边界层参数化对海南岛山地环流结构和湍流特征模拟的影响_吴冰雪.pdf

第 卷 第期 年月地球物理学报 ，吴冰雪，苗峻峰，杨薇 边界层参数化对海南岛山地环流结构和湍流特征模拟的影响地球物理学报，（）：，：，.（），（）：，：边界层参数化对海南岛山地环流结构和湍流特征模拟的影响吴冰雪，苗峻峰，杨薇，南京信息工程大学大气科学学院，南京 海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海口 海南省气象台，海口 摘要本文基于 （）中尺度数值模式，选用耦合同一近地层参数化方案（）的五种边界层参数化方案（、），对 年月日海南岛一次典型山地环流个例进行模拟，对比分析了这五种方案所模拟的山地环流结构和湍流特征的差异，旨在为模式应用于山地环流研究和模式改进提供一定的科学依据 研究结果表明，这五种湍流动能边界层参数化方案均能模拟出山谷风特征，对环流结构和湍流特征的影响表现为谷风时段大于山风时段 对于山地环流水平结构的模拟，因平原风推进距离的不同，五种方案模拟的近地面风速差异可达以上，其中 方案模拟的谷风最强盛，而 方案最弱，山区多为静风或小风 对于山地环流垂直结构的模拟，、方案模拟的谷风环流较强，表现为谷风厚度较厚，推进距离较远，同时由于模拟的谷风环流可越过山顶，从而模拟的高海拔地区上升区的覆盖范围和强度均较大；、方案模拟的谷风环流均未能越过山顶，且其中 方案的平原风环流未能与上坡风环流耦合；而 方案模拟的环流结构最不明显 湍流特征对比分析表明，五种方案模拟的湍流动能强度和分布特征存在显著差异，其中 方案湍流混合最强，方案最弱 由于 方案下垂直湍流混合较强，大气不稳定度增加，因此其对应的谷风厚度较大，同时该方案模拟的边界层结构与实况最为接近，更适用于海南岛山地环流的模拟关键词热带岛屿；山地环流；山谷风；湍流特征；数值模拟；边界层参数化方案 ：中图分类号 收稿日期 ，收修定稿基金项目国家重点研发计划重点专项项目（），海南省南海气象防灾减灾重点实验室开放基金项目（）资助第一作者简介吴冰雪，女，年生，硕士研究生，研究方向为中尺度气象学 ：通讯作者苗峻峰，男，教授，博士生导师，研究方向为边界层气象学 ：，期吴冰雪等：边界层参数化对海南岛山地环流结构和湍流特征模拟的影响 （，）（）（），；，；引言山地环流是指山地地区的局地大气环流（田越和苗峻峰，；，）在山地地区，由于下垫面热力性质的差异，通常存在斜坡风、谷风和山地平原风组成的周期为 的山谷风环流 其特征是一天出现两次风向逆转，通常白天为上坡风、上谷风和平原吹向山地风，夜间为下坡风、下谷风、山地吹向平原风，这种日循环风在从小山丘到大山脉各种规模的复杂地形均有发展（，）；当山体周围存在水体、城市等复杂下垫面时，山谷风环流往往与海陆风、城市热岛环流等中小尺度环流相耦合，表现出更为复杂的环流特征（苏涛等，）山地环流可主导近地层大气流场（王莹等，；，），同时也可改变边界层内气象场（王瑾等，），从而影响局地气候（曾佩生等，；邢雯雯等，）、大气污染物的输送与扩散（，；董群等，）、以及对流和降水的生成（，；刘蓓，）在数值模式中，由于垂直和水平分辨率的限制及湍流运动的复杂性，通常利用物理假设和经验近似来描述边界层内湍流过程的统计效应，即边界层参数化 在过去的几十年里，边界层参数化方案不断发展更新，在不同假设和公式下已发展出多种边界层参数化方案供模拟选择，物理参数化中的不确定性在整个模式的不确定性中占了很大一部分（，）目前 （）共有十二种边界层参数化方案可供选择，从类别上看，现有方案可分为非局地（、）和局 地（、）方案，区别在于物质和通量的交换可以发生在不相邻的层次之间或是只在相邻格点上（吴志鹏等，）；在这十二种边界层参数化方案中，、方案为湍流动能方案（，）针对不同区域处不同时空尺度的预报对象，国内外学者对各边界层（，地 球 物 理 学 报（）卷 ）参数化方案进行了广泛的评估和比较 等（）指出垂直混合强度和边界层上部夹卷通量计算的差异是造成不同边界层方案模拟结果不同的主要原因 王成刚等（）利用不同边界层参数化方案对晴天及阴天条件下安徽寿县典型农田下垫面气象要 素 进 行 模 拟，通 过 对 比 分 析 发 现 局 地 方 案（、）对近地面风速和风向的模拟更具优势；白天晴天条件下非局地方案（、）湍流混合作用较强，使得模拟的混合层更高更暖 王叶红和赵玉春（）比较七种不同边界层参数化方案（、）对台风“莫兰蒂”登陆减弱阶段的模拟表明，局地 和 方案模拟的台风路径、强度、降水量相对最优，同时对与之相关潜热通量、感热通量量值的模拟相对适中 魏倩等（）对比了五种边界层方案（、）对西北地区一次沙尘天气过程的模拟结果，发现 方案模拟的近地层呈现出强风、高温、低湿的特征，加之模拟的摩擦速度较大，因此模拟的沙尘天气较强 吴志鹏等（）利用五种边界层参数化方案（、）模拟了川渝盆地东部区域的西南涡降水，指出局地 方案模拟的边界层低层会更湿，这将更有利于小量级降水的产生以上研究均表明天气过程甚至局地气候（，）的模拟对边界层参数化方案具有高敏感性近年来，复杂地形下不同边界层参数化方案对边界层高度以及温度、风等要素模拟的影响受到越来越多学者的关注 等（）就印度恒河河谷一次干旱事件，对比分析了六种边界层方案（、）的模拟结果，研究表明 和 方案模拟的边界层高度较低且波动明显，其湍流混合和垂直上升较弱王颖等（）、（）分别模拟了兰州、亚美尼亚埃里温地区的温度场和风场情况，发现不同边界层参数化方案的模拟结果存在较大差异 穆清晨等（）、等（）使用不同边界层方案分别对贵州韭菜坪风电场、意大利南部近地层风场进行了模拟，研究结果均表明相较于风向而言，风速对边界层参数化方案更敏感 李斐等（）检验了藏东南地区 、四种边界层方案的模拟效果，发现不同方案模拟的纬向风风速较符合观测，而经向风由于受到地形和局地环流的影响，与 纬 向 风 相 比，模 拟 偏 差 较 大 等（）发现 在 青 藏 高 原中部地 区 各 边 界 层 方 案（、）模拟的位温廓线差异较小，而模拟的湿度廓线差异较大，其中 方案对边界层位温和相对湿 度 的 垂 直 分 布 有 较 好 的 模 拟 效 果 等（）指出对于京津冀地区季节平均的局地环流的模拟，四种边界层方案（、）均无明显差别 大量的研究表明，模拟结果对于边界层参数化方案的敏感性会因模拟选取地点的不同而表现出差异，所以一般需要开展本地化的具体检验总的来说，前人关于边界层参数化方案的研究工作多是考虑非局地和局地方案之间的应用对比，其中多数研究均指出非局地方案表现出强的湍流混合和夹卷，相比于局地方案，模拟的对流边界层混合层高度更高、温度更高、低层湿度更低 而对于均为局地方案的湍流动能（，）方案特别是一些新加入的 方案的研究并不多见（沈新勇等，）此外，以往针对复杂地形下边界层参数化方案的敏感性试验，主要集中在边界层方案对风温等廓线的影响上，从“环流”角度考虑模拟差异的研究还为数不多 且在以往对边界层方案的研究中，边界层参数化与近地层参数化方案往往是作为一个整体被改变的，仅改变边界层参数化方案的模拟研究相对较少，这样将无法区分模拟结果的差异是由于边界层方案还是近地层方案引起的（王莹和苗峻峰，）杨秋彦等（）对比分析了耦合同一近地层参数化方案（）的八种边界层参数化方案（、）对海南岛海风环流模拟的差别，发现非局地闭合的 方案模拟的海风环流特征最明显，同时其模拟的边界层顶也最高；、方案模 拟 的 近 地 层 海 风 则 相 对 较 弱 在 杨 秋 彦 等（）的研究工作基础上，本文聚焦海南岛中南部复杂下垫面地区，对比分析耦合另一近地层参数化方案（）的 五 种 湍 流 动 能 边 界 层 参 数 化 方 案（、）所模拟的山地环流的差异，并进一步考虑它们所模拟的湍流特征的差异，探讨复杂地形条件下局地环流和湍流特征模拟对边界层参数化方案的敏感性个例选取本文个例挑选所用资料来自海南省气象台提供期吴冰雪等：边界层参数化对海南岛山地环流结构和湍流特征模拟的影响的逐小时地面常规观测数据及三亚站探空资料，香港科技大学环境学院网站（：？）提供的逐小时卫星云图资料，（）逐小时全球再分析资料；模式初始场所用资料来自 （）提供的 逐 （）全球分析资料在高压控制下，天气晴朗且背景风较弱，局地环流特征往往更为明显（，），最近 等（）的研究也表明当大尺度气流较弱时，海南岛山地环流发展更加显著 因此，为尽量排除大尺度系统的影响，我们利用 再分析数据普查了 年月高低空的环流形势，同时结合卫星云图和地面常规观测数据进行分析，最终确定 年月日作为此次研究个例 从 年月日 （北京时间，下同）大尺度环流形势来看，海南岛位于副热带高压西北侧，整个岛屿被 线所包围，（图）和 海南岛均受偏南风影响，风速较弱，为，环流形势稳定 海南岛上空无明显云系影响（图），当天地面 个常规气象站均未显示降水 三亚站探空资料显示，以下风速均小于（图略）地面气象站 风向风速数据表明，山区附近站点风速较小，风向多变，但在正午附近各站风向均出现不同程度沿山坡向上的偏转 其中昌江、保亭站谷风发生较早且明显，表现为，在 左右风向就已发生偏转且偏转角度大于 ，谷风形成后可持续至 ；至夜间两站风向转为背离山区，与谷风风向近乎相反 此外，资料也表明当天山区受山地环流影响，午后低层气流由四周向山区中心汇合（图），山区东、西两侧分别存在一个环流圈（图）总体来看，该天可作为典型山地环流个例进行深入研究模式结构与边界层参数化方案 模式结构与试验设计本文采用中尺度 模式（）对所选个例进行数值模拟 模式采用四重双向嵌套网格，最外层区域包括东亚大部分地区，最内层区域包括海南岛中南部地区（图）模式水平网格数及分辨率分别为 （）、（）、（）和 （），模式层顶气压为 ，垂直方向上设置 层不等间距的层，为了更好地模拟边界层的垂直结构，以下垂直层数设为 层 模式所选用的物理参数化方案具体如表所示 模式采用了 中新的地形数据以及 的 （）土地利用类型数据，能较准确地反映出海南岛中南部复杂下垫面（图，）本文共设置五组试验，除边界层参数化方案不同之外，其他的物理过程（表）和模式配置完全一致 模式的初始场和每更新一次的边界条件由 资料提供 模式初始积分时间为 年月 日 ，共积分，每小时输出模式结果，其中前 为起转调整（）时间，后 为主要研究时段表模式主要物理参数化方案的设置 物理过程参数化选用的参数化方案短波辐射 长波辐射 微物理学 积云对流（仅 、）边界层（，；，）（，）（，）（，）（，）近地面层 陆面过程 边界层参数化数值模式中的边界层参数化方案主要解决湍流通量项的闭合问题，边界层方案的闭合阶数一般是由引入的最高阶预报方程来确定 如阶闭合即使用已知量和（或）梯度的函数来描述湍流通量项，因为引入部分阶矩（预报方程），所以 方案为 阶 闭 合方 案（孙文奇和 李昌义，）方案主要通过预报湍流动能来确定湍流扩散系数，湍流扩散系数表现为混合长、湍流动能和比例系数（或无量纲稳定度函数）三者的乘积，不同 方案的湍流扩散系数有所区别，这将影响最终模拟结果（黄文彦等，）方案使用理查森数确定边界层高度，而其余四种 方案的边界层高度均定义为湍流动能减至某一较小值的高度 五种 方案具体介绍如下：（）（）方案 方案是在 （）模式地 球 物 理 学 报（）卷图（）再分析资料 年月日 环流场；（）葵花号卫星云图；（）再分析资料 风场和散度场及（）沿 的垂直环流图 中矢量为风场，阴影为纬向风，蓝色等值线为位势高度线（单位：），红色矩形区域为海南岛；图 中矢量为风场，阴影为散度（单位：），蓝色等值线为等风速线；图 中矢量为（，）风场，其中（单位：）扩大 倍，阴影为纬向风，黑色细线为垂直速度 （）；（）；（）（），（：），；，（：），；，（，），（：），中 方案的基础上修改产生的，适用于稳定和弱不稳定层结 采用 闭合模型（，），预报方程中位温、水汽协方差项采用诊断量计算，从而节省了计算时间，该方案较早提出，应用较为广泛（）（）方案 和 方案与 方案一样，也采用 闭合模型，但它们在此闭合模型上不断改进 首先改进了湍流混合长的诊断方程，且不通过观测而基于大涡模拟的结果重新确定方案中的系数；随