三峡坝区一次晴空大风天气过程的数值模拟与成因分析

2015-01-16向永龙雷东洋朱赟赟

绿色科技 2015年12期

关键词：坝区晴空风场

向永龙，雷东洋，朱赟赟，陈晨

(湖北省宜昌市气象局，湖北宜昌 443000)

三峡坝区一次晴空大风天气过程的数值模拟与成因分析

向永龙，雷东洋，朱赟赟，陈晨

(湖北省宜昌市气象局，湖北宜昌 443000)

指出了晴空大风是三峡坝区主要灾害性天气之一，因其地形复杂，下垫面类型多变，导致晴空大风可预测性相对较差。利用WRF模式模拟了2013年3月7日发生在三峡坝区的一次晴空大风过程，模拟的风速大小及演变趋势与实况较为接近。分析表明山谷风效应和三峡水库湖泊效应是引起此次晴空大风的主要原因。

WRF模式；数值模拟；晴空大风；山谷风；湖泊效应

1 引言

长江三峡工程自开始建设以来屡遭大风侵袭并遭受重大损失，特别是其工程建设逐渐完工、永久船闸投入使用以来，多次因大风造成长江封航。三峡坝区位于鄂西山区，地形复杂，其上游水面宽阔，下游河谷较深，沿河谷地区多高山，其湖泊效应与山地地形效应相结合，使坝区大风的可预报性降低。因此，分析三峡坝区大风天气成因，对提高复杂地形条件下大风天气形成机制的认识，加强坝区大风天气预报预警具有重要意义。关于对风的预报，一直是国内外气象工作者关注的热点问题之一。近年来，数值模式被广泛应用到了风的研究和预报中，尤其是WRF(Weather Research Forecasting)中尺度模式在风的预报与气象服务中得到了广泛应用[1～5]。然而，应用WRF对复杂地形环境下的风进行研究尚少。

三峡坝区常见大风过程有两种类型: 一种是伴随雷雨过程，多普勒雷达显示有明显回波活动的对流性大风天气过程(以下简称雷雨大风)，此类大风通常瞬时风速较大，但持续时间较短，一般对坝区航运影响不大，如2008年7月17日三峡坝区出现雷雨大风，日极大风速达30.1 m/s，日最大风速仅10.4 m/s，未对工程施工和船闸通航带来大的影响；二是雷达回波监测无明显降水系统活动，大风发生前后6 h内无降水的晴空系统性大风(以下简称晴空大风)，此类大风极大风速一般在13～20 m/s左右，风速大于20 m/s的较为少见，但大风持续时间长，对航运调度影响较大，造成三峡船闸长时间封航。统计结果表明：三峡坝区历年极大风速大于10.8 m/s的大风过程中，晴空大风约占45%，雷雨大风约占55%；而2005年以后的大风过程中，晴空大风占75%以上[6]。本文利用WRF模式，对三峡坝区复杂地形下一次晴空大风天气进行模拟，并对大风的形成原因进行了分析。

2 资料与方案设计

WRF模式系统是由美国研究、业务及大学的科学家共同参与开发研究的新一代中尺度预报模式和同化系统。该模式重点考虑从云尺度到天气尺度等重要天气的预报，水平分辨率重点考虑1～10 km，因而可以满足针对复杂地形进行的高分辨率的模拟。

图1 模拟嵌套区域

本文运用WRF3.1对2013年3月7日发生在三峡坝区的一次晴空大风天气过程进行模拟。由NCEP 1°×1°全球分析资料提供初始场和边界条件。模式采用二重嵌套(图1)，中心经纬度为30.8°N，110.2°E，各嵌套设置如表1。

3 天气实况

2013年3月7日08:00，500 hPa天气图上高空槽位于东南沿海一带，华中、华北及西北地区均受槽后偏北气流控制，此时中高纬整个欧亚大陆呈两槽一脊型：

表1 模拟嵌套的设置情况

从乌拉尔山东侧到新疆为一宽广的高压脊，在其两侧各有一冷涡存在，预示着当日三峡区域高空形势相对稳定。三峡坝区坛子岭气象资料和卫星云图也显示3月7日没有天气系统过境，从而可以排除天气系统对当地局地大气环流的影响。实况是：三峡坝区坛子岭气象站当日检测到12时38分出现瞬时风速为16.9 m/s的大风；10 min最大风速为11.2 m/s。

4 模拟结果及分析

4.1 模拟结果与实况的对比

图2、图3给出的是2013年3月6日20:00至7日20:00，三峡坝区坛子岭站1分钟平均风速随时间的变化曲线及模拟的风速时间变化曲线。风速实况(图2)显示7日12:00开始风速迅速增大，最大超过12 m/s，该站当日瞬时极大风速为16.9 m/s，出现在12:38，14时过后风速逐渐减小。模拟结果(图3)显示前期风速相对较小，10:00以后风速迅速增大，13:00左右风速达到最大值，最大风速超过12 m/s，随后缓慢减小。

图2 三峡坝区坛子岭站10分钟平均风速随时间(UTC)变化曲线

图4给出了2013年3月7日三峡坝区2 m温度模拟结果和观测值。观测结果显示3月7日三峡坛子岭逐小时最高温度为25.6 ℃，出现在16:00；最低温度为10.3 ℃，出现在07:00。WRF模式很好的模拟了近地面温度的日变化特征，对最高温度和最低温度的模拟与观测值较为接近。模拟结果在夜间降温比观测结果略晚，白天升温也比观测结果晚，造成这种差异的原因很有可能是模式系统误差造成的。对比模式对风速和温

图3 模拟的5分钟平均风速随时间(UTC)变化曲线

度的模拟结果可知，本次模拟与实况较为接近，能够反映出三峡坝区近地面层环流特征的基本情况。

图4 WRF模拟2 m温度曲线与三峡坝区坛子岭站逐小时观测值

4.2 风速演变趋势机理分析

图5给出的是宜昌地形高度场(填色区)、模拟不同时刻10 m风场(风矢量)，图中黑色圆圈位置为三峡坝区所在位置。图中显示三峡坝区以东为平原，海拔高度在200 m以下；西部为高山和河谷。高山地区最大高度超过1 400 m，三峡坝区一带河谷海拔在400 m左右，河谷和沿岸山地海拔落差超过1 000 m。模拟结果显示05:00(图5a)模拟区域内西部山区有明显的山风出现，在沿江河谷一带形成了较明显的下吹风区。风速自西部高山到东部平原呈减小趋势，自山顶到河谷呈增大趋势。坝区所在区域风速明显较大，平均风速约8 m/s。东部平原地势平坦，下垫面热力条件均一，风速较小，主导风向为偏北风。此时，由于夜间辐射降温，山顶温度低于峡谷内水体表面温度，温度分布不均引起气压梯度差，导致风从山顶吹向山谷，因此西部山区风速较大。

09:00(图5b)西部山区山风持续略有减弱，沿河谷一带风速继续维持，最大风速约10m/s，此时应该是山风向谷风转换的过渡期。从图中可以看出，沿河谷一带的偏西风在河谷南侧山区以东形成了绕山气流，绕山气流与河谷南侧越山气流相遇，形成辐散区。而东部平原上风速依然较小，主导风向变成一偏南风为主。

13:00(图5c)太阳辐射加强，山顶温度升高，而东部平原和峡谷内水体温度升温缓慢，导致山顶气压明显小于峡谷内气压，引起谷风加强，谷风主导风向为偏南风。由于环境风太强，越过河谷北侧山区，与谷风在河谷北侧山区以东汇合，形成明显绕山气流。

17:00(图5d)谷风进一步加强，环境风稍有减弱。谷风与环境风在山区与平原的交汇带汇合，形成辐合区,在北侧山区以东形成绕山气流。

综合模拟区域内水平风场变化可知，23:00～09:00风场以山风为主；09:00～12:00山风减弱，谷风还未出现，风场由环境风主导；12:00～18:00风场由环境风和谷风共同主导；18:00～23:00基本没有山谷风出现，风场以环境风为主。

图5 宜昌地形高度场(等值线区)及05:00(a)、09:00(b)、13:00(c)、17:00(d)模拟风场(风矢量)

为了更好地分析风场的环流特征，沿30.9°N从110°E到112.2°N作了垂直速度剖面(图6)，三峡坝区位于图中110°E附近。由图可知05:00(图6a)近地层大气中西部以下沉气流为主，三峡坝区附近大气下沉运动尤为明显，东部几乎没有大气的垂直运动。09:00(图6b)西部山区气流下沉运动更加明显，三峡坝区附近最大下沉速度超过15 cm/s。13:00太阳辐射进一步加强，山顶和峡谷内气压差更加明显，三峡坝区附近气流有上升运动，开始有谷风形成，但从此处之运动来看谷风较弱(图6c)。17:00太阳辐射继续维持，近三峡坝区上升运动进一步加强(图6d)，东部平原出现明显的下沉气流。由此可见，本次模拟中大气在垂直方向上的运动规律与风速在水平方向上的演变基本吻合，进一步证实了本次大风过程的山谷风特征。

另外三峡水库巨大的湖泊效应在山谷风形成的过程中也起了重要作用。在夜间辐射降温过程中，水面降温比一般峡谷降温更慢，增加了山顶和峡谷的温度差，促进了山风的形成；在白天辐射升温过程中，水体又能减缓峡谷的升温速度，增加山顶和峡谷的温度差，促进谷风的生成。

4.3 动量收支

已有研究表明，大气的垂直运动会造成水平动量在垂直高度上重新分布，因此动量垂直传输也可能对近地面风场产生一定的影响。图7给出的是三峡坝区坛子岭气象站水平动量垂直通量时间—高度剖面图。由图7可知，随着高空偏北气流的加强，该区对流层低层中有明显的垂直方向动量通量下传过程。近地层U方向和V方向动量在垂直方向上的传导具有很明显的一致性。11：00之前动量垂直传输微弱或具有较弱的动量上传，11：00之后动量通量下传极为明显，15：00左右达到峰值，U方向上中心强度超过-0.4 kg/m·s2，V方向上中心强度超过-0.25 kg/m·s2。高层的高值动量向边界层大气的输送，促使了低层晴空大风的出现。