遼寧葫蘆島地區(qū)海陸風及熱內(nèi)邊界層研究

劉玉徹, 王連仲, 趙 凡, 楊 森, 楊洪斌, 鄒旭東

(1. 中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所, 遼寧 沈陽 110016; 2. 遼寧氣象影視中心, 遼寧 沈陽 110016)

遼寧葫蘆島地區(qū)海陸風及熱內(nèi)邊界層研究

劉玉徹1, 王連仲1, 趙 凡2, 楊 森1, 楊洪斌1, 鄒旭東1

(1. 中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所, 遼寧 沈陽 110016; 2. 遼寧氣象影視中心, 遼寧 沈陽 110016)

根據(jù)2007年遼寧葫蘆島氣象站資料分析了葫蘆島地區(qū)海陸風變化特征, 并用MM5v3模式模擬了典型日的海陸風風場變化和熱內(nèi)邊界層位溫場結構變化。結果表明: 海風和陸風出現(xiàn)的頻率有明顯的季節(jié)性變化。冬季陸風較多, 春夏海風較多, 春季、秋季易形成海陸風; 海風起止時間夏季長冬季短,陸風起止時間秋冬季較夏季長; 典型海陸風日中, 海風造成陸地濕度變大, 海風風速大于陸風風速;通過海風的數(shù)值模擬, 海風由生成到成熟海岸吹向內(nèi)陸其厚度可增厚到2 000 m以上, 伸向內(nèi)陸距離可到40 km; 熱內(nèi)邊界層向內(nèi)陸呈舌狀分布, 海岸邊界層高度在200～300 m之間, 拋物面高度隨著向內(nèi)陸延伸的距離增加而升高。熱內(nèi)邊界層最高達1 800 m。

海風; 陸風; 海陸風; 風場; 熱內(nèi)邊界層

由于水、陸的熱性質不同, 就會出現(xiàn)白天陸地氣溫高于水面氣溫、夜間水面氣溫高于陸地的情況, 溫度的差異造成氣壓差, 進而形成局地的水陸風環(huán)流,一般稱為海陸風。沿海區(qū)域最顯著的大氣現(xiàn)象就是有規(guī)律的陸風和海風的變化[1]。在近地層, 白天吹海風, 夜間吹陸風; 空中則為反向氣流, 吹海風時, 反向氣流從陸地返回海洋。海陸風的強度和結構因時因地而異, 中緯度下半年才較明顯。通常海風強于陸風, 可深入內(nèi)陸數(shù)公里至數(shù)十公里, 厚度為 0.1～1.0 km, 一般為0.5 km左右[1]。

葫蘆島是遼寧省下轄的一個地級市, 原名錦西。葫蘆島市中心地理方位為 120°38'E, 40°56'N, 地處遼寧省西南部, 東鄰錦州, 西接山海關, 南臨渤海遼東灣, 與大連、營口、秦皇島、青島等市構成環(huán)渤海經(jīng)濟圈, 扼關內(nèi)外之咽喉, 是中國東北的西大門, 為山海關外第一市。近岸地區(qū)受海洋影響顯著, 是海陸風的多發(fā)地區(qū)。海陸風環(huán)流對該地區(qū)的天氣和氣候有重要影響, 具有重要的研究意義。由下墊面特性的差異誘生的一些特殊大氣現(xiàn)象, 如熱力內(nèi)邊界層結構(TIBL), 可能影響局地大氣污染物輸送和擴散特性, 例如引起高架點源煙流的熏煙現(xiàn)象等, 從而影響排放在這些地區(qū)的空氣污染物的分布規(guī)律[2]。

海陸風對于沿海地區(qū)具有很寶貴的實踐與應用價值。Zagar[3]等通過中尺度模擬, 發(fā)現(xiàn)海風對丹麥東部沿岸的干沉降(dry deposition)影響顯著, 干沉降可以引發(fā)當?shù)睾Ｑ笤孱惖臄?shù)量變化。20世紀50年代以前對觀測資料作分析討論主要從分析海陸溫差入手,研究海陸風環(huán)流形成的壓力場和運動場, 限于分析線性化的運動方程, 屬于古典的研究。Martilli[4]通過虛擬海岸環(huán)境, 分析了城市對海岸中尺度氣流(海陸風)的影響作用和城市影響條件下海陸風擴散空氣污染物質的規(guī)律。EStoque[5]首次利用二維海陸風模式對海風模擬, 模擬了天氣尺度風及其垂直切變Kz的垂直變化、凝結和海岸線的變化對海風的作用, 國內(nèi)對海陸風的觀測研究始于 20 世紀 50 年代,朱抱真[6]1955 年率先在臺灣開始了海陸風的研究。50年代中后期, Pearce 首次采用非線性方程計算海陸風環(huán)流的變化[7], 60年代以后隨著探測技術、航空器、遙感技術的發(fā)展, 海陸風觀測手段也有顯著突破[8]。20世紀70年代之后, 研究開始把海陸風與空氣污染結合起來。1976年, 北京大學地質系在大陸首先對遼寧省錦州西部的海陸風進行了觀測研究, 研究組分析了海陸風環(huán)流的頻率、強度和轉換高度, 并且,根據(jù)海陸風空間氣溫場的變化, 提出了海陸風對空氣污染物質擴散的影響。在 80 年代之后, 周欽華[9]對浙江沿海地區(qū)、孔寧謙[10]對廣西北海地區(qū)的海陸風分別作了統(tǒng)計分析。因為海陸風對大氣污染有非常大的影響, 所以本文對2007年遼寧葫蘆島地區(qū)的海陸風特征作以下分析。

1 資料與方法

根據(jù)葫蘆島市氣象站的觀測資料分別對海風和陸風發(fā)生日數(shù)和頻率進行了統(tǒng)計。葫蘆島站的風向風速資料是每小時記錄一次, 每日記錄24次, 2007年1～12月逐月風向和風速資料共17 520個。

海陸風日定義: 為了便于從理論上確定海陸風日, 根據(jù)海陸風的變化規(guī)律, 本文將每日 24 h劃分為 4個時段[11]。即: (1)在陸風時段 01∶00～08∶00時, 陸風的出現(xiàn)時次必須大于等于 4, 而海風出現(xiàn)時次必須小于等于2; (2)在海風時段13∶00～20∶00時,海風的出現(xiàn)時次必須大于等于4, 而陸風出現(xiàn)時次必須小于等于2; (3)在選入的海陸風日, 24 h內(nèi)地面觀測風速必須小于等于10 m/s; (4)海陸風日中, 必須同時符合海風和陸風的規(guī)定標準。

葫蘆島地區(qū)海岸線沿著NE和SW方向走向, 且視其走向 22.5°以內(nèi)非海風也非陸風, 所以分別定義海風風向為ENE, E, ESE, SE, SSE, S, SSW; 陸風風向為NW, NNW, W, NNE, N, WSW, WNW。

MM5是三維中尺度非靜力氣象模式, 具有多重嵌套功能, 垂直方向上采用地形追隨坐標(σ坐標),適用的尺度范圍很寬, 可以用來模擬中-α、中-β、中-γ尺度系統(tǒng), 模式對各物理過程提供了多種選項,包括降水的物理過程、地表能量的收支、地表邊界層的處理和大氣輻射的物理過程等。本文使用的是該模式的MM5V3。

2 結果與分析

2.1 葫蘆島地區(qū)海陸風的月和季節(jié)分布特征

按照海陸風日的定義, 對葫蘆島站的2007年逐日風向風速資料進行了統(tǒng)計, 結果見圖1?？梢钥闯龊ｏL和陸風出現(xiàn)的頻率有明顯的季節(jié)性變化。陸風在冬季發(fā)生頻率高、次數(shù)多, 而在夏季發(fā)生頻率低、次數(shù)少。1月份陸風發(fā)生次數(shù) 25次, 12月份發(fā)生27次達到全年最高, 這兩個月份都屬于葫蘆島地區(qū)的冬季; 而在夏季6月份陸風發(fā)生13次, 7月份發(fā)生11次, 降到全年最低, 可見陸風在冬季發(fā)生次數(shù)多,而在夏季發(fā)生次數(shù)少。海風冬季1月份發(fā)生6次, 12月份發(fā)生3次達到全年最低, 而在夏季6月份26次,7月份發(fā)生25次, 8月份發(fā)生18次, 平均在20次左右, 可見海風和陸風相反, 夏季發(fā)生次數(shù)多而冬季發(fā)生次數(shù)少。這是由于該地區(qū)冬季受大陸氣團控制,同時氣溫長時間較低, 導致近海海面結冰, 熱容量迅速減少, 水陸邊界層差異降低, 由于陸面氣溫長期低于海面氣溫, 白天夜間陸地上都易形成局地高壓, 所以陸風較多, 而海風較難形成; 同時由于春夏季陸地升溫較海面快, 特別在太陽輻射最強的夏季,地面溫度遠高于海面, 白天陸地上形成局地低壓,從而較易形成海風, 而又由于近年來氣候變暖, 太平洋副熱帶高壓北移, 造成夜間陸面降溫不大, 海陸溫差不明顯, 從而造成陸風較少。海陸風日發(fā)生次數(shù)在3月達到13次, 4月達到10次, 8月達到12次,可見葫蘆島市海陸風日發(fā)生次數(shù)在春季、秋季較多,全年葫蘆島的海陸風日發(fā)生次數(shù)都較多在3次以上,相比大連金州地區(qū)[1]高出很多, 原因是地理位置的不同, 金州地區(qū)陸地面積較小, 三面環(huán)海, 而葫蘆島地區(qū)陸面和海面都較為廣闊, 海陸下墊面邊界層差別較大, 較易形成海陸風。海陸風就是由于一日內(nèi)海陸非絕熱加熱不均勻造成的一種局地次級環(huán)流, 海陸風是在大范圍風場背景上發(fā)展起來的, 實際的風場更加復雜, 海陸風環(huán)流常常被大范圍氣流減弱甚至完全掩蓋。葫蘆島地區(qū)冬天背景風大, 所以海陸風相對來說較少。而春季、秋季出現(xiàn)頻率最高, 這主要是該地區(qū)春季、秋季天氣系統(tǒng)較為均衡, 氣壓梯度小,天氣以晴天為主, 造成太陽輻射強, 海陸溫差大, 較易形成海陸風。而冬季和夏季天氣系統(tǒng)強, 氣壓梯度大, 不利于海陸風形成和維持。與文獻[11]的研究結果有些差異主要是由于研究年限的不同, 近年來氣候異常, 造成不同年的同一地區(qū)的氣象變化很大;同時文獻[11]只取了l月、4月、7月、10月作為分析, 很難表現(xiàn)全年的變化特征; 而文獻[11]的風向定義中把屬于順岸流的NNE-ENE和SSW-SW分別定義為陸風和海風, 把屬于海風的E定義為陸風, 直接造成了與本文的研究結果有些差異。

圖1 2007年葫蘆島市陸風、海風、陸風/海風、海陸風出現(xiàn)頻率Fig. 1 Monthly frequency of landwind, seawind, landwind/seawind, and sea-landwind at Huludao in 2007

從表1可以看出海風開始時間大約在中午13: 00,結束時間大約在晚上 20: 00, 海風平均風速在春季比較高而夏季比較低, 3月份達到最高4.6 m/s, 這是春季陸面白天升溫過快造成的。海風起止時間春、夏季較秋、冬季稍長一些, 這是由于在夏季日照時間長, 海風環(huán)流形成后可以較長時間獲得能量來源,使環(huán)流發(fā)展到最強, 在冬季日照時間短, 海風環(huán)流形成后獲得能量來源的時間短, 環(huán)流很難發(fā)展到最強[12]。所以海風持續(xù)時間夏季長冬季短, 這和文獻[9]的研究結果相一致。陸風開始時間多在凌晨 01: 00,結束時間在早上 08: 00, 陸風風速在春夏季較高,3月份達到最高值6.7 m/s, 而秋季達到最低, 9, 10月份為 2.1 m/s, 因秋冬季夜間陸面氣溫下降快, 易受大陸氣團控制, 同時氣溫長時間較低, 造成陸風起止時間秋冬季較夏季長。

表1 2007年葫蘆島市海風、陸風起止時間及平均風速Tab. 1 Sea breeze, land breeze starting or ending time and average wind speed in Huludao in 2007

2.2 海陸風日個例分析

在一年的海陸風日中選擇一天(7月 15日)作為個例研究。這一天前后葫蘆島地區(qū)被弱高壓控制, 氣壓場比較均勻, 氣壓梯度較小, 天氣晴朗, 海陸溫差較大, 較易形成海陸風。所以可選取這一天來研究其海陸風及熱內(nèi)邊界層的變化特征。

2.2.1 海陸風日觀測資料分析

圖2是葫蘆島2007年7月15日溫度、濕度、風向、風速等氣象要素變化曲線圖?？梢钥闯鲆归g01∶00～05: 00溫度下降緩慢, 且幅度很小, 這造成陸風風速較小, 從圖2d便可看出; 06∶00開始隨著太陽輻射加強, 地面溫度也快速上升, 在 11∶00達到最大值27.4℃, 這必然導致海陸溫差快速加大, 引起海風, 造成陸地濕度增大(圖2b), 同時海風風速也較大(圖2d); 18∶00開始地面溫度迅速降低, 海風開始消失, 風速迅速下降。圖2c是一天的風向變化曲線, 在陸風時段風向主要是W, 在海風時段風向主要是 S-SSE, 通過圖2c可以看出從夜間到白天陸風向海風轉化時, 風向發(fā)生明顯的逆時針變化。由圖2d可以看出海風風速明顯大于陸風風速。

圖2 2007年7月15日氣象要素變化Fig. 2 Variation of weather factor in July, 15, 2007

2.2.2 風場和溫度場數(shù)值模擬分析

采用了 MM5v3數(shù)值預報模式模擬了葫蘆島地區(qū)2007年7月15日的風場變化。采用套網(wǎng)格方案,分三層嵌套進行運算, 范圍覆蓋葫蘆島整個地區(qū),模式中心范圍為120°38'E, 40°56'N。9 km一層的東西格點數(shù)為85, 南北格點數(shù)為67; 3 km一層的東西格點數(shù)為85, 南北格點數(shù)為67; 1 km一層的東西格點數(shù)為103, 南北格點數(shù)為85, 畫圖網(wǎng)格東西格點數(shù)為278個, 南北格點數(shù)為174個進行插值, 模式使用T213場地高空常規(guī)觀測資料, 模式每小時輸出一次,取1 km區(qū)域10 m高度,u,v分量的模擬結果。采用的主要物理過程為Grell積云對流參數(shù)化方案, MRF行星邊界層方案, 簡單冰相方案, 云輻射方案, 9 km區(qū)域為時變邊界條件, 3 km和1 km為松弛邊界條件。由于人類活動主要在陸地上, 又以白天為主, 而海風往往會對沿岸地區(qū)的邊界層、污染物擴散、天氣和氣候狀況造成顯著影響, 所以下面主要研究海風及由海風引起的風場及熱內(nèi)邊界層的變化特征。

2.2.2.1 水平和垂直風場分析

由于篇幅的限制, 本文只列出了葫蘆島地區(qū)2007年7月15日白天海陸風變化的幾個關鍵時刻的水平和垂直風場圖(100網(wǎng)格為40.78°N, 以下均是)。由早上08: 00的水平和垂直風場圖(圖3a、圖4a)可以看出, 由于地面迅速升溫, 海洋和陸地出現(xiàn)溫差,海面出現(xiàn)了向岸氣流, 而陸面出現(xiàn)了離岸氣流的阻斷, 在海岸形成了高度很低的小的風垂直渦旋, 300 m上空依然是離岸氣流, 此時地面風速較小 2.4 m/s,正是由陸風向海風轉化的時刻。隨著地面溫度進一步升高, 在10: 00時由水平和垂直風場圖(圖3b、圖4b)看出海風開始形成, 內(nèi)陸風向由S轉向SE, 風速3.1 m/s, 海風伸向陸地25 km左右, 海風高度1 000 m左右, 高空形成了海風環(huán)流。12∶00時(圖3c、圖4c)海風發(fā)展到最強, 地面風速增大到 3.5 m/s, 海風伸向陸地達到了40 km左右, 海風高度達到2 000 m以上, 同時距陸面40 km處海面出現(xiàn)了明顯的輻散區(qū),表明海風環(huán)流已發(fā)展成熟。16: 00(圖3d、圖4d)隨著太陽輻射的減弱, 海陸溫差減小, 陸地風向由 SE轉向 SW, 海風變?yōu)轫槹读? 風速降為 2.4 m/s, 海面出現(xiàn)離岸流, 海風開始向陸風轉化。與氣象站觀測資料對比, 海風在不同發(fā)展時段的風向風速模擬值與觀測資料相對一致, 8∶00, 10∶00, 12∶00, 16∶00模擬風速分別為2.4, 3.1, 3.5, 2.4 m/s與氣象站觀測資料2.6, 3.2, 3.9和2.5 m/s較一致, 氣象站觀測資料風向分別為 219°, 185°, 151°和 172°, 也與模擬結果近似。

圖3 2007年7月15日葫蘆島關鍵時刻水平風場Fig. 3 Level agitation of huludao at pivotal time on July 15, 2007

圖4 2007年7月15日葫蘆島關鍵時刻第100網(wǎng)格垂直風場Fig. 4 Uprightness agitation of huludao on NO100 net at pivotal time on July 15, 2007

2.2.2.2 位溫場和熱內(nèi)邊界層分析

層結穩(wěn)定的海風在向內(nèi)陸移動過程中, 容易形成熱內(nèi)邊界層[10]。熱內(nèi)邊界層形成的過程是: 在中緯度海岸, 當存在海風時, 在晴天太陽輻射較強條件下, 一方面陸地下墊面受太陽輻射加熱影響, 趨于形成陸地特性的邊界層, 另一方面海風吹來溫度較低濕度較大的空氣, 這兩方面代表著水面邊界層特性, 從而在陸面形成水陸兩種特性邊界層疊加,就會出現(xiàn)由于水陸熱力動力差異造成的熱內(nèi)邊界層(TIBL)。熱內(nèi)邊界層會直接影響海岸地區(qū)的大氣輸送擴散特性, 往往造成熏煙型污染。熱內(nèi)邊界層結構較復雜, 在海陸交界處, 當吹海風時, 海上氣流從底部開始變性, 形成特殊的大氣垂直結構, 底部大氣受陸地加熱影響往往具有不穩(wěn)定結構, 上部大氣則保持海上的穩(wěn)定結構, 如果近海及內(nèi)陸同時存在底層不穩(wěn)定結構, 而上層穩(wěn)定層結, 且近海點兩種層結交界處高度小于內(nèi)陸點, 則形成熱內(nèi)邊界層。圖5就通過位溫場的變化間接地表現(xiàn)了一次典型的熱內(nèi)邊界層從形成到消失的結構變化。圖5a是經(jīng)過內(nèi)插的早上 06∶00時的位溫場剖面圖, 位溫場較均勻,陸面溫場的起伏是由地形影響造成的。10∶00時(圖5b)由海岸向陸地20 km處形成了熱內(nèi)邊界層, 向內(nèi)陸呈舌狀分布, 海岸邊界層高度在200～300 m之間,拋物面高度隨著向內(nèi)陸延伸的距離升高, 20 km處已達800 m左右。在12∶00(圖5c)左右隨著海風繼續(xù)向內(nèi)陸延伸, 熱內(nèi)邊界層也發(fā)展到了全天最強, 其向內(nèi)陸擴展距離達到了 48 km左右, 拋物面高度最高達到了 1 800 m, 而內(nèi)陸熱對流混合層抬升到了2 000 m以上, 此時氣象站溫度是全天的次高點。16∶00(圖5d)隨著海風的減弱熱內(nèi)邊界層也開始減弱, 20∶00(圖5e)則恢復到了正常的位溫層結。值得注意的是熱內(nèi)邊界層從形成到消失, 近海岸的拋物面結構始終變化不大, 只是隨著發(fā)展向內(nèi)陸延伸。

3 結論

圖5 2007年7月 15日各關鍵時刻第100網(wǎng)格葫蘆島位溫層結圖Fig. 5 Position temperature of huludao on No.100 net at pivotal time on July 15, 2007

1)海風和陸風出現(xiàn)的頻率有明顯的季節(jié)性變化。由于該地區(qū)冬天受大陸氣團控制, 白天夜間陸地上都易形成局地高壓, 所以陸風較多, 而海風較難形成; 同時由于春夏季陸地升溫較海面快, 白天陸地上形成局地低壓易形成海風, 夜間陸面降溫不大,海陸溫差不明顯, 造成陸風較少。該地區(qū)春季、秋季天氣系統(tǒng)較為均衡, 氣壓梯度小, 天氣以晴天為主,造成太陽輻射強, 海陸溫差大, 易形成海陸風日。夏季日照時間長, 海風持續(xù)時間夏季長冬季短; 秋冬季夜間陸面氣溫下降快, 易受大陸氣團控制, 同時氣溫長時間較低造成陸風起止時間秋冬季較夏季長。

2)在氣壓場比較均勻, 氣壓梯度較小, 天氣晴朗的典型海陸風日中, 海風造成白天濕度明顯變大。海風風速大于陸風風速。

3)通過海風的數(shù)值模擬, 夏季早上 08∶00是由陸風向海風轉化的時刻。隨著地面溫度進一步升高10∶00時開始形成海風, 12∶00時海風發(fā)展到最強,海面出現(xiàn)了明顯的輻散區(qū), 海風環(huán)流發(fā)展成熟, 16∶00時隨著太陽輻射的減弱, 海陸溫差減小海風開始向陸風轉化。海風由生成到成熟, 從海岸到內(nèi)陸厚度可增厚到2 000 m以上, 伸向內(nèi)陸距離可到40 km。

4)海風可造成岸邊陸地形成熱內(nèi)邊界層。通過位溫場的變化表現(xiàn)了一次典型的熱內(nèi)邊界層從形成到消失的結構變化, 熱內(nèi)邊界層向內(nèi)陸呈舌狀分布,海岸邊界層高度在 200～300 m之間, 拋物面高度隨著向內(nèi)陸延伸的距離升高。12∶00熱內(nèi)邊界層也發(fā)展到最強, 向內(nèi)陸擴展距離達到了48 km, 高度最高達到了1 800 m, 內(nèi)陸熱對流混合層抬升到了2 000 m以上。熱內(nèi)邊界層從形成到消失, 近海岸的拋物面結構始終變化不大, 只是隨著發(fā)展向內(nèi)陸延伸。

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The analysis of sea-land breeze and thermal inner boundary layer at Huludao

LIU Yu-che1, WANG Lian-zhong1, ZHAO Fan2, YANG Sen1, YANG Hong-bin1, ZOU Xu-dong1
(1. Institute of Atmospheric Environment, China Meteorological Administration, Shenyang 110016, China;2. Weather Movie and Television Center, Shenyang 110016, China)

Aug., 18, 2009

sea wind; land wind; sea-land breeze; wind field; thermal inner boundary layer

Based on routine weather station data of windward and wind speed in 2007, we analyzed sea-land breeze character at Huludao. Using MM5v3 model, we simulated wind field change character when sea-land breeze occurring and calculated the distance of sea wind extending into the land and land wind extending ton the sea. The appearance frequencies of sea breeze and land breeze were obvious of seasonly change. Land breeze happened in winter, sea breeze happened in summer and spring, and sea-land breeze happened in spring and autumn. The duration of sea breaze was long in summer and short in winter; The duration of land breaze was longer in autumn and winter than in summer; In a characteristc sea-land breeze day, sea breeze greatly increase the humidity on land, and the speed of sea breeze was larger than the speed of land breeze. Via numerical value modeling of sea breeze, from initiation to matureness the thickness was about 2 000 m, the distance of extension into land was 40 km. The thermal inner boundary layer assumed a tongue-like figure, the thickness of thermal inner boundary layer was 200～300 m. The altitude of parabola was increased as the distance of land was increased. The highest altitude of thermal inner boundary layer was 1 800 meters.

P404 文獻標識碼: A 文章編號: 1000-3096(2012)01-0087-07

2009-08-18;

2011-04-13

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費(2011IAE-CMA10)

劉玉徹(1979-), 女, 山東臨朐人, 助理研究員, 碩士, 從事大氣環(huán)境研究工作, E-mail: lwlyc79@tom.com

致謝：感謝丁國安研究員給予這篇文章的幫助和建議！

劉珊珊)