引言

雾是由于贴地层空气中悬浮的大量水汽凝结物使水平能见度降到1 km以内的一种恶劣天气现象^[1]。据统计高速公路上因大雾等恶劣天气造成的交通事故，大约占总事故的25%；国内航班不能正常起降的原因有78%是大雾造成的。另外被人类活动污染了的城市或工矿区的雾中含有各种酸、碱、盐、胺、苯等重金属微粒以及灰尘和病源微生物，这些物质可伤害树木和农作物，被吸入人体后可危害人体健康。大雾还是输电网络的破坏者，易使输电设备绝缘性能下降，导致短路和跳闸，造成大面积停电。雾对农业生产也会产生危害，缺乏光照，会影响农作物的生长和引发病虫害。因此，雾的研究对促进社会经济良性发展和人民生活有重要的意义，越来越得到重视。

在常规天气预报业务中，由于雾难以预报准确，预报员比较注重总结预报经验^[2-8]。对于辐射雾的数值模拟研究，国内进行了大量实验，并取得不少的成果：周斌斌等^[9]通过模拟实验认为辐射雾顶是长波辐射冷却的极大值区；众多研究者^[10-21]从不同的角度建立雾模式，基本上较好地模拟出雾的形成和发展特点。王继志等^[22]对北京及周边地区的能见度和雾特征及其演变进行了研究，认为能见度变化有显著的季节差异；徐怀刚等^[23]认为在雾的发生发展过程中，边界层温度层结由雾前的逆温层变为雾区内的近中性层结。雾的发展过程具有明显的局地性特征，不同性质、不同地区雾的结构、发生发展过程和时间分布各具特点，为了研究华中辐射雾特征，本文根据2010年1月16—19日常规气象资料分析这次大雾环流背景特征，并采用NCEP再分析资料，将T213资料作为初始场，用WRF中尺度模式对大雾生消过程进行模拟，揭示本次大雾的一些重要特征，为湖南辐射雾模拟和预报总结积累经验。

1 大雾观测及环流背景分析 1.1 观测事实

2010年1月16日夜间至19日华中、华南出现大范围移动性大雾天气过程。这次大雾过程于16日凌晨首先在四川产生，之后迅速扩展到整个华中地区。17和18日为华中大雾发展最强时段，四川、湖北、湖南、江西等地大雾弥漫，雾区大部分地区能见度小于500 m，部分地区小于50 m，局部能见度不足10 m。随着西南气流的发展、高压主体东移，19日主要影响江西、福建、广东等省，湖南、湖北大雾明显减弱，除局地大雾维持外，雾区范围明显东移。20日随着低空暖湿气流强烈发展及新的冷空气影响，大范围大雾天气趋于结束。

1.2 环流背景

从此次大雾过程(1月16—20日)的5天平均环流形势场可以看到，在500 hPa高度场(图略)上，我国中东部地区上空为高压脊控制，自华北平原伸向华南地区。华中位于南—北向的脊区，盛行西北偏西气流。云贵高原则为南支槽前西南暖湿气流控制。在热带海洋地区，太平洋副热带高压西伸至印度半岛，台湾的西部，脊线位于17°N附近。在低层850 hPa上，华中地区处于大陆高压的西部，并有暖脊配合。低层暖平流的存在不但有利于地面弱冷气团变性减弱，使系统内风速减小，而且也有利于低层深厚逆温层的形成。雾通常发生在近地层，它的形成与地面天气形势有更为密切的关系。从图 1上看到，华中以北地区为一庞大的变性冷高压区，湖南、江西一带处在地面高压的底部，随着高压主体东移南落，逐渐转为大陆高压西侧，大雾发生区随高压主体东移影响华中和华南。一方面，高压控制下的晴空区有利于地表在夜间辐射冷却，为辐射雾的形成提供必要的触发条件；同时地面变性冷高压的西侧、南侧多为弱偏南或偏东风，潮湿的空气有利于饱和水汽条件的形成。因此地面变性大陆高压的预报对移动性大雾落区有指示意义。另外，观测事实还表明，本次大雾过程还存在显著的日变化，午夜至上午10时，大雾发展加强；而中午前后至傍晚，由于气温升高，大雾明显减弱消散，部分转为轻雾。

1.3 层结结构

在这次大雾期间，边界层结构比较复杂，具有两层逆温的变化特点。利用NCEP再分析资料制作垂直剖面图(图 2)，高层逆温位于在850至700 hPa高度之间，在大雾生成和维持期间，始终悬在大雾顶部以上，在整场雾的过程中没有贴地，因此该逆温层的存在对大雾的生成没有直接作用，它的作用在于使稳定的层结维持，雾能长时间存在；该逆温层日变化不大，其形成与辐射降温相关性小，是由于高空的空气在偏北气流作用下下沉、压缩，导致内能增加升温造成的^{[16, 20]}。在925 hPa以下为近地面逆温层，具有明显的日变化特点。夜间随着地面辐射降温，该逆温层开始形成，在02—08时达到最强；白天随着地面气温升高，该逆温层逐渐离开地面，减弱消失。因此该逆温层是由于地面辐射降温引起。根据湖南省内18日08时高空站探空曲线上温湿变化特点可以看出(图略)，在850~700 hPa高度之间有逆温层存在，在高层逆温层下有一个贴地逆温层。由图 2可见，在大雾发展和维持期间，湖南(24°~31°N、108°~116°E)上空为高湿度区。700 hPa以下为相对湿度60%~70%的高值区，在750 hPa附近迅速降低至10%左右，形成高层湿度拐点。这是由于高空系统性偏北气流下沉造成的。从图 3中可以看出，随着高空西北气流之南压，露点温度之锋区由15日500 hPa附近降至17日700 hPa附近，700 hPa以下形成下沉逆温层，相对湿度梯度大值区随之下降至该逆温层下。在近地层还有一个和辐射逆温对应的湿度拐点。夜间晴空使地面辐射较强，形成近地层辐射逆温，该逆温层形成一个像盖子一样的稳定的层结，使近地面水汽不能上传，加上辐射降温使近地层空气很快达到饱和，在弱的扰动作用下，饱和空气在近地逆温层以下迅速发展，形成大雾。而逆温层内由于气温较高，空气不容易达到饱和，而成为雾之顶部以上的相对干区(RH为60%~70%)。徐怀刚等^[23]认为在大雾过程中，整个雾层内相对湿度达到饱和状态，相对湿度廓线转变为不饱和状态的拐点就是雾的顶部的高度，雾层厚度和湿度层结曲线有很好的对应关系。本次过程位于700 hPa附近的湿度拐点是从不饱和状态(70%)变为更干区，因此不是大雾顶点位置。低层辐射逆温下，对应的相对湿度拐点，离地面大约200~300 m (探空站资料)，雾的顶部应该位于该处。从图 2b可看到沿着26°N弱西南气流，有水汽向雾区输送，使对流层中低层维持高湿高温，满足在近地面凝结成大雾所需要的水汽。18日白天，随着地面升温，辐射逆温层离开地面，近地层相对湿度迅速下降到70%以下，湖南省大雾减弱并逐渐消散。

从1月14日20时至19日20时郴州探空资料时间剖面图分析看(图 3)，15—16日随着高空偏北气流增强，露点锋(垂直方向T-T_d梯度密集区)从500 hPa附近下降至700 hPa以下，下沉气流在700 hPa附近形成下沉逆温层，像盖子一样阻止了动量和热量的上下交换，使得低空维持高温、高湿状态。17—18日，边界层至700 hPa为西南或偏南风，风速1~4 m·s^-1，这种一致的西南风给雾区上空输送一定的水汽，为大雾产生提供高湿环境条件。在17日夜间辐射雾的形成和持续阶段，近地面水平风速很小，微风扰动使饱和层扩散到一定高度，在近地面形成一定强度的大雾。18日14时，随着地面增温，近地面空气上升较快，逆温层抬升减弱，湖南省大雾减弱消散。18日下午开始，随着地面高压主体和高空槽东移，湖南上空700 hPa及以下转为12~16 m·s^-1的西南气流，低空暖平流输送使高层逆温加强，中低空继续维持高湿暖空气，但是由于中低层西南风速加大，低空扰动加大，加大了低层水汽和能量的交换，造成混合层增厚，18日夜间湖南省内地面辐射形成的逆温层明显减弱，湖南省形成以阴天和轻雾为主的天气。同时低空西南气流对水汽的平流输送使雾区随地面高压而东移、南压。可见高空西北气流形成的下沉逆温为此次辐射雾提供稳定的大气层结，低空弱西南气流给大雾区上空输送一定的水汽，地面弱扰动使饱和层发展到一定高度，是大雾形成不可缺少的动力条件；在低空高湿环境和高层下沉逆温同时存在时，西南气流加大导致近地面扰动加大，近地辐射逆温被破坏，难以形成大雾天气，成为本次大雾结束的重要因素之一。

2 大雾数值模拟分析

本文利用中尺度数值预报WRF (Weather Research and Forecast)模式对本次大范围大雾进行了模拟。设计了两组试验方案，分别采用了NCEP再分析资料和T213资料作为初始场，每6小时更新一次边界。模式采用了两层嵌套，粗网格120×120个格点，格距27 km，细网格121×121个格点，格距9 km，两层网格中心经纬度均为(27.5°N、111.5°E)。模式启动时间为2010年1月17日20时，积分步长分别取90和30 s，每小时输出一次结果。模式微物理过程中水汽方案选择Kessler暖云方案，积云参数化方案采用Grell-Devenyi集合方案，边界层方案采用YSU方案，考虑到辐射对大雾的形成的重要作用，所以采用了云辐射方案。为了达到更好的模拟效果，反映大雾过程大气低层的物理量场状况, 在垂直方向设计了41层，主要加密了对近地面层的分析。

由于此次大范围大雾发生主要时段在17日夜间至18日凌晨，模拟时间段为2010年1月17日20时至19日08时共36小时。由于初始条件对大雾模拟有非常重要的作用^[9]，为提高模式背景场的质量，模式试验中还利用WRF3DVAR对地面和高空常规观测资料同化。

将数值模式计算结果与NCEP再分析资料比较，以湖南区域(24°~31°N、108°~116°E)为例。2010年1月17—18日中低层温度、湿度及风场模拟与Ncep资料对比如图 4所示。由于在该区域上空探空资料较少，用NECP再分析资料代替实况。由于南岭山脉海拔高度在1000~1500 m，接近850 hPa高度，模拟的850 hPa风场受到地形风影响较大，因此风场资料使用的是700 hPa同时次资料。从图上可以看出，环流与湿度的预报结果，由于受地形影响，模拟结果的等值线不平滑，温度场还出现了若干个冷暖中心。总体来说，模拟结果得到的湿度、温度、风场数值和分布与实况非常相近，模拟性能较好，具有一定的可信度。地面海平面气压场预报和实况基本一致(图略)，说明地面气压预报效果很好。

由于大雾主要出现在近地面层，影响辐射雾形成和消散的逆温层也出现在近地面层。为更一步详细分析近地面大气层结，本文还利用T213资料作为初始和边界条件，将WRF模拟得到的900 m以下大气最大逆温、近地层相对湿度制作时间变化图(图 5)。从图上可见，18日02、07和08时近地面相对湿度大于95%的地区大部分为雾或浓雾区，部分为阴天(有轻雾)，雾区对应的大湿度区与阴天所对应的大湿度区比较，可发现低层最大逆温幅度大于5℃基本为雾或浓雾区；18日08时湖北南部与湖南北部交界处的大湿度区所对应的近地层最大逆温达10℃左右，至18日14时，近地面最大逆温还有5℃以上区域，相对湿度也维持在95%以上。实况是湖北南部辐射雾一直维持至18日14时还没有消散，也说明近地层相对湿度大值区(≥95%)与低层最大逆温幅度(≥5℃)重叠区对辐射雾预报有一定指示意义。

在湖北南部由于河流较多，水汽条件丰沛，因此17、18和19日出现连续性大雾天气，特别是18日白天，尽管气温有所上升，大雾并没有完全消散。用T213资料模拟出低层云水含量，制作荆州(30.5°N、112°E)、汉寿(29°N、112°E)气象站附近17日20时至19日08时的低层云水含量(单位：g·kg^-1)、温度(单位：℃)、温度露点差(单位：℃)、UV风时空剖面图(图 6)。

周梅等^[19]认为雾在-15~0℃时液态水含量范围为0.05~0.5 g·kg^-1，因此认为云水含量大于0.05 g·kg^-1为该地的大雾顶位置。从模拟结果看17日20时开始近地面云水含量大于0.2 g·kg^-1，云水含量中心位于地面，强度低，说明荆州本站有雾；18日02时以后云水含量迅速加大，并向高空发展，但最大中心仍位于地面，说明该地雾加强；18日08—10时雾顶部发展到250 m附近，云水含量高值中心离开地面，低层云水含量中心达到0.9 g·kg^-1，10时以后低层云水含量下降，但仍维持在0.3 g·kg^-1以上，说明该地大雾减弱，但大雾仍然维持，20时以后低层云水再次加大，雾顶部向上发展，说明该地区近地面水汽含量加大，有水汽平流输送，辐射雾转为平流雾。对比汉寿站资料可发现，18日20时以后，湖南北部南风明显加强。湖南北部与湖北交界处，沅水、澧水及长江东西向蜿蜒而过，正是这支近地面南风将河流上空的水汽输送至湖北南部，造成该区平流雾天气。可见WRF模式对于辐射雾云水含量具有一定的模拟能力。由于水汽辐合，近地面水汽饱和区可以向上发展到更高的高度，因此平流雾雾顶较辐射雾高。大型水体北侧地区在辐射雾形成后需警惕随之而来的平流雾天气预报。同一次过程的湖南南部、江西西部等地，大部分没有出现全天连续性大雾，云水含量模拟结果不是很理想。

同时为了改进数值模拟预报大雾的能力，对本次大雾生成、发展及消亡做了几组敏感试验，试验A采用不同的水平、垂直分辨率，结果表明加大模式水平分辨率，模式模拟改进效果不明显，但是增加模式垂直分辨率，模式模拟效果得到明显改进。试验B去掉辐射项中的长波和短波辐射后，夜间地面缓慢冷却，并通过湍流逐渐影响近地面大气。由于温度下降缓慢，近地面层增湿不明显，没有大雾生成；白天由于没有得到太阳短波辐射，地面继续降温，通过湍流扰动使近地层大气继续降温，相对湿度因为气温下降而加大。因此长波辐射冷却是辐射雾形成和发展的最重要的因素，而日出后的太阳短波辐射加热和湍流输送热量是辐射雾消散的主要原因。在本次辐射雾模拟中分别利用T213资料和NCEP再分析资料作为初始场做模拟实验，分析发现：在辐射雾期间，由NCEP资料提供给的WRF模式的初始和边界条件，高空要素和实况比较接近，在近地面层，特别是975~1000 hPa，NCEP资料提供的温度较实况明显偏高，湿度较实况明显偏低，和T213数值产品比较也是这样。模拟大雾区近地面相对湿度湖南为85%~90%，和18日08时NECP再分析资料1000~975 hPa相对湿度很接近(图略)，较T213资料模拟结果和实况均略低，大于90%的相对湿度区较实况雾区面积小，较以往研究成果明显偏低(1000 hPa相对湿度大于95%)。宋静等^[24]用WRF模拟南京地区2 m温度发现，多种不同下垫面模式模拟的2 m气温均高于实测温度。本次用NCEP资料模拟大雾过程中，湖南省内2 m气温较实况偏高约1~2℃。这可能是造成采用该资料进行模拟时近地面相对湿度模拟略低的一个重要原因。通过实况对比将温度订正后，相对湿度>90%的区域明显加大(山区除外)。利用T213资料作为模式的初始场和边界条件，在近地面要素模拟方面更接近实况。

3 结论和讨论

利用WRF模式对2010年1月17—18日湖南及周边地区一次大范围辐射雾过程进行观测和数值模拟分析。模拟结果诊断分析发现：

(1) 在华中地区700 hPa以上整层大气中下沉运动主导下，大范围的下沉辐散运动有利于中低层大气增温，与近地层的夜间辐射降温相配合，有利于形成两层逆温，而逆温层的存在对大雾层较长时间维持起着重要作用。

(2) 湖南及周围地区大雾出现前，大气层结相对稳定，而且有充足的水汽条件。地面和大气的长波辐射冷却是最主要的降温因子，夜间地面辐射降温，水汽达到饱和凝结成雾。空气湿度大和长波辐射降温是这次大雾过程的主要原因。双层逆温的存在和充沛的水汽是大雾生成的重要条件。

(3) 太阳短波辐射使得地面温度升高，长波辐射和湍流输送将热量传给大气，是导致大雾白天减弱消散的主要原因；次日南风加大，近地面湍流输送加强，近地层水汽和能量向上传递，不能达到饱和，是导致湖南次日不能形成大雾的重要原因。

(4) WRF中尺度模式对本次大雾过程进行了较好的模拟，近地面气压、温度、湿度和风等要素具有一定的可信度。

(5) 利用T213资料模拟得近地面U大值区(≥95%)与近地层最大逆温大值区(≥5℃)重叠区与雾区吻合较好，对辐射雾预报有一定指导作用。由于水体南侧及其上空近地面南风加强，造成其北侧近地面水汽辐合，水汽饱和区向上发展，形成平流雾天气。因此需警惕该区域辐射雾转平流雾的连续性大雾。