渤海灣西岸海風時空演變特征觀測分析

許啟慧，苗峻峰，劉月琨，黃利萍，高佳琦

（1.南京信息工程大學大氣科學學院，南京江蘇 210044；2.天津市氣象局，天津 300074；3.安徽省亳州市氣象局，亳州安徽 236806）

1 引言

海陸風環流是沿海地區一種重要的中尺度天氣系統，它的發生、發展直接影響著沿海地區溫度場、濕度場和風場的分布，并引起低層大氣層結狀況的變化，與沿海地區的空氣污染及積云對流系統有著密切的關系，是決定沿海地區氣候變化的關鍵性因素[1-5]。國內外在對海陸風環流的科學研究方面曾進行過大量工作，例如對海風日的識別，其中比較具有代表性的是Born等的濾波技術，他們利用地面自動觀測站的逐時風向風速資料，以及探空風資料對瑞典西海岸群島的海風日進行了評估性分析[6]，之后國外許多有關海風日的研究都采用了類似的識別方法[7-8]。我國在這方面的研究相對落后，大部分海風日數據集的建立都是在某一固定的時間段內進行統計[9-10]，因此往往會低估海風的發生頻率，并直接影響海風的后期研究效果。為了準確地建立渤海灣西岸（天津）海風日數據集，從而使分析海風時空變化特征的結果更具可靠性，本文根據2008年天津地區13個地面氣象觀測站和1個海上（渤海A平臺）觀測站的逐時風向、風速、氣溫和相對濕度等資料，以及天津市地面常規氣象觀測站6 h一次的云量和降水資料，總結出一種識別渤海灣西岸（天津）海風日的方法，并對篩選出的海風日進行分析，獲得了渤海西岸（天津）海風的時空演變特征。

2 資料和方法

2.1 站點分布

本文使用2008年全年天津地區14個氣象觀測站（見圖1）逐小時資料分析渤海灣西岸海風的時空演變特征。根據不同站點到達海岸線的距離，將其分為4組，即：海上站（渤海A平臺），近海站（塘沽、大港、漢沽），內陸站（寧河、津南、東麗、天津、西青、北辰、靜海、武清、寶坻）和遠海站（薊縣）。其中海上的A平臺站距西部海岸線的最近距離約為80.7 km，近海站距海岸線的距離在5—10 km間；3區各站到海岸線的距離較為復雜，平均大于20 km；遠海薊縣站深居內陸，離開海岸線的距離超過100 km。

圖1 渤海西岸（天津）自動氣象站分布

2.2 海風日的定義

2.2.1 海風風向的確定

本文選取塘沽、大港和漢沽3個近海站作為陸上標準站，由于海陸間溫度差而造成的海陸風是垂直于海岸線吹的[11-12]，所以根據三個標準站附近海岸線的走向，以垂直于海岸線的風向為海風建立時的標準海風風向，考慮風向左右擺動可能存在的范圍，將三站具體海風風向的范圍定義為：塘沽站，東北至南向（NE-S）；大港站，東北至南-東南向（NE-SSE）；漢沽站，東-東南至南-東南向（ESE-SSE）。

2.2.2 海風日的確定標準

本文基于Azorin-Molina等[13]研究海陸風的定義標準，并參照高佳琦等[14]對海風日篩選方法的分析結果，通過如下標準建立2008年渤海灣西岸（天津）海風日數據集：

圖2 塘沽站典型海風日里風向（°），風速（m/s），氣溫（℃）和相對濕度（%）的日變化

（1）從日出到日落，有向岸氣流出現，并且持續時間達到3h（含3h）以上[15]；

（2）日出以后，風向和風速存在明顯的改變，風向突變角度大于40°，海風建立以后風向趨于穩定的向岸風方向；

（3）分別以大港、塘沽和漢沽站的逐時氣溫代表陸溫，海上渤海A平臺站的逐時溫度代表海溫，要求日最大陸海溫差大于0℃，即ΔTmax大于0℃；

（4）為了消除較強背景風場的影響，要求在海風開始前10 m處風速小于1.5 m/s，即靜風或弱風狀態，而最大風速小于10 m/s；

（5）若海風開始前風速較大，未滿足（4）中規定的界值，但風向由離岸轉為向岸時突變角度大于90°，也可被定義為海風日；

（6）海風建立前無明顯降水現象出現，之后存在氣溫明顯減小，相對濕度明顯增加的現象。

當同時滿足上述6個條件，方可被定義為海風日。另外，因夏季夜晚渤海灣西部陸地冷卻效果較弱，導致陸海溫差通常不會滿足陸風建立的要求，出現全天24 h都吹向岸風的現象，這種情況下海風的建立主要表現在風速的變化上，所以當全天風向都是海風方向時，若存在風速明顯增強，并且持續時間超過3h（含3h），同樣被定義為海風日。

根據上述選取海風日的標準，圖2給出了塘沽站3種典型海風日的風向、風速、氣溫和相對濕度的日變化情況，其中箭頭表示海風的開始時間。6月1日為海風開始前風速大于1.5 m/s的海風日，該日海風開始時，風向突變大于90°，風速突增，氣溫和相對濕度在海風開始時刻分別出現明顯的下降及上升變化；6月17日，海風開始前風速小于1.5 m/s，自上午10時起風向發生偏轉，風速明顯增大，1 h后氣溫和相對濕度發生顯著改變；7月30日是全天24 h都為向岸風的日子，這種情況下海風的建立主要表現在風速的增強上，由圖可知：11時塘沽站的風速突然增大，并持續至午后18時，該日全天24 h都符合海風發生的標準，在海風發展的成熟階段也是風速日變化最大的時期，而該日氣溫和相對濕度分別隨時間呈現出逐漸升高和降低的走勢，兩者日變化的波動振幅較小，這可能與全天都吹向岸風有關。吳增茂曾在早期的海陸風研究中指出：當大尺度風為向岸風或具有向岸風分量時，由于背景風及它引起的平流的影響，使海風出現時風向及氣溫變化不明顯，但向岸風分量會明顯加強及相對濕度亦有上升，并將這種背景條件下出現的中尺度海風環流，定義為向岸風加強型[15]。

3 海風的時間變化特征

3.1 2008年各季海風的演變特征

本文將2008年的1月、2月和12月定義為該年的冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。下文將對不同季節里渤海灣西岸（天津）海風演變特征進行分析。

3.1.1 各季海風的開始和結束時間

本文參考Miao等[7]定義的海風開始和結束時刻，對三個標準站不同季節里海風的開始和結束的平均時間總結見表1，由表可知：夏季海風的開始時間最早，持續時間最長，冬季則相反，這是由于夏季日出時間早，太陽輻射強，啟動海風環流所需要的海陸溫差可以提前達到，而進入秋冬季，中緯度地區的日照時間明顯縮短，同時隨著大陸冷高壓的建立陸地溫度急劇下降，而海洋具有熱惰性，升溫慢降溫亦慢，因此秋冬季海陸之間的溫度梯度減小，結果導致海風的持續時間明顯縮短。

3.1.2 各季海風風速分布

早期曾有研究指出，在中緯度地區如果近地層風速大于10 m/s，則難以生成海風[16-17]，這是因為過大、過強的風速會破壞觸發海風形成的溫度梯度，因此當有海風發生時，近地面風速不會太大。

表1 海風開始和結束的平均時間（單位/h）

圖3 各季海風風速的頻率分布

本文對2008年3個標準站海風日里海風發生時間段內的風速進行了統計，得到四季海風風速的頻率分布情況，見圖3：各站海風的風速主要集中在2—4 m/s，其中塘沽站春季最大海風風速可達8 m/s，春、夏、冬三季的風速頻率最高值都出現在3 m/s，秋季則是2 m/s的風速出現頻率最高；大港站全年的最大海風風速可達7 m/s，出現在春季，春夏季海風風速頻率最高值同樣為3 m/s，而秋冬季則是2 m/s；對于漢沽站，其春季的海風風速頻率分布較為均勻，并且四季風速頻率的極大值分布情況與大港站一致。

3.1.3 各季海風風向分布

圖4為2008年3個標準站四季海風日里風向頻率的分布情況，其中不包括各個季節的靜風頻次。圖中顯示：各站四季海風日里，垂直于海岸線方向的向岸風頻率明顯高于離岸風頻率，并且夏季的發生頻率最高，冬季最低。其中塘沽站的風向多以E-ESE方向為主，該站夏季來自ESE方向的風向頻率最高，其值約為24.1%；大港站的向岸風方向與塘沽站相同，該站除秋季外，其他季節來自E和ESE兩個方向的風向頻率近似相等；對于處在東部地區的漢沽站，由于該站附近的海岸線呈ENE-SSW走向，因此導致漢沽站四季海風日里的風向與前兩站有著明顯的不同，漢沽站的風向多以SE-SSE兩個方向為主，特別是在夏季，東南風的發生頻率高達27.3%，而春季出現頻率最高的風向則是SSE方向，并且與前兩個測站相比，漢沽站的風向分布最不均勻。

3.2 2008年各月海風的演變特征

3.2.1 海風日的發生頻率

根據2.2中海風日的定義，表2列出了2008年3個標準站各月海風的發生日數，由表可知：全年大港站的海風發生日數最多，其發生頻率達31.0%，塘沽站次之，漢沽站最低，這主要是因漢沽站距離海岸線最遠，受內陸氣候影響較大，并且海岸線向內凹陷，曲折度大，海域面積較小，使得該站向岸風的方向角范圍明顯比其他兩站小。從各月海風的發生日數可知，各站出現海風頻率最高的月份均集中在夏季，而冬季月份則是出現海風日數最少的時期，其中塘沽站在6月份的海風發生頻率高達70.0%。

圖4 四季海風日里風向頻率的分布

3.2.2 日最高溫和最大海風風速的發生時間

本研究在對2008年全年3個標準站的海風風速進行統計時發現，在午后的14—15時為海風發展最旺盛時期，此時海風的風速達到最大，我們將海風風速的最大值定義為海風強度，表3為3個標準站各月日最高溫和海風強度出現的平均時間分布情況。

由表可得：距離海岸線最近的塘沽站，在3—8月間海風強度出現的時間明顯滯后日最高氣溫出現的時間，秋冬季月份則相反，這可能是因海風的出現引起局地氣溫降低、濕度升高，隨其強度的不斷增大，來自海洋上空的冷濕空氣有效地抑制了局地最高溫度的升高；而在秋冬季，陸上空氣干而冷，海洋上氣溫相對較高，一旦有海風建立，海岸附近的溫度反而會升高，這種效應在沿海地區的冬季最為明顯，這也是沿海地區具有“冬暖夏涼”氣候特征的原因之一。這種現象在距離海岸線稍遠一些的大港站表現得不是很明顯，但總體趨勢基本一致。對于處在東部地區的漢沽站，除12月以外，海風強度出現的時刻在全年中其他月都滯后日最高氣溫出現的時刻，這是因為漢沽站距離海岸線最遠，受大陸空氣影響較大，加之海風傳播到此也需一定的時間，所以該站日最高氣溫出現的時刻明顯提前。

表2 標準站逐月海風日的統計結果（單位/d）

表3 日最高溫和海風強度出現的平均時間（單位/h）

3.2.3 海風強度和最大陸海溫差的月變化

圖5 2008年海風日里(a)海風強度（m/s）；(b)最大陸海溫差（℃）的月變化

圖5為各站海風強度（Vmax）和最大陸海溫差（ΔTmax）的月變化，由圖可知：在2—9月間塘沽站的海風強度最大，漢沽站次之，大港站最弱，其中塘沽、漢沽兩站5—6月的海風強度相等，塘沽站海風強度的最大值出現在3月，大港和漢沽站則在6月。夏季月份各站海風強度總體呈遞減趨勢，9月三站的海風強度均存在一個次高值，并且是塘沽站＞漢沽站＞大港站，這是因為在春轉夏和秋轉冬的月份里，冷暖空氣交替頻繁，大氣層結穩定度降低，從而增強了海風的擾動，使其強度增大。從圖5b中可以看到：塘沽、大港和漢沽三站ΔTmax的極大值都出現在5月，遲于塘沽站海風強度最大值出現的時間，但比另外兩站提前，6—8月各站Vmax和ΔTmax的變化均呈遞減走勢，ΔTmax的谷值出現在冬季月份，而峰值則發生在春季，這表明海陸之間的熱力差異不但是海風建立的必備條件之一，也直接影響著海風強度的大小。

3.3 2008年典型海風日的變化特征

圖6 2008年6月20日13個測站風矢量圖

由于海風是以日變化為周期的地方性風系，所以分析海風發生前后各主要氣象要素的變化，對預測海風的建立具有十分重要的意義。本文選取2008年6月20日這一典型海風日進行分析。圖6為2008年6月20日13個測站的風矢量圖，從圖中可以看到各站在00—09時都以西或西南風為主，并且風速較小，到09時漢沽站的風向首先發生突變，由西南風轉為南-東南向的向岸氣流，之后風速逐漸增大，風向基本穩定在海風方向；寧河和大港站幾乎與漢沽站同時出現海風，風向角度突變明顯，風速顯著增強，塘沽站自10時起風向開始發生逆時針旋轉，12時開始出現南-東南方向的海風，隨其發展，風速不斷增強，風向基本穩定在向岸風方向；津南和東麗站的海風開始時間是在下午的14時，而位于更遠的天津和西青站海風的建立時間則更晚，海風傳播到寶坻站已經是18時，并且持續時間很短。

圖7為2008年6月20日溫濕度的日變化圖，其中近海站選取塘沽站為代表。圖中顯示：各站溫濕度的日變化呈很好的反位相波動，均表現出“一峰一谷”的變化形勢。對于靠近海岸的塘沽站，其溫濕度的日變化振幅明顯小于其他內陸站，這是因為該站受海洋空氣影響較大，來自海洋上空濕而冷的氣流有效地抑制了近海站日最高溫度的上升，而到了夜晚海洋輻射降溫弱，導致沿海附近的氣溫不會降的過低。日出以后，隨著太陽輻射的增強，各站氣溫開始穩步上升，濕度逐漸下降，大約在午后15時塘沽站的氣溫驟降，相對濕度突增，這比局地海風開始的時間滯后3h；津南和東麗站的溫濕度變化幾乎與海風的建立時間相同；天津站溫濕度的變化發生在15時，溫度減小1.8℃，相對濕度增加12.0%，是所有站中溫濕度變化最顯著的；再向內陸的西青和北辰站，溫濕度的變化發生在16時，靜海、武清和寶坻站則出現在17時，均與各站海風的開始時間一致。

表4 內陸站逐月海風日的統計結果（單位/d）

圖7 2008年6月20日9個測站氣溫（℃）和相對濕度（%）的日變化圖

4 2008年渤海灣西岸海風的空間演變特征

4.1 海風向內陸的傳播距離

為了分析海風發生后向內陸的傳播情況，本文根據9個內陸站和1個遠海站所處的具體地理位置，統計得出各站向岸風的角度范圍。表4為9個內陸站2008年各月的海風出現日數，其中遠海的薊縣站全年未觀測到海風的出現。

由表4可知：除寧河和靜海站外，其他各站隨距海岸線距離的增加，海風的發生總日數逐漸減少，其中距離海岸線30 km以內的測站，海風的發生頻率超過50.0%，而海風向內陸延伸距離超過70 km的概率僅為7.0%；對于處在城區的天津站，其全年僅有32天為海風日，海風的發生頻率在距海岸線55 km以遠的靜海站有所增加，這可能是因為該站向岸氣流的方位角比較寬闊，當近海岸的塘沽或大港站有海風發生時，都可能傳播到此處。從各月海風的發生頻率來看，5—6月各站海風的發生總日數顯著增加，并且6月是海風發生頻率最高的時期，其中津南和東麗兩站，6月海風發生總日數分別為近海塘沽站該月海風發生總日數的90.5%和80.0%，表明海岸帶附近出現的海風大部分都可向內陸傳播至25 km左右處；7—8月，各站海風的發生日數明顯減少，特別是在天津站及其周邊的西青、北辰和武清站，這可能與城市熱島環流的形成有關。黃利萍等[18]曾在分析天津地區夏季城市熱島的時空變化特征時，統計得出天津地區白天的熱島強度8月份最大，而由城市熱島效應所產生的較強“城市風”阻礙了海風的西伸，結果導致城市站及其周圍測站海風發生頻率大大降低。

4.2 內陸站海風的盛行時間

海風向內陸的傳播需要一定的時間，并且因內陸下墊面性質的改變使得海風強度有所減弱，所以不同測站海風的盛行時間也存在很大差異。

圖8是對2008年全年各站海風日里海風出現時刻的統計結果。從圖中可以明顯地看出：各內陸站的海風發生時間在午后時刻出現頻率較高，對于距離海岸線較近的津南和東麗站，其海風的盛行時間出現在12—20時，再向內陸的天津、北辰和西青三站，海風發生頻率最多的時刻都在17時，各內陸測站中寶坻站的海風盛行時間最短；另外，在23—08時各站的海風發生頻率都很低，特別是在凌晨，其出現的時間概率接近0，但是對于一些相對距離海岸較近的內陸站，凌晨或是午夜仍有海風發生，這可能是由于夏季夜晚，近海站出現的短時海風向內陸延伸到此所致。

4.3 海風強度的空間變化特征

當海風深入內陸時，由于下墊面性質的改變，其強度會發生變化。一般來說隨著傳播距離的增加風速應減弱，但是在有的測站風速反而會有所增強，例如，當內陸存在較大水體時，產生的湖風與海風的疊加就會使向內陸傳播的海風風速增大；也有研究指出，隨著沿海城市的發展，所產生的城市熱島效應在白天增大了海陸之間的熱力差異，進而增大海風的強度[19]。

圖9為2008年全年各站公共海風日里海風強度的分布情況，分析結果表明：海風強度的總體空間分布形勢表現為近海站大于遠海站，近郊站強于城市站的特點。海風強度最大值出現在距離海岸線最近的塘沽站，約為5.9 m/s，位于西南部的大港站海風強度較弱，隨著海風向內陸的深入，在寧河和津南兩站海風的最大風速又有所增強，從津南站起，經由東麗、天津，直到北辰站，海風強度逐站遞減，但在天津站西部的西青站和北部的武清站，海風強度又出現了明顯的增強，特別是在西青站，最大海風風速達5.5 m/s，這可能與海陸之間的溫度差有關。天津地區春夏季白天，氣溫總體呈現自東部沿海站向西部內陸站遞增，秋冬季則呈自東北遠郊站向西南近郊站遞增的趨勢，2008年四季的高溫中心均位于西青站附近（圖略），使得該處與海洋之間的溫度梯度增大，同時由于城市熱島效應所產生的“城市風”在近地面從城市四周向市中心輻合，在城市上空又出現從市中心向四周輻散，低層的輻合氣流與來自海洋方向的海風疊加，結果導致城市周圍測站的海風強度增強。

圖8 內陸站海風盛行時間的頻率分布

圖9 天津地區海風強度/（m/s）的空間分布

5 結論

（1）2008年渤海灣西岸（天津）海風發生頻率存在明顯的季節差異，各測站春夏季海風的發生頻率較高,冬季最少；

（2）各季海風的開始、結束和持續時間不同，夏季海風開始時間最早，持續時間最長，近海三站海風的盛行時間平均集中在12—20時，并且春夏季海風強度出現的時間明顯滯后日最高氣溫出現的時間，而秋冬季則相反；

（3）近海站海風風速的頻率分布存在明顯的季節差異，全年大港站的海風強度最弱，塘沽站最強，春季各站海風強度最強，秋冬季海風強度較弱；

（5）近海站各季海風日里風向頻率的分布差異較小，塘沽和大港站的風向分布以東和東-東南方向為主，漢沽站海風日的風向頻率則集中在東南和南-東南兩個方向；

（6）內陸站海風發生頻率隨著測站到海岸線距離的增加而逐漸減小，并且春夏季發生頻率較高，秋冬季較低；內陸站海風強度的空間分布呈現出近海站高于遠海站，近郊站強于城市站的特點。

另外，本文僅使用了2008年一年的逐時資料對渤海西岸的海風時空演變特征進行研究，存在一定的局限性，但對未來進一步分析渤海西岸海陸風氣候特征具有一定的參考價值。

[1]Simpson J E.Sea breeze and local wind[M].Cambridge:Cambridge University Press,1994,157-178.

[2]朱乾根，周軍，王志明，等.華南沿海五月份海陸風溫壓場特征與降水[J].南京氣象學院學報,1983,2:150-158.

[3]肖穩安，姚毅.局地熱力對流天氣的衛星觀測和分析[J].南京氣象學院學報,1986,3:299-303.

[4]薛德強，鄭全嶺，錢喜鎮，等.山東半島的海陸風環流及其影響[J].南京氣象學院學報,1995,2:293-299.

[5]何群英，解以揚，東高紅，等.海陸風環流在天津2009年9月26日局地暴雨過程中的作用[J].氣象,2011,37(3):291-297.

[6]Borne K,Chen D,Nunez M.A method for fi nding sea breeze days under stable synoptic conditions and its application to the Swedish west coast[J].International Journal of Climatology,1998,18(8):901-914.

[7]Miao J F,Wyser K,Chen D,et al.Impacts of boundary layer turbulence and land surface process parameterizations on simulated sea breeze characteristics[J].Annales Geophysicae,2009,27:2303-2320.

[8]Papanastasiou D K,Melas D.Climatology and impact on air quality of sea breeze in an urban coastal environment[J].International Journal of Climatology,2009,29(2):305-315.

[9]于恩洪.海陸風及其應用[M].北京:氣象出版社，1997:l-146.

[10]王玉國，吳增茂，常志清.遼東灣西岸海陸風特征分析[J].海洋預報，2004,21(3):57-63.

[11]盧煥珍，趙玉潔，俞小鼎，等.雷達觀測的渤海灣海陸風輻合線與自動站資料的對比分析[J].氣象，2008,34(9):57-64.

[12]孫貞，高榮珍，張進，等.青島地區8月一次海風環流實例分析和WRF模擬[J].氣象，2009,35(8):76-84.

[13]Azorin-Molina C,Tijm S,Chen D.Development of selection algorithms and databases for sea breeze studies[J].Theoretical andApplied Climatology,2011,106(3-4):531-546.

[14]高佳琦，苗峻峰，許啟慧.海陸風識別方法研究進展[J].氣象科技，2013,41(1):94-99

[15]周伯生，汪永新，俞健國，等.廣東陽江沿海地區海陸風觀測結果及其特征分析[J].熱帶氣象學報，2002,18(2):188-192.

[16]吳增茂.渤海南岸海陸風個例分析及判別[J].海洋與湖沼，1989,20(1):87-88.

[17]薛德強，鄭全岑，錢喜鎮，等.龍口的海風及其影響[J].海洋湖沼通報，1995,3:1-9.

[18]黃利萍，苗峻峰，劉月琨.天津城市熱島效應的時空變化特征[J].大氣科學學報，2012,35(5):620-632.

[19]于恩洪，陳彬，白玉榮.渤海灣西部海陸風的空間結構[J].氣象學報，1987,45(3):379-381.