寧波地區海風環流的數值模擬分析

蔣詠純

摘 要：利用1km分辨率的WRF模式對2010年8月24日至8月26日寧波地區的海風環流進行了數值模擬分析，根據模擬結果，分析了寧波地區海風環流各要素等變化特征，通過風場特征討論了海風環流的時空演變特征。結果表明：WRF模式能較好地模擬海風環流各個氣象要素的變化特征；海風環流發生時間為中午12：00左右，發展最強盛時期在下午16：00，海風在底層最先發展、在底層最先消失；陸風、海風最大值出現時間分別對應在溫度的日最低值和日最高值后，而陸風轉海風則出現在全天氣壓變化的第一次峰值后；風速隨著高度增高而減小，在陸風時段風速明顯偏小，在海風時段風速明顯偏大；在有利的天氣尺度背景下，海風環流的發生、發展能夠進一步加強。

關鍵詞：寧波地區；海風環流；數值模擬

中圖分類號：P732 文獻標識碼：A 文章編號：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

海陸風是由海陸熱力性質差異引起的[1]，產生于大氣低層的中尺度熱力環流，其特有的有規律的陸風和海風變化，是沿海區域最顯著的大氣現象。許多研究表明，在地面氣壓梯度較弱、太陽輻射強、海陸溫差大的條件下，有利于海風的形成。當海陸風環流產生時，往往可以觸發沿海地區對流性天氣的產生[2]。另外，由于海陸風是沿海地區特有的中小尺度環流系統，會影響當地的溫度、濕度和風場分布，因此，通過與強對流天氣系統相互作用，會給沿海地區帶來各種氣象災害，從而會對當地氣候及生態環境產生影響。可見，加強對沿海地區海陸風的研究十分重要。近年來，國內外對海陸風的研究取得了很大進展。

國外氣象學者對海陸風的研究較早，Arlssar等對海陸風的數值模擬進行了全面總結。在我國，程志強[3]采用參數化的方式，通過一定的假設對運動方程進行簡化；宋潔慧[4]等用分辨率為5km的WRF模式模擬寧波一次典型的夏季海陸風過程。

在日常的天氣預報工作環節，海陸風環流是要考慮的重要因素，而海風環流作為沿海地區特有的中小尺度天氣系統，是天氣預報中的重點和難點。寧波地處寧紹平原，位于中低緯度的沿海地區，屬北亞熱帶濕潤季風氣候，在冬夏季節，季風交替比較明顯，海陸風現象比較顯著。因此，本文選定寧波地區，采用1km分辨率的WRF模式對寧波地區的海風進行數值模擬，著重分析所模擬的海風環流的氣象要素分布特征及日變化特征、寧波地區海風環流的時空演變特征，討論海風環流的生成、發展及消亡階段，對海陸風的研究具有重要意義。

2 模式介紹及模擬方案

WRF（Weather Research Forecast）模式系統在預報對流天氣的系統、渦旋中尺度對流的系統、天氣要素的預報過程中都具有較好的性能[5]。為了準確探討海風環流的時空演變特性，本文采用的模式版本為WRF-ARW V3.2.1，本文模擬的時間為2010年8月24日08：00至8月26日08：00（北京時間，下同），模擬結果是每小時輸出一次。圖1是模擬的寧波地區的區域圖，模擬采用了雙向反饋四重嵌套網格及最內層網格區域的地形[6]，采取的四重嵌套格點水平分辨率分別為27、9、3km和1km，四重網格垂直的方向按照σ位面均具有不等間距的35層。模式模擬的最外層區域D1區域是我國中東大部地區，提供了大的背景強迫，中心點是121.59°E，29.67°N。最內層網格區域D4區域覆蓋了寧波及其周邊地區，這個區域是本文的研究區域，格點數160×166。

3 模擬結果

3.1 風場特征

3.1.1 水平變化。應用WRF數值預報模式模擬了寧波地區2010年8月25日近地面10m水平風場變化（見圖2），這一天是一次典型的海陸風日，該模式成功模擬了海風環流的時空演變過程。當有海風建立或消亡時，近地面10m高處的風速和風向會發生明顯突變，并且在海風發展旺盛階段會出現風速的極大值，而海陸風發生時的基本特征之一便是出現晝夜風向的轉換，這種轉換既存在風向的瞬時突變，又伴有風向的持續性變化。

從圖2（a）可以看到，早上07：00，風場基本平行于海岸線，而從陰影部分所顯示的水平風速可以看出，陸地的風速在3m/s左右。隨著海風的形成，寧波大部分地區將受到海風環流的控制。到14：00，如圖2（b）所示，海風較之前有了明顯發展，有較為明顯的亂流和環流出現，寧波東部地區的風速明顯增大，空氣開始從海洋吹向陸地。同時，圖2（b）中所示線條處是西北部杭州灣南岸地區一條帶狀的輻合線，是海風和陸風的交接區域，即海風鋒。在這種條件下，如果大氣層結不穩定，則會具有向強對流天氣發展的形勢，并且伴隨觸發不穩定能量的釋放，將會導致強對流天氣的出現。16：00是海風發展最強盛的時期[見圖2（c）]。此時，寧波大部分地區主要受到海風的影響，并且海風的風速最大值超過6m/s，相對應的，地面風速變化不大。到22：00，大部分海風風向已經平行于海岸線，海風轉為陸風[見圖2（d）] 。由此可見，海風的風速存在較為明顯的日變化，但地面的風速并沒有明顯變化。當陸風轉為海風時，地面的風速有著小幅度的增加。下午，隨著溫度的升高，海風風速增大，海風增強，而太陽輻射最強是在14：00左右，這時城市陸地會吸收到更多的熱量，因此，城市的熱島效應會對下午的風場具有較大影響。海風環流的形成與發展不僅會受到氣流和地形的影響，還會受到風速及城市熱島效應的影響。

3.1.2 垂直變化。選取模擬數據結果中的v、w分量（w放大了8倍），沿121°E做剖面，得到海風環流的垂直剖面圖。圖3為2010年8月25日寧波地區海風環流在垂直方向上的時空演變特征。從圖3可以看到完整的海風環流時空演變過程。如圖3（b）所示，在這一時刻，風向的角度變化比較明顯，底層的空氣很快增溫且風向轉為海風，海風明顯發展，海風環流逐步加強，并且繼續向內陸推進；直至16：00，海風環流特征最為明顯。

從時間來看，海風環流是在中午12：00以前形成，16：00前后較為強盛，到夜間開始減弱，22：00基本為陸風控制。從風向來看，圖3中明顯存在著南風和北風的兩個大值區，如圖3（a）所示，底層開始由北風所控制，而圖3（b）則可以看到底層風向開始從北風漸漸轉為南風，直到16：00，底層基本由南風所控制。

3.2 氣象要素特征

3.2.1 溫度場變化。圖4是2010年8月25日寧波地區14：00溫度特征分布圖和23：00溫度特征分布圖。從圖4（a）可以清楚地看出，地面溫度高于海面溫度。該條件有利于海風的發展。而海陸溫差是海風建立的先決條件之一。在實驗中發現，一般情況下，水、陸溫差要大于1.5℃時才會出現海風。14：00，海陸溫差約3℃，這為海風的發展提供了有利的條件。從圖4（b）可以看出，23：00，海面上的溫度已經高于陸地上的溫度。

海陸風的變化主要受到天氣的影響。在晴朗天氣下，氣溫以正弦曲線變化時，較易發生海陸風。從圖5可以看出，平均氣溫日變化曲線圖呈正弦形式。北京時間8月25日05：00，氣溫開始呈上升趨勢，日最高氣溫出現在14：00，達到30.5℃，然后氣溫開始逐步下降。由此，結合圖4可以得出，海岸線以西的陸地溫度升高明顯，到14：00，溫度分布明顯轉變，陸地的溫度開始略高于海域，逐漸轉換為冷海暖陸的溫度分布形勢。綜上所述，在早上，海陸溫度的分布大致為暖海冷陸，之后溫度分布形勢開始轉變，從14：00到日落時段，大致為冷海暖陸的溫度分布形勢。而海陸溫度分布轉變期間正是海風發展強盛的時期。因此，在海風環流發展時，溫度也具有相應變化。

3.2.2 氣壓場變化。圖6是2010年8月25日寧波地區的平均氣壓日變化圖。如圖6所示，早上08：00，氣壓達到最大值，隨后逐步降低；14：00，氣壓達到最小值；14：00之后，氣壓呈上升趨勢；晚上21：00，氣壓又開始降低。從圖上可以清晰地看到白天與夜晚的氣壓差已大于1hPa，在這個特定的背景下，海風容易形成。

綜上所述，陸風轉海風出現在全天氣壓變化的第一次峰值后，海風最大值出現在溫度的日最低值后，且出現強盛時期在相對濕度變化明顯時刻。

因此，從海風垂直環流時空特征分布及氣象要素日變化分析可以得到，海風出現時刻在09：00左右，處于地面陸風變為海風的轉換期，形成時刻在12：00左右，海風環流在海岸線附近逐漸發展起來，開始向內陸推進，生成后風速迅速增加，相對濕度處于日變化中的下降期、氣溫處于日變化的上升期；16：00是海風環流發展最明顯時刻，在這一時刻海陸溫差、氣壓差達到最大值。

4 結論

①WRF模式成功模擬了2010年8月25日寧波地區的海風環流的時空演變特征，最終揭示了海風環流的發生、發展、消亡的過程。

②海風環流在12：00左右形成，在16：00發展最強盛，22：00左右逐步消亡，且在垂直方向上有明顯的閉合環流。海風發展最強盛時：在水平方向上，海風風速最大值超過6m/s，寧波北部沿岸地區的海風比南部明顯；在垂直方向上，海風延伸高度可以達到800m，海風在底層最先發展、最先消失，且在底層的風速最大值超過5m/s。

③海風環流發生時期，平均氣溫存在明顯的日變化特征。海風出現時期在全天氣壓變化的第一次峰值后；發展強盛時期，海風最大值出現在溫度的日最低值后，溫度與相對濕度的變化特征最為顯著，表現為“一峰一谷”的形勢，氣溫突然降低而相對濕度突然升高，海陸溫差可達3℃左右、氣壓差可達1hPa以上。

參考文獻：

[1]吳兌，陳位超，游積平.海口地區近地層流場與海陸風結構的研究[J].熱帶氣象學報，1995（4）：306-314.

[2]董海鷹，邵玲玲，李德萍，等.青島奧帆賽期間海風鋒觸發的對流性降水特征[J].氣象，2008（s1）：47-53.

[3]程志強.海陸風環流的基本模式[J].熱帶海洋學報，1983（4）：296-301.

[4]宋潔慧，壽邵文，劉旭，等.寧波一次典型夏季海陸風過程觀測分析和數值模擬[J].熱帶氣象學報，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.海陸風及其應用[M].北京：氣象出版社，1997.