MM5模擬垂直風(fēng)剖面的準(zhǔn)確性探討及在垂向氣象場(chǎng)的分析應(yīng)用*

唐 靈，詹杰民，李毓湘，林嘉仕

(1．中山大學(xué)應(yīng)用力學(xué)與工程系，廣東 廣州 510275；2．香港理工大學(xué)土木及結(jié)構(gòu)工程系，香港)

MM5[1](第五代的NCAR/Penn State中尺度模型)是由MM4經(jīng)過(guò)大量的改進(jìn)發(fā)展而來(lái)。MM5 在處理模式大氣降水物理過(guò)程時(shí)有多種方案可選擇，這些方案通常分為兩類，分別稱作顯式方案和隱式方案。其中顯式方案處理模式可分辨尺度(或稱為大尺度)降水物理過(guò)程，隱式方案處理模式不可分辨尺度(或稱積云對(duì)流)降水過(guò)程[2]。MM5中共有5種顯式云物理方案, 從簡(jiǎn)單的暖雨方案、簡(jiǎn)單冰相方案, 到物理過(guò)程比較詳盡的Goddard、Reisner霰方案[3]。積云與大氣的相互作用非常重要，常用的對(duì)流性積云參數(shù)化方法有Anthes-Kuo[4]、Grell[5-6]、Arakawa和Schubert[7]、Fritsch和Chappell[8]、 Kain和Fritsch[9]等方案。MM5的行星邊界層的參數(shù)化有幾種不同的處理,主要有：把行星邊界層看作是由近地層和混合層組成的整體的總體邊界層方案、不同情況下采用k理論或根據(jù)自由對(duì)流特征建立傳輸模式的高分辨邊界層參數(shù)化方案、加入了反梯度傳輸項(xiàng)的MRF[10]方案及K與湍能有關(guān)的能量閉合方案等[11]。

本文著重討論了對(duì)MM5垂直方向的σ層進(jìn)行調(diào)整及加密方案以及各種方案對(duì)模擬的垂直風(fēng)剖面的影響，并在此基礎(chǔ)上討論和分析了土地利用的更新對(duì)垂直風(fēng)場(chǎng)造成的變化，同時(shí)分析了珠三角地區(qū)2001年9月15-18日空氣污染時(shí)段物理氣流輸運(yùn)過(guò)程的一種影響因素。

1 控制方程及邊界條件

MM5所用到的基于沿地形的坐標(biāo)(x,y,σ)的非靜力模式基本方程主要有：

1)壓力方程

ρ0gw+γp▽·V=

(1)

其中p′為壓力擾動(dòng)，在模式中，實(shí)際忽略了右邊括號(hào)里的最后一項(xiàng)，它表示由于熱膨脹效應(yīng)而導(dǎo)致氣壓的增加。

2)動(dòng)量方程

x方向分量

·▽u+

(2)

y方向分量：

·▽v-

(3)

σ方向分量：

·▽

(4)

3)熱力學(xué)方程

·▽T+

(5)

另外還有水汽守恒方程和針對(duì)微物理變量(如云和降雨等)的預(yù)報(bào)方程，它們包括平流項(xiàng)和不同的源/匯項(xiàng)。在空間差分水平方向上MM5采用Arakawa B-grid上的跳點(diǎn)格式進(jìn)行有限差分；在時(shí)間差分上采用二階蛙跳式時(shí)間步長(zhǎng)方案，對(duì)某些項(xiàng)采用時(shí)間分裂方式，這樣可以提高計(jì)算效率。

MM5模式系統(tǒng)設(shè)計(jì)了固定側(cè)邊界、時(shí)變側(cè)邊界和流入/流出松馳側(cè)邊界等幾種側(cè)邊界處理方案。對(duì)于非靜力平衡系統(tǒng)中，選用流入/流出松馳側(cè)邊界條件能取得較好的模擬效果。模式上邊界采用Klemp等設(shè)計(jì)的一種上邊界處理方法，這種方法能使波能穿過(guò)上邊界而不產(chǎn)生反射[2]，具體表達(dá)為

(6)

2 模擬的參數(shù)化設(shè)置及模擬時(shí)段描述

2.1 MM5模式及參數(shù)化設(shè)置

模擬采用的是MM5 v3.6版本，非靜力模式,使用雙向反饋的三重嵌套，分辨率分別為40.5，13.5和4.5 km,垂直方向上采用σ坐標(biāo)。最粗的網(wǎng)格積分步長(zhǎng)為60 s，1 h輸出一次預(yù)報(bào)結(jié)果。本次模擬可分辨尺度降水采用加入了霰和冰的數(shù)量濃度預(yù)報(bào)方程的Reisner 2方案，邊界層參數(shù)化方案為高分辨率的MRF方案和適用于高分辨率、采用4種穩(wěn)定度方式、包括自由對(duì)流混合層的Blackadar方案；輻射采用云輻射方案；粗網(wǎng)格側(cè)邊界條件采用松弛流入流出方案，側(cè)邊界緩沖區(qū)采用了4個(gè)格點(diǎn)；地面溫度取5層土壤模式。植被/土地類型采用USGS(U.S. Geological Survey)的25類全球資料。氣象場(chǎng)采用NCEP再分析6 h間隔1°×1°分辨率的數(shù)據(jù)作為初估場(chǎng)。在MM5積分過(guò)程中，進(jìn)行表面和高空?qǐng)龅呐ｎD松弛格點(diǎn)數(shù)據(jù)同化分析。

2.2 模擬時(shí)段天氣描述

本次進(jìn)行了2個(gè)時(shí)間段的模擬工作，第一個(gè)時(shí)間段為2001年6月16日早上8∶00至18日早上8∶00(北京時(shí)，下同),在模擬時(shí)段內(nèi),華南地區(qū)主要受西南季風(fēng)的影響,期間有零散的雨量,同時(shí)也受到向中國(guó)東南部伸展的副熱帶高壓脊的影響出現(xiàn)高溫晴朗天氣。模擬時(shí)段內(nèi)珠江三角洲地區(qū)主要盛行從海面吹向陸地的偏南向陸風(fēng)。

第2個(gè)時(shí)間段為2001年9月15日8∶00至18日8∶00，根據(jù)香港天文臺(tái)的氣象資料，從9月15日開(kāi)始，一股干燥大陸性氣流開(kāi)始影響華南地區(qū)，香港地區(qū)天晴及炎熱。在輕微偏北風(fēng)的情況下，香港大部分地區(qū)早上有煙霞，能見(jiàn)度下降至5 000 m以下，西部地區(qū)更下降至2 000 m以下。炎熱及有煙霞的天氣持續(xù)至9月19日。

2.3 垂直σ層調(diào)整和加密

MM5需要從NCEP或ECMWF等全球范圍的氣象場(chǎng)再分析數(shù)據(jù)讀取模擬所需的數(shù)據(jù)作為第一猜場(chǎng)，通過(guò)INTERPF模塊把氣壓層上的初始場(chǎng)數(shù)據(jù)插值到MM5所采用的σ層上，然后生成底、周邊界條件和初始條件以供MM5進(jìn)行模擬運(yùn)算。通過(guò)調(diào)整INTERPF插值σ分層的值，可以對(duì)MM5原有的25個(gè)垂直層進(jìn)行調(diào)整和加密，由于近地面行星邊界層大氣變化最活躍且模擬意義較大，因此加密的原則是越靠近地面越密，離地面越高越稀疏，并且盡量均勻分布。

3 MM5垂直層調(diào)整及加密模擬結(jié)果對(duì)比分析

3.1 原垂直方向25層及1 000 m以下近地面垂直層加密模擬結(jié)果

在原垂直方向25層的基礎(chǔ)上，調(diào)整了1 000 m以下近地面層的密度。原25層方案1 000 m以下為11層，1 000 m以上為14層，調(diào)整后1 000 m以下為16層，1 000 m以上為9層。

模擬結(jié)果在2001年6月17日14∶00輸出，模擬輸出點(diǎn)gz1位于地勢(shì)低平的城市市區(qū)(113°15′50″E，23°6′49″N),兩種垂直層方案2 000 m以下中低空垂直風(fēng)剖面模擬結(jié)果分析見(jiàn)圖1和2。

圖1 原25層方案垂直風(fēng)剖面(gz1點(diǎn)，下同)

圖2 調(diào)整后25層方案垂直風(fēng)剖面

從gz1點(diǎn)兩種方案垂直風(fēng)速和垂直風(fēng)向模擬的對(duì)比結(jié)果可以看到，不加密情況下風(fēng)速?gòu)牡孛娴? 000 m中低空的變化是呈一種類拋物線式的遞增，其中越靠近地面增速很快，高度越高增速也越慢，風(fēng)向角度從地面到高空也是呈現(xiàn)一種遞增的趨勢(shì)，反映出隨著高度的增加，風(fēng)向呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，這是由于受到地轉(zhuǎn)偏向力和地表摩擦力共同作用造成的。隨著高度的增加，地表摩擦力對(duì)風(fēng)向的影響越來(lái)越小，因而風(fēng)速增加也變小，從800～2 000 m高度區(qū)間，風(fēng)速幾乎不再增加。而在加密的情況下，從地面到800 m高度，風(fēng)速也是迅速增大，隨高度增加風(fēng)速的增加也越慢，這與原25層方案的變化趨勢(shì)類似，然而從800～2 000 m的區(qū)間，風(fēng)速繼續(xù)小幅增加，從800 m高度的4 m/s增加到2 000 m高度的5 m/s，這與原25層的方案表現(xiàn)出了不同的特征，而且加密方案模擬出來(lái)的地表10 m高度風(fēng)速比原方案高0.5 m/s,在2 000 m高度則比原方案約高1 m/s，而且因?yàn)樾路桨改M的風(fēng)速普遍比原方案高，風(fēng)向偏轉(zhuǎn)會(huì)比原方案小2°～5°。

我們知道，在中高緯西風(fēng)帶內(nèi)或在低緯度地區(qū)都會(huì)出現(xiàn)高低空急流，急流是大氣環(huán)流中在風(fēng)場(chǎng)上的一個(gè)重要現(xiàn)象。在我國(guó)經(jīng)常出現(xiàn)的是西南風(fēng)低空急流[12]，一般出現(xiàn)在1 500～3 000 m的中低空。從天氣角度來(lái)講,一般指在850或700 hPa上最大風(fēng)速中心超過(guò)一定數(shù)值(如12或15 m/s等)的氣流，其平均長(zhǎng)度1 000～2 000 km左右，寬度約數(shù)百km。對(duì)我國(guó)有較大影響的低空急流—西南風(fēng)低空急流，常在華南前汛期和江淮梅雨期間出現(xiàn)。高空急流[13]是指出現(xiàn)在對(duì)流層頂附近或平流層中的一股強(qiáng)而窄的氣流。一般指風(fēng)速大于或等于30 m/s的強(qiáng)風(fēng)帶。因此在此次模擬的時(shí)段和地區(qū)范圍內(nèi)，正好受到了西南風(fēng)低空急流影響，模擬時(shí)段內(nèi)，珠江三角洲地區(qū)主要盛行從海面吹向陸地的海風(fēng)，為偏南風(fēng)，而到了1 000 m以上的高度，風(fēng)場(chǎng)受到西南風(fēng)低空急流的影響，風(fēng)速將會(huì)加速增大，這個(gè)趨勢(shì)在加密方案的情況下被模擬了出來(lái)，這說(shuō)明加密方案使得模擬的準(zhǔn)確性得到了提高。

為了進(jìn)一步說(shuō)明近地面層加密對(duì)氣象場(chǎng)模擬準(zhǔn)確度的影響，下面通過(guò)香港地面氣象站KPS(京士柏站)的實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬值的對(duì)比來(lái)進(jìn)行分析。

從KPS站觀測(cè)溫度與模擬值的對(duì)比分析(圖3(a))可以知道，近地面層加密后的模擬溫度曲線變化趨勢(shì)和峰值都比原25層方案的模擬溫度曲線(虛線)更接近實(shí)測(cè)值(實(shí)線)，這說(shuō)明近地面層加密后對(duì)溫度模擬的準(zhǔn)確性得到了提高。從KPS站觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)與模擬風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間序列對(duì)比(圖3(b))也可以看到，近地面層加密后模擬的風(fēng)速大小和風(fēng)向也更接近觀測(cè)值，特別是在模擬的第15 h后到模擬結(jié)束這一階段。

以上對(duì)比分析表明，在對(duì)近地面層進(jìn)行加密之后，提高了2 000 m 以下低空氣象場(chǎng)模擬的準(zhǔn)確度，下面分析這2種方案下2 000～12 000 m區(qū)間垂直風(fēng)場(chǎng)的模擬情況。

圖3 (a) KPS站觀測(cè)溫度與模擬值的對(duì)比；(b) KPS站觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)與模擬風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間序列對(duì)比

圖4 (a) 原25層方案風(fēng)速隨高度分布；(b) 調(diào)整后25層方案風(fēng)速隨高度分布

從圖4(a)和4(b)可以看到，由于加密后的方案增加了近地面層的密度，而總的層數(shù)還是25層沒(méi)有變，因而高空層數(shù)比原方案更少，雖然模擬出來(lái)的2 000 m以上風(fēng)速變化曲線大致變化趨勢(shì)還是跟原方案接近，繼西南風(fēng)低空急流影響造成的2 000～4 000 m風(fēng)速增大區(qū)間后，4 200 m以上風(fēng)速開(kāi)始減小，而到了12 000 m高空，受到高空氣流的影響，風(fēng)速將再次增大，顯然由于高空垂向?qū)訑?shù)更密，原25層方案對(duì)高空氣流的模擬比近地面層加密方案更準(zhǔn)確，因此，有必要增加垂直方向總的σ層數(shù)。

3.2 增加垂向σ層總數(shù)對(duì)垂向風(fēng)剖面模擬結(jié)果的影響

上面的分析結(jié)果表明，近地面加密后，得到的垂向風(fēng)剖面模擬結(jié)果更符合實(shí)際情況，說(shuō)明對(duì)近地面氣象場(chǎng)的模擬結(jié)果有較大的改善作用，這對(duì)于研究近地面風(fēng)剖面的變化有較大的幫助，因?yàn)橥ǔＮ覀儗?duì)高空風(fēng)剖面的關(guān)注會(huì)比較少。然而由于近地層的增加，高空層則變得更稀疏，那么高空垂向風(fēng)剖面的變化則得不到很好的描述，因此，如果要研究中高空的氣象場(chǎng)，那么就要增加總的垂直層數(shù)，當(dāng)然這會(huì)帶來(lái)更大的計(jì)算量。下面分別把垂直方向的總層數(shù)從25層增加到35層、40層和50層，并分析由此而帶來(lái)的模擬垂直風(fēng)剖面的變化。

圖5 模擬垂直風(fēng)速分布

圖5(a)和5(b)分別是垂直方向25層和35層模擬輸出的風(fēng)速隨高度變化曲線。25層方案的垂直層分配為2 000 m以下19層，2 000 m以上6層。35層方案的垂直層分配為2 000 m以下24層，2 000 m以上11層。從兩者的模擬垂直風(fēng)速結(jié)果對(duì)比可以看到，相比25層方案，35層方案在2 000 m以下的中低空和2 000 m以上的中高空都加密了5個(gè)垂直層，從而使得模擬風(fēng)速的變化曲線發(fā)生了較為明顯的變化。在大約500～2 000 m的高度區(qū)間，35層方案模擬的風(fēng)速隨高度變化比25層方案的結(jié)果要平緩，這說(shuō)明在此高度區(qū)間，35層方案模擬結(jié)果反映出地表摩擦力對(duì)風(fēng)速的影響已經(jīng)較小，地表摩擦力對(duì)風(fēng)速的影響主要集中在500 m以下的近地表層。而在中高空的5 000 m左右高度，35層方案模擬的風(fēng)速達(dá)到一個(gè)極大值約12.5 m/s，25層方案模擬結(jié)果則是在4 000 m左右達(dá)到一個(gè)極大值約11 m/s。再看8 000 m以上的區(qū)間，25層方案由于在此區(qū)間只有一個(gè)垂直層了，因此模擬結(jié)果的細(xì)節(jié)嚴(yán)重不足，只能反映出一個(gè)風(fēng)速增大的趨勢(shì)，而到19 000 m以上的高空已經(jīng)沒(méi)有σ層了。35層方案的模擬結(jié)果顯示，從8 000 m向上直到13 000 m左右，風(fēng)速有一個(gè)小幅增加的過(guò)程，再往上風(fēng)速回落，在16 000 m以上直到28 000 m區(qū)間，風(fēng)速又會(huì)平穩(wěn)增加。

下面再把垂直方向的σ層增加到40層和50層，并把35層、40層和50層的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖6 模擬垂直風(fēng)速分布

圖6(a)、6(b)和6(c)分別是35層、40層和50層的垂直方向風(fēng)速隨高度變化曲線。35層的垂直層分配為2 000 m以下24層，2 000 m以上11層，40層的垂直層分配為2 000 m以下27層，2 000 m以上13層，50層的垂直層分配為2 000 m以下25層，2 000 m以下25層。從35層和40層的風(fēng)速分布對(duì)比可以看到，這兩種情況下各個(gè)高度層的風(fēng)速變化趨勢(shì)及風(fēng)速大小都基本吻合，只是在5 000～8 000 m的高度區(qū)間，40層的模擬垂直風(fēng)速曲線出現(xiàn)了小幅波動(dòng)，不過(guò)風(fēng)速變化趨勢(shì)跟35層的結(jié)果基本一致。繼續(xù)增加垂直層到50層，從50層的模擬結(jié)果來(lái)看，20 000 m以下的風(fēng)速變化曲線跟35層和40層的結(jié)果也是基本一致的，20 000～30 000 m的區(qū)間，從50層的模擬結(jié)果可以看到風(fēng)速有一個(gè)先減小、后增加的過(guò)程，而35層和40層的模擬結(jié)果只反映出風(fēng)速的增大趨勢(shì)。由于高空垂直層的進(jìn)一步增加，50層方案模擬出了更細(xì)致的風(fēng)速變化趨勢(shì)，且30 000 m以上高空的風(fēng)速變化曲線也反映了出來(lái)，而在這個(gè)區(qū)間35層和40層方案已經(jīng)沒(méi)有垂直層故而無(wú)法顯示。

從35層、40層和50層的風(fēng)速分布曲線對(duì)比分析我們知道，對(duì)于20 000 m以下區(qū)間的風(fēng)速模擬，這3種情況的模擬結(jié)果基本上趨于一致和穩(wěn)定，進(jìn)一步增加垂直層數(shù)已經(jīng)不會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，這說(shuō)明了加密垂直層到35層以上得到的模擬結(jié)果是可信的，且加密后的模擬結(jié)果與原來(lái)25層的模擬結(jié)果差異較大，這也說(shuō)明加密低空和高空的垂直層對(duì)模擬的結(jié)果能起到較大的改善和提高作用。MM5模式里考慮了不同高度層的對(duì)流和上升下沉氣流的卷入卷出及補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)浮力能等，低中高空不同高度各層之間有一個(gè)相互影響的過(guò)程，改善高空氣象場(chǎng)的模擬精度也會(huì)對(duì)近地面層的模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。然而垂直層也并不是越密越好，通過(guò)前面的討論和分析，在選取的模擬工況下，2 000 m以下采用20～25層，2 000 m以上采用15～25層已經(jīng)可以得到較好的垂直風(fēng)剖面模擬結(jié)果。在敏感性測(cè)試過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，如果低空的垂直層太密，反而會(huì)使得模擬的風(fēng)速變化趨勢(shì)出現(xiàn)扭曲的失真現(xiàn)象。另外，垂直層數(shù)越多，計(jì)算量也會(huì)大幅增加，且由于計(jì)算能力的限制，如果水平網(wǎng)格較多，增加垂直層數(shù)，在實(shí)際模擬計(jì)算過(guò)程中可能產(chǎn)生不穩(wěn)定從而導(dǎo)致程序溢出中斷的現(xiàn)象。一般來(lái)講，對(duì)于20 000 m以上高空的氣象場(chǎng)關(guān)注較少，較多關(guān)注中低空和近地面氣象場(chǎng)的數(shù)值模擬，所以綜合而言，在模擬的過(guò)程中，垂直方向采用35～40層是比較合適的。

為了對(duì)模擬的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，圖7給出了香港地區(qū)一月份的垂直風(fēng)廓線實(shí)測(cè)結(jié)果。由于垂直風(fēng)廓線觀測(cè)數(shù)據(jù)較少，給出的觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)段與模擬結(jié)果不在同一時(shí)段，觀測(cè)資料的風(fēng)速比模擬結(jié)果整體上大，不過(guò)風(fēng)速大小隨高度的變化規(guī)律與模擬結(jié)果基本相似。圖7中，600 m以下風(fēng)速隨高度變化迅速增大，700～3 500 m高度區(qū)間，風(fēng)速變化較小，4 000～11 000 m風(fēng)速隨高速變化是一個(gè)先加速增大，然后減小的過(guò)程，11 000 m以上風(fēng)速隨高度再次增大然后減小。這種變化規(guī)律與采用35和40個(gè)垂直層模擬結(jié)果比較吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了采用35～40個(gè)垂直層進(jìn)行模擬運(yùn)算是比較合適的。

圖7 香港地區(qū)垂直風(fēng)廓線觀測(cè)資料

4 在垂直層加密的基礎(chǔ)上分析土地利用更新對(duì)垂直剖面流場(chǎng)的影響

在MM5全球25類土地利用數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)2001年的遙感衛(wèi)星土地利用數(shù)據(jù)和香港土地利用分布圖，對(duì)模式的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行了更新，圖8是珠三角地區(qū)土地利用更新情況。

4.1 1993年和2001年土地類型下垂直風(fēng)速廓線模擬結(jié)果分析

根據(jù)垂直方向σ層加密調(diào)整的討論結(jié)果，綜合計(jì)算量和穩(wěn)定性等方面的考慮，在垂直方向上采用35個(gè)σ層的模擬方案，分別采用新舊土地利用數(shù)據(jù)對(duì)2001年9月15-18日進(jìn)行了數(shù)值模擬。

在圖9中，OLU代表采用舊的1993年土地利用的模擬結(jié)果，NLU代表采用新的2001年土地利用的模擬結(jié)果(下同)?？梢钥吹?，土地類型改變對(duì)垂直方向風(fēng)速的影響在本次模擬時(shí)段主要為2 500 m以下的中低空，再往上則兩種情況下的模擬風(fēng)速逐漸趨向一致。就時(shí)間上而言，2001年9月16日下午14∶00的影響程度比凌晨2∶00大。由于新土地類型的城市范圍大大增加，土地利用類型的差異導(dǎo)致熱容量、反照率等不一樣，從而產(chǎn)生地面層熱量的變化，由熱量不均而產(chǎn)生的壓力梯度對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響比較明顯，城市范圍擴(kuò)大造成的白天午后城市與郊區(qū)溫差增大會(huì)使得這種壓力梯度加大。在中尺度模擬的情況下，城市建筑物高度及密集度的影響被弱化，相對(duì)于城市化帶來(lái)的地表粗糙度增加對(duì)風(fēng)速的影響而言，溫度差及其帶來(lái)的壓力差對(duì)較大范圍內(nèi)風(fēng)速的影響是占主導(dǎo)地位的，所以16日下午14∶00，在近地面層新土地類型比舊土地類型模擬的風(fēng)速明顯增大。凌晨2∶00這種熱量不均所產(chǎn)生的影響作用有較大的下降，因而兩種情況下模擬的風(fēng)速比較接近，這個(gè)時(shí)候gz1點(diǎn)的風(fēng)場(chǎng)主要是受到大背景風(fēng)場(chǎng)的影響，吹偏北風(fēng)。

圖8 模式采用的土地利用示意圖

圖9 gz1點(diǎn)模擬垂直風(fēng)剖面

4.2 1993年和2001年兩種土地利用類型情況下珠江口附近垂直剖面的流場(chǎng)及分析

在海陸分布差異及城市熱島效應(yīng)造成熱量分布不均的情況下，珠江口兩岸及水面之間形成了一種比較獨(dú)特的海陸風(fēng)結(jié)構(gòu)。下面在垂直層加密的基礎(chǔ)上，分析新舊兩種土地利用情況下模擬的珠江口區(qū)域海陸風(fēng)垂直剖面流場(chǎng)的特點(diǎn)。

1)選取的珠江口附近垂直剖面示意圖

圖10 珠江口垂直剖面位置示意圖

從圖10可以看到，選取的三個(gè)垂直剖面分別為AD，DB和DC，這3個(gè)垂直剖面交匯于位于珠江口中心的軸線D。A，B，C和D的精確經(jīng)緯度分別為：113.4°E22.35°N，114.1°E22.7°N，114.15°E22.4°N和113.75°E22.4°N。

圖11 16日14:00 DB垂直剖面流場(chǎng)

圖12 16日14:00 AD垂直剖面流場(chǎng)

圖13 16日14:00 DC垂直剖面流場(chǎng)

2)垂直剖面流場(chǎng)結(jié)果及分析

圖11-13分別輸出16日14:00新舊兩種土地類型在DB、AD、DC三個(gè)垂直剖面的流場(chǎng)，各剖面垂直方向采用σ坐標(biāo)，垂直方向高度范圍大約為地面至3 000 m高空，流線上不同的顏色代表風(fēng)速大小。通過(guò)分析我們可以發(fā)現(xiàn)氣流在這三個(gè)垂直剖面的流動(dòng)規(guī)律。在DB截面上可以看到一個(gè)大的逆時(shí)針?lè)较虻臏u，底層的氣流被卷向高空，然后向西南方向輸運(yùn)，AD剖面的右邊也可以看到一個(gè)大的逆時(shí)針?lè)较虻臏u，這樣?xùn)|方高空的來(lái)流接著被卷到底層，然后向東輸運(yùn)，DC剖面的左邊也同樣可以看到一個(gè)大的逆時(shí)針?lè)较虻臏u，在這種情況下，從西方輸運(yùn)來(lái)的底層氣流就被繼續(xù)向東輸運(yùn)，抵達(dá)香港，然后氣流又被卷向高空，從而形成一個(gè)大的循環(huán)。另外在AD剖面的左邊可以看到有一個(gè)順時(shí)針?lè)较虻臏u旋，這表明從東面來(lái)的高空氣流在這個(gè)區(qū)域先下沉，在底層則向兩邊擴(kuò)散，而AD剖面最左邊(AD剖面在陸地上的部分)的氣流則是上升氣流，所以，AD剖面順時(shí)針渦的右側(cè)下沉區(qū)域就是DB、AD和DC剖面高空氣流的輻合下沉及底層氣流的輻散區(qū)。

通過(guò)分析3個(gè)剖面的位置，知道DB剖面右邊的底層氣流來(lái)自于經(jīng)濟(jì)和工業(yè)高速發(fā)展的珠三角深圳、東莞等區(qū)域，AD剖面左邊的底層氣流同樣來(lái)自于工業(yè)發(fā)展迅速的珠海，中山等地區(qū)，相對(duì)而言，這些氣流會(huì)容納較多的工農(nóng)業(yè)和生活污染物，這些污染物有一部分會(huì)通過(guò)這種循環(huán)輸運(yùn)過(guò)程被帶到香港，使得空氣指數(shù)升高。

新的土地利用能更真實(shí)地反映珠江口附近城市密集區(qū)域與水面之間的海陸分布差異，因而在新舊兩種土地類型的模擬垂直剖面流場(chǎng)對(duì)比中，我們看到，相對(duì)于舊土地類型，新土地類型模擬結(jié)果顯示珠江口區(qū)域這種大氣循環(huán)輸運(yùn)作用得到了加強(qiáng)，無(wú)論是DB、AD還是DC截面，新土地類型模擬的風(fēng)速大小都比舊類型有較大的增加，AD剖面左邊的下沉區(qū)也得到了明顯地加強(qiáng)，如果這種加強(qiáng)得到繼續(xù)，則可能通過(guò)循環(huán)輸運(yùn)過(guò)程把更多的珠江口兩岸工業(yè)污染物帶到香港地區(qū)，從而加重當(dāng)?shù)氐目諝馕廴境潭?，例如，位于香港西部靠近珠江口的東涌站測(cè)到的空氣污染指數(shù)相比其他站點(diǎn)存在偏高的情況，這種輸運(yùn)過(guò)程可能是造成這種情況的其中一個(gè)因素。

5 結(jié) 論

1) 通過(guò)不同的垂直σ層的數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析和討論，我們可以知道，通過(guò)調(diào)整和增加垂直方向上的σ層可以提高近地面和中高空氣象場(chǎng)的模擬準(zhǔn)確度，而且可以更精細(xì)地反映出垂直風(fēng)剖面隨高度增加的變化，使得模擬的結(jié)果更接近實(shí)際的氣象條件，綜合而言，在模擬的過(guò)程中，垂直方向采用35～40層是比較合適的。

2) 為了控制適當(dāng)?shù)挠?jì)算量和保證計(jì)算的穩(wěn)定性，需要合理安排垂直層的間距和總的垂直層數(shù)，對(duì)于研究近地面的氣象場(chǎng)而言可以較多地進(jìn)行近地面地垂直層加密，對(duì)于研究高空氣象場(chǎng)比如說(shuō)高空急流而言，可以增加高空的垂直層以保證得到更好的模擬結(jié)果，在本次選取的模擬工況下，2 000 m以下采用20～25層，2 000 m以上采用15～25層已經(jīng)可以得到較好的垂直風(fēng)剖面模擬結(jié)果。

3) 新的土地利用類型更真實(shí)地反映了珠江口附近城市密集區(qū)域與水面之間的海陸分布差異，從而更準(zhǔn)確模擬該區(qū)域海陸風(fēng)垂直剖面的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，更清晰地反映珠江口兩岸地區(qū)在這種海陸風(fēng)模式下的大氣輸運(yùn)過(guò)程，從而提高對(duì)該區(qū)域大氣模擬的準(zhǔn)確度并對(duì)分析空氣污染成因起到積極的作用。

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