射的冷卻效應(yīng)有關(guān)[14]，霧頂?shù)南蛏祥L波輻射會帶走大量熱量，造成霧層上部降溫，使水汽達(dá)到飽和而凝結(jié)，表現(xiàn)出霧層上部比下部的液態(tài)水含量更高的現(xiàn)象；同時霧頂長波輻射會使霧頂上空形成逆溫層，以及冷卻效果隨著湍流混合下傳至整個霧層內(nèi)，都有利于海霧的發(fā)展與維持，這又使得霧頂長波輻射繼續(xù)存在，形成了一個正反饋過程，從而導(dǎo)致云水混合比的大值區(qū)保持在霧層上部。

圖6 不同時間的D點霧區(qū)垂直剖面圖Fig.6 Vertical section of fog region at reference point D at different times

2.4 云水混合比隨高度變化

在海霧研究中，云水混合比是一個相當(dāng)重要的數(shù)據(jù)，甚至大多海霧研究會直接將數(shù)值模擬獲得的云水混合比的時空分布與海霧的時空分布對等。云水混合比是獲得海霧水平能見度的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，而WRF模式可以直接通過數(shù)值模擬得到云水混合比數(shù)據(jù)，因此對其結(jié)果進(jìn)行分析有利于對海霧過程的理解與后續(xù)仿真的進(jìn)行。圖7所示為參考點A在2015年4月28日8:00～2015年4月28日23:00時刻云水混合比隨海拔高度的變化曲線，可見在同一時刻云水混合比分布下層變化平穩(wěn)，上層變化劇烈，且有中間斷層的現(xiàn)象發(fā)生(見圖7(d))。

圖7 參考點A在2015年4月28日8:00～2015年4月28日23:00時刻的云水混合比隨高度變化曲線Fig.7 Cloud-water mixing ratio as a function of height at reference point A at 8:00-23:00 on April 28,2015

2.5 最大海霧霧頂高度隨時間變化

海霧霧頂高度是海霧最具代表性的宏觀特征，通過同一參考點在24 h內(nèi)的霧頂高度隨時間變化曲線分析其海霧特征。如圖8所示，不同參考點海霧霧頂高度隨時間推移為增加，表明海霧呈發(fā)展趨勢。

通過實地調(diào)查，認(rèn)真分析全縣核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，大荔縣發(fā)展核桃產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢明顯、潛力巨大?，F(xiàn)有核桃面積4266.7hm2，與其它縣相比，具有得天獨厚的潛力和優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下3點。

圖8 不同參考點的海霧霧頂高度隨時間變化圖Fig.8 Variation of sea fog top height with time at different reference points

2.6 同一參考點不同η層數(shù)云水混合比隨時間變化

通過對空間中固定位置處云水混合比隨時間變化曲線(見圖9)，分析同一參考點下不同η分層的海霧特征變化可以看出：對于本文研究的海霧過程，海霧出現(xiàn)時刻差距較大(2015年4月28日0：00～2015年4月29日8：00時刻不等)，但空間中固定位置處的云水混合比能在1～2 h內(nèi)達(dá)到峰值，之后整體呈下降趨勢；在云水混合比值達(dá)到峰值后，其下降比例處于20%～50%之間；對于同一參考點，較高處(η=0.994)的海霧云水混合比值變化更為劇烈。

圖9 同一參考點和不同η分層的云水混合比隨時間變化圖Fig.9 Change of different η layering cloud-water mixing ratios with time at the same reference point

2.7 不同參考點同一η層數(shù)云水混合比隨時間變化

通過對不同參考點同一層的海霧特征對2.5節(jié)的仿真結(jié)果進(jìn)行橫向補充分析(見圖10)可以看出，雖然不同參考點相對同一參考點較大，但是整體同樣滿足在短時間上升到一個高峰，隨后呈下降趨勢的規(guī)律。

圖10 不同參考點和同一η分層的云水混合比隨時間變化圖Fig.10 Change of η layering cloud-water mixing ratio with time at different reference points

3 能見度計算

由于能見度數(shù)據(jù)可以直接用于后續(xù)的海霧激光回波仿真，對本次數(shù)值模擬得到的云水混合比等數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得到相應(yīng)的能見度數(shù)據(jù)。利用目前國際學(xué)術(shù)界公認(rèn)的海霧判定方法，對模式模擬的霧區(qū)進(jìn)行分析，霧中大氣水平能見度用Koschmieder公式[22]，如Stoelinga等[23]根據(jù)大氣消光系數(shù)提出的計算水平能見度的經(jīng)驗公式為

(2)

式中：Xv為能見度(m)；β為大氣消光系數(shù)，由云水、云冰、雪和雨水的消光系數(shù)確定。在本次海霧過程中沒有積雪和云冰的影響，而雨水量遠(yuǎn)低于云水，對能見度的影響可以忽略不計，因此用云水消光系數(shù)來計算能見度，表達(dá)式為

(3)

式中：ρ為濕空氣密度(kg/m3)；qc為云水混合比(g/kg)。大氣物理學(xué)濕空氣的狀態(tài)方程表達(dá)式為

p=ρRd(1+0.608×1 000qv)T，

(4)

式中：p為大氣壓強(qiáng)(Pa)；Rd為干空氣的比氣體常數(shù)取287.05 J/(kg·K)；qv為水汽混合比(g/kg)；T為干空氣的絕對溫度。由(3)式、(4)式可計算出特定位置處的能見度。圖11所示為以參考點A為例，對4個不同時刻(8:00、12:00、16:00、20:00)下能見度隨高度變化進(jìn)行的分析結(jié)果。由圖11可見，與圖7相比，云水混合比值越大，能見度越低，二者呈反比關(guān)系。

圖11 參考點A在不同時刻下能見度與海拔高度變化曲線Fig.11 Change of visibility value with sea wave height at reference point A at different times

4 結(jié)論

本文以掠海激光類武器在海霧環(huán)境中的傳輸特性為研究背景，利用WRF模式對2015年4月28日00:00～2015年4月29日00:00的一次黃渤海海域海霧過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到云水混合比、海霧霧頂高度等特征參數(shù)，并對其進(jìn)行了分析。得到主要結(jié)論如下：

1)本次海霧過程霧頂高度基本處于海拔高度400 m以下，對比同一條件下垂直方向上海拔高度400 m以下及海拔高度400 m以上的數(shù)據(jù)可見，提高η分層有利于在垂直方向得到高精度的海霧特征參數(shù)數(shù)據(jù)。

2)云水混合比是表征海霧特征的主要數(shù)據(jù)，本文利用云水混合比值對海霧的空間分布及時域變化進(jìn)行了分析。在垂直方向上，低層的云水混合比值變化小、數(shù)值接近，邊界層數(shù)據(jù)變化劇烈；在時間維度上同樣具有以上特征。因此在空間上，海霧呈現(xiàn)內(nèi)部穩(wěn)定、邊界波動的特征；在時域上，海霧所處發(fā)展階段(發(fā)展階段、消散階段等)是影響海霧變化的主要因素。

3)影響激光類武器傳輸特性的能見度數(shù)據(jù)可以由云水混合比等海霧特征參數(shù)推算得出，且其精度由參數(shù)精度直接影響?？傮w而言，能見度與云水混合比呈反比，云水混合比值越大，海霧能見度越低。

后續(xù)研究中可通過本文所獲取的典型海霧特征參數(shù)建立典型海霧，尤其是垂直方向上的特征模型。本文所得到的能見度數(shù)據(jù)可用于后續(xù)的激光傳輸特性的仿真研究，以解決傳統(tǒng)激光回波仿真研究中有關(guān)能見度數(shù)據(jù)的單一性、不可靠性等問題，從而進(jìn)一步改進(jìn)激光回波仿真模型，為掠海激光類武器在海霧環(huán)境中的傳輸特性研究提供更可靠的數(shù)據(jù)參考，對改善激光武器性能有著積極意義。