三峽壩區(qū)一次晴空大風(fēng)天氣過程的數(shù)值模擬與成因分析

向永龍，雷東洋，朱赟赟，陳 晨

(湖北省宜昌市氣象局，湖北 宜昌 443000)

三峽壩區(qū)一次晴空大風(fēng)天氣過程的數(shù)值模擬與成因分析

向永龍，雷東洋，朱赟赟，陳 晨

(湖北省宜昌市氣象局，湖北 宜昌 443000)

指出了晴空大風(fēng)是三峽壩區(qū)主要災(zāi)害性天氣之一，因其地形復(fù)雜，下墊面類型多變，導(dǎo)致晴空大風(fēng)可預(yù)測性相對(duì)較差。利用WRF模式模擬了2013年3月7日發(fā)生在三峽壩區(qū)的一次晴空大風(fēng)過程，模擬的風(fēng)速大小及演變趨勢與實(shí)況較為接近。分析表明山谷風(fēng)效應(yīng)和三峽水庫湖泊效應(yīng)是引起此次晴空大風(fēng)的主要原因。

WRF模式；數(shù)值模擬；晴空大風(fēng)；山谷風(fēng)；湖泊效應(yīng)

1 引言

長江三峽工程自開始建設(shè)以來屢遭大風(fēng)侵襲并遭受重大損失，特別是其工程建設(shè)逐漸完工、永久船閘投入使用以來，多次因大風(fēng)造成長江封航。三峽壩區(qū)位于鄂西山區(qū)，地形復(fù)雜，其上游水面寬闊，下游河谷較深，沿河谷地區(qū)多高山，其湖泊效應(yīng)與山地地形效應(yīng)相結(jié)合，使壩區(qū)大風(fēng)的可預(yù)報(bào)性降低。因此，分析三峽壩區(qū)大風(fēng)天氣成因，對(duì)提高復(fù)雜地形條件下大風(fēng)天氣形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)壩區(qū)大風(fēng)天氣預(yù)報(bào)預(yù)警具有重要意義。關(guān)于對(duì)風(fēng)的預(yù)報(bào)，一直是國內(nèi)外氣象工作者關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。近年來，數(shù)值模式被廣泛應(yīng)用到了風(fēng)的研究和預(yù)報(bào)中，尤其是WRF(Weather Research Forecasting)中尺度模式在風(fēng)的預(yù)報(bào)與氣象服務(wù)中得到了廣泛應(yīng)用[1～5]。然而，應(yīng)用WRF對(duì)復(fù)雜地形環(huán)境下的風(fēng)進(jìn)行研究尚少。

三峽壩區(qū)常見大風(fēng)過程有兩種類型: 一種是伴隨雷雨過程，多普勒雷達(dá)顯示有明顯回波活動(dòng)的對(duì)流性大風(fēng)天氣過程(以下簡稱雷雨大風(fēng))，此類大風(fēng)通常瞬時(shí)風(fēng)速較大，但持續(xù)時(shí)間較短，一般對(duì)壩區(qū)航運(yùn)影響不大，如2008年7月17日三峽壩區(qū)出現(xiàn)雷雨大風(fēng)，日極大風(fēng)速達(dá)30.1 m/s，日最大風(fēng)速僅10.4 m/s，未對(duì)工程施工和船閘通航帶來大的影響；二是雷達(dá)回波監(jiān)測無明顯降水系統(tǒng)活動(dòng)，大風(fēng)發(fā)生前后6 h內(nèi)無降水的晴空系統(tǒng)性大風(fēng)(以下簡稱晴空大風(fēng))，此類大風(fēng)極大風(fēng)速一般在13～20 m/s左右， 風(fēng)速大于20 m/s的較為少見，但大風(fēng)持續(xù)時(shí)間長，對(duì)航運(yùn)調(diào)度影響較大，造成三峽船閘長時(shí)間封航。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：三峽壩區(qū)歷年極大風(fēng)速大于10.8 m/s的大風(fēng)過程中，晴空大風(fēng)約占45%，雷雨大風(fēng)約占55%；而2005年以后的大風(fēng)過程中，晴空大風(fēng)占75%以上[6]。本文利用WRF模式，對(duì)三峽壩區(qū)復(fù)雜地形下一次晴空大風(fēng)天氣進(jìn)行模擬，并對(duì)大風(fēng)的形成原因進(jìn)行了分析。

2 資料與方案設(shè)計(jì)

WRF模式系統(tǒng)是由美國研究、業(yè)務(wù)及大學(xué)的科學(xué)家共同參與開發(fā)研究的新一代中尺度預(yù)報(bào)模式和同化系統(tǒng)。該模式重點(diǎn)考慮從云尺度到天氣尺度等重要天氣的預(yù)報(bào)，水平分辨率重點(diǎn)考慮1～10 km，因而可以滿足針對(duì)復(fù)雜地形進(jìn)行的高分辨率的模擬。

圖1 模擬嵌套區(qū)域

本文運(yùn)用WRF3.1對(duì)2013年3月7日發(fā)生在三峽壩區(qū)的一次晴空大風(fēng)天氣過程進(jìn)行模擬。由NCEP 1°×1°全球分析資料提供初始場和邊界條件。模式采用二重嵌套(圖1)，中心經(jīng)緯度為30.8°N，110.2°E，各嵌套設(shè)置如表1。

3 天氣實(shí)況

2013年3月7日08:00，500 hPa天氣圖上高空槽位于東南沿海一帶，華中、華北及西北地區(qū)均受槽后偏北氣流控制，此時(shí)中高緯整個(gè)歐亞大陸呈兩槽一脊型：

表1 模擬嵌套的設(shè)置情況

從烏拉爾山東側(cè)到新疆為一寬廣的高壓脊，在其兩側(cè)各有一冷渦存在，預(yù)示著當(dāng)日三峽區(qū)域高空形勢相對(duì)穩(wěn)定。三峽壩區(qū)壇子嶺氣象資料和衛(wèi)星云圖也顯示3月7日沒有天氣系統(tǒng)過境，從而可以排除天氣系統(tǒng)對(duì)當(dāng)?shù)鼐值卮髿猸h(huán)流的影響。實(shí)況是：三峽壩區(qū)壇子嶺氣象站當(dāng)日檢測到12時(shí)38分出現(xiàn)瞬時(shí)風(fēng)速為16.9 m/s的大風(fēng)；10 min最大風(fēng)速為11.2 m/s。

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 模擬結(jié)果與實(shí)況的對(duì)比

圖2、圖3給出的是2013年3月6日20:00至7日20:00，三峽壩區(qū)壇子嶺站1分鐘平均風(fēng)速隨時(shí)間的變化曲線及模擬的風(fēng)速時(shí)間變化曲線。風(fēng)速實(shí)況(圖2)顯示7日12:00開始風(fēng)速迅速增大，最大超過12 m/s，該站當(dāng)日瞬時(shí)極大風(fēng)速為16.9 m/s，出現(xiàn)在12:38，14時(shí)過后風(fēng)速逐漸減小。模擬結(jié)果(圖3)顯示前期風(fēng)速相對(duì)較小，10:00以后風(fēng)速迅速增大，13:00左右風(fēng)速達(dá)到最大值，最大風(fēng)速超過12 m/s，隨后緩慢減小。

圖2 三峽壩區(qū)壇子嶺站10分鐘平均風(fēng)速隨時(shí)間(UTC)變化曲線

圖4給出了2013年3月7日三峽壩區(qū)2 m溫度模擬結(jié)果和觀測值。觀測結(jié)果顯示3月7日三峽壇子嶺逐小時(shí)最高溫度為25.6 ℃，出現(xiàn)在16:00；最低溫度為10.3 ℃，出現(xiàn)在07:00。WRF模式很好的模擬了近地面溫度的日變化特征，對(duì)最高溫度和最低溫度的模擬與觀測值較為接近。模擬結(jié)果在夜間降溫比觀測結(jié)果略晚，白天升溫也比觀測結(jié)果晚，造成這種差異的原因很有可能是模式系統(tǒng)誤差造成的。對(duì)比模式對(duì)風(fēng)速和溫

圖3 模擬的5分鐘平均風(fēng)速隨時(shí)間(UTC)變化曲線

度的模擬結(jié)果可知，本次模擬與實(shí)況較為接近，能夠反映出三峽壩區(qū)近地面層環(huán)流特征的基本情況。

圖4 WRF模擬2 m溫度曲線與三峽壩區(qū)壇子嶺站逐小時(shí)觀測值

4.2 風(fēng)速演變趨勢機(jī)理分析

圖5給出的是宜昌地形高度場(填色區(qū))、模擬不同時(shí)刻10 m風(fēng)場(風(fēng)矢量)，圖中黑色圓圈位置為三峽壩區(qū)所在位置。圖中顯示三峽壩區(qū)以東為平原，海拔高度在200 m以下；西部為高山和河谷。高山地區(qū)最大高度超過1 400 m，三峽壩區(qū)一帶河谷海拔在400 m左右，河谷和沿岸山地海拔落差超過1 000 m。模擬結(jié)果顯示05:00(圖5a)模擬區(qū)域內(nèi)西部山區(qū)有明顯的山風(fēng)出現(xiàn)，在沿江河谷一帶形成了較明顯的下吹風(fēng)區(qū)。風(fēng)速自西部高山到東部平原呈減小趨勢，自山頂?shù)胶庸瘸试龃筅厔?。壩區(qū)所在區(qū)域風(fēng)速明顯較大，平均風(fēng)速約8 m/s。東部平原地勢平坦，下墊面熱力條件均一，風(fēng)速較小，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)。此時(shí)，由于夜間輻射降溫，山頂溫度低于峽谷內(nèi)水體表面溫度，溫度分布不均引起氣壓梯度差，導(dǎo)致風(fēng)從山頂吹向山谷，因此西部山區(qū)風(fēng)速較大。

09:00(圖5b)西部山區(qū)山風(fēng)持續(xù)略有減弱，沿河谷一帶風(fēng)速繼續(xù)維持，最大風(fēng)速約10m/s，此時(shí)應(yīng)該是山風(fēng)向谷風(fēng)轉(zhuǎn)換的過渡期。從圖中可以看出，沿河谷一帶的偏西風(fēng)在河谷南側(cè)山區(qū)以東形成了繞山氣流，繞山氣流與河谷南側(cè)越山氣流相遇，形成輻散區(qū)。而東部平原上風(fēng)速依然較小，主導(dǎo)風(fēng)向變成一偏南風(fēng)為主。

13:00(圖5c)太陽輻射加強(qiáng)，山頂溫度升高，而東部平原和峽谷內(nèi)水體溫度升溫緩慢，導(dǎo)致山頂氣壓明顯小于峽谷內(nèi)氣壓，引起谷風(fēng)加強(qiáng)，谷風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)。由于環(huán)境風(fēng)太強(qiáng)，越過河谷北側(cè)山區(qū)，與谷風(fēng)在河谷北側(cè)山區(qū)以東匯合，形成明顯繞山氣流。

17:00(圖5d)谷風(fēng)進(jìn)一步加強(qiáng)，環(huán)境風(fēng)稍有減弱。谷風(fēng)與環(huán)境風(fēng)在山區(qū)與平原的交匯帶匯合，形成輻合區(qū),在北側(cè)山區(qū)以東形成繞山氣流。

綜合模擬區(qū)域內(nèi)水平風(fēng)場變化可知，23:00～09:00風(fēng)場以山風(fēng)為主；09:00～12:00山風(fēng)減弱，谷風(fēng)還未出現(xiàn)，風(fēng)場由環(huán)境風(fēng)主導(dǎo)；12:00～18:00風(fēng)場由環(huán)境風(fēng)和谷風(fēng)共同主導(dǎo)；18:00～23:00基本沒有山谷風(fēng)出現(xiàn)，風(fēng)場以環(huán)境風(fēng)為主。

圖5 宜昌地形高度場(等值線區(qū))及05:00(a)、09:00(b)、13:00(c)、17:00(d)模擬風(fēng)場(風(fēng)矢量)

為了更好地分析風(fēng)場的環(huán)流特征，沿30.9°N從110°E到112.2°N作了垂直速度剖面(圖6)，三峽壩區(qū)位于圖中110°E附近。由圖可知05:00(圖6a)近地層大氣中西部以下沉氣流為主，三峽壩區(qū)附近大氣下沉運(yùn)動(dòng)尤為明顯，東部幾乎沒有大氣的垂直運(yùn)動(dòng)。09:00(圖6b)西部山區(qū)氣流下沉運(yùn)動(dòng)更加明顯，三峽壩區(qū)附近最大下沉速度超過15 cm/s。13:00太陽輻射進(jìn)一步加強(qiáng)，山頂和峽谷內(nèi)氣壓差更加明顯，三峽壩區(qū)附近氣流有上升運(yùn)動(dòng)，開始有谷風(fēng)形成，但從此處之運(yùn)動(dòng)來看谷風(fēng)較弱(圖6c)。17:00太陽輻射繼續(xù)維持，近三峽壩區(qū)上升運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步加強(qiáng)(圖6d)，東部平原出現(xiàn)明顯的下沉氣流。由此可見，本次模擬中大氣在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與風(fēng)速在水平方向上的演變基本吻合，進(jìn)一步證實(shí)了本次大風(fēng)過程的山谷風(fēng)特征。

另外三峽水庫巨大的湖泊效應(yīng)在山谷風(fēng)形成的過程中也起了重要作用。在夜間輻射降溫過程中，水面降溫比一般峽谷降溫更慢，增加了山頂和峽谷的溫度差，促進(jìn)了山風(fēng)的形成；在白天輻射升溫過程中，水體又能減緩峽谷的升溫速度，增加山頂和峽谷的溫度差，促進(jìn)谷風(fēng)的生成。

4.3 動(dòng)量收支

已有研究表明，大氣的垂直運(yùn)動(dòng)會(huì)造成水平動(dòng)量在垂直高度上重新分布，因此動(dòng)量垂直傳輸也可能對(duì)近地面風(fēng)場產(chǎn)生一定的影響。圖7給出的是三峽壩區(qū)壇子嶺氣象站水平動(dòng)量垂直通量時(shí)間—高度剖面圖。由圖7可知，隨著高空偏北氣流的加強(qiáng)，該區(qū)對(duì)流層低層中有明顯的垂直方向動(dòng)量通量下傳過程。近地層U方向和V方向動(dòng)量在垂直方向上的傳導(dǎo)具有很明顯的一致性。11：00之前動(dòng)量垂直傳輸微弱或具有較弱的動(dòng)量上傳，11：00之后動(dòng)量通量下傳極為明顯，15：00左右達(dá)到峰值，U方向上中心強(qiáng)度超過-0.4 kg/m·s2，V方向上中心強(qiáng)度超過-0.25 kg/m·s2。高層的高值動(dòng)量向邊界層大氣的輸送，促使了低層晴空大風(fēng)的出現(xiàn)。

5 結(jié)語

復(fù)雜地形下的風(fēng)場模擬具有相當(dāng)?shù)呐既恍?，風(fēng)場的影響影子也具有極大的不確定性。本文通過實(shí)驗(yàn)分析，得出主要結(jié)論如下。

(1)WRF模式能夠較好的反映出復(fù)雜地形條件下風(fēng)場的分布和演變特征，能夠在空間尺度和時(shí)間尺度上較好的彌補(bǔ)常規(guī)觀測資料的不足。模擬的風(fēng)速和溫度演變趨勢均與實(shí)況較為接近，在實(shí)際業(yè)務(wù)中有一定的參考價(jià)值。

圖6 05:00(a)、11:00(b)、14:00(c)、17:00(d)沿30.9°N垂直速度剖面

圖7 2013年3月6日20:00-2013年3月7日20:00水平動(dòng)量垂直通量的時(shí)間-高度剖面(a：U方向；b：V方向；單位：kg/(m·s2))

(2)山谷風(fēng)效應(yīng)和湖泊效應(yīng)是三峽壩區(qū)此次晴空大風(fēng)形成的主要原因，但動(dòng)量的垂直傳導(dǎo)對(duì)此次晴空大風(fēng)的形成起到了一定的促進(jìn)作用。

(3)山區(qū)與峽谷之間和山區(qū)與平原的交匯帶因地形熱力作用，極易形成局地環(huán)流。尤其是山區(qū)與水體的交匯帶，在較強(qiáng)的輻射條件下更容易形成較強(qiáng)的局地環(huán)流。

[1]張 強(qiáng)，萬素琴，毛以偉.三峽庫區(qū)復(fù)雜地形下的氣溫變化特征.氣候研究進(jìn)展,2005,1(4) :164～167.

[2]楊育強(qiáng)，王曉云，薛允傳，等.2008年青島奧帆賽及殘奧帆賽精細(xì)化氣象服務(wù)綜述[J].氣象，2008，34(S1)：3～8.

[3]楊育強(qiáng)，高榮珍，馬 艷，等.海面風(fēng)精細(xì)化集成預(yù)報(bào)系統(tǒng)在青島奧帆賽期間的應(yīng)用[J].氣象，2008，34(S1)：241～245.

[4]孫 貞，高榮珍，張 進(jìn)，等.青島地區(qū)8月一次海風(fēng)環(huán)流實(shí)例分析和WRF模擬[J].氣象，2009，35(8)：76～84.

[5]汪 君，王會(huì)軍.WRF模式對(duì)江蘇如東地區(qū)風(fēng)速預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)分析[J].氣候與環(huán)境研究，2013，18(2)：145～154.

[6]田 剛，袁 杰，羅劍琴，等.MM5模式在三峽工程大風(fēng)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用及檢驗(yàn)分析[J].暴雨災(zāi)害，2009,28(2)：168～172.

2015-10-13

中國長江電力股份有限公司委托項(xiàng)目(編號(hào)：2413020002)；宜昌市氣象局自立課題(編號(hào)：201318)資助

向永龍(1957—)，男，工程師，主要從事短期天氣預(yù)報(bào)研究。

雷東洋(1986—)，男，碩士，工程師，主要從事短期天氣預(yù)報(bào)工作。

S126

A

1674-9944(2015)12-0016-04