华南地区海陆风及其相关的降水日变化的研究外文翻译资料

英语原文共 24 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

华南地区海陆风及其相关的降水日变化的研究

陈兴超

张福青

赵坤

摘要

本文利用WRF模式进行了对流尺度数值试验，研究了华南沿海地区梅雨季节海陆风日变化及海陆风造成的降水日变化。本文基于一个区域覆盖华南地区的10天数值试验进行分析，该数值试验采用2007-2009年5月11日-6月24日0000 UTC的全球格点分析数据作为初始场，采用包含日变化特点的数据作为侧边界条件。模拟结果分别与3年平均的地基雷达观测、地面和降水观测数据进行对比分析，结果表明模拟结果与以上三套观测数据非常接近，同时数值试验成功的模拟出由华南沿海地区海陆风造成的降水的日变化和雨带移动特征，不过试验模拟的降水强度和降水位置与实际观测存在一定的误差。本文研究还发现：低层盛行季风与陆风相遇辐合造成华南沿海地区夜间降水；沿海地区降水强度存在非均匀性分布，强降水发生在有海岸地形的区域。白天，海风的内陆渗透性使得雨带向内陆移动，在海岸地形的区域，由于地形阻挡，使得移速减缓。冷池动力在降水和海风的内陆渗透中也起着至关重要的作用。海风锋产生的动力抬升足以产生降水，降水强度随潜热效应显著增加。

1.介绍

海陆风是由陆地和海洋加热的日变化差异驱动的局部环流。在热带地区(例：Qian 2012)到极地地区(例：Bromwich等. 2005)，几乎全球所有沿海地区都可以发现这种现象。目前，全世界有超过40％的人口生活在海岸线150公里以内。因此，海陆风环流可能对这些地区的空气污染(例：Zhang等. 2007)、降水(例：Mapes等. 2003a,b; Warner等. 2003)和当地气候(例：Dai等. 1999)等有很大的影响。从文献中可以发现，海陆风的物理机制和动力学特征已经有了很完善的研究成果 (例：Crosman和Horel 2010; Rotunno 1983)。虽然陆地和海洋比热容的不同是海陆风的根本驱动力，但其他地理变量如纬度依赖性(例：Rotunno 1983)、环境风(例：Qian等. 2009)、海岸线曲率 (例：Baker等. 2001)、内陆地形 (例：Qian 2012)、大气稳定性(例：Walsh 1974)、土地覆盖(例：Zhang等. 2005)、土地利用(例：G. Chen等. 2015)和城市热岛环流 (例：Freitas等. 2007)也能显著影响海陆风特征。因此，海陆风环流通常会因地区不同而有显著差异。

由于海陆风对沿海天气和气候以及人类活动都有重要意义，以往许多研究都以海陆风产生的沿海降水日变化为主题 (例： Burpee和Lahiffi 1984; T.-C. Chen等. 2014; Zhang等. 2005)。与海陆风有关的热环流会沿地面锋前与强烈的上升气流一起坍缩形成锋 (Fovell 2005)。当这些锋面被内陆地形抬升 (Wang和Kirshbaum 2015)或与其他边界层辐合线（如阵风锋）相撞时 (Kingsmill 1995)，会产生强烈的降水，给沿海地区带来极端气象灾害。同时，来自积雨云的潜热加热/降温可以反映海陆风的演变及其特点(例： Segal等. 1986)，海陆风也可能引起近海降水，如由陆风、盛行向岸风之间的辐合线产生的夜间海上环流 (Houze等. 1981; Yu 和 Jou 2005)，以及重力波(Mapes等. 2003a)。

前人曾为更好的了解海陆风环流产生的沿岸降水而基于来自探空，飞机和多普勒激光雷达的观测资料设计多个实验，如：BMRC澳大利亚季风试验(AMEX; Holland等. 1986)，陆/海风试验(LASBEX; Banta等. 1993)，对流和降水/电气化试验 (CaPE; Atkins等. 1995)，以及多米尼加实验 (DOMEX; Wang和Kirshbaum 2015)。广泛的统计和气候学研究也为研究提供了宝贵意见。Burpee和Lahiffi（1984）使用3年的标准地面，高空，降水和卫星资料来研究佛罗里达南部海风日的平均单位面积降水量变化，发现海风能够显著调节深对流的发展，并产生一个明显的午后降水高峰。基于10年的地面降水观测资料，Kousky (1980)发现巴西东北部大部分沿海地区存在降水活动夜间高峰，这可能是平均近岸流和近海陆风辐合的结果。Kishtawal和Krishnamurti (2001) 使用长期TRMM微波成像仪（TMI）观测检验了台湾夏季降水的日变化周期。他们指出，台湾午后台风对流活动的增加的原因可能是海风引起的局地质量辐合。

然而，仅仅观测可能不足以阐明与降水循环有关的海陆风的所有热力和动力过程，因此在实际研究中经常用数值模型来模拟和推测其物理机制(例： Mapes等. 2003a)。例如，Silva Dias 和 Machado (1997)使用二维非静力模型来比较巴西圣保罗海在有无海风的情况下日对流的发展。Rao 和 Fuelberg (2000)着重讨论了Kelvin-Helmholtz（KH）不稳定性在确定佛罗里达州卡纳维拉尔角的海风锋后对流的时间和位置时的作用。Baker等（2001）将大气层和陆面模式耦合起来，以确定佛罗里达州中部的初始土壤湿度、海岸线曲率和陆风环流对海风引发的降水的作用。Wapler和Lane（2012）利用对流尺度模拟和观测资料，通过在澳大利亚达尔文附近相互作用的陆风，研究了一个关于海上对流的产生的例子。

华南沿海地区是中国在暖季时最大的降水中心之一 (Luo等. 2013; Xu等. 2009)。受沿海地形，海陆对比和季风气流的影响，该地区降水的日变化特征非常复杂，可能由各种物理过程产生 (例：Chen 2009)。通过长期的地面 (例： Yu等. 2007)、卫星 (例： Chen等. 2009; Chen 2009)和雷达资料观测 (X. C. Chen 等. 2014，2015，文后简称为 C15)，之前的文献中已经对沿海日变化对该地区的降水的影响进行了广泛的研究。结果表明，降水日变化具有显著的季节性(Chen 2009)。在夏末（七月和八月），由于太阳辐射加热的影响，降水大多发生在夏季的午后。而在梅雨季节（五月至六月，也称为华南初夏雨季），降水也频繁发生在午夜至早晨 (X. C. Chen等. 2014)。C15利用3年的雷达观测资料发现，梅雨季节的降水日循环与海陆风环流密切相关。陆风与陆地上的盛行季风在海上辐合，在夜间形成近海降水带，而海风锋在白天将此降水带推向内陆地区。然而，由于观测资料的局限性，目前的模式研究重点是C15以外的几个关键问题还有待进一步探讨：该地区海陆风的日变化和垂直结构是什么？沿海地形对海陆风及其降水有何影响？相关的降水量是否会反馈影响海陆风的传播和强度？在本文中，对C15的观测研究相当重要，本文将利用天气研究和预报（WRF）模式进行数值模拟来回答这些问题。本文将通过控制和敏感性试验、沿岸山脉的影响、由降水的蒸发冷却引起的冷池的动力学过程、由海陆风引起的潜热加热及其相关降水和其日变化。第二部分对实验设计进行了描述。第三部分概述了模拟和与观测结果的比较。第四部分详细讨论了沿海地形对海陆风和降水的影响，第五部分阐述了潜热加热和降温对白天降水的影响。第六部分为对研究的总结和补充。

1. 数值模型与实验设计

本研究使用高级研究WRF模型 (Skamarock等. 2008)3.7版。模拟是在一个覆盖了大部分华南海岸线的区域上进行的，水平网格点数为139times;199，网格间距为4 km（图1a）。在模型区域的上部，在50 hPa的顶部有50个垂直层和5 km的海绵层。海绵层中的风场和温度场为不严格场 。另外一个实验将层顶上升到10hPa，使其有8Km的海绵层，其模拟结果没有明显的差异（未显示）。在C15中运用了广州雷达资料研究华南沿海地区梅雨季降水的日变化及其周期变化。广州作战雷达（GZRD）的位置在图1a中用黑色三角形表示。黑色圆圈（半径150公里）粗略的显示了珠三角（珠江三角洲地区）的空间覆盖范围。珠江三角洲的特点是平原北部有400-800米高的山脉，南部有海岸线。模拟区域的设计是为了更广泛地研究覆盖华南沿海地区的海陆风日变化及其相关的降水（与广州雷达的覆盖范围相比）。该模型采用延世大学（YSU）边界层方案 (Hong et al. 2006)，五层热扩散面模型 (Skamarock et al. 2008)，快速辐射传输模型（RRTM）长波(Mlawer et al. 1997)和Dudhia短波 (Dudhia 1989)辐射方案，以及WRF单位时刻5级微观物理方案 (Hong et al. 2004)。

实验的主要目的不是模拟每个独立事件，而是为了通过与C15的135天昼夜平均雷达观测资料进行对比了解2007-2009年梅雨季节中华南沿海地区海陆风的日变化及其相关降水的一般特征。初始和侧边界条件来源于由美国国家海洋和大气管理局（NOOA）全球预报系统（GFS）的0.5°times;0.5°运行的再分析数据，每6小时提供一次。控制实验（CNTL）是一个为期10天的对0000UTC做135天平均GFS再分析的初始化模拟，并且将0000，0600，1200和1800UTC，即其循环周期的135天平均的再分析作为边界条件使用（即从0000到0600到1200到1800 UTC，然后到0000 UTC）。实验中也用同样的方法研究了其他地区降水的日变化 (Bao 和 Zhang 2013; Sun 和 Zhang 2012; Trier et al. 2010; Zhang et al. 2014)。这种方法可以过滤所有空间尺度上的环境条件的时间变化，但允许昼夜信号的重复发展——如海陆风，海风和山地螺线管（MPS）等昼夜信号。与以往以个案研究为重点的研究不同，我们将三个梅雨季的平均再分析数据作为初始条件和边界条件。

如图1a所示，华南沿海有大量的海湾。最大的一个是位于区域中心的珠江湾。这些海湾可以使海风相对于两岸海岸线的直线段向陆地弯曲，并诱发与海湾位置有关但分布不对称的向上 - 向下的垂直运动 (Miller et al. 2003)。我们使用二维过滤器来平滑实验IDEAL中的海岸线使实验简化而不失一般性（修改后的海岸线如图1b所示）。表面类型也被规定为海洋上的水和陆地上的常绿阔叶树，以简化下表面的影响。IDEAL中的其他配置与CNTL中的配置保持一致。为了减少模型启动的敏感性，本研究的所有分析中均排除10天整合中的第一天。图1c和1d显示了CNTL和IDEAL在850hPa最后9天的平均风和相对湿度。在这两个实验中，低空风场都受到南 - 西南风的支配，且内陆地区的湿度较高，海区的湿度较低。CNTL和IDEAL在最后9天的0.994-sigma;水平上的平均风场如图1e和1f所示。在CNTL和IDEAL中，近地面的盛行风都是在向岸南风，将温暖潮湿的空气从海洋输送到陆地。

图1.模型区域和地形与（a）真实的海岸线和省边界和（b）改变的海岸线。用灰度表示地形。广州雷达的位置以黑三角标出，GZRD的150公里观测范围以黑色圆圈表示。在（c）CNTL实验和（d）IDEAL实验中，在850hPa下的最后9天的平均水平风向（矢量，m s21，参见下面的参考矢量）和相对湿度（颜色阴影）。在（e）CNTL实验和（f）IDEAL实验中，在0.994-sigma;水平上的平均水平风向和风速。

我们设计了三个敏感性实验（HALF，FAKEDRY和NOVAP），以进一步研究地形高度，冷池动力以及潜热对海陆风环流及其相关降水的影响。所有三个灵敏度实验的配置都与IDEAL相同，只是在HALF中的地形高度降低至一半；所有形式的潜热加热和冷却（在冰，液体和水汽之间）在FAKEDRY中都是关闭的，NOVAP中只关闭了与液态水蒸发有关的冷却，这实质上切断了由湿对流形成冷池的机制。表1列出了不同灵敏度实验的配置信息。

表1.对照和灵敏度实验列表

1. 模拟结果与观测结果的比较
2. 与3年的雷达和地面观测平均值比较

将CNTL和IDEAL的累积降水与GZRD的定量降水估计（QPE）进行比较。图2a和2b显示了GZRD观测到的在 2007-2009年梅雨季节期间在0500-0600和1500-1600 LST（2100-2200和0700-0800 UTC）之间的平均每小时降水量（平均小时降水量在这里是指按天数标准化的小时降水量）的空间分布。我们使用Z-R关系来估计降水强度 (X. C. Chen et al. 2014)。雷达回波首先用于分离 Steiner 等(1995)提出的的对流降水和层状降水。对于对流降水，采用的关系，对于层状降水，则采用的关系。总降水量是指这两类降水的总和。雷达QPE显示沿海

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[21291]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word