魚(yú) 艇， 朱克云， 張 杰， 潘蔚琳， 丁潔瑩

(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610225;2.成都軍區(qū)空軍氣象中心，四川 成都610041;3.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，北京100029;4.荷蘭皇家氣象局，荷蘭 De Bilt 3731GA)

0 引言

三峽水庫(kù)位于湖北省宜昌市長(zhǎng)江支流上，是目前世界上最大的水力發(fā)電站。水庫(kù)寬約2.3 km，平均寬度約1 km，長(zhǎng)約600 km，水域面積約1040 km2。三峽水庫(kù)修建在兩山之間，形成了明顯的山地氣候區(qū)，湖泊效應(yīng)與山地氣候區(qū)結(jié)合，導(dǎo)致周邊區(qū)域天氣變得更加復(fù)雜。

三峽水庫(kù)的建立引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。水庫(kù)是否會(huì)影響周邊氣候，甚至全球氣候一直是熱點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題。對(duì)影響范圍的研究有:王國(guó)慶、馬占山等［1-2］發(fā)現(xiàn)，三峽水庫(kù)主要影響當(dāng)?shù)貧鉁?，風(fēng)速，實(shí)際的蒸發(fā)量等，并且影響的主要范圍是河流兩側(cè)約10 km。李艷等［3］則使用WRF模式研究水庫(kù)對(duì)當(dāng)?shù)貧夂虻挠绊?，其結(jié)果表明水庫(kù)主要影響的是近地面層，并且影響效果隨高度的上升迅速下降，對(duì)850 hPa及以上高度層幾乎沒(méi)有影響。對(duì)降水的研究有:Wu等［4］利用美國(guó)宇航局TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)和數(shù)值模式MM5模擬降水率，結(jié)果表明三峽水庫(kù)的建立引起地表參數(shù)的變化，導(dǎo)致在水庫(kù)上游地區(qū)降水量增加，在水庫(kù)附近的地區(qū)降水量減少。王中等［5］使用WRF模式模擬的結(jié)果表明，三峽水庫(kù)建立后，明顯對(duì)當(dāng)?shù)氐慕邓杏绊?，并使得該地區(qū)的風(fēng)速增大。而對(duì)于溫度效應(yīng)的研究，陳鮮艷等［6］系統(tǒng)地分析了三峽庫(kù)區(qū)局地氣候變化的特征，研究結(jié)果表明20世紀(jì)90年代后三峽庫(kù)區(qū)氣溫有顯著上升趨勢(shì)，蓄水后受水域擴(kuò)大影響近庫(kù)地區(qū)的氣溫發(fā)生了一定變化，表現(xiàn)出冬季增溫效應(yīng)，夏季有弱降溫效應(yīng)，但總體以增溫為主。張強(qiáng)、毛以偉等［7-8］根據(jù)三峽水庫(kù)壩區(qū)周邊氣候考察氣象站的氣溫觀測(cè)資料客觀分析了氣溫隨時(shí)間和地形的變化規(guī)律。王浩、段德寅等［9-12］則使用數(shù)值模擬方法研究了三峽水庫(kù)的溫度效應(yīng)，認(rèn)為水庫(kù)水體白天有降溫效應(yīng)，夜間有升溫效應(yīng)，這種效應(yīng)晴天大于陰天，夏季夜間的升溫效應(yīng)小于白天的降溫效應(yīng)，冬季則相反。Miller等［13］也利用中尺度區(qū)域氣候模式MM5，針對(duì)1990年3月2日到5月16日共44天的無(wú)雨日，對(duì)三峽水庫(kù)周邊局地氣候進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究表明三峽水庫(kù)的建設(shè)導(dǎo)致平均地面溫度下降了2.9℃，降水沒(méi)有發(fā)生明顯的變化;但是Xiao等［14］通過(guò)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)的方法研究得出相反的結(jié)果，他們的結(jié)果表明該地區(qū)的改變是自然的變化結(jié)果，而不是水庫(kù)所造成的影響，這值得對(duì)其進(jìn)行更加詳細(xì)的分析研究。

以往研究大都是利用觀測(cè)資料進(jìn)行客觀統(tǒng)計(jì)分析或者單一氣候要素的局地氣候效應(yīng)影響，而沒(méi)有真正涉及到詳細(xì)的氣象要素，因此文中主要研究水庫(kù)建成后對(duì)宜昌地區(qū)溫度，濕度，風(fēng)等氣象要素的影響，并通過(guò)CLASS模式對(duì)溫度、濕度平流影響作用進(jìn)行驗(yàn)證。

1 研究方法

使用WRF模式模擬水庫(kù)及周邊地區(qū)3天的天氣演變情況，然后用實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)與模式數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。模式結(jié)果可以給出湖泊對(duì)宜昌地區(qū)單個(gè)氣象要素的影響及差異，以及湖泊形狀、面積對(duì)宜昌地區(qū)氣象要素的影響。最后通過(guò)CLASS模式對(duì)平流作用的影響進(jìn)行驗(yàn)證。

1．1WRF 模式

WRF模式是由美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)開(kāi)發(fā)的一個(gè)完全可壓縮以及非靜力模式。模式具有多層嵌套，以及大量的物理參數(shù)。

文中所使用的資料為ECMWF再分析資料，且把該資料作為WRF模式的初始數(shù)據(jù)。由于美國(guó)懷俄明州立大學(xué)網(wǎng)站有近幾十年(北京時(shí)08點(diǎn)和20點(diǎn))最近的探空數(shù)據(jù)文件，而且資料相對(duì)及時(shí)完善，因此使用該大學(xué)探空資料站所探測(cè)的宜昌(30.70°N，111.30°E)站的高空探測(cè)資料，以及NOAA衛(wèi)星的地表逐小時(shí)資料來(lái)驗(yàn)證WRF模式結(jié)果。

主要通過(guò)改變地表參數(shù)創(chuàng)建湖泊來(lái)模擬對(duì)宜昌地區(qū)天氣變化的影響。所選用的時(shí)間段為2011年5月12日00:00UTC至15日00:00UTC，即2011年5月12日08:00(北京時(shí))至15日08:00(北京時(shí))，時(shí)間步長(zhǎng)為6 h。該時(shí)段該地區(qū)受高空穩(wěn)定的大氣環(huán)流和地面高壓系統(tǒng)作用，天氣晴朗，天氣系統(tǒng)穩(wěn)定。

使用WRF模式建立3個(gè)試驗(yàn)?zāi)M當(dāng)?shù)氐奶鞖庾兓闆r:(1)初始試驗(yàn)，假設(shè)該地區(qū)沒(méi)有湖泊。(2)試驗(yàn)1，用正方形湖泊近似模擬大壩建立之后的河流湖泊，湖泊面積為1089 km2，長(zhǎng)寬均為33 km。(3)試驗(yàn)2，用矩形湖泊近似模擬未建立大壩之前的河流湖泊，湖泊面積為1215 km2，全長(zhǎng)90 km，東半部分寬為9 km，西半部分寬為18 km。宜昌市經(jīng)緯度分別為30.70°N，111.30°E，三峽水庫(kù)正好位于城市的西部。試驗(yàn)以宜昌為中心共設(shè)置了3個(gè)區(qū)域，水平分辨率分別為27、9、3 km，垂直方向分為31層。所有的區(qū)域有31×31個(gè)網(wǎng)格，整個(gè)模式模擬的區(qū)域約656100平方公里。試驗(yàn)1和試驗(yàn)2分別是改變地表參數(shù)為森林或者草地的湖泊區(qū)域(圖1)。

模式中所使用的物理方案分別為:WSM 3-class單冰方案，長(zhǎng)波輻射rrtmg方案，短波輻射Dudhia方案，Monin-Obukhov近地面層方案，Unified Noah陸面模式層選方案，YSU邊界層層選方案，Kain Fritsch積云選擇方案。

圖1 區(qū)域中陸面情況

1．2 CLASS 模式

CLASS模式是一個(gè)通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)中各種物理和化學(xué)過(guò)程來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)的盒子模式。包含7個(gè)部分:基礎(chǔ)條件，風(fēng)條件，輻射/地形條件，地表?xiàng)l件，化學(xué)條件，反射條件，高級(jí)曲面條件。由于受觀測(cè)條件的限制，因此在文中只利用CLASS模式的基本條件來(lái)分析平流在系統(tǒng)中的作用。計(jì)算溫度和比濕平流的公式為，φ表示環(huán)境中的溫度和比濕。

模式利用2個(gè)試驗(yàn)分析宜昌地區(qū)邊界層高度變化和三峽大壩附近地區(qū)相對(duì)濕度變化情況。因?yàn)橹豢紤]基本條件，所以將該地區(qū)這一時(shí)期的平均值改為初始的溫度和濕度。模式共假設(shè)4個(gè)試驗(yàn):沒(méi)有任何形式的平流;只含有溫度平流;只含有濕度平流;包含有溫度平流和濕度平流。

2 結(jié)果與討論

2．1 觀測(cè)值對(duì)比結(jié)果

2.1.1 觀測(cè)值與模擬值對(duì)比結(jié)果

圖2 宜昌市從5月12日01:00UTC到5月15日00:00UTC 3種模式試驗(yàn)與觀測(cè)值的對(duì)比結(jié)果

如圖2(a)所示，模式模擬的溫度值的整體變化趨勢(shì)與觀測(cè)溫度值幾乎一致。而且5月12日01:00UTC至5月13日00:00UTC，3個(gè)模式模擬的溫度值與觀測(cè)溫度值近似一致。但是從5月13日00:00UTC開(kāi)始出現(xiàn)變化，起初，觀測(cè)的溫度值比模式的溫度值高約1.5℃，但當(dāng)太陽(yáng)升起之后，兩者的數(shù)值又近似相同。太陽(yáng)落山后，模式的溫度卻又比觀測(cè)溫度高3℃。5月14日00:00UTC至5月15日00:00UTC，白天的溫度模擬值比觀測(cè)溫度值高1℃，夜間的模擬值也比觀測(cè)溫度值高2℃。溫度的回歸系數(shù)為0.87。

如圖2(b)所示，模式中比濕值與觀測(cè)值的對(duì)比結(jié)果卻出現(xiàn)很大的變化差異。在白天比濕值的變化趨勢(shì)與觀測(cè)值能夠近似保持一致，時(shí)間段分別為0～12 h，27～33 h和60～69 h。但是在夜間它們卻完全不同，模式的結(jié)果明顯低于觀測(cè)值且比濕的回歸系數(shù)僅為0.1。

如圖2(c)和(d)所示，模式中風(fēng)向的角度值與觀測(cè)值存在大小差異，而且風(fēng)速模擬值明顯高于觀測(cè)值，但是它們整體的變化趨勢(shì)與觀測(cè)值卻近似一致。宜昌位于山谷中，白天風(fēng)以偏西風(fēng)為主，從庫(kù)區(qū)吹向城市。而夜間卻以東南風(fēng)為主，由城市吹向庫(kù)區(qū)。這也與Stivari等［15］研究伊泰普水利工程對(duì)局地環(huán)流的影響所發(fā)現(xiàn)的結(jié)果一致，即湖面風(fēng)白天向四周發(fā)散，而晚上則向湖面集中。

3.1.2 溫度和比濕的垂直分布情況

圖3為5月13日12:00UTC的溫度和比濕隨高度的變化情況，從圖中可發(fā)現(xiàn)模式中近地面層的溫度隨高度變化趨勢(shì)與觀測(cè)值趨于一致，且明顯高于觀測(cè)值，但模式中比濕的結(jié)果與觀測(cè)值完全不一致，其主要原因可能是比濕受許多參數(shù)的影響，如土壤中水分含量和邊界層高度，如果模式中這些參數(shù)是錯(cuò)誤的，比濕的誤差也就可能被放大。在WRF模式中所產(chǎn)生的比濕結(jié)果不足以分析對(duì)城市的影響，所以將使用CLASS模式來(lái)驗(yàn)證溫度平流和濕度平流對(duì)城市影響。

圖3 5月13日12:00UTC溫度和比濕的垂直分布圖

2．2 數(shù)值模式對(duì)比結(jié)果

2.2.1 3種試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

如圖2(a)所示，通過(guò)比較初始試驗(yàn)、試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的溫度值發(fā)現(xiàn)，在有湖泊的試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中，宜昌地區(qū)的夜間溫度值比初始試驗(yàn)要高一點(diǎn)，白天的溫度則相對(duì)低一點(diǎn)。試驗(yàn)2的模擬結(jié)果介于初始試驗(yàn)和試驗(yàn)1之間，因此可以得出:(1)建成水庫(kù)后的湖泊對(duì)宜昌地區(qū)溫度的影響作用比沒(méi)有湖泊(沒(méi)有建造水庫(kù))的影響要大;(2)湖泊總面積的大小對(duì)宜昌地區(qū)溫度的影響不明顯，而與臨近城市的區(qū)域湖泊面積大小有較大關(guān)系。如圖2(b)所示，在所模擬的3天中，比濕結(jié)果具有不確定性，試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的結(jié)果都顯示:在白天的比濕結(jié)果比初始試驗(yàn)的值大，而在夜間卻比初始試驗(yàn)的值小。如圖2(c)和(d)所示，試驗(yàn)1對(duì)風(fēng)向、風(fēng)速的影響都大于其它兩個(gè)試驗(yàn)，而初始試驗(yàn)和試驗(yàn)2的模擬結(jié)果卻比較相近，這說(shuō)明臨近城市的區(qū)域湖泊的面積大小對(duì)宜昌地區(qū)的影響作用更大。

2.2.2 試驗(yàn)區(qū)域溫度，風(fēng)速，氣壓的分布情況

圖4 夜間和白天3個(gè)試驗(yàn)區(qū)域中溫度，風(fēng)速，氣壓的分布情況

圖4顯示了模式模擬區(qū)域中的溫度，風(fēng)速，氣壓的分布情況。分別比較6個(gè)圖發(fā)現(xiàn)，在白天試驗(yàn)1和試驗(yàn)2湖面區(qū)域的溫度明顯低于初始試驗(yàn)，而在夜間試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中溫度卻比初始試驗(yàn)高，并且試驗(yàn)1湖面區(qū)域的溫度最高，試驗(yàn)2次之，初始試驗(yàn)溫度最低。這表明由于湖泊的作用，該區(qū)域的夜間溫度值比初始試驗(yàn)要高一點(diǎn)，白天的溫度卻相對(duì)較低。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，大氣環(huán)流中的風(fēng)場(chǎng)也發(fā)生了變化。湖面風(fēng)不再是簡(jiǎn)單白天向四周發(fā)散，晚上向湖面集中。而是在湖面上空形成了一個(gè)小的環(huán)流系統(tǒng)。在夜間，湖面的溫度相對(duì)周邊地區(qū)較高，引起湖面上空的氣壓場(chǎng)發(fā)生變化，湖面氣壓降低，導(dǎo)致在湖面上空形成一個(gè)小的局地氣旋環(huán)流系統(tǒng)，氣流向氣旋中心輻合。而在白天，湖面的溫度比周邊地區(qū)低，使得湖面上空的氣壓升高，導(dǎo)致在湖面上空形成了一個(gè)小的局地反氣旋環(huán)流系統(tǒng)，氣流向外輻散。這也就有利的驗(yàn)證了宜昌地區(qū)風(fēng)向在白天和夜間不同的原因。

2.2.3 有湖試驗(yàn)溫度、相對(duì)濕度的分布情況

如圖5所示，試驗(yàn)1在白天的溫度明顯低于試驗(yàn)2，而在夜間試驗(yàn)1的溫度卻高于試驗(yàn)2。這也就充分說(shuō)明了湖泊總面積的大小對(duì)宜昌地區(qū)溫度的影響不明顯，而與臨近城市區(qū)域湖泊面積大小有較大關(guān)系。

圖5 白天和夜間有湖泊試驗(yàn)溫度分布圖

在白天，受太陽(yáng)輻射加熱蒸發(fā)作用，湖面上空的相對(duì)濕度逐漸升高，由于風(fēng)的作用，周邊區(qū)域相對(duì)濕度也隨之升高。夜間相對(duì)濕度的變化情況，如圖6所示，試驗(yàn)中水汽是由東北向西南輸送，夜間湖面溫度高，高的熱通量的暖濕水汽使得湖面西南區(qū)域地區(qū)的相對(duì)濕度有明顯的降低。而在宜昌地區(qū)水汽未經(jīng)過(guò)湖面區(qū)域，溫度較低，該區(qū)域的相對(duì)濕度的變化不大。因此，湖面周?chē)貐^(qū)相對(duì)濕度的變化可能原因是溫度、濕度平流作用。

圖6 夜間有湖泊試驗(yàn)相對(duì)濕度的分布圖

2．3 CLASS 模式結(jié)果

2.3.1 溫度、濕度平流作用情況

圖7 CLASS模式中平流作用的影響

利用CLASS模式分別計(jì)算試驗(yàn)1中溫度平流和濕度平流，其結(jié)果是溫度平流值為0.0003 k/s，濕度平流值為0.0001 g/(kg.s)。如圖7所示，單一濕度平流對(duì)相對(duì)濕度的影響效果最大，沒(méi)有平流作用的影響效果次之，兩者共同作用的影響效果的再次之，單一溫度平流的影響效果最小。因此，湖面周?chē)貐^(qū)相對(duì)濕度的變化，主要取決于濕度平流作用。

2.3.2 邊界層高度變化情況

溫度和比濕對(duì)邊界層高度的影響非常重要，圖8(a)顯示了在這3天中3個(gè)模擬試驗(yàn)中邊界層高度隨時(shí)間的變化情況，從圖中可以看出3個(gè)試驗(yàn)中邊界層高度在第一天和第三天近似是相同的，然而試驗(yàn)1的邊界層高度在第二天明顯有所降低，可能原因是濕冷空氣從湖面地區(qū)輸送到城市。

圖8 邊界層高度變化

利用CLASS模式對(duì)第二天的平流作用進(jìn)行驗(yàn)證，分別計(jì)算了第二天的溫度平流和濕度平流，其結(jié)果是溫度平流為 -0.0002 K/s，濕度平流為0.00007 g/(kg.s)。從圖8(b)中可以看出，溫度平流和濕度平流都使得邊界層的高度低于初始試驗(yàn)，而且二者共同作用使得邊界層高度最低。單一濕度平流影響使得邊界層高度比初始試驗(yàn)略有降低，而單一溫度平流影響卻使得邊界層高度降低了很多。這說(shuō)明溫度平流對(duì)邊界層高度的變化起主導(dǎo)作用，影響效果最明顯，濕度平流對(duì)邊界層高度的變化影響較小，二者共同作用的影響效果是最強(qiáng)的。

3 結(jié)論

主要利用WRF模式來(lái)模擬湖泊區(qū)域3天的天氣演變情況，并利用CLASS模式對(duì)其平流作用進(jìn)行了驗(yàn)證。得到以下結(jié)論:

(1)宜昌的溫度在夜間有所增加，白天則相反。對(duì)宜昌地區(qū)溫度影響最大的是正方形湖面，這說(shuō)明宜昌地區(qū)的溫度主要受臨近城市區(qū)域湖泊面積大小的影響而非湖泊總面積大小。

(2)由于三峽水庫(kù)的建立，局地的大氣環(huán)流也發(fā)生了變化。湖面風(fēng)并非是簡(jiǎn)單的白天向四周發(fā)散，晚上向湖面集中，而是在湖面上空形成了一個(gè)小的環(huán)流系統(tǒng)。

(3)湖面周邊區(qū)域相對(duì)濕度的變化主要取決于濕度平流作用。

(4)溫度平流對(duì)邊界層高度的變化起主導(dǎo)作用，影響效果最明顯，濕度平流對(duì)邊界層高度的變化影響較小，二者共同作用的影響效果是最強(qiáng)的。

主要通過(guò)模式創(chuàng)建湖泊模型模擬水庫(kù)對(duì)宜昌地區(qū)天氣變化的影響，對(duì)宜昌溫度變化做出一定的分析，并提出了局地環(huán)流系統(tǒng)和對(duì)溫濕平流的作用。但是由于三峽地區(qū)地形地貌的復(fù)雜，以及考慮到模式本身分辨率、敏感性的限制和物理過(guò)程參數(shù)化方案的不同，所以還需要更多的研究進(jìn)行進(jìn)一步的完善和驗(yàn)證。

［1］ 王國(guó)慶，張建云，賀瑞敏，等.三峽水利工程對(duì)區(qū)域氣候影響的初步分析，自主創(chuàng)新與持續(xù)增長(zhǎng)第十一屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)(2009).

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