海南島海風鋒逐月統(tǒng)計與數(shù)值模擬分析

施蕭，馮簫，趙小平，郭學文，楊本湘，樊晶

（1.中國人民解放軍63796部隊氣象室，四川西昌615000；2.海南省氣象臺，海南海口570203）

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海南島海風鋒逐月統(tǒng)計與數(shù)值模擬分析

施蕭1，馮簫2，趙小平1，郭學文1，楊本湘1，樊晶1

（1.中國人民解放軍63796部隊氣象室，四川西昌615000；2.海南省氣象臺，海南海口570203）

摘要：利用1979—2014年的歐洲再分析月平均資料統(tǒng)計海南島海風鋒輻合的逐月演變情況，了解到4—8月海南島北部沿海午后有海風鋒輻合，其他月份海南島西南部沿海在午后有海風鋒輻合。在此基礎上，利用WRF模式進行了風場的模擬，對4—8月海風鋒的初始輻合位置和移動路徑進行了分析。結(jié)果表明：4—8月海風鋒輻合多產(chǎn)生在儋州-臨高-澄邁-海口一帶；6月以后，海風鋒輻合初始位置最東發(fā)生在海口-文昌北部，海風鋒輻合向東最遠能推至文昌-瓊海沿海一帶；同時，海南島東北部環(huán)境風場受海風增幅作用抑制了海風鋒輻合的向東推進。

關(guān)鍵詞：邊界層；風場輻合；海風鋒

1　引言

海南島位于我國最南端，四周環(huán)海，受海洋性氣候影響，氣象、海洋災害較為頻繁［1-4］。海南島北部是我國雷暴的高發(fā)區(qū)域之一，對流天氣非常頻繁。據(jù)統(tǒng)計，雷暴多發(fā)生在夏季的午后，而海風鋒則是夏季局地對流天氣的主要觸發(fā)系統(tǒng)。隨著文昌成為我國第四座航天城，海南島東北部的對流天氣對航天試驗的順利進行就變得尤為重要。海風鋒源于海陸風環(huán)流，在白天由于海陸熱力差異引起的海風向陸地推進，進而與低層環(huán)境風場相輻合形成的中小尺度鋒面。海南島的海陸風研究由來已久［5］，在觀測分析方面，吳兌等［6］通過加密測站得出在雨季海口地區(qū)海陸風出現(xiàn)頻率達75%，張振洲等［7］選擇9個常規(guī)觀測站統(tǒng)計出海南島月平均海陸風日達12.2 d，且夏季出現(xiàn)頻率最高。在理論和數(shù)值模擬研究方面，柯史釗等［8］利用一層數(shù)值模式對包括海南島在內(nèi)的華南區(qū)域海陸風進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)海南島存在環(huán)島海陸風環(huán)流系統(tǒng)，錢維宏［9］、翟武全等［10］通過數(shù)值模擬指出復雜地形和海陸分布對海陸風環(huán)流形成的重要性。以上這些研究主要針對環(huán)繞海南島的海陸風環(huán)流，對海南島北部的海風環(huán)流研究的還不夠深入。本文將對海南島邊界層風場進行統(tǒng)計，并在此基礎上進行風場的逐月模擬，以此了解海南島北部海風鋒輻合的變化情況，進而為系統(tǒng)分析海風鋒的演變規(guī)律提供依據(jù)。

2　資料來源及可信度分析

2.1資料來源

本文所用資料為1979—2014年歐洲中心逐月平均的再分析資料（EC_interim），時間分辨率為6 h，分別為02、08、14、20時（北京時，下同），空間分辨率為0.125°。通過逐月對再分析資料進行36 a平均，得到各月4個時次的平均風場數(shù)據(jù)并對平均風場進行逐月分析。由于資料做過兩次平均，濾去了一些信息，因此這套資料主要用于揭示海南島海風鋒最容易輻合的區(qū)域。

然后，將各月平均物理量場數(shù)據(jù)寫成WRF所需的intermediate格式［11］，利用WRF進行風場模擬。WRF動力框架采用ARW，無嵌套，垂直分為36層。模式中心位于19.63°N、110.95°E，水平分辨率為10 km，模擬區(qū)域為10.3o—28.4°N、99.3°—122.6°E。為了刻畫低層風場，ETA層分別為1.000 0、0.999 0、0.998 0、0.997 0、0.996 0、0.995 0、0.994 0、0.992 0、0.990 0、0.986 0、0.978 0、0.964 0、0.946 0、0.922 0、0.894 0、0.860 0、0.817 0、0.766 0、0.707 0、0.644 0、0.576 0、0.507 0、0.444 0、0.380 0、0.324 0、0.273 0、0.228 0、0.188 0、0.152 0、0.121 0、0.093 0，0.069 0，0.048 0，0.029 0，0.014 0，0.000 0。模擬分析結(jié)果采用模式積分10 h之后的風場數(shù)據(jù)。WRF模擬的風場相對再分析資料的平均場要詳細一些，能夠進一步描述海風鋒的一些特征，如海風鋒的鋒面走向、移動路徑等。

2.2模擬風場的可信度分析

雖然WRF所用的初始場是歐洲再分析資料36 a的平均場，但是隨著數(shù)值模式的向后積分，某些擾動會變的明顯起來，比如海風鋒輻合會更加明顯，中部山區(qū)的輻合也能給模擬出來。這些與實際觀測是能夠?qū)饋淼摹１热纾?015年的6月5日，海南島北部有一次海風鋒降水過程。根據(jù)海南全島自動站的風場觀測，上午11時，澄邁-臨高-海口海岸線附近的自動觀測站風場轉(zhuǎn)為偏北的海風，與東南向的環(huán)境風在海邊產(chǎn)生風向輻合，形成海風鋒。剛開始，海風鋒基本沿著海岸線分布，此后，海風鋒風場輻合整體向東南方向推進。到了14時，海風鋒鋒面已經(jīng)移至海口南部及定安一帶，同時東海岸受海風增幅影響，轉(zhuǎn)為東南風，東南風雖然增強了海風鋒的輻合強度，但是也抑制了海風鋒進一步發(fā)展，因為海風鋒是向東南方推進的。圖1a是6月5日13時45分的全島自動站風場，圖1b是模擬的6 月13時10 m風場，通過對比發(fā)現(xiàn)：此次海風鋒的大致輻合區(qū)域、移動路徑與6月模擬的海風鋒輻合基本能吻合起來，說明模式模擬的風場是能夠進行后續(xù)海風鋒輻合一般特征分析的。

3　邊界層逐月風場統(tǒng)計

由于海南島受季風影響明顯，因此取冬季風影響的1月、夏季風爆發(fā)前的4月、夏季風影響的6月、夏冬季風過渡的9月這4個月代表全年的冬、春、夏、秋四季。分析時次為14時、02時，分析層次為10 m、975 hPa、925 hPa。時次對應著午后和夜間；高度層次對應邊界層厚度，也包含了海風鋒的平均影響高度。為詳細了解邊界層風場的輻合情況，選擇海南島及周圍海域進行分析。

3.1 10 m風場

圖2a、2b是1月14時和02時的邊界層風場，本月受盛行冬季風影響，海南島上空及周圍區(qū)域均以東北風為主，由于海南島整體地形呈東北-西南走向，盛行風向隨海南島地形有弱繞流存在。即在海南島東北部盛行東北風場分為兩路，在海南島西南方向的海域東北風和偏東風又重新匯合。弱繞流在14時相對明顯，具有一定的日變化。繞流應該與海陸熱力差異造成的海南島西南部海風變化有一定關(guān)系。

圖1 10 m風場（單位：m/s）

圖2各月10m平均風場（單位：m/s）

4月10 m平均風場轉(zhuǎn)為東南風（見圖2c、2d）。14時海南島西北部環(huán)境風場開始轉(zhuǎn)變，由西南風轉(zhuǎn)為偏南風，同時海島西北部的儋州-臨高-澄邁一帶海邊有偏北海風產(chǎn)生，并與環(huán)境風場有輻合，產(chǎn)生海風鋒。02時海陸熱力差異趨于消失，10 m風場又整體轉(zhuǎn)為東南風。

6月夏季風開始，盛行風向為偏南風（見圖2e、2f）。14時，海南島上空環(huán)境風場整體轉(zhuǎn)為西南風。02時，海陸熱力差異趨于消失，環(huán)境風場又轉(zhuǎn)回偏南風。午后海南島上空風場的整體轉(zhuǎn)向說明本月海陸熱力差異明顯，極易有海風鋒輻合產(chǎn)生。

9月南海低壓槽活躍，中緯開始有冷空氣影響，海南島及其周圍區(qū)域的10 m風場由夏季風影響期間的偏南風轉(zhuǎn)為偏東風（見圖2g、2h）。本月海南島北部海風輻合消失，在海南島的西南部也就是偏東風的下風向開始有海風鋒輻合形成。輻合形成時間仍然為午后14時，02時環(huán)境風場轉(zhuǎn)為偏東風。

由1月、4月、6月、9月的環(huán)境風場演變可知，海南島各季節(jié)盛行風場均不同，在盛行風向的下風向容易有海風鋒輻合產(chǎn)生。另外對各月975 hPa風場進行分析，發(fā)現(xiàn)與10 m風場的變化相吻合，說明海風轉(zhuǎn)換和海風鋒輻合在975 hPa依然存在。

3.2 925 hPa風場

由于925 hPa高度接近自由大氣底層，風場情況與自由大氣較為相近。1月受高層東亞大槽影響，冷空氣一般從海南島東部開始影響到本島，海南島北部上空及兩廣區(qū)域以偏東風為主，南海海域為東北風。本月地形弱繞流情況消失，說明繞流現(xiàn)象屬于一淺薄情況，當月海風轉(zhuǎn)換影響不到925 hPa（見圖3a、3b）。4月該層風向整體更加偏東南，14時海南島西北部風向由東南風轉(zhuǎn)為南風，海風鋒輻合不明顯，但是環(huán)境風場的轉(zhuǎn)變說明海陸溫度差異對海風的增幅作用還是比較明顯，能夠影響到925 hPa（見圖3c、3d）。6月925 hPa的風場在14時西風分量的加入，與海風有一定聯(lián)系，說明本月海風轉(zhuǎn)換能夠影響到該層（見圖3e、3f）。9月925 hPa的風場沒有明顯的日變化，海風轉(zhuǎn)換達不到該層（見圖3g、 3h）。

4　逐月風場數(shù)值模擬分析

根據(jù)前述平均風場統(tǒng)計，海南島北部海風鋒輻合主要在夏季風影響之前以及影響期間較為明顯，因此下面對4月、6月、8月的模擬結(jié)果進行分析。其中4月為夏季風影響之前、6月是夏季風影響初期、8月是夏季風影響中后期。對海風鋒輻合初發(fā)位置及大致移動方向進行具體分析。考慮到海風鋒一般較為淺薄，所以著重分析10 m的風場的輻合變化。另外800 m風場變化情況稍加分析。水平分析區(qū)域仍然為海南島及周圍海域。

4.1 4月10 m風場數(shù)值模擬

4月10 m環(huán)境風場為東南風。11時前后海南島陸地受熱力作用，增溫大于周圍海域，導致海風的產(chǎn)生，海南島西部到北部海岸附近的風場開始轉(zhuǎn)變，由東南風轉(zhuǎn)為偏北風（見圖4a）。海風鋒輻合為偏北海風與東南向環(huán)境風的風場輻合，初始位置發(fā)生在盛行風向的下風向，即海口-澄邁-臨高-儋州-昌江一帶，整體呈東北-西南走向。同時，由于局地增溫或者小地形輻合等原因在中北部山區(qū)也開始出現(xiàn)風場的輻合。環(huán)海南島的地形繞流輻合發(fā)生在西部海域，為偏南風與偏北風的輻合。海風鋒在13—17時得到增強，并與中部山區(qū)的輻合結(jié)合到一起，呈東北-西南向整體向東部推進（見圖4b）。17時之后，輻合強度減弱，輻合線逐漸消失。在海南島東部，海風增幅使得環(huán)境風增大并深入影響到離海岸10—30 km的區(qū)域，阻礙了下風向的海風鋒從西部沿海向內(nèi)陸的推進，使得本月海風鋒東推到澄邁-儋州-白沙一帶就開始減弱。

4.2 6月10 m風場數(shù)值模擬

6月，夏季風爆發(fā)，環(huán)境風場以南西南風為主，由于環(huán)境風場帶有偏西風分量，因此海風鋒輻合初始位置移至文昌-海口-澄邁-臨高-儋州一帶，整體仍呈東北-西南走向，海風鋒輻合初始位置最東移至文昌北部（見圖5a）。同時，中北部山區(qū)的輻合依舊明顯。另外，文昌東部海岸由于海南島地形繞流作用盛行偏南風，在海陸熱力差異作用下，文昌東部海岸產(chǎn)生的海風分量使得偏南風轉(zhuǎn)至東南風，東南風分量與北海岸的偏北風分量相輻合，雖然海風鋒輻合位置更偏東，但是卻抑制了海風鋒整體的東推。本月海風鋒輻合初始位置更加偏東，在15時已推至文昌-瓊海一帶（見圖5b），17時幾乎到達文昌-瓊海的東海岸，此后輻合減弱消失。

圖3各月925 hPa平均風場（單位：m/s）

圖4 4月10 m模擬風場（單位：m/s）

圖5 6月10 m模擬風場（單位：m/s）

圖6 8月10 m模擬風場（單位：m/s）

由于本月夏季風已經(jīng)爆發(fā)，強勁的西南風開始影響整個海南島及周圍海域，海南島的西南部由于正處于上風向，再加上海風的增幅，海風鋒輻合在西南部不易發(fā)生；但是這種強勁的西南風深入內(nèi)地，使得中部山區(qū)的局地輻合較4月更頻繁。

4.3 8月10 m風場數(shù)值模擬

圖7 800 m模擬風場（單位：m/s）

8月海南島繼續(xù)受夏季風控制，海風鋒輻合初始位置仍然為儋州-臨高-澄邁-海口-文昌北部，本月中部山區(qū)依然有局地風場輻合，兩類輻合疊加到一起呈東北-西南走向（見圖6a）。由于本月是夏季風盛行期，西南向的夏季風比6月要略偏大，東海岸受海風增幅產(chǎn)生的東南風要比6月向西推進內(nèi)陸的距離更遠，導致海風鋒輻合較難推進到東海岸附近（見圖6b）。

4.4 800 m風場模擬分析

對800 m風場進行分析，發(fā)現(xiàn)在海風鋒輻合最強的時刻，各月的風場輻合均能反映到800 m高度，只是輻合強度及區(qū)域相對10 m風場有明顯的減弱（見圖7）。說明海南島北部的海風鋒一般能夠影響到800 m高度，但強度已經(jīng)明顯減弱。

5　結(jié)論

結(jié)合以上對月平均風場的統(tǒng)計和模擬，得到以下結(jié)論：

（1）海南島海風鋒輻合多始于中午前后，全年均存在。輻合初始位置受海南島低層盛行風場影響較大，多發(fā)生在盛行風向的下風向陸地與海域的交界處。冬季到夏季，海風鋒輻合從海南島西南部轉(zhuǎn)到海南島北部；

（2）海風鋒輻合影響高度一般到925 hPa就明顯減弱，說明海風鋒屬于一淺薄系統(tǒng)；

（3）4月開始，海南島北部就已經(jīng)受海風鋒影響，中部山區(qū)在午后容易產(chǎn)生局地輻合；6月以后海風鋒的初始輻合位置最東能到文昌北部。海風鋒與中部山區(qū)輻合結(jié)合到一起，大致呈東北-西南走向，受環(huán)境風場引導，整體向東海岸推進，最東能推至文昌-瓊海一帶；

（4）中午前后，東部海岸在海風增幅作用下，偏南的環(huán)境風轉(zhuǎn)為較強的東南風并深入內(nèi)陸大約30 km。雖然東南風有利于海風鋒的整體輻合，但是卻抑制了海風鋒輻合帶的東推。

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中圖分類號：P732.1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0239（2016）02-0022-08

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2016.02.004

收稿日期：2015-08-12

基金項目：海南省氣象局青年基金項目（HNQXQN201401）

作者簡介：施蕭（1986-），男，工程師，碩士，主要從事航天氣象保障工作。Email:shi_xo@163.com

Monthly statistics and numerical simulation analysis of sea breeze front over the Hainan Island

SHI Xiao1，F(xiàn)ENG Xiao2，ZHAO Xiao-ping1，GUO Xue-wen1，YANG Ben-xiang1，F(xiàn)AN Jing1
（1.Meteorological Division of PLA 63796 Troops，Xichang 615000 China；2.Hainan Meteorological Observatary，Haikou 570203 China）

Abstract：Based on the monthly-averaged European re-analysis data from 1979 to 2014，the monthly evolution feature of sea breeze front is analyzed.The results show that the sea breeze convergence front is occurred along the coastline at the northern of Hainan Island in the afternoon from April to August，and along the coastline at the southwest of Hainan Island in other months.The initial convergence position and movement path of sea breeze from April to August is analyzed by using WRF model simulated.The sea breeze front convergence is mostly occurred at the Danzhou-Lingao-Chengmai-Haikou area from April to August.After June，the initial convergence position of sea breeze front is occurred at Haikou-North Wenchang easternmost and convergence can promote to the eastern coast of Wenchang-Qionghai.The sea breeze front convergence is not conducive eastward due to environmental wind field which is increased by sea breeze at Hainan northeast.

Key words：boundary layer；wind convergence；sea breeze front