中國地區(qū)海風(fēng)(鋒)的數(shù)值模擬研究進(jìn)展

依斯拉木·吾拉音 苗峻峰 馮文

0 引言

海風(fēng)是由海陸熱力差異驅(qū)動(dòng)的中尺度環(huán)流系統(tǒng)[1-3],在其前緣形成的類似于鋒面的區(qū)域稱海風(fēng)鋒．它可以呈現(xiàn)出與天氣尺度冷鋒相似的特征,通常伴隨著溫度、濕度和風(fēng)急劇變化[1]．鋒面寬度與天氣尺度背景風(fēng)的方向有關(guān),離岸型背景風(fēng)條件下,溫度梯度較強(qiáng),鋒面較窄;平行于海岸的背景風(fēng)條件下,溫度梯度較弱,鋒面較寬[4]．海風(fēng)鋒向陸地推進(jìn)過程中,向海洋空氣一側(cè)傾斜,與地面夾角保持在10°～60°之間[5-6],鋒面坡度的大小取決于背景風(fēng)方向和強(qiáng)度[4]．海風(fēng)鋒附近具有明顯的上升氣流,其主要由兩部分組成:一是被冷的海洋氣團(tuán)抬升的大陸暖氣流,另一個(gè)是由低層輻合和質(zhì)量守恒引起的上升氣流[7]．上升氣流垂直速度大小取決于鋒區(qū)的強(qiáng)度和鋒面向陸地推進(jìn)的速度,強(qiáng)而移動(dòng)快的鋒面,其附近上升氣流往往具有較大的垂直速度[4]．

海風(fēng)(鋒)在向內(nèi)陸推進(jìn)過程中,鋒前的上升運(yùn)動(dòng)為對流活動(dòng)的產(chǎn)生提供有利的觸發(fā)條件[8-10],因此海風(fēng)鋒往往與強(qiáng)對流天氣聯(lián)系在一起．研究者利用氣象雷達(dá)、探空和地面觀測資料以及數(shù)值模式,對海風(fēng)鋒進(jìn)行觀測和模擬研究,發(fā)現(xiàn)海風(fēng)鋒對強(qiáng)對流天氣的發(fā)生發(fā)展具有非常重要的作用．束炯[11]和沈樹勤等[12]發(fā)現(xiàn)海風(fēng)鋒能促使強(qiáng)對流天氣進(jìn)一步加強(qiáng)．海風(fēng)鋒與其他天氣系統(tǒng)相互作用能觸發(fā)強(qiáng)對流天氣,比如:王樹芬[13]和董海鷹等[14]發(fā)現(xiàn)海風(fēng)鋒與低空切變線相互碰撞使局地輻合加強(qiáng)而觸發(fā)強(qiáng)對流,造成冰雹和強(qiáng)降水天氣;王彥等[15-17]的觀測和模擬分析表明海風(fēng)鋒能夠與弱冷鋒、陣風(fēng)鋒碰撞形成雷暴天氣;Abulikemu等[18]發(fā)現(xiàn)海風(fēng)鋒與陣風(fēng)鋒相互合并過程中,局地對流增強(qiáng),出現(xiàn)了強(qiáng)對流天氣;梁釗明等[19]指出海風(fēng)鋒與對流系統(tǒng)相碰撞時(shí),對流系統(tǒng)進(jìn)入鋒后的不穩(wěn)定能量大值區(qū),并觸發(fā)不穩(wěn)定能量造成暴雨天氣．在較強(qiáng)的對流不穩(wěn)定條件下,海風(fēng)鋒也能夠直接觸發(fā)強(qiáng)對流天氣[20],造成局地雷暴和強(qiáng)降水[21-22]．吳福浪等[23]發(fā)現(xiàn)單純的海風(fēng)鋒加強(qiáng)局地比濕和渦度,提供了有利的水汽和動(dòng)力條件,海風(fēng)鋒后較高的有效位能和低的對流抑制能量促進(jìn)了對流發(fā)展,最終觸發(fā)了雷暴天氣．Zhang等[24]指出海風(fēng)鋒和城市熱島相互作用增加了城市周圍擾動(dòng)溫度的梯度,導(dǎo)致孤立對流的產(chǎn)生和發(fā)展．萬夫敬等[25]發(fā)現(xiàn)海風(fēng)鋒與陣風(fēng)鋒在颮線系統(tǒng)的中段前部相交,誘發(fā)新生對流單體,造成該處對流系統(tǒng)更快速地向前傳播,導(dǎo)致颮線系統(tǒng)斷裂．除此之外,海風(fēng)(鋒)在大氣污染物傳輸與擴(kuò)散等方面也發(fā)揮著重要作用[26-29]．由此可見,海風(fēng)(鋒)的研究對沿海地區(qū)強(qiáng)對流天氣和空氣質(zhì)量的預(yù)報(bào)有著重要意義．

隨著數(shù)值模式的不斷完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,數(shù)值模擬已成為天氣和氣候研究中的重要方法．盡管模式結(jié)果與實(shí)際觀測有一定的誤差,但在實(shí)際工作中依然具有不可代替的作用,特別是在數(shù)值預(yù)報(bào)和理論研究中具有獨(dú)特的優(yōu)勢．海風(fēng)(鋒)的數(shù)值研究工作始于Pearce[30],他通過非線性方程模擬了海風(fēng)環(huán)流并研究其變化,為海風(fēng)(鋒)的數(shù)值研究奠定了基礎(chǔ)．之后,Estoque[31]在Pearce[30]研究的基礎(chǔ)上改進(jìn)了加熱函數(shù),首次模擬提出了海風(fēng)鋒面的基本特征．Pearson[32]用簡單的二維模式呈現(xiàn)了海風(fēng)鋒垂直分布、推進(jìn)速度、溫度梯度等特征,而Sha等[7]建立了一個(gè)二維、非靜力、可壓縮的數(shù)值模型,分析了開爾文-亥姆霍茲波(Kelvin-Helmholtz Billow,KHB)和海風(fēng)鋒的內(nèi)陸傳播特點(diǎn)．研究逐漸深入的同時(shí),模式的物理過程和邊界層參數(shù)化也得到完善,使得在更復(fù)雜的條件下,比如復(fù)雜的背景風(fēng)、地形和城市下墊面情形下對海風(fēng)鋒進(jìn)行數(shù)值模擬成為可能．金皓等[33]的三維理想模擬指出沿海坡地的存在有利于產(chǎn)生更強(qiáng)的海風(fēng),城市化有利于海風(fēng)發(fā)展和影響范圍．苗曼倩等[34]利用Pielke[35]三維中尺度模式并將模式中的湍流閉合改為TKE 閉合,分析長江三角洲地區(qū)的海陸風(fēng)特征,指出了海風(fēng)與湖風(fēng)作用造成沿長江走向的一條水平輻合帶,這條水平輻合帶對該地區(qū)的夏季降水具有觸發(fā)和增強(qiáng)的效應(yīng)．Miao等[36]利用RAMS模式研究地形和陸地退化對海風(fēng)的影響,發(fā)現(xiàn)平緩的山坡加強(qiáng)了海風(fēng),土壤濕度的減小導(dǎo)致了海風(fēng)風(fēng)速和推進(jìn)距離的增加．Freitas等[37]采用RAMS模式對城市熱島與海風(fēng)環(huán)流進(jìn)行研究,結(jié)果表明:城市熱島在市中心形成強(qiáng)的輻合區(qū),并加速海風(fēng)鋒向城市的推進(jìn);達(dá)到城市中心后,海風(fēng)鋒停滯約2 h;熱島消失后,推進(jìn)到城市之外的地區(qū),并減速移動(dòng)．東高紅等[38]利用WRF模式分析天津地區(qū)城市熱島環(huán)流與海風(fēng)環(huán)流相互作用,指出海風(fēng)對城市熱島的消弱作用、城市熱島對海風(fēng)的阻擋作用以及兩者的空間結(jié)構(gòu)特征．蘇濤等[39]利用WRF模式模擬了海南島一次海風(fēng)雷暴過程,結(jié)果表明:海南島四面環(huán)海的地理位置有利于水汽形成和傳輸;海風(fēng)向內(nèi)陸推進(jìn)過程中,南北方向兩支海風(fēng)相遇并形成了顯著的海風(fēng)輻合區(qū),為對流活動(dòng)的發(fā)生和發(fā)展提供了有利動(dòng)力條件,并最終觸發(fā)了雷暴天氣．吳福浪等[40]利用WRF模式對寧波地區(qū)海風(fēng)鋒引起局地強(qiáng)雷暴天氣過程進(jìn)行模擬,分析海陸熱力差異對海風(fēng)的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)海陸熱力差異能影響海風(fēng)鋒向內(nèi)陸推進(jìn)距離、鋒面附近上升速度和對流云發(fā)展程度,從而影響海風(fēng)雷暴以及降水量．

國內(nèi)外已有學(xué)者對海風(fēng)(鋒)的研究進(jìn)行了綜述和討論,比如:Abbs 等[26]對海風(fēng)的觀測和模擬進(jìn)行概述,重點(diǎn)討論了海風(fēng)在污染物擴(kuò)散中的作用;Miller等[1]詳細(xì)總結(jié)、概述了海風(fēng)的結(jié)構(gòu)、預(yù)報(bào)和影響;Crosman等[2]回顧了自20世紀(jì)50年代以來海風(fēng)的數(shù)值模擬研究成果;邱曉暖等[41]總結(jié)和分析了海陸風(fēng)的研究進(jìn)展和我國沿海三地海陸風(fēng)的主要特征．盡管中國地區(qū)海風(fēng)(鋒)數(shù)值研究工作開展已久,但鮮見這方面的綜述性研究．因此,本文關(guān)注中國地區(qū)海風(fēng)(鋒)數(shù)值模擬研究工作,重點(diǎn)回顧20世紀(jì)80年代以來的相關(guān)研究成果,從不同角度概述海風(fēng)(鋒)數(shù)值模擬研究進(jìn)程．

1 海風(fēng)(鋒)結(jié)構(gòu)與演變特征

海風(fēng)(鋒)是復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng),其時(shí)間與空間上的變化特征非常明顯．在20世紀(jì)80年代,程志強(qiáng)[42]對大氣運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行參數(shù)化,模擬了海陸風(fēng)環(huán)流日變化的基本特征,自此揭開了國內(nèi)海風(fēng)(鋒)數(shù)值模擬研究的序幕．隨后,杜俊[43]利用Boussinesq二維運(yùn)動(dòng)方程討論了海陸風(fēng)環(huán)流的動(dòng)力學(xué)特征．到了90年代,曹德貴[44]探討了二維靜力學(xué)模式中大氣輻射效應(yīng)的影響,指出大氣長短波輻射交換對海風(fēng)發(fā)展具有重要作用;柯史釗等[45]使用一層σ坐標(biāo)中尺度模式揭示了華南地區(qū)的海陸風(fēng)的演變特征,概括了華南海陸風(fēng)系統(tǒng)以及海風(fēng)輻合相關(guān)的暴雨中心的分布;王衛(wèi)國等[46]利用二維非線性能量閉合的邊界層模式,研究中緯度地區(qū)海風(fēng)環(huán)流的特征,發(fā)現(xiàn)熱內(nèi)邊界層(TIBL)廓線的斜率與海風(fēng)發(fā)展有著緊密的關(guān)系,海風(fēng)越強(qiáng),TIBL廓線的斜率越小,TIBL水平伸展的距離越大．此外,蔡榕碩等[47]利用數(shù)值模式分析臺灣海峽海陸風(fēng)的特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)由于海峽兩岸受熱存在差異,海峽西岸海風(fēng)維持時(shí)間比東岸略長,冬夏季海陸風(fēng)轉(zhuǎn)換時(shí)間也存在差異．

進(jìn)入21世紀(jì)以來,MM5(Fifth-generation Penn State/NCAR Mesoscale Model)、WRF(Weather Research and Forecasting Model)等三維中尺度模式迅速發(fā)展,促進(jìn)了海風(fēng)的三維結(jié)構(gòu)的模擬,推動(dòng)了海風(fēng)速度、推進(jìn)距離、垂直高度、維持時(shí)間和海風(fēng)鋒附近上升氣流垂直速度等特征的分析和研究．Lin等[48]利用MM5模式研究澳門地區(qū)的海陸風(fēng),發(fā)現(xiàn)1 km水平分辨率的模擬能較好地捕捉海陸風(fēng)的結(jié)構(gòu)特征,海風(fēng)風(fēng)速最強(qiáng)可達(dá)4 m/s,垂直高度達(dá)到1 500 m,海風(fēng)鋒最遠(yuǎn)可推進(jìn)9 km．他們還注意到,改變模式的水平分辨率為3 km時(shí)并不能捕捉到陸風(fēng)和局地山谷環(huán)流．宋潔慧等[49]使用WRF模式分析寧波地區(qū)一次典型的海陸風(fēng)過程,發(fā)現(xiàn)盡管模式對海風(fēng)起始時(shí)間和維持時(shí)間模擬效果較好,海風(fēng)高空回流也比較清晰,但海風(fēng)風(fēng)速和厚度模擬效果不足,模式5 km的水平分辨率不能模擬出小尺度陸風(fēng)環(huán)流,這與Lin等[48]的研究結(jié)果一致．孫貞等[50]采用WRF模式,對青島地區(qū)一次海風(fēng)個(gè)例進(jìn)行了模擬,發(fā)現(xiàn)海風(fēng)環(huán)流水平伸展范圍可達(dá)30 km,垂直伸展達(dá)到1 400 m,海風(fēng)風(fēng)速最大值(4 m/s)出現(xiàn)在海風(fēng)鋒附近,并隨高度減弱．王玉國等[51]采用RAMS(Regional Atmospheric Modelling System)模式分析了發(fā)生在遼東灣西岸一次典型海風(fēng)事件,結(jié)果顯示海風(fēng)垂直高度達(dá)到1 500 m,推進(jìn)距離可達(dá)25 km,海風(fēng)鋒附近上升速度可達(dá)0.25 m/s,海風(fēng)最大風(fēng)速(6 m/s)出現(xiàn)在海岸線附近．盛春巖等[52]利用ARPS(Advanced Regional Prediction System)模式,研究青島地區(qū)一次冷鋒過境后的典型海風(fēng)的三維結(jié)構(gòu)特征,發(fā)現(xiàn)較強(qiáng)的偏北背景風(fēng)(離岸風(fēng))條件下海風(fēng)的推進(jìn)距離較短,但海風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)比較明顯,1 500 m高度出現(xiàn)海風(fēng)回流,海風(fēng)環(huán)流可以維持約6 h．王語卉等[53]利用WRF模式研究了海南島海風(fēng)的三維結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)由于背景風(fēng)和地形等條件的不同導(dǎo)致海南島四周的海風(fēng)推進(jìn)距離、維持時(shí)間和垂直厚度不同,推進(jìn)距離約為55～80 km,海風(fēng)厚度在1 600～2 500 m的范圍內(nèi)．

2 海風(fēng)(鋒)發(fā)生發(fā)展機(jī)制

由上述研究中可以發(fā)現(xiàn),不同地區(qū)的海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)具有明顯的差異，這是由于海風(fēng)環(huán)流受背景風(fēng)、地形、沿海城市熱島效應(yīng)和大氣穩(wěn)定度等因素影響的結(jié)果．

2.1 背景風(fēng)對海風(fēng)(鋒)的影響

海風(fēng)環(huán)流演變過程中,背景氣流的方向和強(qiáng)度對海風(fēng)(鋒)的發(fā)展具有顯著的影響．背景氣流方向通常分為垂直于海岸線和平行于海岸線兩種,其中垂直于海岸線的背景氣流對海風(fēng)發(fā)生發(fā)展產(chǎn)生影響較大,而平行于海岸線的背景氣流對海風(fēng)的影響較小[54]．垂直于海岸線的背景氣流又分為向岸風(fēng)和離岸風(fēng)．由于向岸風(fēng)風(fēng)向和海風(fēng)回流方向相反,向岸風(fēng)往往抑制海風(fēng)環(huán)流的發(fā)展[55-57]．然而當(dāng)向岸風(fēng)強(qiáng)度較弱時(shí),海風(fēng)環(huán)流依然可以形成,海風(fēng)向內(nèi)陸推進(jìn)距離較遠(yuǎn),但海風(fēng)垂直發(fā)展受阻,海風(fēng)回流較弱[53,57-58]．與向岸風(fēng)相反,離岸風(fēng)風(fēng)向與海風(fēng)回流方向一致,因此使得海風(fēng)環(huán)流垂直結(jié)構(gòu)比較清晰,垂直高度較高,海風(fēng)速度較快，海風(fēng)鋒附近上升運(yùn)動(dòng)較強(qiáng),但海風(fēng)向內(nèi)陸推進(jìn)距離比向岸風(fēng)短[53,55-57]．Liang 等[59]的研究指出,離岸風(fēng)隨時(shí)間順時(shí)針旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)了海風(fēng)與離岸風(fēng)輻合帶下游區(qū)的輻合強(qiáng)度,并促使輻合帶下游區(qū)的方向趨于離岸氣流的方向,從海風(fēng)鋒下游區(qū)上升的氣團(tuán)不斷被抬升,導(dǎo)致海風(fēng)鋒下游區(qū)的明顯發(fā)展．Xu等[60]研究了在相同海陸溫差條件下,不同離岸風(fēng)速度對海陸風(fēng)的形成過程以及污染物的擴(kuò)散和累積效應(yīng),發(fā)現(xiàn)海風(fēng)環(huán)流的垂直高度和持續(xù)時(shí)間隨離岸風(fēng)速度的增加而減?。送?他們還注意到離岸風(fēng)的存在阻礙了海風(fēng)造成的污染物向內(nèi)陸輸送．與垂直海岸線的背景氣流相比,平行于海岸線的背景氣流對海風(fēng)的影響較小,因此關(guān)于平行于海岸線的背景氣流的研究工作并不多見．在平行于海岸線的環(huán)境氣流中,由于海風(fēng)方向和強(qiáng)度的不均勻性,海風(fēng)鋒在向內(nèi)陸推進(jìn)時(shí)演變成幾個(gè)相連的部分,平行氣流與海風(fēng)的輻合作用加強(qiáng)了海風(fēng)鋒中部的強(qiáng)度,而開爾文-亥姆霍茲波對海風(fēng)鋒兩端的強(qiáng)度有顯著貢獻(xiàn),對海風(fēng)鋒兩端垂直向上運(yùn)動(dòng)具有加速的作用[59]．

2.2 地形對海風(fēng)(鋒)的影響

海風(fēng)環(huán)流是發(fā)生在沿海地區(qū)的中尺度環(huán)流,垂直尺度只有1～2 km左右,因此很容易受到地形的影響．地形高度、坡度以及與離海岸線的距離等因素能影響海風(fēng)的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度[1-2]．地形對海風(fēng)主要有動(dòng)力和熱力作用．當(dāng)?shù)匦纹露容^低時(shí),熱力作用占主導(dǎo)[61]．地形局地?zé)崃ψ饔卯a(chǎn)生谷風(fēng),它與海風(fēng)的同向疊加增強(qiáng)了海風(fēng)速度、向內(nèi)陸的推進(jìn)距離以及海風(fēng)鋒附近的垂直速度[33,62-63]．除此之外,地形通過加大海陸間的感熱通量差異,使驅(qū)動(dòng)海風(fēng)的熱量增大,因此海風(fēng)形成的時(shí)間提前,海風(fēng)強(qiáng)度增大[33,61,64]．當(dāng)?shù)匦纹露容^高時(shí),地形動(dòng)力作用對海風(fēng)產(chǎn)生較大的影響,地形的機(jī)械阻擋作用使海風(fēng)產(chǎn)生繞流,風(fēng)速減弱[56];而地形的強(qiáng)迫抬升作用使海風(fēng)垂直高度、風(fēng)速以及海風(fēng)鋒附近垂直速度增大,海風(fēng)維持時(shí)間延長[53,62-63,65]．與此同時(shí),地形阻擋作用使離岸方向的背景風(fēng)減弱,這有利于海風(fēng)環(huán)流的發(fā)展[56,66]．地形對海風(fēng)的作用需要綜合考慮地形特征、海風(fēng)強(qiáng)度和大氣穩(wěn)定度等[67],比如在王婷等[68]的研究中,蓮花山脈(最高海拔1 337 m)對兩次海風(fēng)產(chǎn)生不同的作用,較弱的海風(fēng)受山脈阻擋不能進(jìn)一步向內(nèi)陸推進(jìn),而強(qiáng)盛海風(fēng)能夠越過山脈繼續(xù)向內(nèi)陸發(fā)展．

海南島位于熱帶地區(qū),四周環(huán)海,地理?xiàng)l件十分有利于海風(fēng)的發(fā)生發(fā)展,并且島嶼中南部具有比較復(fù)雜的地形,因此國內(nèi)學(xué)者在海南島展開了地形對海風(fēng)影響的研究．楊秋彥等[69]采用WRF模式進(jìn)行敏感性試驗(yàn),分析了海南島地形高度對海風(fēng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響,發(fā)現(xiàn)海南島海風(fēng)對地形的敏感度較高;在無地形試驗(yàn)中,海風(fēng)風(fēng)速、垂直高度、推進(jìn)距離、維持時(shí)間以及海風(fēng)鋒附近垂直速度都顯著地減弱．王凌梓等[70]在多云天氣條件進(jìn)行敏感性試驗(yàn)并與楊秋彥等[69]的研究對比,發(fā)現(xiàn)多云天氣下地形對海風(fēng)水平結(jié)構(gòu)的影響比晴空天氣?。醅摰萚71]利用WRF模式設(shè)計(jì)地形高度敏感性試驗(yàn),討論地形對海風(fēng)降水的影響,發(fā)現(xiàn)由于地形熱力和動(dòng)力作用交替演變,在降水前期,地形高度與降水呈正相關(guān)關(guān)系，而降水后期,高地形阻擋使海風(fēng)降水強(qiáng)度減弱．韓芙蓉等[72]利用WRF模式研究地形輻射效應(yīng)(地形坡度、坡向和陰影對地表太陽輻射的影響)對海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響,并指出地形輻射效應(yīng)對局地海風(fēng)風(fēng)向和風(fēng)速有著明顯的影響,地形向陽面海風(fēng)環(huán)流增強(qiáng),谷風(fēng)環(huán)流減弱,地形背陽面則相反．

2.3 城市熱島及下墊面對海風(fēng)(鋒)的影響

近年來沿海地區(qū)城市規(guī)模與人口迅速發(fā)展,城市熱島效應(yīng)越來越明顯．在沿海城市地區(qū),城市熱島環(huán)流和海風(fēng)環(huán)流往往同時(shí)存在,當(dāng)海風(fēng)(鋒)經(jīng)過沿海城市時(shí),將受到城市熱島環(huán)流和城市下墊面的影響[73]．近十幾年來,隨著數(shù)值模式的不斷完善以及城市冠層模式的發(fā)展,城市熱島以及下墊面對海風(fēng)的作用相關(guān)的研究工作逐漸得到重視．陸希等[74]、文偉俊等[75]分別利用MM5和WRF模式研究珠江三角洲地區(qū)城市化對海風(fēng)環(huán)流的影響,發(fā)現(xiàn)城市熱島效應(yīng)加大了海陸溫差,從而使海風(fēng)強(qiáng)度增大,向內(nèi)陸的推進(jìn)距離加長．張亦洲等[76]在WRF中將Noah陸面模式和單層城市冠層模式進(jìn)行耦合,進(jìn)一步分析京津地區(qū)城市化對海風(fēng)環(huán)流產(chǎn)生的影響,結(jié)果表明在海風(fēng)到達(dá)城區(qū)之前,城市熱島效應(yīng)加強(qiáng)了海風(fēng)強(qiáng)度和推進(jìn)速度;海風(fēng)到達(dá)城市時(shí),熱島環(huán)流上升支和海風(fēng)鋒上升氣流疊加使輻合加強(qiáng),海風(fēng)鋒附近垂直速度增大．東高紅等[77]對天津城市化的模擬也得到相似的結(jié)論,并發(fā)現(xiàn)城市規(guī)模越大,熱島效應(yīng)越強(qiáng),對海風(fēng)推進(jìn)的加速作用和海風(fēng)鋒附近垂直速度的增加越明顯．此外,城市熱島干暖的特征有利于不穩(wěn)定能量的儲存,海風(fēng)鋒到達(dá)城市時(shí)受熱島環(huán)流的阻擋,促使地面輻合和對流發(fā)展,造成降水的增多[78]．張赟程等[79]采用WRF并耦合多層次城市冠層模式研究海風(fēng)與熱島的耦合對上海強(qiáng)對流天氣的影響,發(fā)現(xiàn)城市熱島加強(qiáng)了海風(fēng)鋒和城區(qū)的輻合上升運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致降水時(shí)間的提前,造成降水強(qiáng)度的增大、落區(qū)更集中．

城市下墊面與周圍地區(qū)相比具有較大的地表粗糙度和拖曳系數(shù),海風(fēng)(鋒)經(jīng)過城市時(shí),下墊面對海風(fēng)(鋒)具有顯著的影響[76]．梁釗明等[80]把WRF模式與新一代城市物理方案UCP-BEM(Urban Canopy Parameterization-Building Energy Model)進(jìn)行耦合,探討渤海灣地區(qū)城市下墊面對海風(fēng)的影響,指出具有高粗糙的城市下墊面降低了海風(fēng)風(fēng)速,從而減弱了低層輻合,導(dǎo)致海風(fēng)鋒推進(jìn)距離和其附近上升速度的減弱．除此之外,下墊面高的粗糙度和感熱通量、低的水汽通量削弱了海風(fēng)的降溫增濕作用,但下墊面摩擦效應(yīng)造成了海風(fēng)的抬升,使得海風(fēng)降溫增濕的垂直范圍的增大．Hai等[81]采用WRF模式研究青島海岸線變化對海陸風(fēng)環(huán)流的影響,發(fā)現(xiàn)海岸線的擴(kuò)張導(dǎo)致下墊面粗糙度的增加,使海風(fēng)風(fēng)速、垂直高度減小,但海風(fēng)維持時(shí)間增長．

下墊面的非均勻特征對海風(fēng)具有一定的影響．盡管Zhu等[82]認(rèn)為下墊面非均勻性和地形對海風(fēng)降水的日循環(huán)影響不大,但王瑩等[71]的裸土化敏感性試驗(yàn)結(jié)果表明,下墊面的非均勻性和地形共同作用使地表能量的分配產(chǎn)生更大的差異,進(jìn)而對海風(fēng)降水產(chǎn)生影響．Zhong等[83]研究結(jié)果表明,沿海地區(qū)海風(fēng)模擬中采用有效動(dòng)力參數(shù)方案可以改善非均勻地形感熱通量的低估和潛熱通量的高估,減小了模擬產(chǎn)生的誤差．

2.4 大氣穩(wěn)定度對海風(fēng)(鋒)的影響

海風(fēng)環(huán)流不僅受到背景風(fēng)和地形的影響,還與大氣穩(wěn)定度有一定的聯(lián)系．在20世紀(jì)80年代,杜俊[43]用Boussinesq二維運(yùn)動(dòng)方程討論了海陸風(fēng)環(huán)流的動(dòng)力學(xué)特征,并指出較小的大氣層結(jié)穩(wěn)定度有利于海陸風(fēng)環(huán)流的產(chǎn)生和維持．在90年代,鐘中等[84]的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)層結(jié)穩(wěn)定度與海風(fēng)風(fēng)速和垂直速度成反比,大氣越不穩(wěn)定,海風(fēng)風(fēng)速和垂直速度越大．王衛(wèi)國等[85]采用E-ε閉合方案的邊界層模式進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)研究了海風(fēng)的湍流特征,發(fā)現(xiàn)湍流的發(fā)展受晨間大氣層結(jié)穩(wěn)定度和地表溫度的日變化的影響,較小的層結(jié)穩(wěn)定度和較大的日溫度變化有利于湍流的發(fā)展．此外,海風(fēng)鋒后的開爾文-亥姆霍茲波(KHB)的形成和維持與大氣穩(wěn)定度有關(guān),弱的層級穩(wěn)定度(0

3 物理過程參數(shù)化對海風(fēng)(鋒)模擬的影響

數(shù)值模式通過物理過程參數(shù)化來描述中小尺度的、網(wǎng)格不可分辨的過程[88]．海風(fēng)作為一種中尺度環(huán)流系統(tǒng),對模式的物理過程參數(shù)化較敏感,不同的邊界層、近地層和輻射參數(shù)化方案對海風(fēng)(鋒)的發(fā)展具有不同的影響．最近幾年,國內(nèi)已開始討論海風(fēng)(鋒)的模擬對模式物理過程參數(shù)化(方案)的敏感性問題．秦宇燾等[89]選擇WRF模式中普遍應(yīng)用的YSU、MYJ、ACM2和UW等4種邊界層參數(shù)化方案,對天津一次海陸風(fēng)過程進(jìn)行了對比分析,指出邊界層參數(shù)化是模擬誤差的主要來源,對于不同下墊面選用合適的邊界層參數(shù)化方案能夠較大程度地提高模擬的效果．對比結(jié)果表明,4種參數(shù)化方案中,MYJ和UW方案對海陸風(fēng)模擬效果較好．Lin等[90]對比了舊的YSU方案(WRF3.4以及之前的版本)、更新后的YSU方案(WRF3.4.1版本)和MYJ方案對海風(fēng)模擬的差異,發(fā)現(xiàn)MYJ方案中海風(fēng)發(fā)展時(shí)間延遲,2種YSU方案地表溫度的模擬更接近觀測,舊的MYJ方案100 m高處風(fēng)速模擬效果更好．楊秋彥等[91]進(jìn)一步對比和評估了WRF模式8種邊界層參數(shù)化方案對海南島一次典型海風(fēng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的差異,結(jié)果表明,ACM2方案模擬的風(fēng)向、風(fēng)速和溫度等氣象要素與實(shí)際觀測最接近,海風(fēng)環(huán)流的特征最清晰．蘇濤等[92]組合WRF模式常用的短波、長波輻射方案(Dudhia+RRTM、RRTMG+RRTMG),討論輻射參數(shù)化對海南島一次海風(fēng)雷暴模擬的影響,對比發(fā)現(xiàn)相對于RRTMG+RRTMG方案而言,Dudhia+RRTM方案模擬的海風(fēng)雷暴影響范圍和對流中心強(qiáng)度更大,因?yàn)楹笳咻^大的短波、長波綜合加熱率以及感熱、潛熱通量導(dǎo)致近地面較高的能量和不穩(wěn)定大氣層結(jié),從而造成較大的海陸熱力和氣壓差異,因而具有了更強(qiáng)的海風(fēng)、水汽和抬升條件．王瑩等[93]采用WRF模式對比分析了MM5和Eta兩種近地層參數(shù)化方案對海南島一次海風(fēng)降水的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)Eta方案模擬的海風(fēng)降水強(qiáng)度和范圍比MM5方案更大,并指出其背后的原因是Eta方案相對較大的近地層感熱通量、潛熱通量導(dǎo)致其對大氣加熱、加濕作用更明顯,大氣不穩(wěn)定度更高,在海風(fēng)鋒前強(qiáng)的輻合上升運(yùn)動(dòng)共同作用下更容易釋放局地不穩(wěn)定能量,對流活動(dòng)更強(qiáng)盛．

4 海風(fēng)(鋒)的大渦模擬

大渦模擬(Large Eddy Simulation,LES)是一種高精度的數(shù)值模擬方法,對于中小尺度大氣運(yùn)動(dòng)的模擬具有獨(dú)特的優(yōu)勢[94]．海風(fēng)(鋒)的大渦模擬研究起步比較晚[95],我國海風(fēng)(鋒)的大渦模擬工作也剛剛起步,但已取得了一些重要研究成果．Jiang等[96]采用建筑物分辨率(5 m×5 m×20.9 m)計(jì)算流體力學(xué)模型進(jìn)行理想化模擬,研究了規(guī)則塊狀排列的城市海岸上的湍流及其與海風(fēng)鋒的相互作用,發(fā)現(xiàn)在條狀湍流結(jié)構(gòu)與海風(fēng)鋒匯合處,鋒面上升氣流局部增強(qiáng),這大大增加了鋒面的湍流通量;城市表面的摩擦效應(yīng)和地面湍流的作用使海風(fēng)鋒向內(nèi)陸的推進(jìn)速度減慢;海風(fēng)鋒與條狀湍流結(jié)構(gòu)相互作用后其強(qiáng)度明顯減弱．Shen等[97]利用大渦模擬方法研究了城市熱島環(huán)流和海風(fēng)環(huán)流之間的相互作用,發(fā)現(xiàn)城市熱島加強(qiáng)了海風(fēng)環(huán)流,較大的城市規(guī)模會延遲海風(fēng)鋒最大上升運(yùn)動(dòng)發(fā)生的時(shí)間,較大的地面阻力通過加強(qiáng)海風(fēng)鋒面附近的水平溫度梯度增強(qiáng)海風(fēng)環(huán)流的上升運(yùn)動(dòng)．Fu等[98]利用大渦模擬研究雷州半島深對流的發(fā)展過程,發(fā)現(xiàn)深對流是由2個(gè)海風(fēng)鋒相互碰撞作用下通過3代對流的發(fā)展完成的;第1代對流沿著海風(fēng)鋒碰撞線隨機(jī)產(chǎn)生,第2代僅在第1代對流沒有強(qiáng)烈的下降過程的區(qū)域中產(chǎn)生,并且也是通過海風(fēng)鋒的碰撞產(chǎn)生的,第3代主要從第2代對流產(chǎn)生的冷水池的交叉點(diǎn)發(fā)展,并通過陣風(fēng)鋒和海風(fēng)鋒碰撞產(chǎn)生．Hu等[99]利用WRF并耦合城市冠層模式,外層模擬區(qū)域使用Boulac邊界層方案,而最內(nèi)層采用大渦模擬方案研究天津地區(qū)一次濕對流過程,發(fā)現(xiàn)海風(fēng)鋒后冷濕氣流被輸送到干暖的城市上空,為濕對流提供了觸發(fā)條件;城市熱島在降水過程開始時(shí)增強(qiáng),并通過城市下墊面的感熱通量提供湍流混合,但熱島效應(yīng)在降水發(fā)生后減弱;城市熱島和城市下墊面阻擋了海風(fēng)鋒的推進(jìn),并將其維持在市中心附近,為濕對流提供了水汽和能量．

5 總結(jié)與討論

從上述的研究進(jìn)展來看,中國地區(qū)海風(fēng)(鋒)的數(shù)值研究最早始于20世紀(jì)80年代．早期的二維數(shù)值試驗(yàn)和三維模擬使用的數(shù)值模式基本是在理想狀態(tài)下進(jìn)行模擬的,物理過程過于簡單,也不完整,缺乏對實(shí)際海風(fēng)(鋒)的模擬能力[73]．進(jìn)入21世紀(jì)后,MM5、WRF等三維中尺度模式開始發(fā)展,并在數(shù)值預(yù)報(bào)和天氣過程機(jī)理研究中應(yīng)用．相比之前的二維數(shù)值試驗(yàn)和三維數(shù)值模擬,MM5和WRF模式的物理過程更加完整,大大推動(dòng)了海風(fēng)(鋒)的數(shù)值模擬研究．除了MM5和WRF模式之外,RAMS 和ARPS等模式也在海風(fēng)(鋒)數(shù)值模擬研究中得到應(yīng)用,并取得了較好的模擬結(jié)果．從研究地區(qū)上來看,中國地區(qū)海風(fēng)(鋒)的數(shù)值模擬研究工作主要集中在遼東半島、京津翼(渤海灣)、山東半島、長江三角洲、福建沿海、珠江三角洲和海南島等地區(qū)(表1)．海風(fēng)(鋒)的數(shù)值模擬工作不僅為數(shù)值模式的發(fā)展和應(yīng)用提供了基準(zhǔn),而且也促進(jìn)了海風(fēng)(鋒)的理論研究,有利于提高沿海地區(qū)中尺度對流云的預(yù)報(bào)水平．

表1 應(yīng)用于中國地區(qū)海風(fēng)(鋒)研究的中尺度數(shù)值模式以及研究區(qū)域

海風(fēng)(鋒)三維結(jié)構(gòu)和演變的數(shù)值模擬,尤其是形成機(jī)制、起止時(shí)間、風(fēng)速和推進(jìn)距離的研究對海風(fēng)(鋒)的發(fā)生和發(fā)展有一定的預(yù)報(bào)意義．海風(fēng)環(huán)流垂直高度一般在500～2 000 m左右,風(fēng)速2～6 m/s,維持時(shí)間6～10 h,而海風(fēng)向內(nèi)陸推進(jìn)距離具有較大的差異．由于受背景風(fēng)、地形、大氣穩(wěn)定度和沿海城市熱島等條件的影響,不同地區(qū)不同季節(jié)海風(fēng)強(qiáng)度有所差異．海風(fēng)環(huán)流在較弱的背景風(fēng)條件下才能發(fā)展．其中,平行于海岸線的背景風(fēng)對海風(fēng)的影響較小,而垂直于海岸線的背景風(fēng)影響較大．垂直于海岸線的背景風(fēng)中,由于向岸風(fēng)風(fēng)向和海風(fēng)回流方向相反,向岸風(fēng)往往抑制海風(fēng)環(huán)流的發(fā)展,離岸風(fēng)風(fēng)向與海風(fēng)回流方向一致,因此使得海風(fēng)環(huán)流垂直結(jié)構(gòu)比較清晰,垂直高度較高,海風(fēng)速度較快，海風(fēng)鋒附近上升運(yùn)動(dòng)較強(qiáng),但海風(fēng)向內(nèi)陸推進(jìn)距離較短．海風(fēng)環(huán)流由于在近地層發(fā)展,地形產(chǎn)生的影響比較顯著．地形熱力作用通過加大海陸感熱通量差異和產(chǎn)生谷風(fēng)從而加強(qiáng)海風(fēng)的發(fā)展,地形動(dòng)力作用使海風(fēng)產(chǎn)生繞流和強(qiáng)迫抬升,地形越高,抬升作用使海風(fēng)越加強(qiáng),但地形坡度超過一個(gè)臨界值時(shí),其阻擋作用削弱了海風(fēng)強(qiáng)度,因此地形對海風(fēng)的動(dòng)力作用與當(dāng)?shù)氐匦翁卣骱秃ｏL(fēng)強(qiáng)度有關(guān)．沿海地區(qū)城市分布較密集,城市熱島和城市下墊面對海風(fēng)的作用越來越明顯．城市物理方案和城市冠層模式的深入研究以及與數(shù)值模式的耦合推動(dòng)了海風(fēng)(鋒)與城市熱島的研究．城市熱島通過加大海陸溫差對海風(fēng)起了加強(qiáng)的作用,在到達(dá)城市之前,加快其推進(jìn)速度;到達(dá)城市時(shí),粗糙的下墊面和熱島環(huán)流對海風(fēng)鋒具有阻擋和減緩作用，兩者相疊加時(shí)增強(qiáng)輻合區(qū)上升運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度;經(jīng)過了城市之后海風(fēng)緩慢移動(dòng)并最終轉(zhuǎn)為陸風(fēng)或者消散．此外,大氣穩(wěn)定度對海風(fēng)有一定的影響,不穩(wěn)定大氣層結(jié)有利于海風(fēng)(鋒)以及相關(guān)降水的發(fā)生發(fā)展．

本文歸納總結(jié)了40多年來中國地區(qū)海風(fēng)(鋒)的數(shù)值模擬發(fā)展進(jìn)程和研究成果．雖然現(xiàn)有的研究有了長足的進(jìn)展,也得到了很大發(fā)展,但仍有許多問題需要探討和進(jìn)一步研究．比如:

1)三維中尺度模式MM5和WRF水平垂直分辨率是千米量級,不足以模擬出海風(fēng)鋒的精細(xì)結(jié)構(gòu)特征．盡管大渦模擬(LES)和計(jì)算流體力學(xué)方法(CFD)可以模擬出海風(fēng)精細(xì)結(jié)構(gòu),但中國地區(qū)WRF與大渦模擬的耦合以及對海風(fēng)(鋒)模擬工作處于起步階段,需要廣泛和深入研究;2)通過對比典型海風(fēng)個(gè)例模擬可以選擇一種合適的物理過程參數(shù)化方案組合,但由于天氣條件、地形以及下墊面等條件不同導(dǎo)致不能普遍適用,模式物理過程參數(shù)化適用性研究值得持續(xù)關(guān)注;3)模擬初始條件、邊界條件和海溫等因素的影響尚未涉及,背景氣流研究中垂直風(fēng)切變的影響也沒有被討論;4)地形對海風(fēng)(鋒)的研究工作需廣泛開展,特別是海南島以外地區(qū);5)我國自主開發(fā)的數(shù)值預(yù)報(bào)模式GRAPES系統(tǒng)在海風(fēng)(鋒)數(shù)值模擬與預(yù)報(bào)中的應(yīng)用．