西安及周邊區域冬季風場特征的數值模擬分析

吳素良，程 路,2，胡淑蘭，2，王 琦，張 俠,2，張文靜

(1.陜西省氣候中心，西安 710014；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態環境氣象重點實驗室，西安 710016)

風是空氣流動引起的一種自然現象，是由太陽輻射熱引起的[1]。風對天氣氣候、環境空氣質量有著重要影響[2]，尤其是低空風對人類的生產生活[3-4]有著重要影響。隨著城市發展與開發，西安市城區建筑密度逐年增加，下墊面變得更為粗糙，城區氣象站風速普遍呈現減小的趨勢，空氣污染[5]和城市熱島日益加劇[6]。由于目前國家氣象觀測站較少，自動站的觀測點不夠密，其代表性不夠理想，因此仍不能滿足應用要求。通過數值模擬，可以給出時間間隔短、空間間隔小的資料序列，既可用于污染參數與模式計算[7-8]，又能研究區域不同時段流場主要特征與局地環流的變化規律，對合理規劃城市整體結構[9-10]、緩解城市熱島效應，形成舒適、節能的城市空間環境有著重要的意義。目前，WRF模式廣泛用于風場模擬[11-12]，較前的MM5中尺度預報模式也有著廣泛應用[13]。小范圍風場的模擬則有CFD(computational fluid dynamics，計算流體動力學)類軟件[14-15]。

1 數值模式的選取

為了更好地獲取西安的風場，選用新一代高分辨率中尺度預報模式——WRF模式(weather research and forecasting model，WRF Mode1)。該模式為完全可壓非靜力模式，采用Arakawa C網格，為集數值天氣預報、大氣模擬及數據同化于一體的模式系統，能夠更好地改善對中尺度天氣的模擬和預報。數值模擬使用的是當前較新且比較穩定的3.6版本。

2 數值模擬設計

2.1 數值模擬方案

模式采用3重區域嵌套，第一重包含青藏高原及沿海等影響天氣系統的地理區域，水平尺度27 km×27 km；第二重水平尺度分別為9 km×9 km；第三重覆蓋陜西省，水平尺度分別為3 km×3 km，垂直模擬層數為49層。初始場利用NCEP 1°×1° FNL再分析資料，包括溫度、濕度、氣壓、降水、水汽、風分量等。同化方案采用3DVar，將NCEP DS337.0觀測數據同化到初始場和邊界場中。使用數據包括：緯向風分量u、經向風分量v、垂直風分量w，主要用于分析模擬區域的流場、速度場。

圖1為風場分析的模擬區域及東西向和南北向剖面選取位置。文中北部山區指渭北海拔高度大于600 m的地區，南部山區指渭河以南海拔高度大于600 m的地區。模擬區域指圖1所含范圍：東到渭南，西含禮泉，北達銅川，南至秦嶺；西安城區指渭河以南、終南大道以北、東三環以西、灃河以東范圍內人口、機構、經濟、文化高度集中的區域；西安周邊指圖1內距離城區較遠的區域。

圖1 西安風場模擬區域、地形與垂直剖面位置圖

2.2 WRF模式參數化方案

微物理過程：lin方案，較為復雜，考慮了水不同相態的變化。長波輻射：RRTM方案，是一種快速輻射傳輸模式。短波輻射：RRTMG方案，考慮到了隨機云重疊的過程。表層：Pleim-Xiu表面層方案。陸面層：Pleim-Xiu路面模式，與表層方案相對應。行星邊界層：Mellor-Yamada-Janjic TKE方案。積云參數化：采用NCEP業務使用的Betts-Miller-Janjic方案。

3 模擬結果分析

3.1 不同高度風場特征

冬季包括12月、1月和2月。1月是西安平均溫度最低的月份，選擇2015—2017年代表月 1月的模擬結果，用于分析西安冬季的風場特征。圖2為2015—2017年不同高度平均風場。1月10 m高度平均風場：模擬區域風場總體呈氣旋狀，中心位置在西安三環東北段附近，風速小于0.5 m/s；渭北風速大，在1.5 m/s以上，風向基本為東北風和東東北風；咸陽及其以西風速小，不足1 m/s，多為偏西風；秦嶺北部風速較小，大部分為偏西風，藍田附近則為偏南風。0.1 km高度平均風場：模擬區域風場總體也呈氣旋狀，中心位置在驪山附近，中心風速不足1 m/s；渭北風速最大，達3 m/s，大部分為東北風和東東北風；渭河沿線風速相對較小，不足1.5 m/s，其西部以北風為主，東部多為東北風；秦嶺附近風速在1.5 m/s左右，基本為偏西風。0.5 km高度平均風場：渭北風速大，大部地區大于2 m/s，風向主要為東北風和北風；秦嶺附近風速其次，風向多為偏西風；驪山為風速低于1 m/s的低值中心，其風向多為偏北風。1 km高度平均風場：模擬區域西北部山區、南部山區風速大，介于1.5～3.5 m/s，風向多為西北風；模擬區域的中部風速小，不足1 m/s，大部分為偏北風，南部基本為偏西風。2 km高度平均風場：模擬區域西北部山區、南部山區風速大，介于4.5～6 m/s；咸陽、興平與戶縣一帶風速較小，低于4 m/s；整個區域均為偏西風。5 km高度平均風場：模擬區域西北部山區、南部山區風速大，介于18～21 m/s；咸陽、興平與戶縣一帶風速較小，低于17 m/s；整個區域均為西風。

圖2 西安2015—2017年1月不同高度平均風場(單位：m/s)

風速與風向的變化主要受地形影響。1月，受蒙古高壓影響，冷空氣南下，從渭北平原進入關中地區。由于關中盆地西部窄，南有秦嶺山脈，進入氣流會受阻變緩，并形成渦流狀。在0.5 km高度以下，風向、風速受地形影響較大，最大風速在渭北地區；2 km高度風向已基本不受地形影響，整個區域均為偏西風，盆地上空風速受影響較小。5 km高度風向全部變為西風，秦嶺上空風速大，盆地風速小，但相對差異明顯變小。

圖3為2015—2017年1月10 m～5 km高度上的平均垂直速度場。盆地地區平均垂直速度基本為0 m/s，南部、北部山區有弱的下沉氣流。0.1 km高度模擬區域盆地地區有弱的上升氣流,平均垂直速度不足0.02 m/s，周至南部山區可達0.04 m/s，北部山區有下沉氣流。0.5 km高度模擬區域盆地地區有弱的上升氣流,西安與咸陽以北平均垂直速度一般小于0.01 m/s，西安與咸陽以南大于0.01 m/s，周至南部山區可達0.04 m/s，西北山區、東南山區有下沉氣流。1 km高度盆地大部分地區有弱的上升氣流, 平均垂直速度一般為0.01 m/s，長安區有0.02 m/s上升氣流，其南部山區有下沉氣流可達0.03 m/s，西北山區有下沉氣流。2 km高度模擬區域盆地及以北地區有弱的、零散的上升氣流, 平均垂直速度一般為0.01 m/s，南部山區有下沉氣流，為0.01 m/s。5 km高度氣流垂直速度較小，大部分介于-0.01～0.01 m/s之間。總體上南北兩端存在較強的下沉氣流，盆地存在上升氣流，上升氣流中心位于33.7°N、108.5°E。

圖3 2015—2017年1月不同高度平均垂直速度場(單位：m/s)

3.2 不同剖面風速特征

圖4a為2015—2017年1月平均速度東西向剖面。1 km以上模擬區域風速隨高度增加，東部風速相對較大； 109.1°E以西0.2 km高度以上有約0.5 km厚度、風速大于1.6 m/s相對大風速帶，之上至1 km為一相對小風速區。2015—2017年1月平均速度南北向剖面(圖4b)顯示，1 km以上模擬區域風速隨高度增加，南部風速相對較大，北部較小，中部最小。34.4°N以北0.05 km高度以上有約0.3 km厚度、風速大于2.5 m/s的相對大風速帶，其上至1 km為相對小風速區。

圖4 2015—2017年1月平均風速(單位：m/s)東西向(a)與南北向(b)剖面

3.3 不同剖面垂直速度日變化特征

從2015—2017年1月東西向剖面平均垂直速度日變化(圖5，有些時刻省略)可見，21時低層1.5 km以下為較強上升氣流，中心高度在0.5 km，近地面有下沉氣流，東部比較強。2.5 km以上西部、中部為下沉氣流，東部為上升氣流。22時東部局地環流明顯，西部多下沉氣流，中、東部上升氣流與下沉氣流相間。之后氣流不斷變化，但低層為上升氣流，高層為下沉氣流的特點在10時前基本不變。11時起， 整個剖面基本為下沉氣流，13時達到最強，在中西部1 km上下、高層中部偏東的地方有較強下沉氣流，東部低層為一小范圍較強上升氣流。14時后，下沉氣流減弱，15時1 km高度有4個較強下沉氣流中心，16—19時，有零散上升氣流出現、加強，下沉氣流逐漸減弱，局地環流明顯。20時局地環流減弱，低層以上升氣流為主，高層以下沉氣流為主。

圖5 2015—2017年1月東西向剖面不同時刻平均垂直速度(單位：m/s)

從圖6可見，21時中北部1 km高度為較強上升氣流中心，其上部有下沉氣流，南部有弱上升氣流，最南部為下沉氣流，最南部近地層下沉氣流強度較大。21—11時，上升氣流由強轉弱，且主要出現在低中層；下沉氣流則是由弱變強，由高層向地面發展。12時以后，下沉氣流占主導地位，并在14時達到最強，其間，秦嶺腳下存在一小塊上升氣流區。15時后，下沉氣流開始減弱，上升氣流加強，且19時的上升氣流區比20時的大。

圖6 2015—2017年1月南北向剖面不同時刻平均垂直速度(單位：m/s)

對21—20時平均垂直風速進行經驗正交函數分析(EOF)，東西向剖面第1、第2模態見圖7a、圖7b，相應的時間系數見圖8a、圖8b。從圖7a可見，主城區以上升氣流為主， 東部以下沉氣流為主，西部存在較強的局部下沉氣流。從第1模態時間系數來看(圖8a)，前半夜較高，后半夜較低，13—17時小于0 m/s,14時最小。此變化表明，夜間主城區上升氣流旺盛，郊區為下沉氣流，此循環白天開始減弱，并在下午變成主城區為下沉氣流，郊區為上升氣流。

圖7 2015—2017年1月東西向剖面垂直速度第1(a)、第2(b)模態

圖8 2015—2017年1月東西向剖面垂直速度第1、第2模態時間系數

第2模態(圖7b)以下沉氣流為主，中西部有多個較強上升氣流。第2模態時間系數(圖8b)和第1模態時間系數變化基本相反，第2模態場后半夜和白天以下沉氣流為主， 前半夜則以上升氣流為主。從表1來看，前2個模態方差貢獻率大于70%，基本可代表剖面垂直速度的變化特征。

表1 2015—2017年1月東西向剖面垂直速度前10個模態方差貢獻率 %

南北向剖面平均垂直風速經驗正交函數分析第1、第2模態見圖9a、圖9b，相對應的時間系數見圖10a、圖10b。從圖9a可見，主城區既有上升氣流又有下沉氣流，北部以弱的下沉氣流為主，南部存在較強的局部下沉氣流。從第1模態時間系數來看(圖10a)，夜間比較高，08時后迅速減小，13—15時小于0 m/s,14時最小。此變化表明，夜間主城區有一定的上升氣流，郊區多為下沉氣流。此循環在日間開始減弱，并在下午變成主城區為弱的下沉氣流，郊區為弱的上升氣流。

圖9 2015—2017年1月南北向剖面垂直速度第1(a)、第2(b)模態

圖10 2015—2017年1月南北向剖面垂直速度第1、第2模態時間系數

第2空間模態顯示中北部以下沉氣流為主，南部下沉氣流間有多個較強上升氣流(圖9b)。第2模態時間系數和第1模態變化基本相反(圖10b)，第2模態場白天以下沉氣流為主，15時最強；21、22時上升氣流較強，夜間其他時間垂直速度趨于0 m/s。從表2來看，前2個模態方差貢獻率大于76%，基本可代表剖面垂直速度變化特征。

表2 2015—2017年1月南北向剖面垂直速度前10個模態方差貢獻率 %

4 結論

(1)西安及其周邊區域1月流場接近地面為一氣旋狀，在10 m高度位于西安三環東北段附近，且隨高度增加向東偏移；到0.5 km高度演變成槽狀，1 km高度演變成“Z”形狀，2～5 km由偏西風變化為西風。

(2)模擬區域1月平均風速具有秦嶺山區、渭北山區大，渭北平原地區小的特點， 1 km高度以下大部分的平均風速不超過3 m/s，有相當一部分平原地區低空平均風速小于1 m/s。部分地區在0.3～1.4 km高度有小風速區存在。1 km高度以上風速隨高度增加；

(3) 1 km高度以下，關中盆地有上升氣流，南部山區、北部山區有下沉氣流，上升氣流與下沉氣流最大速率為0.04 m/s。上升氣流中心位于33.7°N、108.5°E。

(4) 1天大部分時間之中，西安周邊為下沉氣流，市區為上升氣流。此環流夜間最強，晝間開始減弱， 11時之后，整個剖面基本為下沉氣流，在13、14時達到最強。15時之后，下沉氣流開始減弱，有零散的上升氣流出現、加強，并逐步演變為城區為上升氣流，周邊為下沉氣流。