边界层参数化对海南岛海风环流结构模拟的影响

杨秋彦，苗峻峰，王语卉,2

（1.南京信息工程大学大气科学学院，江苏南京210044；2.浙江省气象台，浙江杭州310016）

1 引 言

海陆风是沿海地区最显著的中尺度天气现象之一，是由海陆热力性质的非均匀性引起的大气次级环流[1-4]。沿海地区海陆风环流对雷暴、强降水等强对流天气变化及大气污染物的扩散等都有重要影响[5-8]。中尺度WRF模式拥有较高的分辨率，能够合理地描述中小尺度天气过程的基本特征，是深入理解海风环流结构的重要工具。在数值模拟中，模拟存在误差的一个主要原因是模式物理参数化方案的不确定性，如积云对流方案、陆面过程、城市冠层方案及边界层方案等[9-14]。而海风作为典型的中尺度环流，它的模拟对于边界层参数化方案的改变比较敏感，这是由于边界层在很大程度上影响着海、陆、气之间的热量、动量及能量的交换。

近年来，WRF模式中边界层参数化方案对各种天气现象的敏感性研究越来越受到国内外学者的重视[15-17]。Hu等[18]指出，非局地方案YSU和ACM2比局地方案MYJ的模拟结果更接近观测。Xie等[19]通过WRF模式对香港地区部分气象要素进行模拟时发现：由于局地方案低估了对流边界层顶的夹卷热通量，使得非局地方案模拟的湍流混合强度明显强于局地方案。徐慧燕等[20]利用WRF模式中七种边界层参数化方案（MYJ、QNSE、YSU、ACM2、MYNN2.5、MYNN3、Boulac）对长江中下游降水进行模拟，通过对比发现QNSE方案的模拟能力相对优于其它方案。Hariprasad等[21]通过探究7种边界层参数化方案（YSU、MYJ、MYNN2.5、BouLac、UW、ACM2、QNSE）的模拟结果与观测的对比，指出MYNN2.5和YSU方案的模拟效果最佳。王子谦等[9]也提出BouLac和MYJ对东亚夏季风的模拟结果相对于YSU和ACM2更接近观测，其主要原因是非局地方案的边界层垂直混合偏强，使得潜热通量偏强，对流更活跃，导致降水偏多及相应季风环流的异常偏差。黄文彦等[22]比较了5种不同边界层参数化方案（YSU、ACM2、TEMF、MYJ、UW）模拟的边界层热力和动力结构，指出非局地YSU和ACM2方案在白天表现出强的湍流混合和卷夹，相比于局地MYJ、UW方案更接近观测。Krogster等[23-24]对比了 5种边界层方案（YSU、ACM2、QNSE、MYJ、MYNN2）对风速及风切变、边界层高度与大气稳定度的模拟效果发现，MYJ模拟能力强于其它方案。高笃鸣等[25]研究了四川盆地夏季降水并评估了3种边界层参数化方案（MYJ、YSU、ACM2）的模拟能力，提出ACM2方案在保证足够湍流混合强度的同时，在较稳定的条件下会关闭非局地输送，不至于产生过强降水，适合盆地较小量级降水的数值模拟。Dimitrova等[26]通过对比 6种边界层参数化方案（YSU、ACM2、MYJ、MYNN、BouLac、QNSE）的模拟结果与 Matterhorn地区观测数据，发现YSU和QNSE的模拟结果更有优越性。陈杨瑞雪等[27]采用1.11 km水平网格距的WRF模式模拟一次梅雨锋暴雨，发现不同边界层参数化方案（YSU、MYJ）和陆面过程参数化方案（SLAB、Noah、RUC）主要影响模拟的强降水位置和强度，采用MYJ边界层方案模拟的强降水更接近观测，采用YSU方案模拟的强降水偏弱。Salvador等[28]采用3种边界层方案（YSU、MYJ、ACM2）和 2种陆面方案（Noah、RUC）模拟海风发生时的环流场，特别关注对于空气污染物扩散有重要影响的热内边界层，发现MYJ和Noah方案组合时的模拟结果与实况最接近。总之，边界层参数化方案的选择对天气过程的模拟有重要影响。以往的研究对象多为强对流天气及季风，且在前人关于边界层参数化的数值模拟研究中，仅改变边界层方案的模拟研究相对较少[29-31]，绝大部分研究往往是以陆面过程方案或近地层方案与边界层参数化方案作为一个整体被改变的[20,26]，这样便难以区分模拟结果的差异是由何种方案引起的。

海南岛是位于中国雷州半岛南端的岛屿，也是中国唯一的热带省份，具有独特的地形结构，同时土地利用类型较多样化，是海陆风及强对流天气的高发区[32-34]。在以往的研究中，关于边界层参数化方案对海风环流影响的研究往往配合其它方案同时变化，对于耦合同一近地层方案和陆面过程方案的边界层参数化方案对海风环流的敏感性研究还较少[35]。因此本文利用中尺度数值模式WRF V3.7，在杨秋彦等[36]研究基础上采用8种不同的边界层参数化方案对海南岛晴空天气条件下的海风环流进行高分辨率数值模拟和敏感性数值试验研究，以了解仅改变边界层参数化方案时所模拟的海风环流结构的差异，旨在为模式的应用和改进提供依据。

2 个例概况

本文选取2014年5月25日晴空天气下的海风个例进行数值模拟。根据08时NCEP-FNL 1°×1°资料500和850 hPa等压面上的环流形势（图略）可知，当天的大尺度环流背景场较弱，利于海风发生、发展。从卫星云图及探空图上看出（图略），当天少云且无风切变。此外，根据海南省19个常规气象站的风向、风速分布可见，10时左右多数气象站的风向发生较大转变，风速也明显增加，海风逐渐发展起来，至15时左右，海风发展达到强盛；20时各站风速明显减小，风向也由向岸转为离岸，海风趋于结束。杨秋彦等[36]对此次海风过程进行了较为详细的介绍和讨论。

3 边界层参数化方案介绍和模式定制

3.1 边界层参数化

WRF V3.7中共有13种边界层参数化方案可供选择使用，本文着重分析其中可与同一陆面过程（Noah）、近地层参数化方案（MM5 Monin-Obukhov Similarity）相耦合的8种不同边界层参数 化 方 案（YSU、MYNN2.5、MYNN3、ACM2、BouLac、UW、SH和GBM）。这样做的目的是便于区分使用不同边界层参数化方案所引起的模拟结果差异，以减少不确定性。

（1）YSU（Yonsei University）方案[37]是目前采用最多的一种非局地K理论方案。该方案在控制方程中加入逆梯度项，以此来表示非局地通量。此方案不仅考虑了边界层内的局地湍流扩散作用，同时还考虑了对流性的大尺度湍涡所导致的非局地混合作用及边界层顶的夹卷过程。

（2）MYNN2.5（Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino Level 2.5）方案[38]是在原 M-Y Level 2.5 基础上改进而来的，能预报次网格尺度的湍流动能。与MYJ方案类似，两个方案都假定湍流输送是基于反梯度扩散假设的。所不同的是MYNN2.5方案将气压相关项进行了参数化处理，并考虑了浮力对气压相关项的影响，引进了代表浮力和切变作用的一组闭合参数。

（3）MYNN3 （Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino Level 3）方案[39]能预报湍流动能和其它二阶项。是基于M-Y level 3改进而成的。另外，此方案中融入了凝结物理过程且改进了主长尺度与闭合数，因而使得其对于混合层厚度的预报和湍流动能（Turbulent Kinetic Energy，TKE）的量级有所降低。MYNN2.5与MYNN3的区别主要体现在计算量上，后者需要花费更大的计算量。

（4） ACM2（Asymmetric Convective Model Version 2）方案[40]是非对称对流模式的第二个版本，运用了非局地向上混合和局地向下混合。方案结合了ACM对流方案和涡动扩散模型，其特点是通过调节湍流扩散项和非局地项之间的比例系数，来实现从稳定条件下的涡动扩散算法到不稳定条件下局地和非局地输送算法的平缓交换。

（5）BouLac（Bougeault-Lacarrère）方案[41]是一种局地湍流动能闭合模型，该方案源于Kolmogorov湍流理论，其认为湍流动量交换系数和湍流动能的平方根成正比，由此得到的关系式和运动方程与湍流动能方程共同构成闭合方程，此方程中所包含二阶距项依然采用K理论来进行参数化处理。

（6）UW（University of Washington）方案[42]是WRF V3.3中新推出的一种湍流动能方案，来自GESM气候模式。目的是模拟更真实的海洋上层云覆盖下的边界层状况。该方案的主要特色是引入了水汽守恒变量及对流层的显式夹带闭合，并通过诊断湍流动能来计算湍流扩散，为湍流动能传输引入了一个新方程，并统一处理所有大气柱中的湍流层。

（7）SH（Shin-Hong）方案[43]是一种次网格尺度的湍流输送方案，主要描述对流边界层灰色区域内的特征。其主要特点是：①强的非局地向上混合与小尺度涡动的局地输送在计算上是相互分离的；②通过增加一个次网格尺度局地输送廓线与大涡模拟输出相互依赖的函数来描述次网格尺度非局地输送；③通过制定一个依赖总的局地输送廓线的函数来描述次网格尺度的局地输送。

（8）GBM（Grenier-Bretherton-McCaa）方案[44]是一种湍流动能闭合方案，该方案包括一个1.5阶的湍流闭合模型，在边界层顶运用夹卷闭合技术，有效地改进了云顶长波辐射的散射状况，确保了浮力产生廓线的合理准确性。可以在给定的有限垂直分辨率下提供有效准确的有云层覆盖下的边界层模拟。

综上所述，YSU、ACM2和SH是非局地闭合方案，它们在计算每个格点上的脉动通量时综合考虑了该格点及周边格点的影响。而MYNN2.5、MYNN3、BouLac、UW和GBM为局地湍流动能闭合方案，假设每个格点上的脉动通量完全由该格点上物理量的平均量决定[9]。

3.2 模式定制与试验设计

本文采用中尺度WRF-ARW模式（Version 3.7）对此次海风环流过程进行数值模拟。初始场和边界条件采用分辨率为1°×1°的NCEP-FNL再分析资料。模拟的起始时间为2014年5月24日00:00 UTC（即 24 日 08:00 LST），共积分 40 h，前16 h为模式积分起转调整（spin-up）时间，后24 h的模拟结果用于分析，模式结构类似于王语卉等[34]、韩芙蓉等[45]和杨秋彦等[36]。模式选用双向反馈的四重嵌套方案，最外层嵌套几乎包括整个中国，最里层嵌套区域为海南岛及其周边海域（图1a）。四重嵌套的水平网格数及分辨率分别为200×200（27 km）、208×202（9 km）、238×226（3 km）和376×373（1 km）。垂直方向按照上疏下密的原则设为35个不等距的σ层，模式层顶气压为100 hPa。具体采用的物理参数化方案见表1。此外，本文还采用WRF V3.7中新的地形数据与NCEP提供的MODIS_30s全球陆面遥感数据，能够相对真实地反映海南岛的地形（图1b）和土地利用情况。

图1 模拟的四重嵌套区域示意图（a）和D4区域的地形分布（b，阴影，单位：m）

本文共设计8组试验（表1），分别采用8种边界层参数化方案，数值试验名称以边界层参数化方案名称命名。此8组试验中，除边界层参数化方案外，所有的物理过程及模式配置完全一致，这样便于探讨不同边界层参数化方案对模拟结果的影响。

表1 模式主要物理参数化方案设置

4 模拟与观测对比

为评估模拟效果，图2给出了19个常规气象站模拟与观测的风场对比。观测结果表明，各站海风开始时间大致为09时，此时风向发生大于30°的转变，风速也明显增加，海风特征显著[33]，约在20时海风结束，逐渐转为陆风。对比模拟结果可知，8个方案基本合理地模拟出海风的发生、发展情况，海口、琼山、三亚站的风向与观测相差略大，风速基本一致；其它气象站的风矢量基本与观测重合，仅个别时次存在风速、风向偏差。此外，8个方案间的各站风场差别较小。

图3为模拟的海口与三亚站08时风速、风向廓线与观测的对比。由图3a、3b可知，除海口站在0.8 km以下模拟风速偏大、存在小的不稳定外，5 km以下其它高度层的风速模拟效果均较好，5 km以上高度层则与实际偏离较大，但总体线型较为一致。模拟的风向（图3c、3d）整体变化趋势和转折点与实际观测情况较为吻合，其中海口站2～4 km处的转折点偏低，4 km以上基本一致；三亚站则在3 km以下模拟较好，3 km以上较平直，与观测存在偏差，但整体的模拟效果在可接受的范围内。

依据Miao等[13]与Dimitrova等[26]计算平均误差（Mean Bias Error，MBE）、均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）、 标 准 差（Standard deviation，σdiff）与符合指数（Index of Agreement，IA），以此检验海口、三亚站风速和温度的模拟效果（表2、3），可见两站的温度均比风速的偏差（MBE、RMSE、σdiff）小、符合指数（IA）高，说明温度的模拟结果与观测更接近，效果更好。而其中海口站的温度、风速相比三亚站偏差更小，符合指数更高，因此8个方案对于海口站的模拟效果要优于三亚站。

总体而言，8个边界层参数化方案的模拟结果与实际变化情况较一致，能基本合理地表现出地面风场及各气象要素的演变特征，存在的误差是可以接受的。因此，其结果可用于研究8个边界层方案对海风环流模拟的差异。

图2 海南岛19个常规气象站风场的观测与模拟对比 单位：m/s。

图 3 海口站（a、c）、三亚站（b、d）的模拟与观测的 08:00 LST 风速（a、b，单位：m/s）和风向（c、d，单位：deg）廓线的比较

表2 海口站模拟的2 m温度和10 m风速的统计结果检验

表3 三亚站模拟的2 m温度和10 m风速的统计结果检验

5 模拟结果分析

5.1 边界层方案对海风水平结构的影响

与我国渤海湾、长江三角洲和珠江三角洲等沿海地区相比，海南岛的海风环流开始和达到强盛的时间偏晚，海风一般在09时开始，12时全岛海风形成，15—18时为海风强盛期，至21时左右才消退[34,45]。为讨论8种边界层参数化方案对海风环流水平结构模拟的影响，以下挑选15时（海风强盛时）的近地面水平风场进行分析。由图4可知，8种边界层参数化方案均模拟出当天海风，15时陆地温度较高，海风发展强盛，在各个方向均出现明显的由海洋吹向陆地的海风。

对于温度的模拟，MYNN2.5和MYNN3（图4b、4c）方案的岛屿东北部温度较低，仅为34～35℃，海陆温差相应偏低，驱动海风的热力条件较弱；其它方案均存在大于35℃的区域，其中YSU、SH和GBM模拟的温度相对更高，驱动海风发展的热力条件更强。在海岛西侧，8个方案均模拟出温度大值区，但大于35℃的范围有所差别，MYNN2.5、MYNN3和BouLac的范围相对较小，不利于西侧海风的发生、发展。对于风场来说，南北向海风于19.1°N附近相遇，发生碰撞辐合，东部和西部海风各向内陆传播约50 km和30 km，较南北向海风传播距离短，但强度偏大，可达7 m/s左右，而南北向海风最大仅为4 m/s左右。由于陆地摩擦作用大于海洋，使得沿海风速大于内陆。

8种方案模拟的海风强度和影响范围均存在差异，其中YSU、ACM2、BouLac、UW和SH模拟的北部海风强于MYNN2.5、MYNN3和GBM。同时BouLac方案（图4e）模拟的北部海风有向两侧辐散的趋势，大大抑制了海岛西侧由地形动力作用造成的绕流。SH和GBM模拟的内陆风速略大于其它6种方案，主要体现在18.6～19.5°N范围内，这可能是由于此2种方案模拟的温度大值区均高于其余6组方案所致。在海岛东部，GBM方案的海风强度最大可达7.5 m/s，另7种方案则基本在6～7 m/s之间，强度较GBM方案小。对于西侧和南侧海风的模拟，各个方案在风速上存在较小差异，但风向、强度及传播距离基本一致。总体来看，温度与海风强度基本对应，MYNN2.5与MYNN3方案的整体温度偏低，海陆温差小，海风发展相对较弱。

改变边界层参数化方案后，局地海风的风向偏转和风速增减必然会进一步引起风场辐合位置和强度的变化。图5为15时8个方案对应的10 m风场散度，可用此来表示海风锋的位置及海风辐合强度[32]。

由图5可知，海风辐合区主要集中于岛屿长轴及西南山区，呈东北-西南走向。岛屿西南部的海风辐合主要为南北向海风碰撞及谷风对海风的同相叠加作用所致[34]。15时，由太阳对地表辐射不均造成的谷风也最强，南部五指山脉形成的偏南谷风和北部黎母山脉形成的偏北谷风各自叠加南、北向海风，使得南北向海风碰撞更为强烈，造成西南山区的大范围辐合。黎母山脉与五指山脉形成的东北-西南向的深长峡谷一带为辐合空白区。从全岛海风辐合范围和强度来看，UW方案模拟的西南山区辐合范围和强度均最大，形成几乎覆盖全岛的低层辐合气流[32]，其它依次为BouLac、YSU、MYNN2.5、SH和GBM方案，而ACM2和MYNN3模拟的辐合最弱，仅在海岛西南部和东北部形成零散的小范围辐合区。对比图4、5可知，海岛东北部的细长辐合线是由北部与东部海风相遇碰撞造成，MYNN3和ACM2方案模拟的辐合线强度相对其余6个方案弱，且宽度较小，这正是由于此处海风碰撞不及其它方案强所致。

5.2 边界层方案对海风垂直结构的影响

由图4可知，南北向海风的发展范围及传播更为强盛。为探究边界层参数化方案对海风环流垂直结构的影响，本文将该日09、12、15、18和21时的垂直速度沿图1b中AB线作垂直剖面，以此说明海风的发生、发展、强盛及衰减过程。

图4 模拟的15:00 LST 2 m温度场（阴影，单位：℃）和10 m风场（单位：m/s）分布a.YSU；b.MYNN2.5；c.MYNN3；d.ACM2；e.BouLac；f.UW；g.SH；h.GBM。

图5 模拟的15:00 LST的10 m风场散度（蓝色实线表示小于-1×10-3s-1）分布a.YSU；b.MYNN2.5；c.MYNN3；d.ACM2；e.BouLac；f.UW；g.SH；h.GBM。

一般而言，夏季海南岛日出时间为06时左右，此时的太阳辐射开始加热地表，而海风的发生相对于辐射加热是一种滞后现象，因此到09时海风才开始在近地面出现[33]，但高空回流与垂直环流尚不明显。在海岛偏南背景风的影响下，岛屿南部海风发展未能清晰地表现出来，北部虽出现小范围的海风，但传播距离较短。对比8个方案对09时海风的模拟，可见YSU、MYNN3、SH和GBM方案的北部海风向内陆传播约0.3个纬距，海风头部（Sea Breeze Head） 位于 19.65°N附近。MYNN2.5、ACM2、BouLac和 UW 则分别传播至19.6 °N、19.55 °N、19.8 °N 和 19.7 °N 附近。就北部海风发展高度来说，UW方案模拟的海风厚度最小，小于0.5 km，其次是BouLac方案，且UW和BouLac在0.3 km以下还存在残余陆风，几乎可以切断低层海风。ACM2方案的海风厚度约为0.7 km，在0.7～0.9 km范围内存在偏南陆风，将北部海风分为高低两段。MYNN3、SH和GBM方案也模拟出不同程度的小范围陆风，其海风厚度受此影响变得不易分辨。YSU和MYNN2.5的北部海风发展相对更清晰，未受太多残余陆风的影响，海风厚度均大于1 km（图略）。总的来说，09时海风开始，但强度较小，且存在残余陆风，向内陆传播距离较短，8个方案对其结构的模拟各有特点，YSU、MYNN2.5和SH方案的海风相对较强。

12时，随着太阳辐射的增加，陆地温度远高于海洋，海风逐渐发展起来，其环流结构也变得更清晰。如图6所示，南部海风仍受到背景风的同相叠加作用，高空回流与海风厚度不明显。北部海风进一步向内陆推进，其结构也较09时更为清晰。

就北部海风的传播距离来看，YSU和ACM2方案传播最远，可至黎母山脉北侧山峰处，海风头部也位于19.05°N附近，但因山峰高度较高（1 200 m以上），海风未能越过，因受到地形机械阻挡作用而停在山脉北侧。MYNN2.5和UW方案则传播至19.1°N，恰位于黎母山脉北部主峰前，与叠加了背景风的南部海风相碰撞，但碰撞并不强烈，未造成明显的垂直上升运动。其它4组方案SH、BouLac、GBM和MYNN3的传播位置分别为19.2 °N、19.3 °N、19.35 °N、19.6 °N，较 YSU、ACM2、MYNN2.5和UW的传播距离短，且南北两支海风的碰撞更弱。值得注意的是，8组方案的北支海风中均存在不同范围和强度的偏南风，这可能是由于此处背景风和残余陆风强度大于北部海风，因此表现为小范围的南风分支存在于北部海风中。对于海风厚度的模拟，UW方案最低，仅为0.5 km，GBM方案为0.6 km，其它6组方案则为1 km左右。此时在五指山脉南、北部主峰之间的峡谷处（18.75°N附近）存在明显的谷风，8组方案模拟的谷风强度不同，GBM方案模拟的范围和强度最小，MYNN2.5和BouLac方案相对较强，影响范围比其它方案大。总之，该时刻的海风已呈现出较清晰的环流结构，YSU和ACM2的海风厚度及向内陆传播距离相对强于其它方案，海风较强，MYNN3方案的环流结构则不太明显，且向内陆推进距离短，海风相对较弱。

如图7所示，15时海风发展强盛，南北向海风环流结构清晰。

在8个方案的模拟中，南部海风均传播至18.7°N附近，恰好位于五指山脉南部主峰偏北侧，而北部海风则传播至19.05°N，即黎母山脉北部主峰山顶处。在此传播过程中，由于山、谷之间存在温差，使得南、北部的海风分别受到谷风的同相叠加作用，导致其向内陆的传播距离更远。另外，海风在沿山峰爬行过程中产生了扰动和波动，这可能是由Kelvin Helmholtz（KH）不稳定所致，扰动和波动中存在的湍流混合作用会导致能量的积聚和传播[34]。对比8种方案模拟的北部海风厚度，可知ACM2方案的海风厚度最大，达0.8 km左右，其次为YSU、MYNN2.5和 SH方案，约为 0.55 km，MYNN3方案为0.45 km左右，BouLac和UW方案仅约0.4 km，海风厚度最小。北部海风的回流高度相差不大，均约为1.5 km。南部海风环流特征不明显，这是由于偏南背景风对海风的掩盖作用所致。从海风锋附近的垂直上升速度来看，YSU方案最大，可达0.4 m/s以上，且存在3个明显的大值带，分别位于 18.8 °N、19.1 °N、19.6 °N 附近，UW和SH方案也分别在19.8°N、19.65°N附近存在超过0.4 m/s的垂直上升速度大值区，其它5个方案的海风锋附近均未形成较强的垂直上升运动[10]。总体来看，MYNN2.5和MYNN3方案模拟的海风垂直强度较小；ACM2方案的海风垂直环流特征最明显，同时其对应的垂直速度的强度、范围也最大。

18时，太阳辐射减弱，但由于地表残余能量的驱动，海风发展仍然较强，南北向海风垂直环流结构比15时更清晰，海风强度则有所减弱。从图8可以看到，南部海风受到地形的动力屏障作用，基本传播至黎母山脉北部主峰前，并未越过山峰，南、北向海风于19.0°N附近发生碰撞，造成较强的垂直抬升运动[45]。对比18时的8组方案模拟的南部海风推进距离，可见MYNN2.5和MYNN3方案最短，仅传播至五指山脉北峰（约18.82°N）；BouLac和GBM传播至五指山北峰与黎母山北峰之间的峡谷处（约18.92°N），与局地谷风产生反向叠加；其它4组方案均传播至黎母山前（约19.0°N）。南部海风厚度及高空回流均相差不大，海风厚度约为0.8 km，高空出现明显的海风回流，最高约达2.7 km。对于北部海风厚度的模拟，UW方案最大，可达0.7 km左右，SH约为 0.6 km，YSU和 MYNN2.5为 0.5 km，BouLac、GBM和MYNN3较低，分别为0.45 km、0.4 km、0.35 km。其对应的高空回流高度也较低，基本小于1.5 km，且范围较小，其中UW的回流结构最不明显。海风在山峰处存在强迫抬升，8个方案的垂直上升速度强度有所不同，ACM2、BouLac和UW方案在黎母山北峰附近存在几条垂直速度大值带，MYNN2.5和MYNN3则在五指山北峰附近存在一条速度大值带，这说明此处山脉对海风的强迫抬升与海风碰撞较为剧烈，YSU、SH和GBM方案的速度大值区不明显。综上可知，与15时相比，18时的海风强度和扰动均有所减弱，但仍然较强，且环流结构也较清晰，ACM2、BouLac和UW方案的整体海风相对强于其它方案。

图6 沿图1b中AB线模拟的12:00 LST垂直风速（阴影，单位：m/s），南北环流（w扩大了20倍），v风速零线（黑色等值线）的垂直剖面 a.YSU；b.MYNN2.5；c.MYNN3；d.ACM2；e.BouLac；f.UW；g.SH；h.GBM。

图7 同图6，但为15:00 LST

21时，太阳辐射消失，地表温度迅速下降，海陆温度梯度由陆地指向海洋，这使得岛屿南、北部低层由海风转为陆风，但在偏南背景风的作用下，南部陆风环流不及北部明显，范围也较小（图略）。同时由于夜间山顶温度下降快，造成山区内的谷风转为山风，叠加于陆风之上[45]。此外，在低层陆风环流内还存在残余海风。就8组方案模拟的北部陆风特征来看，BouLac和UW的陆风厚度最大，可达1 km以上，同时在黎母山脉北峰山风的叠加作用下使得北部陆风的影响范围较大，在海陆交界处（19.95°N附近）及其以北地区的低层存在残余海风；YSU、ACM2和SH方案的陆风范围较小，在19.05～19.60°N范围内较明显，且发展高度基本在1 km以下；MYNN2.5、MYNN3和GBM方案的陆风发展范围更小，仅存在零星的陆风区。南部陆风的整体发展范围小，且在偏南背景风的阻挡作用下，仅BouLac方案的高度稍高，达到1.1 km，其余方案模拟的0.9 km以下低层基本表现为南风。另外，8组方案在五指山南、北峰与黎母山北峰形成的两个峡谷（18.8°N、18.95°N附近）处存在不同范围的山风，其中GBM方案范围最大，其次为BouLac、UW和SH方案，而其它4组方案的山风范围均较小。总的来说，21时海风已基本转为陆风，且北部陆风强度及范围大于南部，其中BouLac和UW的陆风环流结构较清晰，特征显著。

海风的发生、发展与温度密切相关，位温的垂直结构可以从另一个侧面说明海风的强弱。由09、12、15、18和21时南北向位温的垂直结构分布（图略）可知，09时南北向的等位温线总体趋势较为平稳，海风较弱；12时，陆地位温显著升高，特别是306 K线，而海洋上位温变化很小，依然维持在300 K左右，故此时的海陆交界处位温梯度较大，300～304 K的等位温线呈垂直分布，海风发展增强。15时，南北两侧位温梯度几乎垂直分布，转折处较突出，海陆温差明显。可见此时驱动海风发展的热力差异显著，因此海风发展强盛。8个方案模拟的309 K等位温线均在山顶处闭合（图略），其位温梯度较大，海风发展旺盛。其中，UW方案模拟的南部301 K等位温线范围较小，因此其南北两侧的位温梯度较小，海风相对较弱。18时，南北部沿海地区306 K以下的等位温线梯度仍然较大，直至21时，陆面温度降低，等位温线趋于平缓，对应此时南北向的海风衰减。

海风发展为内陆带来了水汽，使得陆地水汽含量增多，因此水汽含量的局地变化可表示海风传播情况。从09、12、15、18和21时水汽混合比南北向的垂直结构（图略）可以看出，09时的水汽混合比等值线较为平稳，仅在山脉附近及南部洋面上波动稍大。12时，全岛上空的水汽混合比值明显增大，且12 g/kg水汽混合比等值线由之前的1.2 km上升至1.9 km左右。15时，14 g/kg水汽混合比等值线已抬升至2.1 km附近。对比8个方案模拟的水汽混合比的垂直分布（图略），可知MYNN2.5、MYNN3方案模拟的南北两侧水汽梯度相对较小，尤其南北侧0.3 km以下的水汽大值区范围较小，而YSU、ACM2、BouLac和UW模拟的水汽梯度相对较大，在山峰处形成多条闭合的水汽混合比等值线，它们对应的海风发展强度也有所不同。与图7对比，发现水汽梯度较大处与海风锋及强的垂直上升运动位置对应良好，说明此时的海风易触发不稳定天气[6-7]。18时，岛屿上空水汽含量达到最大值，海岛中部地区的水汽混合比值也相应达到16 g/kg。直到21时，水汽等值线才渐渐恢复平稳。

为进一步探究海风强盛时8种边界层参数化方案对海风垂直环流强度的影响，以下分析陆地平均垂直速度和温度随时间及高度的演变。速度的区域平均值可以集中反映边界层参数化方案的差异所带来的海风变化，便于从宏观上把握各个方案与海风强度的对应关系。在15时左右8个方案的低层开始出现大于1 cm/s的垂直上升速度，最大速度均出现在1 km以下，且其范围恰与海风发展时段及高度相对应（图略）。其中ACM2、UW和GBM方案模拟的温度约在14时0.2 km处出现一个小范围闭合等温线，该处为温度高值区，易形成更强的海陆热力差异，从而产生更强的海风。整体来说，8个方案的温度分布差别不大。对比8个方案模拟的垂直上升速度的范围及强度，可知从14时左右开始出现速度大值区（大于0.5 cm/s），16时左右达到最大，约19时消失。其中ACM2方案最大强度可达2 cm/s以上，出现于16时，且延伸高度达2 km以上，说明海风的垂直抬升作用强盛。MYNN2.5方案模拟的强度最小，影响高度在1.3 km以下，且最大速度小于1.2 cm/s。MYNN3方案也较弱，但垂直方向扩展范围强于MYNN2.5方案。其它方案的强度均在1.5 cm/s左右，YSU、BouLac、SH的发展高度达2 km以上，UW、GBM则小于1.5 km，基本强度和影响范围介于ACM2与MYNN2.5、MYNN3之间（图略）。

总的来说，MYNN2.5和MYNN3方案模拟的海风垂直强度较小。ACM2方案的海风垂直环流特征最明显，同时其对应的垂直速度强度、范围及海陆热力差异也最大。这是由于非局地方案ACM2的边界层垂直混合偏强[9]，导致其模拟的海风偏强所致。

5.3 边界层高度的差异

行星边界层主要是对水汽、能量等物理量的垂直输送以及凝结潜热的释放起到强迫作用，而其高度则是研究大气边界层的重要参数。边界层高度（PBLH，Planetary Boundary Layer Height）从一定程度上可以反映出低层大气的湍流活动强弱。边界层高度越高，意味着水汽及热量可以在更大的空间内扩散[9,46]。为探究不同边界层参数化方案对边界层高度的影响，图9给出了8种方案15时边界层高度的水平分布。由图9可知，岛屿北部18.9～19.5°N为边界层高度大值带，其余地区高度相对较小。表明岛屿北部为对流活动发展较为旺盛的区域，即海风发展较强的地区，这可能是由于海风向内陆传播过程中，各向海风碰撞形成较强的上升运动所致。

图8 同图6，但为18:00 LST

图9 模拟的海南岛15:00 LST的边界层高度（阴影，单位：m）a.YSU；b.MYNN2.5；c.MYNN3；d.ACM2；e.BouLac；f.UW；g.SH；h.GBM。

图10给出了8个方案的边界层高度随时间的演变。ACM2方案模拟的边界层高度最大约达1 200 m，出现在14时，而MYNN2.5、MYNN3、BouLac方案较接近，最大值于15时左右可达1 100 m，YSU和 SH方案约为 950 m，UW 和GBM方案的边界层高度最低，分别约为550 m、600 m。结合图9、10来分析8种方案模拟的边界层高度水平分布范围的差异，可知UW方案的大值范围及高度均最小，其次为GBM方案，其大值范围与UW方案基本相同，但整体高度偏高。其它6种方案的边界层高度均超过1 000 m，大值范围也相应扩展，其中，ACM2方案模拟的边界层高度最大，尤其在北部与西部海风碰撞区，超过1 600 m，这与其对海风垂直环流强度模拟偏大是一致的，而其它方案的PBLH与海风强度并不完全对应。

图10 D4区域平均边界层高度随时间的演变 单位：m。

6 结论与讨论

本文利用WRF V3.7详细对比了耦合同一近地层方案的8种边界层参数化方案（YSU、MYNN2.5、MYNN3、ACM2、BouLac、UW、SH、GBM）对2014年5月25日晴空天气条件下海南岛海风环流结构在数值模拟中的差异。结果表明：在对海风环流水平结构的模拟中，YSU、ACM2、BouLac、UW、SH模拟的北部海风强于MYNN2.5、MYNN3、GBM。SH、GBM模拟的内陆风速略大于其它6种方案。在海岛东部，GBM方案的海风强度最大。而温度与海风发展强弱相对应，MYNN2.5和MYNN3方案的整体温度较低，海陆温差小，海风相对较弱。局地海风的变化进一步引起风场辐合位置和强度的变化。UW方案模拟的西南山区辐合范围和强度均最大，形成了几乎覆盖全岛的低层辐合气流，其它由强到弱依次为BouLac、YSU、MYNN2.5、SH、GBM 方 案 ，ACM2 和MYNN3模拟的辐合最弱，仅在海岛西南部形成零散的小范围辐合区。对于海岛东北部细长辐合线的模拟，MYNN3、ACM2方案较弱，且宽度较小。在对海风环流垂直结构的模拟中，09时海风开始，但强度较小，仍存在残余陆风，向内陆传播距离较短。YSU、MYNN2.5和SH方案的海风相对较强。12时，海风已呈现出较清晰的环流结构，YSU和ACM2的海风厚度及向内陆传播距离相对强于其它方案，海风发展较强，MYNN3的环流结构则不太明显，且向内陆推进距离较短，海风相对较弱。15时，海风发展强盛，MYNN2.5和MYNN3方案模拟的海风垂直强度较小，ACM2方案的海风垂直环流特征最明显，同时其对应的垂直速度强度、范围也最大。18时，海风的强度和扰动均有所减弱，ACM2、BouLac和UW的整体海风相对强于其它方案。21时，海风已基本转为陆风，且北部陆风强度及范围大于南部，BouLac和UW的陆风环流结构较清晰，特征显著。

位温的发展变化也表明了海风的演变。15时，UW方案模拟的南部301 K等位温线范围较小，因此其南北两侧的位温梯度较小，海风相对较弱。对于水汽的模拟，15时MYNN2.5和MYNN3方案的南北两侧水汽梯度相对较小，YSU、ACM2、BouLac、UW方案相对较大，在山峰处形成了多条闭合的水汽混合比等值线，且水汽梯度较大处与海风锋位置及强的垂直上升运动位置相对应。对于岛屿平均海风垂直速度及温度的模拟，MYNN2.5、MYNN3较小，ACM2的海风垂直环流特征最明显，同时其对应的垂直速度强度、范围及海陆热力差异也最大。在对边界层高度的模拟中，ACM2的边界层高度最大，约为1 200 m，MYNN2.5、MYNN3、BouLac较接近，达 1 100 m，YSU 和 SH为950 m，UW和GBM的边界层高度最低，分别约为550 m、600 m。从水平分布来看，UW模拟的大值范围及高度均最小，GBM稍高，其它6种方案的边界层高度均超过1 000 m，大值范围也相应扩展，ACM2最高，这与其对海风垂直环流强度模拟偏大是相对应的，而其它方案的PBLH与海风强度并不完全一致。

总体来看，由于局地MYNN2.5、MYNN3方案低估了对流边界层顶的夹卷热通量，使得其模拟的海风强度最小。而非局地的ACM2方案在白天表现出强的湍流混合和卷夹，对湍流的考虑较全面[9]，使得其模拟的海风环流特征最明显，同时其对应的垂直速度强度、范围及海陆热力差异也最大，模拟的海风偏强。将观测的风场、温度场及其它各气象要素场[36]与8组方案的模拟结果对比发现，与其余7组试验结果相比，非局地ACM2方案的模拟结果接近于观测，更适用于海南岛海风环流的模拟。本文仅针对一次海风过程，所得结论是否具有普适性仍需大量个例来验证。