地形辐射效应参数化对海南岛海风环流结构和云水分布模拟的影响

韩芙蓉; 苗峻峰; 王语卉

doi:10.16032/j.issn.1004-4965.2018.01.011

地形辐射效应参数化对海南岛海风环流结构和云水分布模拟的影响

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.01.011

韩芙蓉^{1, 2},
苗峻峰^1, ,,
王语卉^{1, 3}

1.
南京信息工程大学大气科学学院, 江苏南京 210044
2.
金华市气象局, 浙江金华 321000
3.
浙江省气象台, 浙江杭州 310002

基金项目:

国家重点研发计划重点专项项目 2016YFC0203304

详细信息

通讯作者:
苗峻峰, 男, 内蒙古自治区人, 教授, 博士研究生导师, 主要从事中尺度数值模拟研究。E-mail:miaoj@nuist.edu.cn

中图分类号: P435
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出版历程
- 收稿日期: 2016-01-29
- 修回日期: 2017-06-23
- 刊出日期: 2018-02-01

IMPACT OF RADIATION PARAMETERIZATION OF TOPOGRAPHIC EFFECTS ON SEA BREEZE CIRCULATION AND CLOUD WATER PATTERN OVER THE HAINAN ISLAND

Fu-rong HAN^{1, 2},
Jun-feng MIAO^{1
, ,},
Yu-hui WANG^{1, 3}

1.
College of Atmospheric Sciences, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China
2.
Jinhua Meteorological Bureau, Jinhua 321000, China
3.
Zhejiang Meteorological Observatory, Hangzhou 310002, China

摘要

摘要: 采用非静力中尺度模式WRF研究地形辐射效应参数化对海南岛2012年7月5日多云天气条件下的海风环流结构和云水分布模拟的影响, 并分析了差异产生的可能原因。地形辐射效应是考虑坡地辐射强迫后, 辐射与大气中的各种气体、云以及非均匀下垫面间相互反馈的累积效应。其中地形辐射效应参数化的使用使得温度的模拟更接近实际, 对水汽的模拟也有一定改进能力, 对风速、风向的改进效果不明显。考虑地形辐射效应后, 海风的发生发展演变过程及风场的水平分布无显著变化, 但局地海风以及海风对流云的位置和强度有较明显的改变。山区四周的海风环流结构和对流云的变化与坡地辐射强迫直接相关, 考虑地形辐射效应后, 山坡向阳面的海风有所增强, 背阳面的海风减弱; 向阳坡谷风减弱, 背阳坡谷风增强; 同时紧临海岸的山坡对海风的影响与岛上山坡对谷风的作用类似。平坦地区的海风环流和海风对流云总体上有所减弱, 其变化原因比较复杂。各向海风的强度变化最终会改变海风辐合线的分布, 使海风潜在降水区域发生变化。
- 热带岛屿 /
- 复杂地形 /
- 坡度坡向短波辐射 /
- 海风环流 /
- 云水混合比
Abstract: Numerical simulation of sea breeze circulation and cloud water pattern and its response to radiation parameterization of topographic effects over the Hainan Island are examined by using the Weather Research and Forecasting(WRF) model. The causes are also analyzed. After using radiation parameterization of topographic effects, the cumulative responses of the interaction among radiation, different kinds of gases, cloud and inhomogeneous underlying surfaces are significant. As a result, it is the radiation parameterization of topographic effects that makes the simulated surface temperature more realistic, which also improves the simulation of humidity. In the case of the wind direction and speed, however, the two simulations differed little. After employing slope irradiance parameterization, the evolution of sea breeze and horizontal distribution of wind changed inconspicuously, but the change of the intensity of local sea breeze and cloud is obvious. Besides, the variation of intensity of sea breeze circulation and cloud water pattern has direct links with slope irradiance. Slope irradiance parameterization has different effects on upslope wind and the sea breeze around the steep mountain may strengthen sea breeze and weaken upslope wind on the sunward side, whereas the opposite is true for the slope away from the sun. So the pattern and intensity of sea breeze change significantly in mountain areas. In addition, sea breeze circulation and cloud in sea breeze fronts in flat areas weaken generally for some complex reasons, and the convergence of sea breeze changes, which is the potential areas of precipitation.
- tropical island /
- complex terrain /
- slope irradiance /
- sea breeze circulation /
- cloud water mixing ratio

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图 1 2012年7月5日15时温度场（等值线, 单位: ℃）和风场（风向杆, 单位: m/s）分布（a）和日本MATSAT卫星观测的可见光云图（b, 阴影, 单位: %）

QS:琼山; HK:海口; DF:东方; LG:临高; CM:澄迈; DZ:儋州; CJ:昌江; BS:白沙; QZ:琼中; DA:定安; TC:屯昌; QH:琼海; WC:文昌; LD:乐东; WZS:五指山; BT:保亭; SY:三亚; WN:万宁; LS:陵水。下同。

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图 2 海南岛的地形高度（阴影, 单位: km）和地面气象站站点分布（a）以及地形坡度（b, 阴影, 单位:°）

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图 3 模拟区域四重嵌套示意图

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图 4 2012年7月5日海口和陵水两站的相对湿度（单位: %）、温度（单位: ℃）、风向（单位:°）和风速（单位: m/s）模拟结果与观测资料的对比

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图 5 15时（a、b、e）、18时（c、d、f）的CNTL试验（a、c）和SLOPE试验（b、d）的10 m风场（矢量）和风速（阴影）以及10 m风速偏差场（e、f, 阴影）

单位: m/s。黑色实线代表 500 m地形高度。

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图 6 2012年7月5日18时CNTL试验（a）和SLOPE试验（b）的10 m散度场（阴影, 单位: 10^-4 s^-1）

黑色实线代表 500 m地形高度。

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图 7 2012年7月5日15时风场（矢量, 单位: m/s, w扩大20倍）、云水混合比Qc（阴影, 单位: g/kg）沿19.6°N（a、b）、110.5°E（c、d）的CNTL试验（a、c）和SLOPE试验（b、d）的垂直剖面

黑实线为水平风速零线。

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图 8 2012年7月5日D4区域模拟的沿19.1°N的CNTL风场（矢量, w扩大20倍）和Δ|u|（左, 阴影）以及SLOPE风场（矢量, w扩大20倍）和Δ|w|（右, 阴影）的垂直剖面

黑实线为u=0。单位: m/s。a.、b. 12时; c.、d. 15时; e.、f. 18时。

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图 9 同图 8, 但为沿109.1°E的CNTL风场

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图 10 CNTL试验（a、c）和SLOPE试验（b、d）的3 km以下累积云水混合比的水平分布（阴影）以及累积云水混合比的偏差场（e、f, 阴影）

单位: g/kg。a.、b.、e. 15时; c.、d.、f. 18时。黑色实线代表地形高度，单位: m。

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图 11 2012年7月5日09、12、15和18时（a~d）的瞬时坡地辐射强迫（阴影, 单位: W/m²）水平分布

黑色实线代表地形高度, 单位: m。下同。

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图 12 同图 11, 但为地表净辐射通量偏差

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图 13 2012年7月5日15时的地表感热（a）、潜热（b）和土壤热（c）的通量（阴影, 单位: W/m²）以及地表温度偏差（d, 阴影, 单位: K）的水平分布

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图 14 2012年7月5日15时近地面2 m温度偏差ΔT2（a, 单位: K）和2 m水汽偏差ΔQ2（b, 单位: g/kg）的水平分布

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图 15 2012年7月5日平坦地区（flat）和山区（hill）的感热通量（SH）、潜热通量（LH）和土壤热通量（Qs）的平均绝对偏差的日变化

单位: W/m²。

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表 1 平原站的CNTL和SLOPE试验2 m温度、风速和相对湿度的平均误差(MBE)和均方根误差(RMBE)

物理量	误差	模式	琼山	海口	东方	昌江	定安	琼海	文昌	保亭	三亚	万宁	陵水
2 m温度/℃	平均误差	CNTL	-0.8	0.3	-1.1	0.3	-0.9	-1.5	-0.5	-0.7	2.8	- 0.1	-1.1
	平均误差	SLOPE	-0.1	0.3	-1.1	0.2	1-0.9	-1.4	-0.5	-0.6	2.6	-0.2	-1.1
	均方根误差	CNTL	1.7	1.2	1.4	1.4	2.6	1.6	1.5	1.5	3.0	0.9	1.3
	均方根误差	SLOPE	1.6	1.2	1.4	1.3	2.7	1.5	1.6	1.5	2.8	0.9	1.3
风速/(m/s)	平均误差	CNTL	1.1	0.4	0.0	0.6	1.1	0.9	1.5	0.9	-1.8	0.5	0.3
	平均误差	SLOPE	1.2	0.4	0.0	0.8	0.9	0.9	1.5	1.0	-1.9	0.5	0.5
	均方根误差	CNTL	1.7	1.1	1.4	1.2	2.3	1.2	1.8	1.4	2.4	1.0	1.0
	均方根误差	SLOPE	1.7	1.1	1.5	1.3	1.8	1.3	1.9	1.4	2.5	1.0	0.9
相对湿度/%	平均误差	CNTL	3.4	-3.6	5.4	0.0	3.8	10.4	2.1	7.5	-8.1	0.5	5.9
	平均误差	SLOPE	2.9	-4.1	5.5	0.0	3.9	10.1	2.0	6.1	-6.8	1.4	5.8
	均方根误差	CNTL	9.3	8.0	9.0	6.0	11.6	10.9	7.7	11.1	9.7	4.8	8.0
	均方根误差	SLOPE	8.8	8.3	9.3	5.8	12.2	10.6	7.7	10.9	9.0	5.4	8.3

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表 2 高山站的CNTL和SLOPE试验2 m温度、风速和相对湿度的平均误差(MBE)和均方根误差(RMBE)

物理量	误差	模式	儋州	白沙	琼中	屯昌	乐东	五指山
2 m温度/℃	平均误差	CNTL	-0.9	-0.7	-1.4	-1.0	-1.4	-0.8
	平均误差	SLOPE	-0.9	-0.8	-1.3	-1.1	-1.3	-1.0
	均方根误差	SLOPE	1.2	1.3	1.8	1.9	1.8	1.4
	均方根误差	CNTL	1.3	1.3	1.7	1.7	1.9	1.6
风速/(m/s)	平均误差	CNTL	1.2	0.6	0.8	1.2	0.6	1.7
	平均误差	SLOPE	1.2	0.6	1.1	1.1	0.7	1.7
	均方根误差	CNTL	1.6	0.9	1.8	1.5	1.1	2.5
	均方根误差	SLOPE	1.5	1.1	2.1	1.4	1.3	2.5
相对湿度/%	平均误差	CNTL	4.4	5.8	9.0	4.5	13.6	11.4
	平均误差	SLOPE	4.7	6.8	8.8	4.4	13.1	11.3
	均方根误差	CNTL	5.7	8.0	10.9	10.3	15.3	14.5
	均方根误差	SLOPE	6.6	9.6	10.7	9.2	14.9	14.3

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表 3 15时模拟的山区109.1°E, 19.1°N垂直剖面的海风环流特征参数

特征参数	西侧		东侧		南侧		北侧
特征参数	CNTL	SLOPE	CNTL	SLOPE	CNTL	SLOPE	CNTL	SLOPE
L/km	27	27	37	29	23	23	55	65
h_SB/m	533	703	1 459	1 459	2 325	1 276	2 325	2 027
u_max或v_max/(m/s)	5.0	6.0	-6.2	-6.6	5.5	4.6	-6.0	-6.0
D/km	21	22	26	31	1	13	25	10
H/m	141	142	181	181	181	366	181	181
w_max↑/(m/s)	0.76	1.56	1.68	1.72	0.93	1.88	1.79	2.06
D/km	25	26	38	35	16	23	54	57
H/m	533	109	789	2 027	533	2 027	1 276	2 027
w_max↓/(m/s)	-0.17	-0.77	-0.14	-0.27	-1.63	-1.63	-0.42	-0.37
D/km	5	25	16	38	15	21	16	20
H/m	449	2 027	449	449	2 027	2 027	1 276	1 645

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表 4 15时模拟的平坦地区110.5°E, 19.6°N垂直剖面的海风环流特征参数

特征参数	西侧		东侧		南侧		北侧
特征参数	CNTL	SLOPE	CNTL	SLOPE	CNTL	SLOPE	CNTL	SLOPE
L/km	36	31	44	42	99	97	39	38
h_SB/m	789	533	1 459	1 459	1 097	963	2 027	1 834
u_max或v_max/(m/s)	5.0	4.2	-5.3	-5.6	3.2	3.9	-5.0	-5.0
D/km	28	28	18	1	74	75	34	34
H/m	106	106	141	181	141	141	181	222
w_max↑/(m/s)	0.72	0.61	0.90	0.70	2.00	0.65	2.60	2.80
D/km	32	20	31	21	88	86	36	38
H/m	533	449	618	449	1 834	1 276	1 097	964
w_max↓/(m/s)	-0.18	-0.12	- 0.22	-0.14	-0.19	- 0.34	-0.39	-0.36
D/km	27	10	28	14	51	76	76	38
H/m	618	449	789	366	789	1 459	1 276	1 834

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