太湖地区湖陆风三维结构数值模拟分析

王莎　李彦　黄强　张会贞

摘 要：本文采用分辨率为1km的MODIS土地利用资料，利用中尺度数值模式WRF，使用NCEP的FNL资料作为模式的初始边界条件，对2006年8月11日08：00—13日08：00太湖地区一次湖陆风过程个例进行数值模拟分析。

关键词：太湖地区;数值模拟;湖陆风;风场转变;演变过程;局地环流

中图分类号：S16

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190715011

引言

太湖处于长江三角洲腹地，周围地貌包括平原、丘陵和山地。太湖东部地势平坦，主要为城区和耕地，西部多山区。为研究太湖地区湖陆风环流水平和垂直结构演变特征，得出该地区湖陆风环流三维结构特征，本文选取太湖及周边地区作为主要研究区域，根据分辨率为1km的MODIS土地利用资料，利用中尺度模式WRF针对太湖地区一次湖陆风个例过程进行高分辨率模拟研究，通过分析数值模拟结果，得出风场随时变化情况，湖陆风建立与转换时间等结论。

1 研究区域概况

当白天受到太阳辐射时，沿湖岸线附近陆面比湖面增温快，由于密度差异，导致近地层空气自湖面流向陆面，即为湖风;而夜间陆面辐射冷却比湖面快，近地层空气自陆面流向湖面，即为陆风;这样便产生2个主风向昼夜交替变化规律。湖岸上湖陆风明显，离湖区越近，湖陆风越显著，所以湖陆风成因是由于湖面与陆面具有明显温度差异引起。

模式采用交错的四重嵌套网格（图1）：最外层区域水平分辨率为27km，水平步长为90s;第2层区域水平分辨率为9km，水平步长为30s;第3层区域水平分辨率为3km，水平步长为10s;最内层网格区域（E119.7～120.7°，N30.8～31.6°）是太湖及周边地区，为本文主要研究区域，其分辨率为1km，水平步长为3.33s，水平方向（x，y）内部格点数93×93。边缘3个格点是沿边界向外等高度不等格距水平延伸，四重嵌套网格垂直方向具有相同的不等距的35层，k=1、2、3，……，34、35时，z（k）对应近地面高度分别为10、43、60.7、85、109.5、141.8、182.7、223.5、264.5、306、347、389、452、536、621、707、793、880、968、1056、1146、1236、1512、1986、2481、3000、3545、4125、4735、5745、7270、9550、12820、15500（m）。

在白天边界层主要受到太阳短波辐射作用，不稳定情况下，故选取 Dudhia 短波辐射方案;夜间情况与白天相反，情况相对稳定，地面长波辐射起主导作用，因此采用RRTM长波辐射方案;边界层采用 YSU 方案，微物理参数化方案则采用Lin方案，近地面层选用 Monin-Obukhov方案，用局地参数化方法描述边界层中湍流结构较合理。陆面过程采用不耦合UCM模块的Noah陆面过程方案，积云对流采用（仅第1、第2层嵌套）Kain-Fritsch （new Eta）方案。

最内层嵌套区域D4，即此次研究模拟的太湖及太湖周边区域地形（图2），阴影部分表示地形，以湖面高度作参考高度，图上颜色越深表示对应海拔越高，太湖东南部与西北部海拔高度一致较低，以平原陆地为主，而太湖西边海拔较高，自东向西依次为平原陆地到山丘地形。图中北部至东北部海拔也略高，主要为城镇建筑和可用耕地。图2中直线AB为N31.4°处所取的剖面位置。

2 研究区域植被描述

最里层区域地形高度、陆地—水体标志（掩码）和植被/地表类型资料采用源自美国地质勘探局（USGS）全球范围的25类30角秒数据，空间分辨精度约900m。对最内层网格点中各类植被类型所占百分比统计，将得到的主要植被类型从高到低排序为：水体占48.7%，城市和建设用地占11.6%，混合林占8.2%，农田占18.3%，常绿针叶林占4.3%，小块耕地占3.7%，常绿阔叶林占3.2%，小型草原占2.0%。

3 模式应用结果分析

3.1 湖陆风的形成与发展

从2006年8月11日8：00开始，至13日8：00结束模拟复杂地形条件下湖陆风演变程，为分析真实地形上风场结构及模拟区域内局地风场的三维结构，模拟结果中仅考虑内部93×93个格点。在模拟26个小时后（北京时间8月12日10：00），太湖中心开始出现吹向陆面的风，风层逐渐增厚，至12日14：00湖风发展最强盛，达到最大值与明显辐散中心，风向辐散中心位于（N31.38°，E120.14°），风由辐散中心吹向四周的陆面，且风速以远离湖岸距离增加而增长，由于地形作用，使得太湖湖岸东南部湖风较弱，且湖岸上风向多变，风速较小，湖风最弱区域出现在太湖湖岸东南部。随着时间推移，辐散中心也在东南移，在17：30湖风辐散中心与太湖几何中心重合，位于（N31.22°，E120.23°），18：00后湖风逐渐减弱甚至消失。

模拟风场在12日18：00出现湖风到陆风转变，19：30出现较完整陆风，为西北-东南风向辐合，随后风层迅速增厚，22：00发展最强盛，平均风速约3m/s。山区气流明显转向，原来占主导地位的湖风变成几个中心的陆风，局地特征明显。随着时间增加，湖面上风速也逐渐加大，到22：00湖面上模拟风场风速达最大，伴有明显风速风向辐合中心，陆风在湖面横向对称轴处（即31.2°N）形成弱辐合带，这种辐合带具有典型湖风锋结构。风速大值区随时间从太湖南部北移。到13日4：00，低层以山风为主，残存陆风辐合带已消失，在山地地区出现弱辐散中心，山风风速约3m/s。

3.2 相关热力参数分析

以8月12日0：00为初始场，模拟未来24h内相关热力参数随时间变化。潜热通量和净辐射呈现明显日变化特征：上午由低变高呈增加趋势，中午达最大值后又逐渐减少。由于白天太阳短波辐射增加使地面温度升高迅速，地表向大气输送感热通量，同时地表蒸发和蒸腾作用不断增强，使得潜热通量增加，陆面蒸发对低层起到加热、加湿作用，导致该区域不稳定能量增加，在一定气流条件下促进对流产生。近地面升温时，湍流运动发展增强，致使大气层结逐渐变得不稳定。日落后，净短波辐射迅速下降，地表快速降温，这时感热通量输送方向与白天相反，开始由大气向地表输送，感热通量为负，地表蒸发量变为零，此时潜热通量值也降至100W/m2。

4 结论

太湖夏季晴天白天四周陆面上为湖风所控制，潮湿暖空气在陆面上空堆积并抬升，湖面上有明显下层辐散，在垂直方向上形成顺时针闭合环流;日落后随着太阳短波辐射消失，湖风环流逐渐向陆风环流转变。晚上湖面上空主要是陆风，在湖面上有明显下层辐合，在垂直方向上形成逆时针闭合环流;

湖陆风影响高度一般在1500m以下，當系统风较强时，影响高度更低。太湖西南方山地局地风场结构及其强度变化影响因子，也是湖陆风环流形成和发展主要影响因子。

模拟结果表明，在成熟湖风期间高空存在明显返回气流，湖风环流垂直结构相当完整。

参考文献

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[2] 金浩，王彦昌.三维海陆风的数值模拟[J].大气科学，1991，15（5）：25-31.

[3] 张雷鸣，苗曼倩，洪钟祥，等.城市发展对夜间海陆风环流影响的预测模拟[J].大气科学，1994，18（3）：366-371.

作者简介：

王莎（1989-），女，本科，助理工程师，研究方向：地面综合观测服务。