邊界層參數(shù)化對海南島海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)模擬的影響

楊秋彥，苗峻峰，王語卉,2

（1.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044；2.浙江省氣象臺，浙江杭州310016）

1 引 言

海陸風(fēng)是沿海地區(qū)最顯著的中尺度天氣現(xiàn)象之一，是由海陸熱力性質(zhì)的非均勻性引起的大氣次級環(huán)流[1-4]。沿海地區(qū)海陸風(fēng)環(huán)流對雷暴、強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣變化及大氣污染物的擴(kuò)散等都有重要影響[5-8]。中尺度WRF模式擁有較高的分辨率，能夠合理地描述中小尺度天氣過程的基本特征，是深入理解海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)的重要工具。在數(shù)值模擬中，模擬存在誤差的一個主要原因是模式物理參數(shù)化方案的不確定性，如積云對流方案、陸面過程、城市冠層方案及邊界層方案等[9-14]。而海風(fēng)作為典型的中尺度環(huán)流，它的模擬對于邊界層參數(shù)化方案的改變比較敏感，這是由于邊界層在很大程度上影響著海、陸、氣之間的熱量、動量及能量的交換。

近年來，WRF模式中邊界層參數(shù)化方案對各種天氣現(xiàn)象的敏感性研究越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視[15-17]。Hu等[18]指出，非局地方案YSU和ACM2比局地方案MYJ的模擬結(jié)果更接近觀測。Xie等[19]通過WRF模式對香港地區(qū)部分氣象要素進(jìn)行模擬時發(fā)現(xiàn)：由于局地方案低估了對流邊界層頂?shù)膴A卷熱通量，使得非局地方案模擬的湍流混合強(qiáng)度明顯強(qiáng)于局地方案。徐慧燕等[20]利用WRF模式中七種邊界層參數(shù)化方案（MYJ、QNSE、YSU、ACM2、MYNN2.5、MYNN3、Boulac）對長江中下游降水進(jìn)行模擬，通過對比發(fā)現(xiàn)QNSE方案的模擬能力相對優(yōu)于其它方案。Hariprasad等[21]通過探究7種邊界層參數(shù)化方案（YSU、MYJ、MYNN2.5、BouLac、UW、ACM2、QNSE）的模擬結(jié)果與觀測的對比，指出MYNN2.5和YSU方案的模擬效果最佳。王子謙等[9]也提出BouLac和MYJ對東亞夏季風(fēng)的模擬結(jié)果相對于YSU和ACM2更接近觀測，其主要原因是非局地方案的邊界層垂直混合偏強(qiáng)，使得潛熱通量偏強(qiáng)，對流更活躍，導(dǎo)致降水偏多及相應(yīng)季風(fēng)環(huán)流的異常偏差。黃文彥等[22]比較了5種不同邊界層參數(shù)化方案（YSU、ACM2、TEMF、MYJ、UW）模擬的邊界層熱力和動力結(jié)構(gòu)，指出非局地YSU和ACM2方案在白天表現(xiàn)出強(qiáng)的湍流混合和卷夾，相比于局地MYJ、UW方案更接近觀測。Krogster等[23-24]對比了 5種邊界層方案（YSU、ACM2、QNSE、MYJ、MYNN2）對風(fēng)速及風(fēng)切變、邊界層高度與大氣穩(wěn)定度的模擬效果發(fā)現(xiàn)，MYJ模擬能力強(qiáng)于其它方案。高篤鳴等[25]研究了四川盆地夏季降水并評估了3種邊界層參數(shù)化方案（MYJ、YSU、ACM2）的模擬能力，提出ACM2方案在保證足夠湍流混合強(qiáng)度的同時，在較穩(wěn)定的條件下會關(guān)閉非局地輸送，不至于產(chǎn)生過強(qiáng)降水，適合盆地較小量級降水的數(shù)值模擬。Dimitrova等[26]通過對比 6種邊界層參數(shù)化方案（YSU、ACM2、MYJ、MYNN、BouLac、QNSE）的模擬結(jié)果與 Matterhorn地區(qū)觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)YSU和QNSE的模擬結(jié)果更有優(yōu)越性。陳楊瑞雪等[27]采用1.11 km水平網(wǎng)格距的WRF模式模擬一次梅雨鋒暴雨，發(fā)現(xiàn)不同邊界層參數(shù)化方案（YSU、MYJ）和陸面過程參數(shù)化方案（SLAB、Noah、RUC）主要影響模擬的強(qiáng)降水位置和強(qiáng)度，采用MYJ邊界層方案模擬的強(qiáng)降水更接近觀測，采用YSU方案模擬的強(qiáng)降水偏弱。Salvador等[28]采用3種邊界層方案（YSU、MYJ、ACM2）和 2種陸面方案（Noah、RUC）模擬海風(fēng)發(fā)生時的環(huán)流場，特別關(guān)注對于空氣污染物擴(kuò)散有重要影響的熱內(nèi)邊界層，發(fā)現(xiàn)MYJ和Noah方案組合時的模擬結(jié)果與實況最接近?？傊?，邊界層參數(shù)化方案的選擇對天氣過程的模擬有重要影響。以往的研究對象多為強(qiáng)對流天氣及季風(fēng)，且在前人關(guān)于邊界層參數(shù)化的數(shù)值模擬研究中，僅改變邊界層方案的模擬研究相對較少[29-31]，絕大部分研究往往是以陸面過程方案或近地層方案與邊界層參數(shù)化方案作為一個整體被改變的[20,26]，這樣便難以區(qū)分模擬結(jié)果的差異是由何種方案引起的。

海南島是位于中國雷州半島南端的島嶼，也是中國唯一的熱帶省份，具有獨特的地形結(jié)構(gòu)，同時土地利用類型較多樣化，是海陸風(fēng)及強(qiáng)對流天氣的高發(fā)區(qū)[32-34]。在以往的研究中，關(guān)于邊界層參數(shù)化方案對海風(fēng)環(huán)流影響的研究往往配合其它方案同時變化，對于耦合同一近地層方案和陸面過程方案的邊界層參數(shù)化方案對海風(fēng)環(huán)流的敏感性研究還較少[35]。因此本文利用中尺度數(shù)值模式WRF V3.7，在楊秋彥等[36]研究基礎(chǔ)上采用8種不同的邊界層參數(shù)化方案對海南島晴空天氣條件下的海風(fēng)環(huán)流進(jìn)行高分辨率數(shù)值模擬和敏感性數(shù)值試驗研究，以了解僅改變邊界層參數(shù)化方案時所模擬的海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)的差異，旨在為模式的應(yīng)用和改進(jìn)提供依據(jù)。

2 個例概況

本文選取2014年5月25日晴空天氣下的海風(fēng)個例進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)08時NCEP-FNL 1°×1°資料500和850 hPa等壓面上的環(huán)流形勢（圖略）可知，當(dāng)天的大尺度環(huán)流背景場較弱，利于海風(fēng)發(fā)生、發(fā)展。從衛(wèi)星云圖及探空圖上看出（圖略），當(dāng)天少云且無風(fēng)切變。此外，根據(jù)海南省19個常規(guī)氣象站的風(fēng)向、風(fēng)速分布可見，10時左右多數(shù)氣象站的風(fēng)向發(fā)生較大轉(zhuǎn)變，風(fēng)速也明顯增加，海風(fēng)逐漸發(fā)展起來，至15時左右，海風(fēng)發(fā)展達(dá)到強(qiáng)盛；20時各站風(fēng)速明顯減小，風(fēng)向也由向岸轉(zhuǎn)為離岸，海風(fēng)趨于結(jié)束。楊秋彥等[36]對此次海風(fēng)過程進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹和討論。

3 邊界層參數(shù)化方案介紹和模式定制

3.1 邊界層參數(shù)化

WRF V3.7中共有13種邊界層參數(shù)化方案可供選擇使用，本文著重分析其中可與同一陸面過程（Noah）、近地層參數(shù)化方案（MM5 Monin-Obukhov Similarity）相耦合的8種不同邊界層參數(shù) 化 方 案（YSU、MYNN2.5、MYNN3、ACM2、BouLac、UW、SH和GBM）。這樣做的目的是便于區(qū)分使用不同邊界層參數(shù)化方案所引起的模擬結(jié)果差異，以減少不確定性。

（1）YSU（Yonsei University）方案[37]是目前采用最多的一種非局地K理論方案。該方案在控制方程中加入逆梯度項，以此來表示非局地通量。此方案不僅考慮了邊界層內(nèi)的局地湍流擴(kuò)散作用，同時還考慮了對流性的大尺度湍渦所導(dǎo)致的非局地混合作用及邊界層頂?shù)膴A卷過程。

（2）MYNN2.5（Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino Level 2.5）方案[38]是在原 M-Y Level 2.5 基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的，能預(yù)報次網(wǎng)格尺度的湍流動能。與MYJ方案類似，兩個方案都假定湍流輸送是基于反梯度擴(kuò)散假設(shè)的。所不同的是MYNN2.5方案將氣壓相關(guān)項進(jìn)行了參數(shù)化處理，并考慮了浮力對氣壓相關(guān)項的影響，引進(jìn)了代表浮力和切變作用的一組閉合參數(shù)。

（3）MYNN3 （Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino Level 3）方案[39]能預(yù)報湍流動能和其它二階項。是基于M-Y level 3改進(jìn)而成的。另外，此方案中融入了凝結(jié)物理過程且改進(jìn)了主長尺度與閉合數(shù)，因而使得其對于混合層厚度的預(yù)報和湍流動能（Turbulent Kinetic Energy，TKE）的量級有所降低。MYNN2.5與MYNN3的區(qū)別主要體現(xiàn)在計算量上，后者需要花費更大的計算量。

（4） ACM2（Asymmetric Convective Model Version 2）方案[40]是非對稱對流模式的第二個版本，運用了非局地向上混合和局地向下混合。方案結(jié)合了ACM對流方案和渦動擴(kuò)散模型，其特點是通過調(diào)節(jié)湍流擴(kuò)散項和非局地項之間的比例系數(shù)，來實現(xiàn)從穩(wěn)定條件下的渦動擴(kuò)散算法到不穩(wěn)定條件下局地和非局地輸送算法的平緩交換。

（5）BouLac（Bougeault-Lacarrère）方案[41]是一種局地湍流動能閉合模型，該方案源于Kolmogorov湍流理論，其認(rèn)為湍流動量交換系數(shù)和湍流動能的平方根成正比，由此得到的關(guān)系式和運動方程與湍流動能方程共同構(gòu)成閉合方程，此方程中所包含二階距項依然采用K理論來進(jìn)行參數(shù)化處理。

（6）UW（University of Washington）方案[42]是WRF V3.3中新推出的一種湍流動能方案，來自GESM氣候模式。目的是模擬更真實的海洋上層云覆蓋下的邊界層狀況。該方案的主要特色是引入了水汽守恒變量及對流層的顯式夾帶閉合，并通過診斷湍流動能來計算湍流擴(kuò)散，為湍流動能傳輸引入了一個新方程，并統(tǒng)一處理所有大氣柱中的湍流層。

（7）SH（Shin-Hong）方案[43]是一種次網(wǎng)格尺度的湍流輸送方案，主要描述對流邊界層灰色區(qū)域內(nèi)的特征。其主要特點是：①強(qiáng)的非局地向上混合與小尺度渦動的局地輸送在計算上是相互分離的；②通過增加一個次網(wǎng)格尺度局地輸送廓線與大渦模擬輸出相互依賴的函數(shù)來描述次網(wǎng)格尺度非局地輸送；③通過制定一個依賴總的局地輸送廓線的函數(shù)來描述次網(wǎng)格尺度的局地輸送。

（8）GBM（Grenier-Bretherton-McCaa）方案[44]是一種湍流動能閉合方案，該方案包括一個1.5階的湍流閉合模型，在邊界層頂運用夾卷閉合技術(shù)，有效地改進(jìn)了云頂長波輻射的散射狀況，確保了浮力產(chǎn)生廓線的合理準(zhǔn)確性?？梢栽诮o定的有限垂直分辨率下提供有效準(zhǔn)確的有云層覆蓋下的邊界層模擬。

綜上所述，YSU、ACM2和SH是非局地閉合方案，它們在計算每個格點上的脈動通量時綜合考慮了該格點及周邊格點的影響。而MYNN2.5、MYNN3、BouLac、UW和GBM為局地湍流動能閉合方案，假設(shè)每個格點上的脈動通量完全由該格點上物理量的平均量決定[9]。

3.2 模式定制與試驗設(shè)計

本文采用中尺度WRF-ARW模式（Version 3.7）對此次海風(fēng)環(huán)流過程進(jìn)行數(shù)值模擬。初始場和邊界條件采用分辨率為1°×1°的NCEP-FNL再分析資料。模擬的起始時間為2014年5月24日00:00 UTC（即 24 日 08:00 LST），共積分 40 h，前16 h為模式積分起轉(zhuǎn)調(diào)整（spin-up）時間，后24 h的模擬結(jié)果用于分析，模式結(jié)構(gòu)類似于王語卉等[34]、韓芙蓉等[45]和楊秋彥等[36]。模式選用雙向反饋的四重嵌套方案，最外層嵌套幾乎包括整個中國，最里層嵌套區(qū)域為海南島及其周邊海域（圖1a）。四重嵌套的水平網(wǎng)格數(shù)及分辨率分別為200×200（27 km）、208×202（9 km）、238×226（3 km）和376×373（1 km）。垂直方向按照上疏下密的原則設(shè)為35個不等距的σ層，模式層頂氣壓為100 hPa。具體采用的物理參數(shù)化方案見表1。此外，本文還采用WRF V3.7中新的地形數(shù)據(jù)與NCEP提供的MODIS_30s全球陸面遙感數(shù)據(jù)，能夠相對真實地反映海南島的地形（圖1b）和土地利用情況。

圖1 模擬的四重嵌套區(qū)域示意圖（a）和D4區(qū)域的地形分布（b，陰影，單位：m）

本文共設(shè)計8組試驗（表1），分別采用8種邊界層參數(shù)化方案，數(shù)值試驗名稱以邊界層參數(shù)化方案名稱命名。此8組試驗中，除邊界層參數(shù)化方案外，所有的物理過程及模式配置完全一致，這樣便于探討不同邊界層參數(shù)化方案對模擬結(jié)果的影響。

表1 模式主要物理參數(shù)化方案設(shè)置

4 模擬與觀測對比

為評估模擬效果，圖2給出了19個常規(guī)氣象站模擬與觀測的風(fēng)場對比。觀測結(jié)果表明，各站海風(fēng)開始時間大致為09時，此時風(fēng)向發(fā)生大于30°的轉(zhuǎn)變，風(fēng)速也明顯增加，海風(fēng)特征顯著[33]，約在20時海風(fēng)結(jié)束，逐漸轉(zhuǎn)為陸風(fēng)。對比模擬結(jié)果可知，8個方案基本合理地模擬出海風(fēng)的發(fā)生、發(fā)展情況，?？?、瓊山、三亞站的風(fēng)向與觀測相差略大，風(fēng)速基本一致；其它氣象站的風(fēng)矢量基本與觀測重合，僅個別時次存在風(fēng)速、風(fēng)向偏差。此外，8個方案間的各站風(fēng)場差別較小。

圖3為模擬的?？谂c三亞站08時風(fēng)速、風(fēng)向廓線與觀測的對比。由圖3a、3b可知，除?？谡驹?.8 km以下模擬風(fēng)速偏大、存在小的不穩(wěn)定外，5 km以下其它高度層的風(fēng)速模擬效果均較好，5 km以上高度層則與實際偏離較大，但總體線型較為一致。模擬的風(fēng)向（圖3c、3d）整體變化趨勢和轉(zhuǎn)折點與實際觀測情況較為吻合，其中?？谡?～4 km處的轉(zhuǎn)折點偏低，4 km以上基本一致；三亞站則在3 km以下模擬較好，3 km以上較平直，與觀測存在偏差，但整體的模擬效果在可接受的范圍內(nèi)。

依據(jù)Miao等[13]與Dimitrova等[26]計算平均誤差（Mean Bias Error，MBE）、均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）、 標(biāo) 準(zhǔn) 差（Standard deviation，σdiff）與符合指數(shù)（Index of Agreement，IA），以此檢驗?？?、三亞站風(fēng)速和溫度的模擬效果（表2、3），可見兩站的溫度均比風(fēng)速的偏差（MBE、RMSE、σdiff）小、符合指數(shù)（IA）高，說明溫度的模擬結(jié)果與觀測更接近，效果更好。而其中?？谡镜臏囟?、風(fēng)速相比三亞站偏差更小，符合指數(shù)更高，因此8個方案對于?？谡镜哪M效果要優(yōu)于三亞站。

總體而言，8個邊界層參數(shù)化方案的模擬結(jié)果與實際變化情況較一致，能基本合理地表現(xiàn)出地面風(fēng)場及各氣象要素的演變特征，存在的誤差是可以接受的。因此，其結(jié)果可用于研究8個邊界層方案對海風(fēng)環(huán)流模擬的差異。

圖2 海南島19個常規(guī)氣象站風(fēng)場的觀測與模擬對比 單位：m/s。

圖 3 海口站（a、c）、三亞站（b、d）的模擬與觀測的 08:00 LST 風(fēng)速（a、b，單位：m/s）和風(fēng)向（c、d，單位：deg）廓線的比較

表2 ?？谡灸M的2 m溫度和10 m風(fēng)速的統(tǒng)計結(jié)果檢驗

表3 三亞站模擬的2 m溫度和10 m風(fēng)速的統(tǒng)計結(jié)果檢驗

5 模擬結(jié)果分析

5.1 邊界層方案對海風(fēng)水平結(jié)構(gòu)的影響

與我國渤海灣、長江三角洲和珠江三角洲等沿海地區(qū)相比，海南島的海風(fēng)環(huán)流開始和達(dá)到強(qiáng)盛的時間偏晚，海風(fēng)一般在09時開始，12時全島海風(fēng)形成，15—18時為海風(fēng)強(qiáng)盛期，至21時左右才消退[34,45]。為討論8種邊界層參數(shù)化方案對海風(fēng)環(huán)流水平結(jié)構(gòu)模擬的影響，以下挑選15時（海風(fēng)強(qiáng)盛時）的近地面水平風(fēng)場進(jìn)行分析。由圖4可知，8種邊界層參數(shù)化方案均模擬出當(dāng)天海風(fēng)，15時陸地溫度較高，海風(fēng)發(fā)展強(qiáng)盛，在各個方向均出現(xiàn)明顯的由海洋吹向陸地的海風(fēng)。

對于溫度的模擬，MYNN2.5和MYNN3（圖4b、4c）方案的島嶼東北部溫度較低，僅為34～35℃，海陸溫差相應(yīng)偏低，驅(qū)動海風(fēng)的熱力條件較弱；其它方案均存在大于35℃的區(qū)域，其中YSU、SH和GBM模擬的溫度相對更高，驅(qū)動海風(fēng)發(fā)展的熱力條件更強(qiáng)。在海島西側(cè)，8個方案均模擬出溫度大值區(qū)，但大于35℃的范圍有所差別，MYNN2.5、MYNN3和BouLac的范圍相對較小，不利于西側(cè)海風(fēng)的發(fā)生、發(fā)展。對于風(fēng)場來說，南北向海風(fēng)于19.1°N附近相遇，發(fā)生碰撞輻合，東部和西部海風(fēng)各向內(nèi)陸傳播約50 km和30 km，較南北向海風(fēng)傳播距離短，但強(qiáng)度偏大，可達(dá)7 m/s左右，而南北向海風(fēng)最大僅為4 m/s左右。由于陸地摩擦作用大于海洋，使得沿海風(fēng)速大于內(nèi)陸。

8種方案模擬的海風(fēng)強(qiáng)度和影響范圍均存在差異，其中YSU、ACM2、BouLac、UW和SH模擬的北部海風(fēng)強(qiáng)于MYNN2.5、MYNN3和GBM。同時BouLac方案（圖4e）模擬的北部海風(fēng)有向兩側(cè)輻散的趨勢，大大抑制了海島西側(cè)由地形動力作用造成的繞流。SH和GBM模擬的內(nèi)陸風(fēng)速略大于其它6種方案，主要體現(xiàn)在18.6～19.5°N范圍內(nèi)，這可能是由于此2種方案模擬的溫度大值區(qū)均高于其余6組方案所致。在海島東部，GBM方案的海風(fēng)強(qiáng)度最大可達(dá)7.5 m/s，另7種方案則基本在6～7 m/s之間，強(qiáng)度較GBM方案小。對于西側(cè)和南側(cè)海風(fēng)的模擬，各個方案在風(fēng)速上存在較小差異，但風(fēng)向、強(qiáng)度及傳播距離基本一致。總體來看，溫度與海風(fēng)強(qiáng)度基本對應(yīng)，MYNN2.5與MYNN3方案的整體溫度偏低，海陸溫差小，海風(fēng)發(fā)展相對較弱。

改變邊界層參數(shù)化方案后，局地海風(fēng)的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)和風(fēng)速增減必然會進(jìn)一步引起風(fēng)場輻合位置和強(qiáng)度的變化。圖5為15時8個方案對應(yīng)的10 m風(fēng)場散度，可用此來表示海風(fēng)鋒的位置及海風(fēng)輻合強(qiáng)度[32]。

由圖5可知，海風(fēng)輻合區(qū)主要集中于島嶼長軸及西南山區(qū)，呈東北-西南走向。島嶼西南部的海風(fēng)輻合主要為南北向海風(fēng)碰撞及谷風(fēng)對海風(fēng)的同相疊加作用所致[34]。15時，由太陽對地表輻射不均造成的谷風(fēng)也最強(qiáng)，南部五指山脈形成的偏南谷風(fēng)和北部黎母山脈形成的偏北谷風(fēng)各自疊加南、北向海風(fēng)，使得南北向海風(fēng)碰撞更為強(qiáng)烈，造成西南山區(qū)的大范圍輻合。黎母山脈與五指山脈形成的東北-西南向的深長峽谷一帶為輻合空白區(qū)。從全島海風(fēng)輻合范圍和強(qiáng)度來看，UW方案模擬的西南山區(qū)輻合范圍和強(qiáng)度均最大，形成幾乎覆蓋全島的低層輻合氣流[32]，其它依次為BouLac、YSU、MYNN2.5、SH和GBM方案，而ACM2和MYNN3模擬的輻合最弱，僅在海島西南部和東北部形成零散的小范圍輻合區(qū)。對比圖4、5可知，海島東北部的細(xì)長輻合線是由北部與東部海風(fēng)相遇碰撞造成，MYNN3和ACM2方案模擬的輻合線強(qiáng)度相對其余6個方案弱，且寬度較小，這正是由于此處海風(fēng)碰撞不及其它方案強(qiáng)所致。

5.2 邊界層方案對海風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)的影響

由圖4可知，南北向海風(fēng)的發(fā)展范圍及傳播更為強(qiáng)盛。為探究邊界層參數(shù)化方案對海風(fēng)環(huán)流垂直結(jié)構(gòu)的影響，本文將該日09、12、15、18和21時的垂直速度沿圖1b中AB線作垂直剖面，以此說明海風(fēng)的發(fā)生、發(fā)展、強(qiáng)盛及衰減過程。

圖4 模擬的15:00 LST 2 m溫度場（陰影，單位：℃）和10 m風(fēng)場（單位：m/s）分布a.YSU；b.MYNN2.5；c.MYNN3；d.ACM2；e.BouLac；f.UW；g.SH；h.GBM。

圖5 模擬的15:00 LST的10 m風(fēng)場散度（藍(lán)色實線表示小于-1×10-3s-1）分布a.YSU；b.MYNN2.5；c.MYNN3；d.ACM2；e.BouLac；f.UW；g.SH；h.GBM。

一般而言，夏季海南島日出時間為06時左右，此時的太陽輻射開始加熱地表，而海風(fēng)的發(fā)生相對于輻射加熱是一種滯后現(xiàn)象，因此到09時海風(fēng)才開始在近地面出現(xiàn)[33]，但高空回流與垂直環(huán)流尚不明顯。在海島偏南背景風(fēng)的影響下，島嶼南部海風(fēng)發(fā)展未能清晰地表現(xiàn)出來，北部雖出現(xiàn)小范圍的海風(fēng)，但傳播距離較短。對比8個方案對09時海風(fēng)的模擬，可見YSU、MYNN3、SH和GBM方案的北部海風(fēng)向內(nèi)陸傳播約0.3個緯距，海風(fēng)頭部（Sea Breeze Head） 位于 19.65°N附近。MYNN2.5、ACM2、BouLac和 UW 則分別傳播至19.6 °N、19.55 °N、19.8 °N 和 19.7 °N 附近。就北部海風(fēng)發(fā)展高度來說，UW方案模擬的海風(fēng)厚度最小，小于0.5 km，其次是BouLac方案，且UW和BouLac在0.3 km以下還存在殘余陸風(fēng)，幾乎可以切斷低層海風(fēng)。ACM2方案的海風(fēng)厚度約為0.7 km，在0.7～0.9 km范圍內(nèi)存在偏南陸風(fēng)，將北部海風(fēng)分為高低兩段。MYNN3、SH和GBM方案也模擬出不同程度的小范圍陸風(fēng)，其海風(fēng)厚度受此影響變得不易分辨。YSU和MYNN2.5的北部海風(fēng)發(fā)展相對更清晰，未受太多殘余陸風(fēng)的影響，海風(fēng)厚度均大于1 km（圖略）?？偟膩碚f，09時海風(fēng)開始，但強(qiáng)度較小，且存在殘余陸風(fēng)，向內(nèi)陸傳播距離較短，8個方案對其結(jié)構(gòu)的模擬各有特點，YSU、MYNN2.5和SH方案的海風(fēng)相對較強(qiáng)。

12時，隨著太陽輻射的增加，陸地溫度遠(yuǎn)高于海洋，海風(fēng)逐漸發(fā)展起來，其環(huán)流結(jié)構(gòu)也變得更清晰。如圖6所示，南部海風(fēng)仍受到背景風(fēng)的同相疊加作用，高空回流與海風(fēng)厚度不明顯。北部海風(fēng)進(jìn)一步向內(nèi)陸推進(jìn)，其結(jié)構(gòu)也較09時更為清晰。

就北部海風(fēng)的傳播距離來看，YSU和ACM2方案傳播最遠(yuǎn)，可至黎母山脈北側(cè)山峰處，海風(fēng)頭部也位于19.05°N附近，但因山峰高度較高（1 200 m以上），海風(fēng)未能越過，因受到地形機(jī)械阻擋作用而停在山脈北側(cè)。MYNN2.5和UW方案則傳播至19.1°N，恰位于黎母山脈北部主峰前，與疊加了背景風(fēng)的南部海風(fēng)相碰撞，但碰撞并不強(qiáng)烈，未造成明顯的垂直上升運動。其它4組方案SH、BouLac、GBM和MYNN3的傳播位置分別為19.2 °N、19.3 °N、19.35 °N、19.6 °N，較 YSU、ACM2、MYNN2.5和UW的傳播距離短，且南北兩支海風(fēng)的碰撞更弱。值得注意的是，8組方案的北支海風(fēng)中均存在不同范圍和強(qiáng)度的偏南風(fēng)，這可能是由于此處背景風(fēng)和殘余陸風(fēng)強(qiáng)度大于北部海風(fēng)，因此表現(xiàn)為小范圍的南風(fēng)分支存在于北部海風(fēng)中。對于海風(fēng)厚度的模擬，UW方案最低，僅為0.5 km，GBM方案為0.6 km，其它6組方案則為1 km左右。此時在五指山脈南、北部主峰之間的峽谷處（18.75°N附近）存在明顯的谷風(fēng)，8組方案模擬的谷風(fēng)強(qiáng)度不同，GBM方案模擬的范圍和強(qiáng)度最小，MYNN2.5和BouLac方案相對較強(qiáng)，影響范圍比其它方案大?？傊?，該時刻的海風(fēng)已呈現(xiàn)出較清晰的環(huán)流結(jié)構(gòu)，YSU和ACM2的海風(fēng)厚度及向內(nèi)陸傳播距離相對強(qiáng)于其它方案，海風(fēng)較強(qiáng)，MYNN3方案的環(huán)流結(jié)構(gòu)則不太明顯，且向內(nèi)陸推進(jìn)距離短，海風(fēng)相對較弱。

如圖7所示，15時海風(fēng)發(fā)展強(qiáng)盛，南北向海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)清晰。

在8個方案的模擬中，南部海風(fēng)均傳播至18.7°N附近，恰好位于五指山脈南部主峰偏北側(cè)，而北部海風(fēng)則傳播至19.05°N，即黎母山脈北部主峰山頂處。在此傳播過程中，由于山、谷之間存在溫差，使得南、北部的海風(fēng)分別受到谷風(fēng)的同相疊加作用，導(dǎo)致其向內(nèi)陸的傳播距離更遠(yuǎn)。另外，海風(fēng)在沿山峰爬行過程中產(chǎn)生了擾動和波動，這可能是由Kelvin Helmholtz（KH）不穩(wěn)定所致，擾動和波動中存在的湍流混合作用會導(dǎo)致能量的積聚和傳播[34]。對比8種方案模擬的北部海風(fēng)厚度，可知ACM2方案的海風(fēng)厚度最大，達(dá)0.8 km左右，其次為YSU、MYNN2.5和 SH方案，約為 0.55 km，MYNN3方案為0.45 km左右，BouLac和UW方案僅約0.4 km，海風(fēng)厚度最小。北部海風(fēng)的回流高度相差不大，均約為1.5 km。南部海風(fēng)環(huán)流特征不明顯，這是由于偏南背景風(fēng)對海風(fēng)的掩蓋作用所致。從海風(fēng)鋒附近的垂直上升速度來看，YSU方案最大，可達(dá)0.4 m/s以上，且存在3個明顯的大值帶，分別位于 18.8 °N、19.1 °N、19.6 °N 附近，UW和SH方案也分別在19.8°N、19.65°N附近存在超過0.4 m/s的垂直上升速度大值區(qū)，其它5個方案的海風(fēng)鋒附近均未形成較強(qiáng)的垂直上升運動[10]?？傮w來看，MYNN2.5和MYNN3方案模擬的海風(fēng)垂直強(qiáng)度較小；ACM2方案的海風(fēng)垂直環(huán)流特征最明顯，同時其對應(yīng)的垂直速度的強(qiáng)度、范圍也最大。

18時，太陽輻射減弱，但由于地表殘余能量的驅(qū)動，海風(fēng)發(fā)展仍然較強(qiáng)，南北向海風(fēng)垂直環(huán)流結(jié)構(gòu)比15時更清晰，海風(fēng)強(qiáng)度則有所減弱。從圖8可以看到，南部海風(fēng)受到地形的動力屏障作用，基本傳播至黎母山脈北部主峰前，并未越過山峰，南、北向海風(fēng)于19.0°N附近發(fā)生碰撞，造成較強(qiáng)的垂直抬升運動[45]。對比18時的8組方案模擬的南部海風(fēng)推進(jìn)距離，可見MYNN2.5和MYNN3方案最短，僅傳播至五指山脈北峰（約18.82°N）；BouLac和GBM傳播至五指山北峰與黎母山北峰之間的峽谷處（約18.92°N），與局地谷風(fēng)產(chǎn)生反向疊加；其它4組方案均傳播至黎母山前（約19.0°N）。南部海風(fēng)厚度及高空回流均相差不大，海風(fēng)厚度約為0.8 km，高空出現(xiàn)明顯的海風(fēng)回流，最高約達(dá)2.7 km。對于北部海風(fēng)厚度的模擬，UW方案最大，可達(dá)0.7 km左右，SH約為 0.6 km，YSU和 MYNN2.5為 0.5 km，BouLac、GBM和MYNN3較低，分別為0.45 km、0.4 km、0.35 km。其對應(yīng)的高空回流高度也較低，基本小于1.5 km，且范圍較小，其中UW的回流結(jié)構(gòu)最不明顯。海風(fēng)在山峰處存在強(qiáng)迫抬升，8個方案的垂直上升速度強(qiáng)度有所不同，ACM2、BouLac和UW方案在黎母山北峰附近存在幾條垂直速度大值帶，MYNN2.5和MYNN3則在五指山北峰附近存在一條速度大值帶，這說明此處山脈對海風(fēng)的強(qiáng)迫抬升與海風(fēng)碰撞較為劇烈，YSU、SH和GBM方案的速度大值區(qū)不明顯。綜上可知，與15時相比，18時的海風(fēng)強(qiáng)度和擾動均有所減弱，但仍然較強(qiáng)，且環(huán)流結(jié)構(gòu)也較清晰，ACM2、BouLac和UW方案的整體海風(fēng)相對強(qiáng)于其它方案。

圖6 沿圖1b中AB線模擬的12:00 LST垂直風(fēng)速（陰影，單位：m/s），南北環(huán)流（w擴(kuò)大了20倍），v風(fēng)速零線（黑色等值線）的垂直剖面 a.YSU；b.MYNN2.5；c.MYNN3；d.ACM2；e.BouLac；f.UW；g.SH；h.GBM。

圖7 同圖6，但為15:00 LST

21時，太陽輻射消失，地表溫度迅速下降，海陸溫度梯度由陸地指向海洋，這使得島嶼南、北部低層由海風(fēng)轉(zhuǎn)為陸風(fēng)，但在偏南背景風(fēng)的作用下，南部陸風(fēng)環(huán)流不及北部明顯，范圍也較?。▓D略）。同時由于夜間山頂溫度下降快，造成山區(qū)內(nèi)的谷風(fēng)轉(zhuǎn)為山風(fēng)，疊加于陸風(fēng)之上[45]。此外，在低層陸風(fēng)環(huán)流內(nèi)還存在殘余海風(fēng)。就8組方案模擬的北部陸風(fēng)特征來看，BouLac和UW的陸風(fēng)厚度最大，可達(dá)1 km以上，同時在黎母山脈北峰山風(fēng)的疊加作用下使得北部陸風(fēng)的影響范圍較大，在海陸交界處（19.95°N附近）及其以北地區(qū)的低層存在殘余海風(fēng)；YSU、ACM2和SH方案的陸風(fēng)范圍較小，在19.05～19.60°N范圍內(nèi)較明顯，且發(fā)展高度基本在1 km以下；MYNN2.5、MYNN3和GBM方案的陸風(fēng)發(fā)展范圍更小，僅存在零星的陸風(fēng)區(qū)。南部陸風(fēng)的整體發(fā)展范圍小，且在偏南背景風(fēng)的阻擋作用下，僅BouLac方案的高度稍高，達(dá)到1.1 km，其余方案模擬的0.9 km以下低層基本表現(xiàn)為南風(fēng)。另外，8組方案在五指山南、北峰與黎母山北峰形成的兩個峽谷（18.8°N、18.95°N附近）處存在不同范圍的山風(fēng)，其中GBM方案范圍最大，其次為BouLac、UW和SH方案，而其它4組方案的山風(fēng)范圍均較小?？偟膩碚f，21時海風(fēng)已基本轉(zhuǎn)為陸風(fēng)，且北部陸風(fēng)強(qiáng)度及范圍大于南部，其中BouLac和UW的陸風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)較清晰，特征顯著。

海風(fēng)的發(fā)生、發(fā)展與溫度密切相關(guān)，位溫的垂直結(jié)構(gòu)可以從另一個側(cè)面說明海風(fēng)的強(qiáng)弱。由09、12、15、18和21時南北向位溫的垂直結(jié)構(gòu)分布（圖略）可知，09時南北向的等位溫線總體趨勢較為平穩(wěn)，海風(fēng)較弱；12時，陸地位溫顯著升高，特別是306 K線，而海洋上位溫變化很小，依然維持在300 K左右，故此時的海陸交界處位溫梯度較大，300～304 K的等位溫線呈垂直分布，海風(fēng)發(fā)展增強(qiáng)。15時，南北兩側(cè)位溫梯度幾乎垂直分布，轉(zhuǎn)折處較突出，海陸溫差明顯?？梢姶藭r驅(qū)動海風(fēng)發(fā)展的熱力差異顯著，因此海風(fēng)發(fā)展強(qiáng)盛。8個方案模擬的309 K等位溫線均在山頂處閉合（圖略），其位溫梯度較大，海風(fēng)發(fā)展旺盛。其中，UW方案模擬的南部301 K等位溫線范圍較小，因此其南北兩側(cè)的位溫梯度較小，海風(fēng)相對較弱。18時，南北部沿海地區(qū)306 K以下的等位溫線梯度仍然較大，直至21時，陸面溫度降低，等位溫線趨于平緩，對應(yīng)此時南北向的海風(fēng)衰減。

海風(fēng)發(fā)展為內(nèi)陸帶來了水汽，使得陸地水汽含量增多，因此水汽含量的局地變化可表示海風(fēng)傳播情況。從09、12、15、18和21時水汽混合比南北向的垂直結(jié)構(gòu)（圖略）可以看出，09時的水汽混合比等值線較為平穩(wěn)，僅在山脈附近及南部洋面上波動稍大。12時，全島上空的水汽混合比值明顯增大，且12 g/kg水汽混合比等值線由之前的1.2 km上升至1.9 km左右。15時，14 g/kg水汽混合比等值線已抬升至2.1 km附近。對比8個方案模擬的水汽混合比的垂直分布（圖略），可知MYNN2.5、MYNN3方案模擬的南北兩側(cè)水汽梯度相對較小，尤其南北側(cè)0.3 km以下的水汽大值區(qū)范圍較小，而YSU、ACM2、BouLac和UW模擬的水汽梯度相對較大，在山峰處形成多條閉合的水汽混合比等值線，它們對應(yīng)的海風(fēng)發(fā)展強(qiáng)度也有所不同。與圖7對比，發(fā)現(xiàn)水汽梯度較大處與海風(fēng)鋒及強(qiáng)的垂直上升運動位置對應(yīng)良好，說明此時的海風(fēng)易觸發(fā)不穩(wěn)定天氣[6-7]。18時，島嶼上空水汽含量達(dá)到最大值，海島中部地區(qū)的水汽混合比值也相應(yīng)達(dá)到16 g/kg。直到21時，水汽等值線才漸漸恢復(fù)平穩(wěn)。

為進(jìn)一步探究海風(fēng)強(qiáng)盛時8種邊界層參數(shù)化方案對海風(fēng)垂直環(huán)流強(qiáng)度的影響，以下分析陸地平均垂直速度和溫度隨時間及高度的演變。速度的區(qū)域平均值可以集中反映邊界層參數(shù)化方案的差異所帶來的海風(fēng)變化，便于從宏觀上把握各個方案與海風(fēng)強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系。在15時左右8個方案的低層開始出現(xiàn)大于1 cm/s的垂直上升速度，最大速度均出現(xiàn)在1 km以下，且其范圍恰與海風(fēng)發(fā)展時段及高度相對應(yīng)（圖略）。其中ACM2、UW和GBM方案模擬的溫度約在14時0.2 km處出現(xiàn)一個小范圍閉合等溫線，該處為溫度高值區(qū)，易形成更強(qiáng)的海陸熱力差異，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的海風(fēng)。整體來說，8個方案的溫度分布差別不大。對比8個方案模擬的垂直上升速度的范圍及強(qiáng)度，可知從14時左右開始出現(xiàn)速度大值區(qū)（大于0.5 cm/s），16時左右達(dá)到最大，約19時消失。其中ACM2方案最大強(qiáng)度可達(dá)2 cm/s以上，出現(xiàn)于16時，且延伸高度達(dá)2 km以上，說明海風(fēng)的垂直抬升作用強(qiáng)盛。MYNN2.5方案模擬的強(qiáng)度最小，影響高度在1.3 km以下，且最大速度小于1.2 cm/s。MYNN3方案也較弱，但垂直方向擴(kuò)展范圍強(qiáng)于MYNN2.5方案。其它方案的強(qiáng)度均在1.5 cm/s左右，YSU、BouLac、SH的發(fā)展高度達(dá)2 km以上，UW、GBM則小于1.5 km，基本強(qiáng)度和影響范圍介于ACM2與MYNN2.5、MYNN3之間（圖略）。

總的來說，MYNN2.5和MYNN3方案模擬的海風(fēng)垂直強(qiáng)度較小。ACM2方案的海風(fēng)垂直環(huán)流特征最明顯，同時其對應(yīng)的垂直速度強(qiáng)度、范圍及海陸熱力差異也最大。這是由于非局地方案ACM2的邊界層垂直混合偏強(qiáng)[9]，導(dǎo)致其模擬的海風(fēng)偏強(qiáng)所致。

5.3 邊界層高度的差異

行星邊界層主要是對水汽、能量等物理量的垂直輸送以及凝結(jié)潛熱的釋放起到強(qiáng)迫作用，而其高度則是研究大氣邊界層的重要參數(shù)。邊界層高度（PBLH，Planetary Boundary Layer Height）從一定程度上可以反映出低層大氣的湍流活動強(qiáng)弱。邊界層高度越高，意味著水汽及熱量可以在更大的空間內(nèi)擴(kuò)散[9,46]。為探究不同邊界層參數(shù)化方案對邊界層高度的影響，圖9給出了8種方案15時邊界層高度的水平分布。由圖9可知，島嶼北部18.9～19.5°N為邊界層高度大值帶，其余地區(qū)高度相對較小。表明島嶼北部為對流活動發(fā)展較為旺盛的區(qū)域，即海風(fēng)發(fā)展較強(qiáng)的地區(qū)，這可能是由于海風(fēng)向內(nèi)陸傳播過程中，各向海風(fēng)碰撞形成較強(qiáng)的上升運動所致。

圖8 同圖6，但為18:00 LST

圖9 模擬的海南島15:00 LST的邊界層高度（陰影，單位：m）a.YSU；b.MYNN2.5；c.MYNN3；d.ACM2；e.BouLac；f.UW；g.SH；h.GBM。

圖10給出了8個方案的邊界層高度隨時間的演變。ACM2方案模擬的邊界層高度最大約達(dá)1 200 m，出現(xiàn)在14時，而MYNN2.5、MYNN3、BouLac方案較接近，最大值于15時左右可達(dá)1 100 m，YSU和 SH方案約為 950 m，UW 和GBM方案的邊界層高度最低，分別約為550 m、600 m。結(jié)合圖9、10來分析8種方案模擬的邊界層高度水平分布范圍的差異，可知UW方案的大值范圍及高度均最小，其次為GBM方案，其大值范圍與UW方案基本相同，但整體高度偏高。其它6種方案的邊界層高度均超過1 000 m，大值范圍也相應(yīng)擴(kuò)展，其中，ACM2方案模擬的邊界層高度最大，尤其在北部與西部海風(fēng)碰撞區(qū)，超過1 600 m，這與其對海風(fēng)垂直環(huán)流強(qiáng)度模擬偏大是一致的，而其它方案的PBLH與海風(fēng)強(qiáng)度并不完全對應(yīng)。

圖10 D4區(qū)域平均邊界層高度隨時間的演變 單位：m。

6 結(jié)論與討論

本文利用WRF V3.7詳細(xì)對比了耦合同一近地層方案的8種邊界層參數(shù)化方案（YSU、MYNN2.5、MYNN3、ACM2、BouLac、UW、SH、GBM）對2014年5月25日晴空天氣條件下海南島海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)在數(shù)值模擬中的差異。結(jié)果表明：在對海風(fēng)環(huán)流水平結(jié)構(gòu)的模擬中，YSU、ACM2、BouLac、UW、SH模擬的北部海風(fēng)強(qiáng)于MYNN2.5、MYNN3、GBM。SH、GBM模擬的內(nèi)陸風(fēng)速略大于其它6種方案。在海島東部，GBM方案的海風(fēng)強(qiáng)度最大。而溫度與海風(fēng)發(fā)展強(qiáng)弱相對應(yīng)，MYNN2.5和MYNN3方案的整體溫度較低，海陸溫差小，海風(fēng)相對較弱。局地海風(fēng)的變化進(jìn)一步引起風(fēng)場輻合位置和強(qiáng)度的變化。UW方案模擬的西南山區(qū)輻合范圍和強(qiáng)度均最大，形成了幾乎覆蓋全島的低層輻合氣流，其它由強(qiáng)到弱依次為BouLac、YSU、MYNN2.5、SH、GBM 方 案 ，ACM2 和MYNN3模擬的輻合最弱，僅在海島西南部形成零散的小范圍輻合區(qū)。對于海島東北部細(xì)長輻合線的模擬，MYNN3、ACM2方案較弱，且寬度較小。在對海風(fēng)環(huán)流垂直結(jié)構(gòu)的模擬中，09時海風(fēng)開始，但強(qiáng)度較小，仍存在殘余陸風(fēng)，向內(nèi)陸傳播距離較短。YSU、MYNN2.5和SH方案的海風(fēng)相對較強(qiáng)。12時，海風(fēng)已呈現(xiàn)出較清晰的環(huán)流結(jié)構(gòu)，YSU和ACM2的海風(fēng)厚度及向內(nèi)陸傳播距離相對強(qiáng)于其它方案，海風(fēng)發(fā)展較強(qiáng)，MYNN3的環(huán)流結(jié)構(gòu)則不太明顯，且向內(nèi)陸推進(jìn)距離較短，海風(fēng)相對較弱。15時，海風(fēng)發(fā)展強(qiáng)盛，MYNN2.5和MYNN3方案模擬的海風(fēng)垂直強(qiáng)度較小，ACM2方案的海風(fēng)垂直環(huán)流特征最明顯，同時其對應(yīng)的垂直速度強(qiáng)度、范圍也最大。18時，海風(fēng)的強(qiáng)度和擾動均有所減弱，ACM2、BouLac和UW的整體海風(fēng)相對強(qiáng)于其它方案。21時，海風(fēng)已基本轉(zhuǎn)為陸風(fēng)，且北部陸風(fēng)強(qiáng)度及范圍大于南部，BouLac和UW的陸風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)較清晰，特征顯著。

位溫的發(fā)展變化也表明了海風(fēng)的演變。15時，UW方案模擬的南部301 K等位溫線范圍較小，因此其南北兩側(cè)的位溫梯度較小，海風(fēng)相對較弱。對于水汽的模擬，15時MYNN2.5和MYNN3方案的南北兩側(cè)水汽梯度相對較小，YSU、ACM2、BouLac、UW方案相對較大，在山峰處形成了多條閉合的水汽混合比等值線，且水汽梯度較大處與海風(fēng)鋒位置及強(qiáng)的垂直上升運動位置相對應(yīng)。對于島嶼平均海風(fēng)垂直速度及溫度的模擬，MYNN2.5、MYNN3較小，ACM2的海風(fēng)垂直環(huán)流特征最明顯，同時其對應(yīng)的垂直速度強(qiáng)度、范圍及海陸熱力差異也最大。在對邊界層高度的模擬中，ACM2的邊界層高度最大，約為1 200 m，MYNN2.5、MYNN3、BouLac較接近，達(dá) 1 100 m，YSU 和 SH為950 m，UW和GBM的邊界層高度最低，分別約為550 m、600 m。從水平分布來看，UW模擬的大值范圍及高度均最小，GBM稍高，其它6種方案的邊界層高度均超過1 000 m，大值范圍也相應(yīng)擴(kuò)展，ACM2最高，這與其對海風(fēng)垂直環(huán)流強(qiáng)度模擬偏大是相對應(yīng)的，而其它方案的PBLH與海風(fēng)強(qiáng)度并不完全一致。

總體來看，由于局地MYNN2.5、MYNN3方案低估了對流邊界層頂?shù)膴A卷熱通量，使得其模擬的海風(fēng)強(qiáng)度最小。而非局地的ACM2方案在白天表現(xiàn)出強(qiáng)的湍流混合和卷夾，對湍流的考慮較全面[9]，使得其模擬的海風(fēng)環(huán)流特征最明顯，同時其對應(yīng)的垂直速度強(qiáng)度、范圍及海陸熱力差異也最大，模擬的海風(fēng)偏強(qiáng)。將觀測的風(fēng)場、溫度場及其它各氣象要素場[36]與8組方案的模擬結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，與其余7組試驗結(jié)果相比，非局地ACM2方案的模擬結(jié)果接近于觀測，更適用于海南島海風(fēng)環(huán)流的模擬。本文僅針對一次海風(fēng)過程，所得結(jié)論是否具有普適性仍需大量個例來驗證。