海南岛山地环流三维结构的数值模拟研究

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山地环流影响着大气边界层特征,对山区大气污染物扩散以及降水的生成起着重要作用,是山地气象学的重点研究对象。因此本文利用中尺度模式WRF-ARW(V4.0)对2020年5月1日海南岛一次典型山地环流个例进行了高分辨率模拟,详细讨论了山地环流的水平、垂直结构及其演变特征。其次,通过设计GRASS、FOREST、DESERT三组试验,即将岛上的植被类型分别替换为均一的草地、森林和裸土,重点分析了土地覆盖变化对山地环流的影响及可能影响机制。得出以下几点主要结论:(1)海南岛山地环流以山谷风环流为主,10:00谷风开始发展,午后14:00环流结构完整、清晰,谷风环流表现为山体附近的上坡风环流和山区外侧的平原风环流。在谷风发展阶段(15:00~18:00),东西两支平原风环流持续向山区中心推进,而南支环流较北支强度大,从而造成风场辐合位置随时间北移;低层风速因平原风环流的推进而增加。19:00山风开始出现,至凌晨后山区已为山风控制,近地面风场沿黎母、五指山脉北侧出现“人”字型山风大值区,同时山脉上空1.2~1.8 km背景风加强,气流呈现出明显的波动状态。在山地环流演变过程中温度场大值区与气流辐合区对应较好。(2)除北侧外,16:00各方位平原风环流与上坡风环流耦合成一个大的谷风环流圈,环流水平尺度基本覆盖整个山区,谷风在山顶附近辐合上升,上升支可伸展至高空2.4km,最强上升速度超过1.8 m·s-1。其中东西支环流厚度较南支大,谷风可向上伸展至地面上1 km左右,同时各环流回流中心随下风方向向低层倾斜,倾斜角度与地形坡度较为吻合。(3)当植被高度、面积减少,地表粗糙度减小,近地面风速将加强,其中DESERT试验近地面谷风变化最明显。垂直方向上,FOREST试验的谷风环流最强,环流的水平和垂直范围更大,上升支向上伸展更高,同时南侧谷风风速也最大;DESERT试验则反之,模拟的谷风环流最弱,但其谷风环流持续时间最长;而GRASS试验的环流相对于CNTL试验变化较小。(4)当土地覆盖发生变化后,可通过影响净辐射和地表能量分配影响温度的空间分布,导致水平位温梯度及边界层稳定度发生改变,从而影响环流结构和其演变特征。
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