不同天氣尺度系統(tǒng)風(fēng)下的海風(fēng)發(fā)生發(fā)展過程對比分析

盛春巖

（山東省氣象科學(xué)研究所, 山東 濟(jì)南 250031）

不同天氣尺度系統(tǒng)風(fēng)下的海風(fēng)發(fā)生發(fā)展過程對比分析

盛春巖

（山東省氣象科學(xué)研究所, 山東 濟(jì)南 250031）

為了分析不同天氣尺度系統(tǒng)風(fēng)下的海風(fēng)發(fā)生發(fā)展過程, 以及天氣尺度系統(tǒng)風(fēng)向?qū)ｏL(fēng)的影響,利用ARPS中尺度數(shù)值模式, 對2006年青島國際帆船賽期間的3次較強的海風(fēng)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 無論在何種天氣系統(tǒng)背景場下, 當(dāng)沿海海陸溫差達(dá)1～2℃時, 海風(fēng)就可以發(fā)生。當(dāng)近地層天氣尺度系統(tǒng)風(fēng)為離岸風(fēng)時, 海風(fēng)向內(nèi)陸地區(qū)推進(jìn)距離較近。否則, 海風(fēng)可以向內(nèi)陸推進(jìn)很遠(yuǎn)。當(dāng)近地層天氣尺度系統(tǒng)風(fēng)場較弱時, 熱力作用對海風(fēng)的發(fā)生發(fā)展起主要作用, 但海風(fēng)開始和結(jié)束過程均較慢; 當(dāng)近地層天氣尺度系統(tǒng)風(fēng)場為較強的離岸風(fēng)時, 動力和熱力作用對于海風(fēng)的發(fā)生發(fā)展均起作用。海風(fēng)開始時, 首先在近地層較淺的范圍內(nèi)。與海風(fēng)有關(guān)的垂直環(huán)流圈一般在下午—傍晚出現(xiàn), 并且位于約600～900 m高度處, 強度較弱。傍晚到午夜, 海風(fēng)垂直環(huán)流的強度反而進(jìn)一步發(fā)展, 形成為清晰的閉合環(huán)流圈, 高度約在300～600 m處, 伴有明顯的暖心結(jié)構(gòu)。午夜后, 隨著地面的進(jìn)一步降溫,海風(fēng)環(huán)流崩潰。當(dāng)近地層天氣尺度系統(tǒng)風(fēng)較弱時, 海風(fēng)的垂直環(huán)流圈維持時間長; 當(dāng)近地層天氣尺度系統(tǒng)風(fēng)為較強的離岸風(fēng)時, 海風(fēng)的垂直環(huán)流圈維持時間短。

天氣尺度系統(tǒng)風(fēng); 海風(fēng); 數(shù)值模擬

大量的觀測事實和研究結(jié)果表明[1-5], 天氣尺度系統(tǒng)風(fēng)對于海風(fēng)的形成、向內(nèi)陸推進(jìn)的距離等有重要影響。發(fā)展強盛的海風(fēng)大多與弱的天氣尺度離岸風(fēng)有關(guān), 強的天氣尺度離岸風(fēng)會使得海風(fēng)開始得遲,并且主要位于海上, 海風(fēng)難以向內(nèi)陸推進(jìn), 向內(nèi)陸推進(jìn)的時間也晚[6]。數(shù)值模擬也證實了這一點[7-9]。Reible等[10]研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)天氣尺度的氣流是離岸風(fēng)時, 海風(fēng)難以向內(nèi)陸推進(jìn), 相反, 當(dāng)天氣尺度的盛行風(fēng)是向岸風(fēng)時, 海風(fēng)會向內(nèi)陸推進(jìn)很遠(yuǎn)。

國內(nèi)也開展了一些對于海風(fēng)的觀測和研究, 如關(guān)于龍口海風(fēng)的觀測分析[11]、青島沿海海風(fēng)的發(fā)生時間[12-13]、日照海風(fēng)的氣候特征[14]等。常志清等[15]利用一個陡地形修正的三維中尺度流體靜力的氣象學(xué)模式, 揭示了一次海風(fēng)形成和崩潰的過程。但由于各地不同的海岸線和地形影響, 海風(fēng)的表現(xiàn)并不能一概而論。關(guān)于大尺度系統(tǒng)風(fēng)對于海風(fēng)的影響方面的分析研究很少。盛春巖等[16]在分析青島奧帆賽場附近海風(fēng)發(fā)生特征及三維結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上, 發(fā)現(xiàn)青島地區(qū)在 500 hPa副高邊緣和副高控制兩種不同天氣形勢下, 海風(fēng)的發(fā)生發(fā)展很可能與系統(tǒng)風(fēng)向有關(guān)。本文選取了2006年青島國際帆船賽期間的3次典型的不同系統(tǒng)風(fēng)下的海風(fēng)過程, 通過中尺度數(shù)值模擬,對大尺度系統(tǒng)風(fēng)對于海風(fēng)的影響、不同大尺度風(fēng)下海風(fēng)的發(fā)展演變等進(jìn)行對比分析。

1 三次典型的海風(fēng)個例分析

1.1 天氣背景分析

本文選取的是2006年8月13日、21日和23日青島國際帆船賽期間的3次較強的海風(fēng)個例。這3次個例是副高控制下的海風(fēng)和副高邊緣下海風(fēng)個例的代表, 即8月13日, 青島地區(qū)處于500 hPa副熱帶高壓的控制之下（588線范圍之內(nèi)）, 早上08時（北京時,下同）, 青島附近的地面盛行風(fēng)為偏南風(fēng)（圖1）。8月21日和23日, 青島地區(qū)則位于500 hPa副熱帶高壓的邊緣。在地面圖上, 早上08時青島附近的地面盛行風(fēng)均為偏北風(fēng)。從這 3次個例高低空形勢配置來看, 正符合盛春巖等[16]對青島地區(qū) 8月份海風(fēng)天氣的分類, 即500 hPa副高控制類和副高邊緣類, 而這兩類天氣的地面系統(tǒng)風(fēng)是不同的, 分別是偏南風(fēng)和偏北風(fēng)。其中, 8月21日08時地面冷鋒剛剛移過山東, 山東大部地區(qū)為較強的偏北風(fēng), 而 23日雖然地 面為偏北風(fēng), 但風(fēng)場較弱。

圖1 2006年8月13, 21和23日08時500 hPa位勢高度（gpm）和海平面氣壓（hPa）圖Fig. 1 Weather chart of 500 hPa and sea level pressure at 08:00 LST 13 August, 08:00 LST 21 August, and 08:00 LST 23 August

1.2 青島沿海風(fēng)的演變

圖2給出了青島奧帆賽場內(nèi)3個浮標(biāo)站以及青島本站觀測的這3次海風(fēng)過程中風(fēng)的日變化?？梢园l(fā)現(xiàn), 8月 13日后半夜到上午, 青島附近風(fēng)速都很小, 在3 m/s以下。11時, 青島本站風(fēng)速明顯增大,在4～5 m/s, 而浮標(biāo)站A風(fēng)速在17時后也有不同程度的增加。從3個浮標(biāo)站以及青島本站風(fēng)向的演變可以清楚地看到, 12時～18時, 3個浮標(biāo)站的風(fēng)向均由上午的東偏北風(fēng)轉(zhuǎn)變成東南或偏南風(fēng)。而青島本站由于系統(tǒng)風(fēng)與海風(fēng)風(fēng)向一致, 變化不明顯。結(jié)合風(fēng)速和風(fēng)向的日變化可以看出, 13日青島沿海有海風(fēng)出現(xiàn)。

同樣, 分析8月21日和23日3個浮標(biāo)站以及青島本站風(fēng)的日變化也不難看出（圖2）, 這4個站風(fēng)向都是在后半夜?上午為偏北風(fēng), 12時開始轉(zhuǎn)為東南風(fēng),同時, 風(fēng)速也明顯增大, 標(biāo)志著青島沿海有海風(fēng)出現(xiàn)。

圖2 2006年8月13, 21和23日青島奧帆賽場附近3個浮標(biāo)站以及青島本站風(fēng)速、風(fēng)向變化Fig. 2 Wind speeds and directions at three buoy stations and Qingdao on 13, 21, and 23 August, 2006

1.3 海風(fēng)向內(nèi)陸推進(jìn)距離分析

圖3給出了這3次海風(fēng)個例在海風(fēng)發(fā)展較強盛時刻（17時）的山東省全省地面大監(jiān)站觀測風(fēng)場資料。不難發(fā)現(xiàn), 由于13日地面大尺度系統(tǒng)風(fēng)場為偏南風(fēng),與海風(fēng)的方向較一致, 因此, 從地面圖上難以分辨海風(fēng)推進(jìn)的距離。而21日和23日同樣是偏北風(fēng), 但海風(fēng)向內(nèi)陸推進(jìn)的距離卻差異很大。21日, 海風(fēng)僅僅維持在山東東南沿海的很窄的距離內(nèi), 而23日海風(fēng)卻向內(nèi)陸推進(jìn)了約2個經(jīng)度共約200 km。

2 數(shù)值模擬方案設(shè)計

為了分析這3次不同的海風(fēng)個例的發(fā)生發(fā)展過程, 利用美國俄克拉何馬大學(xué)風(fēng)暴分析與預(yù)測中心開發(fā)的中尺度ARPS模式, 對這3次海風(fēng)個例進(jìn)行了數(shù)值模擬。模式采用30, 6 km雙重嵌套網(wǎng)格, 外層網(wǎng)格中心位于（36.8°N, 116.8°E）, 網(wǎng)格點數(shù)為115×115;內(nèi)層網(wǎng)格中心位于（36.8°N, 118.8°E）, 網(wǎng)格點數(shù)為163×163。兩層網(wǎng)格在垂直方向上均分53個σ層, 平均格距為400 m, 并采用雙曲正切曲線向上伸展, 近地面最小距離為20 m。所有的試驗都采用了兩層的土壤植被模式, TKE次網(wǎng)格混合和PBL參數(shù)化, 大氣輻射傳輸參數(shù)化及冰微物理方案, 以及 Kain-Fritsch積云參數(shù)化方案。兩層網(wǎng)格采用的都是全球30秒的地形資料。

圖3 3次海風(fēng)個例在發(fā)展強盛時刻的地面大監(jiān)站觀測風(fēng)場Fig. 3 Meso stations’ wind fields in Shandong province for the three cases sea breezes

模式外層網(wǎng)格采用6 h間隔的1o×1o的NCEP分析資料作為初始場和側(cè)邊界條件, 同時, 使用了常規(guī)地面、探空資料, 山東省123個地面大監(jiān)自動站資料（站點分布參見圖 3）, 以及青島地區(qū)內(nèi)陸及沿海自動站、浮標(biāo)站資料（站點分布見圖 4）, 對模式初始場進(jìn)行分析。內(nèi)層網(wǎng)格上的初始資料與外層網(wǎng)格的相同, 以30 km模擬的3 h間隔的模式輸出資料作為側(cè)邊界條件。

圖4 青島市區(qū)及沿海地面自動站站點分布Fig. 4 Station sites （buoys and automatic weather stations）in Qingdao city and the coastal region

3 模擬結(jié)果分析

3.1 模擬的青島附近海風(fēng)日變化特征

圖5給出了模式6 km網(wǎng)格模擬的這3次海風(fēng)過程中 3個浮標(biāo)站以及青島本站的風(fēng)速演變, 可以發(fā)現(xiàn), 模式模擬的這4個站的風(fēng)速較接近, 但都反映出下午風(fēng)速增大的過程。對比實況發(fā)現(xiàn)（圖 2）, 風(fēng)速模擬結(jié)果較好地反映了青島附近風(fēng)的日變化特征。

3.2 海風(fēng)向內(nèi)陸推進(jìn)距離及其原因分析

3.2.1 海風(fēng)向內(nèi)陸推進(jìn)距離分析

圖6給出了模式6 km網(wǎng)格模擬的8月13, 21和23日近地面10 m風(fēng)場和氣溫場?？梢园l(fā)現(xiàn), 早上08時, 整個山東半島均處于南風(fēng)氣流之中, 風(fēng)速較小。上午9時, 東南沿海的海陸溫差達(dá)2℃, 沿海海面的風(fēng)速均明顯增大, 風(fēng)向為一致的東南風(fēng), 海風(fēng)在海面上開始形成。10時～11時, 東南沿海海陸溫差達(dá)4～5℃, 模式模擬的海風(fēng)非常清楚。13時, 在強的海陸溫差作用下, 東南海風(fēng)有一個突然“爆發(fā)”的過程,近地面風(fēng)場上可以清楚地看到東南沿海的海風(fēng)推進(jìn)到內(nèi)陸地區(qū), 其前沿有清楚的海風(fēng)鋒邊界和較強的溫度梯度。模擬的單站風(fēng)速顯示（圖5）, 在13時, 東南沿海風(fēng)速為一天中的最大, 就是由于強的海陸溫差造成的海風(fēng)突然向內(nèi)陸爆發(fā)的結(jié)果。對比實況觀測資料（圖2）, 12時, 3個浮標(biāo)站以及青島本站風(fēng)速均突然增大, 因此, 模式清楚地解釋了海陸溫差對海風(fēng)開始及海風(fēng)強度的影響。

與此同時, 山東北部沿海風(fēng)向的變化更明顯,由原來的南風(fēng)逆時針轉(zhuǎn)向偏北風(fēng), 南部沿海和北部沿海均明顯有海風(fēng)發(fā)生。16時后, 南北兩支海風(fēng)在半島內(nèi)陸地區(qū)匯合。此后, 由于南支海風(fēng)移速較快,推動北支海風(fēng)向北移動, 整個山東半島均轉(zhuǎn)為東南風(fēng)。

由模式6 km網(wǎng)格模擬的8月21日近地面10 m風(fēng)場和氣溫場可以發(fā)現(xiàn), 21日08時, 一支較強的冷鋒剛剛影響山東, 山東大部地區(qū)為偏北風(fēng)。上午內(nèi)陸地區(qū)氣溫緩慢升高。11時, 山東半島南、北沿海地區(qū)溫度梯度均顯著增加, 海陸溫差達(dá) 2～3℃。山東東南沿海的風(fēng)向出現(xiàn)了順時針偏轉(zhuǎn)。14時, 東南沿海的海陸溫差達(dá)3℃左右, 沿海風(fēng)的順時針旋轉(zhuǎn)更明顯, 與來自北部沿海的偏北風(fēng)之間在魯東南形成了一條清晰的切變線。從內(nèi)陸地區(qū)氣溫的變化可以發(fā)現(xiàn), 青島以南的內(nèi)陸地區(qū)氣溫升高的快, 海陸溫差大, 因此, 青島南部的東南沿海海風(fēng)形成早, 其表現(xiàn)為南部沿海的風(fēng)向轉(zhuǎn)向早。由于青島地區(qū)三面環(huán)海,內(nèi)陸地區(qū)氣溫升高得慢, 因此, 海風(fēng)形成略晚。而青島以北的山東半島雖然上午內(nèi)陸氣溫也升高了, 但在偏北風(fēng)的影響下, 14時起, 內(nèi)陸地區(qū)氣溫便很快下降, 因此, 幾乎沒有海風(fēng)形成。

圖5 模式6 km網(wǎng)格模擬的3次海風(fēng)個例青島附近近地面10 m風(fēng)速日變化Fig. 5 Simulated 10 m wind speed at 6 km grid for the three cases of sea breezes

圖6 8月13, 21和23日模式6 km網(wǎng)格模擬的近地面10 m風(fēng)場和地面氣溫場Fig. 6 Ten m wind and the surface temperature field simulated by 6 km grid on 13,21, and 23 August, 2006

海風(fēng)首先從海岸線附近的海上開始。隨著海風(fēng)的發(fā)展, 海風(fēng)邊向內(nèi)陸地區(qū)推進(jìn), 同時向遠(yuǎn)海發(fā)展。在偏北風(fēng)的影響下, 來自渤海的冷空氣向南推進(jìn)較快, 不斷向內(nèi)陸地區(qū)輸送冷平流, 17時后, 強的偏北風(fēng)氣流推動?xùn)|南海風(fēng)向東移動, 同時, 由于海陸溫差減小, 東南沿海的海風(fēng)迅速減弱。23時, 東南沿海的海風(fēng)幾乎完全消失。

由模式6 km網(wǎng)格模擬的8月23日近地面10 m風(fēng)場和氣溫場可以發(fā)現(xiàn), 23日08時, 山東東南沿海處于東北風(fēng)氣流中, 北部沿海則處于弱的南風(fēng)氣流中, 半島內(nèi)陸地區(qū)風(fēng)速很小。9時, 海陸溫差僅為1℃左右時, 沿海的風(fēng)向就開始發(fā)生偏轉(zhuǎn), 意味著海風(fēng)在早上就開始。隨著內(nèi)陸氣溫的升高, 東南沿海的風(fēng)向順時針轉(zhuǎn)成東南風(fēng)。在萊州灣附近的北部沿海,早上的偏南風(fēng)則逆時針旋轉(zhuǎn)為偏北風(fēng), 風(fēng)向指向內(nèi)陸, 海岸線附近均有明顯的溫度梯度, 表明南部和北部沿海均有海風(fēng)出現(xiàn)。隨后, 東南沿海的海風(fēng)較快地向內(nèi)陸地區(qū)推進(jìn), 17時, 東南沿海的海風(fēng)推進(jìn)到山東半島內(nèi)陸的中部, 由于內(nèi)陸地區(qū)為偏南風(fēng), 北部沿海的海風(fēng)與偏南的系統(tǒng)風(fēng)在沿海對峙, 向內(nèi)陸推進(jìn)緩慢。18時后, 偏南風(fēng)推動北部沿海的海風(fēng)退至海上, 海風(fēng)逐漸減弱消失。

3.2.2 海風(fēng)向內(nèi)陸推進(jìn)不同距離的原因分析

對比21日和23日的海風(fēng)發(fā)生發(fā)展過程可以發(fā)現(xiàn), 同樣是早晨山東東南沿海大尺度系統(tǒng)風(fēng)為偏北風(fēng), 但21日海風(fēng)向內(nèi)陸推進(jìn)的距離很小, 而23日海風(fēng)卻向內(nèi)陸地區(qū)推進(jìn)了很遠(yuǎn)。從近地面風(fēng)場來看,23日山東東南沿海為偏北風(fēng), 但黃海中部海面的風(fēng)向基本為東北風(fēng), 北部沿海的風(fēng)向則為偏南風(fēng)。當(dāng)東南沿海海風(fēng)開始時, 山東半島大部地區(qū)的風(fēng)向很快轉(zhuǎn)為偏南風(fēng), 與海風(fēng)的方向接近, 這相當(dāng)于系統(tǒng)風(fēng)為向岸風(fēng), 是有利于海風(fēng)向內(nèi)陸地區(qū)推進(jìn)的。

圖7給出了這3次海風(fēng)個例的水平風(fēng)場沿36°N的垂直剖面（實線為氣溫場的垂直分布）, 可以發(fā)現(xiàn),13日和23日2 km以下的整個內(nèi)陸地區(qū)近地面風(fēng)場幾乎全為一致的西南風(fēng), 而21日正相反, 2 km以下整層為一致的偏北風(fēng), 因此, 13日和23日當(dāng)東南沿海海風(fēng)開始后, 整個近地層風(fēng)場幾乎全為偏南風(fēng),有利于海風(fēng)向內(nèi)陸地區(qū)推進(jìn); 而21日的近地層一致的偏北風(fēng), 是不利于海風(fēng)向內(nèi)陸地區(qū)推進(jìn)的。由圖7可以看出, 東南沿海的海風(fēng)與內(nèi)陸近地層的偏北風(fēng)之間有明顯的風(fēng)向切變, 而13日和23日, 海風(fēng)與內(nèi)陸地區(qū)的系統(tǒng)風(fēng)之間并無清晰的分界, 海風(fēng)與系統(tǒng)風(fēng)向大致是一致的, 因此, 海風(fēng)向內(nèi)陸地區(qū)推進(jìn)得較遠(yuǎn)。這一結(jié)果表明, 決定海風(fēng)向內(nèi)陸地區(qū)推進(jìn)距離的不僅是地面天氣尺度系統(tǒng)風(fēng), 還與低層整層風(fēng)的風(fēng)向有關(guān)。如果整層風(fēng)為一致的離岸風(fēng), 則不利于海風(fēng)向內(nèi)陸地區(qū)推進(jìn); 否則, 則有利于海風(fēng)向內(nèi)陸地區(qū)推進(jìn)。

3.3 模擬的3次海風(fēng)個例垂直環(huán)流結(jié)構(gòu)特征分析

6 km模擬結(jié)果表明, 8月13日, 青島附近近地面為偏南風(fēng), 高層600 m以上為西南風(fēng)。上午隨著地面升溫, 沿海風(fēng)向內(nèi)陸偏轉(zhuǎn), 表現(xiàn)出明顯的海風(fēng)特征。沿 36°N的uw垂直剖面圖上可以清楚地看出, 上午 11時, 吹向內(nèi)陸的海風(fēng)和內(nèi)陸的西南風(fēng)之間有清楚的風(fēng)向輻合, 此時海風(fēng)的厚度很淺, 主要位于300 m高度以下。13時, 隨著海風(fēng)向內(nèi)陸地區(qū)推進(jìn), 在青島上空600～900 m高度上出現(xiàn)了一個高低層風(fēng)向相反的環(huán)流, 伴隨弱的上升和下沉氣流。隨后, 海風(fēng)環(huán)流和反環(huán)流越來越清楚, 但海風(fēng)三維環(huán)流圈并不十分清楚。20時起, 近地面氣溫有所下降, 導(dǎo)致海風(fēng)氣流中出現(xiàn)下沉運動。同時, 暖空氣被孤立在約300～600 m高度處。由圖8可以發(fā)現(xiàn), 下沉氣流使得海風(fēng)垂直環(huán)流圈得到發(fā)展, 海風(fēng)垂直環(huán)流高度降低, 伴有明顯的暖心結(jié)構(gòu)。14日01時, 環(huán)流圈中的下沉氣流增加, 環(huán)流開始崩潰。

分析模擬的21日uw場沿36°N的垂直剖面發(fā)現(xiàn), 13時, 當(dāng)海風(fēng)在東南沿海開始時, 沿海風(fēng)與系統(tǒng)風(fēng)之間的切變線附近大氣輻合產(chǎn)生明顯的上升運動。隨著海風(fēng)的發(fā)展和向內(nèi)陸緩慢推進(jìn), 上升運動區(qū)也逐漸向內(nèi)陸地區(qū)推進(jìn), 且越來越強。18時前后, 海風(fēng)前沿的上升氣流達(dá)最強, 海風(fēng)垂直環(huán)流較清楚,高層的反環(huán)流也較清楚, 環(huán)流圈基本位于 1 000～1 500 m左右高度上, 其下沉支在海上1 000 m高度以上。其后, 海風(fēng)開始減弱, 風(fēng)向開始回轉(zhuǎn), 垂直上升氣流也減弱, 但高空的海風(fēng)環(huán)流圈一直維持到21時。22時后, 隨著海風(fēng)上升支的減弱消亡, 下沉至也減弱, 海風(fēng)環(huán)流圈消失。

8月 23日, 青島附近近地面系統(tǒng)風(fēng)向為弱的北偏西風(fēng), 東部海面為東北風(fēng)。從模式分析的08時垂直風(fēng)場看, 900 m以上則為偏西風(fēng)。上午隨著地面升溫, 青島沿海風(fēng)向開始向內(nèi)陸地區(qū)偏轉(zhuǎn)。上午11時, 整個青島沿海及內(nèi)陸地區(qū)均為偏東風(fēng)控制, 海風(fēng)形成,高度主要在900 m以下。此時, 低層偏東風(fēng)、高層偏西風(fēng), 在青島上空900～1 000 m高度處出現(xiàn)了一個弱的環(huán)流圈。但此時由于海風(fēng)發(fā)展并不強盛, 上升和下沉運動并不明顯, 環(huán)流圈也不完整。12時開始, 在環(huán)流圈前后開始出現(xiàn)上升和下沉氣流區(qū), 14時, 海風(fēng)環(huán)流首先在900～1 200 m高度處形成。海風(fēng)垂直環(huán)流形成后, 并無明顯發(fā)展。18時, 地面氣溫開始下降, 在海風(fēng)環(huán)流內(nèi)部的下沉運動增加, 環(huán)流圈前后的上升、下沉氣流進(jìn)一步加強, 海風(fēng)垂直環(huán)流強度加強, 環(huán)流更清楚, 同時,海風(fēng)環(huán)流的高度降低。21時, 海風(fēng)環(huán)流發(fā)展得較為旺盛, 環(huán)流高度進(jìn)一步降低, 在近地面300～600 m附近。同時, 由于地面氣溫進(jìn)一步下降, 暖氣團(tuán)被孤立在高空, 與海風(fēng)垂直環(huán)流中心相對應(yīng)。這一清楚的海風(fēng)垂直環(huán)流圈一直維持到24時。24日01時開始, 海風(fēng)環(huán)流圈前后的上升、下沉氣流減弱消失, 24日02時, 海風(fēng)環(huán)流圈消失。

圖7 模式6 km網(wǎng)格模擬的水平風(fēng)場（m/s）以及氣溫場（℃）沿36°N的垂直剖面Fig. 7 Cross sections of the horizontal wind （m/s） and temperature fields （℃） along 36°N

圖8 u?w場以及氣溫場（℃）沿36°N的垂直剖面Fig. 8 Cross sections of theu?wand temperature fields （℃） along 36°N

由前面的分析可知, 13日、23日白天海風(fēng)形成時, 海陸溫差均較大, 但天氣尺度系統(tǒng)風(fēng)較弱, 因此, 海風(fēng)的發(fā)生發(fā)展過程主要體現(xiàn)了熱力作用。在傍晚前后當(dāng)近地面海風(fēng)開始減弱消失時, 高空的暖氣團(tuán)使海風(fēng)環(huán)流圈繼續(xù)維持, 海風(fēng)減弱消失得慢。21日, 由于較強的偏北風(fēng)影響, 海風(fēng)開始時,一方面, 高層的系統(tǒng)風(fēng)向有助于海風(fēng)高層反環(huán)流的形成, 另一方面, 由圖 7可以發(fā)現(xiàn), 海風(fēng)反環(huán)流在1 000 m高度以上, 此高度上系統(tǒng)風(fēng)向為東北風(fēng),與海風(fēng)反環(huán)流的方向是相反的。顯然, 海風(fēng)與離岸風(fēng)之間形成風(fēng)速輻合, 產(chǎn)生較明顯的輻合上升運動, 其動力作用有助于海風(fēng)三維環(huán)流的形成。因此,21日海風(fēng)過程中, 動力和熱力作用對海風(fēng)的發(fā)生發(fā)展均有重要作用。在較強的離岸風(fēng)的動力抬升作用下, 海風(fēng)開始和減弱過程中風(fēng)向的轉(zhuǎn)化都比較快。

4 結(jié)論

本文選取了發(fā)生在2006年青島國際帆船賽期間的 3次較強的海風(fēng)過程, 在分析海風(fēng)的天氣背景及風(fēng)場變化特征的基礎(chǔ)上, 利用 ARPS中尺度數(shù)值模式, 對這3次海風(fēng)個例進(jìn)行了數(shù)值模擬, 可以得到以下結(jié)論:

1）無論在何種天氣系統(tǒng)背景場下, 當(dāng)沿海海陸溫差達(dá) 1～2℃時, 海風(fēng)就可以發(fā)生。山東東南沿海海風(fēng)均由海岸附近的海上首先開始, 然后逐漸向內(nèi)陸推進(jìn)并波及到遠(yuǎn)海。

2）影響海風(fēng)向內(nèi)陸地區(qū)推進(jìn)距離的不僅是天氣尺度系統(tǒng)風(fēng), 還與近地面整層大氣的風(fēng)向有關(guān)。當(dāng)近地層天氣尺度系統(tǒng)風(fēng)為離岸風(fēng)時, 海風(fēng)向內(nèi)陸地區(qū)推進(jìn)距離較近, 主要限于海岸線附近的有限范圍內(nèi)。否則, 海風(fēng)可以向內(nèi)陸推進(jìn)很遠(yuǎn)。

3）當(dāng)近地層天氣尺度系統(tǒng)風(fēng)場較弱時, 熱力作用對海風(fēng)的發(fā)生發(fā)展起主要作用, 但海風(fēng)開始和結(jié)束過程均較慢; 當(dāng)近地層天氣尺度系統(tǒng)風(fēng)場為較強的離岸風(fēng)時, 動力和熱力作用對于海風(fēng)的發(fā)生發(fā)展均起作用。在此種形勢下, 海風(fēng)開始和結(jié)束過程均較快。

4）海風(fēng)開始時, 首先在近地層較淺的范圍內(nèi)。與海風(fēng)有關(guān)的垂直環(huán)流圈一般在下午—傍晚出現(xiàn), 并且位于約600～900 m高度處, 強度較弱。傍晚到午夜, 海風(fēng)垂直環(huán)流的強度反而進(jìn)一步發(fā)展, 形成為清晰的閉合環(huán)流圈, 高度約在300～600 m處, 伴有明顯的暖心結(jié)構(gòu)。午夜后, 隨著地面的進(jìn)一步降溫,海風(fēng)環(huán)流崩潰。當(dāng)近地層天氣尺度系統(tǒng)風(fēng)較弱時, 海風(fēng)的垂直環(huán)流圈維持時間長; 當(dāng)近地層天氣尺度系統(tǒng)風(fēng)為較強的離岸風(fēng)時, 海風(fēng)的垂直環(huán)流圈維持時間短。

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Received: Apr., 20, 2009

Key words:synoptic-scale wind, sea breeze, numerical simulation

Abstract:In order to analyze the development of the sea breezes under different synoptic-scale wind, using the ARPS（The Advanced Regional Prediction System）model, three sea breeze cases during the 2006 Qingdao International Regatta were simulated. Results show that the sea breezes can occur if the land-sea temperature difference is over 1～2℃ under whatever synoptic-scale wind. When the synoptic-scale wind in the boundary is offshore the sea breeze cannot push in land too far; otherwise, the sea breeze can push in land for a long distance. When the synoptic-scale wind is weak, thermal effect is critical for the occurrence of the sea breeze. When it is strong offshore,dynamic and thermal effects are both important for the occurrence of the sea breeze. The sea breeze is very shallow at the beginning. The vertical circulation of the sea breezes usually starts in the late afternoon to the evening and the height of it is 600～900 m or so. From evening to mid-night the vertical circulation of the sea breeze develops instead and clear close circulation with warm core can be found. The height of the close circulation is low to be around 300 m. After mid-night the sea breeze circulation dies. When the synoptic-scale wind in the boundary is weak the vertical circulation of the sea breeze tends to maintain for a long time; in comparison, when the synoptic-scale wind is stronger offshore the vertical circulation of the sea breeze can keep shorter.

（本文編輯:劉珊珊）

Comparative analysis of the development of the sea breezes under different synoptic-scale winds

SHENG Chun-yan

（Shandong Provincial Meteorological Institutr, Jinan 250031, China）

P732

A

1000-3096（2011）01-0088-10

2009-04-20;

2010-07-15

國家自然科學(xué)基金項目（40705017）; 山東省自然科學(xué)基金項目（Q2007E03）; 中國氣象局新技術(shù)推廣項目（CMATG2007M34）; 山東省氣象局重點項目（2006sdqxz08, 2009sdqxz01）

盛春巖（1972-）, 女, 山東棲霞人, 高級工程師, 博士, 目前從事天氣預(yù)報及數(shù)值模擬研究, E-mail: scy9186@yahoo.com.cn