沪宁高速公路低能见度浓雾特征及其数值模拟研究

【摘要】：本文从2006-2009年沪宁高速公路自动气象监测系统(AMMS)的实测数据出发,分析了沪宁高速公路上浓雾的气候特征；研究了各类浓雾发生的大气环流背景及其与气象要素之间的关系；在此基础上,筛选出若干典型的浓雾发生个例,应用WRF中尺度数值预报模式,通过模式不同参数化和不同陆面物理过程方案的选择和耦合,对这些个例进行了系统的数值模拟试验,获得了较好的模拟效果；根据模拟输出结果,对不同物理量场进行了诊断分析,阐释了不同浓雾过程的形成、发展、维持和消散的物理机制；构建了能见度SVM预报模型,探讨了不同核函数和粒子群算法对预报效果的影响；研发出了沪宁高速公路浓雾预警系统,并将其应用于日常的交通气象业务。主要研究结论如下： (1)沪宁高速公路大雾存在明显的地段分布特征,总体为西多东少；各月出现雾的频率以12月最多,1月次之,10月到次年3月雾时占全年的76%,形成明显的雾季；雾的频率在一天内早晨6、7点最高,午后最低。 (2)相对湿度、温度、风速对沪宁高速公路沿线雾的预报具有较好的指示意义。当相对湿度大于90%,温度在0-15℃之间,风速小于2m·s-1时容易发生浓雾；78%的大雾形成前有团雾型的能见度突降的“象鼻”前兆,平流雾形成时以能见度突降为主。 (3)沪宁高速公路浓雾发生时地面、850hPa和500hPa天气形势主要为高压前部均压型、低压前部均压型、入海高压后部型、高压前部低压或倒槽型；根据Lamb-Jenkinson环流客观分型法结合定量化环流指数,将浓雾发生的大气环流背景分成27种客观型,分型结果表明发生浓雾时的气压场以均压为主,水平流场以平直气流为主,风场冬半年盛行西北和偏北风,夏半年盛行偏南气流,与客观分型结果一致。 (4)利用WRF模式对大雾进行模拟过程中选用七组不同的参数化方案进行实验,对沪宁高速公路大范围浓雾过程模拟较好的参数化方案为：长波辐射方案选择RRTM方案,短波辐射选用Dudhia方案,积云参数化方案仅粗网格采用Kain-Frisch方案,近地面层采用Monin-Obukhov方案,边界层采用YSU方案,微物理过程方案采用Lin方案方案,陆面过程方案采用SLAB方案。 WRF模式对雾区液态水含量、涡度场、夜间近地气层温场的辐射冷却和平流冷却模拟结果与实况接近；模拟结果表明地形条件是形成团雾的重要因素之一,利用DEM数据分析了苏南地区的地形高度变化,发现镇江段公路所处的地势较高,对风速风向的辐合有明显的作用。从地形地貌的敏感性试验结果来看,地形对团雾的发生发展有促进作用。 对模拟输出的各相关要素场和物理量场进行了诊断分析,以阐释不同浓雾过程的形成、发展、维持和消散的机制,结果表明：浓雾形成需要适宜的水汽条件、热力条件和动力条件；近地气层液态水含量在0.05g/kg-0.5g/kg之间,成雾路段被高液态水含量分布区所包围时,有利于浓雾形成；近地层涡度场存在较弱的负值区、地面风场出现辐合、北方有冷空气南下时,有利于浓雾的形成、维持与发展；夜间地表和近地气层的辐射冷却和平流冷却有利于浓雾形成。地形、水系、土地利用类型对团雾的发生、发展有一定的促进作用。 (5)沪宁高速公路大雾的SVM预报模型,对核函数的选择具有一定的依赖性,柯西核与径向基核函数实验的回报效果最好,并且由于其漏报率最低较适用于公路能见度的预报；并且运用粒子群算法寻优参数能够很快收敛,达到一个较优值,与穷举法相比,大大提高了计算效率,因此SVM方法在能见度预报中具有一定的推广能力。