三峡水库对宜昌地区天气影响的数值模拟

鱼 艇， 朱克云， 张 杰， 潘蔚琳， 丁洁莹

(1.成都信息工程大学大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室，四川成都610225;2.成都军区空军气象中心，四川 成都610041;3.中国科学院大气物理研究所，北京100029;4.荷兰皇家气象局，荷兰 De Bilt 3731GA)

0 引言

三峡水库位于湖北省宜昌市长江支流上，是目前世界上最大的水力发电站。水库宽约2.3 km，平均宽度约1 km，长约600 km，水域面积约1040 km2。三峡水库修建在两山之间，形成了明显的山地气候区，湖泊效应与山地气候区结合，导致周边区域天气变得更加复杂。

三峡水库的建立引起国内外学者的广泛关注。水库是否会影响周边气候，甚至全球气候一直是热点科学问题。对影响范围的研究有:王国庆、马占山等［1-2］发现，三峡水库主要影响当地气温，风速，实际的蒸发量等，并且影响的主要范围是河流两侧约10 km。李艳等［3］则使用WRF模式研究水库对当地气候的影响，其结果表明水库主要影响的是近地面层，并且影响效果随高度的上升迅速下降，对850 hPa及以上高度层几乎没有影响。对降水的研究有:Wu等［4］利用美国宇航局TRMM卫星数据和数值模式MM5模拟降水率，结果表明三峡水库的建立引起地表参数的变化，导致在水库上游地区降水量增加，在水库附近的地区降水量减少。王中等［5］使用WRF模式模拟的结果表明，三峡水库建立后，明显对当地的降水有影响，并使得该地区的风速增大。而对于温度效应的研究，陈鲜艳等［6］系统地分析了三峡库区局地气候变化的特征，研究结果表明20世纪90年代后三峡库区气温有显著上升趋势，蓄水后受水域扩大影响近库地区的气温发生了一定变化，表现出冬季增温效应，夏季有弱降温效应，但总体以增温为主。张强、毛以伟等［7-8］根据三峡水库坝区周边气候考察气象站的气温观测资料客观分析了气温随时间和地形的变化规律。王浩、段德寅等［9-12］则使用数值模拟方法研究了三峡水库的温度效应，认为水库水体白天有降温效应，夜间有升温效应，这种效应晴天大于阴天，夏季夜间的升温效应小于白天的降温效应，冬季则相反。Miller等［13］也利用中尺度区域气候模式MM5，针对1990年3月2日到5月16日共44天的无雨日，对三峡水库周边局地气候进行了数值模拟，研究表明三峡水库的建设导致平均地面温度下降了2.9℃，降水没有发生明显的变化;但是Xiao等［14］通过经验正交函数(EOF)的方法研究得出相反的结果，他们的结果表明该地区的改变是自然的变化结果，而不是水库所造成的影响，这值得对其进行更加详细的分析研究。

以往研究大都是利用观测资料进行客观统计分析或者单一气候要素的局地气候效应影响，而没有真正涉及到详细的气象要素，因此文中主要研究水库建成后对宜昌地区温度，湿度，风等气象要素的影响，并通过CLASS模式对温度、湿度平流影响作用进行验证。

1 研究方法

使用WRF模式模拟水库及周边地区3天的天气演变情况，然后用实际观测数据与模式数据进行对比验证。模式结果可以给出湖泊对宜昌地区单个气象要素的影响及差异，以及湖泊形状、面积对宜昌地区气象要素的影响。最后通过CLASS模式对平流作用的影响进行验证。

1．1WRF 模式

WRF模式是由美国国家大气研究中心(NCAR)开发的一个完全可压缩以及非静力模式。模式具有多层嵌套，以及大量的物理参数。

文中所使用的资料为ECMWF再分析资料，且把该资料作为WRF模式的初始数据。由于美国怀俄明州立大学网站有近几十年(北京时08点和20点)最近的探空数据文件，而且资料相对及时完善，因此使用该大学探空资料站所探测的宜昌(30.70°N，111.30°E)站的高空探测资料，以及NOAA卫星的地表逐小时资料来验证WRF模式结果。

主要通过改变地表参数创建湖泊来模拟对宜昌地区天气变化的影响。所选用的时间段为2011年5月12日00:00UTC至15日00:00UTC，即2011年5月12日08:00(北京时)至15日08:00(北京时)，时间步长为6 h。该时段该地区受高空稳定的大气环流和地面高压系统作用，天气晴朗，天气系统稳定。

使用WRF模式建立3个试验模拟当地的天气变化情况:(1)初始试验，假设该地区没有湖泊。(2)试验1，用正方形湖泊近似模拟大坝建立之后的河流湖泊，湖泊面积为1089 km2，长宽均为33 km。(3)试验2，用矩形湖泊近似模拟未建立大坝之前的河流湖泊，湖泊面积为1215 km2，全长90 km，东半部分宽为9 km，西半部分宽为18 km。宜昌市经纬度分别为30.70°N，111.30°E，三峡水库正好位于城市的西部。试验以宜昌为中心共设置了3个区域，水平分辨率分别为27、9、3 km，垂直方向分为31层。所有的区域有31×31个网格，整个模式模拟的区域约656100平方公里。试验1和试验2分别是改变地表参数为森林或者草地的湖泊区域(图1)。

模式中所使用的物理方案分别为:WSM 3-class单冰方案，长波辐射rrtmg方案，短波辐射Dudhia方案，Monin-Obukhov近地面层方案，Unified Noah陆面模式层选方案，YSU边界层层选方案，Kain Fritsch积云选择方案。

图1 区域中陆面情况

1．2 CLASS 模式

CLASS模式是一个通过测试系统中各种物理和化学过程来检验系统参数的盒子模式。包含7个部分:基础条件，风条件，辐射/地形条件，地表条件，化学条件，反射条件，高级曲面条件。由于受观测条件的限制，因此在文中只利用CLASS模式的基本条件来分析平流在系统中的作用。计算温度和比湿平流的公式为，φ表示环境中的温度和比湿。

模式利用2个试验分析宜昌地区边界层高度变化和三峡大坝附近地区相对湿度变化情况。因为只考虑基本条件，所以将该地区这一时期的平均值改为初始的温度和湿度。模式共假设4个试验:没有任何形式的平流;只含有温度平流;只含有湿度平流;包含有温度平流和湿度平流。

2 结果与讨论

2．1 观测值对比结果

2.1.1 观测值与模拟值对比结果

图2 宜昌市从5月12日01:00UTC到5月15日00:00UTC 3种模式试验与观测值的对比结果

如图2(a)所示，模式模拟的温度值的整体变化趋势与观测温度值几乎一致。而且5月12日01:00UTC至5月13日00:00UTC，3个模式模拟的温度值与观测温度值近似一致。但是从5月13日00:00UTC开始出现变化，起初，观测的温度值比模式的温度值高约1.5℃，但当太阳升起之后，两者的数值又近似相同。太阳落山后，模式的温度却又比观测温度高3℃。5月14日00:00UTC至5月15日00:00UTC，白天的温度模拟值比观测温度值高1℃，夜间的模拟值也比观测温度值高2℃。温度的回归系数为0.87。

如图2(b)所示，模式中比湿值与观测值的对比结果却出现很大的变化差异。在白天比湿值的变化趋势与观测值能够近似保持一致，时间段分别为0～12 h，27～33 h和60～69 h。但是在夜间它们却完全不同，模式的结果明显低于观测值且比湿的回归系数仅为0.1。

如图2(c)和(d)所示，模式中风向的角度值与观测值存在大小差异，而且风速模拟值明显高于观测值，但是它们整体的变化趋势与观测值却近似一致。宜昌位于山谷中，白天风以偏西风为主，从库区吹向城市。而夜间却以东南风为主，由城市吹向库区。这也与Stivari等［15］研究伊泰普水利工程对局地环流的影响所发现的结果一致，即湖面风白天向四周发散，而晚上则向湖面集中。

3.1.2 温度和比湿的垂直分布情况

图3为5月13日12:00UTC的温度和比湿随高度的变化情况，从图中可发现模式中近地面层的温度随高度变化趋势与观测值趋于一致，且明显高于观测值，但模式中比湿的结果与观测值完全不一致，其主要原因可能是比湿受许多参数的影响，如土壤中水分含量和边界层高度，如果模式中这些参数是错误的，比湿的误差也就可能被放大。在WRF模式中所产生的比湿结果不足以分析对城市的影响，所以将使用CLASS模式来验证温度平流和湿度平流对城市影响。

图3 5月13日12:00UTC温度和比湿的垂直分布图

2．2 数值模式对比结果

2.2.1 3种试验对比结果

如图2(a)所示，通过比较初始试验、试验1和试验2的温度值发现，在有湖泊的试验1和试验2中，宜昌地区的夜间温度值比初始试验要高一点，白天的温度则相对低一点。试验2的模拟结果介于初始试验和试验1之间，因此可以得出:(1)建成水库后的湖泊对宜昌地区温度的影响作用比没有湖泊(没有建造水库)的影响要大;(2)湖泊总面积的大小对宜昌地区温度的影响不明显，而与临近城市的区域湖泊面积大小有较大关系。如图2(b)所示，在所模拟的3天中，比湿结果具有不确定性，试验1和试验2的结果都显示:在白天的比湿结果比初始试验的值大，而在夜间却比初始试验的值小。如图2(c)和(d)所示，试验1对风向、风速的影响都大于其它两个试验，而初始试验和试验2的模拟结果却比较相近，这说明临近城市的区域湖泊的面积大小对宜昌地区的影响作用更大。

2.2.2 试验区域温度，风速，气压的分布情况

图4 夜间和白天3个试验区域中温度，风速，气压的分布情况

图4显示了模式模拟区域中的温度，风速，气压的分布情况。分别比较6个图发现，在白天试验1和试验2湖面区域的温度明显低于初始试验，而在夜间试验1和试验2中温度却比初始试验高，并且试验1湖面区域的温度最高，试验2次之，初始试验温度最低。这表明由于湖泊的作用，该区域的夜间温度值比初始试验要高一点，白天的温度却相对较低。从图中还可以发现，大气环流中的风场也发生了变化。湖面风不再是简单白天向四周发散，晚上向湖面集中。而是在湖面上空形成了一个小的环流系统。在夜间，湖面的温度相对周边地区较高，引起湖面上空的气压场发生变化，湖面气压降低，导致在湖面上空形成一个小的局地气旋环流系统，气流向气旋中心辐合。而在白天，湖面的温度比周边地区低，使得湖面上空的气压升高，导致在湖面上空形成了一个小的局地反气旋环流系统，气流向外辐散。这也就有利的验证了宜昌地区风向在白天和夜间不同的原因。

2.2.3 有湖试验温度、相对湿度的分布情况

如图5所示，试验1在白天的温度明显低于试验2，而在夜间试验1的温度却高于试验2。这也就充分说明了湖泊总面积的大小对宜昌地区温度的影响不明显，而与临近城市区域湖泊面积大小有较大关系。

图5 白天和夜间有湖泊试验温度分布图

在白天，受太阳辐射加热蒸发作用，湖面上空的相对湿度逐渐升高，由于风的作用，周边区域相对湿度也随之升高。夜间相对湿度的变化情况，如图6所示，试验中水汽是由东北向西南输送，夜间湖面温度高，高的热通量的暖湿水汽使得湖面西南区域地区的相对湿度有明显的降低。而在宜昌地区水汽未经过湖面区域，温度较低，该区域的相对湿度的变化不大。因此，湖面周围地区相对湿度的变化可能原因是温度、湿度平流作用。

图6 夜间有湖泊试验相对湿度的分布图

2．3 CLASS 模式结果

2.3.1 温度、湿度平流作用情况

图7 CLASS模式中平流作用的影响

利用CLASS模式分别计算试验1中温度平流和湿度平流，其结果是温度平流值为0.0003 k/s，湿度平流值为0.0001 g/(kg.s)。如图7所示，单一湿度平流对相对湿度的影响效果最大，没有平流作用的影响效果次之，两者共同作用的影响效果的再次之，单一温度平流的影响效果最小。因此，湖面周围地区相对湿度的变化，主要取决于湿度平流作用。

2.3.2 边界层高度变化情况

温度和比湿对边界层高度的影响非常重要，图8(a)显示了在这3天中3个模拟试验中边界层高度随时间的变化情况，从图中可以看出3个试验中边界层高度在第一天和第三天近似是相同的，然而试验1的边界层高度在第二天明显有所降低，可能原因是湿冷空气从湖面地区输送到城市。

图8 边界层高度变化

利用CLASS模式对第二天的平流作用进行验证，分别计算了第二天的温度平流和湿度平流，其结果是温度平流为 -0.0002 K/s，湿度平流为0.00007 g/(kg.s)。从图8(b)中可以看出，温度平流和湿度平流都使得边界层的高度低于初始试验，而且二者共同作用使得边界层高度最低。单一湿度平流影响使得边界层高度比初始试验略有降低，而单一温度平流影响却使得边界层高度降低了很多。这说明温度平流对边界层高度的变化起主导作用，影响效果最明显，湿度平流对边界层高度的变化影响较小，二者共同作用的影响效果是最强的。

3 结论

主要利用WRF模式来模拟湖泊区域3天的天气演变情况，并利用CLASS模式对其平流作用进行了验证。得到以下结论:

(1)宜昌的温度在夜间有所增加，白天则相反。对宜昌地区温度影响最大的是正方形湖面，这说明宜昌地区的温度主要受临近城市区域湖泊面积大小的影响而非湖泊总面积大小。

(2)由于三峡水库的建立，局地的大气环流也发生了变化。湖面风并非是简单的白天向四周发散，晚上向湖面集中，而是在湖面上空形成了一个小的环流系统。

(3)湖面周边区域相对湿度的变化主要取决于湿度平流作用。

(4)温度平流对边界层高度的变化起主导作用，影响效果最明显，湿度平流对边界层高度的变化影响较小，二者共同作用的影响效果是最强的。

主要通过模式创建湖泊模型模拟水库对宜昌地区天气变化的影响，对宜昌温度变化做出一定的分析，并提出了局地环流系统和对温湿平流的作用。但是由于三峡地区地形地貌的复杂，以及考虑到模式本身分辨率、敏感性的限制和物理过程参数化方案的不同，所以还需要更多的研究进行进一步的完善和验证。

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