寧波地區(qū)海風(fēng)環(huán)流的數(shù)值模擬分析

蔣詠純

摘 要：利用1km分辨率的WRF模式對(duì)2010年8月24日至8月26日寧波地區(qū)的海風(fēng)環(huán)流進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果，分析了寧波地區(qū)海風(fēng)環(huán)流各要素等變化特征，通過風(fēng)場(chǎng)特征討論了海風(fēng)環(huán)流的時(shí)空演變特征。結(jié)果表明：WRF模式能較好地模擬海風(fēng)環(huán)流各個(gè)氣象要素的變化特征；海風(fēng)環(huán)流發(fā)生時(shí)間為中午12：00左右，發(fā)展最強(qiáng)盛時(shí)期在下午16：00，海風(fēng)在底層最先發(fā)展、在底層最先消失；陸風(fēng)、海風(fēng)最大值出現(xiàn)時(shí)間分別對(duì)應(yīng)在溫度的日最低值和日最高值后，而陸風(fēng)轉(zhuǎn)海風(fēng)則出現(xiàn)在全天氣壓變化的第一次峰值后；風(fēng)速隨著高度增高而減小，在陸風(fēng)時(shí)段風(fēng)速明顯偏小，在海風(fēng)時(shí)段風(fēng)速明顯偏大；在有利的天氣尺度背景下，海風(fēng)環(huán)流的發(fā)生、發(fā)展能夠進(jìn)一步加強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：寧波地區(qū)；海風(fēng)環(huán)流；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：P732 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）23-0150-04

Numerical Simulation Analysis of a Sea Breeze Circulation in Ningbo

JIANG Yongchun

（Xinyang Meteorological Bureaue，Xinyang Henan 464000）

Abstract： Using 1km resolution WRF model， the sea breeze circulation numerical simulation in Ningbo on 24 to 26 August 2010 was simulated and analyzed， according to the simulation results， the characteristics of each element in Ningbo sea breeze circulation was analyzed， temporal and spatial variations discussed by the wind field characteristics of the sea breeze circulation .The results showed as follows： during this sea breeze circulation， WRF model successfully simulated the characteristics of each element. Period of sea breeze circulation occurred in around 12：00， the development of the most powerful and prosperous period in the afternoon 16：00， sea breeze appeared and disappeared firstly in the lower level. Land breeze，sea breeze maximum time correspond to the value of daily minimum and daily maximum value at a temperature， but the land breeze turned sea breeze after the first peak of the all-day changes in air pressure. The wind force decreased with height， in the land breeze time， the wind significantly smaller， and in the sea breeze time， the wind significantly larger. In a favorable weather scale background， the occurrence and development of the sea breeze circulation could further strengthen.

Keywords： Ningbo；sea breeze circulation；numerical simulation

1 研究背景

海陸風(fēng)是由海陸熱力性質(zhì)差異引起的[1]，產(chǎn)生于大氣低層的中尺度熱力環(huán)流，其特有的有規(guī)律的陸風(fēng)和海風(fēng)變化，是沿海區(qū)域最顯著的大氣現(xiàn)象。許多研究表明，在地面氣壓梯度較弱、太陽(yáng)輻射強(qiáng)、海陸溫差大的條件下，有利于海風(fēng)的形成。當(dāng)海陸風(fēng)環(huán)流產(chǎn)生時(shí)，往往可以觸發(fā)沿海地區(qū)對(duì)流性天氣的產(chǎn)生[2]。另外，由于海陸風(fēng)是沿海地區(qū)特有的中小尺度環(huán)流系統(tǒng)，會(huì)影響當(dāng)?shù)氐臏囟?、濕度和風(fēng)場(chǎng)分布，因此，通過與強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)相互作用，會(huì)給沿海地區(qū)帶來各種氣象災(zāi)害，從而會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蚣吧鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。可見，加強(qiáng)對(duì)沿海地區(qū)海陸風(fēng)的研究十分重要。近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)海陸風(fēng)的研究取得了很大進(jìn)展。

國(guó)外氣象學(xué)者對(duì)海陸風(fēng)的研究較早，Arlssar等對(duì)海陸風(fēng)的數(shù)值模擬進(jìn)行了全面總結(jié)。在我國(guó)，程志強(qiáng)[3]采用參數(shù)化的方式，通過一定的假設(shè)對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行簡(jiǎn)化；宋潔慧[4]等用分辨率為5km的WRF模式模擬寧波一次典型的夏季海陸風(fēng)過程。

在日常的天氣預(yù)報(bào)工作環(huán)節(jié)，海陸風(fēng)環(huán)流是要考慮的重要因素，而海風(fēng)環(huán)流作為沿海地區(qū)特有的中小尺度天氣系統(tǒng)，是天氣預(yù)報(bào)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。寧波地處寧紹平原，位于中低緯度的沿海地區(qū)，屬北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，在冬夏季節(jié)，季風(fēng)交替比較明顯，海陸風(fēng)現(xiàn)象比較顯著。因此，本文選定寧波地區(qū)，采用1km分辨率的WRF模式對(duì)寧波地區(qū)的海風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬，著重分析所模擬的海風(fēng)環(huán)流的氣象要素分布特征及日變化特征、寧波地區(qū)海風(fēng)環(huán)流的時(shí)空演變特征，討論海風(fēng)環(huán)流的生成、發(fā)展及消亡階段，對(duì)海陸風(fēng)的研究具有重要意義。

2 模式介紹及模擬方案

WRF（Weather Research Forecast）模式系統(tǒng)在預(yù)報(bào)對(duì)流天氣的系統(tǒng)、渦旋中尺度對(duì)流的系統(tǒng)、天氣要素的預(yù)報(bào)過程中都具有較好的性能[5]。為了準(zhǔn)確探討海風(fēng)環(huán)流的時(shí)空演變特性，本文采用的模式版本為WRF-ARW V3.2.1，本文模擬的時(shí)間為2010年8月24日08：00至8月26日08：00（北京時(shí)間，下同），模擬結(jié)果是每小時(shí)輸出一次。圖1是模擬的寧波地區(qū)的區(qū)域圖，模擬采用了雙向反饋四重嵌套網(wǎng)格及最內(nèi)層網(wǎng)格區(qū)域的地形[6]，采取的四重嵌套格點(diǎn)水平分辨率分別為27、9、3km和1km，四重網(wǎng)格垂直的方向按照σ位面均具有不等間距的35層。模式模擬的最外層區(qū)域D1區(qū)域是我國(guó)中東大部地區(qū)，提供了大的背景強(qiáng)迫，中心點(diǎn)是121.59°E，29.67°N。最內(nèi)層網(wǎng)格區(qū)域D4區(qū)域覆蓋了寧波及其周邊地區(qū)，這個(gè)區(qū)域是本文的研究區(qū)域，格點(diǎn)數(shù)160×166。

3 模擬結(jié)果

3.1 風(fēng)場(chǎng)特征

3.1.1 水平變化。應(yīng)用WRF數(shù)值預(yù)報(bào)模式模擬了寧波地區(qū)2010年8月25日近地面10m水平風(fēng)場(chǎng)變化（見圖2），這一天是一次典型的海陸風(fēng)日，該模式成功模擬了海風(fēng)環(huán)流的時(shí)空演變過程。當(dāng)有海風(fēng)建立或消亡時(shí)，近地面10m高處的風(fēng)速和風(fēng)向會(huì)發(fā)生明顯突變，并且在海風(fēng)發(fā)展旺盛階段會(huì)出現(xiàn)風(fēng)速的極大值，而海陸風(fēng)發(fā)生時(shí)的基本特征之一便是出現(xiàn)晝夜風(fēng)向的轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換既存在風(fēng)向的瞬時(shí)突變，又伴有風(fēng)向的持續(xù)性變化。

從圖2（a）可以看到，早上07：00，風(fēng)場(chǎng)基本平行于海岸線，而從陰影部分所顯示的水平風(fēng)速可以看出，陸地的風(fēng)速在3m/s左右。隨著海風(fēng)的形成，寧波大部分地區(qū)將受到海風(fēng)環(huán)流的控制。到14：00，如圖2（b）所示，海風(fēng)較之前有了明顯發(fā)展，有較為明顯的亂流和環(huán)流出現(xiàn)，寧波東部地區(qū)的風(fēng)速明顯增大，空氣開始從海洋吹向陸地。同時(shí)，圖2（b）中所示線條處是西北部杭州灣南岸地區(qū)一條帶狀的輻合線，是海風(fēng)和陸風(fēng)的交接區(qū)域，即海風(fēng)鋒。在這種條件下，如果大氣層結(jié)不穩(wěn)定，則會(huì)具有向強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)展的形勢(shì)，并且伴隨觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，將會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)對(duì)流天氣的出現(xiàn)。16：00是海風(fēng)發(fā)展最強(qiáng)盛的時(shí)期[見圖2（c）]。此時(shí)，寧波大部分地區(qū)主要受到海風(fēng)的影響，并且海風(fēng)的風(fēng)速最大值超過6m/s，相對(duì)應(yīng)的，地面風(fēng)速變化不大。到22：00，大部分海風(fēng)風(fēng)向已經(jīng)平行于海岸線，海風(fēng)轉(zhuǎn)為陸風(fēng)[見圖2（d）] 。由此可見，海風(fēng)的風(fēng)速存在較為明顯的日變化，但地面的風(fēng)速并沒有明顯變化。當(dāng)陸風(fēng)轉(zhuǎn)為海風(fēng)時(shí)，地面的風(fēng)速有著小幅度的增加。下午，隨著溫度的升高，海風(fēng)風(fēng)速增大，海風(fēng)增強(qiáng)，而太陽(yáng)輻射最強(qiáng)是在14：00左右，這時(shí)城市陸地會(huì)吸收到更多的熱量，因此，城市的熱島效應(yīng)會(huì)對(duì)下午的風(fēng)場(chǎng)具有較大影響。海風(fēng)環(huán)流的形成與發(fā)展不僅會(huì)受到氣流和地形的影響，還會(huì)受到風(fēng)速及城市熱島效應(yīng)的影響。

3.1.2 垂直變化。選取模擬數(shù)據(jù)結(jié)果中的v、w分量（w放大了8倍），沿121°E做剖面，得到海風(fēng)環(huán)流的垂直剖面圖。圖3為2010年8月25日寧波地區(qū)海風(fēng)環(huán)流在垂直方向上的時(shí)空演變特征。從圖3可以看到完整的海風(fēng)環(huán)流時(shí)空演變過程。如圖3（b）所示，在這一時(shí)刻，風(fēng)向的角度變化比較明顯，底層的空氣很快增溫且風(fēng)向轉(zhuǎn)為海風(fēng)，海風(fēng)明顯發(fā)展，海風(fēng)環(huán)流逐步加強(qiáng)，并且繼續(xù)向內(nèi)陸推進(jìn)；直至16：00，海風(fēng)環(huán)流特征最為明顯。

從時(shí)間來看，海風(fēng)環(huán)流是在中午12：00以前形成，16：00前后較為強(qiáng)盛，到夜間開始減弱，22：00基本為陸風(fēng)控制。從風(fēng)向來看，圖3中明顯存在著南風(fēng)和北風(fēng)的兩個(gè)大值區(qū)，如圖3（a）所示，底層開始由北風(fēng)所控制，而圖3（b）則可以看到底層風(fēng)向開始從北風(fēng)漸漸轉(zhuǎn)為南風(fēng)，直到16：00，底層基本由南風(fēng)所控制。

3.2 氣象要素特征

3.2.1 溫度場(chǎng)變化。圖4是2010年8月25日寧波地區(qū)14：00溫度特征分布圖和23：00溫度特征分布圖。從圖4（a）可以清楚地看出，地面溫度高于海面溫度。該條件有利于海風(fēng)的發(fā)展。而海陸溫差是海風(fēng)建立的先決條件之一。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，一般情況下，水、陸溫差要大于1.5℃時(shí)才會(huì)出現(xiàn)海風(fēng)。14：00，海陸溫差約3℃，這為海風(fēng)的發(fā)展提供了有利的條件。從圖4（b）可以看出，23：00，海面上的溫度已經(jīng)高于陸地上的溫度。

海陸風(fēng)的變化主要受到天氣的影響。在晴朗天氣下，氣溫以正弦曲線變化時(shí)，較易發(fā)生海陸風(fēng)。從圖5可以看出，平均氣溫日變化曲線圖呈正弦形式。北京時(shí)間8月25日05：00，氣溫開始呈上升趨勢(shì)，日最高氣溫出現(xiàn)在14：00，達(dá)到30.5℃，然后氣溫開始逐步下降。由此，結(jié)合圖4可以得出，海岸線以西的陸地溫度升高明顯，到14：00，溫度分布明顯轉(zhuǎn)變，陸地的溫度開始略高于海域，逐漸轉(zhuǎn)換為冷海暖陸的溫度分布形勢(shì)。綜上所述，在早上，海陸溫度的分布大致為暖海冷陸，之后溫度分布形勢(shì)開始轉(zhuǎn)變，從14：00到日落時(shí)段，大致為冷海暖陸的溫度分布形勢(shì)。而海陸溫度分布轉(zhuǎn)變期間正是海風(fēng)發(fā)展強(qiáng)盛的時(shí)期。因此，在海風(fēng)環(huán)流發(fā)展時(shí)，溫度也具有相應(yīng)變化。

3.2.2 氣壓場(chǎng)變化。圖6是2010年8月25日寧波地區(qū)的平均氣壓日變化圖。如圖6所示，早上08：00，氣壓達(dá)到最大值，隨后逐步降低；14：00，氣壓達(dá)到最小值；14：00之后，氣壓呈上升趨勢(shì)；晚上21：00，氣壓又開始降低。從圖上可以清晰地看到白天與夜晚的氣壓差已大于1hPa，在這個(gè)特定的背景下，海風(fēng)容易形成。

綜上所述，陸風(fēng)轉(zhuǎn)海風(fēng)出現(xiàn)在全天氣壓變化的第一次峰值后，海風(fēng)最大值出現(xiàn)在溫度的日最低值后，且出現(xiàn)強(qiáng)盛時(shí)期在相對(duì)濕度變化明顯時(shí)刻。

因此，從海風(fēng)垂直環(huán)流時(shí)空特征分布及氣象要素日變化分析可以得到，海風(fēng)出現(xiàn)時(shí)刻在09：00左右，處于地面陸風(fēng)變?yōu)楹ｏL(fēng)的轉(zhuǎn)換期，形成時(shí)刻在12：00左右，海風(fēng)環(huán)流在海岸線附近逐漸發(fā)展起來，開始向內(nèi)陸推進(jìn)，生成后風(fēng)速迅速增加，相對(duì)濕度處于日變化中的下降期、氣溫處于日變化的上升期；16：00是海風(fēng)環(huán)流發(fā)展最明顯時(shí)刻，在這一時(shí)刻海陸溫差、氣壓差達(dá)到最大值。

4 結(jié)論

①WRF模式成功模擬了2010年8月25日寧波地區(qū)的海風(fēng)環(huán)流的時(shí)空演變特征，最終揭示了海風(fēng)環(huán)流的發(fā)生、發(fā)展、消亡的過程。

②海風(fēng)環(huán)流在12：00左右形成，在16：00發(fā)展最強(qiáng)盛，22：00左右逐步消亡，且在垂直方向上有明顯的閉合環(huán)流。海風(fēng)發(fā)展最強(qiáng)盛時(shí)：在水平方向上，海風(fēng)風(fēng)速最大值超過6m/s，寧波北部沿岸地區(qū)的海風(fēng)比南部明顯；在垂直方向上，海風(fēng)延伸高度可以達(dá)到800m，海風(fēng)在底層最先發(fā)展、最先消失，且在底層的風(fēng)速最大值超過5m/s。

③海風(fēng)環(huán)流發(fā)生時(shí)期，平均氣溫存在明顯的日變化特征。海風(fēng)出現(xiàn)時(shí)期在全天氣壓變化的第一次峰值后；發(fā)展強(qiáng)盛時(shí)期，海風(fēng)最大值出現(xiàn)在溫度的日最低值后，溫度與相對(duì)濕度的變化特征最為顯著，表現(xiàn)為“一峰一谷”的形勢(shì)，氣溫突然降低而相對(duì)濕度突然升高，海陸溫差可達(dá)3℃左右、氣壓差可達(dá)1hPa以上。

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