城市下墊面對渤海灣海風鋒特征影響的一次數值試驗

梁釗明 高守亭 王東海 王彥

1中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京100081

2中國科學院大氣物理研究所云降水物理與強風暴實驗室，北京100029

3天津市氣象臺，天津300074

1 引言

沿海地區的有利地理位置和發展條件使得它往往成為城市化發展最快的地方。20世紀80年代以來，我國沿海地區經歷了城市化的快速發展，三大城市群京津冀、長江三角洲和珠江三角洲地區均瀕臨海洋。城市化的發展使得沿海地區的下墊面和近地面環境發生很大的變化，其中城市下墊面（樓房和道路等）的熱力特性（熱容量、反照率和發射率等）和低綠化率造成的相對少的水汽來源改變了地表與大氣之間的感熱和水汽通量，而城市下墊面的動力特性（高粗糙度）則使得近地面風速和湍流特征等發生明顯改變。另外，城市環境造成的熱量平衡，如樓房之間的長波的吸收和發射以及短波的吸收和反射、樓房對太陽光的遮擋、樓房和道路造成的湍流對熱量的輸送、樓內外的熱量交換等，會給近地面的溫濕分布狀況有很大的影響。海風是發生在沿海地區的淺薄的邊界層氣流，因此，當海風前沿的海風鋒往陸地推進過程中途經城市下墊面時，其熱力特性和動力特性將會受到影響。同時，沿海的城市熱島效應會改變海陸的熱力差異程度，從而使得海風的強度發生變化，這些變化均可能對海風鋒的特征產生影響，而海風鋒特征的變化將進一步影響到海風鋒對強對流天氣的作用。鑒于此，城市下墊面對海風鋒特征的影響值得探討。一些氣象學者對城市下墊面對海陸風環流的影響進行過分析。苗曼倩和唐有華（1998）用三維中尺度模式研究了長江三角洲夏季海陸風與城市熱島環流的相互作用，結果顯示白天東海海風和太湖湖風與上海市熱島環流相互增強，夜間則相反。Kusaka and Kimura（2000）研究表明城市發展和下墊面改變使得海風鋒抵達內陸所需的時間增加，同時指出由于下墊面的改變造成的邊界層加熱與海風鋒相互作用的變化對城市熱島的強度有影響。陸希和壽紹文（2009）利用中尺度數值模式MM5對珠三角地區進行的城市化敏感性試驗發現城市化對珠三角地區海陸風的強度和方向有很大影響，特別是中午增強的海風使得珠三角東岸的低層輻合加強。文偉俊等（2009）運用WRF模式對2006年8月 1～2日的海陸風過程進行的城市化實驗結果表明城市熱島效應加強了海風的發展。以上研究主要集中在城市下墊面對海風的強度以及近地面氣溫的影響方面進行了分析，并沒有對海風鋒背后不穩定能量以及水汽進行探討。另外，隨著近幾年中尺度模式中城市物理方案的完善，模式對城市環境的熱量平衡以及動力特征的描述有了很大的進步。本文利用耦合了新一代城市物理方案 UCP-BEM (Urban Canopy Parameterization-Building Energy Model) 的WRF (Weather Research and Forecasting) 模式開展數值試驗探討城市下墊面對渤海灣海風鋒特征的影響。

2 城市物理和數值試驗方案

UCP-BEM（Urban Canopy Parameterization-Building Energy Model）是新一代的城市物理方案，它主要包括了兩部分，一個部分是城市冠層參數化（Urban Canopy Parameterization, UCP）（Martilli et al., 2002），另一部分則為室內能量模式（Building Energy Model, BEM）（Salamanca et al., 2010）。城市冠層參數化把城市冠層垂直分離為多層來進行物理描述（Chen et al., 2011, figure 2），它考慮了城市冠層內樓房墻壁、樓頂和道路對動量（拖曳強迫方法）、湍流動能（TKE）和位溫的影響，同時墻壁和道路的輻射過程考慮了短波輻射的被反射、遮擋和攔截的過程以及街道冠層里的長波輻射過程。室內能量模式則主要考慮了樓房內的人為熱量的排放以及樓房內外的熱量和水汽的交換過程（Chen et al., 2011）。另外，UCP-BEM對城市環境模擬的合理性已經通過巴塞爾邊界層觀測實驗數據得到驗證（Chen et al., 2011）。可見，UCP-BEM對復雜的城市環境物理過程有比較全面和合理的描述，適合在數值試驗中選為城市物理方案。

發生在 2009年9月 26日午后（北京時，下同）渤海灣地區的海風鋒個例被采用為數值試驗的個例，渤海灣地區則為數值試驗區域的中心。數值試驗采用四層嵌套區域（圖 1a），水平格點數從外層到里層分別為 180×180，268×250，364×337和244×190，對應的格距為27 km，9 km，3 km和1 km，垂直層次均為62層，其中2 km以下約有15層。美國國家環境預報中心（NCEP）的 1°×1°的分析資料（Kalnay et al., 1996）用來生成數值試驗的初始條件和側邊界條件，其中側邊界條件的時間間隔為6小時，具體的生成方法可以參考Skamarock et al.（2008）的技術說明。美國國家環境預報中心0.5°分辨率的海溫資料（ftp://polar.ncep.noaa.gov/pub/history/sst [2012-11-12]）則用來更新底邊界（包括初始條件和側邊界條件的底邊界）海洋區域的海溫。在一致的初始條件和邊界條件下，我們運用WRF（Weather Research and Forecasting）模式進行兩個數值試驗，其中一個（下文簡稱為Exp URB）存在城市下墊面，并耦合了UCP-BEM城市物理方案，城市區域設置為高強度城市類型（其主要參數設置見表1，其他參數設置參考WRF模式（3.3版本）中的URBPARM.TBL文件），另一個（下文簡稱為Exp NURB）則把城市下墊面修改為鄉村下墊面。圖1b和1c為這兩個數值試驗的下墊面的土地利用類型分布。數值試驗積分的初始時間為 2009年9月26日08時，結束時間為2009年9月26日20時。數值試驗采用的物理方案見表2。本文將通過對比這兩個數值試驗的結果來分析城市下墊面對渤海灣海風鋒特征的影響。

表1 Exp URB數值試驗中城市環境的主要參數設置Table 1 Urban environment parameters used in Exp URB

圖1 （a）數值試驗采用的四層嵌套區域（從外到里為粗網格區域到細網格區域）；（b）數值試驗Exp NURB和（c）數值試驗Exp URB的土地利用類型分布（色標值13和12分別為城市和鄉村，色標值11、14、15、16、17分別代表永久性濕地、自然植被、雪地、荒蕪和水體等）Fig.1 (a) Four nesting domains used in the numerical experiments (grid spacing decreases from outside to inside); (b, c) the distributions of land uses types in(b) Exp NURB and (c) Exp URB (Colors denoting 13 and 12 represent urban and rural land uses, while those denoting 11 and 14 to 17 represent permanent wetland, natural vegetation mosaic, snow, barren, and water land uses)

表2 數值試驗（Exp NURB 和Exp URB）采用的物理方案Table 2 Physics schemes adopted in Exp NURB and Exp URB

3 數值試驗結果對比分析

3.1 溫濕場

從圖2可以看出，數值試驗Exp NURB和Exp URB在海岸線附近均形成了溫度等值線密集區，即明顯的海陸熱力差異，這種差異的存在厚度均在940 hPa以下，不同的是，無論從溫度的水平和垂直分布來看 Exp URB的海陸熱力差異均比 Exp NURB大，特別是在近地層。城市下墊面造成的較高海陸熱力差異對海風的加強有促進作用。從兩個數值試驗的溫度差異的水平和垂直分布（圖 2）來看，溫度差異主要發生在城市下墊面，并且城市下墊面使得低層氣溫明顯增加，增溫區域達到 950 hPa，同時，增溫區域上面出現了淺薄的減溫區域。圖3中兩個數值試驗的向上地表感熱通量差異顯示城市下墊面大大提升了向上地表感熱通量（包括了人為排放的熱量），這表明城市區域較大的向上地表感熱通量對低層較高氣溫的形成有重要貢獻。此外，Exp URB溫度的水平和垂直分布（圖2）顯示城市區域低層較高的氣溫并不足以使得海風的相對熱力性質發生改變，即由相對（陸地氣溫）較冷變為相對較暖。兩個數值試驗的水汽垂直分布和它們之間的水汽差異的水平和垂直分布（圖 4）則顯示城市下墊面使得海風鋒背后水汽的增濕高度有所提升，但增濕幅度有所下降，即水汽分布厚度有所增加，但水汽值出現減小。從兩個數值試驗的向上地表水汽通量差異的分布（圖 3）可以看出，城市下墊面較小的向上地表水汽通量對低層增濕的減弱有貢獻。

圖2 12:30 Exp NURB（上）、Exp URB（中）和Exp URB減Exp NURB（下）的溫度（單位：K）的水平（左，1000 hPa等壓面）和垂直（右，沿39.025°N）分布; 陰影區為城市區域，垂直分布圖中Exp NURB和Exp URB的海風鋒位置分別用實心和空心三角形標出，下文圖皆同Fig.2 Horizontal (left, at 1000 hPa) and vertical (right, along 39.025°N) distributions of temperatures (K) for Exp NURB (top), Exp URB (middle), and Exp URB minus Exp NURB (bottom) at 1230 BT (Beijing time).Shaded regions are urban areas, the locations of sea breeze front for Exp NURB and Exp URB in the vertical planes are marked with solid and hollow triangles, respectively (the same for the following figures)

圖3 12:30 Exp URB減Exp NURB的向上地表感熱通量（左，單位：W m–2）和向上地表水汽通量（右，單位：g m–2s–1）的分布Fig.3 Distributions of upward surface sensible heat (left) and moisture (right) fluxes (W m–2 and g m–2s–1) for Exp URB minus Exp NURB at 1230 BT

圖4 12:30 Exp NURB（a）和Exp URB（b）的比濕（單位：g kg–1）的垂直分布（沿39.025°N）以及Exp URB減Exp NURB的比濕的水平（c，1000 hPa等壓面）和垂直（d，沿39.025°N）分布Fig.4 Vertical (along 39.025°N) distributions of specific humidities (g kg–1) for (a) Exp NURB and (b) Exp URB at 1230 BT; (c) horizontal (at 1000 hPa)and (d) vertical (along 39.025°N) distributions of specific humidity for Exp URB minus Exp NURB at 1230 BT

3.2 風場

兩個數值試驗的水平風速差異的水平和垂直分布（圖 5）顯示城市下墊面的高粗糙度明顯減弱了近地層海風的風速，并且風速減弱區域達到 950 hPa，這與上面分析的城市下墊面造成的增溫區域以及降濕區域高度非常一致。這是由于城市下墊面高粗糙度導致的海風風速減弱會使得冷濕海風對低層大氣的降溫和增濕作用被削弱，從而更有利于城市區域低層較高溫度和較低濕度的維持。同時，它說明了城市下墊面造成的海風鋒背后低層較高溫度和較低濕度是城市較大向上感熱通量和較小向上水汽通量（熱力性質），以及高粗糙度對冷濕海風的減弱（動力性質）共同作用的結果。海風鋒是由海風與陸風在低層輻合所形成，因此，城市下墊面對海風的減弱使得海風鋒的低層輻合運動也有所減弱，同時造成了海風鋒低層的輻合區往海洋方向偏移（圖略）。對應輻散場的分布特點，兩個數值試驗的垂直運動分布（圖 6）顯示城市下墊面使得海風鋒的上升運動發生減弱，并且造成了海風鋒低層的上升運動區往海洋方向偏移，即海風鋒往內陸推進距離稍微縮短。從垂直流場（圖 7）來看，兩個試驗的海風鋒背后均出現了明顯的順時針海風環流，不同的是，Exp URB的海風鋒環流相對Exp NURB的海風環流有所抬升。兩個數值試驗的垂直流場差異則顯示城市下墊面的存在使得城市區域迎風側（近海洋一側）上空出現了逆時針的差異環流，環流中心位于950 hPa以下，該逆時針差異環流的形成與高粗糙度的城市下墊面對順時針海風環流的摩擦力效應有關。同時，差異環流的上升支氣流區很好地對應了城市迎風側上空淺薄的降溫和增濕區。可見，城市下墊面的動力特性使得海風環流得到抬升，而冷濕海風的抬升使得城市區域上空的降溫和增濕的垂直范圍擴大。

圖5 12:30 Exp URB減Exp NURB的水平風速（單位：m s–1）的水平（左，1000 hPa等壓面）和垂直（右，沿39.025°N）分布Fig.5 Horizontal (left, at 1000 hPa) and vertical (right, along 39.025°N) distributions of horizontal wind speed (m s–1) for Exp URB minus Exp NURB at 1230 BT

圖6 12:30 Exp NURB（上）和Exp URB（下）的垂直運動（單位：m s–1）和風矢量的水平分布（左，1000 hPa等壓面）和垂直運動（單位：m s–1）的垂直分布（右，沿39.025°N）Fig.6 Horizontal distributions (left, at 1000 hPa) of vertical motions (m s–1) and wind vectors and vertical distributions (right, along 39.025°N) of vertical motions (m s–1) for Exp NURB (top) and Exp URB (bottom) at 1230 BT

圖7 12:30 Exp NURB（a）、Exp URB（b）和Exp URB減Exp NURB（c）的流線的垂直分布（沿39.025°N）Fig.7 Vertical distributions (along 39.025°N) of streamlines for (a) Exp NURB, (b) Exp URB, and (c) Exp URB minus Exp NURB at 1230 BT

3.3 有效位能和對流抑制

有效位能和對流抑制是對流運動發生的兩個重要判據，而它們與大氣的溫濕狀況密切相關，因此，城市下墊面對低層大氣溫濕狀態的改變也將引起有效位能和對流抑制的變化。圖8顯示有效位能分布明顯的區域與海風推進的范圍一致，同時有效位能高值中心區位于海風鋒的背后，這與海風鋒背后充沛的冷濕海風對低層大氣的降溫增濕有關（梁釗明等，2013）。兩個數值試驗的有效位能差異的水平和垂直分布（圖 8）則顯示城市下墊面的存在使得海風鋒背后的有效位能的垂直分布范圍提升，但強度減弱，從而出現了Exp URB相對Exp NURB低層有效位能減少，而其上面有效位能卻有所增加的現象。這與城市下墊面對水汽分布的影響結果一致。另外，從數值試驗的對流抑制分布（圖 9）來看，對流抑制高值區分布在有效位能高值區之上，城市下墊面使得有效位能垂直分布范圍的提升促使對流抑制高值區也跟著上升，從而造成了低層對流抑制的減弱。相應地，Exp URB與Exp NURB的差異分布顯示低層對流抑制出現減小，其上面則出現增大的現象。另外，兩個數值試驗均顯示有效位能的數值很大，而對流抑制卻顯得很小。

梁釗明等（2013）從模擬結果和理論上解釋了冷濕海風對低層大氣的增濕和降溫會導致抬升凝結高度（LCL）和自由對流高度（LFC）的降低以及平衡高度（EL）的升高，從而導致有效位能的明顯增加。上面對兩個數值試驗的溫度和比濕分布差異的原因分析顯示了城市下墊面的高粗糙度對海風的減弱以及城市下墊面較大的向上地表感熱通量和較小的向上地表水汽通量的共同作用造成了海風鋒背后冷濕海風對低層大氣的降溫和增濕幅度降低，這將導致LCL、LFC和EL發生變化。如圖10，在海風環流的背景下，城市下墊面的存在使得LCL和LFC均有所抬升，而EL則出現降低，在高空的溫濕廓線沒有明顯變化的前提下（上面數值試驗結果顯示溫度和比濕分別在925 hPa和850hPa以上沒有明顯變化從某種程度上證實了該前提），低層有效位能將發生減弱。這很好地解釋了城市下墊面造成低層有效位能減弱的結果。另外，上面分析顯示，高粗糙度的城市下墊面對海風環流的摩擦力效應使得冷濕海風有所抬升，從而造成冷濕海風對低層大氣的增濕和降溫的垂直范圍提升，這是造成有效位能分布向高空擴展以及其導致對流抑制高值區抬升的原因。

圖8 12:30 Exp NURB（a）和Exp URB（b）的有效位能（單位：J kg–1）的垂直（沿39.025°N）分布以及Exp URB減Exp NURB的有效位能的水平（c，1000 hPa等壓面）和垂直（d，沿39.025°N）分布Fig.8 Vertical distributions (along 39.025°N) of convective available potential energies (unit: J kg–1) for (a) Exp NURB and (b) Exp URB at 1230 BT; (c)horizontal (at 1000 hPa constant pressure surface) and (d) vertical (along 39.025°N) distributions of convective available potential energy for Exp URB minus Exp NURB at 1230 BT

3.4 靜力和動力穩定度

圖11顯示了兩個數值試驗的干空氣位溫（位溫）和廣義位溫（Gao et al.，2004）的垂直分布。對于位溫，兩個數值試驗均顯示1 km以上大氣層結是穩定的，在其下面，海風鋒迎風側（近內陸一側）為均勻的位溫場，這是由于不穩定層結下氣流發生混合所造成的，而海風鋒背風側（近海洋一側）則出現了熱內邊界層，熱內邊界層厚度從海洋向海風鋒遞增。熱內邊界層內為偏中性層結，其上面則為穩定層結。城市下墊面的熱力和動力效應使得海岸線附近的位溫水平梯度增加、熱內邊界層向內陸延伸的距離減小，以及熱內邊界層厚度有所增加，即中性層結區增厚。其中中性層結區的增厚與城市下墊面的動力效應使得較冷海風對低層大氣降溫的垂直范圍擴大有關。廣義位溫在位溫的基礎上考慮了水汽凝結幾率，因此，它的總體分布與位溫相一致，不同的地方在于相對濕度高值區或云水物容易形成的地方出現了廣義位溫高值中心，即強不穩定層結區域，如近海面大氣層和海風鋒高空附近的云水物形成區。與數值試驗的位溫分布相似，城市下墊面的熱力和動力效應同樣造成了海岸線附近廣義位溫的水平梯度加強、熱內邊界層增厚以及熱內邊界層往海洋方向偏移。

理查遜數（Ri）同時考慮了大氣靜力穩定度和垂直風切變的影響，是判斷大氣穩定度的一個重要判據。Ri＜1能反映不穩定（Yang and Gao，2006），其中Ri＜0為靜力不穩定，0＜Ri＜1為動力不穩定。兩個數值試驗的干空氣和非均勻飽和濕空氣的理查遜數（即理查遜數中分別引入位溫和廣義位溫，簡稱為Ri和Rig）分布（圖12）顯示，對于干空氣和非均勻飽和濕空氣，低層總不穩定區域（Ri或Rig小于 1的區域）厚度均沒有明顯的變化。其中Ri＜0和Rig＜0的區域很好地對應了位溫和廣義位溫分布反映的大氣不穩定層結區域（即熱內邊界層內的區域）。0＜Ri＜1 和 0＜Rig＜1（動力不穩定）的區域均位于熱內邊界層之上，城市下墊面的動力效應造成熱內邊界層變厚使得海風鋒背后的動力不穩定區變薄。

圖9 同圖8，但為對流抑制（單位：J kg–1）Fig.9 Same as Fig.8, but for convective inhibitions (unit: J kg–1)

圖10 12:30 Exp URB減Exp NURB的抬升凝結高度（左）、自由對流高度（中）和平衡高度（右）的分布（單位：m）Fig.10 Distributions of lifting condensation level (left), free convection level (middle), and equilibrium altitude (right) for Exp URB minus Exp NURB at 1230 BT (units: m)

4 結論和討論

海風鋒是與沿海地區強對流天氣有著重要聯系的邊界層天氣系統，而城市化的快速發展改變了沿海地區的下墊面屬性，這會對海風鋒的特征產生影響。鑒于此，本文利用耦合了新一代城市物理方案 UCP-BEM (Urban Canopy Parameterization-Building Energy Model) 的WRF (Weather Research and Forecasting) 模式開展數值試驗，分析了城市下墊面對渤海灣海風鋒的風場（水平風速場、散度場和垂直速度場等）、溫濕場和大氣穩定性（靜力和動力穩定度以及有效位能等）特征的影響，分析結果顯示：

（1）城市下墊面的高粗糙度明顯減弱了低層的海風風速，使得海風鋒向內陸推進的距離和海風鋒低層上升運動的強度均有所減小。

（2）城市下墊面的動力和熱力特性造成的低層海風風速減弱以及較大向上感熱通量和較小向上水汽通量使得冷濕海風對低層大氣的降溫和增濕幅度均發生減弱。城市下墊面形成的熱島效應使得海陸熱力梯度增大，海風的驅動力得到加強，但海風經過高粗糙度城市下墊面時近地面海風發生減弱，同時城市下墊面對海風環流的摩擦力效應（產生逆時針差異環流）使得海風發生抬升，冷濕海風的抬升使得大氣降溫和增濕的垂直范圍有所提升。

圖12 12:30 Exp NURB（上）、Exp URB（中）和Exp URB減Exp NURB（下）的干空氣（左）和非均勻飽和濕空氣（右）的理查遜數的垂直分布（沿39.025°N），灰色陰影區為理查遜數在0和1之間的區域Fig.12 Vertical distributions (along 39.025°N) of Richardson numbers of dry (left) and non-uniform saturated (right) atmospheres for Exp NURB (top),Exp URB (middle), and Exp URB minus Exp NURB (bottom) at 1230 BT.The shaded regions highlight the distributions of Richardson number between 0 and 1

（3）城市下墊面的熱力和動力效應造成冷濕海風對低層大氣的降溫和增濕幅度的減弱使得海風鋒背后低層的有效位能減小，而城市下墊面的摩擦力效應對冷濕海風的抬升造成的低層大氣降溫和增濕的垂直范圍提升使得有效位能的垂直分布范圍擴大，這進一步造成了對流抑制高值區的抬升。

（4）城市下墊面的動力效應導致海風鋒背后低層的靜力不穩定區變厚，這進一步使得靜力不穩定區上面的動力不穩定區變薄，但低層不穩定區總厚度基本不變。

本文開展的數值試驗是基于渤海灣地區的一次海風鋒過程，因此，以上分析結果對地域和個例的敏感性需要進一步的探討分析。

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