三峽水庫對宜昌地區(qū)天氣影響的數(shù)值模擬

魚 艇， 朱克云， 張 杰， 潘蔚琳， 丁潔瑩

(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610225;2.成都軍區(qū)空軍氣象中心，四川 成都610041;3.中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京100029;4.荷蘭皇家氣象局，荷蘭 De Bilt 3731GA)

0 引言

三峽水庫位于湖北省宜昌市長江支流上，是目前世界上最大的水力發(fā)電站。水庫寬約2.3 km，平均寬度約1 km，長約600 km，水域面積約1040 km2。三峽水庫修建在兩山之間，形成了明顯的山地氣候區(qū)，湖泊效應(yīng)與山地氣候區(qū)結(jié)合，導(dǎo)致周邊區(qū)域天氣變得更加復(fù)雜。

三峽水庫的建立引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。水庫是否會影響周邊氣候，甚至全球氣候一直是熱點(diǎn)科學(xué)問題。對影響范圍的研究有:王國慶、馬占山等［1-2］發(fā)現(xiàn)，三峽水庫主要影響當(dāng)?shù)貧鉁?，風(fēng)速，實(shí)際的蒸發(fā)量等，并且影響的主要范圍是河流兩側(cè)約10 km。李艷等［3］則使用WRF模式研究水庫對當(dāng)?shù)貧夂虻挠绊?，其結(jié)果表明水庫主要影響的是近地面層，并且影響效果隨高度的上升迅速下降，對850 hPa及以上高度層幾乎沒有影響。對降水的研究有:Wu等［4］利用美國宇航局TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)和數(shù)值模式MM5模擬降水率，結(jié)果表明三峽水庫的建立引起地表參數(shù)的變化，導(dǎo)致在水庫上游地區(qū)降水量增加，在水庫附近的地區(qū)降水量減少。王中等［5］使用WRF模式模擬的結(jié)果表明，三峽水庫建立后，明顯對當(dāng)?shù)氐慕邓杏绊?，并使得該地區(qū)的風(fēng)速增大。而對于溫度效應(yīng)的研究，陳鮮艷等［6］系統(tǒng)地分析了三峽庫區(qū)局地氣候變化的特征，研究結(jié)果表明20世紀(jì)90年代后三峽庫區(qū)氣溫有顯著上升趨勢，蓄水后受水域擴(kuò)大影響近庫地區(qū)的氣溫發(fā)生了一定變化，表現(xiàn)出冬季增溫效應(yīng)，夏季有弱降溫效應(yīng)，但總體以增溫為主。張強(qiáng)、毛以偉等［7-8］根據(jù)三峽水庫壩區(qū)周邊氣候考察氣象站的氣溫觀測資料客觀分析了氣溫隨時間和地形的變化規(guī)律。王浩、段德寅等［9-12］則使用數(shù)值模擬方法研究了三峽水庫的溫度效應(yīng)，認(rèn)為水庫水體白天有降溫效應(yīng)，夜間有升溫效應(yīng)，這種效應(yīng)晴天大于陰天，夏季夜間的升溫效應(yīng)小于白天的降溫效應(yīng)，冬季則相反。Miller等［13］也利用中尺度區(qū)域氣候模式MM5，針對1990年3月2日到5月16日共44天的無雨日，對三峽水庫周邊局地氣候進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究表明三峽水庫的建設(shè)導(dǎo)致平均地面溫度下降了2.9℃，降水沒有發(fā)生明顯的變化;但是Xiao等［14］通過經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)的方法研究得出相反的結(jié)果，他們的結(jié)果表明該地區(qū)的改變是自然的變化結(jié)果，而不是水庫所造成的影響，這值得對其進(jìn)行更加詳細(xì)的分析研究。

以往研究大都是利用觀測資料進(jìn)行客觀統(tǒng)計(jì)分析或者單一氣候要素的局地氣候效應(yīng)影響，而沒有真正涉及到詳細(xì)的氣象要素，因此文中主要研究水庫建成后對宜昌地區(qū)溫度，濕度，風(fēng)等氣象要素的影響，并通過CLASS模式對溫度、濕度平流影響作用進(jìn)行驗(yàn)證。

1 研究方法

使用WRF模式模擬水庫及周邊地區(qū)3天的天氣演變情況，然后用實(shí)際觀測數(shù)據(jù)與模式數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證。模式結(jié)果可以給出湖泊對宜昌地區(qū)單個氣象要素的影響及差異，以及湖泊形狀、面積對宜昌地區(qū)氣象要素的影響。最后通過CLASS模式對平流作用的影響進(jìn)行驗(yàn)證。

1．1WRF 模式

WRF模式是由美國國家大氣研究中心(NCAR)開發(fā)的一個完全可壓縮以及非靜力模式。模式具有多層嵌套，以及大量的物理參數(shù)。

文中所使用的資料為ECMWF再分析資料，且把該資料作為WRF模式的初始數(shù)據(jù)。由于美國懷俄明州立大學(xué)網(wǎng)站有近幾十年(北京時08點(diǎn)和20點(diǎn))最近的探空數(shù)據(jù)文件，而且資料相對及時完善，因此使用該大學(xué)探空資料站所探測的宜昌(30.70°N，111.30°E)站的高空探測資料，以及NOAA衛(wèi)星的地表逐小時資料來驗(yàn)證WRF模式結(jié)果。

主要通過改變地表參數(shù)創(chuàng)建湖泊來模擬對宜昌地區(qū)天氣變化的影響。所選用的時間段為2011年5月12日00:00UTC至15日00:00UTC，即2011年5月12日08:00(北京時)至15日08:00(北京時)，時間步長為6 h。該時段該地區(qū)受高空穩(wěn)定的大氣環(huán)流和地面高壓系統(tǒng)作用，天氣晴朗，天氣系統(tǒng)穩(wěn)定。

使用WRF模式建立3個試驗(yàn)?zāi)M當(dāng)?shù)氐奶鞖庾兓闆r:(1)初始試驗(yàn)，假設(shè)該地區(qū)沒有湖泊。(2)試驗(yàn)1，用正方形湖泊近似模擬大壩建立之后的河流湖泊，湖泊面積為1089 km2，長寬均為33 km。(3)試驗(yàn)2，用矩形湖泊近似模擬未建立大壩之前的河流湖泊，湖泊面積為1215 km2，全長90 km，東半部分寬為9 km，西半部分寬為18 km。宜昌市經(jīng)緯度分別為30.70°N，111.30°E，三峽水庫正好位于城市的西部。試驗(yàn)以宜昌為中心共設(shè)置了3個區(qū)域，水平分辨率分別為27、9、3 km，垂直方向分為31層。所有的區(qū)域有31×31個網(wǎng)格，整個模式模擬的區(qū)域約656100平方公里。試驗(yàn)1和試驗(yàn)2分別是改變地表參數(shù)為森林或者草地的湖泊區(qū)域(圖1)。

模式中所使用的物理方案分別為:WSM 3-class單冰方案，長波輻射rrtmg方案，短波輻射Dudhia方案，Monin-Obukhov近地面層方案，Unified Noah陸面模式層選方案，YSU邊界層層選方案，Kain Fritsch積云選擇方案。

圖1 區(qū)域中陸面情況

1．2 CLASS 模式

CLASS模式是一個通過測試系統(tǒng)中各種物理和化學(xué)過程來檢驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)的盒子模式。包含7個部分:基礎(chǔ)條件，風(fēng)條件，輻射/地形條件，地表?xiàng)l件，化學(xué)條件，反射條件，高級曲面條件。由于受觀測條件的限制，因此在文中只利用CLASS模式的基本條件來分析平流在系統(tǒng)中的作用。計(jì)算溫度和比濕平流的公式為，φ表示環(huán)境中的溫度和比濕。

模式利用2個試驗(yàn)分析宜昌地區(qū)邊界層高度變化和三峽大壩附近地區(qū)相對濕度變化情況。因?yàn)橹豢紤]基本條件，所以將該地區(qū)這一時期的平均值改為初始的溫度和濕度。模式共假設(shè)4個試驗(yàn):沒有任何形式的平流;只含有溫度平流;只含有濕度平流;包含有溫度平流和濕度平流。

2 結(jié)果與討論

2．1 觀測值對比結(jié)果

2.1.1 觀測值與模擬值對比結(jié)果

圖2 宜昌市從5月12日01:00UTC到5月15日00:00UTC 3種模式試驗(yàn)與觀測值的對比結(jié)果

如圖2(a)所示，模式模擬的溫度值的整體變化趨勢與觀測溫度值幾乎一致。而且5月12日01:00UTC至5月13日00:00UTC，3個模式模擬的溫度值與觀測溫度值近似一致。但是從5月13日00:00UTC開始出現(xiàn)變化，起初，觀測的溫度值比模式的溫度值高約1.5℃，但當(dāng)太陽升起之后，兩者的數(shù)值又近似相同。太陽落山后，模式的溫度卻又比觀測溫度高3℃。5月14日00:00UTC至5月15日00:00UTC，白天的溫度模擬值比觀測溫度值高1℃，夜間的模擬值也比觀測溫度值高2℃。溫度的回歸系數(shù)為0.87。

如圖2(b)所示，模式中比濕值與觀測值的對比結(jié)果卻出現(xiàn)很大的變化差異。在白天比濕值的變化趨勢與觀測值能夠近似保持一致，時間段分別為0～12 h，27～33 h和60～69 h。但是在夜間它們卻完全不同，模式的結(jié)果明顯低于觀測值且比濕的回歸系數(shù)僅為0.1。

如圖2(c)和(d)所示，模式中風(fēng)向的角度值與觀測值存在大小差異，而且風(fēng)速模擬值明顯高于觀測值，但是它們整體的變化趨勢與觀測值卻近似一致。宜昌位于山谷中，白天風(fēng)以偏西風(fēng)為主，從庫區(qū)吹向城市。而夜間卻以東南風(fēng)為主，由城市吹向庫區(qū)。這也與Stivari等［15］研究伊泰普水利工程對局地環(huán)流的影響所發(fā)現(xiàn)的結(jié)果一致，即湖面風(fēng)白天向四周發(fā)散，而晚上則向湖面集中。

3.1.2 溫度和比濕的垂直分布情況

圖3為5月13日12:00UTC的溫度和比濕隨高度的變化情況，從圖中可發(fā)現(xiàn)模式中近地面層的溫度隨高度變化趨勢與觀測值趨于一致，且明顯高于觀測值，但模式中比濕的結(jié)果與觀測值完全不一致，其主要原因可能是比濕受許多參數(shù)的影響，如土壤中水分含量和邊界層高度，如果模式中這些參數(shù)是錯誤的，比濕的誤差也就可能被放大。在WRF模式中所產(chǎn)生的比濕結(jié)果不足以分析對城市的影響，所以將使用CLASS模式來驗(yàn)證溫度平流和濕度平流對城市影響。

圖3 5月13日12:00UTC溫度和比濕的垂直分布圖

2．2 數(shù)值模式對比結(jié)果

2.2.1 3種試驗(yàn)對比結(jié)果

如圖2(a)所示，通過比較初始試驗(yàn)、試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的溫度值發(fā)現(xiàn)，在有湖泊的試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中，宜昌地區(qū)的夜間溫度值比初始試驗(yàn)要高一點(diǎn)，白天的溫度則相對低一點(diǎn)。試驗(yàn)2的模擬結(jié)果介于初始試驗(yàn)和試驗(yàn)1之間，因此可以得出:(1)建成水庫后的湖泊對宜昌地區(qū)溫度的影響作用比沒有湖泊(沒有建造水庫)的影響要大;(2)湖泊總面積的大小對宜昌地區(qū)溫度的影響不明顯，而與臨近城市的區(qū)域湖泊面積大小有較大關(guān)系。如圖2(b)所示，在所模擬的3天中，比濕結(jié)果具有不確定性，試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的結(jié)果都顯示:在白天的比濕結(jié)果比初始試驗(yàn)的值大，而在夜間卻比初始試驗(yàn)的值小。如圖2(c)和(d)所示，試驗(yàn)1對風(fēng)向、風(fēng)速的影響都大于其它兩個試驗(yàn)，而初始試驗(yàn)和試驗(yàn)2的模擬結(jié)果卻比較相近，這說明臨近城市的區(qū)域湖泊的面積大小對宜昌地區(qū)的影響作用更大。

2.2.2 試驗(yàn)區(qū)域溫度，風(fēng)速，氣壓的分布情況

圖4 夜間和白天3個試驗(yàn)區(qū)域中溫度，風(fēng)速，氣壓的分布情況

圖4顯示了模式模擬區(qū)域中的溫度，風(fēng)速，氣壓的分布情況。分別比較6個圖發(fā)現(xiàn)，在白天試驗(yàn)1和試驗(yàn)2湖面區(qū)域的溫度明顯低于初始試驗(yàn)，而在夜間試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中溫度卻比初始試驗(yàn)高，并且試驗(yàn)1湖面區(qū)域的溫度最高，試驗(yàn)2次之，初始試驗(yàn)溫度最低。這表明由于湖泊的作用，該區(qū)域的夜間溫度值比初始試驗(yàn)要高一點(diǎn)，白天的溫度卻相對較低。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，大氣環(huán)流中的風(fēng)場也發(fā)生了變化。湖面風(fēng)不再是簡單白天向四周發(fā)散，晚上向湖面集中。而是在湖面上空形成了一個小的環(huán)流系統(tǒng)。在夜間，湖面的溫度相對周邊地區(qū)較高，引起湖面上空的氣壓場發(fā)生變化，湖面氣壓降低，導(dǎo)致在湖面上空形成一個小的局地氣旋環(huán)流系統(tǒng)，氣流向氣旋中心輻合。而在白天，湖面的溫度比周邊地區(qū)低，使得湖面上空的氣壓升高，導(dǎo)致在湖面上空形成了一個小的局地反氣旋環(huán)流系統(tǒng)，氣流向外輻散。這也就有利的驗(yàn)證了宜昌地區(qū)風(fēng)向在白天和夜間不同的原因。

2.2.3 有湖試驗(yàn)溫度、相對濕度的分布情況

如圖5所示，試驗(yàn)1在白天的溫度明顯低于試驗(yàn)2，而在夜間試驗(yàn)1的溫度卻高于試驗(yàn)2。這也就充分說明了湖泊總面積的大小對宜昌地區(qū)溫度的影響不明顯，而與臨近城市區(qū)域湖泊面積大小有較大關(guān)系。

圖5 白天和夜間有湖泊試驗(yàn)溫度分布圖

在白天，受太陽輻射加熱蒸發(fā)作用，湖面上空的相對濕度逐漸升高，由于風(fēng)的作用，周邊區(qū)域相對濕度也隨之升高。夜間相對濕度的變化情況，如圖6所示，試驗(yàn)中水汽是由東北向西南輸送，夜間湖面溫度高，高的熱通量的暖濕水汽使得湖面西南區(qū)域地區(qū)的相對濕度有明顯的降低。而在宜昌地區(qū)水汽未經(jīng)過湖面區(qū)域，溫度較低，該區(qū)域的相對濕度的變化不大。因此，湖面周圍地區(qū)相對濕度的變化可能原因是溫度、濕度平流作用。

圖6 夜間有湖泊試驗(yàn)相對濕度的分布圖

2．3 CLASS 模式結(jié)果

2.3.1 溫度、濕度平流作用情況

圖7 CLASS模式中平流作用的影響

利用CLASS模式分別計(jì)算試驗(yàn)1中溫度平流和濕度平流，其結(jié)果是溫度平流值為0.0003 k/s，濕度平流值為0.0001 g/(kg.s)。如圖7所示，單一濕度平流對相對濕度的影響效果最大，沒有平流作用的影響效果次之，兩者共同作用的影響效果的再次之，單一溫度平流的影響效果最小。因此，湖面周圍地區(qū)相對濕度的變化，主要取決于濕度平流作用。

2.3.2 邊界層高度變化情況

溫度和比濕對邊界層高度的影響非常重要，圖8(a)顯示了在這3天中3個模擬試驗(yàn)中邊界層高度隨時間的變化情況，從圖中可以看出3個試驗(yàn)中邊界層高度在第一天和第三天近似是相同的，然而試驗(yàn)1的邊界層高度在第二天明顯有所降低，可能原因是濕冷空氣從湖面地區(qū)輸送到城市。

圖8 邊界層高度變化

利用CLASS模式對第二天的平流作用進(jìn)行驗(yàn)證，分別計(jì)算了第二天的溫度平流和濕度平流，其結(jié)果是溫度平流為 -0.0002 K/s，濕度平流為0.00007 g/(kg.s)。從圖8(b)中可以看出，溫度平流和濕度平流都使得邊界層的高度低于初始試驗(yàn)，而且二者共同作用使得邊界層高度最低。單一濕度平流影響使得邊界層高度比初始試驗(yàn)略有降低，而單一溫度平流影響卻使得邊界層高度降低了很多。這說明溫度平流對邊界層高度的變化起主導(dǎo)作用，影響效果最明顯，濕度平流對邊界層高度的變化影響較小，二者共同作用的影響效果是最強(qiáng)的。

3 結(jié)論

主要利用WRF模式來模擬湖泊區(qū)域3天的天氣演變情況，并利用CLASS模式對其平流作用進(jìn)行了驗(yàn)證。得到以下結(jié)論:

(1)宜昌的溫度在夜間有所增加，白天則相反。對宜昌地區(qū)溫度影響最大的是正方形湖面，這說明宜昌地區(qū)的溫度主要受臨近城市區(qū)域湖泊面積大小的影響而非湖泊總面積大小。

(2)由于三峽水庫的建立，局地的大氣環(huán)流也發(fā)生了變化。湖面風(fēng)并非是簡單的白天向四周發(fā)散，晚上向湖面集中，而是在湖面上空形成了一個小的環(huán)流系統(tǒng)。

(3)湖面周邊區(qū)域相對濕度的變化主要取決于濕度平流作用。

(4)溫度平流對邊界層高度的變化起主導(dǎo)作用，影響效果最明顯，濕度平流對邊界層高度的變化影響較小，二者共同作用的影響效果是最強(qiáng)的。

主要通過模式創(chuàng)建湖泊模型模擬水庫對宜昌地區(qū)天氣變化的影響，對宜昌溫度變化做出一定的分析，并提出了局地環(huán)流系統(tǒng)和對溫濕平流的作用。但是由于三峽地區(qū)地形地貌的復(fù)雜，以及考慮到模式本身分辨率、敏感性的限制和物理過程參數(shù)化方案的不同，所以還需要更多的研究進(jìn)行進(jìn)一步的完善和驗(yàn)證。

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