太湖地區(qū)湖陸風(fēng)三維結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析

王莎　李彥　黃強(qiáng)　張會(huì)貞

摘 要：本文采用分辨率為1km的MODIS土地利用資料，利用中尺度數(shù)值模式WRF，使用NCEP的FNL資料作為模式的初始邊界條件，對(duì)2006年8月11日08：00—13日08：00太湖地區(qū)一次湖陸風(fēng)過(guò)程個(gè)例進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

關(guān)鍵詞：太湖地區(qū);數(shù)值模擬;湖陸風(fēng);風(fēng)場(chǎng)轉(zhuǎn)變;演變過(guò)程;局地環(huán)流

中圖分類號(hào)：S16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190715011

引言

太湖處于長(zhǎng)江三角洲腹地，周圍地貌包括平原、丘陵和山地。太湖東部地勢(shì)平坦，主要為城區(qū)和耕地，西部多山區(qū)。為研究太湖地區(qū)湖陸風(fēng)環(huán)流水平和垂直結(jié)構(gòu)演變特征，得出該地區(qū)湖陸風(fēng)環(huán)流三維結(jié)構(gòu)特征，本文選取太湖及周邊地區(qū)作為主要研究區(qū)域，根據(jù)分辨率為1km的MODIS土地利用資料，利用中尺度模式WRF針對(duì)太湖地區(qū)一次湖陸風(fēng)個(gè)例過(guò)程進(jìn)行高分辨率模擬研究，通過(guò)分析數(shù)值模擬結(jié)果，得出風(fēng)場(chǎng)隨時(shí)變化情況，湖陸風(fēng)建立與轉(zhuǎn)換時(shí)間等結(jié)論。

1 研究區(qū)域概況

當(dāng)白天受到太陽(yáng)輻射時(shí)，沿湖岸線附近陸面比湖面增溫快，由于密度差異，導(dǎo)致近地層空氣自湖面流向陸面，即為湖風(fēng);而夜間陸面輻射冷卻比湖面快，近地層空氣自陸面流向湖面，即為陸風(fēng);這樣便產(chǎn)生2個(gè)主風(fēng)向晝夜交替變化規(guī)律。湖岸上湖陸風(fēng)明顯，離湖區(qū)越近，湖陸風(fēng)越顯著，所以湖陸風(fēng)成因是由于湖面與陸面具有明顯溫度差異引起。

模式采用交錯(cuò)的四重嵌套網(wǎng)格（圖1）：最外層區(qū)域水平分辨率為27km，水平步長(zhǎng)為90s;第2層區(qū)域水平分辨率為9km，水平步長(zhǎng)為30s;第3層區(qū)域水平分辨率為3km，水平步長(zhǎng)為10s;最內(nèi)層網(wǎng)格區(qū)域（E119.7～120.7°，N30.8～31.6°）是太湖及周邊地區(qū)，為本文主要研究區(qū)域，其分辨率為1km，水平步長(zhǎng)為3.33s，水平方向（x，y）內(nèi)部格點(diǎn)數(shù)93×93。邊緣3個(gè)格點(diǎn)是沿邊界向外等高度不等格距水平延伸，四重嵌套網(wǎng)格垂直方向具有相同的不等距的35層，k=1、2、3，……，34、35時(shí)，z（k）對(duì)應(yīng)近地面高度分別為10、43、60.7、85、109.5、141.8、182.7、223.5、264.5、306、347、389、452、536、621、707、793、880、968、1056、1146、1236、1512、1986、2481、3000、3545、4125、4735、5745、7270、9550、12820、15500（m）。

在白天邊界層主要受到太陽(yáng)短波輻射作用，不穩(wěn)定情況下，故選取 Dudhia 短波輻射方案;夜間情況與白天相反，情況相對(duì)穩(wěn)定，地面長(zhǎng)波輻射起主導(dǎo)作用，因此采用RRTM長(zhǎng)波輻射方案;邊界層采用 YSU 方案，微物理參數(shù)化方案則采用Lin方案，近地面層選用 Monin-Obukhov方案，用局地參數(shù)化方法描述邊界層中湍流結(jié)構(gòu)較合理。陸面過(guò)程采用不耦合UCM模塊的Noah陸面過(guò)程方案，積云對(duì)流采用（僅第1、第2層嵌套）Kain-Fritsch （new Eta）方案。

最內(nèi)層嵌套區(qū)域D4，即此次研究模擬的太湖及太湖周邊區(qū)域地形（圖2），陰影部分表示地形，以湖面高度作參考高度，圖上顏色越深表示對(duì)應(yīng)海拔越高，太湖東南部與西北部海拔高度一致較低，以平原陸地為主，而太湖西邊海拔較高，自東向西依次為平原陸地到山丘地形。圖中北部至東北部海拔也略高，主要為城鎮(zhèn)建筑和可用耕地。圖2中直線AB為N31.4°處所取的剖面位置。

2 研究區(qū)域植被描述

最里層區(qū)域地形高度、陸地—水體標(biāo)志（掩碼）和植被/地表類型資料采用源自美國(guó)地質(zhì)勘探局（USGS）全球范圍的25類30角秒數(shù)據(jù)，空間分辨精度約900m。對(duì)最內(nèi)層網(wǎng)格點(diǎn)中各類植被類型所占百分比統(tǒng)計(jì)，將得到的主要植被類型從高到低排序?yàn)椋核w占48.7%，城市和建設(shè)用地占11.6%，混合林占8.2%，農(nóng)田占18.3%，常綠針葉林占4.3%，小塊耕地占3.7%，常綠闊葉林占3.2%，小型草原占2.0%。

3 模式應(yīng)用結(jié)果分析

3.1 湖陸風(fēng)的形成與發(fā)展

從2006年8月11日8：00開(kāi)始，至13日8：00結(jié)束模擬復(fù)雜地形條件下湖陸風(fēng)演變程，為分析真實(shí)地形上風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)及模擬區(qū)域內(nèi)局地風(fēng)場(chǎng)的三維結(jié)構(gòu)，模擬結(jié)果中僅考慮內(nèi)部93×93個(gè)格點(diǎn)。在模擬26個(gè)小時(shí)后（北京時(shí)間8月12日10：00），太湖中心開(kāi)始出現(xiàn)吹向陸面的風(fēng)，風(fēng)層逐漸增厚，至12日14：00湖風(fēng)發(fā)展最強(qiáng)盛，達(dá)到最大值與明顯輻散中心，風(fēng)向輻散中心位于（N31.38°，E120.14°），風(fēng)由輻散中心吹向四周的陸面，且風(fēng)速以遠(yuǎn)離湖岸距離增加而增長(zhǎng)，由于地形作用，使得太湖湖岸東南部湖風(fēng)較弱，且湖岸上風(fēng)向多變，風(fēng)速較小，湖風(fēng)最弱區(qū)域出現(xiàn)在太湖湖岸東南部。隨著時(shí)間推移，輻散中心也在東南移，在17：30湖風(fēng)輻散中心與太湖幾何中心重合，位于（N31.22°，E120.23°），18：00后湖風(fēng)逐漸減弱甚至消失。

模擬風(fēng)場(chǎng)在12日18：00出現(xiàn)湖風(fēng)到陸風(fēng)轉(zhuǎn)變，19：30出現(xiàn)較完整陸風(fēng)，為西北-東南風(fēng)向輻合，隨后風(fēng)層迅速增厚，22：00發(fā)展最強(qiáng)盛，平均風(fēng)速約3m/s。山區(qū)氣流明顯轉(zhuǎn)向，原來(lái)占主導(dǎo)地位的湖風(fēng)變成幾個(gè)中心的陸風(fēng)，局地特征明顯。隨著時(shí)間增加，湖面上風(fēng)速也逐漸加大，到22：00湖面上模擬風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速達(dá)最大，伴有明顯風(fēng)速風(fēng)向輻合中心，陸風(fēng)在湖面橫向?qū)ΨQ軸處（即31.2°N）形成弱輻合帶，這種輻合帶具有典型湖風(fēng)鋒結(jié)構(gòu)。風(fēng)速大值區(qū)隨時(shí)間從太湖南部北移。到13日4：00，低層以山風(fēng)為主，殘存陸風(fēng)輻合帶已消失，在山地地區(qū)出現(xiàn)弱輻散中心，山風(fēng)風(fēng)速約3m/s。

3.2 相關(guān)熱力參數(shù)分析

以8月12日0：00為初始場(chǎng)，模擬未來(lái)24h內(nèi)相關(guān)熱力參數(shù)隨時(shí)間變化。潛熱通量和凈輻射呈現(xiàn)明顯日變化特征：上午由低變高呈增加趨勢(shì)，中午達(dá)最大值后又逐漸減少。由于白天太陽(yáng)短波輻射增加使地面溫度升高迅速，地表向大氣輸送感熱通量，同時(shí)地表蒸發(fā)和蒸騰作用不斷增強(qiáng)，使得潛熱通量增加，陸面蒸發(fā)對(duì)低層起到加熱、加濕作用，導(dǎo)致該區(qū)域不穩(wěn)定能量增加，在一定氣流條件下促進(jìn)對(duì)流產(chǎn)生。近地面升溫時(shí)，湍流運(yùn)動(dòng)發(fā)展增強(qiáng)，致使大氣層結(jié)逐漸變得不穩(wěn)定。日落后，凈短波輻射迅速下降，地表快速降溫，這時(shí)感熱通量輸送方向與白天相反，開(kāi)始由大氣向地表輸送，感熱通量為負(fù)，地表蒸發(fā)量變?yōu)榱?，此時(shí)潛熱通量值也降至100W/m2。

4 結(jié)論

太湖夏季晴天白天四周陸面上為湖風(fēng)所控制，潮濕暖空氣在陸面上空堆積并抬升，湖面上有明顯下層輻散，在垂直方向上形成順時(shí)針閉合環(huán)流;日落后隨著太陽(yáng)短波輻射消失，湖風(fēng)環(huán)流逐漸向陸風(fēng)環(huán)流轉(zhuǎn)變。晚上湖面上空主要是陸風(fēng)，在湖面上有明顯下層輻合，在垂直方向上形成逆時(shí)針閉合環(huán)流;

湖陸風(fēng)影響高度一般在1500m以下，當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)較強(qiáng)時(shí)，影響高度更低。太湖西南方山地局地風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)度變化影響因子，也是湖陸風(fēng)環(huán)流形成和發(fā)展主要影響因子。

模擬結(jié)果表明，在成熟湖風(fēng)期間高空存在明顯返回氣流，湖風(fēng)環(huán)流垂直結(jié)構(gòu)相當(dāng)完整。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

王莎（1989-），女，本科，助理工程師，研究方向：地面綜合觀測(cè)服務(wù)。