太湖地區湖陸風三維結構數值模擬分析

王莎　李彥　黃強　張會貞

摘 要：本文采用分辨率為1km的MODIS土地利用資料，利用中尺度數值模式WRF，使用NCEP的FNL資料作為模式的初始邊界條件，對2006年8月11日08：00—13日08：00太湖地區一次湖陸風過程個例進行數值模擬分析。

關鍵詞：太湖地區;數值模擬;湖陸風;風場轉變;演變過程;局地環流

中圖分類號：S16

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190715011

引言

太湖處于長江三角洲腹地，周圍地貌包括平原、丘陵和山地。太湖東部地勢平坦，主要為城區和耕地，西部多山區。為研究太湖地區湖陸風環流水平和垂直結構演變特征，得出該地區湖陸風環流三維結構特征，本文選取太湖及周邊地區作為主要研究區域，根據分辨率為1km的MODIS土地利用資料，利用中尺度模式WRF針對太湖地區一次湖陸風個例過程進行高分辨率模擬研究，通過分析數值模擬結果，得出風場隨時變化情況，湖陸風建立與轉換時間等結論。

1 研究區域概況

當白天受到太陽輻射時，沿湖岸線附近陸面比湖面增溫快，由于密度差異，導致近地層空氣自湖面流向陸面，即為湖風;而夜間陸面輻射冷卻比湖面快，近地層空氣自陸面流向湖面，即為陸風;這樣便產生2個主風向晝夜交替變化規律。湖岸上湖陸風明顯，離湖區越近，湖陸風越顯著，所以湖陸風成因是由于湖面與陸面具有明顯溫度差異引起。

模式采用交錯的四重嵌套網格（圖1）：最外層區域水平分辨率為27km，水平步長為90s;第2層區域水平分辨率為9km，水平步長為30s;第3層區域水平分辨率為3km，水平步長為10s;最內層網格區域（E119.7～120.7°，N30.8～31.6°）是太湖及周邊地區，為本文主要研究區域，其分辨率為1km，水平步長為3.33s，水平方向（x，y）內部格點數93×93。邊緣3個格點是沿邊界向外等高度不等格距水平延伸，四重嵌套網格垂直方向具有相同的不等距的35層，k=1、2、3，……，34、35時，z（k）對應近地面高度分別為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）。

在白天邊界層主要受到太陽短波輻射作用，不穩定情況下，故選取 Dudhia 短波輻射方案;夜間情況與白天相反，情況相對穩定，地面長波輻射起主導作用，因此采用RRTM長波輻射方案;邊界層采用 YSU 方案，微物理參數化方案則采用Lin方案，近地面層選用 Monin-Obukhov方案，用局地參數化方法描述邊界層中湍流結構較合理。陸面過程采用不耦合UCM模塊的Noah陸面過程方案，積云對流采用（僅第1、第2層嵌套）Kain-Fritsch （new Eta）方案。

最內層嵌套區域D4，即此次研究模擬的太湖及太湖周邊區域地形（圖2），陰影部分表示地形，以湖面高度作參考高度，圖上顏色越深表示對應海拔越高，太湖東南部與西北部海拔高度一致較低，以平原陸地為主，而太湖西邊海拔較高，自東向西依次為平原陸地到山丘地形。圖中北部至東北部海拔也略高，主要為城鎮建筑和可用耕地。圖2中直線AB為N31.4°處所取的剖面位置。

2 研究區域植被描述

最里層區域地形高度、陸地—水體標志（掩碼）和植被/地表類型資料采用源自美國地質勘探局（USGS）全球范圍的25類30角秒數據，空間分辨精度約900m。對最內層網格點中各類植被類型所占百分比統計，將得到的主要植被類型從高到低排序為：水體占48.7%，城市和建設用地占11.6%，混合林占8.2%，農田占18.3%，常綠針葉林占4.3%，小塊耕地占3.7%，常綠闊葉林占3.2%，小型草原占2.0%。

3 模式應用結果分析

3.1 湖陸風的形成與發展

從2006年8月11日8：00開始，至13日8：00結束模擬復雜地形條件下湖陸風演變程，為分析真實地形上風場結構及模擬區域內局地風場的三維結構，模擬結果中僅考慮內部93×93個格點。在模擬26個小時后（北京時間8月12日10：00），太湖中心開始出現吹向陸面的風，風層逐漸增厚，至12日14：00湖風發展最強盛，達到最大值與明顯輻散中心，風向輻散中心位于（N31.38°，E120.14°），風由輻散中心吹向四周的陸面，且風速以遠離湖岸距離增加而增長，由于地形作用，使得太湖湖岸東南部湖風較弱，且湖岸上風向多變，風速較小，湖風最弱區域出現在太湖湖岸東南部。隨著時間推移，輻散中心也在東南移，在17：30湖風輻散中心與太湖幾何中心重合，位于（N31.22°，E120.23°），18：00后湖風逐漸減弱甚至消失。

模擬風場在12日18：00出現湖風到陸風轉變，19：30出現較完整陸風，為西北-東南風向輻合，隨后風層迅速增厚，22：00發展最強盛，平均風速約3m/s。山區氣流明顯轉向，原來占主導地位的湖風變成幾個中心的陸風，局地特征明顯。隨著時間增加，湖面上風速也逐漸加大，到22：00湖面上模擬風場風速達最大，伴有明顯風速風向輻合中心，陸風在湖面橫向對稱軸處（即31.2°N）形成弱輻合帶，這種輻合帶具有典型湖風鋒結構。風速大值區隨時間從太湖南部北移。到13日4：00，低層以山風為主，殘存陸風輻合帶已消失，在山地地區出現弱輻散中心，山風風速約3m/s。

3.2 相關熱力參數分析

以8月12日0：00為初始場，模擬未來24h內相關熱力參數隨時間變化。潛熱通量和凈輻射呈現明顯日變化特征：上午由低變高呈增加趨勢，中午達最大值后又逐漸減少。由于白天太陽短波輻射增加使地面溫度升高迅速，地表向大氣輸送感熱通量，同時地表蒸發和蒸騰作用不斷增強，使得潛熱通量增加，陸面蒸發對低層起到加熱、加濕作用，導致該區域不穩定能量增加，在一定氣流條件下促進對流產生。近地面升溫時，湍流運動發展增強，致使大氣層結逐漸變得不穩定。日落后，凈短波輻射迅速下降，地表快速降溫，這時感熱通量輸送方向與白天相反，開始由大氣向地表輸送，感熱通量為負，地表蒸發量變為零，此時潛熱通量值也降至100W/m2。

4 結論

太湖夏季晴天白天四周陸面上為湖風所控制，潮濕暖空氣在陸面上空堆積并抬升，湖面上有明顯下層輻散，在垂直方向上形成順時針閉合環流;日落后隨著太陽短波輻射消失，湖風環流逐漸向陸風環流轉變。晚上湖面上空主要是陸風，在湖面上有明顯下層輻合，在垂直方向上形成逆時針閉合環流;

湖陸風影響高度一般在1500m以下，當系統風較強時，影響高度更低。太湖西南方山地局地風場結構及其強度變化影響因子，也是湖陸風環流形成和發展主要影響因子。

模擬結果表明，在成熟湖風期間高空存在明顯返回氣流，湖風環流垂直結構相當完整。

參考文獻

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作者簡介：

王莎（1989-），女，本科，助理工程師，研究方向：地面綜合觀測服務。