多云天氣下海南島地形對局地海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值模擬

王凌梓 苗峻峰 管玉平

摘要 采用WRF中尺度天氣預(yù)報(bào)模式，針對海南島多云天氣條件下的一次典型海風(fēng)個(gè)例，對局地海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析海風(fēng)環(huán)流的演變特征，并通過設(shè)計(jì)改變海南島地形的敏感性試驗(yàn)，探究地形對海南島局地海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)以及云水分布的影響。結(jié)果表明：海島西部陡峭的山區(qū)造成海風(fēng)強(qiáng)迫抬升，偏南背景風(fēng)使得海島北部高空回流明顯，海島西部、北部的海風(fēng)結(jié)構(gòu)較為完整;地形高度越高，海島南部山區(qū)的阻擋作用越強(qiáng)，西部地區(qū)的海風(fēng)高空回流特征越顯著，西部、西北部云水混合比的位置也越深入內(nèi)陸;受南海季風(fēng)的影響，與晴空天氣相比，多云天氣下海風(fēng)強(qiáng)盛期全島的最大風(fēng)速稍大，海風(fēng)在垂直方向上達(dá)到的高度更高;移平地形后，多云天氣下全島風(fēng)速平均僅減少2～3 m·s-1，而晴空天氣下全島風(fēng)速則大大減弱，即多云天氣下海風(fēng)環(huán)流水平結(jié)構(gòu)受地形的影響比晴空天氣下弱。

關(guān)鍵詞海南島;復(fù)雜地形;海風(fēng)環(huán)流;云水分布;海風(fēng)對流

海陸風(fēng)是沿海地區(qū)一種重要的中尺度環(huán)流現(xiàn)象，是由海陸熱力性質(zhì)差異產(chǎn)生的大氣次級環(huán)流（Miao et al.，2003;Crosman and Horel，2010）。在當(dāng)今社會，海陸風(fēng)對沿海地區(qū)的天氣氣候、大氣污染物擴(kuò)散和海事活動等產(chǎn)生的影響越來越受到人們關(guān)注。大量的觀測和模擬研究表明，地形對中尺度環(huán)流和對流的發(fā)生發(fā)展有著重要的影響（劉玉寶等，1995;Tucker and Crook，1999;蘇濤等，2016;王凌梓等，2018）。海風(fēng)作為淺薄的中尺度環(huán)流系統(tǒng)，地形對其影響的重要性不可忽視。

地形的影響主要有動力作用和熱力作用。復(fù)雜下墊面上地形的動力、熱力作用并不單一存在（韓志偉等，1999），綜合影響的結(jié)果可能造成阻塞作用、狹管效應(yīng)、繞流、氣流越山等（李藝苑等，2009）。地形特征尺度、過山氣流方向、地形高度以及地形的幾何形狀等都有可能決定其上空的大氣運(yùn)動狀態(tài)（王其偉和談?wù)苊簦?006）。此外，特殊的復(fù)雜下墊面會改變大氣過程與能量交換傳輸（蔣維楣等，2009），改變山脈地區(qū)的土地利用類型，將影響局地陸氣相互作用和邊界層特征（Wang et al.，2015）。

近來，已有眾多學(xué)者在研究海風(fēng)的基礎(chǔ)上探討了地形的影響。其中，地形存在與否對海風(fēng)環(huán)流演變的影響是研究的重點(diǎn)。Qian（2008）表明，將區(qū)域氣候模式中東南亞地區(qū)群島上的地形移除或?qū)⑷簫u置換成海洋，海陸風(fēng)均將減弱。Barthlott and Kirshbaum（2013）利用COSMO（COnsortium for Small-scale MOdeling）模式模擬深對流對地中海群島地形強(qiáng)迫的敏感性時(shí)發(fā)現(xiàn)，移除島嶼地形會導(dǎo)致模擬對流降水的消失。李慶寶等（2010）研究指出，由于青島奧帆賽競賽海域周邊存在復(fù)雜地形，在地面不同的背景氣流下會形成不同的海陸溫差，從而影響海陸風(fēng)的發(fā)生發(fā)展。另外，土地利用類型與地形高度的改變也影響著海風(fēng)環(huán)流特征。在地形和土地利用類型不同的情況下，Miao et al.（2003）和Nitis et al.（2005）分別利用RAMS（Regional Atmospheric Modeling System）模式和MEMO（MEsoscale MOdel）模式對海風(fēng)特征明顯的西班牙東部、大里耶卡地區(qū)的海風(fēng)環(huán)流進(jìn)行了分析。此外，Jeong et al.（2012）對比分析了韓國海岸線復(fù)雜的西南沿海地區(qū)和山脈眾多的東部沿海地區(qū)在高分辨率數(shù)值模式下模擬的局地海風(fēng)環(huán)流情況，研究表明，地形高度發(fā)生變化，東部沿海地區(qū)垂直運(yùn)動受到的影響較大。在地中海群島地區(qū)，海拔高度較高的島嶼在增強(qiáng)海風(fēng)鋒強(qiáng)度的同時(shí)，也對海風(fēng)鋒向內(nèi)陸的傳播有阻擋作用（Barthlott and Kirshbaum，2013）。

海南島作為中國第二大島嶼，形似梨狀且地處熱帶地區(qū)，海岸線曲折呈環(huán)狀，島內(nèi)地形獨(dú)特而復(fù)雜，南部地區(qū)地表起伏較大，以五指山、黎母嶺為中心，海拔高度以階梯式向沿海地區(qū)遞減，海島東部山脈坡度較西部稍緩。海南島獨(dú)一無二的地理位置和地形地貌使其成為研究海陸風(fēng)的黃金地區(qū)。朱乾根等（1983）通過探討溫壓場特征研究了包括海南島在內(nèi)的華南地區(qū)海陸風(fēng)，吳兌等（1995）、張振州等（2014）和王靜等（2016）利用觀測資料以統(tǒng)計(jì)分析的方法分析了海南島海風(fēng)特征及其季節(jié)變化。隨著數(shù)值模式的發(fā)展，用數(shù)值模擬的方法分析海陸風(fēng)已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)（苗峻峰，2014）。

20世紀(jì)80年代，錢維宏（1988）嘗試探究了海南島地形及熱源對周圍海域上空氣流的影響，此后，利用數(shù)值模式對海南島海陸風(fēng)環(huán)流進(jìn)行模擬的研究逐漸增多（柯史釗和黃健，1993;Tu et al.，1993;翟武全等，1997;張振州等，2014）。最近，王語卉等（2016）利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式從數(shù)值模擬的角度揭示了晴空天氣下海南島海風(fēng)環(huán)流的三維結(jié)構(gòu)特征，Huang et al.（2016）也對海南島海風(fēng)的時(shí)空分布進(jìn)行了研究。楊秋彥等（2017）探究了晴空天氣下海南島復(fù)雜地形對局地海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)及其演變特征的影響。在海南島地區(qū)，多云天氣日數(shù)約占全年的三分之一，且在多云天氣條件下海風(fēng)發(fā)生的頻率也相對較高（王靜等，2016）。為研究多云天氣下海南島的海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)，韓芙蓉等（2017）對多云海風(fēng)個(gè)例進(jìn)行了高分辨率數(shù)值模擬，對比分析了海南島上山地與平坦地區(qū)兩類不同地形條件下的海風(fēng)演變過程。總之，已有多個(gè)研究關(guān)注海南島海風(fēng)環(huán)流的三維結(jié)構(gòu)及其演變特征（張振州等，2014;Huang et al.，2016;王語卉等，2016;韓芙蓉等，2017），以及晴空天氣下海南島地形對海風(fēng)演變過程的影響（楊秋彥等，2017），但在多云天氣下海南島地形是如何影響海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)和云水分布的，至今尚不清楚。為此，本文利用WRF模式對海南島一個(gè)多云天氣下典型海風(fēng)日的局地海風(fēng)環(huán)流進(jìn)行了模擬，通過地形敏感性試驗(yàn)，探究多云天氣下地形高度變化對局地海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)和云水分布特征的影響，為沿海地區(qū)的天氣預(yù)報(bào)提供理論依據(jù)。

1 個(gè)例選取

采用的資料主要包括：海南省氣象臺站的常規(guī)觀測數(shù)據(jù)以及海口站每6 min一次的雷達(dá)資料，NCEP（National Center for Environmental Prediction）FNL（Final Analysis）1°×1°逐6 h全球分析資料，NOAA/ESRL（National Oceanic and Atmospheric Administration/Earth System Research Laboratory）探空資料，國家衛(wèi)星氣象中心風(fēng)云衛(wèi)星遙感資料。

2013年6月4日當(dāng)天，受南海季風(fēng)的影響，08時(shí)偏南氣流覆蓋整個(gè)海南島（圖略）。從該日08時(shí)500 hPa和850 hPa的環(huán)流形勢可以看出，海南島位于副熱帶高壓西側(cè)，海島上空環(huán)流形勢相對穩(wěn)定，未受到天氣系統(tǒng)的影響。探空資料（圖1）也顯示，海南島上空6 km以下區(qū)域無明顯切變過程，風(fēng)速均小于8 m·s-1，白天背景風(fēng)場為偏南風(fēng)。由此可以看出，該日背景場較弱，有利于海風(fēng)的發(fā)生發(fā)展。常規(guī)氣象臺站的地面觀測數(shù)據(jù)表明，11時(shí)開始，海島自南向北先后有測站出現(xiàn)向岸氣流，風(fēng)速明顯增加，到15時(shí)大多數(shù)沿海站出現(xiàn)向岸氣流，且深入內(nèi)陸，尤其是海島西北部的平坦地區(qū)，向岸風(fēng)已傳播至海島長軸附近。傍晚，全島大部分測站轉(zhuǎn)為離岸氣流。在該日穩(wěn)定的天氣形勢下，海南島9個(gè)沿海站中的大多數(shù)測站均有明顯的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，海風(fēng)特征突出。地面觀測數(shù)據(jù)和雷達(dá)、衛(wèi)星資料（圖略）表明，當(dāng)天大部分時(shí)間為多云天氣，云系在午后發(fā)展移入海南島地區(qū)，至傍晚時(shí)逐漸消散。因此，此次海風(fēng)個(gè)例適合于研究多云條件下海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)的演變。

2 模式定制與敏感性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模式定制

采用WRF模式（V3.7）對該多云天氣下的典型海風(fēng)個(gè)例進(jìn)行數(shù)值模擬。WRF-ARW模式是中尺度天氣預(yù)報(bào)模式，包含可壓縮的非靜力平衡模式，對中小尺度天氣有較好的模擬能力。本次模擬的初始場和邊界條件采用6 h一次的NCEP FNL 1°×1°資料，模式積分開始時(shí)間為2013年6月3日00時(shí)（世界時(shí);即2013年6月3日08時(shí)，北京時(shí)，下同），積分時(shí)間為40 h，前16 h為起轉(zhuǎn)調(diào)整（spin-up）時(shí)間，模擬結(jié)果逐時(shí)輸出。模擬在垂直方向設(shè)計(jì)了36個(gè)σ層（3 km以下有24層），模式頂層氣壓值為100 hPa。研究區(qū)域使用雙向反饋的四重嵌套，其中第4層嵌套區(qū)域覆蓋376×373個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)（表1）;最外層嵌套區(qū)域包括大部分中國地區(qū)，最內(nèi)層嵌套區(qū)域包含整個(gè)海南島及其周邊海域，陸地和海洋的面積比例約為1∶1，有利于海陸風(fēng)的充分激發(fā)（圖2a）。物理參數(shù)化方案配置類似于韓芙蓉等（2017，2018），主要包括Dudhia短波輻射方案、RRTM長波輻射方案、Lin微物理方案、YSU邊界層方案、MM5 Monin-Obukhov近地層方案、Noah陸面過程方案、Kain-Fritsch積云參數(shù)化方案（第3、4層嵌套區(qū)域未使用）。

此外使用了較新的TOPO_30s地形數(shù)據(jù)和NCEP的MODIS_30s土地利用類型數(shù)據(jù)，能較準(zhǔn)確地反映海南島地形地貌特征。由圖2b可以看出，海南島地勢復(fù)雜，島嶼西南部為山區(qū)，以五指山、黎母嶺兩大山脈為中心，形成中間高、四周低的環(huán)形層狀地貌，是研究復(fù)雜地形下海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)演變特征的理想?yún)^(qū)域。

2.2 數(shù)值試驗(yàn)

按照上文模式定制進(jìn)行的試驗(yàn)為控制試驗(yàn)（CNTL）。為研究地形對海南島海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響，在同樣的初始條件和邊界條件下對模式最內(nèi)層嵌套區(qū)域的地形進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)了兩組地形敏感性試驗(yàn)（FLAT試驗(yàn)、HALF試驗(yàn)）。其中，F(xiàn)LAT試驗(yàn)將海南島的地形高度降為零，研究地形削平時(shí)海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)的變化;HALF試驗(yàn)將海南島地形高度改為模式地形的0.5倍;在各試驗(yàn)中，均未改變土地利用類型。通過對比CNTL、FLAT、HALF這三組數(shù)值試驗(yàn)的結(jié)果，分析地形對海南島海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)特征和云水分布的影響，探究地形在海風(fēng)演變過程中所起的作用。

3 模擬結(jié)果和分析

3.1 模擬與觀測的比較

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｊ侥M效果，將CNTL試驗(yàn)結(jié)果與海南省19個(gè)常規(guī)氣象站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。分別在海南島東、西、南、北四個(gè)方位上選取有代表性的沿海測站（測站位置如圖2b所示），對比分析當(dāng)天海陸風(fēng)的演變過程。

風(fēng)向風(fēng)速的變化能直觀地顯示海風(fēng)的發(fā)生發(fā)展。從圖3可知，觀測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的風(fēng)向風(fēng)速變化基本一致，夜晚為陸風(fēng)，在日出后風(fēng)向開始發(fā)生改變，正午前后形成穩(wěn)定海風(fēng)，傍晚時(shí)分回轉(zhuǎn)為陸風(fēng)。從觀測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的擬合程度上看，海島東部（文昌站）、西部（東方站）的模擬效果較好;海島南部（陵水站）模擬的海風(fēng)演變特征比觀測更為清晰;在海島北部（海口、瓊山站），模擬與觀測均能看到明顯海風(fēng)，但其開始和結(jié)束的時(shí)間有一定的偏差，海口站中模式模擬的海風(fēng)開始時(shí)間比觀測早1 h，結(jié)束時(shí)間晚1 h，瓊山站中模擬的海風(fēng)結(jié)束時(shí)間早1 h，這可能是模式地形與實(shí)際地形之間的差異造成的（韓芙蓉等，2017）。

此外，海風(fēng)的生消情況與海陸熱力性質(zhì)關(guān)系密切，關(guān)注模式模擬的2 m溫度變化能從側(cè)面反映海風(fēng)模擬的合理性。從圖4可以看出，四個(gè)沿海測站中，?？谡镜哪M溫度較觀測高，海陸溫差更大，使得其模擬的海風(fēng)持續(xù)時(shí)間較長。除該站外，其余各站模擬的午后最高溫度幾乎與觀測相同，溫度變化趨勢也較同步。但溫度的模擬與實(shí)際觀測相比仍有差異，這可能是因?yàn)槟Ｊ降匦胃叨?、地表植被類型與實(shí)際地形高度、下墊面類型存在一定的偏差?？傮w來說，模式能較為準(zhǔn)確地模擬出當(dāng)天海風(fēng)隨時(shí)間的演變過程，模擬的測站風(fēng)向轉(zhuǎn)變及溫度變化趨勢與實(shí)際觀測結(jié)果較為一致。

3.2 海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)

3.2.1 水平結(jié)構(gòu)

模式模擬的CNTL試驗(yàn)海南島海風(fēng)水平結(jié)構(gòu)的演變過程如圖5所示，受到背景風(fēng)的影響，夜間海南島四周海域均為偏南風(fēng)，海島沿岸為陸風(fēng)，南部陸風(fēng)風(fēng)速較?。▓D略）。09時(shí)海島西北部海風(fēng)出現(xiàn)最早，表現(xiàn)為西北部偏南風(fēng)風(fēng)速減小，部分地區(qū)風(fēng)向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。12時(shí)全島海風(fēng)特征顯著，北部海風(fēng)風(fēng)速較弱，但也已深入內(nèi)陸，呈偏北風(fēng)。此時(shí)，因海島南部地形的阻擋，高聳的山地迫使南部海風(fēng)一分為三，形成左右兩股繞流和越山氣流，分別與西、東、北部海風(fēng)相遇。至午后，海陸溫差持續(xù)增大，約15時(shí)海風(fēng)達(dá)到強(qiáng)盛，在地形平坦的海島東北部，海島長軸線上的海風(fēng)輻合明顯。18時(shí)海風(fēng)逐漸減弱，海島長軸以南地區(qū)偏南風(fēng)風(fēng)速減小，長軸以北，尤其是西北地區(qū)已有陸風(fēng)形成。到19時(shí)全島海風(fēng)過程基本結(jié)束?？傮w來說，CNTL試驗(yàn)全島的海風(fēng)過程發(fā)生在10～18時(shí)，在約15時(shí)海風(fēng)輻合程度最高，發(fā)展最強(qiáng)盛。這與韓芙蓉等（2017）的模擬結(jié)果類似，多云天氣下的海風(fēng)強(qiáng)盛期發(fā)生于15時(shí)左右，全島最大風(fēng)速可達(dá)6～7 m·s-1。與晴空個(gè)例中海風(fēng)強(qiáng)盛期5～6 m·s-1的全島最大風(fēng)速（王語卉等，2016;楊秋彥等，2017）相比，多云天氣下的最大風(fēng)速更大。結(jié)合南海季風(fēng)發(fā)生的日期（He et al.，2017），多云天氣下發(fā)生的海風(fēng)個(gè)例多出現(xiàn)于季風(fēng)爆發(fā)后期，而晴空的海風(fēng)個(gè)例多出現(xiàn)在季風(fēng)前期。島內(nèi)的向岸風(fēng)是海風(fēng)與背景風(fēng)綜合作用的結(jié)果，在不同天氣狀況下全島最大風(fēng)速的差異是因二者處于季風(fēng)的不同發(fā)展階段所造成的。季風(fēng)爆發(fā)時(shí)，背景風(fēng)的疊加會使島內(nèi)最大風(fēng)速偏大，在季風(fēng)前期，因背景氣流強(qiáng)度略弱而使其最大風(fēng)速相對較小，張振州等（2014）在季節(jié)變化對海南島海陸風(fēng)影響的研究中也提出此現(xiàn)象。因此，隨著南海季風(fēng)的發(fā)展成熟，多云天氣下的全島最大風(fēng)速比晴空天氣下更高。

為分析復(fù)雜地形對海風(fēng)水平結(jié)構(gòu)的影響，在地形削平（FLAT試驗(yàn)）、地形減半（HALF試驗(yàn)）的情況下研究海風(fēng)強(qiáng)盛期（約15時(shí)）的海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)，將兩組敏感性試驗(yàn)的海風(fēng)水平結(jié)構(gòu)演變與CNTL試驗(yàn)做比較。完整的海風(fēng)環(huán)流包括近地層的海風(fēng)重力流與高空回流。圖6顯示了海南島近地層10 m風(fēng)場在不同地形高度下的表現(xiàn)，地形移平后，與CNTL試驗(yàn)相比，15時(shí)海島東部海風(fēng)推進(jìn)距離加深，幾乎覆蓋海島長軸以南地區(qū)，海島西部與西北部的海風(fēng)較為微弱，均只在海岸線附近出現(xiàn)。多云天氣下的FLAT試驗(yàn)，全島風(fēng)速平均約減少2～3 m·s-1，而與此相對地，削平地形后晴空天氣下的全島風(fēng)速比多云天氣下的減弱程度更大（楊秋彥等，2017）。這說明了移平地形后不同天氣下的海風(fēng)特征有所不同，多云天氣下海南島上的風(fēng)速受到地形的影響更小。對于HALF試驗(yàn)，地形的出現(xiàn)使得南部山區(qū)中的局地風(fēng)向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，受到地形的影響，不再直接深入內(nèi)地;15時(shí)海島長軸以北地區(qū)海風(fēng)的傳播距離比CNTL試驗(yàn)小。與晴空天氣相比，海風(fēng)環(huán)流的水平結(jié)構(gòu)在多云天氣條件下受地形的影響相對較弱。不同的天氣條件下地形的動力阻擋作用對海風(fēng)的影響相差不大，二者差異主要是由兩種天氣狀況下地形熱力作用的不同引起的。多云天氣下的熱力條件復(fù)雜，因云層的存在，對太陽短波輻射的折射、散射和吸收作用增加，使得地表接收到的短波輻射減弱，即作為地形熱力作用的源減少，因此，改變地形后熱力效應(yīng)的變化幅度也較小，故相比晴空天氣下，多云天氣下地形對海風(fēng)特征影響的敏感性較弱。

如圖7所示，在850 hPa上海風(fēng)的高空回流因地形不同也受到一定的影響。在各個(gè)試驗(yàn)中，因偏南背景風(fēng)的影響，海島西部、北部海風(fēng)的高空回流均較為明顯，海島東部回流風(fēng)速較小，南部高空回流不明顯。隨著地形高度的增加，全島海風(fēng)的高空回流愈顯復(fù)雜。其中，海島西部沿岸的高空回流受地形影響較大，地形高度抬高，西部沿岸850 hPa風(fēng)向由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，海風(fēng)的高空回流特征更加顯著。850 hPa上的風(fēng)速在地形削平后全島均增大，極大值出現(xiàn)在海島西部、北部沿岸區(qū)域，風(fēng)速達(dá)8 m·s-1;由FLAT試驗(yàn)到CNTL試驗(yàn)，地形高度增加，海風(fēng)也逐漸深入，高空回流的風(fēng)速大值區(qū)也隨之往內(nèi)陸方向移動。

對流云團(tuán)會產(chǎn)生于海風(fēng)輻合帶附近，云的宏觀特性可以用云水混合比來表征（Sano and Tsuboki，2006），3 km以下的累積云水混合比既能顯示對流云團(tuán)的分布情況，也能反映海風(fēng)輻合帶的位置及其強(qiáng)度。如圖6所示，從累積云水混合比分布的位置和強(qiáng)度也可以看出地形改變對海風(fēng)的影響程度。CNTL試驗(yàn)中，15時(shí)全島的累積云水混合比主要分布在海島東北部、西部沿岸和山區(qū)以東的位置，其中海島東北部和西部沿岸累積云水混合比的強(qiáng)度達(dá)到4 g·kg-1以上，海風(fēng)輻合明顯。FLAT試驗(yàn)中全島對流云強(qiáng)度大大減弱，成為散點(diǎn)狀，多分布于西部和西北部海岸線附近，原東北部累積云水混合比指示的海風(fēng)輻合帶也變得模糊，山區(qū)以東位置的對流云團(tuán)幾乎消失。與CNTL試驗(yàn)相比，HALF試驗(yàn)海島西部的累積云水混合比更靠近沿岸地區(qū)，強(qiáng)度也有所降低，海島東北部上原呈東北-西南方向線狀排列的對流云分散為塊狀，而在海島南部山區(qū)附近，山脈高度的降低使累積云水混合比向島嶼中部推進(jìn)，但其強(qiáng)度大多低于2 g·kg-1，分布較為散亂。

由此可見，地形對海風(fēng)環(huán)流的演變及其結(jié)構(gòu)都有很大影響，海南島地形的存在是影響海風(fēng)發(fā)生發(fā)展的重要因素。海風(fēng)低層風(fēng)場、高空回流以及3 km以下累積云水混合比的分布與地形高度有關(guān)。海島山區(qū)對東部、南部盛行的海風(fēng)有阻擋作用，并且隨著地形高度的增加，海島西部高空回流特征更加顯著，西部、西北部累積云水混合比的位置離海岸越遠(yuǎn)且強(qiáng)度越大。由于對流云團(tuán)可以指示海風(fēng)輻合帶的位置，所以地形的存在有利于背景風(fēng)下游地區(qū)海風(fēng)輻合帶的形成及其向內(nèi)陸傳播距離的深入。

3.2.2 垂直結(jié)構(gòu)

從海風(fēng)環(huán)流水平結(jié)構(gòu)可知，CNTL試驗(yàn)中在海島西北部有海風(fēng)輻合發(fā)生，海島東西、南北向海風(fēng)在此發(fā)生碰撞，故選取該區(qū)域沿109.1°E、19.0°N分別作南北方向和東西方向剖面，以研究該區(qū)域海風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)。圖8為沿19.0°N東西方向垂直剖面的風(fēng)場（由u與w合成），由圖可知，在CNTL試驗(yàn)中，海島西部海風(fēng)環(huán)流較為完整，在海風(fēng)演變過程中，海風(fēng)重力流、海風(fēng)頭部及高空回流結(jié)構(gòu)清晰，海風(fēng)厚度均達(dá)0.3 km以上，海風(fēng)向內(nèi)陸的傳播距離約為23 km;然而在海島東部，海風(fēng)在垂直方向上達(dá)到的高度比西部大，向內(nèi)陸傳播的距離也更遠(yuǎn)，海風(fēng)回流偏弱，海風(fēng)頭部特征較為模糊。圖9中沿109.1°E南北方向上的風(fēng)場（由v與w合成）也有類似情況，在海島北部的海風(fēng)環(huán)流比較清晰完整。造成海島東西、南北部海風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差別的原因，很大一部分是復(fù)雜地形造成的，即海島西部山地陡峭，海風(fēng)在此堆積，地形的阻擋和抬升作用促使其更易垂直發(fā)展;此外，偏南的背景風(fēng)也令海島北部的高空回流更易成型。在垂直結(jié)構(gòu)上，不同天氣條件下的海風(fēng)厚度也有所差別，在15時(shí)的海島經(jīng)向剖面圖中，晴空天氣下的海風(fēng)厚度平均約為0.7～0.9 km（王語卉等，2016;楊秋彥等，2017），而在多云天氣下平均可達(dá)0.8～1 km（韓芙蓉等，2017），由此可見，多云天氣下的海風(fēng)比晴空天氣在垂直方向上伸展的高度更高。

在海風(fēng)演變過程中，海島內(nèi)部出現(xiàn)多條云水混合比陰影帶，發(fā)生區(qū)域大部分位于山區(qū)兩側(cè)和山區(qū)內(nèi)部位置。在CNTL試驗(yàn)中海風(fēng)結(jié)構(gòu)最清晰的15時(shí)，沿19.0°N東西方向的垂直運(yùn)動的上升高度可到達(dá)3 km以上，在109.8°E附近對流云帶的位置與該處的垂直上升運(yùn)動相對應(yīng)（圖8c）;沿109.1°E南北方向上，在南部多山地形的影響下，海風(fēng)在越山過程中出現(xiàn)了兩個(gè)對流活躍區(qū)域（圖9c）。

當(dāng)海南島地形被移平時(shí)，海風(fēng)強(qiáng)度與海島上的對流活動均有一定程度的減弱。在海風(fēng)結(jié)構(gòu)較清晰的15時(shí)，如圖10所示，F(xiàn)LAT試驗(yàn)中，沿19.0°N東西方向上海風(fēng)發(fā)展較弱，海島西部海風(fēng)僅存在于海岸線附近，海風(fēng)厚度小于0.3 km;從沿109.1°E南北方向上看，北部海風(fēng)風(fēng)速減小;與晴空天氣下的地形削平試驗(yàn)相比（楊秋彥等，2017），垂直方向上的海風(fēng)厚度為0.3 km左右，二者相差不大。沿19.0°N東西方向上原黎母嶺處（約109.8°E）的云水混合比大值區(qū)范圍西移，比CNTL試驗(yàn)略大，強(qiáng)度達(dá)1.0 g·kg-1（圖10a）;在南北方向上，原黎母嶺（約19.0°N）上的云水混合比消失（圖10b），云水混合比出現(xiàn)在北部沿海地區(qū)。相比CNTL試驗(yàn)，F(xiàn)LAT試驗(yàn)的海風(fēng)結(jié)構(gòu)較為模糊，由此可知，地形的存在可以使海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)更加清晰。地形被移平時(shí)，地形動力抬升所起的作用消失，在FLAT試驗(yàn)中海風(fēng)特征主要受到局地?zé)崃ψ饔玫挠绊?。在弱地形動力條件下，黎母嶺的西側(cè)仍有云水混合比出現(xiàn)，即黎母嶺山脈上海風(fēng)環(huán)流一部分是因地形的熱力作用造成的。

在各試驗(yàn)中，沿19.0°N東西方向上，海島西部的海風(fēng)在垂直方向上達(dá)到的高度隨著地形高度升高而增加，海風(fēng)回流也愈加明顯（圖10a、c）。沿109.1°E南北方向上，兩組試驗(yàn)中海島北部海風(fēng)傳播距離逐漸向內(nèi)陸深入，且云水混合比的分布也從沿岸地區(qū)往南移動（圖10b、d）。黎母嶺上的云水混合比分布與地形動力作用緊密相關(guān)，地形高度升高，在黎母嶺山脈東西兩個(gè)坡面上，地形的抬升作用使黎母嶺附近的云水混合比逐漸向山峰匯聚增強(qiáng)，CNTL試驗(yàn)中高達(dá)1.2 g·kg-1以上?？傮w來說，黎母嶺附近的海風(fēng)結(jié)構(gòu)是地形動力、熱力作用綜合作用的結(jié)果，地形對海風(fēng)還有動力抬升作用。

對海島南部山區(qū)的感熱通量、潛熱通量（圖略）進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，各個(gè)試驗(yàn)之間感熱、潛熱通量相差較小，其中15時(shí)地形敏感性試驗(yàn)與CNTL試驗(yàn)的感熱通量差值平均約為5 W·m-2左右，即地形高度的變化對熱力作用的敏感程度較小。在海島南部山區(qū)，不同地形高度在影響海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)過程中地形動力作用的差別較大。海風(fēng)向內(nèi)陸傳播的過程中，遇山受到阻擋，山脈使海風(fēng)抬升爬坡，產(chǎn)生垂直運(yùn)動，山區(qū)內(nèi)的平均垂直速度可以在一定程度上反映出地形動力作用的大小。由圖11可以看出，在午后海風(fēng)發(fā)展強(qiáng)盛時(shí)，海島南部山區(qū)的平均垂直速度明顯上升，其強(qiáng)度與地形高度密切相關(guān)，地形高度越高，海風(fēng)遇山后的抬升作用越大，平均垂直速度也越大。綜上可知，黎母嶺作為海島南部山區(qū)的代表性山峰，地形對海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響包括動力抬升作用和局地?zé)崃ψ饔?，并且，其高度變化對地形動力作用影響的敏感性更高?/p>

4 結(jié)論

利用中尺度天氣預(yù)報(bào)模式WRF（V3.7），對2013年6月4日多云天氣條件下的典型海風(fēng)個(gè)例進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了該日海南島海風(fēng)環(huán)流的發(fā)生發(fā)展情況，通過地形敏感性試驗(yàn)，探討了多云天氣下海南島地形對海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)和云水分布的影響，主要結(jié)論如下：

1）2013年6月4日，海南島在多云天氣條件下有明顯的海風(fēng)特征，WRF模式較為準(zhǔn)確地模擬出了該日海風(fēng)的主要特征及海風(fēng)環(huán)流的發(fā)展演變過程，能夠清晰地展示海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)。

2）在CNTL試驗(yàn)中，海南島當(dāng)天10～18時(shí)有海風(fēng)發(fā)生發(fā)展，海風(fēng)強(qiáng)盛期出現(xiàn)于15時(shí)左右。地形對海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)有一定的影響，海島西部、北部的海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)更加完整，海風(fēng)在海島西部陡峭的山區(qū)堆積且被迫抬升，更易向垂直方向發(fā)展;而在背景風(fēng)的下游地區(qū)，海島西部、北部高空回流特征更加顯著。在偏南背景風(fēng)下，隨著地形高度的增加，海島南部山區(qū)阻擋作用越明顯，海島西部的海風(fēng)高空回流特征越顯著，西部、西北部云水混合比的位置也越深入內(nèi)陸，強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。

3）在多云天氣下，海風(fēng)強(qiáng)盛期全島最大風(fēng)速可達(dá)6～7 m·s-1，海風(fēng)在垂直方向上發(fā)展的高度可達(dá)0.8～1 km左右。對比晴空天氣，由于受到南海季風(fēng)的影響，多云天氣下海風(fēng)強(qiáng)盛期全島最大風(fēng)速稍大，且在垂直方向上伸展的高度更高。移平地形后，晴空天氣下的全島風(fēng)速大大減弱，而多云天氣下全島風(fēng)速平均僅減少2～3 m·s-1。與晴空天氣相比，海風(fēng)環(huán)流的水平結(jié)構(gòu)在多云天氣條件下受地形的影響相對較弱。

4）海南島地形影響著局地海風(fēng)環(huán)流的發(fā)生發(fā)展。黎母嶺作為海島南部山區(qū)的代表性山峰，在CNTL試驗(yàn)中海風(fēng)受到地形動力、熱力作用的綜合影響，且其高度變化對地形動力作用的敏感性程度較大。

此外，本文僅選取一個(gè)多云天氣下的海風(fēng)個(gè)例探討地形對海南島海風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響，具有一定的局限性，未來仍需更多的個(gè)例對相關(guān)結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。

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Numerical simulation of impact of topography of Hainan Island on structure of local sea breeze circulation under cloudy weather

WANG Lingzi1，2，3，MIAO Junfeng1，2，GUAN Yuping4，5，6

1School of Atmospheric Sciences，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China;

2Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Hainan Province，Haikou 570203，China;

3Power Dispatching and Control Center of China Southern Power Grid，Guangzhou 510623，China;

4State Key Laboratory of Tropical Oceanography，South China Sea Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510301，China;

5College of Earth and Planetary Sciences，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China;

6Zhuhai Joint Innovative Center for Climate-Environment-Ecosystem，Zhuhai 519078，China

Based on a typical case of sea breeze under the cloudy weather in Hainan Island，this paper simulates the structure of local sea breeze circulation by using the WRF model（Version 3.7），analyzes the evolution characteristics of sea breeze circulation，and explores the influence of the complex topography on the structures of local sea breeze circulation and the distribution of cloud water by designing the sensitivity experiments with different terrain heights in Hainan Island.Results show that the topography can significantly affect the structure of sea breeze circulation and the distribution of cloud water mixing ratio.The steep mountain area in the western Hainan Island results in the forced lifting of sea breeze.The southerly background wind causes obvious high-altitude back-flow in the northern Hainan Island.A nearly complete structure of sea breeze is revealed in the western and northern Hainan Island.The higher the terrain height is，the stronger the blocking effect of mountain area in the southern Hainan Island is，the more significant the high-altitude back-flow characteristics of sea breeze in the western Hainan Island，and the further the position of cloud water mixing ratio in the western and northwestern Hainan Island is in the inland.Under the influence of the South China Sea monsoon，compared with the clear weather，the maximum wind speed of the whole island is slightly larger in the strong period of sea breeze and the height of sea breeze in the vertical direction is higher under the cloudy weather.After moving the terrain，the average wind speed of the whole island under the cloudy weather only decreases by 2—3 m·s-1，while under the clear weather，the wind speed of the whole island is greatly weakened，that is to say，the influence of the topography on the horizontal structure of sea breeze circulation under the cloudy weather is weaker than that under the clear weather.

Hainan Island;complex topography;sea breeze circulation;cloud water distribution;sea breeze convection

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20181009008

（責(zé)任編輯：張福穎）