梁釗明 高守亭 王東海 王彥

1中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081

2中國科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室，北京100029

3天津市氣象臺(tái)，天津300074

1 引言

沿海地區(qū)的有利地理位置和發(fā)展條件使得它往往成為城市化發(fā)展最快的地方。20世紀(jì)80年代以來，我國沿海地區(qū)經(jīng)歷了城市化的快速發(fā)展，三大城市群京津冀、長江三角洲和珠江三角洲地區(qū)均瀕臨海洋。城市化的發(fā)展使得沿海地區(qū)的下墊面和近地面環(huán)境發(fā)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(fā)射率等）和低綠化率造成的相對(duì)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(dòng)力特性（高粗糙度）則使得近地面風(fēng)速和湍流特征等發(fā)生明顯改變。另外，城市環(huán)境造成的熱量平衡，如樓房之間的長波的吸收和發(fā)射以及短波的吸收和反射、樓房對(duì)太陽光的遮擋、樓房和道路造成的湍流對(duì)熱量的輸送、樓內(nèi)外的熱量交換等，會(huì)給近地面的溫濕分布狀況有很大的影響。海風(fēng)是發(fā)生在沿海地區(qū)的淺薄的邊界層氣流，因此，當(dāng)海風(fēng)前沿的海風(fēng)鋒往陸地推進(jìn)過程中途經(jīng)城市下墊面時(shí)，其熱力特性和動(dòng)力特性將會(huì)受到影響。同時(shí)，沿海的城市熱島效應(yīng)會(huì)改變海陸的熱力差異程度，從而使得海風(fēng)的強(qiáng)度發(fā)生變化，這些變化均可能對(duì)海風(fēng)鋒的特征產(chǎn)生影響，而海風(fēng)鋒特征的變化將進(jìn)一步影響到海風(fēng)鋒對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的作用。鑒于此，城市下墊面對(duì)海風(fēng)鋒特征的影響值得探討。一些氣象學(xué)者對(duì)城市下墊面對(duì)海陸風(fēng)環(huán)流的影響進(jìn)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(fēng)與城市熱島環(huán)流的相互作用，結(jié)果顯示白天東海海風(fēng)和太湖湖風(fēng)與上海市熱島環(huán)流相互增強(qiáng)，夜間則相反。Kusaka and Kimura（2000）研究表明城市發(fā)展和下墊面改變使得海風(fēng)鋒抵達(dá)內(nèi)陸所需的時(shí)間增加，同時(shí)指出由于下墊面的改變造成的邊界層加熱與海風(fēng)鋒相互作用的變化對(duì)城市熱島的強(qiáng)度有影響。陸希和壽紹文（2009）利用中尺度數(shù)值模式MM5對(duì)珠三角地區(qū)進(jìn)行的城市化敏感性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)城市化對(duì)珠三角地區(qū)海陸風(fēng)的強(qiáng)度和方向有很大影響，特別是中午增強(qiáng)的海風(fēng)使得珠三角東岸的低層輻合加強(qiáng)。文偉俊等（2009）運(yùn)用WRF模式對(duì)2006年8月 1～2日的海陸風(fēng)過程進(jìn)行的城市化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明城市熱島效應(yīng)加強(qiáng)了海風(fēng)的發(fā)展。以上研究主要集中在城市下墊面對(duì)海風(fēng)的強(qiáng)度以及近地面氣溫的影響方面進(jìn)行了分析，并沒有對(duì)海風(fēng)鋒背后不穩(wěn)定能量以及水汽進(jìn)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(duì)城市環(huán)境的熱量平衡以及動(dòng)力特征的描述有了很大的進(jìn)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(shù)值試驗(yàn)探討城市下墊面對(duì)渤海灣海風(fēng)鋒特征的影響。

2 城市物理和數(shù)值試驗(yàn)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(gè)部分是城市冠層參數(shù)化（Urban Canopy Parameterization, UCP）（Martilli et al., 2002），另一部分則為室內(nèi)能量模式（Building Energy Model, BEM）（Salamanca et al., 2010）。城市冠層參數(shù)化把城市冠層垂直分離為多層來進(jìn)行物理描述（Chen et al., 2011, figure 2），它考慮了城市冠層內(nèi)樓房墻壁、樓頂和道路對(duì)動(dòng)量（拖曳強(qiáng)迫方法）、湍流動(dòng)能（TKE）和位溫的影響，同時(shí)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(nèi)能量模式則主要考慮了樓房內(nèi)的人為熱量的排放以及樓房內(nèi)外的熱量和水汽的交換過程（Chen et al., 2011）。另外，UCP-BEM對(duì)城市環(huán)境模擬的合理性已經(jīng)通過巴塞爾邊界層觀測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到驗(yàn)證（Chen et al., 2011）。可見，UCP-BEM對(duì)復(fù)雜的城市環(huán)境物理過程有比較全面和合理的描述，適合在數(shù)值試驗(yàn)中選為城市物理方案。

發(fā)生在 2009年9月 26日午后（北京時(shí)，下同）渤海灣地區(qū)的海風(fēng)鋒個(gè)例被采用為數(shù)值試驗(yàn)的個(gè)例，渤海灣地區(qū)則為數(shù)值試驗(yàn)區(qū)域的中心。數(shù)值試驗(yàn)采用四層嵌套區(qū)域（圖 1a），水平格點(diǎn)數(shù)從外層到里層分別為 180×180，268×250，364×337和244×190，對(duì)應(yīng)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(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）的 1°×1°的分析資料（Kalnay et al., 1996）用來生成數(shù)值試驗(yàn)的初始條件和側(cè)邊界條件，其中側(cè)邊界條件的時(shí)間間隔為6小時(shí)，具體的生成方法可以參考Skamarock et al.（2008）的技術(shù)說明。美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)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(cè)邊界條件的底邊界）海洋區(qū)域的海溫。在一致的初始條件和邊界條件下，我們運(yùn)用WRF（Weather Research and Forecasting）模式進(jìn)行兩個(gè)數(shù)值試驗(yàn)，其中一個(gè)（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(qū)域設(shè)置為高強(qiáng)度城市類型（其主要參數(shù)設(shè)置見表1，其他參數(shù)設(shè)置參考WRF模式（3.3版本）中的URBPARM.TBL文件），另一個(gè)（下文簡稱為Exp NURB）則把城市下墊面修改為鄉(xiāng)村下墊面。圖1b和1c為這兩個(gè)數(shù)值試驗(yàn)的下墊面的土地利用類型分布。數(shù)值試驗(yàn)積分的初始時(shí)間為 2009年9月26日08時(shí)，結(jié)束時(shí)間為2009年9月26日20時(shí)。數(shù)值試驗(yàn)采用的物理方案見表2。本文將通過對(duì)比這兩個(gè)數(shù)值試驗(yàn)的結(jié)果來分析城市下墊面對(duì)渤海灣海風(fēng)鋒特征的影響。

表1 Exp URB數(shù)值試驗(yàn)中城市環(huán)境的主要參數(shù)設(shè)置Table 1 Urban environment parameters used in Exp URB

圖1 （a）數(shù)值試驗(yàn)采用的四層嵌套區(qū)域（從外到里為粗網(wǎng)格區(qū)域到細(xì)網(wǎng)格區(qū)域）；（b）數(shù)值試驗(yàn)Exp NURB和（c）數(shù)值試驗(yàn)Exp URB的土地利用類型分布（色標(biāo)值13和12分別為城市和鄉(xiāng)村，色標(biāo)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(shù)值試驗(yàn)（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(shù)值試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

3.1 溫濕場

從圖2可以看出，數(shù)值試驗(yàn)Exp NURB和Exp URB在海岸線附近均形成了溫度等值線密集區(qū)，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(duì)海風(fēng)的加強(qiáng)有促進(jìn)作用。從兩個(gè)數(shù)值試驗(yàn)的溫度差異的水平和垂直分布（圖 2）來看，溫度差異主要發(fā)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(qū)域達(dá)到 950 hPa，同時(shí)，增溫區(qū)域上面出現(xiàn)了淺薄的減溫區(qū)域。圖3中兩個(gè)數(shù)值試驗(yàn)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(qū)域較大的向上地表感熱通量對(duì)低層較高氣溫的形成有重要貢獻(xiàn)。此外，Exp URB溫度的水平和垂直分布（圖2）顯示城市區(qū)域低層較高的氣溫并不足以使得海風(fēng)的相對(duì)熱力性質(zhì)發(fā)生改變，即由相對(duì)（陸地氣溫）較冷變?yōu)橄鄬?duì)較暖。兩個(gè)數(shù)值試驗(yàn)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(fēng)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(xiàn)減小。從兩個(gè)數(shù)值試驗(yàn)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(duì)低層增濕的減弱有貢獻(xiàn)。

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(qū)為城市區(qū)域，垂直分布圖中Exp NURB和Exp URB的海風(fēng)鋒位置分別用實(shí)心和空心三角形標(biāo)出，下文圖皆同F(xiàn)ig.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(fēng)場

兩個(gè)數(shù)值試驗(yàn)的水平風(fēng)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(fēng)的風(fēng)速，并且風(fēng)速減弱區(qū)域達(dá)到 950 hPa，這與上面分析的城市下墊面造成的增溫區(qū)域以及降濕區(qū)域高度非常一致。這是由于城市下墊面高粗糙度導(dǎo)致的海風(fēng)風(fēng)速減弱會(huì)使得冷濕海風(fēng)對(duì)低層大氣的降溫和增濕作用被削弱，從而更有利于城市區(qū)域低層較高溫度和較低濕度的維持。同時(shí)，它說明了城市下墊面造成的海風(fēng)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(zhì)），以及高粗糙度對(duì)冷濕海風(fēng)的減弱（動(dòng)力性質(zhì)）共同作用的結(jié)果。海風(fēng)鋒是由海風(fēng)與陸風(fēng)在低層輻合所形成，因此，城市下墊面對(duì)海風(fēng)的減弱使得海風(fēng)鋒的低層輻合運(yùn)動(dòng)也有所減弱，同時(shí)造成了海風(fēng)鋒低層的輻合區(qū)往海洋方向偏移（圖略）。對(duì)應(yīng)輻散場的分布特點(diǎn)，兩個(gè)數(shù)值試驗(yàn)的垂直運(yùn)動(dòng)分布（圖 6）顯示城市下墊面使得海風(fēng)鋒的上升運(yùn)動(dòng)發(fā)生減弱，并且造成了海風(fēng)鋒低層的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)往海洋方向偏移，即海風(fēng)鋒往內(nèi)陸推進(jìn)距離稍微縮短。從垂直流場（圖 7）來看，兩個(gè)試驗(yàn)的海風(fēng)鋒背后均出現(xiàn)了明顯的順時(shí)針海風(fēng)環(huán)流，不同的是，Exp URB的海風(fēng)鋒環(huán)流相對(duì)Exp NURB的海風(fēng)環(huán)流有所抬升。兩個(gè)數(shù)值試驗(yàn)的垂直流場差異則顯示城市下墊面的存在使得城市區(qū)域迎風(fēng)側(cè)（近海洋一側(cè)）上空出現(xiàn)了逆時(shí)針的差異環(huán)流，環(huán)流中心位于950 hPa以下，該逆時(shí)針差異環(huán)流的形成與高粗糙度的城市下墊面對(duì)順時(shí)針海風(fēng)環(huán)流的摩擦力效應(yīng)有關(guān)。同時(shí)，差異環(huán)流的上升支氣流區(qū)很好地對(duì)應(yīng)了城市迎風(fēng)側(cè)上空淺薄的降溫和增濕區(qū)。可見，城市下墊面的動(dòng)力特性使得海風(fēng)環(huán)流得到抬升，而冷濕海風(fēng)的抬升使得城市區(qū)域上空的降溫和增濕的垂直范圍擴(kuò)大。

圖5 12:30 Exp URB減Exp NURB的水平風(fēng)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(yùn)動(dòng)（單位：m s–1）和風(fēng)矢量的水平分布（左，1000 hPa等壓面）和垂直運(yùn)動(dòng)（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(duì)流抑制

有效位能和對(duì)流抑制是對(duì)流運(yùn)動(dòng)發(fā)生的兩個(gè)重要判據(jù)，而它們與大氣的溫濕狀況密切相關(guān)，因此，城市下墊面對(duì)低層大氣溫濕狀態(tài)的改變也將引起有效位能和對(duì)流抑制的變化。圖8顯示有效位能分布明顯的區(qū)域與海風(fēng)推進(jìn)的范圍一致，同時(shí)有效位能高值中心區(qū)位于海風(fēng)鋒的背后，這與海風(fēng)鋒背后充沛的冷濕海風(fēng)對(duì)低層大氣的降溫增濕有關(guān)（梁釗明等，2013）。兩個(gè)數(shù)值試驗(yàn)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(fēng)鋒背后的有效位能的垂直分布范圍提升，但強(qiáng)度減弱，從而出現(xiàn)了Exp URB相對(duì)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(xiàn)象。這與城市下墊面對(duì)水汽分布的影響結(jié)果一致。另外，從數(shù)值試驗(yàn)的對(duì)流抑制分布（圖 9）來看，對(duì)流抑制高值區(qū)分布在有效位能高值區(qū)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(duì)流抑制高值區(qū)也跟著上升，從而造成了低層對(duì)流抑制的減弱。相應(yīng)地，Exp URB與Exp NURB的差異分布顯示低層對(duì)流抑制出現(xiàn)減小，其上面則出現(xiàn)增大的現(xiàn)象。另外，兩個(gè)數(shù)值試驗(yàn)均顯示有效位能的數(shù)值很大，而對(duì)流抑制卻顯得很小。

梁釗明等（2013）從模擬結(jié)果和理論上解釋了冷濕海風(fēng)對(duì)低層大氣的增濕和降溫會(huì)導(dǎo)致抬升凝結(jié)高度（LCL）和自由對(duì)流高度（LFC）的降低以及平衡高度（EL）的升高，從而導(dǎo)致有效位能的明顯增加。上面對(duì)兩個(gè)數(shù)值試驗(yàn)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(duì)海風(fēng)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(fēng)鋒背后冷濕海風(fēng)對(duì)低層大氣的降溫和增濕幅度降低，這將導(dǎo)致LCL、LFC和EL發(fā)生變化。如圖10，在海風(fēng)環(huán)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(xiàn)降低，在高空的溫濕廓線沒有明顯變化的前提下（上面數(shù)值試驗(yàn)結(jié)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(shí)了該前提），低層有效位能將發(fā)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(jié)果。另外，上面分析顯示，高粗糙度的城市下墊面對(duì)海風(fēng)環(huán)流的摩擦力效應(yīng)使得冷濕海風(fēng)有所抬升，從而造成冷濕海風(fēng)對(duì)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(kuò)展以及其導(dǎo)致對(duì)流抑制高值區(qū)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(dòng)力穩(wěn)定度

圖11顯示了兩個(gè)數(shù)值試驗(yàn)的干空氣位溫（位溫）和廣義位溫（Gao et al.，2004）的垂直分布。對(duì)于位溫，兩個(gè)數(shù)值試驗(yàn)均顯示1 km以上大氣層結(jié)是穩(wěn)定的，在其下面，海風(fēng)鋒迎風(fēng)側(cè)（近內(nèi)陸一側(cè)）為均勻的位溫場，這是由于不穩(wěn)定層結(jié)下氣流發(fā)生混合所造成的，而海風(fēng)鋒背風(fēng)側(cè)（近海洋一側(cè)）則出現(xiàn)了熱內(nèi)邊界層，熱內(nèi)邊界層厚度從海洋向海風(fēng)鋒遞增。熱內(nèi)邊界層內(nèi)為偏中性層結(jié)，其上面則為穩(wěn)定層結(jié)。城市下墊面的熱力和動(dòng)力效應(yīng)使得海岸線附近的位溫水平梯度增加、熱內(nèi)邊界層向內(nèi)陸延伸的距離減小，以及熱內(nèi)邊界層厚度有所增加，即中性層結(jié)區(qū)增厚。其中中性層結(jié)區(qū)的增厚與城市下墊面的動(dòng)力效應(yīng)使得較冷海風(fēng)對(duì)低層大氣降溫的垂直范圍擴(kuò)大有關(guān)。廣義位溫在位溫的基礎(chǔ)上考慮了水汽凝結(jié)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(duì)濕度高值區(qū)或云水物容易形成的地方出現(xiàn)了廣義位溫高值中心，即強(qiáng)不穩(wěn)定層結(jié)區(qū)域，如近海面大氣層和海風(fēng)鋒高空附近的云水物形成區(qū)。與數(shù)值試驗(yàn)的位溫分布相似，城市下墊面的熱力和動(dòng)力效應(yīng)同樣造成了海岸線附近廣義位溫的水平梯度加強(qiáng)、熱內(nèi)邊界層增厚以及熱內(nèi)邊界層往海洋方向偏移。

理查遜數(shù)（Ri）同時(shí)考慮了大氣靜力穩(wěn)定度和垂直風(fēng)切變的影響，是判斷大氣穩(wěn)定度的一個(gè)重要判據(jù)。Ri＜1能反映不穩(wěn)定（Yang and Gao，2006），其中Ri＜0為靜力不穩(wěn)定，0＜Ri＜1為動(dòng)力不穩(wěn)定。兩個(gè)數(shù)值試驗(yàn)的干空氣和非均勻飽和濕空氣的理查遜數(shù)（即理查遜數(shù)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(duì)于干空氣和非均勻飽和濕空氣，低層總不穩(wěn)定區(qū)域（Ri或Rig小于 1的區(qū)域）厚度均沒有明顯的變化。其中Ri＜0和Rig＜0的區(qū)域很好地對(duì)應(yīng)了位溫和廣義位溫分布反映的大氣不穩(wěn)定層結(jié)區(qū)域（即熱內(nèi)邊界層內(nèi)的區(qū)域）。0＜Ri＜1 和 0＜Rig＜1（動(dòng)力不穩(wěn)定）的區(qū)域均位于熱內(nèi)邊界層之上，城市下墊面的動(dòng)力效應(yīng)造成熱內(nèi)邊界層變厚使得海風(fēng)鋒背后的動(dòng)力不穩(wěn)定區(qū)變薄。

圖9 同圖8，但為對(duì)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(jié)高度（左）、自由對(duì)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(jié)論和討論

海風(fēng)鋒是與沿海地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣有著重要聯(lián)系的邊界層天氣系統(tǒng)，而城市化的快速發(fā)展改變了沿海地區(qū)的下墊面屬性，這會(huì)對(duì)海風(fēng)鋒的特征產(chǎn)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(shù)值試驗(yàn)，分析了城市下墊面對(duì)渤海灣海風(fēng)鋒的風(fēng)場（水平風(fēng)速場、散度場和垂直速度場等）、溫濕場和大氣穩(wěn)定性（靜力和動(dòng)力穩(wěn)定度以及有效位能等）特征的影響，分析結(jié)果顯示：

（1）城市下墊面的高粗糙度明顯減弱了低層的海風(fēng)風(fēng)速，使得海風(fēng)鋒向內(nèi)陸推進(jìn)的距離和海風(fēng)鋒低層上升運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度均有所減小。

（2）城市下墊面的動(dòng)力和熱力特性造成的低層海風(fēng)風(fēng)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(fēng)對(duì)低層大氣的降溫和增濕幅度均發(fā)生減弱。城市下墊面形成的熱島效應(yīng)使得海陸熱力梯度增大，海風(fēng)的驅(qū)動(dòng)力得到加強(qiáng)，但海風(fēng)經(jīng)過高粗糙度城市下墊面時(shí)近地面海風(fēng)發(fā)生減弱，同時(shí)城市下墊面對(duì)海風(fēng)環(huán)流的摩擦力效應(yīng)（產(chǎn)生逆時(shí)針差異環(huán)流）使得海風(fēng)發(fā)生抬升，冷濕海風(fēng)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(shù)的垂直分布（沿39.025°N），灰色陰影區(qū)為理查遜數(shù)在0和1之間的區(qū)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(dòng)力效應(yīng)造成冷濕海風(fēng)對(duì)低層大氣的降溫和增濕幅度的減弱使得海風(fēng)鋒背后低層的有效位能減小，而城市下墊面的摩擦力效應(yīng)對(duì)冷濕海風(fēng)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(kuò)大，這進(jìn)一步造成了對(duì)流抑制高值區(qū)的抬升。

（4）城市下墊面的動(dòng)力效應(yīng)導(dǎo)致海風(fēng)鋒背后低層的靜力不穩(wěn)定區(qū)變厚，這進(jìn)一步使得靜力不穩(wěn)定區(qū)上面的動(dòng)力不穩(wěn)定區(qū)變薄，但低層不穩(wěn)定區(qū)總厚度基本不變。

本文開展的數(shù)值試驗(yàn)是基于渤海灣地區(qū)的一次海風(fēng)鋒過程，因此，以上分析結(jié)果對(duì)地域和個(gè)例的敏感性需要進(jìn)一步的探討分析。

References)

Chen, F, Dudhia J.2001.Coupling an advanced land-surface/hydrology model with the Penn State/NCAR MM5 modeling system.Part I: Model description and implementation [J].Mon.Wea.Rev., 129: 569–585.

Chen F, Kusaka H, Bornstein R, et al.2011.The integrated WRF/urban modeling system: Development, evaluation, and applications to urban environmental problems [J].Int.J.Climat., 31: 273–288.

DudhiaJ.1989.Numerical study of convection observed during the winter monsoon experiment using a mesoscale two-dimensional model [J].J.Atmos.Sci., 46: 3077–3107.

Gao S T, Wang X R, Zhou Y S.2004.Generation of generalized moist potential vorticity in a frictionless and moist adiabatic flow [J].Geophy.Res.Lett, 31: L12113.

Janjic Z I.1994.The step-mountain eta coordinate model: Further developments of the convection, viscous sublayer and turbulence closure schemes [J].Mon.Wea.Rev., 122: 927–945.

Kalnay E, Kanamitsu M, Kistler R, et al.1996.The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project [J].Bull.Amer.Meteor.Soc., 77: 437–471.

Kusaka H, Kimura F.2000.The effects of land-use alteration on the sea breeze and daytime heat island in the Tokyo metropolitan area [J].J.Meteor.Soc.Japan, 78 (4): 405–420.

梁釗明, 高守亭, 王彥.2013.渤海灣地區(qū)一次碰撞型海風(fēng)鋒天氣過程的數(shù)值模擬分析 [J].氣候與環(huán)境研究，待刊.Liang Zhaoming, Gao Shouting, Wang Yan.2013.A numerical simulation study of a collision-type sea breeze front case in the Bohai Bay region [J].Climatic and Environmental Research in Chinese, In press.

LimK SS, Hong S Y.2010.Development of an effective double-moment cloud microphysics scheme with prognostic Cloud Condensation Nuclei(CCN) for weather and climate models [J].Mon.Wea.Rev., 138: 1587–1612.

陸希, 壽紹文.2009.珠三角地區(qū)海陸風(fēng)的數(shù)值模擬及城市化對(duì)其影響研究 [J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 37 (1): 312–315.Lu Xi, Shou Shaowen.2009.Numerical simulation on land and sea breeze over the Pearl River Delta region and effects of urbanization [J].Journal of Anhui Agricultural Sciences (in Chinese), 37 (1): 312–315.

Martilli A, Clappier A, Rotach M W.2002.An urban surface exchange parameterization for mesoscale models [J].Bound.-Layer Meteor., 104:261–304.

苗曼倩, 唐有華.1998.長江三角洲夏季海陸風(fēng)與熱島環(huán)流的相互作用及城市化的影響 [J].高原氣象, 17 (3): 280–289.Miao Manqian,Tang Youhua.1998.Interaction between sea and land breeze and heat island circulation during the summer over the delta region of the Yangtze River and urbanization effect on climate [J].Plateau Meteorology (in Chinese), 17 (3): 280–289.

Mlawer E J, Taubman S J, Brown P D, et al.1997.Radiative transfer for inhomogeneous atmosphere: RRTM, a validated correlated-kmodel for the long-wave [J].J.Geophys.Res., 102: 16663–16682.

Salamanca F, Krpo A, Martilli A, et al.2010.A new building energy model coupled with an urban canopy parameterization for urban climate simulations—Part I.Formulation, verification and a sensitive analysis of the model [J].Theor.Appl.Climatol., 99: 331–344.

Skamarock WC, et al.2008.A description of the Advanced Research WRF Version 3[M/OL] 52–54.(2012–11–12).http://www.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs/arw_v3.pdf.

文偉俊, 沈桐立, 丁治英, 等.2009.城市化對(duì)廣西夏季海陸風(fēng)影響的數(shù)值試驗(yàn) [J].熱帶氣象學(xué)報(bào), 25 (3): 350–356.Wen Weijun, ShenTongli,Ding Zhiying, et al.2009.Effects of urbanization on land–sea breeze of Guangxi in summer: WRF simulation study [J].Journal of Tropical Meteorology (in Chinese), 25 (3): 350–356.

Yang S, Gao S T.2006.Modified richardsonnumber in non-uniform saturated moist flow [J].Chinese Physics Letters, 23 (11): 3003–3006.