1 引言
黄河源区地处青藏高原东北部， 属寒冷半湿润气候， 是黄河上游地区水源涵关键区， 也是青藏高原生态环境的敏感区和气候变化的关键启动区（丁永建等， 2003； 刘晓娇等， 2020； 王婷等， 2019）。黄河源地区属高原湖泊沼泽地貌， 源区内湖泊湿地众多， 扎陵湖和鄂陵湖位于青海高原玛多县境内， 是中国海拔最高且黄河源区内面积最大的两个淡水湖。扎陵湖和鄂陵湖是黄河主干流上的天然外泄湖泊， 对调节黄河源头水量， 蓄水防洪以及调节局地气候等具有重要影响， 具备极大的科学研究和环境保护价值（杨显玉和文军， 2012）。湖泊产生的中小尺度环流不仅会对局地的天气起到关键作用， 同时对当地的小气候以及周边生态环境有着重要影响（苏东生等， 2019）。杨薇等（2014）对太湖地区的一次强雷暴过程进行了数值模拟， 揭示了太湖地区的湖陆风与强对流天气的关系； 曹渐华等（2015）和Wang et al（2017）分别分析了鄱阳湖和太湖地区的湖陆风特点及其季节变化等气候特征； Wentworth et al（2015）、 Horel et al（2016）、 Blaylock et al（2017） 分析了大多伦多和大盐湖地区的湖陆风对臭氧等污染物时空的影响。湖泊所在地区的局地环流一直以来都是湖泊研究中的热点问题， 但对于扎陵湖和鄂陵湖而言， 由于该地区的气候环境恶劣， 气象观测站点稀少且空间分布极其不均匀， 基本观测资料存在不连续、 不充足的现象， 因此采用数值模拟对该地区的局地环流及地表能量通量的变化不失为一种经济有效的研究手段（赵林等， 2010； 马舒坡等， 2007； 张美根等， 2007； 李茂善等， 2006）。
关于利用数值模式模拟中小尺度环流的研究一直被国内外相关学者广泛关注。陈万隆等（1995）利用一个含植被参数化的二维中尺度模式模拟了夏季青海湖的湖陆风， 并揭示了驱动湖陆风的因素以及冷暖湖效应； 吕雅琼等（2008）和Yang et al（2015）用非静力中尺度模式MM5模拟了夏季纳木错湖典型大气边界层特征， 并通过模拟出的大气边界层特征解释了当地产生强对流天气的重要原因； 张雷鸣（1994）对滇池的中尺度环流进行了三维数值模拟， 对比分析了湖陆风的模拟结果； Zhang et al（2019）用WRF模式模拟了太湖的湖陆风特征。利用数值模式模拟中小尺度环流的研究日渐成熟， 同时也有很多关于中小尺度环流的数值模拟方案的探究； 戴永久等（2018）对新版通用陆面模式CoLM中的湖泊过程方案进行了性能评估； 宋兴宇等（2020）对多种湖泊模式对于青藏高原典型湖泊的适用性进行了对比。这些研究证明了利用数值模式模拟中小尺度环流的可行性并为如何正确地选择数值模拟方案提供了思路和参考。
扎陵湖和鄂陵湖地区平均海拔较高， 地形和下垫面复杂多变， 除湖泊和湿地外， 还有高大山脉和丘陵， 以及高寒草甸以及草甸退化后的稀疏植被地带。复杂下垫面条件和地形共同作用影响下， 湖泊产生的局地环流及湖泊周边地区的大气边界层变化特征是本次数值模拟工作所关注的主要内容。
2 数值模拟试验方案设计
选用的模式为WRF3.6.1版本（Weather Research and Forecasting Model）， 该版本的WRF模式中所采用的湖模式是一维质量和能量守恒热扩散湖泊模式， 它是由美国国家环境预报中心NCEP和美国国家大气研究中心NCAR联合开发的新一代中尺度数值模式。Beljaars and Holtslag（1991）和石春娥等（2015）的研究表明， WRF模式能够较好的模拟大气边界层。利用WRF模式对2013年8月1日00:00（北京时， 下同）至15日24:00的天气过程进行了模拟， 研究区域为扎陵湖和鄂陵湖区域， 地理位置如图1 ［图1 （a）基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2016）1569号的标准地图制作， 底图无修改］所示。试验采用两重网格单向反馈嵌套， 试验结果逐时输出一次结果。模式垂直方向30层， 最高层顶大气压50 hPa。陆面过程方案采用的是CLM， 相对于其他陆面过程方案， CLM对于下垫面的描述刻画更为详尽， 其他试验方案参数等设置如表1 所示。近年来， 中国科学院寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室在鄂陵湖区域开展了一系列的野外观测试验， 观测点及仪器架设具体情况如下：
图1 扎陵湖和鄂陵湖地理位置（a）和Landsat卫星影像图（b）Fig.1 The location （a） and Landsat satellite image （b） of Gyaring Lake and Ngoring Lake |
表1 扎陵湖和鄂陵湖区域数值试验参数及参数化方案Table 1 Numerical test parameters and parameterization scheme of Lake Gyaring and Ngoring |
| 试验参数 | 第一层 | 第二层 |
|---|---|---|
| 中心坐标 | （35.49°N， 98.24°E） | （34.93°N， 97.50°E） |
| 网格点数 | 80×68 | 85×64 |
| 水平格距/km | 9 | 3 |
| 时间步长/s | 54 | 18 |
| 微物理方案 | Single-Moment 3-class | Single-Moment 3-class |
| 长波辐射 | RRTM | RRTM |
| 短波辐射 | RRTMG | RRTMG |
| 积云对流 | Grell-Devenyi | - |
| 陆面过程方案 边界层方案 初值场资料 | CLM YSU NCEP-2 | CLM YSU NCEP-2 |
草地观测点（海拔4280 m）处于97°33′12.51″E、 34°54′47.25″N， 位于鄂陵湖西侧约1.7 km， 湖面观测点（海拔4274 m）位于97°38′58.70″E、 35°01′28.77″N， 处于鄂陵湖西北部水面上， 周围300 m 范围内平均水深3~8 m， 其西北方向距离湖岸最近， 约250 m， 观测点西南方有一狭长小岛， 其余方向为开阔水面。
为了对比分析扎陵湖和鄂陵湖对该区域局地环流和地表能量变化的影响， 除了一组有湖的控制性试验外， 把湖泊水体下垫面替换为草地下垫面设计了另外一组去除湖泊的敏感性试验。修改前后的第二重区域的下垫面类型分布见图2 所示。
3 结果分析
在模拟时间段内， 2013年8月11 -15日为少云晴好天气， 由于模拟结果相似， 选取2013年8月12日的模拟结果进行地表水热交换特征日变化的分析， 该时段天气状况良好， 能更好地体现该地区地表水热交换特征日变化和湖泊对于局地环流的影响。着重分析了研究区域的大气边界层高度场， 感热和潜热场以及地表温度和近地面风场的特征。
3.1 控制性试验模拟结果验证
第二重网格的分辨率为3 km， 模拟值利用双线性插值到观测站点所在位置。从2013年8月12日控制性试验模拟的草地感热， 草地潜热和2 m高度温度与鄂陵湖草地观测值对比（图3 ）中可以看出， 模式较好地模拟了草地感热， 草地潜热和2 m温度的日变化特征。感热的模拟值在15:00左右存在高估现象， 对于潜热而言， 夜晚的模拟结果优于白天， 15:00左右模拟值略低， 而对于2 m高度温度而言， 白天的模拟结果优于夜晚， 05:00左右模拟值偏低， 这在一定程度上与模式自身分辨率以及鄂陵湖区域较为复杂的下垫面和地形特征有关， 且模式对此区域描述的准确性（参数化方案的选取、 植被特征等）均在一定程度上影响模式的模拟性能。气温模拟的偏差导致了模式模拟感热存在一定的偏差， 潜热模拟偏差的潜在原因之一为该地区较为复杂的下垫面和地形导致模式对于风速的模拟不准确。
3.2 2 m气温和近地面风场
由图4 可知， 扎陵湖和鄂陵湖14:00 2 m气温低于周围陆地的2 m气温， 14:00湖泊上空2 m气温为7.0 ℃左右， 而周围陆地上空的2 m气温为11.0 ℃左右。而去湖之后， 原湖泊区域上空的2 m高度温度为11.0 ℃左右， 去湖后原湖周边陆地上空2 m高度温度变化不大。这种湖-陆之间的温度差异会影响局地风场。对于地面风场， 在有湖控制性试验14:00扎陵湖和鄂陵湖都出现了明显的地面辐散风场， 分别由扎陵湖和鄂陵湖湖泊中心向四周辐散； 而在去湖的试验中， 在原湖泊区域并未出现近地面的辐散风场。
由图5 可知， 扎陵湖和鄂陵湖上空的22:00 2 m温度高于周围陆地， 22:00湖泊上空的2 m高度温度降低到6.0 ℃左右， 而周围陆地的上空温度降低到4.0 ℃左右。去湖之后， 原湖泊区域上空的2 m高度温度为4.0 ℃左右， 周边陆地温度变化不大。
为了更好地了解该地的环流情况该情况， 分析了控制试验2013年8月12日14:00沿97.25°E的剖面垂直环流（图略）。在扎陵湖和鄂陵湖的中心区域（34.9°N -35°N）， 均出现了下沉气流。其中扎陵湖区域上空的下沉气流速度为1.0 m·s-1， 且从500 m到2000 m的高度上都是较强的下沉气流。鄂陵湖区域上空的下沉气流速度为0.5 m·s-1， 高度从500 m到1500 m。周围的地区（34.85°N和35.05°N）上空出现了较强的上升气流， 鄂陵湖附近草地上空上升气流速度达到了2.5 m·s-1。扎陵湖和鄂陵湖附近陆地上空的上升气流高度都较高， 在1000 m以上。
3.3 近地面陆-气间能量收支特征
3.3.1 感热场分析
由图6 可知， 有湖的试验14:00扎陵湖和鄂陵湖湖面感热值为20 W·m-2， 为明显的感热低值区域。扎陵湖和鄂陵湖周围陆地的感热值为200~220 W·m-2。去湖后原扎陵湖和鄂陵湖湖面所在区域感热值明显上升， 均达到200 W·m-2， 周围陆面感热值变化不大。
如图7 所示， 22:00有湖试验中扎陵湖和鄂陵湖湖面感热值为-2.5 W·m-2， 为明显的感热相对高值区域。扎陵湖和鄂陵湖周围陆地的感热值为-25~ -20.0 W·m-2。去湖敏感性试验中原扎陵湖和鄂陵湖所在区域感热值降低为-17.5 W·m-2， 周围陆面感热值变化不大。根据以上分析， 扎陵湖和鄂陵湖夜间湖面感热值高于周围陆地。
3.3.2 潜热场分析
如图8 所示， 14:00在有湖控制性试验中扎陵湖和鄂陵湖湖面潜热值为100~120 W·m-2， 为明显的潜热低值区域。扎陵湖和鄂陵湖周围陆地的潜热值为180 W·m-2。去湖后敏感性试验中原扎陵湖和鄂陵湖湖面所在区域潜热值明显上升均达到180 W·m-2， 周围陆面潜热值变化不大。根据以上分析， 扎陵湖和鄂陵湖白天湖面潜热值低于周围陆地， 发生这样的现象的原因为在白天的冷湖效应使得湖面上温度较低， 蒸发小， 即使湖面可供应充足的水汽， 但并未转换为潜热通量（吕雅琼等， 2008）。
由图9 可知， 22:00在有湖的控制性试验中， 扎陵湖和鄂陵湖湖面潜热值为100~160 W·m-2， 为明显的潜热高值区域。扎陵湖和鄂陵湖周围陆地的潜热值为20~40 W·m-2。去湖后敏感性试验中原扎陵湖和鄂陵湖湖面所在区域潜热值明显降低， 为40 W·m-2， 周围陆面感热值变化不大。根据以上分析， 夜间扎陵湖和鄂陵湖的湖面潜热值高于周围陆地。
3.4 大气边界层高度
大气中能量传输与转换主要发生在边界层内， 大气边界层（Atmospheric Boundary Layer， ABL）高度变化对大气中的能量传输与转换有着重要影响。通常， 大气边界层高度从几百米到几千米范围内变化， 一天当中在14:00左右边界层高度最高， 在20:00 -22:00边界层高度较低。
由图10 可知， 扎陵湖和鄂陵湖湖区上空14:00 ABL高度低于周围陆地， 14:00湖泊上空的ABL高度为400 m左右， 而周围陆地的ABL高度均在1800~2000 m以上。去湖之后， 原湖泊区域的ABL高度升高到1800 m以上， 而周边陆地上空高度变化不大。根据以上分析， 扎陵湖和鄂陵湖白天湖面的大气边界层高度明显低于周围陆地。
从图11 可知， 22:00扎陵湖和鄂陵湖上空的大气边界层高度降低到200 m左右， 和周围陆地的大气边界层高度相差不大。在去湖的敏感性试验中， 去湖后原湖泊区域大气边界层高度变化不明显。
综上所述， 白天扎陵湖和鄂陵湖有效降低了湖区上空的大气边界层高度。白天湖面及周边地区较低的大气边界层是很好的保护层， 使大气近地面的水分和热量保存在较低的边界层中， 从而在一定程度上对扎陵湖和鄂陵湖周边生态系统的发展起到保护作用（吕雅琼等， 2008）。夜晚扎陵湖和鄂陵湖对大气边界层高度的影响不明显。
4 结论
利用WRF模式模拟2013年8月1日00:00至15日24:00扎陵湖和鄂陵湖区域的大气边界层特征， 并把湖泊水体下垫面替换为草地下垫面以设计另外一组去除湖泊的敏感性试验以探究湖泊的存在对大气边界层特征的意义。得到以下主要结论：
（1） 通过对2013年8月12日鄂陵湖地区控制性试验模拟值和观测值的对比表明， 模式能较好地模拟出当天草地下垫面的2 m温度、 感热、 潜热的日变化特征。但感热的模拟值在15:00左右存在高估现象； 对于潜热而言， 夜晚的模拟结果优于白天， 15:00左右模拟值略低； 对于2 m温度而言， 白天的模拟结果优于夜晚， 05:00左右模拟值偏低， 这在一定程度上与模式自身分辨率以及鄂陵湖区域较为复杂的下垫面和地形特征有关。
（2） 扎陵湖和鄂陵湖表现出明显的冷（暖）湖效应。白天的两湖具有很好的降温作用， 14:00湖泊上空2 m温度为8.0 ºC左右， 而周围陆地上空的2 m温度为11.0 ºC左右。这种湖-陆之间的温度差异会影响局地风场， 对于地面风场， 在有湖控制性试验14:00两湖都出现了明显的地面辐散风场， 由湖泊中心向四周辐散； 而在去湖的试验中， 在原两湖地区并未出现此现象。夜晚的扎陵湖和鄂陵湖具有很好的保温作用， 22:00湖泊上空的2 m高度温度降低到6.0 ºC左右， 而周围陆地的上空为4.0 ºC左右。
（3） 白天在扎陵湖和鄂陵湖的中心区域均出现了下沉气流。其中扎陵湖区域上空从500 m到3000 m的高度上都是较强的下沉气流， 速度为1.0 m·s-1。鄂陵湖区域上空的下沉气流速度为0.5 m·s-1， 高度从500 m到1500 m。周围的地区上空出现了较强的上升气流， 鄂陵湖附近草地上空上升气流速度达到了2.5 m·s-1， 且高度都较高， 在3000 m以上。
（4） 扎陵湖和鄂陵湖对感热的影响有很大的日变化。有湖的试验14:00扎陵湖和鄂陵湖湖面感热值为20 W·m-2， 而扎陵湖和鄂陵湖周围陆地的感热值为200~220 W·m-2。去湖后原扎陵湖和鄂陵湖湖面所在区域感热值明显上升， 均达到200 W·m-2， 周围陆面感热值变化不大。22:00有湖试验中扎陵湖和鄂陵湖湖面感热值为-2.5 W·m-2， 为明显的感热相对高值区域。扎陵湖和鄂陵湖周围陆地的感热值为-25~-20 W·m-2。去湖敏感性试验中原扎陵湖和鄂陵湖所在区域感热值降低为-17.5 W·m-2， 周围陆面感热值变化不大。这表明扎陵湖和鄂陵湖的存在会使得白天湖面感热值低于周围陆地， 而夜晚两湖对感热的影响与白天相反。
（5） 扎陵湖和鄂陵湖对潜热的影响与感热类似。14:00在有湖控制性试验中扎陵湖和鄂陵湖湖面潜热值为100~120 W·m-2， 为明显的潜热低值区域。扎陵湖和鄂陵湖周围陆地的潜热值为180 W·m-2。去湖后敏感性试验中原扎陵湖和鄂陵湖湖面所在区域潜热值明显上升均达到180 W·m-2， 周围陆面潜热值变化不大。扎陵湖和鄂陵湖白天湖面潜热值低于周围陆地， 发生这种现象的原因为在白天的冷湖效应使得湖面上温度较低， 蒸发小， 即使湖面可供应充足的水汽， 但并未转换为潜热通量。22:00在有湖的控制性试验中， 扎陵湖和鄂陵湖湖面潜热值为100~160 W·m-2， 为明显的潜热高值区域。扎陵湖和鄂陵湖周围陆地的潜热值为20~40 W·m-2。去湖后敏感性试验中原扎陵湖和鄂陵湖湖面所在区域潜热值降低为40 W·m-2， 周围陆面感热值变化不大。夜间扎陵湖和鄂陵湖的存在会使得湖面潜热值高于周围陆地。
（6） 扎陵湖和鄂陵湖的存在使得湖泊上空14:00大气边界层（ABL）高度低于周围陆地， 14:00湖泊上空的ABL高度为400 m左右， 而周围陆地的ABL高度均在1800~2000 m以上。去湖之后， 原湖泊区域的ABL高度升高到1800 m以上， 而周边陆地上空高度变化不大。22:00扎陵湖和鄂陵湖上空的大气边界层高度降低到200 m左右， 和周围陆地的大气边界层高度相差不大。在去湖的敏感性试验中， 去湖后原湖泊区域大气边界层高度变化不明显。白天由于扎陵湖和鄂陵湖的存在， 有效降低了湖区上空的大气边界层高度， 而夜晚扎陵湖和鄂陵湖对大气边界层高度的影响不明显。