向永龍，雷東洋，朱赟赟，陳 晨

(湖北省宜昌市氣象局，湖北 宜昌 443000)

三峽壩區(qū)一次晴空大風天氣過程的數(shù)值模擬與成因分析

向永龍，雷東洋，朱赟赟，陳 晨

(湖北省宜昌市氣象局，湖北 宜昌 443000)

指出了晴空大風是三峽壩區(qū)主要災害性天氣之一，因其地形復雜，下墊面類型多變，導致晴空大風可預測性相對較差。利用WRF模式模擬了2013年3月7日發(fā)生在三峽壩區(qū)的一次晴空大風過程，模擬的風速大小及演變趨勢與實況較為接近。分析表明山谷風效應和三峽水庫湖泊效應是引起此次晴空大風的主要原因。

WRF模式；數(shù)值模擬；晴空大風；山谷風；湖泊效應

1 引言

長江三峽工程自開始建設以來屢遭大風侵襲并遭受重大損失，特別是其工程建設逐漸完工、永久船閘投入使用以來，多次因大風造成長江封航。三峽壩區(qū)位于鄂西山區(qū)，地形復雜，其上游水面寬闊，下游河谷較深，沿河谷地區(qū)多高山，其湖泊效應與山地地形效應相結(jié)合，使壩區(qū)大風的可預報性降低。因此，分析三峽壩區(qū)大風天氣成因，對提高復雜地形條件下大風天氣形成機制的認識，加強壩區(qū)大風天氣預報預警具有重要意義。關于對風的預報，一直是國內(nèi)外氣象工作者關注的熱點問題之一。近年來，數(shù)值模式被廣泛應用到了風的研究和預報中，尤其是WRF(Weather Research Forecasting)中尺度模式在風的預報與氣象服務中得到了廣泛應用[1～5]。然而，應用WRF對復雜地形環(huán)境下的風進行研究尚少。

三峽壩區(qū)常見大風過程有兩種類型: 一種是伴隨雷雨過程，多普勒雷達顯示有明顯回波活動的對流性大風天氣過程(以下簡稱雷雨大風)，此類大風通常瞬時風速較大，但持續(xù)時間較短，一般對壩區(qū)航運影響不大，如2008年7月17日三峽壩區(qū)出現(xiàn)雷雨大風，日極大風速達30.1 m/s，日最大風速僅10.4 m/s，未對工程施工和船閘通航帶來大的影響；二是雷達回波監(jiān)測無明顯降水系統(tǒng)活動，大風發(fā)生前后6 h內(nèi)無降水的晴空系統(tǒng)性大風(以下簡稱晴空大風)，此類大風極大風速一般在13～20 m/s左右， 風速大于20 m/s的較為少見，但大風持續(xù)時間長，對航運調(diào)度影響較大，造成三峽船閘長時間封航。統(tǒng)計結(jié)果表明：三峽壩區(qū)歷年極大風速大于10.8 m/s的大風過程中，晴空大風約占45%，雷雨大風約占55%；而2005年以后的大風過程中，晴空大風占75%以上[6]。本文利用WRF模式，對三峽壩區(qū)復雜地形下一次晴空大風天氣進行模擬，并對大風的形成原因進行了分析。

2 資料與方案設計

WRF模式系統(tǒng)是由美國研究、業(yè)務及大學的科學家共同參與開發(fā)研究的新一代中尺度預報模式和同化系統(tǒng)。該模式重點考慮從云尺度到天氣尺度等重要天氣的預報，水平分辨率重點考慮1～10 km，因而可以滿足針對復雜地形進行的高分辨率的模擬。

圖1 模擬嵌套區(qū)域

本文運用WRF3.1對2013年3月7日發(fā)生在三峽壩區(qū)的一次晴空大風天氣過程進行模擬。由NCEP 1°×1°全球分析資料提供初始場和邊界條件。模式采用二重嵌套(圖1)，中心經(jīng)緯度為30.8°N，110.2°E，各嵌套設置如表1。

3 天氣實況

2013年3月7日08:00，500 hPa天氣圖上高空槽位于東南沿海一帶，華中、華北及西北地區(qū)均受槽后偏北氣流控制，此時中高緯整個歐亞大陸呈兩槽一脊型：

表1 模擬嵌套的設置情況

從烏拉爾山東側(cè)到新疆為一寬廣的高壓脊，在其兩側(cè)各有一冷渦存在，預示著當日三峽區(qū)域高空形勢相對穩(wěn)定。三峽壩區(qū)壇子嶺氣象資料和衛(wèi)星云圖也顯示3月7日沒有天氣系統(tǒng)過境，從而可以排除天氣系統(tǒng)對當?shù)鼐值卮髿猸h(huán)流的影響。實況是：三峽壩區(qū)壇子嶺氣象站當日檢測到12時38分出現(xiàn)瞬時風速為16.9 m/s的大風；10 min最大風速為11.2 m/s。

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 模擬結(jié)果與實況的對比

圖2、圖3給出的是2013年3月6日20:00至7日20:00，三峽壩區(qū)壇子嶺站1分鐘平均風速隨時間的變化曲線及模擬的風速時間變化曲線。風速實況(圖2)顯示7日12:00開始風速迅速增大，最大超過12 m/s，該站當日瞬時極大風速為16.9 m/s，出現(xiàn)在12:38，14時過后風速逐漸減小。模擬結(jié)果(圖3)顯示前期風速相對較小，10:00以后風速迅速增大，13:00左右風速達到最大值，最大風速超過12 m/s，隨后緩慢減小。

圖2 三峽壩區(qū)壇子嶺站10分鐘平均風速隨時間(UTC)變化曲線

圖4給出了2013年3月7日三峽壩區(qū)2 m溫度模擬結(jié)果和觀測值。觀測結(jié)果顯示3月7日三峽壇子嶺逐小時最高溫度為25.6 ℃，出現(xiàn)在16:00；最低溫度為10.3 ℃，出現(xiàn)在07:00。WRF模式很好的模擬了近地面溫度的日變化特征，對最高溫度和最低溫度的模擬與觀測值較為接近。模擬結(jié)果在夜間降溫比觀測結(jié)果略晚，白天升溫也比觀測結(jié)果晚，造成這種差異的原因很有可能是模式系統(tǒng)誤差造成的。對比模式對風速和溫

圖3 模擬的5分鐘平均風速隨時間(UTC)變化曲線

度的模擬結(jié)果可知，本次模擬與實況較為接近，能夠反映出三峽壩區(qū)近地面層環(huán)流特征的基本情況。

圖4 WRF模擬2 m溫度曲線與三峽壩區(qū)壇子嶺站逐小時觀測值

4.2 風速演變趨勢機理分析

圖5給出的是宜昌地形高度場(填色區(qū))、模擬不同時刻10 m風場(風矢量)，圖中黑色圓圈位置為三峽壩區(qū)所在位置。圖中顯示三峽壩區(qū)以東為平原，海拔高度在200 m以下；西部為高山和河谷。高山地區(qū)最大高度超過1 400 m，三峽壩區(qū)一帶河谷海拔在400 m左右，河谷和沿岸山地海拔落差超過1 000 m。模擬結(jié)果顯示05:00(圖5a)模擬區(qū)域內(nèi)西部山區(qū)有明顯的山風出現(xiàn)，在沿江河谷一帶形成了較明顯的下吹風區(qū)。風速自西部高山到東部平原呈減小趨勢，自山頂?shù)胶庸瘸试龃筅厔荨螀^(qū)所在區(qū)域風速明顯較大，平均風速約8 m/s。東部平原地勢平坦，下墊面熱力條件均一，風速較小，主導風向為偏北風。此時，由于夜間輻射降溫，山頂溫度低于峽谷內(nèi)水體表面溫度，溫度分布不均引起氣壓梯度差，導致風從山頂吹向山谷，因此西部山區(qū)風速較大。

09:00(圖5b)西部山區(qū)山風持續(xù)略有減弱，沿河谷一帶風速繼續(xù)維持，最大風速約10m/s，此時應該是山風向谷風轉(zhuǎn)換的過渡期。從圖中可以看出，沿河谷一帶的偏西風在河谷南側(cè)山區(qū)以東形成了繞山氣流，繞山氣流與河谷南側(cè)越山氣流相遇，形成輻散區(qū)。而東部平原上風速依然較小，主導風向變成一偏南風為主。

13:00(圖5c)太陽輻射加強，山頂溫度升高，而東部平原和峽谷內(nèi)水體溫度升溫緩慢，導致山頂氣壓明顯小于峽谷內(nèi)氣壓，引起谷風加強，谷風主導風向為偏南風。由于環(huán)境風太強，越過河谷北側(cè)山區(qū)，與谷風在河谷北側(cè)山區(qū)以東匯合，形成明顯繞山氣流。

17:00(圖5d)谷風進一步加強，環(huán)境風稍有減弱。谷風與環(huán)境風在山區(qū)與平原的交匯帶匯合，形成輻合區(qū),在北側(cè)山區(qū)以東形成繞山氣流。

綜合模擬區(qū)域內(nèi)水平風場變化可知，23:00～09:00風場以山風為主；09:00～12:00山風減弱，谷風還未出現(xiàn)，風場由環(huán)境風主導；12:00～18:00風場由環(huán)境風和谷風共同主導；18:00～23:00基本沒有山谷風出現(xiàn)，風場以環(huán)境風為主。

圖5 宜昌地形高度場(等值線區(qū))及05:00(a)、09:00(b)、13:00(c)、17:00(d)模擬風場(風矢量)

為了更好地分析風場的環(huán)流特征，沿30.9°N從110°E到112.2°N作了垂直速度剖面(圖6)，三峽壩區(qū)位于圖中110°E附近。由圖可知05:00(圖6a)近地層大氣中西部以下沉氣流為主，三峽壩區(qū)附近大氣下沉運動尤為明顯，東部幾乎沒有大氣的垂直運動。09:00(圖6b)西部山區(qū)氣流下沉運動更加明顯，三峽壩區(qū)附近最大下沉速度超過15 cm/s。13:00太陽輻射進一步加強，山頂和峽谷內(nèi)氣壓差更加明顯，三峽壩區(qū)附近氣流有上升運動，開始有谷風形成，但從此處之運動來看谷風較弱(圖6c)。17:00太陽輻射繼續(xù)維持，近三峽壩區(qū)上升運動進一步加強(圖6d)，東部平原出現(xiàn)明顯的下沉氣流。由此可見，本次模擬中大氣在垂直方向上的運動規(guī)律與風速在水平方向上的演變基本吻合，進一步證實了本次大風過程的山谷風特征。

另外三峽水庫巨大的湖泊效應在山谷風形成的過程中也起了重要作用。在夜間輻射降溫過程中，水面降溫比一般峽谷降溫更慢，增加了山頂和峽谷的溫度差，促進了山風的形成；在白天輻射升溫過程中，水體又能減緩峽谷的升溫速度，增加山頂和峽谷的溫度差，促進谷風的生成。

4.3 動量收支

已有研究表明，大氣的垂直運動會造成水平動量在垂直高度上重新分布，因此動量垂直傳輸也可能對近地面風場產(chǎn)生一定的影響。圖7給出的是三峽壩區(qū)壇子嶺氣象站水平動量垂直通量時間—高度剖面圖。由圖7可知，隨著高空偏北氣流的加強，該區(qū)對流層低層中有明顯的垂直方向動量通量下傳過程。近地層U方向和V方向動量在垂直方向上的傳導具有很明顯的一致性。11：00之前動量垂直傳輸微弱或具有較弱的動量上傳，11：00之后動量通量下傳極為明顯，15：00左右達到峰值，U方向上中心強度超過-0.4 kg/m·s2，V方向上中心強度超過-0.25 kg/m·s2。高層的高值動量向邊界層大氣的輸送，促使了低層晴空大風的出現(xiàn)。

5 結(jié)語

復雜地形下的風場模擬具有相當?shù)呐既恍?，風場的影響影子也具有極大的不確定性。本文通過實驗分析，得出主要結(jié)論如下。

(1)WRF模式能夠較好的反映出復雜地形條件下風場的分布和演變特征，能夠在空間尺度和時間尺度上較好的彌補常規(guī)觀測資料的不足。模擬的風速和溫度演變趨勢均與實況較為接近，在實際業(yè)務中有一定的參考價值。

圖6 05:00(a)、11:00(b)、14:00(c)、17:00(d)沿30.9°N垂直速度剖面

圖7 2013年3月6日20:00-2013年3月7日20:00水平動量垂直通量的時間-高度剖面(a：U方向；b：V方向；單位：kg/(m·s2))

(2)山谷風效應和湖泊效應是三峽壩區(qū)此次晴空大風形成的主要原因，但動量的垂直傳導對此次晴空大風的形成起到了一定的促進作用。

(3)山區(qū)與峽谷之間和山區(qū)與平原的交匯帶因地形熱力作用，極易形成局地環(huán)流。尤其是山區(qū)與水體的交匯帶，在較強的輻射條件下更容易形成較強的局地環(huán)流。

[1]張 強，萬素琴，毛以偉.三峽庫區(qū)復雜地形下的氣溫變化特征.氣候研究進展,2005,1(4) :164～167.

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2015-10-13

中國長江電力股份有限公司委托項目(編號：2413020002)；宜昌市氣象局自立課題(編號：201318)資助

向永龍(1957—)，男，工程師，主要從事短期天氣預報研究。

雷東洋(1986—)，男，碩士，工程師，主要從事短期天氣預報工作。

S126

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1674-9944(2015)12-0016-04