文摘
这是一个中尺度的建模研究陆地/海洋微风附近的布什尔,伊朗在波斯湾海岸。2002年9月两天使用模型在Estoque模型研究了(1990)(以下称为EsM90)。EsM90产生现实的昼夜风场有些同意观察由伊朗的港口和运输组织提供。研究表明,该模型有3小时延迟预测的时间最大的海风,但准确地预测当海风的结束。准确估计山附近的边缘地区需要更复杂的仿真建模。研究表明,一个可靠的建模等沿海环境复杂的布什尔不仅取决于陆地/海洋微风也在海拔和盛行风。这种依赖是特别重要的地方热营力薄弱,例如,在下午和晚上。
1。介绍
海风是一种常见的中尺度现象在夏天在许多沿海地区,自古以来被观察和记录1]。一个典型的海风可能穿透50公里或更多内陆,尽管它的强度取决于它的地形。晚上陆地和海洋之间的温度对比逆转,空气在海的那边是温暖的。这生成一个陆风吹海风的相反方向(2]。海风速度通常范围6 - 10 m / s,从3到5 m / s陆风。土地的微风往往低于海风。开/关海岸延伸的海风约10 - 20公里(3]。
典型的陆地/海洋微风循环很少完全免费的关于大气因素和nonatmospheric因素的影响。大气因素的梯度的盛行风4- - - - - -7)、稳定性(5,7),朦胧和湿度(2,7本赛季],[5),nonatmospheric的科里奥利力和纬度(8)和地表特征是最重要的。地表特征可能影响海风环流在三个主要方面:地形(9- - - - - -15),植被和土壤属性如土壤类型和土壤水分(9,16- - - - - -18),最后海岸线形状(19,20.]。在所有因素中,盛行风是更重要的(例如,21])。他们表明,海风环流的特点在佛罗里达州南部和中东部对天气敏感规模风的方向和速度。
另一方面,各种工具,包括飞机测量(22(例如,[],飞行员气球23]),卫星图像(例如,24])和多普勒雷达(例如,[25]),利用调查热力学和海风的运动学特性和结构。实验室研究(例如,26])和分析模型(例如,[27])贡献了大量我们目前的知识。海风也被研究过的帮助下二维模型(例如,4,28,29日)和三维数值模型21]。
随着研究的发展,认识到气象模型理解污染物传输至关重要,而且,因此,有许多研究陆地/海洋微风分析污染物的分散(例如,30.])。此外,海风一直修改水运动在沿海地区。特别是,安诚et al。31日陈,和谢32),O ' brien et al。33],克雷格[34,35],罗森菲尔德(36]讨论了海风的影响日电流在架子上。因此,研究陆地/海洋微风可以帮助理解在沿海地区的一些特性。继续这样,我们提供了一个数值的二维模型模拟陆地/海洋微风在波斯湾的沿海地区。
2。模型描述
在这项研究中,我们使用1990年Estoque的模型,(EsM90),它定义了一个复杂的地形。在本研究中我们使用模型Estoque [28](EsM90)允许指定一个复杂的地形。虽然更复杂和精确的模型已经开发了模拟terrain-induced中尺度发行量,但正如预期的那样,复杂的模型通常比简单的更准确,但是,简单的模型有明显的优势需要小型电脑的集成模型方程。此外,EsM90方程可以包含在表面温度不均匀性的影响,粗糙度,地形高程在某种程度上。
2.1。模型方程(28]
原始模型方程使用地形跟踪协调在垂直()和通常的坐标,和。垂直坐标的定义是 在这里,的高度是一个点,地形的高度,物理模型的顶部。主方程模型的动量方程,热力学能量方程,流体静力学方程。 在哪里和组件的速度吗和,是潜在的温度,科里奥利参数,是重力。的数量和在水平风组件吗。的数量定义如下: ;=空气气体常数;=定温度比热;= 1000 mb。流体静力学方程 所有上面的模型方程编写的高度协调。
在两个动量方程,有四个物理过程参数化、对应于过去五方面:(一)表面或表面摩擦:和;(b)表面和上层之间的动量交换,,和;(c)横向扩散的势头, (d)斜率风力发电,和。
上面的第一项中,和,代表了地面摩擦的趋势减少表面风速。阻力系数的表达式,的话,是 阻力系数,,取决于热稳定性;的公式之后,提出了文本。第二项,和,代表了垂直表面之间的动量交换和上面的层。这会产生表面风最大白天由于垂直混合。的表达式是,在那里,,是经验常数。这些常数的值和其他常量节中给出2.4。的数量理查森数。其公式是在后面的页面。在第三项,横向扩散的势头,和系数的涡流扩散系数,根据公式,不同水平 这些表达式是基于以前的配方由Smagorinsky et al。37]。常数量,是一种经验,而和沿着网格距离吗——的方向。第四项,斜率风力发电,代表的物理过程产生上坡运动在白天,晚上下坡的动作。的表达式和是: 在这里,,是一个经验常数是地面的温度。
此外,还有四个物理过程方程:
(一)横向扩散的热量(两项涉及和)。
(b)辐射温度变化。这一项的表达式的概念是基于牛顿冷却。因此,。在这里,,是一个经验常数在表面风速计温度水平;地表温度,是温度。
(c)温度变化由于垂直运动,例如,冷却向上运动时由于扩张;这一项的公式 右边第一项代表orographically迫使垂直运动的影响;第二项代表垂直运动的影响与表面收敛在平坦地形;在这里,和经验常数;
(d)温度变化的显热通量从地球表面,。为了估计这个量,我们假设,在那里是流行的大规模的垂直变化潜在的温度。此外,我们注意到,在一个特定的点(在任何级别),,。我们现在做的重要的假设,来近似加热的垂直分布
这里的下标,在表面风速计,指值水平;指数,,是一个经验常数。这种假设主要基于经验,类似于幂律风资料。从现在起,我们将把下标,,从为了简单起见,在符号。做完了这些事,现在我们将试图表达的显热通量,,从地球表面。为了做到这一点,第一步就是做的是整合上述方程从表面到域。因此, 执行集成,然后解决,一个人 但是请注意,被积函数表示的总加热空气柱由于显热通量。因此,。
这个方程结合前面的一个,一个人 最后,热通量()必须表达的,,表面温度,。所谓的批量空气动力学方法的基础上,计算公式是:)。阻力系数(),反过来,制定的理查森数()和粗糙度参数(),建议由路易et al。38]。这个公式是 在这里,卡门常数,是表面的高度观察风力和温度。的数量,是习惯的价值中立的分层的阻力系数。
最后一个重要的方面将讨论的模型公式测定表面风速计的位势的水平,。这是通过集成来自顶部的流体静力学方程模型的域()表面风速表级别()。在连接与集成,一个指定的垂直分布。为了这个目的,我们做相同的幂律的假设之前。因此,。再一次,我们将把下标,,在(为简单起见符号)的理解指的是表面风速计的水平。我们进一步指出:与由前面的公式。流体静力学方程,用这个(4),和集成,我们得到:;,。
我们已经完成了模型的公式。所有这些信息EsM90方程,数量和参数之间的关系来源于Estoque [28]。
2.2。模型空间和时间的情况
我们选择布什尔,伊朗及其周边地区(图9)由于其特定的沿海线,两个气候站,和重要的核电站。这个地区风的日变化特征,特别是在沿海地区附近,通常归因于土地和海风的影响(39]。地形图是来自伊朗的地理组织武装力量。它是基于UTM。系统的规模1:500000 WM VM, WN,之间的这个系统,和VN部分28°15′-29°15′E和50°16′-51°15′N。布什尔盆地是一个几乎平坦地区但有山脉,蒙德山脉,其方向是southeast-northwest (SE-NW)。因此,这一地区可能影响下行风。这些下行风,山谷和山脉的微风,分别。
考虑到布什尔的气候是下一步。这个地区有一个温暖、潮湿的气候,这是受地中海飓风和苏丹低点在冬天,在夏季和夏季低点。风向玫瑰图(图1),它提供了从布什尔天气站,位于28°59′N和50°50′E,显示主要的风是来自西北(夏马风风)。自从盛行风可以掩盖陆地/海洋的微风中,月度数据是必需的。观察性研究的土地/海风,由伊朗的港口和运输组织提供,对于一些选择9月,10月,11月,12月(2002)表所示1,2,3,4,分别。表说明9月最意味着陆地/海洋的微风。由于这个原因,9月被选为最佳的一个月进行建模。气象数据显示,2002年9月23日是最好的,因为没有盛行风之前和之后的那一天。
然后,一个矩形网格与水平2.5公里网格间距是使用。垂直领域是2公里,因为风不可能走高。(一个典型的海风约1公里的高度。(2])。
的评估,确定如下:想点,,如果是在轮廓线,其评价是轮廓线(图的高度2)。否则,它是由最近的轮廓线之间的线性插值在以下方程: 生成的地形如图3。
2.3。初始和边界条件
解决EsM90模型需要规范的初始条件。我们设置,,,的价值,,和在表面风速表级别在最初的时候,。
这些变量指定从观察,所以初始流geostrophically平衡。然而,值对应的流有时表面风速计的选择。数据4和5显示一个3小时的风力大小和温度在9月23日,2002年在布什尔及其沿海站。例如,我们可以看到米/秒,(布什尔),米/秒,(布什尔海岸站)当地时间0600时(LT)。此外,模型需要垂直的值相应的大规模流动;那就是:;或;。图的基础上5,K图的基础上6,Pa。而陆地表面温度随时间在这项研究中,水温保持固定在33°C,因为只有昼夜变化(图7)。48小时模拟起价0600 LT, 2002年9月23日,结束于0600年9月25日LT。最初的大规模流动假设大约为零(米/秒)。回忆这一数字4表明和2.2 m / s在6:00。
反射边界应用于开放边界。因此,对于一般的数量,,我们有,在那里开放边界值和吗其相邻的值在模型领域。沿海边界,rigid-lid条件,即:。在流入点,值是固定的。在流出点,值预测的模型。
粗糙度参数,,是为土地和1×10 0.14米水。表面温度,,被认为是26°C = 299 K(由于图5),对于它被预测的公式。
2.4。EsM90的计划和常量
我们使用相同的差分方法,描述EsM90。因此,这里使用EsM90上游不同技术向前发展。
这里使用的时间步长是300秒和3小时输出打印和分析。
的初始值,,被指定在地转平衡。其他参数和模型常数,;;;;;;;;;m。
常量值的模型是由数值实验的模型方程解决了通过使用不同的一个特定的值不变。然后,特定的常量值选择最现实的结果。所选的值可能不是最优的普遍使用。
2.5。EsM90计算的算法和程序
所做的数值集成后一步一步的过程(见图8更多的细节)。(一)使用指定的值和在表面风速表级别,计算出相应的值。(b)计算热词,。(c)使用的价值,计算。(d)计算出当地趋势计算,和。(e)使用的计算值和新(预测)的值,计算和。(f)计算温度趋势,。(g)使用这个值新(预测)的值,计算。(h)使用的预期值,和获得在步骤(e)和(g),重复步骤(a) (g)。
继续这个重复的过程直到之和' s等于预期的范围的预测。
EsM90程序运行域,集中在布什尔半岛通过个人电脑奔腾(R) 4 = 1.70 GHz CPU和RAM为48小时= 1 gb字节;然后,最终的结果是冲浪者8所示的软件。的方法被用于制造网格文件是克里格。
3所示。结果与讨论
本研究试图生产土地/海风发展布什尔半岛。这个半岛是相当复杂,有一个大湾北部和南部沿海山。虽然这座山不是很高(低于400米),生产—下行风不容忽视。数据6- - - - - -21说明模型的风矢量在风速表级别。蜱虫线在这些数字是海岸线和薄的地形高度(轮廓线间隔100米)。规模速度(米/秒),为每一个图。两大固体圆定位气象站在布什尔(24°N, 29°E)(表示布什)和附近的布什尔(22°N, 28°E)(表示Bushcoast)。大×演示了气象浮标站的位置。开放的恒星定位三个地标:烧城堡,Bulkhayre美国,萨勒姆千千万。固体三角形表示蒙德山的顶峰。首都是一个权威点(38岁11),蒙德山脉东部的一面。这个地方是采用混合模型研究能力陆地/海洋的微风和山/谷的微风。
3.1。微风的开始时间和持续时间
海风开始沿着沿海线(图0900 LT9)随着海风渗入土地在1200年和1500年LT,上坡风还生成(数字10和11)。通过观察图12,我们看到,风场正在减少,在2100 LT表面风非常平静。伊朗的港口和运输组织的观察,(表1),表明2100 LT±0100陆地/海洋微风时结束。所以我们的研究使用EsM90模型实际预测陆地/海洋微风时结束。在0000 LT下行风从蒙德山。土地微风开发0300 LT(数字15或23)和0600 LT(数字16或24在波斯湾和结束在0900 LT(图17)。观测数据表明,陆风结束0600 LT(图4),而这次陆风模型的预测存在,完成0900 LT。
通过比较两天,海风似乎延伸到下午。海风的持续时间大约是第一和第二天15 h和12 h,分别(图25),而观察到的时间大约是15 h(图4)。但在这两天海风完成2100 LT(图26)。时间和结束时间是两个重要的仿真结果;观察性研究同样表明它是关于(表9月11到13小时1)。Parvaresh et al。39]显示21天期间(7月4日2000年8月15日),海风已完成在2100年中将他们的数据记录在同一浮标站所示×在我们的模拟数据(39]。陆风的预测时间是9 h;然而布什尔的观测天气站没有陆风和布什尔沿海站的陆风的持续时间是6小时。因此,模型的预测overpredict陆风的持续时间大约3 h。
3.2。强度和水平扩展
经过接近中午,开始模型和强度增加,达到最大值9.3 m / s的第一天(图1200 LT10)或7.3 m / s 1500 LT第二天(图19)。然后,它减少这两天的晚上,消失在2100 LT(就在山的后面小值)。如果我们做1800 LT异常,可以说,海风速度比第一天第二,虽然陆风逆转。最大的陆风0000 LT速度是5.2米/秒,5.7 m / s 0300 LT,和8.5 m / s 0600 LT,都发生在第二天。陆风结束时以0900 LT,疲软的海风预计最大值为2.2 m / s。
在布什尔气象台预测海风小于观测风速平均1 m / s;预测的陆风有点大于观察(数据4和27)。最大海风预测发生在1200 LT而观察到的一个是三个小时后在1500 LT(数字4和27),但在第二天是完全相同的。
Parvaresh et al。39)表明,风速海拔10米()不同介于0.34和10.38 m / s,日变化特征。他们还风速分解成两个分量,和整个海岸。他们的研究结果表明,风速与陆风小于6米/秒,但这大海/陆风是更大的39]。虽然该模型模拟不同的月、年数据收集时,和观察(如上所述39)不要从报告中删除盛行风效应陆地/海洋微风,模型结果显示陆风< 6 m / s的观察,与观测结果的协议。
如果我们使用布什品脱(24°N, 29°E或(24日29))作为参考,2002年9月23日到1200年LT(图10),横向扩展的海风约20公里,到1500年翻了一番。2002年9月24日到1500年LT(图19),它是大约20公里的土地,而土地的微风在约60公里,0600 LT大海。比较这两天,第二天的海风比1显示了一个更短的水平渗透在同一时期,虽然陆风是相反的。
因为,海风开始m / s的第一天,这些值是不同的第二天,海风,因此,从先前的陆风,这延迟陆地/海洋微风繁殖的影响,强度和横向扩展,在某种程度上。
3.3。沿海地形的影响
1200 LT - 1500 LT(数字13和14),收敛区域可以看到布什尔半岛,还有烧城堡附近,Bulkhayre譬如和萨勒姆千千万。里昂et al。40)和尼科尔斯et al。41]表明,雷暴频繁形式附近在海风方面;所以积云和雷暴是可能的收敛区域。收敛区不限于海风。其中两个是在0300年和0600年生成LT在波斯湾当土地微风发达完全在海的那边。
如果我们仔细观察的模型预测的微风在2100 LT,可以认识到最大速度值(2.6 m / s 2002年9月23日2002年9月24日和3.2 m / s)返回值的山。
给人的印象从模型结果(数据9- - - - - -24)陆地/海洋微风不太明显的沿海岸的北部边界,这风是很明显的在该地区的南部海岸附近的蒙德山。预测的风的背风面挂载点(图29日)表明,陆地/海洋微风一般强比布什尔和布什尔海岸电台(数字27和28)。
4所示。结论
简单地说,布什尔有缺陷的EsM90减少足够的微风在陆地或海上远远。此外,一些偏差出现在风持续时间的预测,尽管它是更强大的带来一个好的模拟沿海大约形状和基于真实值(约0 - 3 m / s的区别)。模型还结合了陆地/海洋微风由山/谷的微风在海岸附近的一面但被打败单独生产山/谷微风可以看到后面的蒙德山。
海风的持续时间在第一天和第二天约15和12小时,分别。模型预测的陆风在布什尔海岸电台。
陆地/海洋微风不太明显的沿海岸的北部边界,这风是很明显的在该地区的南部海岸附近的蒙德山。
最后,产生满足风场可以出现下行风,除了陆地/海洋微风。
确认
支持的研究是物理海洋学、海洋科技大学霍拉姆沙赫尔,Khoramshahr,伊朗。作者要感谢教授g . Weatherly(佛罗里达州立大学)看报纸和他的建设性意见。最后,作者很感激两个匿名评论者对于许多详细的和深思熟虑的意见。