MM5模擬垂直風(fēng)剖面的準(zhǔn)確性探討及在垂向氣象場(chǎng)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(bào)(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(chǎng)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(guò)調(diào)整垂直方向的垂直層分布及增加垂直層數(shù)，提高M(jìn)M5對(duì)近地面及中高空風(fēng)、溫度等氣象場(chǎng)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(chǎng)的模擬結(jié)果，這對(duì)于研究對(duì)我國(guó)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(duì)垂直風(fēng)剖面造成的影響，對(duì)比分析r新舊土地利用類型下珠江口三個(gè)垂直剖面的流場(chǎng)變化。土地利用的更新會(huì)產(chǎn)生不同的地面熱通Id和水汽通址，并通過(guò)垂直方向上的湍流輸送進(jìn)一步影響到高空氣象場(chǎng)，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(hào)：P435*.1；P421.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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(xiàng)目：國(guó)家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(201005002)作者簡(jiǎn)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(guò)大量的改進(jìn)發(fā)展而來(lái)。MM5在處理模式大氣降水物理過(guò)程時(shí)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(guò)程，隱式方案處理模式不可分辨尺度（或稱積云對(duì)流）降水過(guò)程。MM5中共有5種顯式云物理方案，從簡(jiǎn)單的暖雨方案、簡(jiǎn)單冰相方案，到物理過(guò)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(duì)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(duì)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(xiàng)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(duì)MM5垂直方向的a層進(jìn)行調(diào)整及加密方案以及各種方案對(duì)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(duì)垂直風(fēng)場(chǎng)造成的變化，同時(shí)分析了珠三角地區(qū)2001年9月15-18日空氣污染時(shí)段物理氣流輸運(yùn)過(guò)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(dòng)，在模式%,實(shí)際忽略

10、了右邊括號(hào)里的最后一項(xiàng)，它表示由于熱膨脹效應(yīng)而導(dǎo)致氣壓的增加。2）動(dòng)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(duì)微物理變量（如云和降雨等）的預(yù)報(bào)方程，它們包括平流項(xiàng)和不同的源/匯項(xiàng)。在空間差分水平方向上MM5采用ArakawaB-grid上的跳點(diǎn)格式進(jìn)行有限差分；在時(shí)間差分上采用二階蛙跳式時(shí)間步長(zhǎng)方案，對(duì)某些

11、項(xiàng)采用時(shí)間分裂方式，這樣可以提高計(jì)算效率。MM5模式系統(tǒng)設(shè)計(jì)了固定側(cè)邊界、時(shí)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(duì)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(jì)的一種上邊界處理方法，這種方法能使波能穿過(guò)上邊界而不產(chǎn)生反射，具體表達(dá)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(shí)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(zhǎng)為60s,1h輸出一次預(yù)報(bào)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(bào)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(duì)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(gè)格點(diǎn)；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(chǎng)采用NCEP再分析6h間隔I°xl°分辨率的數(shù)據(jù)作為初估場(chǎng)。在MM5積分過(guò)程中，進(jìn)行表面和高空?qǐng)龅呐ｎD松弛格點(diǎn)數(shù)據(jù)同化分析

13、C2.2模擬時(shí)段天氣描述本次進(jìn)行了2個(gè)時(shí)間段的模擬工作，第一個(gè)時(shí)間段為2001年6月16日早上8：00至18日早上8：00（北京時(shí)，下同），在模擬時(shí)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(shí)也受到向中國(guó)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(shí)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(gè)時(shí)間段為2001年9月15H8：00至18日8：00,根據(jù)香港天文臺(tái)的氣象資料，從9月15日開(kāi)始，一股干燥大陸性氣流開(kāi)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(jiàn)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(chǎng)再分析數(shù)據(jù)讀取模擬所需的數(shù)據(jù)作為第一猜場(chǎng)，通過(guò)1NTERPF模塊把氣壓層上的初始場(chǎng)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(jìn)行模擬運(yùn)算。通過(guò)調(diào)整INTERPF插值。分層的值，可以對(duì)MM5原有的25個(gè)垂直層進(jìn)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(duì)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(diǎn)躋1位于地勢(shì)低平的城市市區(qū)（113。15,50E,23。6'49個(gè)），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(jiàn)圖1和2。圖1原25層方案垂直風(fēng)剖面（gzl點(diǎn)，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(diǎn)兩種方案垂直風(fēng)速和垂直風(fēng)向模擬的對(duì)比結(jié)果可以看到，不加密情況下風(fēng)速?gòu)牡孛娴?000m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(shì),反映出隨著高度的增加，風(fēng)向呈順時(shí)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(duì)風(fēng)向的影響越來(lái)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(shì)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(lái)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?yàn)樾路桨改M的風(fēng)速普遍比原方案高，風(fēng)向偏轉(zhuǎn)會(huì)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(huì)出現(xiàn)高低空急流，急流是大氣環(huán)流中在風(fēng)場(chǎng)上的一個(gè)重要現(xiàn)象。在我國(guó)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(lái)講，一般指在850或700hPa上最大風(fēng)速中心超過(guò)一定數(shù)值(如12或15m/s等)的氣流，其平均長(zhǎng)度1

18、0002000km左右，寬度約數(shù)tfkm。對(duì)我國(guó)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(duì)流層頂附近或平流層中的一股強(qiáng)而窄的氣流。一般指風(fēng)速大于或等于30m/s的強(qiáng)風(fēng)帶。因此在此次模擬的時(shí)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(shí)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(chǎng)受到西南風(fēng)低空急流的影響，風(fēng)速將會(huì)加速增大,這個(gè)趨勢(shì)在加密方案的悄況下被模擬了出來(lái)，這說(shuō)明加密方案使得模擬的準(zhǔn)確性得到了提高。為了進(jìn)一步說(shuō)明近地面層加密對(duì)氣象場(chǎng)模擬準(zhǔn)確度的影響，卜-面通過(guò)香港地面氣象站KPS(京士柏站

19、)的實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬值的對(duì)比來(lái)進(jìn)行分析。從KPS站觀測(cè)溫度與模擬值的對(duì)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(shì)和峰值都比原25層方案的模擬溫度曲線(虛線)更接近實(shí)測(cè)值(實(shí)線).這說(shuō)明近地面層加密后對(duì)溫度模擬的準(zhǔn)確性得到了提高。從KPS站觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)與模擬風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間序列對(duì)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(cè)值，特別是在模擬的第15h后到模擬結(jié)束這一階段。以上對(duì)比分析表明，在對(duì)近地面層進(jìn)行加密之后，提高了2000m以下低空氣象場(chǎng)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(chǎng)的模擬情況。蝦4、炳y4AAf7,A.A：“

20、一z堿帆I(xiàn)仇啊/頂柚皿伸原垂宜層結(jié)果"0/伽誡1,|尸時(shí)岫儷卜訛近地面層加密t/h圖3(a)KPS站觀測(cè)溫度與模擬值的對(duì)比；(b)KPS站觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)與模擬風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間序列對(duì)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(méi)有變，因而高空層數(shù)比原方案更少，雖然模

21、擬出來(lái)的2000m以上風(fēng)速變化曲線大致變化趨勢(shì)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(kāi)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(duì)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(duì)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(shí)際悄況，說(shuō)明對(duì)近地而氣象場(chǎng)的模擬結(jié)果有較大的改善作用，這對(duì)于研究近地面風(fēng)剖面的變化有較大的帶助，因?yàn)橥ǔＮ覀儗?duì)高空風(fēng)剖面的關(guān)注會(huì)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(chǎng)，那么就要增加總的垂直層數(shù)，當(dāng)然這會(huì)帶來(lái)更大的計(jì)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(lái)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(duì)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(gè)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(shuō)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(duì)風(fēng)速的影響已經(jīng)較小，地表摩擦力對(duì)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(dá)到一個(gè)極大值約12.5m/s,25層方案模擬結(jié)果則是在4000m左右達(dá)到一個(gè)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(gè)垂直層了，因此模擬結(jié)果的細(xì)節(jié)嚴(yán)重不足，只能反映出一個(gè)風(fēng)速增大的趨勢(shì)，而到19000m以上的高空已經(jīng)沒(méi)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(gè)小幅增加的過(guò)程,再往上風(fēng)速回落，在16000m以上直到28000m區(qū)間，風(fēng)速又會(huì)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(jìn)行對(duì)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(gè)。層32000(a)35個(gè)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(duì)比可以看到，這兩種情況下各個(gè)高度層的風(fēng)速變化趨勢(shì)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(dòng)，不過(guò)風(fēng)速變化趨勢(shì)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(lái)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(gè)先減小、后增加的過(guò)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(shì)。由于高空垂直層的進(jìn)-步增加，50層方案模擬出了更細(xì)致的風(fēng)速變化趨勢(shì)，旦30000m以上高空的風(fēng)速變化曲線也反映了出來(lái)，而在這個(gè)區(qū)間35層和40層方案已經(jīng)沒(méi)有垂直層故而無(wú)法顯示。從35層、40層和50層的風(fēng)速分布曲線對(duì)比分析我們知道，對(duì)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(jìn)一步增加垂直層數(shù)已經(jīng)不會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，這說(shuō)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(lái)25層的模擬結(jié)果差異較大，這也說(shuō)

28、明加密低空和高空的垂直層對(duì)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(duì)流和上升下沉氣流的卷入卷出及補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)浮力能等,低中高空不同高度各層之間有一個(gè)相互影響的過(guò)程，改善高空氣象場(chǎng)的模擬精度也會(huì)對(duì)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(guò)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(cè)試過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，如果低空的垂直層太密，反而會(huì)使得模擬的風(fēng)速變化趨勢(shì)出現(xiàn)扭曲的失真現(xiàn)象。另外，垂直層數(shù)越多，計(jì)算址也會(huì)大幅增加，且由于計(jì)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(shí)際模擬計(jì)算過(guò)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(lái)講，對(duì)于20000m以上高空的氣象場(chǎng)關(guān)注較少，較多關(guān)注中低空和近地面氣象場(chǎng)的數(shù)值模擬,所以綜合而言，在模擬的過(guò)程中，垂直方向采用35-40層是比較合適的。為了對(duì)模擬的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，圖7給出了香港地區(qū)一月份的垂直風(fēng)廓線實(shí)測(cè)結(jié)果。由于垂直風(fēng)廓線觀測(cè)數(shù)據(jù)較少，給出的觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)段與模擬結(jié)果不在同一時(shí)段，觀測(cè)資料的風(fēng)速比模擬結(jié)果整體上大，不過(guò)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(gè)先加速增

30、大，然后減小的過(guò)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(gè)垂直層模擬結(jié)果比較吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了采用3540個(gè)垂直層進(jìn)行模擬運(yùn)算是比較合適的。圖7香港地區(qū)垂直風(fēng)廓線觀測(cè)資料Fig.7ObservedverticalwindprofileinHongkong4在垂直層加密的基礎(chǔ)上分析土地利用更新對(duì)垂直剖面流場(chǎng)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(duì)模式的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算量和穩(wěn)定性等方面的考慮，在垂直方向上采用35個(gè)。層的模擬方案，分別采用新舊土地利用數(shù)據(jù)對(duì)2001年9月15-18日進(jìn)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(duì)垂直方向風(fēng)速的影響在本次模擬時(shí)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(diǎn)模擬垂風(fēng)剖面Fig.9Simulatetiverticalwindprofileingzl擬風(fēng)速逐

32、漸趨向一致。就時(shí)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(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響比較明顯，城市范圍擴(kuò)大造成的白天午后城市與郊區(qū)溫差增大會(huì)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(duì)于城市化帶來(lái)的地表粗糙度增加對(duì)風(fēng)速的影響而言，溫度差及其帶來(lái)的壓力差對(duì)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(gè)時(shí)候躋1點(diǎn)的風(fēng)場(chǎng)主要是受到大背景風(fēng)場(chǎng)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(chǎng)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(dú)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(chǎng)的特點(diǎn)。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(gè)垂直剖面分別為AD,DB和DC,這3個(gè)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(chǎng)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(chǎng)Fig.12StreamlinesinADverticalcrosssectionat14：00Sept.16(a)usingtheoldlandusepattern；(b)usingthenewlandusepattern圖1316R14：00DC垂直剖面流場(chǎng)Fig.13StreamlinesinDCverticalcrosssectionat14：00Sept.16(a)usingtheoldlandusepattern;(b)usingthenewlandusepattern2）垂直剖面流場(chǎng)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(gè)垂直剖面的流場(chǎng)，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(guò)分析我們可以發(fā)現(xiàn)氣流在這三個(gè)垂直剖面的流動(dòng)規(guī)律。在DB截面上可以看到一個(gè)大的逆時(shí)針?lè)较虻臏u，底層的氣流被卷向高空，然后向西南方向輸運(yùn)，AD剖面的右邊也可以看到一個(gè)大的逆時(shí)針?lè)较虻臏u，這樣?xùn)|方高空的來(lái)流接著被卷到底層，然后向東輸運(yùn)，DC剖面的左邊也同樣可以看到一個(gè)大的逆時(shí)針?lè)较虻臏u，在這種情況下，從西方輸運(yùn)來(lái)的底層氣流就被繼續(xù)向東輸運(yùn),抵達(dá)香港，然后氣流又被卷向高空，從而形成一個(gè)大的循環(huán)。另外在AD剖面的左邊可以看到有一個(gè)順時(shí)

38、針?lè)较虻臏u旋，這表明從東面來(lái)的高空氣流在這個(gè)區(qū)域先下沉，在底層則向兩邊擴(kuò)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(shí)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(guò)分析3個(gè)剖面的位置，知道DB剖面右邊的底層氣流來(lái)自于經(jīng)濟(jì)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(lái)自于工業(yè)發(fā)展迅速的珠海，中山等地區(qū)，相對(duì)而言，這些氣流會(huì)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(huì)通過(guò)這種循環(huán)輸運(yùn)過(guò)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(shí)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(chǎng)對(duì)比中，我們看到，相對(duì)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(yùn)作用得到了加強(qiáng)，無(wú)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(qiáng)，如果這種加強(qiáng)得到繼續(xù)，則可能通過(guò)循環(huán)輸運(yùn)過(guò)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(cè)到的空氣污染指數(shù)相比其他站點(diǎn)存在偏高的情況，這種輸運(yùn)過(guò)程可能是造成這種情況的其中一個(gè)因素。5結(jié)論1）通過(guò)不同的垂直7層的數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析和討論，我們可以知道，通過(guò)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(chǎng)的模擬準(zhǔn)確度，而且可以更精細(xì)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(shí)際的氣象條件，綜合而言，在模擬的過(guò)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?jì)算量和保證計(jì)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(duì)于研究近地面的氣象場(chǎng)而言可以較多地進(jìn)行近地面地垂直層加密，對(duì)于研究高空氣象場(chǎng)比如說(shuō)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(shí)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(chǎng)結(jié)構(gòu),更清晰地反映珠江口兩岸地