MM5模擬垂直風(fēng)剖面的準(zhǔn)確性探討及在垂向氣象場的分析應(yīng)用.docx

1、Vol.51No.6Nov.2012第51卷第6期中山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2012年II月ACTASCIENT1ARUMNATURAL1UMUMVERSITATISSUNYATSENIMM5模擬垂直風(fēng)剖面的準(zhǔn)確性探討及在垂向氣象場的分析應(yīng)用*唐靈二詹杰民二李毓湘之，林嘉仕之(1.中山大學(xué)應(yīng)用力學(xué)與工程系，廣東廣州510275；2.香港理工大學(xué)土木及結(jié)構(gòu)工程系，香港)摘要：通過調(diào)整垂直方向的垂直層分布及增加垂直層數(shù)，提高MM5對近地面及中高空風(fēng)、溫度等氣象場的模擬準(zhǔn)確度，更好地模擬垂直風(fēng)剖面隨高度的變化。特別地，由于模式中2(XX)m以上中高空的垂直層比較稀疏，加密垂直層能比較顯著改善中高空氣

2、象場的模擬結(jié)果，這對于研究對我國影響較大的西南風(fēng)低空急流和高空急流等氣象現(xiàn)象有較重要的意義。討論研究了土地利用的更新對垂直風(fēng)剖面造成的影響，對比分析r新舊土地利用類型下珠江口三個垂直剖面的流場變化。土地利用的更新會產(chǎn)生不同的地面熱通Id和水汽通址，并通過垂直方向上的湍流輸送進一步影響到高空氣象場，從而改善垂直風(fēng)剖面數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度。關(guān)鍵詞：MM5中尺度模式；垂直層加密；垂直風(fēng)削面中圖分類號：P435*.1；P421.1文獻標(biāo)志碼：A文章編號：0529-6579(2012)06-0112-09ImprovementTestforSimulationofVerticalWindProfileinM

3、M5andSimulationAnalysisofMeteorologicalFieldsinVerticalCross-SectionTANGLing',ZHANJiemin,LIYoksheung,LAMKase2(1.DepartmentofAppliedMechanicsandEngineering,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China；2.DepartmentofCivilandStructuralEngineering,theHongKongPolytechnicUniversity,HongKong,China)Abstra

4、ct:Byadjustingthedistributionofverticalsigmalevelsandincreasingitsnumber,theaccuracyofcomputedwind,temperatureandothermeteorologicalfieldsareimprovedinnearsurfaceandupperlevelsinMM5simulations.Inparticular,thedensityofverticallevelsabove2000metersisusuallysparsecomparedwiththatnearsurfacelevels.Incr

5、easingthenumberofverticallevelsabove2000meterscanimprovegreatlytheaccuracyofcomputedmeteorologicalfieldsinupperlevels,resultinginbettera-nalysisofweatherphenomenasuchasthesouthwestlow-levelandhigh-leveljetswhichhavesignificantinfluenceintheSouthChinaregioninsummer.Thechangesofverticalwindprofilecaus

6、edbyupdatingoflandusepatternarestudied.ThestreamlinefieldsarecomparedandanalyzedinthreeverticalcrosssectionsinthePearlRiverestuary.Theupdatinglandusepatternswouldleadtomorerealisticsurfaceheatandvaporfluxes,resultinginmoreaccurateupperatmospheremeteorologicalfields,suchastheverticalwindprofile,throu

7、ghverticalturbulenttransport.Keywords:mesoscalemodelMM5;densifyverticallevels;verticalwindprofile收稿日期：2011-11-08基金項目：國家海洋公益性行業(yè)科研專項基金資助項目(201005002)作者簡介：唐靈(1979年生)，男，博上；通訊作者：詹杰民;E-mail:cejmzhan©+呻ewcosa-+(2)earth+ewsina一+Dr(3)earihMM5（第五代的NCAR/PennState中尺度模型）是由MM4經(jīng)過大量的改進發(fā)展而來。MM5在處理模式大氣降水物理過程時有多種

8、方案可選擇，這些方案通常分為兩類，分別稱作顯式方案和隱式方案。其中顯式方案處理模式可分辨尺度（或稱為大尺度）降水物理過程，隱式方案處理模式不可分辨尺度（或稱積云對流）降水過程。MM5中共有5種顯式云物理方案，從簡單的暖雨方案、簡單冰相方案，到物理過程比較詳盡的Goddard、Reisner霰方案。積云與大氣的相互作用非常重要，常用的對流性積云參數(shù)化方法有Anthes-Kuo"）、Grell"-6.、Arakawa和Schubert、Fritsch和Chappell、Kain和Fritsch9等方案。MM5的行星邊界層的參數(shù)化有兒種不同的處理，主要有：把行星邊界層看作是由近地

9、層和混合層組成的整體的總體邊界層方案、不同情況卜采用k理論或根據(jù)自由對流特征建立傳輸模式的高分辨邊界層參數(shù)化方案、加入了反梯度傳輸項的MRF'UW方案及K與湍能有關(guān)的能量:閉合方案等"訂。本文著重討論了對MM5垂直方向的a層進行調(diào)整及加密方案以及各種方案對模擬的垂直風(fēng)剖面的影響，并在此基礎(chǔ)上討論和分析r土地利用的更新對垂直風(fēng)場造成的變化，同時分析了珠三角地區(qū)2001年9月15-18日空氣污染時段物理氣流輸運過程的一種影響因素。1控制方程及邊界條件MM5所用到的基于沿地形的坐標(biāo)（x,y,（T）的非靜力模式基本方程主要有：1）壓力方程其中P'為壓力擾動，在模式%,實際忽略

10、了右邊括號里的最后一項，它表示由于熱膨脹效應(yīng)而導(dǎo)致氣壓的增加。2）動量方程x方向分最業(yè)+當(dāng)?！笆黳dxp，dx（）（r）y方向分量:dtPdyp,dydafcr方向分量:dw_Po_a£+jSLp：=_v.Vw+Por_dtpp*doryppTo匕+e（ucosa-vsinq）+-+（4）CpP3）熱力學(xué)方程四二-礦.+dt力誓VP奶）+£+即。（5）另外還有水汽守恒方程和針對微物理變量（如云和降雨等）的預(yù)報方程，它們包括平流項和不同的源/匯項。在空間差分水平方向上MM5采用ArakawaB-grid上的跳點格式進行有限差分；在時間差分上采用二階蛙跳式時間步長方案，對某些

11、項采用時間分裂方式，這樣可以提高計算效率。MM5模式系統(tǒng)設(shè)計了固定側(cè)邊界、時變側(cè)邊界和流入/流出松馳側(cè)邊界等幾種側(cè)邊界處理方案。對于非靜力平衡系統(tǒng)中，選用流入/流出松馳側(cè)邊界條件能取得較好的模擬效果。模式上邊界采用Klemp等設(shè)計的一種上邊界處理方法，這種方法能使波能穿過上邊界而不產(chǎn)生反射，具體表達為P=管（6）式中P和0是氣壓和垂直速度的水平Fourier分量,P是空氣密度，N是浮力頻率，K是水平總波數(shù)。2模擬的參數(shù)化設(shè)置及模擬時段描述2.1MM5模式及參數(shù)化設(shè)置模擬采用的是MM5v3.6版本，非靜力模式,使用雙向反饋的三重嵌套，分辨率分別為40.5,13.5和4.5km,垂直方向上采用。坐

12、標(biāo)。最粗的網(wǎng)格積分步長為60s,1h輸出一次預(yù)報結(jié)果。本次模擬可分辨尺度降水采用加入了霰和冰的數(shù)所濃度預(yù)報方程的Reisner2方案，邊界層參數(shù)化方案為高分辨率的MRF方案和適用于高分辨率、采用4種穩(wěn)定度方式、包括自由對流混合層的Blackadar方案；輻射采用云輻射方案；粗網(wǎng)格側(cè)邊界條件采用松弛流入流出方案，側(cè)邊界緩沖區(qū)采用了4個格點；地面溫度取5層土壤模式。植被/土地類型采用LSGS（U.S.GeologicalSurvey）的25類全球資料。氣象場采用NCEP再分析6h間隔I°xl°分辨率的數(shù)據(jù)作為初估場。在MM5積分過程中，進行表面和高空場的牛頓松弛格點數(shù)據(jù)同化分析

13、C2.2模擬時段天氣描述本次進行了2個時間段的模擬工作，第一個時間段為2001年6月16日早上8：00至18日早上8：00（北京時，下同），在模擬時段內(nèi)，華南地區(qū)主要受西南季風(fēng)的影響，期間有零散的雨量，同時也受到向中國東南部伸展的副熱帶高壓脊的影響出現(xiàn)高溫晴朗天氣。模擬時段內(nèi)珠江三角洲地區(qū)主要盛行從海面吹向陸地的偏南向陸風(fēng)。第2個時間段為2001年9月15H8：00至18日8：00,根據(jù)香港天文臺的氣象資料，從9月15日開始，一股干燥大陸性氣流開始影響華南地區(qū)，香港地區(qū)天晴及炎熱。在輕微偏北風(fēng)的情況下，香港大部分地區(qū)早上有煙霞，能見度下降至5000m以下，西部地區(qū)更下降至2000m以下。炎熱及

14、有煙霞的天氣持續(xù)至9月19日。2.3垂直。層調(diào)整和加密MM5需要從NCEP或ECMWF等全球范圍的氣象場再分析數(shù)據(jù)讀取模擬所需的數(shù)據(jù)作為第一猜場，通過1NTERPF模塊把氣壓層上的初始場數(shù)據(jù)插值到MM5所采用的o層上，然后生成底、周邊界條件和初始條件以供MM5進行模擬運算。通過調(diào)整INTERPF插值。分層的值，可以對MM5原有的25個垂直層進行調(diào)整和加密，由于近地面行星邊界層大氣變化最活躍且模擬意義較大，因此加密的原則是越靠近地面越密，離地面越高越稀疏，并且盡量均勻分布。3MM5垂直層調(diào)整及加密模擬結(jié)果對比分析3.1原垂直方向25層及1000m以下近地面垂直層加密模擬結(jié)果在原垂直方向25層的基

15、礎(chǔ)上，調(diào)整了1000m以下近地面層的密度。原25層方案1000m以下為11層，1000m以上為14層，調(diào)整后1000m以下為16層，1000m以上為9層。模擬結(jié)果在2001年6月17口14：00輸出，模擬輸出點躋1位于地勢低平的城市市區(qū)（113。15,50E,23。6'49個），兩種垂直層方案2000m以下中低空垂宜風(fēng)剖面模擬結(jié)果分析見圖1和2。圖1原25層方案垂直風(fēng)剖面（gzl點，下同）Fig.1Verticalwindprofileusingtheold25levelsscheme圖2調(diào)整后25層方案垂在風(fēng)剖面Fig,2Verticalwindprofileusingtheopti

16、mized25levelsscheme(b),從躋1點兩種方案垂直風(fēng)速和垂直風(fēng)向模擬的對比結(jié)果可以看到，不加密情況下風(fēng)速從地面到2000m中低空的變化是呈一種類拋物線式的遞增，其中越靠近地面增速很快，高度越高增速也越慢，風(fēng)向角度從地面到高空也是呈現(xiàn)一種遞增的趨勢,反映出隨著高度的增加，風(fēng)向呈順時針旋轉(zhuǎn)，這是由于受到地轉(zhuǎn)偏向力和地表摩擦力共同作用造成的。隨著高度的增加，地表摩擦力對風(fēng)向的影響越來越小，因而風(fēng)速增加也變小，從8002000m高度區(qū)間，風(fēng)速幾乎不再增加。而在加密的情況下，從地面到800mj®度，風(fēng)速也是迅速增大，隨高度增加風(fēng)速的增加也越慢，這與原25層方案的變化趨勢類似，然

17、而從8002000m的區(qū)間，風(fēng)速繼續(xù)小幅增加，從800m高度的4m/s增加到2000m高度的5m/s,這與原25層的方案表現(xiàn)出了不同的特征，而且加密方案模擬出來的地表10m高度風(fēng)速比原方案高0.5m/s,在2000m高度則比原方案約高1m/s,而且因為新方案模擬的風(fēng)速普遍比原方案高，風(fēng)向偏轉(zhuǎn)會比原方案小2。5。我們知道，在中高緯西風(fēng)帶內(nèi)或在低緯度地區(qū)都會出現(xiàn)高低空急流，急流是大氣環(huán)流中在風(fēng)場上的一個重要現(xiàn)象。在我國經(jīng)常出現(xiàn)的是西南風(fēng)低空急流【，一般出現(xiàn)在15003000m的中低空。從天氣角度來講，一般指在850或700hPa上最大風(fēng)速中心超過一定數(shù)值(如12或15m/s等)的氣流，其平均長度1

18、0002000km左右，寬度約數(shù)tfkm。對我國有較大影響的低空急流一西南風(fēng)低空急流，常在華南前汛期和江淮梅雨期間出現(xiàn)。高空急流是指出現(xiàn)在對流層頂附近或平流層中的一股強而窄的氣流。一般指風(fēng)速大于或等于30m/s的強風(fēng)帶。因此在此次模擬的時段和地區(qū)范圍內(nèi)，正好受到了西南風(fēng)低空急流影響，模擬時段內(nèi)，珠江三角洲地區(qū)主要盛行從海面吹向陸地的海風(fēng)，為偏南風(fēng)，而到了1000m以上的高度，風(fēng)場受到西南風(fēng)低空急流的影響，風(fēng)速將會加速增大,這個趨勢在加密方案的悄況下被模擬了出來，這說明加密方案使得模擬的準(zhǔn)確性得到了提高。為了進一步說明近地面層加密對氣象場模擬準(zhǔn)確度的影響，卜-面通過香港地面氣象站KPS(京士柏站

19、)的實測氣象數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬值的對比來進行分析。從KPS站觀測溫度與模擬值的對比分析(圖3(a)可以知道，近地面層加密后的模擬溫度曲線變化趨勢和峰值都比原25層方案的模擬溫度曲線(虛線)更接近實測值(實線).這說明近地面層加密后對溫度模擬的準(zhǔn)確性得到了提高。從KPS站觀測風(fēng)場與模擬風(fēng)場的時間序列對比(圖3(b)也可以看到，近地面層加密后模擬的風(fēng)速大小和風(fēng)向也更接近觀測值，特別是在模擬的第15h后到模擬結(jié)束這一階段。以上對比分析表明，在對近地面層進行加密之后，提高了2000m以下低空氣象場模擬的準(zhǔn)確度，下面分析這2種方案下200012000m區(qū)間垂直風(fēng)場的模擬情況。蝦4、炳y4AAf7,A.A：“

20、一z堿帆I仇啊/頂柚皿伸原垂宜層結(jié)果"0/伽誡1,|尸時岫儷卜訛近地面層加密t/h圖3(a)KPS站觀測溫度與模擬值的對比；(b)KPS站觀測風(fēng)場與模擬風(fēng)場的時間序列對比Fig.3(a)ComparisonbetweenobservationandsimulationtemperatureinKPSstation;(b)comparisonbetweenobservedandsimulatedwindvectortimeseriesinKPSstation從圖4(a)和4(b)可以看到，由于加密后的方案增加了近地面層的密度，而總的層數(shù)還是25層沒有變，因而高空層數(shù)比原方案更少，雖然模

21、擬出來的2000m以上風(fēng)速變化曲線大致變化趨勢還是跟原方案接近，繼西南風(fēng)低空急流影響造成的20004000m風(fēng)速增大區(qū)間后，4200m以上風(fēng)速開始減小，而到了12000m高空，受到高空氣流的影響，風(fēng)速將再次增大，顯然山于高空垂向?qū)訑?shù)更密，原25層方案對高空氣流的模擬比近地面層加密方案更準(zhǔn)確，因此，有必要增加垂直方向總的“層數(shù)，12000100008000言6000遮400020000風(fēng)速/(ms')圖4(a)原25層方案風(fēng)速隨高度分布；(1»)調(diào)整后25層方案風(fēng)速隨高度分布Fig,4(a)Verticalwindprofileusingtheold25levelsscheme

22、;(b)verticalwindprofileusingtheoptimized25levelsscheme3.2增加垂向。層總數(shù)對垂向風(fēng)剖面模擬結(jié)果的影響上面的分析結(jié)果表明，近地面加密后，得到的垂向風(fēng)剖面模擬結(jié)果更符合實際悄況，說明對近地而氣象場的模擬結(jié)果有較大的改善作用，這對于研究近地面風(fēng)剖面的變化有較大的帶助，因為通常我們對高空風(fēng)剖面的關(guān)注會比較少。然而由于近地層的增加，高空層則變得更稀疏，那么高空垂向風(fēng)剖面的變化則得不到很好的描述，因此，如果要研究中高空的氣象場，那么就要增加總的垂直層數(shù)，當(dāng)然這會帶來更大的計算最，下面分別把垂直方向的總層數(shù)從25層增加到35層、40層和50層，并分析由

23、此而帶來的模擬垂直風(fēng)剖面的變化。的垂直層分配為2(XX)m以下19層，2000m以上6層。35層方案的垂宜層分配為2000m以下24層，2000m以上11層。從兩者的模擬垂直風(fēng)速結(jié)果對比可以看到，相比25層方案，35層方案在2000m以下的中低空和2()00m以上的中高空都加密了5個垂直層，從而使得模擬風(fēng)速的變化曲線發(fā)生了較為明顯的變化。在大約5002000m的高度區(qū)間，35層方案模擬的風(fēng)速隨高度變化比25層方案的結(jié)果要平緩，這說明在此高度區(qū)間，35層方案模擬結(jié)果反映出地表摩擦力對風(fēng)速的影響已經(jīng)較小，地表摩擦力對風(fēng)速的影響主要集中在500m以下的近地表層。而在中高空的5000m左右高度，35層

24、方案模擬的風(fēng)速達到一個極大值約12.5m/s,25層方案模擬結(jié)果則是在4000m左右達到一個極大值約11m/s。再看8000m以上的區(qū)間，25層方案由于在此區(qū)間只有一個垂直層了，因此模擬結(jié)果的細節(jié)嚴(yán)重不足，只能反映出一個風(fēng)速增大的趨勢，而到19000m以上的高空已經(jīng)沒有a層了。35層方案的模擬結(jié)果顯示，從8000m向上直到13000m左右，風(fēng)速有一個小幅增加的過程,再往上風(fēng)速回落，在16000m以上直到28000m區(qū)間，風(fēng)速又會平穩(wěn)增加。下面再把垂直方向的。層增加到40層和5()層，并把35層、40層和50層的模擬結(jié)果進行對比分析。0圖5模擬垂直風(fēng)速分布Fig.5Simulatedvertic

25、alwindprofileusing25levels(a)and35levels(b)scheme(b)35個。層32000(a)35個層28000240008000400020000g1600012000°0510153200028000240002000016(XX)12000800040000圖6模擬垂直風(fēng)速分布Eig.6Simulatedverticalwindprofileusing35levels(a),40levels(b)and50levels(c)scheme圖5(a)和5(b)分別是垂直方向25層和35層模擬輸出的風(fēng)速隨高度變化曲線。25層方案圖6(a)、6(b)

26、和6(c)分別是35層、40層和50層的垂直方向風(fēng)速隨高度變化曲線。35層的垂直層分配為2000m以下24層，2000m以上11層,40層的垂直層分配為2000m以下27層，2000m以上13層，50層的垂直層分配為2000m以下25層，2000m以下25層。從35層和40層的風(fēng)速分布對比可以看到，這兩種情況下各個高度層的風(fēng)速變化趨勢及風(fēng)速大小都基本吻合，只是在50008000m的高度區(qū)間，40層的模擬垂直風(fēng)速曲線出現(xiàn)了小幅波動，不過風(fēng)速變化趨勢跟35層的結(jié)果基本一致。繼續(xù)增加垂直層到50層，從50層的模擬結(jié)果來看，20000m以下的風(fēng)速變化曲線跟35層和40層的結(jié)果也是基本一致的，20000

27、30000m的區(qū)間，從50層的模擬結(jié)果可以看到風(fēng)速有一個先減小、后增加的過程，而35層和40層的模擬結(jié)果只反映出風(fēng)速的增大趨勢。由于高空垂直層的進-步增加，50層方案模擬出了更細致的風(fēng)速變化趨勢，旦30000m以上高空的風(fēng)速變化曲線也反映了出來，而在這個區(qū)間35層和40層方案已經(jīng)沒有垂直層故而無法顯示。從35層、40層和50層的風(fēng)速分布曲線對比分析我們知道，對于20000m以下區(qū)間的風(fēng)速模擬，這3種情況的模擬結(jié)果基本上趨于一致和穩(wěn)定，進一步增加垂直層數(shù)已經(jīng)不會對模擬結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，這說明了加密垂直層到35層以上得到的模擬結(jié)果是可信的，且加密后的模擬結(jié)果與原來25層的模擬結(jié)果差異較大，這也說

28、明加密低空和高空的垂直層對模擬的結(jié)果能起到較大的改善和提高作用°MM5模式里考慮了不同高度層的對流和上升下沉氣流的卷入卷出及補償運動浮力能等,低中高空不同高度各層之間有一個相互影響的過程，改善高空氣象場的模擬精度也會對近地面層的模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。然而垂直層也并不是越密越好，通過前面的討論和分析，在選取的模擬工況下，2000m以下,采用2025層，2000m以上采用15-25層已經(jīng)可以得到較好的垂直風(fēng)剖面模擬結(jié)果。在敏感性測試過程中，我們發(fā)現(xiàn)，如果低空的垂直層太密，反而會使得模擬的風(fēng)速變化趨勢出現(xiàn)扭曲的失真現(xiàn)象。另外，垂直層數(shù)越多，計算址也會大幅增加，且由于計算能力的限制，如果水平網(wǎng)格

29、較多，增加垂直層數(shù)，在實際模擬計算過程中可能產(chǎn)生不穩(wěn)定從而導(dǎo)致程序溢出中斷的現(xiàn)象。一般來講，對于20000m以上高空的氣象場關(guān)注較少，較多關(guān)注中低空和近地面氣象場的數(shù)值模擬,所以綜合而言，在模擬的過程中，垂直方向采用35-40層是比較合適的。為了對模擬的結(jié)果進行驗證，圖7給出了香港地區(qū)一月份的垂直風(fēng)廓線實測結(jié)果。由于垂直風(fēng)廓線觀測數(shù)據(jù)較少，給出的觀測數(shù)據(jù)時段與模擬結(jié)果不在同一時段，觀測資料的風(fēng)速比模擬結(jié)果整體上大，不過風(fēng)速大小隨高度的變化規(guī)律與模擬結(jié)果基本相似。圖7中，600m以下風(fēng)速隨高度變化迅速增大，7003500m高度區(qū)間，風(fēng)速變化較小,4000-11000m風(fēng)速隨高速變化是一個先加速增

30、大，然后減小的過程，11000m以上風(fēng)速隨高度再次增大然后減小。這種變化規(guī)律與采用35和40個垂直層模擬結(jié)果比較吻合，進一步驗證了采用3540個垂直層進行模擬運算是比較合適的。圖7香港地區(qū)垂直風(fēng)廓線觀測資料Fig.7ObservedverticalwindprofileinHongkong4在垂直層加密的基礎(chǔ)上分析土地利用更新對垂直剖面流場的影響在MM5全球25類土地利用數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)2001年的遙感衛(wèi)星土地利用數(shù)據(jù)和香港土地利用分布圖，對模式的土地利用數(shù)據(jù)進行了更新，圖8是珠三角地區(qū)土地利用更新情況。4.11993年和2001年土地類型下垂直風(fēng)速廓線模擬結(jié)果分析根據(jù)垂直方向。層加密調(diào)整的

31、討論結(jié)果，綜合計算量和穩(wěn)定性等方面的考慮，在垂直方向上采用35個。層的模擬方案，分別采用新舊土地利用數(shù)據(jù)對2001年9月15-18日進行了數(shù)值模擬。在圖9中，OLU代表采用舊的1993年土地利用的模擬結(jié)果，NLU代表采用新的2001年土地利用的模擬結(jié)果（下同）。可以看到，土地類型改變對垂直方向風(fēng)速的影響在本次模擬時段主要為2500m以下的中低空，再往上則兩種情況下的模(a)1993年教據(jù)(b)2001年數(shù)據(jù)圖8模式采用的土地利用示意圖Fig.814indum?patternsinMM5圖9gzl點模擬垂風(fēng)剖面Fig.9Simulatetiverticalwindprofileingzl擬風(fēng)速逐

32、漸趨向一致。就時間上而言，2001年9月16日卜午14：（）0的影響程度比凌晨2：00大。由于新土地類型的城市范圍大大增加，土地利用類型的差異導(dǎo)致熱容ht、反照率等不一樣，從而產(chǎn)生地面層熱技的變化，由熱ht不均而產(chǎn)生的壓力梯度對風(fēng)場的影響比較明顯，城市范圍擴大造成的白天午后城市與郊區(qū)溫差增大會使得這種年力梯度加大。在中尺度模擬的情況下，城市建筑物高度及密集度的影響被弱化，相對于城市化帶來的地表粗糙度增加對風(fēng)速的影響而言，溫度差及其帶來的壓力差對較大范圍內(nèi)風(fēng)速的影響是占主導(dǎo)地位的，所以16日下午14：00,在近地面層新土地類型比舊土地類型模擬的風(fēng)速明顯增大。凌晨2：00這種熱址不均所產(chǎn)生的影響作

33、用有較大的下降，因而兩種情況卜模擬的風(fēng)速比較接近，這個時候躋1點的風(fēng)場主要是受到大背景風(fēng)場的影響，吹偏北風(fēng)。4.21993年和2001年兩種土地利用類型情況下珠江口咐近垂直剖面的流場及分析在海陸分布差異及城市熱島效應(yīng)造成熱植分布不均的情況下，珠江口兩岸及水面之間形成r一種比較獨特的海陸風(fēng)結(jié)構(gòu)。下面在垂宜層加密的基礎(chǔ)上，分析新舊兩種土地利用情況F模擬的珠江口區(qū)域海陸風(fēng)垂直剖面流場的特點。1）選取的珠江口附近垂菅剖面示意圖圖10珠江口垂剖面位置示意圖Fig.10Ixx'alionsofthethreeverticalcross-sectionsinPearlRiverEstuary從圖10

34、可以看到，選取的三個垂直剖面分別為AD,DB和DC,這3個垂直剖面交匯于位于珠江口中心的軸線D。A,B,C和D的精確經(jīng)緯度分別為：113.4。E22.35。N,114.1°E22.7°N,114.15°E22.4°N和113.75°E22.4°NO0.450.91.351.82.252.73.153.64.054.54.955.4o.»076I14I52192M2663.043.423.84184.56（b）采用新土地類牧結(jié)果0.551.11.652.22.753.33.854.44.955.56.056.6(UIJ1.62

35、2.4IS123.644.448$2圖1116H14：00DB垂直剖面流場Fig.11StreamlinesinD-Bverticalcrosssectionat14：00Sept.16(a)usingtheoldlandusepattern；(b)usingthe0,450.91.3J1.82.252.13.15344054.53.955.40.340.6S1.021.361.72.042.382.723.063.43.744.08(b)采用新土地類型結(jié)果II3.45E1I3.5EII3.55E1I3.6EI13.65EII3.7EI13.75EUm0.750.780.810.840.870

36、.90.930.960.99圖1216H14：00AD垂直剖面流場Fig.12StreamlinesinADverticalcrosssectionat14：00Sept.16(a)usingtheoldlandusepattern；(b)usingthenewlandusepattern圖1316R14：00DC垂直剖面流場Fig.13StreamlinesinDCverticalcrosssectionat14：00Sept.16(a)usingtheoldlandusepattern;(b)usingthenewlandusepattern2）垂直剖面流場結(jié)果及分析圖11-13分別輸出1

37、6日14：00新舊兩種土地類型在DB、AD、DC三個垂直剖面的流場，各剖面垂直方向采用“坐標(biāo)，垂直方向高度范圍大約為地面至3000m高空，流線上不同的顏色代表風(fēng)速大小。通過分析我們可以發(fā)現(xiàn)氣流在這三個垂直剖面的流動規(guī)律。在DB截面上可以看到一個大的逆時針方向的渦，底層的氣流被卷向高空，然后向西南方向輸運，AD剖面的右邊也可以看到一個大的逆時針方向的渦，這樣?xùn)|方高空的來流接著被卷到底層，然后向東輸運，DC剖面的左邊也同樣可以看到一個大的逆時針方向的渦，在這種情況下，從西方輸運來的底層氣流就被繼續(xù)向東輸運,抵達香港，然后氣流又被卷向高空，從而形成一個大的循環(huán)。另外在AD剖面的左邊可以看到有一個順時

38、針方向的渦旋，這表明從東面來的高空氣流在這個區(qū)域先下沉，在底層則向兩邊擴散，而AD剖面最左邊（AD剖面在陸地上的部分）的氣流則是上升氣流，所以，AD剖面順時針渦的右側(cè)下沉區(qū)域就是DB、AD和DC剖面高空氣流的輻合下沉及底層氣流的輻散區(qū)。通過分析3個剖面的位置，知道DB剖面右邊的底層氣流來自于經(jīng)濟和工業(yè)高速發(fā)展的珠三角深圳、東莞等區(qū)域，AD剖面左邊的底層氣流同樣來自于工業(yè)發(fā)展迅速的珠海，中山等地區(qū)，相對而言，這些氣流會容納較多的工農(nóng)業(yè)和生活污染物，這些污染物有一部分會通過這種循環(huán)輸運過程被帶到香港，使得空氣指數(shù)升高。新的土地利用能更真實地反映珠江口附近城市密集區(qū)域與水面之間的海陸分布差異，因而在

39、新舊兩種土地類型的模擬垂直剖面流場對比中，我們看到，相對于舊土地類型，新土地類型模擬結(jié)果顯示珠江口區(qū)域這種大氣循環(huán)輸運作用得到了加強，無論是DB、AD還是DC截面，新土地類型模擬的風(fēng)速大小都比舊類型有較大的增加，AD剖面左邊的F沉區(qū)也得到了明顯地加強，如果這種加強得到繼續(xù)，則可能通過循環(huán)輸運過程把更多的珠江口兩岸工業(yè)污染物帶到香港地區(qū)，從而加重當(dāng)?shù)氐目諝馕廴境潭?，例如，位于香港西部靠近珠江口的東涌站測到的空氣污染指數(shù)相比其他站點存在偏高的情況，這種輸運過程可能是造成這種情況的其中一個因素。5結(jié)論1）通過不同的垂直7層的數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析和討論，我們可以知道，通過調(diào)整和增加垂直方向上的b層可

40、以提高近地面和中高空氣象場的模擬準(zhǔn)確度，而且可以更精細地反映出垂宜風(fēng)剖而隨高度增加的變化，使得模擬的結(jié)果更接近實際的氣象條件，綜合而言，在模擬的過程中，垂直方向采用3540層是比較合適的。2）為了控制適當(dāng)?shù)挠嬎懔亢捅ＷC計算的穩(wěn)定性，需要合理安排垂直層的間距和總的垂直層數(shù)，對于研究近地面的氣象場而言可以較多地進行近地面地垂直層加密，對于研究高空氣象場比如說高空急流而言，可以增加高空的垂直層以保證得到更好的模擬結(jié)果，在本次選取的模擬工況下，2000m以F采用20-25層，2000m以上采用1525層已經(jīng)可以得到較好的垂直風(fēng)剖面模擬結(jié)果。3）新的土地利用類型更真實地反映了珠江口附近城市密集區(qū)域與水面之間的海陸分布差異，從而更準(zhǔn)確模擬該區(qū)域海陸風(fēng)垂直剖面的流場結(jié)構(gòu),更清晰地反映珠江口兩岸地