海南島海風(fēng)鋒逐月統(tǒng)計(jì)與數(shù)值模擬分析

施蕭，馮簫，趙小平，郭學(xué)文，楊本湘，樊晶

（1.中國人民解放軍63796部隊(duì)氣象室，四川西昌615000；2.海南省氣象臺(tái)，海南?？?70203）

?

海南島海風(fēng)鋒逐月統(tǒng)計(jì)與數(shù)值模擬分析

施蕭1，馮簫2，趙小平1，郭學(xué)文1，楊本湘1，樊晶1

（1.中國人民解放軍63796部隊(duì)氣象室，四川西昌615000；2.海南省氣象臺(tái)，海南?？?70203）

摘要：利用1979—2014年的歐洲再分析月平均資料統(tǒng)計(jì)海南島海風(fēng)鋒輻合的逐月演變情況，了解到4—8月海南島北部沿海午后有海風(fēng)鋒輻合，其他月份海南島西南部沿海在午后有海風(fēng)鋒輻合。在此基礎(chǔ)上，利用WRF模式進(jìn)行了風(fēng)場的模擬，對4—8月海風(fēng)鋒的初始輻合位置和移動(dòng)路徑進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：4—8月海風(fēng)鋒輻合多產(chǎn)生在儋州-臨高-澄邁-?？谝粠?；6月以后，海風(fēng)鋒輻合初始位置最東發(fā)生在?？?文昌北部，海風(fēng)鋒輻合向東最遠(yuǎn)能推至文昌-瓊海沿海一帶；同時(shí)，海南島東北部環(huán)境風(fēng)場受海風(fēng)增幅作用抑制了海風(fēng)鋒輻合的向東推進(jìn)。

關(guān)鍵詞：邊界層；風(fēng)場輻合；海風(fēng)鋒

1　引言

海南島位于我國最南端，四周環(huán)海，受海洋性氣候影響，氣象、海洋災(zāi)害較為頻繁［1-4］。海南島北部是我國雷暴的高發(fā)區(qū)域之一，對流天氣非常頻繁。據(jù)統(tǒng)計(jì)，雷暴多發(fā)生在夏季的午后，而海風(fēng)鋒則是夏季局地對流天氣的主要觸發(fā)系統(tǒng)。隨著文昌成為我國第四座航天城，海南島東北部的對流天氣對航天試驗(yàn)的順利進(jìn)行就變得尤為重要。海風(fēng)鋒源于海陸風(fēng)環(huán)流，在白天由于海陸熱力差異引起的海風(fēng)向陸地推進(jìn)，進(jìn)而與低層環(huán)境風(fēng)場相輻合形成的中小尺度鋒面。海南島的海陸風(fēng)研究由來已久［5］，在觀測分析方面，吳兌等［6］通過加密測站得出在雨季海口地區(qū)海陸風(fēng)出現(xiàn)頻率達(dá)75%，張振洲等［7］選擇9個(gè)常規(guī)觀測站統(tǒng)計(jì)出海南島月平均海陸風(fēng)日達(dá)12.2 d，且夏季出現(xiàn)頻率最高。在理論和數(shù)值模擬研究方面，柯史釗等［8］利用一層數(shù)值模式對包括海南島在內(nèi)的華南區(qū)域海陸風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)海南島存在環(huán)島海陸風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)，錢維宏［9］、翟武全等［10］通過數(shù)值模擬指出復(fù)雜地形和海陸分布對海陸風(fēng)環(huán)流形成的重要性。以上這些研究主要針對環(huán)繞海南島的海陸風(fēng)環(huán)流，對海南島北部的海風(fēng)環(huán)流研究的還不夠深入。本文將對海南島邊界層風(fēng)場進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行風(fēng)場的逐月模擬，以此了解海南島北部海風(fēng)鋒輻合的變化情況，進(jìn)而為系統(tǒng)分析海風(fēng)鋒的演變規(guī)律提供依據(jù)。

2　資料來源及可信度分析

2.1資料來源

本文所用資料為1979—2014年歐洲中心逐月平均的再分析資料（EC_interim），時(shí)間分辨率為6 h，分別為02、08、14、20時(shí)（北京時(shí)，下同），空間分辨率為0.125°。通過逐月對再分析資料進(jìn)行36 a平均，得到各月4個(gè)時(shí)次的平均風(fēng)場數(shù)據(jù)并對平均風(fēng)場進(jìn)行逐月分析。由于資料做過兩次平均，濾去了一些信息，因此這套資料主要用于揭示海南島海風(fēng)鋒最容易輻合的區(qū)域。

然后，將各月平均物理量場數(shù)據(jù)寫成WRF所需的intermediate格式［11］，利用WRF進(jìn)行風(fēng)場模擬。WRF動(dòng)力框架采用ARW，無嵌套，垂直分為36層。模式中心位于19.63°N、110.95°E，水平分辨率為10 km，模擬區(qū)域?yàn)?0.3o—28.4°N、99.3°—122.6°E。為了刻畫低層風(fēng)場，ETA層分別為1.000 0、0.999 0、0.998 0、0.997 0、0.996 0、0.995 0、0.994 0、0.992 0、0.990 0、0.986 0、0.978 0、0.964 0、0.946 0、0.922 0、0.894 0、0.860 0、0.817 0、0.766 0、0.707 0、0.644 0、0.576 0、0.507 0、0.444 0、0.380 0、0.324 0、0.273 0、0.228 0、0.188 0、0.152 0、0.121 0、0.093 0，0.069 0，0.048 0，0.029 0，0.014 0，0.000 0。模擬分析結(jié)果采用模式積分10 h之后的風(fēng)場數(shù)據(jù)。WRF模擬的風(fēng)場相對再分析資料的平均場要詳細(xì)一些，能夠進(jìn)一步描述海風(fēng)鋒的一些特征，如海風(fēng)鋒的鋒面走向、移動(dòng)路徑等。

2.2模擬風(fēng)場的可信度分析

雖然WRF所用的初始場是歐洲再分析資料36 a的平均場，但是隨著數(shù)值模式的向后積分，某些擾動(dòng)會(huì)變的明顯起來，比如海風(fēng)鋒輻合會(huì)更加明顯，中部山區(qū)的輻合也能給模擬出來。這些與實(shí)際觀測是能夠?qū)?yīng)起來的。比如，在2015年的6月5日，海南島北部有一次海風(fēng)鋒降水過程。根據(jù)海南全島自動(dòng)站的風(fēng)場觀測，上午11時(shí)，澄邁-臨高-?？诤０毒€附近的自動(dòng)觀測站風(fēng)場轉(zhuǎn)為偏北的海風(fēng)，與東南向的環(huán)境風(fēng)在海邊產(chǎn)生風(fēng)向輻合，形成海風(fēng)鋒。剛開始，海風(fēng)鋒基本沿著海岸線分布，此后，海風(fēng)鋒風(fēng)場輻合整體向東南方向推進(jìn)。到了14時(shí)，海風(fēng)鋒鋒面已經(jīng)移至?？谀喜考岸ò惨粠?，同時(shí)東海岸受海風(fēng)增幅影響，轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，東南風(fēng)雖然增強(qiáng)了海風(fēng)鋒的輻合強(qiáng)度，但是也抑制了海風(fēng)鋒進(jìn)一步發(fā)展，因?yàn)楹ｏL(fēng)鋒是向東南方推進(jìn)的。圖1a是6月5日13時(shí)45分的全島自動(dòng)站風(fēng)場，圖1b是模擬的6 月13時(shí)10 m風(fēng)場，通過對比發(fā)現(xiàn)：此次海風(fēng)鋒的大致輻合區(qū)域、移動(dòng)路徑與6月模擬的海風(fēng)鋒輻合基本能吻合起來，說明模式模擬的風(fēng)場是能夠進(jìn)行后續(xù)海風(fēng)鋒輻合一般特征分析的。

3　邊界層逐月風(fēng)場統(tǒng)計(jì)

由于海南島受季風(fēng)影響明顯，因此取冬季風(fēng)影響的1月、夏季風(fēng)爆發(fā)前的4月、夏季風(fēng)影響的6月、夏冬季風(fēng)過渡的9月這4個(gè)月代表全年的冬、春、夏、秋四季。分析時(shí)次為14時(shí)、02時(shí)，分析層次為10 m、975 hPa、925 hPa。時(shí)次對應(yīng)著午后和夜間；高度層次對應(yīng)邊界層厚度，也包含了海風(fēng)鋒的平均影響高度。為詳細(xì)了解邊界層風(fēng)場的輻合情況，選擇海南島及周圍海域進(jìn)行分析。

3.1 10 m風(fēng)場

圖2a、2b是1月14時(shí)和02時(shí)的邊界層風(fēng)場，本月受盛行冬季風(fēng)影響，海南島上空及周圍區(qū)域均以東北風(fēng)為主，由于海南島整體地形呈東北-西南走向，盛行風(fēng)向隨海南島地形有弱繞流存在。即在海南島東北部盛行東北風(fēng)場分為兩路，在海南島西南方向的海域東北風(fēng)和偏東風(fēng)又重新匯合。弱繞流在14時(shí)相對明顯，具有一定的日變化。繞流應(yīng)該與海陸熱力差異造成的海南島西南部海風(fēng)變化有一定關(guān)系。

圖1 10 m風(fēng)場（單位：m/s）

圖2各月10m平均風(fēng)場（單位：m/s）

4月10 m平均風(fēng)場轉(zhuǎn)為東南風(fēng)（見圖2c、2d）。14時(shí)海南島西北部環(huán)境風(fēng)場開始轉(zhuǎn)變，由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，同時(shí)海島西北部的儋州-臨高-澄邁一帶海邊有偏北海風(fēng)產(chǎn)生，并與環(huán)境風(fēng)場有輻合，產(chǎn)生海風(fēng)鋒。02時(shí)海陸熱力差異趨于消失，10 m風(fēng)場又整體轉(zhuǎn)為東南風(fēng)。

6月夏季風(fēng)開始，盛行風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)（見圖2e、2f）。14時(shí)，海南島上空環(huán)境風(fēng)場整體轉(zhuǎn)為西南風(fēng)。02時(shí)，海陸熱力差異趨于消失，環(huán)境風(fēng)場又轉(zhuǎn)回偏南風(fēng)。午后海南島上空風(fēng)場的整體轉(zhuǎn)向說明本月海陸熱力差異明顯，極易有海風(fēng)鋒輻合產(chǎn)生。

9月南海低壓槽活躍，中緯開始有冷空氣影響，海南島及其周圍區(qū)域的10 m風(fēng)場由夏季風(fēng)影響期間的偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)（見圖2g、2h）。本月海南島北部海風(fēng)輻合消失，在海南島的西南部也就是偏東風(fēng)的下風(fēng)向開始有海風(fēng)鋒輻合形成。輻合形成時(shí)間仍然為午后14時(shí)，02時(shí)環(huán)境風(fēng)場轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)。

由1月、4月、6月、9月的環(huán)境風(fēng)場演變可知，海南島各季節(jié)盛行風(fēng)場均不同，在盛行風(fēng)向的下風(fēng)向容易有海風(fēng)鋒輻合產(chǎn)生。另外對各月975 hPa風(fēng)場進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)與10 m風(fēng)場的變化相吻合，說明海風(fēng)轉(zhuǎn)換和海風(fēng)鋒輻合在975 hPa依然存在。

3.2 925 hPa風(fēng)場

由于925 hPa高度接近自由大氣底層，風(fēng)場情況與自由大氣較為相近。1月受高層?xùn)|亞大槽影響，冷空氣一般從海南島東部開始影響到本島，海南島北部上空及兩廣區(qū)域以偏東風(fēng)為主，南海海域?yàn)闁|北風(fēng)。本月地形弱繞流情況消失，說明繞流現(xiàn)象屬于一淺薄情況，當(dāng)月海風(fēng)轉(zhuǎn)換影響不到925 hPa（見圖3a、3b）。4月該層風(fēng)向整體更加偏東南，14時(shí)海南島西北部風(fēng)向由東南風(fēng)轉(zhuǎn)為南風(fēng)，海風(fēng)鋒輻合不明顯，但是環(huán)境風(fēng)場的轉(zhuǎn)變說明海陸溫度差異對海風(fēng)的增幅作用還是比較明顯，能夠影響到925 hPa（見圖3c、3d）。6月925 hPa的風(fēng)場在14時(shí)西風(fēng)分量的加入，與海風(fēng)有一定聯(lián)系，說明本月海風(fēng)轉(zhuǎn)換能夠影響到該層（見圖3e、3f）。9月925 hPa的風(fēng)場沒有明顯的日變化，海風(fēng)轉(zhuǎn)換達(dá)不到該層（見圖3g、 3h）。

4　逐月風(fēng)場數(shù)值模擬分析

根據(jù)前述平均風(fēng)場統(tǒng)計(jì)，海南島北部海風(fēng)鋒輻合主要在夏季風(fēng)影響之前以及影響期間較為明顯，因此下面對4月、6月、8月的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。其中4月為夏季風(fēng)影響之前、6月是夏季風(fēng)影響初期、8月是夏季風(fēng)影響中后期。對海風(fēng)鋒輻合初發(fā)位置及大致移動(dòng)方向進(jìn)行具體分析。考慮到海風(fēng)鋒一般較為淺薄，所以著重分析10 m的風(fēng)場的輻合變化。另外800 m風(fēng)場變化情況稍加分析。水平分析區(qū)域仍然為海南島及周圍海域。

4.1 4月10 m風(fēng)場數(shù)值模擬

4月10 m環(huán)境風(fēng)場為東南風(fēng)。11時(shí)前后海南島陸地受熱力作用，增溫大于周圍海域，導(dǎo)致海風(fēng)的產(chǎn)生，海南島西部到北部海岸附近的風(fēng)場開始轉(zhuǎn)變，由東南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)（見圖4a）。海風(fēng)鋒輻合為偏北海風(fēng)與東南向環(huán)境風(fēng)的風(fēng)場輻合，初始位置發(fā)生在盛行風(fēng)向的下風(fēng)向，即?？?澄邁-臨高-儋州-昌江一帶，整體呈東北-西南走向。同時(shí)，由于局地增溫或者小地形輻合等原因在中北部山區(qū)也開始出現(xiàn)風(fēng)場的輻合。環(huán)海南島的地形繞流輻合發(fā)生在西部海域，為偏南風(fēng)與偏北風(fēng)的輻合。海風(fēng)鋒在13—17時(shí)得到增強(qiáng)，并與中部山區(qū)的輻合結(jié)合到一起，呈東北-西南向整體向東部推進(jìn)（見圖4b）。17時(shí)之后，輻合強(qiáng)度減弱，輻合線逐漸消失。在海南島東部，海風(fēng)增幅使得環(huán)境風(fēng)增大并深入影響到離海岸10—30 km的區(qū)域，阻礙了下風(fēng)向的海風(fēng)鋒從西部沿海向內(nèi)陸的推進(jìn)，使得本月海風(fēng)鋒東推到澄邁-儋州-白沙一帶就開始減弱。

4.2 6月10 m風(fēng)場數(shù)值模擬

6月，夏季風(fēng)爆發(fā)，環(huán)境風(fēng)場以南西南風(fēng)為主，由于環(huán)境風(fēng)場帶有偏西風(fēng)分量，因此海風(fēng)鋒輻合初始位置移至文昌-海口-澄邁-臨高-儋州一帶，整體仍呈東北-西南走向，海風(fēng)鋒輻合初始位置最東移至文昌北部（見圖5a）。同時(shí)，中北部山區(qū)的輻合依舊明顯。另外，文昌東部海岸由于海南島地形繞流作用盛行偏南風(fēng)，在海陸熱力差異作用下，文昌東部海岸產(chǎn)生的海風(fēng)分量使得偏南風(fēng)轉(zhuǎn)至東南風(fēng)，東南風(fēng)分量與北海岸的偏北風(fēng)分量相輻合，雖然海風(fēng)鋒輻合位置更偏東，但是卻抑制了海風(fēng)鋒整體的東推。本月海風(fēng)鋒輻合初始位置更加偏東，在15時(shí)已推至文昌-瓊海一帶（見圖5b），17時(shí)幾乎到達(dá)文昌-瓊海的東海岸，此后輻合減弱消失。

圖3各月925 hPa平均風(fēng)場（單位：m/s）

圖4 4月10 m模擬風(fēng)場（單位：m/s）

圖5 6月10 m模擬風(fēng)場（單位：m/s）

圖6 8月10 m模擬風(fēng)場（單位：m/s）

由于本月夏季風(fēng)已經(jīng)爆發(fā)，強(qiáng)勁的西南風(fēng)開始影響整個(gè)海南島及周圍海域，海南島的西南部由于正處于上風(fēng)向，再加上海風(fēng)的增幅，海風(fēng)鋒輻合在西南部不易發(fā)生；但是這種強(qiáng)勁的西南風(fēng)深入內(nèi)地，使得中部山區(qū)的局地輻合較4月更頻繁。

4.3 8月10 m風(fēng)場數(shù)值模擬

圖7 800 m模擬風(fēng)場（單位：m/s）

8月海南島繼續(xù)受夏季風(fēng)控制，海風(fēng)鋒輻合初始位置仍然為儋州-臨高-澄邁-?？?文昌北部，本月中部山區(qū)依然有局地風(fēng)場輻合，兩類輻合疊加到一起呈東北-西南走向（見圖6a）。由于本月是夏季風(fēng)盛行期，西南向的夏季風(fēng)比6月要略偏大，東海岸受海風(fēng)增幅產(chǎn)生的東南風(fēng)要比6月向西推進(jìn)內(nèi)陸的距離更遠(yuǎn)，導(dǎo)致海風(fēng)鋒輻合較難推進(jìn)到東海岸附近（見圖6b）。

4.4 800 m風(fēng)場模擬分析

對800 m風(fēng)場進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在海風(fēng)鋒輻合最強(qiáng)的時(shí)刻，各月的風(fēng)場輻合均能反映到800 m高度，只是輻合強(qiáng)度及區(qū)域相對10 m風(fēng)場有明顯的減弱（見圖7）。說明海南島北部的海風(fēng)鋒一般能夠影響到800 m高度，但強(qiáng)度已經(jīng)明顯減弱。

5　結(jié)論

結(jié)合以上對月平均風(fēng)場的統(tǒng)計(jì)和模擬，得到以下結(jié)論：

（1）海南島海風(fēng)鋒輻合多始于中午前后，全年均存在。輻合初始位置受海南島低層盛行風(fēng)場影響較大，多發(fā)生在盛行風(fēng)向的下風(fēng)向陸地與海域的交界處。冬季到夏季，海風(fēng)鋒輻合從海南島西南部轉(zhuǎn)到海南島北部；

（2）海風(fēng)鋒輻合影響高度一般到925 hPa就明顯減弱，說明海風(fēng)鋒屬于一淺薄系統(tǒng)；

（3）4月開始，海南島北部就已經(jīng)受海風(fēng)鋒影響，中部山區(qū)在午后容易產(chǎn)生局地輻合；6月以后海風(fēng)鋒的初始輻合位置最東能到文昌北部。海風(fēng)鋒與中部山區(qū)輻合結(jié)合到一起，大致呈東北-西南走向，受環(huán)境風(fēng)場引導(dǎo)，整體向東海岸推進(jìn)，最東能推至文昌-瓊海一帶；

（4）中午前后，東部海岸在海風(fēng)增幅作用下，偏南的環(huán)境風(fēng)轉(zhuǎn)為較強(qiáng)的東南風(fēng)并深入內(nèi)陸大約30 km。雖然東南風(fēng)有利于海風(fēng)鋒的整體輻合，但是卻抑制了海風(fēng)鋒輻合帶的東推。

參考文獻(xiàn)：

［1］梁海萍，梁海燕，車志偉，等.近五十年登陸海南省的熱帶氣旋統(tǒng)計(jì)特征分析［J］.海洋預(yù)報(bào)，2015，32（4）:68-74.

［2］王紅心，陸惠祥，余曉軍，等.海南島沿岸風(fēng)暴潮特征分析［J］.海洋預(yù)報(bào)，1998，15（2）:34-42.

［3］李文歡.2000年10月海南特大洪災(zāi)成因分析［J］.海洋預(yù)報(bào)，2001，18（2）:67-69.

［4］王青顏，梁海燕.海南省臨高儋州2003年“11.26”特大潮災(zāi)調(diào)查分析［J］.海洋預(yù)報(bào)，2005，22（3）:40-44.

［5］邱曉暖，范紹佳.海陸風(fēng)研究進(jìn)展與我國沿海三地海陸風(fēng)主要特征［J］.氣象，2013，39（2）:186-193.

［6］吳兌，陳位超，游積平.?？诘貐^(qū)近地層流場與海陸風(fēng)結(jié)構(gòu)的研究［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，1995，11（4）:306-314.

［7］張振洲，蔡旭暉，宋宇，等.海南島地區(qū)海陸風(fēng)的統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)值模擬研究［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，2014，30（2）:270-280.

［8］柯史釗，黃健.華南海陸風(fēng)的數(shù)值模擬［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，1993，9 （2）:169-176.

［9］錢維宏.海南島地形及熱源對氣流影響的數(shù)值模擬試驗(yàn)［J］.海洋預(yù)報(bào)，1988，5（1）:14-22.

［10］翟武全，李國杰，孫斌，等.海南島附近四季風(fēng)場的中尺度環(huán)流［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，1997，13（4）:315-322.

［11］彭軍，張立鳳，鄧冰.LAPS資料在WRF模式中的應(yīng)用［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，2013，29（6）:1037-1045.

中圖分類號：P732.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1003-0239（2016）02-0022-08

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2016.02.004

收稿日期：2015-08-12

基金項(xiàng)目：海南省氣象局青年基金項(xiàng)目（HNQXQN201401）

作者簡介：施蕭（1986-），男，工程師，碩士，主要從事航天氣象保障工作。Email:shi_xo@163.com

Monthly statistics and numerical simulation analysis of sea breeze front over the Hainan Island

SHI Xiao1，F(xiàn)ENG Xiao2，ZHAO Xiao-ping1，GUO Xue-wen1，YANG Ben-xiang1，F(xiàn)AN Jing1
（1.Meteorological Division of PLA 63796 Troops，Xichang 615000 China；2.Hainan Meteorological Observatary，Haikou 570203 China）

Abstract：Based on the monthly-averaged European re-analysis data from 1979 to 2014，the monthly evolution feature of sea breeze front is analyzed.The results show that the sea breeze convergence front is occurred along the coastline at the northern of Hainan Island in the afternoon from April to August，and along the coastline at the southwest of Hainan Island in other months.The initial convergence position and movement path of sea breeze from April to August is analyzed by using WRF model simulated.The sea breeze front convergence is mostly occurred at the Danzhou-Lingao-Chengmai-Haikou area from April to August.After June，the initial convergence position of sea breeze front is occurred at Haikou-North Wenchang easternmost and convergence can promote to the eastern coast of Wenchang-Qionghai.The sea breeze front convergence is not conducive eastward due to environmental wind field which is increased by sea breeze at Hainan northeast.

Key words：boundary layer；wind convergence；sea breeze front