西安及周邊區(qū)域冬季風(fēng)場(chǎng)特征的數(shù)值模擬分析

吳素良，程 路,2，胡淑蘭，2，王 琦，張 俠,2，張文靜

(1.陜西省氣候中心，西安 710014；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710016)

風(fēng)是空氣流動(dòng)引起的一種自然現(xiàn)象，是由太陽(yáng)輻射熱引起的[1]。風(fēng)對(duì)天氣氣候、環(huán)境空氣質(zhì)量有著重要影響[2]，尤其是低空風(fēng)對(duì)人類(lèi)的生產(chǎn)生活[3-4]有著重要影響。隨著城市發(fā)展與開(kāi)發(fā)，西安市城區(qū)建筑密度逐年增加，下墊面變得更為粗糙，城區(qū)氣象站風(fēng)速普遍呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，空氣污染[5]和城市熱島日益加劇[6]。由于目前國(guó)家氣象觀測(cè)站較少，自動(dòng)站的觀測(cè)點(diǎn)不夠密，其代表性不夠理想，因此仍不能滿足應(yīng)用要求。通過(guò)數(shù)值模擬，可以給出時(shí)間間隔短、空間間隔小的資料序列，既可用于污染參數(shù)與模式計(jì)算[7-8]，又能研究區(qū)域不同時(shí)段流場(chǎng)主要特征與局地環(huán)流的變化規(guī)律，對(duì)合理規(guī)劃城市整體結(jié)構(gòu)[9-10]、緩解城市熱島效應(yīng)，形成舒適、節(jié)能的城市空間環(huán)境有著重要的意義。目前，WRF模式廣泛用于風(fēng)場(chǎng)模擬[11-12]，較前的MM5中尺度預(yù)報(bào)模式也有著廣泛應(yīng)用[13]。小范圍風(fēng)場(chǎng)的模擬則有CFD(computational fluid dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))類(lèi)軟件[14-15]。

1 數(shù)值模式的選取

為了更好地獲取西安的風(fēng)場(chǎng)，選用新一代高分辨率中尺度預(yù)報(bào)模式——WRF模式(weather research and forecasting model，WRF Mode1)。該模式為完全可壓非靜力模式，采用Arakawa C網(wǎng)格，為集數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、大氣模擬及數(shù)據(jù)同化于一體的模式系統(tǒng)，能夠更好地改善對(duì)中尺度天氣的模擬和預(yù)報(bào)。數(shù)值模擬使用的是當(dāng)前較新且比較穩(wěn)定的3.6版本。

2 數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)值模擬方案

模式采用3重區(qū)域嵌套，第一重包含青藏高原及沿海等影響天氣系統(tǒng)的地理區(qū)域，水平尺度27 km×27 km；第二重水平尺度分別為9 km×9 km；第三重覆蓋陜西省，水平尺度分別為3 km×3 km，垂直模擬層數(shù)為49層。初始場(chǎng)利用NCEP 1°×1° FNL再分析資料，包括溫度、濕度、氣壓、降水、水汽、風(fēng)分量等。同化方案采用3DVar，將NCEP DS337.0觀測(cè)數(shù)據(jù)同化到初始場(chǎng)和邊界場(chǎng)中。使用數(shù)據(jù)包括：緯向風(fēng)分量u、經(jīng)向風(fēng)分量v、垂直風(fēng)分量w，主要用于分析模擬區(qū)域的流場(chǎng)、速度場(chǎng)。

圖1為風(fēng)場(chǎng)分析的模擬區(qū)域及東西向和南北向剖面選取位置。文中北部山區(qū)指渭北海拔高度大于600 m的地區(qū)，南部山區(qū)指渭河以南海拔高度大于600 m的地區(qū)。模擬區(qū)域指圖1所含范圍：東到渭南，西含禮泉，北達(dá)銅川，南至秦嶺；西安城區(qū)指渭河以南、終南大道以北、東三環(huán)以西、灃河以東范圍內(nèi)人口、機(jī)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)、文化高度集中的區(qū)域；西安周邊指圖1內(nèi)距離城區(qū)較遠(yuǎn)的區(qū)域。

圖1 西安風(fēng)場(chǎng)模擬區(qū)域、地形與垂直剖面位置圖

2.2 WRF模式參數(shù)化方案

微物理過(guò)程：lin方案，較為復(fù)雜，考慮了水不同相態(tài)的變化。長(zhǎng)波輻射：RRTM方案，是一種快速輻射傳輸模式。短波輻射：RRTMG方案，考慮到了隨機(jī)云重疊的過(guò)程。表層：Pleim-Xiu表面層方案。陸面層：Pleim-Xiu路面模式，與表層方案相對(duì)應(yīng)。行星邊界層：Mellor-Yamada-Janjic TKE方案。積云參數(shù)化：采用NCEP業(yè)務(wù)使用的Betts-Miller-Janjic方案。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同高度風(fēng)場(chǎng)特征

冬季包括12月、1月和2月。1月是西安平均溫度最低的月份，選擇2015—2017年代表月 1月的模擬結(jié)果，用于分析西安冬季的風(fēng)場(chǎng)特征。圖2為2015—2017年不同高度平均風(fēng)場(chǎng)。1月10 m高度平均風(fēng)場(chǎng)：模擬區(qū)域風(fēng)場(chǎng)總體呈氣旋狀，中心位置在西安三環(huán)東北段附近，風(fēng)速小于0.5 m/s；渭北風(fēng)速大，在1.5 m/s以上，風(fēng)向基本為東北風(fēng)和東東北風(fēng)；咸陽(yáng)及其以西風(fēng)速小，不足1 m/s，多為偏西風(fēng)；秦嶺北部風(fēng)速較小，大部分為偏西風(fēng)，藍(lán)田附近則為偏南風(fēng)。0.1 km高度平均風(fēng)場(chǎng)：模擬區(qū)域風(fēng)場(chǎng)總體也呈氣旋狀，中心位置在驪山附近，中心風(fēng)速不足1 m/s；渭北風(fēng)速最大，達(dá)3 m/s，大部分為東北風(fēng)和東東北風(fēng)；渭河沿線風(fēng)速相對(duì)較小，不足1.5 m/s，其西部以北風(fēng)為主，東部多為東北風(fēng)；秦嶺附近風(fēng)速在1.5 m/s左右，基本為偏西風(fēng)。0.5 km高度平均風(fēng)場(chǎng)：渭北風(fēng)速大，大部地區(qū)大于2 m/s，風(fēng)向主要為東北風(fēng)和北風(fēng)；秦嶺附近風(fēng)速其次，風(fēng)向多為偏西風(fēng)；驪山為風(fēng)速低于1 m/s的低值中心，其風(fēng)向多為偏北風(fēng)。1 km高度平均風(fēng)場(chǎng)：模擬區(qū)域西北部山區(qū)、南部山區(qū)風(fēng)速大，介于1.5～3.5 m/s，風(fēng)向多為西北風(fēng)；模擬區(qū)域的中部風(fēng)速小，不足1 m/s，大部分為偏北風(fēng)，南部基本為偏西風(fēng)。2 km高度平均風(fēng)場(chǎng)：模擬區(qū)域西北部山區(qū)、南部山區(qū)風(fēng)速大，介于4.5～6 m/s；咸陽(yáng)、興平與戶縣一帶風(fēng)速較小，低于4 m/s；整個(gè)區(qū)域均為偏西風(fēng)。5 km高度平均風(fēng)場(chǎng)：模擬區(qū)域西北部山區(qū)、南部山區(qū)風(fēng)速大，介于18～21 m/s；咸陽(yáng)、興平與戶縣一帶風(fēng)速較小，低于17 m/s；整個(gè)區(qū)域均為西風(fēng)。

圖2 西安2015—2017年1月不同高度平均風(fēng)場(chǎng)(單位：m/s)

風(fēng)速與風(fēng)向的變化主要受地形影響。1月，受蒙古高壓影響，冷空氣南下，從渭北平原進(jìn)入關(guān)中地區(qū)。由于關(guān)中盆地西部窄，南有秦嶺山脈，進(jìn)入氣流會(huì)受阻變緩，并形成渦流狀。在0.5 km高度以下，風(fēng)向、風(fēng)速受地形影響較大，最大風(fēng)速在渭北地區(qū)；2 km高度風(fēng)向已基本不受地形影響，整個(gè)區(qū)域均為偏西風(fēng)，盆地上空風(fēng)速受影響較小。5 km高度風(fēng)向全部變?yōu)槲黠L(fēng)，秦嶺上空風(fēng)速大，盆地風(fēng)速小，但相對(duì)差異明顯變小。

圖3為2015—2017年1月10 m～5 km高度上的平均垂直速度場(chǎng)。盆地地區(qū)平均垂直速度基本為0 m/s，南部、北部山區(qū)有弱的下沉氣流。0.1 km高度模擬區(qū)域盆地地區(qū)有弱的上升氣流,平均垂直速度不足0.02 m/s，周至南部山區(qū)可達(dá)0.04 m/s，北部山區(qū)有下沉氣流。0.5 km高度模擬區(qū)域盆地地區(qū)有弱的上升氣流,西安與咸陽(yáng)以北平均垂直速度一般小于0.01 m/s，西安與咸陽(yáng)以南大于0.01 m/s，周至南部山區(qū)可達(dá)0.04 m/s，西北山區(qū)、東南山區(qū)有下沉氣流。1 km高度盆地大部分地區(qū)有弱的上升氣流, 平均垂直速度一般為0.01 m/s，長(zhǎng)安區(qū)有0.02 m/s上升氣流，其南部山區(qū)有下沉氣流可達(dá)0.03 m/s，西北山區(qū)有下沉氣流。2 km高度模擬區(qū)域盆地及以北地區(qū)有弱的、零散的上升氣流, 平均垂直速度一般為0.01 m/s，南部山區(qū)有下沉氣流，為0.01 m/s。5 km高度氣流垂直速度較小，大部分介于-0.01～0.01 m/s之間?？傮w上南北兩端存在較強(qiáng)的下沉氣流，盆地存在上升氣流，上升氣流中心位于33.7°N、108.5°E。

圖3 2015—2017年1月不同高度平均垂直速度場(chǎng)(單位：m/s)

3.2 不同剖面風(fēng)速特征

圖4a為2015—2017年1月平均速度東西向剖面。1 km以上模擬區(qū)域風(fēng)速隨高度增加，東部風(fēng)速相對(duì)較大； 109.1°E以西0.2 km高度以上有約0.5 km厚度、風(fēng)速大于1.6 m/s相對(duì)大風(fēng)速帶，之上至1 km為一相對(duì)小風(fēng)速區(qū)。2015—2017年1月平均速度南北向剖面(圖4b)顯示，1 km以上模擬區(qū)域風(fēng)速隨高度增加，南部風(fēng)速相對(duì)較大，北部較小，中部最小。34.4°N以北0.05 km高度以上有約0.3 km厚度、風(fēng)速大于2.5 m/s的相對(duì)大風(fēng)速帶，其上至1 km為相對(duì)小風(fēng)速區(qū)。

圖4 2015—2017年1月平均風(fēng)速(單位：m/s)東西向(a)與南北向(b)剖面

3.3 不同剖面垂直速度日變化特征

從2015—2017年1月東西向剖面平均垂直速度日變化(圖5，有些時(shí)刻省略)可見(jiàn)，21時(shí)低層1.5 km以下為較強(qiáng)上升氣流，中心高度在0.5 km，近地面有下沉氣流，東部比較強(qiáng)。2.5 km以上西部、中部為下沉氣流，東部為上升氣流。22時(shí)東部局地環(huán)流明顯，西部多下沉氣流，中、東部上升氣流與下沉氣流相間。之后氣流不斷變化，但低層為上升氣流，高層為下沉氣流的特點(diǎn)在10時(shí)前基本不變。11時(shí)起， 整個(gè)剖面基本為下沉氣流，13時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，在中西部1 km上下、高層中部偏東的地方有較強(qiáng)下沉氣流，東部低層為一小范圍較強(qiáng)上升氣流。14時(shí)后，下沉氣流減弱，15時(shí)1 km高度有4個(gè)較強(qiáng)下沉氣流中心，16—19時(shí)，有零散上升氣流出現(xiàn)、加強(qiáng)，下沉氣流逐漸減弱，局地環(huán)流明顯。20時(shí)局地環(huán)流減弱，低層以上升氣流為主，高層以下沉氣流為主。

圖5 2015—2017年1月東西向剖面不同時(shí)刻平均垂直速度(單位：m/s)

從圖6可見(jiàn)，21時(shí)中北部1 km高度為較強(qiáng)上升氣流中心，其上部有下沉氣流，南部有弱上升氣流，最南部為下沉氣流，最南部近地層下沉氣流強(qiáng)度較大。21—11時(shí)，上升氣流由強(qiáng)轉(zhuǎn)弱，且主要出現(xiàn)在低中層；下沉氣流則是由弱變強(qiáng)，由高層向地面發(fā)展。12時(shí)以后，下沉氣流占主導(dǎo)地位，并在14時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，其間，秦嶺腳下存在一小塊上升氣流區(qū)。15時(shí)后，下沉氣流開(kāi)始減弱，上升氣流加強(qiáng)，且19時(shí)的上升氣流區(qū)比20時(shí)的大。

圖6 2015—2017年1月南北向剖面不同時(shí)刻平均垂直速度(單位：m/s)

對(duì)21—20時(shí)平均垂直風(fēng)速進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析(EOF)，東西向剖面第1、第2模態(tài)見(jiàn)圖7a、圖7b，相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)見(jiàn)圖8a、圖8b。從圖7a可見(jiàn)，主城區(qū)以上升氣流為主， 東部以下沉氣流為主，西部存在較強(qiáng)的局部下沉氣流。從第1模態(tài)時(shí)間系數(shù)來(lái)看(圖8a)，前半夜較高，后半夜較低，13—17時(shí)小于0 m/s,14時(shí)最小。此變化表明，夜間主城區(qū)上升氣流旺盛，郊區(qū)為下沉氣流，此循環(huán)白天開(kāi)始減弱，并在下午變成主城區(qū)為下沉氣流，郊區(qū)為上升氣流。

圖7 2015—2017年1月東西向剖面垂直速度第1(a)、第2(b)模態(tài)

圖8 2015—2017年1月東西向剖面垂直速度第1、第2模態(tài)時(shí)間系數(shù)

第2模態(tài)(圖7b)以下沉氣流為主，中西部有多個(gè)較強(qiáng)上升氣流。第2模態(tài)時(shí)間系數(shù)(圖8b)和第1模態(tài)時(shí)間系數(shù)變化基本相反，第2模態(tài)場(chǎng)后半夜和白天以下沉氣流為主， 前半夜則以上升氣流為主。從表1來(lái)看，前2個(gè)模態(tài)方差貢獻(xiàn)率大于70%，基本可代表剖面垂直速度的變化特征。

表1 2015—2017年1月東西向剖面垂直速度前10個(gè)模態(tài)方差貢獻(xiàn)率 %

南北向剖面平均垂直風(fēng)速經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析第1、第2模態(tài)見(jiàn)圖9a、圖9b，相對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)見(jiàn)圖10a、圖10b。從圖9a可見(jiàn)，主城區(qū)既有上升氣流又有下沉氣流，北部以弱的下沉氣流為主，南部存在較強(qiáng)的局部下沉氣流。從第1模態(tài)時(shí)間系數(shù)來(lái)看(圖10a)，夜間比較高，08時(shí)后迅速減小，13—15時(shí)小于0 m/s,14時(shí)最小。此變化表明，夜間主城區(qū)有一定的上升氣流，郊區(qū)多為下沉氣流。此循環(huán)在日間開(kāi)始減弱，并在下午變成主城區(qū)為弱的下沉氣流，郊區(qū)為弱的上升氣流。

圖9 2015—2017年1月南北向剖面垂直速度第1(a)、第2(b)模態(tài)

圖10 2015—2017年1月南北向剖面垂直速度第1、第2模態(tài)時(shí)間系數(shù)

第2空間模態(tài)顯示中北部以下沉氣流為主，南部下沉氣流間有多個(gè)較強(qiáng)上升氣流(圖9b)。第2模態(tài)時(shí)間系數(shù)和第1模態(tài)變化基本相反(圖10b)，第2模態(tài)場(chǎng)白天以下沉氣流為主，15時(shí)最強(qiáng)；21、22時(shí)上升氣流較強(qiáng)，夜間其他時(shí)間垂直速度趨于0 m/s。從表2來(lái)看，前2個(gè)模態(tài)方差貢獻(xiàn)率大于76%，基本可代表剖面垂直速度變化特征。

表2 2015—2017年1月南北向剖面垂直速度前10個(gè)模態(tài)方差貢獻(xiàn)率 %

4 結(jié)論

(1)西安及其周邊區(qū)域1月流場(chǎng)接近地面為一氣旋狀，在10 m高度位于西安三環(huán)東北段附近，且隨高度增加向東偏移；到0.5 km高度演變成槽狀，1 km高度演變成“Z”形狀，2～5 km由偏西風(fēng)變化為西風(fēng)。

(2)模擬區(qū)域1月平均風(fēng)速具有秦嶺山區(qū)、渭北山區(qū)大，渭北平原地區(qū)小的特點(diǎn)， 1 km高度以下大部分的平均風(fēng)速不超過(guò)3 m/s，有相當(dāng)一部分平原地區(qū)低空平均風(fēng)速小于1 m/s。部分地區(qū)在0.3～1.4 km高度有小風(fēng)速區(qū)存在。1 km高度以上風(fēng)速隨高度增加；

(3) 1 km高度以下，關(guān)中盆地有上升氣流，南部山區(qū)、北部山區(qū)有下沉氣流，上升氣流與下沉氣流最大速率為0.04 m/s。上升氣流中心位于33.7°N、108.5°E。

(4) 1天大部分時(shí)間之中，西安周邊為下沉氣流，市區(qū)為上升氣流。此環(huán)流夜間最強(qiáng)，晝間開(kāi)始減弱， 11時(shí)之后，整個(gè)剖面基本為下沉氣流，在13、14時(shí)達(dá)到最強(qiáng)。15時(shí)之后，下沉氣流開(kāi)始減弱，有零散的上升氣流出現(xiàn)、加強(qiáng)，并逐步演變?yōu)槌菂^(qū)為上升氣流，周邊為下沉氣流。