海南島地形對局地海風環(huán)流結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值模擬

楊秋彥，苗峻峰*，王語卉，2

(1.南京信息工程大學 氣象災(zāi)害教育部重點實驗室，江蘇 南京 210044；2.浙江省氣象臺，浙江 杭州 310016)

海南島地形對局地海風環(huán)流結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值模擬

楊秋彥1，苗峻峰1*，王語卉1，2

(1.南京信息工程大學 氣象災(zāi)害教育部重點實驗室，江蘇 南京 210044；2.浙江省氣象臺，浙江 杭州 310016)

本文利用WRF模式對2014年5月25日發(fā)生在海南的一次海風過程進行了數(shù)值模擬，通過地形敏感性試驗，探討了海南島地形對局地海風環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：控制試驗(CNTL)海風于15時左右達到強盛。無地形試驗(FLAT)中，水平方向上，海風持續(xù)時間縮短，南、北、西向海風向內(nèi)陸傳播距離變短1～5 km，海風強度減弱1 m/s左右，海風動能及輻合強度在沿海地區(qū)及西南山區(qū)存在大值衰減區(qū)；垂直方向上，海風碰撞位置向西、北方向移動，高空回流高度降低，海風厚度減小，垂直環(huán)流強度減弱2～6 m2/s2，海風鋒附近的垂直速度減小10 cm/s以上。谷風對海風同相疊加作用的消失也使得海風強度減弱。其主要影響機制為：在動力方面，由山脈屏障作用引起的海風強迫抬升、繞流等增強作用消失；在熱力方面，地表吸收凈輻射減少，導致其向大氣中釋放的感熱、潛熱通量等各項均減少約9%，這種改變造成了海陸之間溫度、氣壓差的減小，最終造成了海風的減弱。此外，通過兩組削山試驗，發(fā)現(xiàn)海拔高度降低區(qū)輻合范圍、強度及動能均減小，同時海風垂直環(huán)流結(jié)構(gòu)也相應(yīng)發(fā)生改變，其中移去黎母山脈(RMLM)對海風環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響大于移去五指山脈(RMWZ)。

熱帶島嶼；復雜地形；海風結(jié)構(gòu)；海風輻合

1 引言

海陸風是由海、陸加熱快慢不均造成的一種沿海地區(qū)最常見的中尺度天氣系統(tǒng)[1-5]。海陸風的研究不但廣泛應(yīng)用于沿海城市氣象預(yù)報和邊界層大氣環(huán)境監(jiān)測[6]，更在天氣學方面具有重要意義[7—10]，特別是在海風前沿，會形成海風鋒，可觸發(fā)強對流天氣[11—12]，造成災(zāi)害。

復雜地形對海風環(huán)流的影響一直以來都是科學家們高度關(guān)注的熱點之一，不少研究表明地形及海岸線形狀決定了海風環(huán)流的基本特征[13—15]，其影響主要表現(xiàn)在動力和熱力兩方面。動力作用主要有地形對海風的側(cè)向摩擦、阻擋、擠壓、強迫抬升、繞流等[16]。其中，Miao等[3]研究指出：當海風環(huán)流遇到沿海高山時其傳播距離變短，海風環(huán)流易被高山阻斷。Qian等[17]指出地形對海陸風存在阻塞效應(yīng)，海風鋒的傳播速度隨著地形高度而增大。Jeong等[18]的研究結(jié)果表明：對于海岸線較為簡單的地區(qū)，地形對海風的影響大于土地利用類型。Abatan等[19]對尼日利亞沿海地區(qū)不同測站的風場玫瑰圖進行比較，得出該地區(qū)不同走向的海岸線可以產(chǎn)生不同的海陸風環(huán)流，且兩者相互影響。熱力方面主要為地形導致的局地熱力環(huán)流對海風的同相和反相疊加，以及地形非均勻性造成的地表能量分布差異。陳訓來等[20]針對香港地區(qū)的海陸風提出：由于丘陵地形的存在，在白天以地形的熱力作用為主，海風增強。此外，在晴朗少云的天氣下，海陸熱力對比更為明顯，利于海風發(fā)生發(fā)展[14]。綜上所述，國內(nèi)外大部分研究多關(guān)注于地形的動力作用、海岸線形狀對海風的影響，而對地形導致的局地熱力環(huán)流及海風環(huán)流結(jié)構(gòu)變化的研究相對較少。

海南島地處熱帶，海風發(fā)生頻率高，地形結(jié)構(gòu)復雜，五指山脈和黎母山脈雄踞于本島中部，形成中央高、四周低的環(huán)形層狀地貌，是研究海島復雜地形對海風環(huán)流影響的理想?yún)^(qū)域。國內(nèi)學者對海南島海風環(huán)流的研究也日漸增多[21—22]，吳兌等[23]、王靜等[24]分別利用?？谡?、19個常規(guī)氣象站的觀測資料對海陸風進行統(tǒng)計分析，揭示了海南島地區(qū)海陸風的基本變化特征。翟武全等[25]提出區(qū)域內(nèi)的復雜地形和海陸分布是形成各種中尺度環(huán)流的重要原因，同時揭示出本地的氣候分布特征與中尺度環(huán)流間存在密切的關(guān)系。張振州等[26]利用實測資料及WRF模式全面展示了海南島海風的季節(jié)變化特點及其水平環(huán)流特征。錢維宏[27]、王語卉等[28]也指出海南島西南部的復雜地形對海風發(fā)生發(fā)展有著非常重要的影響。此外，海南島南部大地形對南部海風影響較大，在此條件下，地形導致的局地熱力環(huán)流與海風環(huán)流相互疊加、碰撞，易于觸發(fā)局地中小尺度天氣系統(tǒng)，造成強對流天氣，引起災(zāi)害[12]。綜上可知，國內(nèi)學者對海南島海風的研究多為統(tǒng)計分析與個例模擬，較少對海風進行地形敏感性試驗研究，為此，本文利用WRF V3.7模式對海南島的一次海風過程進行了地形敏感性試驗，旨在探究地形對海風的動力、熱力影響，以便更好地了解海風環(huán)流結(jié)構(gòu)，提高災(zāi)害天氣的預(yù)報預(yù)警水平。

2 個例概況

本文選取2014年5月25日晴朗少云天氣下的海風個例進行數(shù)值模擬。如圖1a所示，08時(北京時，LST，下同)的海南島沒有受到低值天氣尺度系統(tǒng)的影響，500 hPa的副熱帶高壓脊線(588線)包圍了整個海南島，處于副高影響下的背景風場較弱，天氣狀況較為穩(wěn)定。850 hPa(圖1b)則處于高壓外圍西側(cè)，以偏南風為主。在偏南氣流的控制下，高低空風向基本一致。由紅外衛(wèi)星云圖及可見光云圖(圖略)可知當天海南為少云。對應(yīng)的探空資料表明(圖略)，500 hPa及以下各層均處于偏南氣流控制下，無明顯切變。此外，由海南省19個常規(guī)氣象站的觀測資料可知，該天并無降水。從風向風速分布來看，5月25日海風于10時左右開始，約20時結(jié)束，15時的海風發(fā)展達到強盛，此時多數(shù)氣象站的風向發(fā)生了較大轉(zhuǎn)變，風速也明顯增加[24]。其中沿海站的風場變化大于內(nèi)陸站，且沿海存在明顯的溫度梯度(圖2a)，海陸熱力差異顯著，島嶼四周各站均出現(xiàn)由海洋吹向陸地的海風(圖2b)。另外，2014年5月25日處于夏季，此時的南海盛行夏季風，偏南風背景下的海風發(fā)生頻率高，海風特征顯著，因此，該天可以作為典型海風個例進行深入研究。

圖1 NCEP FNL 1°×1°再分析資料08：00 LST的風場(單位：m/s)，位勢高度場(等值線，單位：dagpm)Fig.1 NCEP FNL 1°×1°reanalysis data for wind field (unit：m/s) and geopotential height field (contour line， unit: dagpm) at 08：00 LST

圖2 海南省19個常規(guī)氣象站15：00 LST的溫度場(a，單位：℃)和風場(b)Fig.2 Observed temperature (a，unit:℃) and wind (b) field of 19 conventional weather stations in Hainan Province at 15：00 LST

3 模式定制和數(shù)值試驗設(shè)計

本文采用中尺度WRF-ARW(Version 3.7)模式對此次海風環(huán)流過程進行數(shù)值模擬，模擬的起始時間為2014年5月23日18：00 UTC(即24日02：00 LST)，共積分46 h，前22 h為模式積分起轉(zhuǎn)調(diào)整(spin-up)時間。模式的初始場和邊界條件采用每6 h輸入一次的NCEP FNL(1°×1°)資料。模式采用雙向反饋的四重嵌套方案(圖3a)，水平分辨率及網(wǎng)格點數(shù)依次為27 km(200×200)、9 km(208×202)、3 km(238×226)和1 km(376×373)，垂直方向取35個不等距的σ層，模式層頂氣壓為100 hPa。模式的物理過程參數(shù)化方案配置類似于王語卉等[28]，主要包括Dudhia短波輻射方案、RRTM長波輻射方案、Lin等微物理方案、Kain-Fritsch積云參數(shù)化方案(僅D1、D2)、YSU邊界層方案、Noah陸面過程方案及MM5 Monin-Obukhov近地層方案。此外，模式還使用了WRF V3.7中新的地形數(shù)據(jù)(TOPO_30s)和MODIS_30s土地利用數(shù)據(jù)，能較好地反映出海南島的地形(圖3b)和土地利用類型特征。模式最外層區(qū)域覆蓋了整個東亞及東南亞的大部分地區(qū)，可以提供足夠大的背景強迫信息；最內(nèi)層則覆蓋了整個海南島及鄰近海域，海陸比例約為1∶1，利于海風充分發(fā)展。

本文共設(shè)計了4組試驗，如表1所示。需要指出，兩組削山試驗為本文的補充性試驗，保留500 m以下地形是為了保留東北—西南向峽谷(如圖4中粗實線所示)的作用。這4組地形試驗均針對D4區(qū)域，除了地形高度以外，試驗中所有的模式配置和物理過程參數(shù)化方案完全一致。

圖4 D4區(qū)域削山試驗(a. RMLM， b. RMWZ)所對應(yīng)的地形分布(陰影，單位：m)，等值線為500 m等高線，粗實線為海南島東北—西南向峽谷走向Fig.4 Terrain height of different experiments (a. RMLM， b. RMWZ) in D4 (shaded， unit: m)， contour line is the terrain height of 500 m， thick solid line is the trend of gorge in the Hainan Island

試驗名稱試驗方法試驗?zāi)康目刂圃囼?CNTL)不改變地形(圖3b)參照試驗無地形試驗(FLAT)將海南島地形高度變?yōu)?研究地形對海風環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響削山試驗1(RMLM)削去圖4a中黑色粗實線左側(cè)(黎母山脈)高于500m的部分研究海南島特殊地形對海風環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響削山試驗2(RMWZ)削去圖4b中黑色粗實線右側(cè)(五指山脈)高于500m的部分研究海南島特殊地形對海風環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響

4 模式驗證

為評估CNTL試驗的模擬效果，圖5給出了5月25日8個沿海站的風向、風速模擬結(jié)果與逐時資料的對比情況。由圖5可知，WRF模式較好地模擬出了風向、風速的日變化趨勢，隨著海風的推進，CNTL試驗?zāi)M的風場表現(xiàn)為風向突變、風速增大的特征。其中，北部海口、瓊山站的海風時段大致為12時至17時，臨高站為8時至20時左右，它們的風向均發(fā)生了約180°的轉(zhuǎn)變，風速也有所增加，海風特征明顯[24]，模擬與觀測基本對應(yīng)。位于海島西部的東方站風速于10時開始突然增大，風向轉(zhuǎn)變達40°以上，由陸風轉(zhuǎn)為海風，20時左右海風結(jié)束，其風向模擬較好，風速偏小。島嶼東部的文昌、瓊海、萬寧三站的海風大致于8時左右開始，風向轉(zhuǎn)變大于30°，風速增大，至19時左右結(jié)束。由于偏南背景風的影響，南部三亞站的風向轉(zhuǎn)變不明顯，海風特征主要體現(xiàn)在風速的變化上[26]，12時左右海風開始，此時風速較小，下午逐漸增大，18時左右達到最大，21時海風轉(zhuǎn)為陸風，總體模擬效果較好。

圖5 海南島8個沿海站風矢量圖(單位：m/s)的觀測與模擬對比(粗箭頭：觀測，細箭頭：模擬)Fig.5 Comparisons of simulated and observed wind vectors (unit: m/s) of 8 coastal stations in the Hainan Island (thick arrows: observation， thin arrows: simulation)

圖6 模擬的CNTL試驗的2 m溫度(陰影， 單位：℃)和10 m風場(單位：m/s)：a. 09：00 LST; b. 12：00 LST; c. 15：00 LST; d. 18：00 LSTFig.6 Simulated temperature at 2 m (shaded， unit:℃) and wind field at 10 m (unit: m/s) of CNTL experiment：a. 09：00 LST， b. 12：00 LST， c. 15：00 LST， d. 18：00 LST

圖2a、6c的對比顯示，15時模擬與觀測的兩個陸地溫度大值區(qū)基本對應(yīng)，分別位于島嶼東北部和西南部，模擬的溫度最大值偏低。由圖2b可知，15時沿海各站均出現(xiàn)了由海洋吹向陸地的海風，其中南部海風已傳播至樂東、保亭、五指山、瓊中等站，北部海風也傳播至白沙站附近，東西向海風較南北向弱，僅在沿海幾站可見。對比模擬結(jié)果(圖6c風場)，可見島嶼各個方向海風強盛，且傳播距離與觀測較為接近，其中模擬的北部海風略偏強，已傳播至瓊中，但觀測顯示北部海風僅傳播至澄邁與屯昌之間，這可能是由于模式系統(tǒng)本身的參數(shù)設(shè)置及對空間分辨率的選取所造成的，但總體來說模擬結(jié)果與觀測較為吻合。

為進一步檢驗?zāi)Ｊ綄孛鏆庀笠氐哪M能力，本文將海南省19個地面常規(guī)氣象站劃分為9個沿海站和10個內(nèi)陸站，并依據(jù)Miao等[4]計算當天各站CNTL試驗中相對濕度、溫度及風速模擬結(jié)果的平均誤差(MBE)和均方根誤差(RMSE)。從表2和表3中可見，各站溫度、風速、濕度的平均偏差和均方根偏差都較小，表明基本氣象要素風速、溫度、濕度的模擬效果較好。其中，風速和溫度在沿海和內(nèi)陸的模擬效果相差不大，而大部分內(nèi)陸站(屯昌、儋州、昌江和白沙)相對濕度的RMSE比沿海站大，因此對于濕度的模擬，沿海地區(qū)比內(nèi)陸的效果好。

綜上所述，CNTL試驗的模擬結(jié)果能較為合理地反映實際變化情況，存在的誤差在可接受的范圍內(nèi)，因此模擬結(jié)果能夠較為合理的表現(xiàn)海南島海風環(huán)流及基本氣象要素場的特征。

5 模擬結(jié)果分析

5.1 控制試驗

由圖6a可知，該日上午9時，海島溫度較低。此時北部受到瓊州海峽狹管效應(yīng)及南部地形繞流的作用，使得海島北部風速較大。總體來說，此時海風并未開始發(fā)展，基本處于偏南背景風的控制下。12時(圖6b)海島溫度升高，四周均出現(xiàn)海風，南北向強于東西向，且北部已向內(nèi)陸傳播至19.1°N附近。15時(圖6c)，陸地整體溫度進一步增高，各個方向的海風全面爆發(fā)，海風發(fā)展達到強盛，加上由地形引起的谷風的同相疊加作用[26，29]，使其向內(nèi)陸傳播距離比12時更遠，東北-西南走向的海風輻合帶隨之形成。18時(圖6d)各個方向的海風向內(nèi)陸傳播距離均變短，強度也有所減弱，逐漸趨于結(jié)束。需要指出，海南島地處熱帶、島嶼形狀獨特、地形分布復雜，這使得海風的開始和強盛時間相對我國其他地區(qū)滯后[30]。另外，海島西南部存在一個東北-西南向的深長峽谷(如圖3b陰影所示)，CNTL試驗中的峽谷風向為西南，這是由于海風向內(nèi)陸傳播過程中，氣流遇到兩座山峰無法越過從而產(chǎn)生繞流，繼而在峽谷匯合并穿過峽谷，形成明顯的穿谷風[25，28]。

表2 沿海站CNTL試驗2 m溫度(T2)、風速(WS)、相對濕度(RH)的平均誤差(MBE)和均方根誤差(RMSE)

表3 內(nèi)陸站CNTL試驗2 m溫度(T2)、風速(WS)、相對濕度(RH)的平均誤差(MBE)和均方根誤差(RMSE)

圖7a為10 m風場的緯向垂直剖面圖，剖面點選取了海南島較為中心的位置(圖3b中AA1與BB1線交點)，它可以直接反映復雜地形下東西向和南北向海風隨時間的演變特征，下面僅以東西向海風為例來對其進行說明。該日10時前，東西向陸風明顯，且發(fā)展強盛。10時后，陸風逐漸轉(zhuǎn)為海風，風向隨時間發(fā)生調(diào)整，風速也逐漸增大。島嶼西部海風大約從10時開始，至23時左右結(jié)束，最大風速約為6 m/s。由于東南背景風對西部海風的抑制作用，其向內(nèi)陸的傳播距離僅為40 km左右。東部海風持續(xù)時間較西部短，海風最大強度為4 m/s左右，向內(nèi)陸的傳播雖受到山脈阻擋，但仍有部分氣流越過山峰，最遠可向內(nèi)陸推進80 km左右。東西向海風在109.1°E附近相遇，偏于島嶼西側(cè)。另外，該日南北向海風(圖略)的強度、傳播距離等與東西向海風有著類似特征。

為了探究海風環(huán)流的垂直結(jié)構(gòu)特征，本文將該日15時的垂直速度、位溫、水汽分別沿著圖3b中AA1與BB1線作了垂直經(jīng)向、緯向剖面圖，以下僅選取部分垂直剖面圖進行分析。從圖7b中可以看出，CNTL試驗中南北兩側(cè)均出現(xiàn)了較強的向岸風，隨著海風向內(nèi)陸推進，氣流出現(xiàn)了較為明顯的爬坡，部分氣流越過山峰，使得南北海風在18.7°N附近相遇。由于5月25日太陽直射點位于16.3°N附近，海島南部山坡始終為向陽面，比北部山坡受到更多的太陽輻射，因此南部山坡溫度更高，對于南、北部谷風的觸發(fā)條件來說，山頂溫度是一致的，北部山坡與山頂之間的溫差小于南部，因此CNTL試驗中南部海風受到更強的谷風疊加作用，但由于其同時受到更強的地形阻擋作用，使得其北部的傳播距離仍大于南部[31]。另外，由于背景風為東南風，島嶼南部為迎風坡，北部為背風坡，山脈阻擋南部海風傳播，恰好使得處于背風坡且受背景風影響較小的北部海風傳播更遠。由于地形的機械抬升及山谷風的同相疊加作用，在五指山南(18.7°N)、北(18.8°N)及黎母山頂(19.1°N)附近均出現(xiàn)了海風鋒[32]，南面海風環(huán)流結(jié)構(gòu)清晰，高空回流可達2 km以上，北部特征則被海風掩蓋。此外，從圖7b中還觀察到，海風在爬行過程中出現(xiàn)了波動，這可能是由于Kelvin-Helmholtz(KH)不穩(wěn)定造成的。由圖7c可知，15時島嶼東西兩側(cè)到山頂處的等位溫線幾乎垂直分布，水平溫度梯度很大，海陸溫差明顯，因此從熱力角度判斷海風應(yīng)該較為強盛。結(jié)合風場可知此時海風的水平和垂直速度都有顯著增加。如圖7d，15時海島東部山脈迎風坡的水汽變化比較劇烈，12 g/kg水汽混合比等值線也因受山脈抬升作用延伸至2 km高度處。此外，海島內(nèi)18 g/kg水汽混合比等值線恰好接近海風鋒(109.0°E、109.3°E、109.7°E)位置，可見海風鋒后為水汽儲備的大值區(qū)[28]。海風在傳播過程中遇到山脈爬坡，攜帶的水汽比較豐沛，結(jié)合之前討論的風場水平和垂直結(jié)構(gòu)可知，此時的鋒面附近有著較強的垂直上升運動，海風發(fā)展較為旺盛。

圖7 沿圖3b中AA1線模擬的10 m風場(單位：m/s)隨時間的演變圖(a); 沿圖3b中BB1線模擬的15：00 LST風場(單位：m/s，w擴大了20倍)的垂直剖面圖(b); 沿圖3b中AA1線模擬的15：00 LST 位溫(c， 單位：K)和水汽混合比(d， 單位：g/kg)的垂直剖面圖(橫坐標上的藍色和棕色線條分別代表海洋和陸地)Fig.7 Time evolution of wind field at 10 m (unit: m/s) along AA1 of Fig.3b(a)， vertical cross section of wind field (unit: m/s， w multiple 20 times) along BB1 of Fig.3b at 15：00 LST(b)， vertical cross section of: theta (c， unit: K) and water vapor mixing ratio (d， unit: g/kg) along AA1 of Fig.3b at 15：00 LST (blue and brown bar on the abscissa represent the ocean and land， respec-tively)

圖8 模擬的FLAT試驗的10 m風場(單位：m/s)：a. 09：00 LST; b. 12：00 LST; c. 15：00 LST; d. 18：00 LSTFig.8 Simulated wind field at 10 m (unit: m/s) of FLAT experiment：a. 09：00 LST； b. 12：00 LST； c. 15：00 LST； d. 18：00 LST

圖9 模擬的15：00 LST 10 m風場散度(藍色實線，小于-1×10-3 s-1)和地形高度(黑色實線，500 m)：a. CNTL; b. FLATFig.9 Simulated divergence of wind field at 10 m (blue solid line， less than -1×10-3 s-1)and terrain height (black solid line， 500 m): a. CNTL， b. FLAT at 15：00 LST

圖10 模擬的15：00 LST 10 m風場動能(陰影，單位：m2/s2)：a. CNTL; b. FLATFig.10 Simulated kinetic energy of wind field at 10 m (shaded， unit: m2/s2): a. CNTL， b. FLAT at 15：00 LST

5.2 敏感性試驗

5.2.1 地形對海風環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響

對比圖6a，可見無地形時，9時(圖8a)的海島處于偏南背景風的控制下，無海風出現(xiàn)，且北部狹管效應(yīng)及南部地形繞流作用也隨之消失。12時(圖6b、8b)，沿海地區(qū)各個方向均出現(xiàn)海風，但基本未向內(nèi)陸傳播，陸地上為比較一致的偏南風，島上風速也明顯減小。15時(圖6c、8c)，島嶼海風強度減弱，其中沿海區(qū)域的風速整體減弱1～2 m/s，尤其在島嶼南部，這是由于無地形后南部山區(qū)沒有了山、谷之間的熱力差異，南部海風失去了谷風的疊加作用所致。在向內(nèi)陸的推進過程中，處在迎風坡的氣流失去了地形的阻擋作用，海風可持續(xù)向北推進，加上偏南背景風的作用，使得海島北部海風受到抑制而減弱[33]。18時(圖6d、8d)，北部海風強度減弱，海風趨于結(jié)束。另外，由于FLAT試驗中不存在地形，因此東北-西南向峽谷內(nèi)的穿谷風消失。

隨著海陸溫差加大，海風逐漸向內(nèi)陸推進，改變了島內(nèi)風速、壓強、溫度、濕度等氣象要素特征，使得內(nèi)陸形成海風輻合線(或輻合帶)。圖9給出了15時CNTL與FLAT試驗的10 m風場輻合線，以此來表示海風鋒的位置及海風輻合強度。15時的CNTL試驗(圖6c、9a)中形成了覆蓋全島的低層輻合氣流。由于島嶼南部山地的擾動作用，使得輻合線的分布不太規(guī)則[26]。無地形時(圖9b)島嶼西南山區(qū)的海風、山谷風輻合基本消失，僅存在零星的小范圍輻合區(qū)。原來位于海南島長軸附近的東北-西南走向的海風輻合線移至西部、北部沿海地區(qū)，基本與海岸線方向平行。地形對近地面10 m風場動能的影響如圖10所示。從動能的分布來看，移除地形后沿海地區(qū)及西南山區(qū)的動能大值區(qū)范圍明顯縮減，強度相應(yīng)減弱，島嶼北部存在一條動能衰減帶，這恰恰說明削平地形后海風有所減弱。對比圖9與10，可知動能的高、低值過渡帶易形成海風輻合，圖10中紅色動能大值區(qū)與藍色低值區(qū)的交界處恰與海風輻合帶位置對應(yīng)。綜上可知，地形的存在對海風的輻合強度、范圍及動能均有明顯的增強作用。

對比圖7b，可見無地形后(圖11)，南部海風無阻擋地向內(nèi)陸傳播，海風碰撞位置北移至19.7°N，整體氣流變得更加平直，垂直擾動、亂流均變?nèi)?，僅在南北海風碰撞處(19.8°N附近)造成較為強烈的垂直上升運動，最大達0.75 m/s。另外，北部海風發(fā)展范圍縮小，海風鋒由3個合并為19.8°N附近的1個，海風厚度為0.5 km，高空回流[34]位置也降低至1.5 km左右。圖12給出了CNTL與FLAT試驗全島平均垂直速度隨時間的演變圖，以此說明海風垂直方向的強度變化。9時左右，垂直速度方向發(fā)生了由向下到向上的轉(zhuǎn)變，且垂直運動與海風的發(fā)展過程較為一致，上升速度在海風發(fā)展旺盛時段達到最大。完全消除地形影響時，垂直上升速度減小，最大差值達1.8 cm/s左右?？偟膩碚f，無地形后海風垂直環(huán)流強度變?nèi)?。?給出了各個方向的具體海風參數(shù)[4]，其中Umax和Vmax分別為東西向、南北向低層海風最大水平分量(僅表示大小)，以及他們所在位置到海岸線的距離d和距離地表的高度h。W↑max和W↓max分別代表海風鋒附近最大上升、下沉速度，L為海風向內(nèi)陸傳播距離，H為海風厚度，SBCI=Vmax×(W↑max+W↓max)為經(jīng)向海風垂直環(huán)流強度，SBCI=Umax×(W↑max+W↓max)為緯向海風垂直環(huán)流強度。從表中可以看出，CNTL試驗中，各個方向的海風最大水平分量，海風鋒附近的最大上升、下沉速度及海風垂直環(huán)流強度均大于FLAT試驗。由此可知地形的存在對海風垂直環(huán)流有增強作用。

圖11 沿圖3b中BB1線模擬的FLAT試驗15:00 LST風場(單位：m/s，w擴大了20倍)的垂直剖面圖(橫坐標上的淺灰色和深灰色線條分別代表海洋和陸地)Fig.11 Vertical cross section of wind field (unit: m/s, w multiple 20 times) along BB1 of Fig.3b at 15:00 LST in FLAT experiment (light grey and dark grey bar on the ab-scissa represent the ocean, land, respectively)

圖12 全島平均垂直速度(單位：cm/s)隨時間的演變Fig.12 Time evolution of averaged vertical velocity (unit: cm/s) on the whole island

參數(shù)單位東西南北CNTLFLATCNTLFLATCNTLFLATCNTLFLATLkm2139454339382520Hm223384612597135016702952530Umax或Vmaxm/s318307572493463451656557d/km1926293410209598795h/m17815343138737210261613W↑maxm/s157072131084154142147132d/km4553756522218011121894h/m1077897148682412119551304545W↓maxm/s068053057048049035059009d/km45251669102453149612h/m1137126310236773744591678144SBCIm2/s27163841075651947981351785

5.2.2 地表輻射與能量平衡

以下主要對CNTL與FLAT試驗的地表能量和溫壓場進行分析，揭示引起海風變化的機制。

地表向大氣傳輸?shù)哪芰恐苯記Q定了驅(qū)動海風發(fā)展能量的強弱，圖13、14給出了CNTL與FLAT試驗地表各通量及其差值隨時間的演變。從圖13a中可以看出，隨著太陽短波輻射的增強，到達地面的凈輻射也逐漸增加，13時前后達到最大，兩組試驗的差別主要出現(xiàn)在11時至14時。CNTL與FLAT試驗的凈輻射差值在白天表現(xiàn)為大于0的正值(圖14a)，在清晨存在短時間的負值，最大差值出現(xiàn)在正午，達到65 W/m2左右。白天無地形時的凈輻射小于CNTL試驗，證明無地形后地表凈輻射減少。由圖14a可知，凈輻射在12時差值最大，據(jù)此作了12時兩組試驗的凈輻射平面圖，從圖15a、16a中可以看出，不同地形高度的模擬結(jié)果在陰影圖上形成了鮮明的對比，CNTL試驗中島嶼東南沿海大片區(qū)域及西南山區(qū)的凈輻射基本大于700 W/m2，而FLAT試驗則明顯小于CNTL試驗。可見地形的存在可增強地表對輻射能量的積聚。這是由于削減地形后，島嶼的云水分布發(fā)生改變，使其對太陽輻射的阻擋作用產(chǎn)生變化所致。如圖17a所示，CNTL試驗的云水大值區(qū)主要分布在五指山南側(cè)迎風坡、黎母嶺山頂及黎母山脈迎風坡，最大云水混合比低于0.4 g/kg，且分布零散。FLAT試驗(圖17b)中，云水分布橫跨18.3°～19.1°N范圍，約80 km左右。另外，還在19.8°N附近有一條云水大值帶，垂直方向延伸范圍為1.1～2.4 km，寬度約為25 km，中心值超過0.6 g/kg。對比CNTL與FLAT試驗可知，CNTL試驗的云水影響范圍及強度均小于FLAT試驗，這就使得FLAT試驗中更多的太陽輻射被阻擋，到達地面的凈輻射偏少。

圖13 模擬的海南島CNTL與FLAT試驗的陸地平均地表通量(單位：W/m2)隨時間的演變Fig.13 Simulated time evolution of averaged surface fluxes (unit: W/m2) of CNTL and FLAT experiments on the Hainan Islanda.凈輻射; b.感熱通量; c.潛熱通量; d.土壤熱通量a. Net radiation； b. sensible heat flux； c. latent heat flux； d. ground heat flux

圖14 模擬的海南島CNTL與FLAT試驗的陸地平均地表通量(單位：W/m2)差值(CNTL-FLAT)隨時間的演變Fig.14 Simulated time evolution of averaged differences (CNTL-FLAT) of surface fluxes (unit: W/m2) between CNTL and FLAT experiments on the Hainan Islanda. 凈輻射; b. 感熱通量; c. 潛熱通量; d. 土壤熱通量a. Net radiation； b. sensible heat flux； c. latent heat flux； d. ground heat flux

圖15 模擬的CNTL試驗12：00 LST的地表通量(單位：W/m2)分布Fig.15 Simulated distributions of surface fluxes (unit: W/m2) of CNTL experiment at 12：00 LSTa. 凈輻射; b. 感熱通量; c. 潛熱通量; d. 土壤熱通量a. Net radiation； b. sensible heat flux； c. latent heat flux； d. ground heat flux

圖16 模擬的FLAT試驗12：00 LST的地表通量(單位：W/m2)分布Fig.16 Simulated distributions of surface fluxes (unit: W/m2) of FLAT experiment at 12：00 LSTa. 凈輻射; b. 感熱通量; c. 潛熱通量; d. 土壤熱通量a. Net radiation； b. sensible heat flux； c. latent heat flux； d. ground heat flux

圖17 沿圖3b中BB1線模擬的15：00 LST風場(單位：m/s，w擴大了20倍)和云水混合比(陰影，單位：g/kg)的垂直剖面圖：a. CNTL; b. FLATFig.17 Vertical cross section of wind field (unit: m/s， w multiple 20 times)and cloud water mixing ratio (shaded， unit: g/kg) along BB1 of Fig.3b at 15：00 LST: a. CNTL， b. FLAT

圖18 模擬的CNTL和FLAT試驗的海陸溫差(a，單位：℃)和海陸氣壓差(b，海洋減陸地，單位：Pa)隨時間的演變Fig.18 Simulated time evolution of land-sea thermal difference (a， unit:℃)and land-sea barometric difference (b，sea minus land， unit: Pa)

圖19 模擬的15：00 LST 10 m風場(單位：m/s)，散度(藍色實線，小于-1×10-3 s-1)和地形高度(黑色實線，500 m): a. RMLM; b. RMWZFig.19 Simulated wind field at 10 m (unit: m/s)， divergence (blue solid line， less than -1×10-3 s-1) and terrain height (black solid line， 500 m): a. RMLM， c. RMWZ at 15：00 LST

圖20 模擬的15：00LST RMLM(a)和RMWZ(b)試驗的10 m風場動能(陰影，單位：m2/s2)和地形高度(黑色實線，500 m)Fig.20 Simulated kinetic energy of wind field at 10 m (shaded， unit: m2/s2) and terrain height (black solid line， 500 m)by RMLM (a) and RMWZ (b) experiment at 15：00 LST

圖21 沿圖3b中BB1線模擬的15:00 LST風場(單位：m/s，w擴大了20倍)的垂直剖面圖：a. RMLM; b. RMWZFig.21 Vertical cross section of wind field (unit: m/s, w multiple 20 times) along BB1 of Fig.3b at 15:00 LST: a. RMLM; b. RMWZ

圖22 島嶼平均垂直速度(陰影，單位：cm/s)和溫度(等值線，單位：℃)隨時間的演變：a. RMLM; b. RMWZFig.22 Time evolution of averaged vertical velocity (shaded， unit:cm/s) and temperature (contour， unit:℃) on the whole island: a. RMLM， b. RMWZ

在地表能量平衡過程中，地表獲得的凈輻射主要以感熱、潛熱通量的形式將能量返還給大氣，因此地表凈輻射和地面溫度決定著地表感熱和潛熱的大小。另外，還有一小部分向下傳輸?shù)耐寥罒嵬?圖13d、14d、15d和16d)及植物光合作用所需能量(只占凈輻射的3%左右，未進行討論)。對比圖13，可知CNTL試驗12時的凈輻射、潛熱通量、感熱通量、土壤熱通量值分別約為700、450、160、80 W/m2，后三者相加近似等于地表凈輻射值，而其中潛熱通量占到64.3%，說明地表凈輻射主要以潛熱形式將能量輸送給大氣，同時也表明在地表能量平衡過程中，凈輻射的吸收和潛熱釋放是最為主要的兩個因素[16]。又因海南島處于熱帶，受熱帶海洋的影響較大，這也會使得當?shù)氐臐摕後尫抛兊酶觿×?。而在圖14中，可以看到兩組試驗12時的最大差值分別約為65、12、40、7.5 W/m2，為各自CNTL試驗輻射通量的9.3%、7.5%、8.9%、9.4%左右，可見削平地形使得地表能量平衡中各項均減少約9%，減少的這9%的能量會對海風環(huán)流產(chǎn)生較大影響。另外，12時的感熱、潛熱及土壤熱通量分布(圖15b、c、d與16b、c、d)顯示出，F(xiàn)LAT試驗的熱通量減少區(qū)主要分布在西南山區(qū)和東南沿海。無地形后地表向上釋放的感熱、潛熱通量減少，驅(qū)動海風的直接能量來源減少，因此海風強度減弱。

海陸溫差是海風形成和發(fā)展的主要條件，地形高度改變后，地表的能量平衡發(fā)生改變，向大氣中傳輸?shù)臒嵬繙p少，直接造成海陸溫度場的改變，進而改變了海陸氣壓場分布，從而影響了海風強度。從溫度場的演變(圖18a)來看，白天海陸溫差為負值，海洋溫度小于陸地，利于海風形成，夜晚則相反。無地形時，海風開始時間比CNTL試驗晚約1 h，結(jié)束時間相同。CNTL與FLAT試驗的最大海陸溫差均出現(xiàn)在下午14時前后，分別為1.8℃和1.4℃，其中CNTL試驗的海陸溫差比FLAT試驗大，說明其驅(qū)動海風的熱力作用強，因此海風也較強[22，33]。CNTL與FLAT試驗的海陸氣壓差(圖18b)也顯示，白天海洋氣壓大于陸地，易于觸發(fā)海風，夜晚反之。CNTL試驗的最大氣壓差可達30 Pa左右，出現(xiàn)在正午12時，F(xiàn)LAT試驗最大氣壓差出現(xiàn)時間為15時，最大值僅為22 Pa左右，因此，無地形時海陸氣壓差較小，相應(yīng)的海風發(fā)展也較弱。

綜上，地形對海風的影響過程為：無地形時，地表吸收凈輻射減少，導致其向大氣中釋放的感熱、潛熱通量及向下傳輸?shù)耐寥罒嵬肯鄳?yīng)減少，這種能量平衡的改變直接造成了海陸之間溫度、氣壓差的減小，海風觸發(fā)條件減弱，最終造成了海風的減弱。

5.2.3 海南島特殊地形對海風的影響

海南島地形的特殊之處不僅體現(xiàn)在中間高、四周低的環(huán)形層狀特征上，還有黎母山脈與五指山脈形成的深長峽谷，這就造成海島對太陽輻射吸收的不均勻性，從而使得地形導致的局地熱力環(huán)流更加顯著[20]。圖19顯示，海拔高度降低區(qū)的輻合范圍與強度均減小，海風更為規(guī)則有序。RMLM試驗中，北部、西部海風傳播更加深入，南北海風相遇位置向西、北方向偏移。RMWZ試驗顯示，南部海風向內(nèi)陸推移至黎母山脈與五指山脈之間的峽谷處，島內(nèi)南北海風于18.9°N附近發(fā)生碰撞，比CNTL試驗?zāi)弦?0 km左右。兩組削山試驗中，峽谷中的穿谷風依然存在，但相對CNTL試驗變?nèi)?。綜上可知，地形的存在對于海風向內(nèi)陸的推進距離、碰撞位置及輻合強度、范圍有增強作用。對比圖10a與圖20，發(fā)現(xiàn)兩組削山試驗在19.5°～19.8°N范圍內(nèi)存在一條明顯的動能衰減帶，且移除山脈處的動能也相應(yīng)衰減，其中移去黎母山脈(RMLM試驗)對動能的影響更大。

垂直方向上，RMLM試驗中(圖21a)，由黎母山脈的強迫抬升和熱力增強作用造成的19.1°N附近的海風鋒消失，垂直上升運動變?yōu)橄鲁吝\動，北部海風也因失去了黎母山脈的機械阻擋作用變得更加強盛，具體表現(xiàn)為18.7°N、18.8°N處的海風鋒加強。RMWZ試驗(圖21b)中，移去五指山南、北部主峰后，南部海風得以向北深入傳播，且海風厚度也相應(yīng)增加，南、北向海風北移至18.75°N附近發(fā)生碰撞。由圖22可知，下午15時左右兩組試驗的低層開始出現(xiàn)大于1 cm/s的垂直上升速度，強度和范圍由大到小依次為：RMWZ、RMLM試驗，且最大速度均出現(xiàn)在1 km附近，這恰與圖21相對應(yīng)。與CNTL試驗(圖略)相比，兩組削山試驗的垂直速度強度均有所減弱，證明移除部分地形后，海風的垂直環(huán)流強度減弱，其中RMLM試驗的垂直速度強度及范圍減小更多，說明海風對黎母山脈的敏感度相對較高。綜上所述，海南島海風對地形的敏感度較高，地形導致的局地熱力環(huán)流及動力作用均比較突出，共同影響了海南島海風的發(fā)展。

6 總結(jié)和討論

本文利用WRF V3.7模式，對2014年5月25日發(fā)生在海南的一次海風過程進行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果能夠較為合理的表現(xiàn)出海風環(huán)流及基本氣象要素場的特征。通過四組地形敏感性試驗：CNTL控制試驗，F(xiàn)LAT無地形試驗和RMLM、RMWZ削山試驗，分析了海南島地形對局地海風環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響。

CNTL試驗海風于10時前后開始出現(xiàn)，至15時達到強盛，海風環(huán)流結(jié)構(gòu)清晰，南北向海風強于東西向，且白天形成的谷風疊加于海風之上，使得海風增強。此時的位溫、水汽梯度也達到最大值。在地形敏感性試驗中，無地形試驗(FLAT)表明，水平方向上，海風持續(xù)時間縮短，南、北、西向海風向內(nèi)陸傳播距離變短1～5 km，海風強度減弱1 m/s左右，影響范圍也有所減小，海風動能在沿海地區(qū)及西南山區(qū)存在大值衰減區(qū)，對應(yīng)的海風輻合帶范圍明顯縮減，輻合線也向沿海地區(qū)推移；垂直方向上，海風碰撞位置向西、北方向移動，高空回流高度降低，海風厚度減小，垂直環(huán)流強度減弱2～6 m2/s2，海風鋒強度也相應(yīng)減弱，其附近的垂直上升、下沉速度減小10 cm/s以上。谷風對海風同相疊加作用的消失也使得海風強度減弱。其主要影響機制為：在動力方面，由山脈屏障作用引起的海風強迫抬升、繞流等動力增強作用消失；在熱力方面，無地形后，地表吸收凈輻射減少，導致其向大氣中釋放的感熱、潛熱通量及向下傳輸?shù)耐寥罒嵬康雀黜椌鶞p少約9%，這種能量平衡的改變直接造成了海陸之間溫度、氣壓差的減小，海風觸發(fā)條件減弱，最終造成了海風的減弱。綜上，地形削減導致的局地熱力環(huán)流及動力作用的減弱共同造成了海風的減弱。此外，通過兩組削山試驗(RMLM、RMWZ)，發(fā)現(xiàn)海拔高度降低區(qū)輻合范圍、強度及動能均減小，在19.5°～19.8°N范圍內(nèi)存在一條明顯的動能衰減帶，由于500 m以下山體的存在，使得峽谷風得到了最大程度的保留，同時海風垂直環(huán)流結(jié)構(gòu)也相應(yīng)發(fā)生改變，其中移去黎母山脈(RMLM)對海風環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響大于移去五指山脈(RMWZ)?？傊?，海南島海風對地形的敏感度較高，地形導致的局地熱力環(huán)流及動力作用均比較突出，協(xié)同影響了海南島海風的發(fā)展。

此外，值得提到的是，本文僅針對一次海風過程探討了地形對海風環(huán)流的影響，有一定的局限性，所得結(jié)論仍需大量個例研究來驗證。

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A numerical study of impact of topography on sea breeze circulation over the Hainan Island

Yang Qiuyan1，Miao Junfeng1，Wang Yuhui1，2

(1.KeyLaboratoryofMeteorologicalDisasterofMinistryofEducation，NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology，Nanjing210044，China; 2.ZhejiangMeteorologicalObservatory，Hangzhou310016，China)

One sea breeze circulation process over the Hainan Island is simulated by the WRF model on 25 May， 2014. The impact of topography on the sea breeze circulation is studied by changing the terrain height. The results show that the land-sea thermal difference， which is the trigger mechanism of sea breeze， reaches its top at 15：00 LST in CNTL experiment. In FLAT experiment， the main variations are embodied in two aspects， one is in the horizontal direction: the duration of the sea breeze becomes shorter， and the propagation distance of sea breeze reduces about 1～5 km. At the same time， the intensity of sea breeze weakens more than 1 m/s. Meanwhile， the kinetic energy of sea breeze exists great attenuation area in the coastal and southwest region， and the corresponding range of sea breeze convergence zone narrows down and the sea breeze convergence line also moves to the coastal regions. The other is in the vertical direction: the impacted location of different directions of sea breeze moves to the west and north， the backflow in high altitude and sea breeze thickness become lower. The intensity of the vertical circulation around sea breeze front reduces more than 10 cm/s. Moreover， the effect which the valley wind strengthens the sea breeze disappears. Its Influence mechanism can be summarized as the following two parts: in the dynamical aspect， the updraft and flow caused by mountains disappeared. In the thermal aspect， net radiation absorbed by the earth’s surface decreases， which causes the releasing of sensible heat flux and latent heat flux decline about 9%， respectively. Ultimately， land-sea thermal difference and the corresponding air pressure difference all get smaller than CNTL， which weakens the basic characteristics of the sea breeze circulation. In addition， the results of the two experiments which only part of the mountains is removed show that the kinetic energy and convergence zone of sea breeze become weaker in the corresponding regions， and the structure of the vertical circulation also changes， the influence of Limu Mountain (RMLM) on sea breeze is greater than Wuzhi Mountain (RMWZ)．

tropical island; complex topography; sea breeze structure; sea breeze convergence

2016-05-22；

2016-10-18。

公益性行業(yè)(氣象)科研專項經(jīng)費項目(GYHY201306009)。

楊秋彥(1991—)，女，山東省東營市人，主要從事中尺度氣象學研究。E-mail:yangqy623@163.com

*通信作者：苗峻峰(1963—)，男，教授，主要從事中尺度數(shù)值模擬研究。E-mail:miaoj@nuist.edu.cn

P732.1

A

0253-4193(2017)03-0024-20