宁波地区海风环流的数值模拟分析

蒋咏纯

摘 要：利用1km分辨率的WRF模式对2010年8月24日至8月26日宁波地区的海风环流进行了数值模拟分析，根据模拟结果，分析了宁波地区海风环流各要素等变化特征，通过风场特征讨论了海风环流的时空演变特征。结果表明：WRF模式能较好地模拟海风环流各个气象要素的变化特征；海风环流发生时间为中午12：00左右，发展最强盛时期在下午16：00，海风在底层最先发展、在底层最先消失；陆风、海风最大值出现时间分别对应在温度的日最低值和日最高值后，而陆风转海风则出现在全天气压变化的第一次峰值后；风速随着高度增高而减小，在陆风时段风速明显偏小，在海风时段风速明显偏大；在有利的天气尺度背景下，海风环流的发生、发展能够进一步加强。

关键词：宁波地区；海风环流；数值模拟

中图分类号：P732 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）23-0150-04

Numerical Simulation Analysis of a Sea Breeze Circulation in Ningbo

JIANG Yongchun

（Xinyang Meteorological Bureaue，Xinyang Henan 464000）

Abstract： Using 1km resolution WRF model， the sea breeze circulation numerical simulation in Ningbo on 24 to 26 August 2010 was simulated and analyzed， according to the simulation results， the characteristics of each element in Ningbo sea breeze circulation was analyzed， temporal and spatial variations discussed by the wind field characteristics of the sea breeze circulation .The results showed as follows： during this sea breeze circulation， WRF model successfully simulated the characteristics of each element. Period of sea breeze circulation occurred in around 12：00， the development of the most powerful and prosperous period in the afternoon 16：00， sea breeze appeared and disappeared firstly in the lower level. Land breeze，sea breeze maximum time correspond to the value of daily minimum and daily maximum value at a temperature， but the land breeze turned sea breeze after the first peak of the all-day changes in air pressure. The wind force decreased with height， in the land breeze time， the wind significantly smaller， and in the sea breeze time， the wind significantly larger. In a favorable weather scale background， the occurrence and development of the sea breeze circulation could further strengthen.

Keywords： Ningbo；sea breeze circulation；numerical simulation

1 研究背景

海陸风是由海陆热力性质差异引起的[1]，产生于大气低层的中尺度热力环流，其特有的有规律的陆风和海风变化，是沿海区域最显著的大气现象。许多研究表明，在地面气压梯度较弱、太阳辐射强、海陆温差大的条件下，有利于海风的形成。当海陆风环流产生时，往往可以触发沿海地区对流性天气的产生[2]。另外，由于海陆风是沿海地区特有的中小尺度环流系统，会影响当地的温度、湿度和风场分布，因此，通过与强对流天气系统相互作用，会给沿海地区带来各种气象灾害，从而会对当地气候及生态环境产生影响。可见，加强对沿海地区海陆风的研究十分重要。近年来，国内外对海陆风的研究取得了很大进展。

国外气象学者对海陆风的研究较早，Arlssar等对海陆风的数值模拟进行了全面总结。在我国，程志强[3]采用参数化的方式，通过一定的假设对运动方程进行简化；宋洁慧[4]等用分辨率为5km的WRF模式模拟宁波一次典型的夏季海陆风过程。

在日常的天气预报工作环节，海陆风环流是要考虑的重要因素，而海风环流作为沿海地区特有的中小尺度天气系统，是天气预报中的重点和难点。宁波地处宁绍平原，位于中低纬度的沿海地区，属北亚热带湿润季风气候，在冬夏季节，季风交替比较明显，海陆风现象比较显著。因此，本文选定宁波地区，采用1km分辨率的WRF模式对宁波地区的海风进行数值模拟，着重分析所模拟的海风环流的气象要素分布特征及日变化特征、宁波地区海风环流的时空演变特征，讨论海风环流的生成、发展及消亡阶段，对海陆风的研究具有重要意义。

2 模式介绍及模拟方案

WRF（Weather Research Forecast）模式系统在预报对流天气的系统、涡旋中尺度对流的系统、天气要素的预报过程中都具有较好的性能[5]。为了准确探讨海风环流的时空演变特性，本文采用的模式版本为WRF-ARW V3.2.1，本文模拟的时间为2010年8月24日08：00至8月26日08：00（北京时间，下同），模拟结果是每小时输出一次。图1是模拟的宁波地区的区域图，模拟采用了双向反馈四重嵌套网格及最内层网格区域的地形[6]，采取的四重嵌套格点水平分辨率分别为27、9、3km和1km，四重网格垂直的方向按照σ位面均具有不等间距的35层。模式模拟的最外层区域D1区域是我国中东大部地区，提供了大的背景强迫，中心点是121.59°E，29.67°N。最内层网格区域D4区域覆盖了宁波及其周边地区，这个区域是本文的研究区域，格点数160×166。

3 模拟结果

3.1 风场特征

3.1.1 水平变化。应用WRF数值预报模式模拟了宁波地区2010年8月25日近地面10m水平风场变化（见图2），这一天是一次典型的海陆风日，该模式成功模拟了海风环流的时空演变过程。当有海风建立或消亡时，近地面10m高处的风速和风向会发生明显突变，并且在海风发展旺盛阶段会出现风速的极大值，而海陆风发生时的基本特征之一便是出现昼夜风向的转换，这种转换既存在风向的瞬时突变，又伴有风向的持续性变化。

从图2（a）可以看到，早上07：00，风场基本平行于海岸线，而从阴影部分所显示的水平风速可以看出，陆地的风速在3m/s左右。随着海风的形成，宁波大部分地区将受到海风环流的控制。到14：00，如图2（b）所示，海风较之前有了明显发展，有较为明显的乱流和环流出现，宁波东部地区的风速明显增大，空气开始从海洋吹向陆地。同时，图2（b）中所示线条处是西北部杭州湾南岸地区一条带状的辐合线，是海风和陆风的交接区域，即海风锋。在这种条件下，如果大气层结不稳定，则会具有向强对流天气发展的形势，并且伴随触发不稳定能量的释放，将会导致强对流天气的出现。16：00是海风发展最强盛的时期[见图2（c）]。此时，宁波大部分地区主要受到海风的影响，并且海风的风速最大值超过6m/s，相对应的，地面风速变化不大。到22：00，大部分海风风向已经平行于海岸线，海风转为陆风[见图2（d）] 。由此可见，海风的风速存在较为明显的日变化，但地面的风速并没有明显变化。当陆风转为海风时，地面的风速有着小幅度的增加。下午，随着温度的升高，海风风速增大，海风增强，而太阳辐射最强是在14：00左右，这时城市陆地会吸收到更多的热量，因此，城市的热岛效应会对下午的风场具有较大影响。海风环流的形成与发展不仅会受到气流和地形的影响，还会受到风速及城市热岛效应的影响。

3.1.2 垂直变化。选取模拟数据结果中的v、w分量（w放大了8倍），沿121°E做剖面，得到海风环流的垂直剖面图。图3为2010年8月25日宁波地区海风环流在垂直方向上的时空演变特征。从图3可以看到完整的海风环流时空演变过程。如图3（b）所示，在这一时刻，风向的角度变化比较明显，底层的空气很快增温且风向转为海风，海风明显发展，海风环流逐步加强，并且继续向内陆推进；直至16：00，海风环流特征最为明显。

从时间来看，海风环流是在中午12：00以前形成，16：00前后较为强盛，到夜间开始减弱，22：00基本为陆风控制。从风向来看，图3中明显存在着南风和北风的两个大值区，如图3（a）所示，底层开始由北风所控制，而图3（b）则可以看到底层风向开始从北风渐渐转为南风，直到16：00，底层基本由南风所控制。

3.2 气象要素特征

3.2.1 温度场变化。图4是2010年8月25日宁波地区14：00温度特征分布图和23：00温度特征分布图。从图4（a）可以清楚地看出，地面温度高于海面温度。该条件有利于海风的发展。而海陆温差是海风建立的先决条件之一。在实验中发现，一般情况下，水、陆温差要大于1.5℃时才会出现海风。14：00，海陆温差约3℃，这为海风的发展提供了有利的条件。从图4（b）可以看出，23：00，海面上的温度已经高于陆地上的温度。

海陆风的变化主要受到天气的影响。在晴朗天气下，气温以正弦曲线变化时，较易发生海陆风。从图5可以看出，平均气温日变化曲线图呈正弦形式。北京时间8月25日05：00，气温开始呈上升趋势，日最高气温出现在14：00，达到30.5℃，然后气温开始逐步下降。由此，结合图4可以得出，海岸线以西的陆地温度升高明显，到14：00，温度分布明显转变，陆地的温度开始略高于海域，逐渐转换为冷海暖陆的温度分布形势。综上所述，在早上，海陆温度的分布大致为暖海冷陆，之后温度分布形势开始转变，从14：00到日落时段，大致为冷海暖陆的温度分布形势。而海陆温度分布转变期间正是海风发展强盛的时期。因此，在海风环流发展时，温度也具有相应变化。

3.2.2 气压场变化。图6是2010年8月25日宁波地区的平均气压日变化图。如图6所示，早上08：00，气压达到最大值，随后逐步降低；14：00，气压达到最小值；14：00之后，气压呈上升趋势；晚上21：00，气压又开始降低。从图上可以清晰地看到白天与夜晚的气压差已大于1hPa，在这个特定的背景下，海风容易形成。

综上所述，陆风转海风出现在全天气压变化的第一次峰值后，海风最大值出现在温度的日最低值后，且出现强盛时期在相对湿度变化明显时刻。

因此，从海风垂直环流时空特征分布及气象要素日变化分析可以得到，海风出现时刻在09：00左右，处于地面陆风变为海风的转换期，形成时刻在12：00左右，海风环流在海岸线附近逐渐发展起来，开始向内陆推进，生成后风速迅速增加，相对湿度处于日变化中的下降期、气温处于日变化的上升期；16：00是海风环流发展最明显时刻，在这一时刻海陆温差、气压差达到最大值。

4 结论

①WRF模式成功模拟了2010年8月25日宁波地区的海风环流的时空演变特征，最终揭示了海风环流的发生、发展、消亡的过程。

②海风环流在12：00左右形成，在16：00发展最强盛，22：00左右逐步消亡，且在垂直方向上有明顯的闭合环流。海风发展最强盛时：在水平方向上，海风风速最大值超过6m/s，宁波北部沿岸地区的海风比南部明显；在垂直方向上，海风延伸高度可以达到800m，海风在底层最先发展、最先消失，且在底层的风速最大值超过5m/s。

③海风环流发生时期，平均气温存在明显的日变化特征。海风出现时期在全天气压变化的第一次峰值后；发展强盛时期，海风最大值出现在温度的日最低值后，温度与相对湿度的变化特征最为显著，表现为“一峰一谷”的形势，气温突然降低而相对湿度突然升高，海陆温差可达3℃左右、气压差可达1hPa以上。

参考文献：

[1]吴兑，陈位超，游积平.海口地区近地层流场与海陆风结构的研究[J].热带气象学报，1995（4）：306-314.

[2]董海鹰，邵玲玲，李德萍，等.青岛奥帆赛期间海风锋触发的对流性降水特征[J].气象，2008（s1）：47-53.

[3]程志强.海陆风环流的基本模式[J].热带海洋学报，1983（4）：296-301.

[4]宋洁慧，寿邵文，刘旭，等.宁波一次典型夏季海陆风过程观测分析和数值模拟[J].热带气象学报，2009（3）：336-342.

[5]Koch S E，Benjamin S G，Mcginley J A，et al. Real-time Applications of the WRF Model at the Forecast Systems Laboratory[C]//84th AMS Meeting， Seattle， U.S.A.Jan，2004.

[6]于恩洪.海陆风及其应用[M].北京：气象出版社，1997.