西安及周边区域冬季风场特征的数值模拟分析

吴素良，程 路,2，胡淑兰，2，王 琦，张 侠,2，张文静

(1.陕西省气候中心，西安 710014；2.陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室，西安 710016)

风是空气流动引起的一种自然现象，是由太阳辐射热引起的[1]。风对天气气候、环境空气质量有着重要影响[2]，尤其是低空风对人类的生产生活[3-4]有着重要影响。随着城市发展与开发，西安市城区建筑密度逐年增加，下垫面变得更为粗糙，城区气象站风速普遍呈现减小的趋势，空气污染[5]和城市热岛日益加剧[6]。由于目前国家气象观测站较少，自动站的观测点不够密，其代表性不够理想，因此仍不能满足应用要求。通过数值模拟，可以给出时间间隔短、空间间隔小的资料序列，既可用于污染参数与模式计算[7-8]，又能研究区域不同时段流场主要特征与局地环流的变化规律，对合理规划城市整体结构[9-10]、缓解城市热岛效应，形成舒适、节能的城市空间环境有着重要的意义。目前，WRF模式广泛用于风场模拟[11-12]，较前的MM5中尺度预报模式也有着广泛应用[13]。小范围风场的模拟则有CFD(computational fluid dynamics，计算流体动力学)类软件[14-15]。

1 数值模式的选取

为了更好地获取西安的风场，选用新一代高分辨率中尺度预报模式——WRF模式(weather research and forecasting model，WRF Mode1)。该模式为完全可压非静力模式，采用Arakawa C网格，为集数值天气预报、大气模拟及数据同化于一体的模式系统，能够更好地改善对中尺度天气的模拟和预报。数值模拟使用的是当前较新且比较稳定的3.6版本。

2 数值模拟设计

2.1 数值模拟方案

模式采用3重区域嵌套，第一重包含青藏高原及沿海等影响天气系统的地理区域，水平尺度27 km×27 km；第二重水平尺度分别为9 km×9 km；第三重覆盖陕西省，水平尺度分别为3 km×3 km，垂直模拟层数为49层。初始场利用NCEP 1°×1° FNL再分析资料，包括温度、湿度、气压、降水、水汽、风分量等。同化方案采用3DVar，将NCEP DS337.0观测数据同化到初始场和边界场中。使用数据包括：纬向风分量u、经向风分量v、垂直风分量w，主要用于分析模拟区域的流场、速度场。

图1为风场分析的模拟区域及东西向和南北向剖面选取位置。文中北部山区指渭北海拔高度大于600 m的地区，南部山区指渭河以南海拔高度大于600 m的地区。模拟区域指图1所含范围：东到渭南，西含礼泉，北达铜川，南至秦岭；西安城区指渭河以南、终南大道以北、东三环以西、沣河以东范围内人口、机构、经济、文化高度集中的区域；西安周边指图1内距离城区较远的区域。

图1 西安风场模拟区域、地形与垂直剖面位置图

2.2 WRF模式参数化方案

微物理过程：lin方案，较为复杂，考虑了水不同相态的变化。长波辐射：RRTM方案，是一种快速辐射传输模式。短波辐射：RRTMG方案，考虑到了随机云重叠的过程。表层：Pleim-Xiu表面层方案。陆面层：Pleim-Xiu路面模式，与表层方案相对应。行星边界层：Mellor-Yamada-Janjic TKE方案。积云参数化：采用NCEP业务使用的Betts-Miller-Janjic方案。

3 模拟结果分析

3.1 不同高度风场特征

冬季包括12月、1月和2月。1月是西安平均温度最低的月份，选择2015—2017年代表月 1月的模拟结果，用于分析西安冬季的风场特征。图2为2015—2017年不同高度平均风场。1月10 m高度平均风场：模拟区域风场总体呈气旋状，中心位置在西安三环东北段附近，风速小于0.5 m/s；渭北风速大，在1.5 m/s以上，风向基本为东北风和东东北风；咸阳及其以西风速小，不足1 m/s，多为偏西风；秦岭北部风速较小，大部分为偏西风，蓝田附近则为偏南风。0.1 km高度平均风场：模拟区域风场总体也呈气旋状，中心位置在骊山附近，中心风速不足1 m/s；渭北风速最大，达3 m/s，大部分为东北风和东东北风；渭河沿线风速相对较小，不足1.5 m/s，其西部以北风为主，东部多为东北风；秦岭附近风速在1.5 m/s左右，基本为偏西风。0.5 km高度平均风场：渭北风速大，大部地区大于2 m/s，风向主要为东北风和北风；秦岭附近风速其次，风向多为偏西风；骊山为风速低于1 m/s的低值中心，其风向多为偏北风。1 km高度平均风场：模拟区域西北部山区、南部山区风速大，介于1.5～3.5 m/s，风向多为西北风；模拟区域的中部风速小，不足1 m/s，大部分为偏北风，南部基本为偏西风。2 km高度平均风场：模拟区域西北部山区、南部山区风速大，介于4.5～6 m/s；咸阳、兴平与户县一带风速较小，低于4 m/s；整个区域均为偏西风。5 km高度平均风场：模拟区域西北部山区、南部山区风速大，介于18～21 m/s；咸阳、兴平与户县一带风速较小，低于17 m/s；整个区域均为西风。

图2 西安2015—2017年1月不同高度平均风场(单位：m/s)

风速与风向的变化主要受地形影响。1月，受蒙古高压影响，冷空气南下，从渭北平原进入关中地区。由于关中盆地西部窄，南有秦岭山脉，进入气流会受阻变缓，并形成涡流状。在0.5 km高度以下，风向、风速受地形影响较大，最大风速在渭北地区；2 km高度风向已基本不受地形影响，整个区域均为偏西风，盆地上空风速受影响较小。5 km高度风向全部变为西风，秦岭上空风速大，盆地风速小，但相对差异明显变小。

图3为2015—2017年1月10 m～5 km高度上的平均垂直速度场。盆地地区平均垂直速度基本为0 m/s，南部、北部山区有弱的下沉气流。0.1 km高度模拟区域盆地地区有弱的上升气流,平均垂直速度不足0.02 m/s，周至南部山区可达0.04 m/s，北部山区有下沉气流。0.5 km高度模拟区域盆地地区有弱的上升气流,西安与咸阳以北平均垂直速度一般小于0.01 m/s，西安与咸阳以南大于0.01 m/s，周至南部山区可达0.04 m/s，西北山区、东南山区有下沉气流。1 km高度盆地大部分地区有弱的上升气流, 平均垂直速度一般为0.01 m/s，长安区有0.02 m/s上升气流，其南部山区有下沉气流可达0.03 m/s，西北山区有下沉气流。2 km高度模拟区域盆地及以北地区有弱的、零散的上升气流, 平均垂直速度一般为0.01 m/s，南部山区有下沉气流，为0.01 m/s。5 km高度气流垂直速度较小，大部分介于-0.01～0.01 m/s之间。总体上南北两端存在较强的下沉气流，盆地存在上升气流，上升气流中心位于33.7°N、108.5°E。

图3 2015—2017年1月不同高度平均垂直速度场(单位：m/s)

3.2 不同剖面风速特征

图4a为2015—2017年1月平均速度东西向剖面。1 km以上模拟区域风速随高度增加，东部风速相对较大； 109.1°E以西0.2 km高度以上有约0.5 km厚度、风速大于1.6 m/s相对大风速带，之上至1 km为一相对小风速区。2015—2017年1月平均速度南北向剖面(图4b)显示，1 km以上模拟区域风速随高度增加，南部风速相对较大，北部较小，中部最小。34.4°N以北0.05 km高度以上有约0.3 km厚度、风速大于2.5 m/s的相对大风速带，其上至1 km为相对小风速区。

图4 2015—2017年1月平均风速(单位：m/s)东西向(a)与南北向(b)剖面

3.3 不同剖面垂直速度日变化特征

从2015—2017年1月东西向剖面平均垂直速度日变化(图5，有些时刻省略)可见，21时低层1.5 km以下为较强上升气流，中心高度在0.5 km，近地面有下沉气流，东部比较强。2.5 km以上西部、中部为下沉气流，东部为上升气流。22时东部局地环流明显，西部多下沉气流，中、东部上升气流与下沉气流相间。之后气流不断变化，但低层为上升气流，高层为下沉气流的特点在10时前基本不变。11时起， 整个剖面基本为下沉气流，13时达到最强，在中西部1 km上下、高层中部偏东的地方有较强下沉气流，东部低层为一小范围较强上升气流。14时后，下沉气流减弱，15时1 km高度有4个较强下沉气流中心，16—19时，有零散上升气流出现、加强，下沉气流逐渐减弱，局地环流明显。20时局地环流减弱，低层以上升气流为主，高层以下沉气流为主。

图5 2015—2017年1月东西向剖面不同时刻平均垂直速度(单位：m/s)

从图6可见，21时中北部1 km高度为较强上升气流中心，其上部有下沉气流，南部有弱上升气流，最南部为下沉气流，最南部近地层下沉气流强度较大。21—11时，上升气流由强转弱，且主要出现在低中层；下沉气流则是由弱变强，由高层向地面发展。12时以后，下沉气流占主导地位，并在14时达到最强，其间，秦岭脚下存在一小块上升气流区。15时后，下沉气流开始减弱，上升气流加强，且19时的上升气流区比20时的大。

图6 2015—2017年1月南北向剖面不同时刻平均垂直速度(单位：m/s)

对21—20时平均垂直风速进行经验正交函数分析(EOF)，东西向剖面第1、第2模态见图7a、图7b，相应的时间系数见图8a、图8b。从图7a可见，主城区以上升气流为主， 东部以下沉气流为主，西部存在较强的局部下沉气流。从第1模态时间系数来看(图8a)，前半夜较高，后半夜较低，13—17时小于0 m/s,14时最小。此变化表明，夜间主城区上升气流旺盛，郊区为下沉气流，此循环白天开始减弱，并在下午变成主城区为下沉气流，郊区为上升气流。

图7 2015—2017年1月东西向剖面垂直速度第1(a)、第2(b)模态

图8 2015—2017年1月东西向剖面垂直速度第1、第2模态时间系数

第2模态(图7b)以下沉气流为主，中西部有多个较强上升气流。第2模态时间系数(图8b)和第1模态时间系数变化基本相反，第2模态场后半夜和白天以下沉气流为主， 前半夜则以上升气流为主。从表1来看，前2个模态方差贡献率大于70%，基本可代表剖面垂直速度的变化特征。

表1 2015—2017年1月东西向剖面垂直速度前10个模态方差贡献率 %

南北向剖面平均垂直风速经验正交函数分析第1、第2模态见图9a、图9b，相对应的时间系数见图10a、图10b。从图9a可见，主城区既有上升气流又有下沉气流，北部以弱的下沉气流为主，南部存在较强的局部下沉气流。从第1模态时间系数来看(图10a)，夜间比较高，08时后迅速减小，13—15时小于0 m/s,14时最小。此变化表明，夜间主城区有一定的上升气流，郊区多为下沉气流。此循环在日间开始减弱，并在下午变成主城区为弱的下沉气流，郊区为弱的上升气流。

图9 2015—2017年1月南北向剖面垂直速度第1(a)、第2(b)模态

图10 2015—2017年1月南北向剖面垂直速度第1、第2模态时间系数

第2空间模态显示中北部以下沉气流为主，南部下沉气流间有多个较强上升气流(图9b)。第2模态时间系数和第1模态变化基本相反(图10b)，第2模态场白天以下沉气流为主，15时最强；21、22时上升气流较强，夜间其他时间垂直速度趋于0 m/s。从表2来看，前2个模态方差贡献率大于76%，基本可代表剖面垂直速度变化特征。

表2 2015—2017年1月南北向剖面垂直速度前10个模态方差贡献率 %

4 结论

(1)西安及其周边区域1月流场接近地面为一气旋状，在10 m高度位于西安三环东北段附近，且随高度增加向东偏移；到0.5 km高度演变成槽状，1 km高度演变成“Z”形状，2～5 km由偏西风变化为西风。

(2)模拟区域1月平均风速具有秦岭山区、渭北山区大，渭北平原地区小的特点， 1 km高度以下大部分的平均风速不超过3 m/s，有相当一部分平原地区低空平均风速小于1 m/s。部分地区在0.3～1.4 km高度有小风速区存在。1 km高度以上风速随高度增加；

(3) 1 km高度以下，关中盆地有上升气流，南部山区、北部山区有下沉气流，上升气流与下沉气流最大速率为0.04 m/s。上升气流中心位于33.7°N、108.5°E。

(4) 1天大部分时间之中，西安周边为下沉气流，市区为上升气流。此环流夜间最强，昼间开始减弱， 11时之后，整个剖面基本为下沉气流，在13、14时达到最强。15时之后，下沉气流开始减弱，有零散的上升气流出现、加强，并逐步演变为城区为上升气流，周边为下沉气流。