夏季青海湖局地环流及大气边界层特征的数值模拟_吕雅琼

文章编号:1000-0534(2007)04-0686-07

收稿日期:2006-11-27;改回日期:2007-04-25

基金项目:国家自然科学基金“青藏高原纳木错地区近地层能量交换及环流变化观测研究”项目(40675012);“西藏高原能量水循环降雨

共同观测研究”项目(40520140126)共同资助

作者简介:吕雅琼(1983—),女,甘肃漳县人,硕士研究生,主要从事青藏高原地表过程研究.E -mail :ylu @

夏季青海湖局地环流及大气边界层

特征的数值模拟

吕雅琼1

,　杨显玉2

,　马耀明

1

(1.中国科学院青藏高原研究所,北京　100085;

2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州　730000)

摘　要:使用美国N CA R 新版M M 5V 3.6非静力模式,采用两重嵌套方法,模拟了青海湖区域的局地环流及大气边界层特征,并且与无湖试验进行了比较。结果表明:白天由于青海湖的存在有很好的降温作用,夜晚则有保温效应,表现出明显的冷(暖)湖效应;青海湖对感热和潜热的影响有很强的日变化,白天湖面感热、潜热都小,夜间情况相反,这使得白天青海湖是冷干岛,夜间是暖湿岛;青海湖使得白天湖面边界层顶低,陆面边界层顶高,夜间相反。这样的边界层顶高度和温度、地面能量通量相配合,形成了一个很好的保护机制,对青海湖的水土保持和生态环境的维持有正效应;青海湖使得湖面上空大气下沉,陆面上空大气上升,从而产生了湖面上空大气冷干,陆面上空大气暖湿的边界层特征;青海湖边缘的陆面形成的较大的湿气柱围绕着湖面,起到了保护湖面的作用;青海湖低空白天有明显的湖面向四周的辐散气流,而夜间则为从北偏东方向来的陆风。关键词:青海湖;冷湖效应;湖陆风中图分类号:P404

文献标识码:A

1　引言

不均匀加热引起的局地环流一直为气象学界关

注,海陆风是这种环流中最早提出并且研究较多的一种[1],之后一系列更细致化的热力环流逐渐被认识,如湖陆风、山谷风、冰川风、雪陆风等[2]

。湖陆风的数值模拟较早开始于美国五大湖地区,Mo roz [3]、Patrinos 等[4]、Estoque 等[5],Ballen -tine [6]

、Alpert 等[7]

及M addukuri [8]

用中尺度数值模式对安大略湖、密执安湖等平原大湖泊的湖陆风进行了数值模拟。随后国内也开展了这方面的工作,苗蔓倩等[9]用三维中尺度模式研究长江三角洲夏季海陆风与城市热岛环流的相互作用;陈万隆等[10]用一个含植被参数化的二维中尺度模式,研究了青海湖夏季的湖陆风;李维亮等[11]研究了太湖地区湖陆风和城市热岛效应对局地环流的影响;张雷鸣[12]

用数值模式研究了滇池区域性环流。随着中尺度模式的改进,用数值模拟的方法来模拟湖陆风是比较理想的选择。

青海湖位于青藏高原东北部,四面环山,是我国内陆最大的咸水湖,平均海拔高度3200m ,周围的主要植被类型有寒温性针叶林、高原河谷灌丛、高寒灌丛、沙生灌丛、温性草原、高寒草原、高寒草甸、沼泽草甸、高寒流石坡植被等

[13]

。青海湖物

产丰富,位于青海湖西北角的鸟岛是众多鸟类的栖息繁衍地,湖周围开垦的大片良田,为当地人提供了大量的物质资源;青海湖旅游资源的开发,对当地经济发展起到了不可估量的作用。然而近年来,青海湖水位下降,湖泊分裂干涸,环青海湖地区荒漠化加重,生态环境人为破坏也很严重,这些生态问题引起了人们广泛的关注[14-15]。在这样一个变化的生态环境下,用数值模拟手段来定量分析青海湖局地环流和边界层状态,可以为日后开展的环青海湖监测和保护等措施提供理论依据。

本文将用美国NCA R 新版M M5V3.6非静力模式,模拟研究夏季青海湖的湖陆风现象及青海湖的冷(暖)湖效应,并分析该地区大气边界层特征。

第26卷　第4期

2007年8月

高　原　气　象

PLATEA U M ETEORO LOG Y

V ol.26　N o.4

A ug ust ,2007

2模式介绍和试验设计

本文将使用美国大气科学研究中心(NCAR)非静力平衡中尺度模式M M5V3.6来模拟分析夏季青海湖局地环流及大气边界层特征。模式采用多种地图投影坐标和地形垂直坐标,具有多重网格嵌套、非静力平衡过程。M M5V3.6模式同时具有较好的陆面过程模式LSM,它包括一层植被和三层土壤层,可以计算植被对能量和水分的输送。

模式物理过程选用了显示水汽方案,包括简单的冰相过程。辐射方案选择气候模式CCM3的辐射方案。辐射计算包括云水、云冰、雪和CO2对辐射的吸收、散射和反射等。同时模式考虑了云与辐射的相互作用,采用了G rell积云对流参数化方法及M RF大气边界层方案等。模式还使用了USGS 的陆面过程参数化,多重嵌套仅考虑单向反馈,即外嵌套模式对内嵌套模式提供测边界条件,而内嵌套模式的结果不影响外嵌套模式。

本文使用2004年6月16日00:00至17日00:00(北京时,下同)的NC EP资料作为模式初值,选择了两重嵌套网格进行降尺度运行。最外层模式区域边界采用NCEP资料,每6h输入一次,模式积分时间2天。模式中心格点位于36.8°N,100.3°E,第一模式区域东西向格点数为60,南北向格点数为80,水平格距9km;第二模式区域东西向格点数为73,南北向格点数为91,水平格距3km,模式垂直方向分23层,使用垂直坐标,模式大气顶气压10hPa。

模式区域的地形如图1a所示,下垫面特征如图1b所示。这里我们设计了两组试验,第一组为有湖的控制试验(CL),第二组为去湖的敏感性试验(NL),在模式中将青海湖所在区域水体改为与周围下垫面相同的植被,图1b中将湖区的植被改为植被类型7。

3　模拟结果分析

由于使用两重嵌套模拟试验,我们仅对第二模式区域的模拟结果进行了分析。

3.1　地表及大气边界层温度特征

3.1.1地表温度

图2a,b分别是CL和N L积分6h(04:00)的地表温度分布图。为了方便说明,这里我们将青海湖下垫面称为湖面,其周围的陆地部分称为陆面。从图2a中可以看到,湖面地表温度明显低于陆面,湖面最低温度达12℃,陆面最高温度达32℃,在同纬度上,湖面和陆面温差可达-16℃。从图2b中可以看到,若将青海湖去掉,原湖面温度可达32℃。通过两张图的对比分析,可明显地看出了青海湖在白天的冷湖作用,在积分22h图上(图略),青海湖又表现了很好地夜间保温效应。由此可见,白天由于青海湖的存在则有很好地降温作用,夜晚则有保温效应,表现出了明显的冷(暖)湖效应。

这

图1　模式区域地形与植被分布

(a)地形高度(m),(b)湖-陆植被分布,图中7为草地,8为灌木地,9为草地和灌木地的混合

Fig.1　Te rrain and vege ta tion distributio n in the simulated area.(a)te rrain elevatio n(m),(b)lake-land vege ta tion distributio n.7is g ra ssland,8is shrub land,9is mix shrub and g ra ss lands

687　4期吕雅琼等:夏季青海湖局地环流及大气边界层特征的数值模拟