基于風廓線雷達資料的蓬萊海陸風時空結構特征

王棟成，邱 粲,3，董旭光，曹 潔

(1.山東省氣象防災減災重點實驗室，濟南 250031; 2.山東省氣候中心，濟南 250031；3.上海師范大學地理系，上海 200234)

引 言

海陸風是發生在海岸附近由于海陸熱力差異引起的大氣中尺度環流，發生的原因是海陸熱容量差異導致的受熱不均勻[1]。白天海風環流和夜間陸風環流對沿海地區的天氣、氣候及污染物擴散等都有影響，且還會影響溫、濕、風場的變化[2,3]，在一定的天氣背景下海陸風還能對降水起到觸發和加強作用[4-6]。因此，研究海陸風的影響范圍、強度及變化規律，對開發風能資源、評估邊界層大氣污染、弄清中小尺度天氣的物理機制、提高短時天氣預報準確率等，均具有重要意義[3,7]。

國內外學者對海陸風的研究較多，匯總可分為三大類：觀測研究[7-11]、理論研究[12-14]、數值模擬研究[15-18]。國內對渤海南岸山東半島北部區域及蓬萊的海陸風研究[5,19-22]，多屬早期僅基于地面資料或結合短期個例探空資料或數值模擬統計識別分析，資料的空間和時間分辨率都有較大限制，難以全面認識實際的海陸風三維分布、演變和時空結構等。由于缺乏高時空密度連續的風向風速垂直觀測資料，因而無法對研究結果、數值模式模擬結果進行更好的解釋和驗證[23]。

近年來，氣象觀測飛機、衛星跟蹤浮標、輕便式聲雷達、多普勒雷達、激光雷達和風廓線雷達[24-30](簡稱WPR)等，已逐步應用到海陸風的觀測，其中WPR業務化發展迅速，并可實現全天候、連續實時獲取邊界層內不同高度的風向風速等數據，其測風連續、系統且數據時空分辨率高、觀測精度高等特性，在海陸風環流觀測分析方面顯示出優越性[31]。但是，現階段基于WPR資料進行海陸風及環流的研究尚較少，且多屬個例或短期分析[32-36]。李炬等[23]利用京津冀城市群地區2010年近1個月6部WPR同步觀測資料，研究了夏季低空風場分布特征和演變規律，認為WPR資料可反映出不同地域山谷風、海陸風的綜合影響和作用，并嘗試組網應用，但資料序列短且未給出海陸風實測統計特征。荀愛萍等[37]利用2016年5月-2017年4月廈門翔安站WPR數據和區域地面觀測站資料，分析了該區域的海陸風特征，發現海陸風環流最高可達750 m，陸風向海風轉變整層需2.5 h左右，但該研究采用了傳統的海陸風識別方法，且只簡單分析了環流發展高度，海陸風的時空結構和強度分析尚不系統。

本文基于山東半島北部的蓬萊WPR站2014年1-12月觀測資料和同期地面氣象站資料，系統地分析該區域海陸風發生頻率、生消時間、強度、高度及風向風速的時空變化等長期統計特征，研究構建蓬萊海陸風的時空結構模型，以期更全面地認識海陸風的時空演變規律和三維結構特征，為業務應用、理論研究、數值模擬等提供更好的解釋和驗證。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

本文所用距地面100-2980 m高度的水平風向、風速數據，來自蓬萊CLC-11-D型固定式邊界層風廓線雷達站(120°48′E、37°48′N，海拔60.7 m)2014年每日逐小時產品數據OOBS文件，按照中國氣象局《風廓線雷達通用數據格式(V1.2)》，該文件均存儲實時觀測的各高度層上的采樣高度、水平風向、水平風速、垂直風速、大氣折射率結構指數等；雷達主要技術指標為：時間分辨率≤6 min，有效數據最低探測高度100 m、最高探測高度≥3 km，輸出產品數據高度分辨率為60 m(820 m以下)、120 m(820-2020 m)、240 m(2020 m以上)三種，風速與風向測量精度分別為≤1.5 m·s-1、≤10°。本次采用該站經質量控制后業務上傳的產品數據，并進一步根據風場的變化具有連續性的氣象原理進行數據質量控制[38]，在各高度上進行上下層、在時間上進行前后3個時次的風向風速數據奇異點判斷，剔除異常數據并用前后或上下點平均來替代該點的數據。

所采用距地面10 m高度的氣象數據，來自蓬萊地面氣象站2014年逐小時觀測記錄，數據均經質量控制且全年8760 h無缺測，符合中國氣象局《地面氣象觀測規范》。蓬萊地面氣象站的觀測場經緯度、海拔高度均與WPR站一致，屬相同站點，北距海岸線約2.0 km。

1.2 海陸風計算識別方法

識別海陸風日的方法可分為三類，一是應用常規資料直接識別，二是應用大氣遙感資料直接識別，三是應用數值模擬結果間接識別[3]。邱曉暖和范紹佳[39]認為，選擇系統風對海陸風影響小的個例進行研究[35]、將垂直于海岸線方向v風作為海陸風[21]、月時間距平法[31,40]、對海陸風的風速加以限制[37]等傳統的海陸風分析方法，均沒有真正地分離系統風和海陸風，已不適用于自動氣象站資料的局地環流分析，并提出了一套適用的局地環流分離與判定技術方法。本文利用自動氣象觀測距地面10 m和WPR觀測低空100-2980 m的共計28個高度層的逐日24 h風向風速數據，探討將局地環流分離與判定技術由地面資料拓展銜接至低空資料, 以實現多高度層數據的連續計算識別。

(1)系統風和局地風的分離方法

實測風(測站測量)為系統風(平均風)和局地風(海陸風)的疊加[19,39]。先將實測的每日逐時風矢量分解成u、v分量，分別取各時次u、v分量的平均得到日平均風矢量的分量，合成得到系統風；然后，作實測風與系統風的矢量差，得到的風矢量即為去掉系統風之后的局地風。公式如下：

Ujr=Uds+Ujl

(1)

(2)

Ujl=Ujr-Uds

(3)

其中，Ujr為每日第j個時次的實測風矢量,Uds為每日系統風矢量,Ujl為每日第j個時次的局地風矢量。蓬萊位于山東半島北部且凸入渤海中，凸出部分海岸線總體呈東西走向(圖略)，簡明定義u為平行于海岸線方向的緯向風分量(向東為正)，v為垂直于海岸線方向的徑向風分量(向北為正)。

(2)海陸風日判定標準

以上述地面10 m層的局地風矢量判斷為基準。若白天海風持續出現4個及以上時次、且夜間陸風持續出現4個及以上時次，即符合環流結構特征穩定即風向基本穩定、風速呈線性增減規律，則判定該天為海陸風日。然后，由地面10 m層開始，向上逐高度層識別計算海陸風，統計各計算結果(如時間、海風高度、陸風高度、風向、風速等)，否則結束該日識別。

蓬萊位于渤海南岸，屬中緯度地區，根據該區域海岸線分布特征、所處的地理位置和逐日的局地風特征，規定海風風向為W-N-E，陸風風向為ESE-S-WSW。

對于判定的每一個海陸風日，結合風矢量時間-高度剖面圖(圖略)，綜合確定該海陸風日的各特征參數[37]，并對計算結果再次進行風場連續性質量控制[38]。為展現完整的海風和陸風剖面，該圖中時間上向前延至2014年6月29日18時。該圖中WPR可清晰完整地捕捉到海陸風的時空演變與結構特征。29日20時-30日06時，出現了一個陸風過程。20時陸風開始形成，其后快速發展至820 m(23時至次日02時)，03-06時又快速降低至10 m層，陸風風向呈現S-SSW-SW順時針偏轉趨勢，陸風持續時間自地面10 m層的11 h(20時至次日06時)向上逐漸減少為820 m層的4 h(23時至次日02時)。30日早晨至傍晚，出現了一個海風過程。生成的海風層頂高340-460 m(15時最高)，海風風向呈現NW-N-NNE-ENE順時針偏轉趨勢，海風持續時間自地面10 m層至340 m層均在12 h(07-18時)以上。30日白天還出現了海風環流(晝間低層海風和高層返海的陸風構成的環流，2014年共識別出15天，詳見2.4節)，其返海陸風層高度為400-1060 m，持續時間最長達10 h以上(07-16時，出現在460-700 m層)，風向主要為SE-SSE。30日19時，另一個陸風過程開始形成并持續發展，至23時陸風層高為460 m，陸風風向呈現SE-SSE-S順時針偏轉趨勢。需特別指出，29日傍晚的海風-陸風轉換、30日早晨的陸風-海風轉換、30日傍晚的海風-陸風轉換均是漸進演變的，日出(04：38)后1～2 h左右陸風即轉換為海風，日落(19：21)后海風消散、陸風形成。本研究數據的時間分辨率為1 h(OOBS數據)，當時間分辨率取6 min(ROBS數據)時，將更清晰識別出海陸風時空演變的精細化漸進過程。

2 結果分析

2.1 地面資料與WPR資料識別海陸風日數對比

2014年蓬萊地面資料與WPR資料識別海陸風日數結果對比見表1。由表1可見：蓬萊2014年地面觀測10 m高度的海陸風日數為89天，占全年日數的24.4%；WPR觀測低空100-2980 m高度層的海陸風日數為84天，占全年日數的23.0%；除缺測和弱海陸風日外，WPR資料識別結果與地面資料的一致。兩者的結果均是夏季多(8月最多，15天)、冬季少(12月最少，僅1天)，且海陸風日出現總體符合7～10天一個天氣系統周期的規律。兩者差異的5天中，6月14、15日WPR資料缺測；其余3天均是僅地面10 m層識別出弱海陸風，9月9日08-11時為海風(09時2.3 m·s-1，其余0.1～0.5 m·s-1)，11月8日11-17時為海風(11時1.7 m·s-1，其余0.1～1.3 m·s-1),11月9日12-16時為海風(14時1.4 m·s-1，其余0.3～0.8 m·s-1)，而3天的100 m以上低空各高度層則分別為大尺度天氣系統控制的NE、NW、NW風。可見，弱海陸風的垂直剖面表現是僅地面10 m層觀測到有短時且弱的海風,但WPR有效數據最低探測高度100 m以上則未觀測到海風。

表1 2014年蓬萊地面資料與WPR資料識別海陸風日數對比

基于WPR資料識別出4-9月共15天海風環流(7、8月最多，各有4天)，占2014年89天海陸風日的16.9%。

2.2 海陸風的生消與持續時間

統計結果(圖1)表明，地面海風開始時間最早為07時，最晚為13時，開始盛行時間[39](指統計的海風、陸風開始或結束的時間出現頻率高者，下同)為10時，占24.1%；海風結束時間最早為14時，最晚為21時，結束盛行時間為17時，占28.9%。而低空海風開始時間最早為07時，最晚為15時，在盛行時間為12時，占22.9%；結束最早時間為13時，最晚為21時，盛行時間為18時，占31.3%。由統計結果(表2)可見，地面海風持續時間年均8.01 h，最長15 h(6月22日07-21時)，最短4 h(1月4日13-16時)；低空海風持續時間年均7.26 h，最長14 h(6月22日08-21時)，最短1 h(1月4日14時)。四季規律低空與地面的一致，均是夏、春季開始早、結束晚，冬、秋季開始晚、結束早，夏季持續時間最長，秋、春季的次之，冬季持續時間最短。這是由于夏季日出早、日落晚、日照時間長且太陽輻射強，啟動和維持海風環流所需要的海陸溫差可以持續的時間長[41]。

表2 2014年蓬萊四季與年的海風生消時間統計

分析地面和低空海陸風開始與結束時間及其頻率(圖1)發現，地面和低空的陸風生消時間基本一致，且與海風結束、開始時間相對應；低空陸風開始的盛行時間為19時，較地面的18時略晚1 h；低空陸風結束的盛行時間與地面的一致，均在09時。

圖1 2014年蓬萊地面和低空海陸風開始與結束時間、頻率對比

可見，基于WPR判別的低空海陸風生消規律與地面10 m資料判別結果基本一致，也與基于常規地面氣象觀測和探空觀測給出的環渤海灣的海陸風生消規律[1,10,21,41，42]相符。隨高度增加，海風和陸風的持續時間逐漸減少，海陸風開始和結束的盛行時間滯后，表明海陸風的產生是由海陸表面不同的加熱和冷卻引起，并逐漸由下層向上傳播[43]。

2.3 海陸風高度的年變化

統計2014年蓬萊84天海陸風的海風層、陸風層日最大高度及出現頻率(圖2a、b)可見，陸風層頂高總體均大于海風層，其中陸風層頂高160～1180 m，均值674 m，520 m出現頻次最多，為16.7%，其次是820、940、700 m，出現頻次分別為11.9%、11.9%、10.7%；海風層頂高100～940 m，均值450 m，280 m出現頻次最多，為14.3%，其次是340～460 m，頻次均為11.9%。84組樣本的海風層與陸風層最大頂高相關性較好，R=0.615且通過0.01的顯著性檢驗，線性回歸方程系數為1.393(圖2c)。海風、陸風最大頂高均值的月變化規律明顯且趨勢基本一致(圖2d)，兩者相關系數較高，R=0.903。海風頂高以6月的最大，為633 m，12月的最小，為220 m；陸風頂高以6月的最大，為873 m，1月的最小，為370 m。春、夏、秋、冬的海風最大頂高均值分別為355、540、407、280 m，陸風最大頂高均值為623、754、678、435 m。海陸風高度的年變化規律是由該區域太陽輻射強度、海陸溫差等夏季強、冬季弱的年際變化導致的；海陸風高度的相關性規律，則是源于該區域海陸熱力差異的固有規律性，即海域熱容量(Qs)與陸域熱容量(QL)的相關關系Qs=0.25QL[44-46]。

圖2 2014年蓬萊站海風高度與陸風高度對比

2.4 海陸風日變化時空結構統計模型的構建

統計2014年蓬萊84天海陸風和15天海風環流過程的每日逐時頂高與平均頂高，根據統計結果繪圖構建海陸風時空結構模型(圖3)。應當指出，本研究統計的是海風、陸風樣本各自特征，且是一般發生時間[39](指海陸風在所指的時間內有可能發生，下同)、自地面至低空連續海陸風的最大頂高與平均值模型，而并非每次海陸風都是這樣的高度和持續時間。由模型圖3可見：

(1)晝間海風生消一般發生時間在07-21時(圖3a)。海風層最大和平均頂高均呈現明顯的日變化規律，自早晨開始增大，到14-15時最高，其后逐漸降低；海風層頂高逐時最大值為15時的940 m，各時次頂高平均最大值為14時的377 m。海風平均和最大高度均呈現明顯的季變化規律(圖3b、c)，夏季持續時間最長且高度最高，其次是秋季和春季的持續時間和高度，冬季持續時間最短且高度最低。

(2)夜間陸風生消一般發生時間在16時至次日12時(圖3a)。陸風層最大和平均頂高均呈現明顯的日變化規律，自傍晚開始增大到凌晨最高，其后逐漸降低；陸風層頂高逐時最大值為00、01時的1180 m，逐時平均最大值為23時的503 m。陸風平均和最大高度均呈現明顯的季變化規律(圖3d、e)，夏季高度最高且在06時前后即迅速降低消散，17時前后又快速生成增高，其次是秋季和春季的高度，冬季高度總體最低。

(3)2014年，共識別出晝間垂直高度層上的海風環流15天，海風層頂高最大在340～820 m，平均513 m，最多出現高度580 m(占比40.0%)；返回陸風層頂高最大為640～1780 m，平均951 m，最多出現高度940 m(占比40.0%)(圖3a)，原理分析同2.3節所述。晝間海風環流中的陸風頂高遠大于夜間陸風頂高，分析原因主要是因白天溫度相對較低、空氣密度相對較大的海風層的持續抬升作用，和溫度相對較高、空氣密度相對較小的陸風層自身熱力抬升作用共同造成。海風環流中返回陸風的形成時間略晚于海風形成時間，而結束時間則略早于海風結束時間，陸風持續時間(14 h)短于海風的持續時間(16 h)。因地轉偏向力作用，隨高度增加、時間推移，海風層和陸風層各自的風向均呈現向順時針方向偏轉趨勢，其中海風為NW-N-ENE，陸風為SE-S-WSW。海風環流中，返回陸風與海風風向反相，但夾角小于180°，集中在83.7°～112.4°的有8次，在146.5°～174.9°的有7次，平均125.6°。海風層和陸風層的風速各自隨高度的增加變化規律總體均是先增大后減小；各次海風最大風速2.4～6.0 m·s-1，最大平均4.0 m·s-1，出現高度分布在10-340 m，出現時間在12-16時；各次返回陸風最大風速0.8～3.9 m·s-1，最大平均2.4 m·s-1，出現高度分布在460-1180 m，出現時間在10-16時。

圖3 2014年蓬萊海陸風時空結構統計模型

2.5 海陸風風向、風速時空變化

晝夜海陸風風向時空變化規律顯著，自形成到結束,自地面至最大高度層，因地轉偏向力作用，每次海風、陸風過程的風向總體均是各自隨時間推移和高度增加呈現連續地向順時針方向偏轉。其中，在早上海風形成階段。風向為WNW-NW-N，中午旺盛期風向為NNW-N-NNE，傍晚結束期風向則轉為NE-ENE-E，偏轉近180°。在傍晚陸風形成階段風向為ESE-SE-S，凌晨至日出前旺盛期風向為S-SSW-SW,日出后結束期風向則轉為SW-WSW-W，偏轉近180°。即每次海陸風轉換過程的風向旋轉合計360°。

海陸風風速的時空變化規律顯著，自形成到結束，自地面至最大高度層，每次海風、陸風過程的風速一般是各自隨時間推移和高度增加呈現連續的先增大后逐漸減小的變化。一天中，逐小時的地面海風最大風速為0.9～4.9 m·s-1(圖4a)，且以12-14時的較大，海陸溫差達到最大值后海風也發展到最盛[5,22]；低空海風最大風速為2.0～6.7 m·s-1，且以13-15時的較大，出現時間較地面海風的滯后1 h，出現高度在10-340 m且多數在100 m(圖4b)。地面陸風最大風速為0.5～3.5 m·s-1，且以23時至次日01時的較大；低空陸風最大風速為1.7～5.1 m·s-1，且以22時至次日02時的較大，出現高度則在10-580 m且多數在100 m。可見，該區域的海風強度總體大于陸風強度，海陸風強度極值多出現在100 m高度層。

圖4 2014年蓬萊地面和低空海陸風最大強度時空變化對比

3 結論與討論

(1)WPR能高分辨率清晰完整地捕捉到海陸風的時空演變與結構特征，將局地環流分離與判定技術由地面自動站資料拓展銜接至WPR低空資料計算識別海陸風是可行的。

(2)除缺測和弱海陸風日外，WPR資料識別出蓬萊2014年84天海陸風日，與地面資料識別結果一致；WPR判別的低空海陸風生消規律與地面10 m資料判別結果基本一致；構建的蓬萊海陸風時空結構統計模型顯示海陸風日、月、季變化和空間變化特征顯著。海風層頂高總體小于陸風的。海風頂高以6月的最大(633 m)、12月的最小(220 m)，陸風以6月的最大(873 m)、1月的最小(370 m)。春、夏、秋、冬的海風最大頂高均值分別為355、540、407、280 m，陸風最大頂高均值為623、754、678、435 m。海風強度總體大于陸風強度，風速最大分別為6.7、5.1 m·s-1，且極值多出現在100 m層。海風與陸風頂高的相關性較好，源于海域和陸域兩者熱力差異的規律性。未來可結合長序列實測資料，建立海陸溫差與海陸風環流強度及變化的關系，結合海陸耦合模型定量化深入研究。

(3)識別出2014年4-9月共15天海風環流。環流中陸風較海風的持續時間略短、最大風速小、頂高則高438 m，兩者風向的反相夾角在83.7°～174.9°，均值為125.6°。

(4)單部WPR觀測資料，尚不能給出海陸風空間高度向內陸延伸程度，未來可結合區域多部WPR組網、地面自動氣象站等綜合觀測資料，高分辨率、細網格地識別和反演海陸風時空演變規律和三維結構特征。

(5)雖然WPR資料對海陸風的識別準確且時空分辨率較高，但由于WPR資料時有缺測，且100 m以下無探測資料，加之弱海陸風識別難度大、低空數據質量需嚴格控制等因素，致使應用WPR計算識別海陸風時受到一定的限制。