海風鋒的遙感分析研究進展

段懿軒，苗峻峰

（1.南京信息工程大學大氣科學學院，江蘇 南京 210044；2.海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海南 海口 570203）

1 引言

海陸風環流是由海陸熱力差異引起的中尺度環流，包括日間海風環流和夜間陸風環流。日間較冷的海風在向陸地推進過程中遇到較熱空氣層形成的類似淺冷鋒的鋒面即為海風鋒[1]。海風鋒也被稱為海風輻合線，是一種典型的邊界層幅合線，其水平尺度可達100 km，垂直尺度和大氣邊界層相當。海風鋒受天氣條件和大尺度背景風的影響，遭遇其他天氣系統時會觸發不穩定能量釋放，從而引發短時強降水、颮線、雷暴和大風等強對流天氣，對當地天氣氣候和環境產生較大影響[2-3]。海風鋒和水平對流卷之間的相互作用是目前強對流天氣研究領域重點關注的科學問題。海風鋒在向內陸推進時若遭遇上升氣流和下降氣流，會與形成的水平對流卷之間相互影響，產生對流；由于水平對流卷的直接和間接效應，會在向內陸推進的海風鋒前方形成“滾軸云”（Roll Cloud），從而影響海風鋒的移動速度及其上空的云[4]。IWAI等[5]利用雙多普勒激光雷達和直升機載傳感器對海風層中水平對流卷的三維結構進行了觀測研究，發現高空急流中的上升氣流區域在近地面總有低速條紋相對應，水平對流卷的長寬比也接近線性理論的預測結果。

早在20世紀20年代，海風研究就引起了歐美科學家的興趣和重視，20—50年代發表的相關研究成果包括海風的結構特征和氣象條件。JEFFREYS[6]從理論上揭示了海陸風的形成；WEXLER[7]對不同地區海陸風的發生次數和物理特征等進行統計分析，進一步完善了海陸風的理論框架，對后續的海風研究產生了深遠影響。60年代，氣象學家發現在海風的前部存在一個氣象要素變化強烈的特殊區域，并將其定義為海風鋒，隨后的幾十年氣象學家陸續對海風鋒進行了相關理論研究。例如：MILLER等[8]對海風鋒的強迫機制、結構、生命周期及其對空氣質量的影響進行了全面討論；CROSMAN等[9]對海風（鋒）的數值研究進行了系統綜述，并討論了海風鋒特征對地表感熱通量、環境地轉風、大氣穩定性和濕度的影響。

海風鋒的觀測研究可追溯至20世紀60年代。1960—1980年，氣象衛星處于發展初期，衛星資料還未成熟，研究人員大多利用觀測站資料分析海風鋒。大部分常規觀測站位于人口密集的地區，而在海上或人煙稀少地則十分匱乏，導致觀測站資料的時空覆蓋率較低。海風鋒是復雜的中尺度系統，受天氣和地形影響較大，不同地區海風鋒的時空特征具有明顯差異，無法利用自動氣象站資料精確觀測海風鋒的發生、發展特征。20世紀八九十年代，Meteosat系列靜止氣象衛星（歐洲第一代靜止氣象衛星）和美國第三代極軌氣象衛星的成功發射開啟了海風鋒的遙感觀測研究，氣象學家開始結合衛星資料對海風鋒的識別和結構演變進行研究[10]。相比自動站資料，衛星資料的覆蓋區域更廣，時空分辨率更大，利用它能夠從整體天氣形式上對海風鋒的發生和發展進行分析。

21世紀以來，各國衛星遙感技術不斷提升，衛星數據的時空分辨率越來越高，極大地提升了人們對海風鋒過程的認知，但在實際識別方面還存在一些局限性。為了克服無法從衛星圖像中直接清晰地觀測出海風鋒的限制，研究人員試圖通過觀察相關現象來識別海風鋒。由于海風鋒附近的風會聚，上升的空氣凝結形成云層，因此可以根據平行于海岸線并向內陸推進的積云線來推斷海風鋒的存在。相關研究也論證了積云線在海風鋒檢測中的重要作用，例如GOLER等[11]、BIRCH等[12-13]對全球不同沿海區域的云線特征進行了分類總結，發現不同類型云線的海風環流不盡相同。此外，散射計風資料和云高儀資料也可以用于海風鋒的檢測[14-18]。

本文從海風鋒的識別以及結構和演變特征兩方面，全面介紹了國內外海風鋒的遙感應用研究進展及發展前沿，旨在為國內開展相關研究提供參考。

2 海風鋒的識別

從1960年首次成功發射氣象衛星至今，空間遙感技術已經不斷發展至成熟。衛星數據資料在天氣分析預報、數值天氣預報和氣候預測等方面，特別是在中尺度強對流天氣方面有著十分重要的作用[19]。20世紀六七十年代，世界上主要運行的氣象衛星為美國第一代和第二代業務氣象衛星以及第一代業務靜止氣象衛星，但依靠當時較低分辨率的輻射計數據無法對海風鋒進行精細觀測。

20世紀80年代，美國和歐洲分別發射了第三代極軌氣象衛星和Meteosat系列靜止氣象衛星。第三代極軌氣象衛星新增了高分辨率紅外探測器（Highresolution Infra Red Sounder，HIRS）和多通道高級甚高分辨率掃描輻射計（Advanced Very High Resolution Radiometer，AVHRR），相比上一代極軌氣象衛星增加了同時獲取多通道圖像的能力。Meteosat系列靜止氣象衛星所裝載的紅外可見光成像儀首次獲得了水汽圖像，明顯提高了圖像的時空分辨率。這些高精度的衛星設備投入觀測試驗，獲得了大量覆蓋面更廣、時空密度更大的衛星資料，氣象學家也開始將這些衛星資料投入海風鋒的識別研究中。FETT等[10]通過觀察氣象衛星可見光圖像，清楚地看到海岸線附近存在平行于海岸線的明暗線形圖案，經過分析得出此圖案就是趨向于平行海岸線的無風區（即海風鋒），這開啟了海風鋒的遙感識別觀測。

進入21世紀以后，遙感儀器研制技術和數字信號處理技術不斷進步，具有高時空分辨率和連續空間覆蓋的氣象衛星逐漸成為海風鋒觀測的有效工具。DAMATO等[20]和PLANCHON等[21]根據經緯度參考系對可見光圖像進行投影，采用平均值過濾器平滑和均勻化圖像，在圖像上定義并繪制海風鋒，其目的是從云圖中探測出海風鋒，并根據天氣條件估計海風鋒的出現。這種通過遙感標記海風鋒的方法能較為精準地檢測出海風鋒，但會受到無關云帶的干擾和無云天氣的限制。GILLE等[14]通過分析快速散射計（Quick Scaterometer，QuikSCAT）測得的早晚風差異來確定海風鋒的存在，觀測發現風的顯著日變化常發生在北緯50°以北的海岸線和偏東信風地區，平均風及其日變化都傾向于平行海岸；但由于QuikSCAT散射計每天只提供兩次采樣，所以無法開展海風鋒作為重力流在陸上傳播的研究（日本ADEOS-II衛星發射后，這個情況有所改善，該衛星在QuikSCAT散射計的測風時間外可提供兩次散射儀風測量）。GOLER等[11]根據衛星觀察到的云線形狀和移動情況，將澳大利亞北部卡奔塔利亞（Carpentaria）灣旱季形成的云系分成3種基本類型，并且對不同類型的云線與降水的關聯進行了總結；該研究發現積云線的產生與前1 d沿海海風鋒的出現密切相關，不同類型積云線對應的海風環流不盡相同，該結果證實了利用積云線檢測海風鋒的可行性。IWAI等[5]利用直升機載傳感器結合雙多普勒激光雷達對海風鋒的三維結構進行了觀測研究。

近十年來，隨著氣象衛星及其裝載設備的更新換代，衛星資料越來越豐富，時空分辨率逐漸提高。經過不斷的改進與應用，衛星識別方法現已成為氣象學家研究海風鋒的主要手段之一。CORPETTI等[24]注意到衛星可見光圖像中海風鋒面生成的特定云紋理模式的復雜性，利用傳統的視覺檢測方法無法判斷，因此提出了一種從圖像中提取鋒面的活動輪廓方法。這種方法基于蛇形（Snake）活動輪廓法，通過小波分解處理圖像中一些特定紋理以及透明現象特性，這種分解能夠計算鋒面是否存在。此技術已經在實例圖像上得到驗證，提出的理論框架不僅可以用于海風鋒檢測，還適用于任何其他紋理模式分析。利用可見光圖像中低空云層和地表特征之間反射率的差異可以對云線進行識別，在可見光圖像中根據顏色對云型進行分類，灰色/白色陰影代表云的不同厚度和密度，當出現與海岸線形狀類似并向內陸推進的曲線時可推斷海風鋒存在。這種方法能精準識別海風鋒，但存在無云情況的限制。為了解決這個問題，LENSKY等[23]提出了晴空條件下海風鋒的檢測方法，即使用來自歐洲第二代靜止氣象衛星的紅外可見光圖像對夏季晴空條件下的海風鋒進行識別分析。這種方法不依賴于云的存在，而是利用晴空條件下從地面反射的熱紅外輻射來檢測海風鋒，但由于受到地域條件的影響，檢測準確度有待提高。BIRCH等[12-13]利用衛星云圖資料，對澳大利亞西北部和阿拉伯海上空的云線特征進行了分類總結，該研究將澳大利亞西北部云線分為3類，觀察表明所有的波狀云線都在近海傳播，這些波狀云線與海風輻合線有關，研究還指出阿拉伯海上空的波狀云線與澳大利亞西北海域的波狀云線非常相似。ANJOS等[24]對GOES-13通道1的可見光圖像（波長為0.55～0.75 μm）以及巴西天氣預報和氣候研究中心（CPTEC）提供的遙感數據進行分析，通過對可見光圖像進行順序分析、將海風鋒統計數據應用到環境地理信息系統（Geographic Information System，GIS）、加入地理信息作為參考、計算線密度和定義每小時的海風鋒等處理來識別海風鋒。FERDIANSYAH等[24]提出利用地球靜止衛星圖像導出海風鋒二維分布的框架，該框架將“形態蛇形算法”（Morphological Snake Algorithm）應用于可見光圖像來自動檢測與海風鋒相關的積云線；為了確保挑選的海風日中的云線與海風鋒相關，選擇了存在從陸風到海風風向變化且海風模式至少連續存在2 h的海風日；結合地面觀測，證明了海風鋒可以根據濕度增加、氣溫升高速率降低以及風速增加等要素變化進行判斷。

以上研究表明，不同的海風鋒識別方法存在顯著差異。利用星載散射計測量的早晚風差異能確定海風鋒的存在，然而由于測量時次的限制無法確定海風鋒發生的位置和開始時間。可見光圖像檢測法更有利于確定海風鋒的位置，雖然其早期的視覺檢測法的計算成本較低、耗時較短，卻無法適應相關云線的復雜紋理分析，導致識別誤差較大；之后的檢測方法經過發展更新，結合算法可以實現從圖像中提取鋒面，在一定程度上解決了識別誤差較大這一問題，但仍然存在諸多限制。

3 海風鋒結構和演變特征

20世紀六七十年代，隨著海風鋒理論研究的逐步完善和觀測技術的快速進步，科學家們積累了豐富的海風鋒觀測實例，并提出了較成熟的海風鋒模型。20世紀80年代，隨著衛星技術的不斷進步和觀測資料的積累，對海風鋒結構和演變的認識也在不斷完善，尤其是高空間分辨率的氣象衛星裝載計投入觀測試驗，獲得了大量數據，被應用于海風鋒細致結構和演變特征的研究中。RAMIS等[26]在分析西班牙馬略卡（Majorca）島的一次海風鋒過程中，通過氣象衛星云圖發現一條與海風幅合線相對應的積云線向島嶼內部推進，證實了云線對海風鋒檢測的指示作用。CAUTENET等[27]使用可見光圖像跟蹤了西非幾內亞灣1979年1月海風鋒面向內陸滲透的日變化，發現幾內亞灣周圍區域在海風環流方面具有獨特的共性和局部特征；研究還利用數值模擬分析了該處對流有效勢能的變化，結果表明對流的不穩定性在其兩側最大，對流增強的位置是由500～2 000 m層的風切變決定的。20世紀90年代，WAKIMOTO等[28]利用單多普勒觀測、衛星圖像、對流 和 降 水/起 電（Convection and Precipitation/Electrification，CaPE）試驗收集到的圖像，對1991年8月6日（陸上）和8月12日（海上）的海風事件進行了對比分析，結果表明兩日的海風鋒在云圖上的特征有很大差異，8月6日的水平對流卷與海風鋒緊密平行，鋒面的傳播速度較均勻；8月12日水平對流卷和鋒面方向幾乎垂直，海風鋒線較寬且易于識別。BRUMMER等[29]在1989年5月9日的可見光圖像上觀測到一條與天氣尺度冷鋒相對應的云線從北海移動至德國北部，冷鋒到達海岸后與海風鋒相互作用，推動海風鋒向內陸移動。

進入21世紀以后，隨著遙感技術的進一步發展，對海風鋒結構和演變的認知也在不斷更新和完善，尤其是多種高時空分辨率的衛星探測系統投入觀測試驗，獲得了大量有關海風鋒結構和演變特征的精細化數據。DAMATO等[20]利用衛星可見光圖像估算了西歐海風鋒的出現頻率及其在暖季的內陸滲透，結果表明海風鋒的分布和內陸滲透受時間和空間影響，由于地理（地形和海岸暴露）和氣象因素的作用，午后的內陸滲透距離在10～50 km之間變化，英吉利海峽地區觀測到的海風鋒頻率與北歐反氣旋有關。APARNA等[15]提出了一種量化海風向海范圍的方法，該方法對QuikSCAT衛星散射計的瞬時風矢量資料進行處理，通過風矢量相關系數的退化表現來估計海風的向海程度。這種方法的優勢在于它完全依賴于衛星測量，不需要陸地上的風數據，但是該方法不能確定向海范圍的日常變化。PLANCHON等[21]利用衛星遙感資料估算了巴西北部海風鋒的頻率以及在18時（世界時）穿透內陸的平均距離，研究發現海風鋒在旱季（9—12月）的出現頻率最高，在9—11月深入內陸最遠，距塞阿拉海岸（the coast at Ceará）的最大距離為100 km。AZORIN-MOLINA等[30]基于衛星觀測詳細總結了伊比利亞半島東南部對流內邊界層和海風輻合帶對各種云發展的影響，進一步的歸納表明海風鋒能增加低云和對流積云的出現頻率，同時也會對與積雨云有關的高云、中云和低云的發展產生抑制作用。LI等[31]同時使用了美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）的NOAA-16衛星的AVHRR圖像和GOES-8衛星的可見光圖像對2001年8月17日美國東海岸的沿海積云線進行觀測分析，結果顯示：云線形成于當地時間16:00，從佛羅里達州延伸至北卡羅來納州的哈特拉斯角（Cape Hatteras），長約850 km，寬約8.5 km，以海岸線的形狀穿透內陸超過20 km且穿透速度不均勻；結合數值模擬結果證實了這種云線的形成與海風環流有關，模型模擬的最大垂直速度區域也與云線位置非常吻合。

21世紀初，IWAI等[18]使用從多普勒激光雷達、云高儀和氣象地面站獲得的數據，記錄了東京地區一次海風鋒的三維結構以及與海風鋒相關的垂直氣溶膠輸送情況；云高儀觀測到距離地面2 km的氣溶膠后向散射，海風鋒前端的密度較大的氣溶膠從海風鋒的頭部逸出，然后被強上升氣流垂直輸送到混合高度；結合雷達和氣象站資料推測出海風鋒和前部氣流之間的熱相互作用會影響海風鋒結構和相關區域的空氣質量。LENSKY等[23]利用氣象衛星連續熱紅外圖像和實測資料，根據不同天氣環流對2010年7月以色列的10個實例進行了分類統計，揭示了夏季晴空條件下的海風特征和海風的兩種不同模式，結果表明弱水平壓力梯度促進海風發展，強水平壓力梯度抑制海風發展。BROWN等[16]使用散射計風觀測對澳大利亞達爾文附近的近海海陸風進行研究，使用的數據為歐洲業務極軌氣象衛星METOP-B的二級高級散射計（Advanced Scatterometer，ASCAT）海岸優化產品，優化數據則是將ASCAT測量值初始平均到規則的時空網格上而形成；利用模型和衛星估算得到的近海表面海風特征（強度和水平空間范圍）大體上是一致的，強度差異小于2 m/s，向海范圍變化不超過150 km，模型可以很好地模擬海風擾動振幅隨季風狀況的變化。ANJOS等[24]發現巴西東北海岸的塞爾吉佩地區溫度升高與海風鋒的發展有關，因此對2015年巴西東北部的847幅可見光圖像進行序列分析，結合地面氣象數據對海風鋒的日常表現、海風鋒日和非海風鋒日的氣象變量等進行統計分析；結果顯示大部分海風鋒從當地時間12:00開始，19:00停止，持續時間為7 h，最大內陸滲透距離海岸94 km；此外，海風鋒與太陽輻射、溫度增加以及相對濕度和露點溫度的降低有關的論點也得到證實。這種現象顛覆了以往海風有利于溫度降低的認識。苗春生等[32]利用國家衛星氣象中心的FY-2D衛星的亮溫（Black Body Temperature，TBB）產品對夏季江蘇沿海海風鋒的對流云活動進行了觀察分析。SHORT等[17]綜合考慮了5種衛星數據：NOAA衛星在4個季節下觀測到的向外長波輻射（Outgoing Longwave Radiation，OLR）數據、METOP-A和METOP-B兩顆衛星上的ASCAT數據、搭載在OceanSat-2衛星上的快速散射計（Rapid Scatterometer，RSCAT）數據、搭載在海洋二號（HY-2A）衛星上的散射計（HY2-SCAT）數據以及由國際空間站（International Space Station，ISS）攜帶的快速散射計數據，利用多個實例對海風鋒和近海降水的日循環之間的聯系進行分析，發現來自附近島嶼的海風鋒會對日降水的周期產生影響。

20世紀20年代以來，BERRI等[33]使用空間分辨率為1 km×1 km，時間分辨率為30 min的可見光圖像對La Plata河地區兩個發展良好的海風個例進行分析，發現當地的海岸線特征明顯影響海風鋒向內陸的滲透，結合當地觀測和靜力邊界層模式的模擬可以發現，海風鋒的傳播與邊界層內三維環流的變化有關，模式較好地模擬了衛星圖像中明顯云帶的向內陸傳播速度，但估算的海風鋒向內陸的傳播速度明顯大于高空云帶的傳播速度。FERDIANSYAH等[25]利用日本業務靜止氣象衛星葵花8號（Himawari-8）探測積云線的B03波段可見光圖像（空間分辨率500 m，時間分辨率為10 min）和用來反演表面溫度的B13熱紅外圖像（空間分辨率為2 km，時間分辨率為10 min）對印度尼西亞雅加達地區的海風鋒進行檢測研究，結果表明云線能夠合理地表示海風鋒的到達時間，但城市熱島環流引起的上升氣流會造成市中心的時間偏差稍大于其他地區。GRAU等[34]使用來自第二代地球靜止軌道氣象衛星（Meteosat Second Generation，MSG）的地表和海面溫度數據計算地中海西部帕爾馬（Parma）盆地的海陸溫差，并對發生在帕爾馬盆地的海風鋒進行分析研究，以評估水平溫差在海風特征中的貢獻；研究發現，在暖月期間，海風鋒日的海陸溫差（約13℃）略大于非海風鋒日（約11℃）。

目前海風鋒研究主要以常規氣象站資料和雷達資料為主，衛星遙感資料為輔。衛星的星載散射計和光學成像儀能夠提供高時空分辨率的氣象信息，可用來推斷海風鋒的發生和發展特征。早期利用光學成像儀對海風鋒進行研究大多是通過云線的移動來描述其演變過程，后來的研究更進一步，可以通過云的種類、云的外觀表現、對流云團的云頂高度及云團傳播速度來定量描述海風鋒。

國內氣象衛星和海洋衛星已經成系列發展。后續研制發射的風云三號F星、G星等極軌氣象衛星均將搭載視場幅寬更大、觀測頻率更高的微波成像儀和中分辨率光譜成像儀；海洋動力環境衛星搭載的微波散射計已經形成HY-2B/C/D三星組網觀測能力，具備每6 h全球80%以上海域監測的覆蓋能力，未來將構建第二個海洋動力環境衛星星座，重點加強星地一體化的設計，以提高多要素、高精度和全覆蓋的綜合觀測能力[35-37]。這些遙感資料的分析和應用有望能顯著提高對海風鋒等中小尺度天氣系統結構和演變過程的科學認識。

4 總結與展望

在海風鋒研究領域，由于常規氣象觀測和模式的時空密度有限，難以對海風鋒進行精準檢測。高時空分辨率的衛星遙感觀測作為海風鋒研究的有效工具，已經在不少地區開展，并受到氣象學家的廣泛重視（見表1）。從遙感手段來看，遙感資料從早期單一的星載光學成像儀資料變成與星載散射計風場資料和星載紅外成像儀資料相結合[14-17]；從研究內容來看，遙感資料多應用于海風鋒的識別、三維結構和演變特征研究，而在海風鋒物理機制等方面的應用研究還鮮有涉及。

從表1可以看出，海風鋒遙感分析研究盡管起步較晚，但隨著遙感探測技術的飛速發展，也在不斷進步；氣象衛星可提供高時空分辨率和高精度的資料，衛星掃描可達到10 min級更新，空間分辨率可達到500 m，這些資料的利用使得研究海風鋒的精細結構和細致的連續演變過程成為可能。未來研究可關注以下問題：

表1 海風鋒衛星遙感研究的年代和區域分布Table 1 Temporal and regional distribution of satellite remote sensing studies of sea breeze front

（1）通過識別可見光圖像中與海風鋒相關的云線來檢測海風鋒的方法常被使用，效果也比較穩定，但由于存在大量無關云線的干擾和無云天氣的限制，海風鋒也不總是與云線相關聯；此外，由于邊界條件十分復雜，在數學上也很難處理可見光圖像中的噪聲。

（2）通過地面反射的熱紅外輻射來檢測海風鋒，能夠檢測晴空條件下的海風鋒，但由于受到地理信息的影響，檢測精確度較低。

（3）通過散射計風資料進行海風鋒分析可以排除上述限制，并且能夠清晰地表現出海風特征，但由于散射計數據受到衛星條帶時間的限制，不能很好地表現海風鋒的日變化。

我國在海風（鋒）的遙感研究方面尚處于起步階段，至今缺乏針對性的研究，而相關研究采用的視覺檢測方法較為傳統，無法精準檢測出海風鋒[32，38]。從技術層面來看，利用衛星圖像提取海風鋒的活動輪廓、應用“形態蛇形算法”自動檢測可見光圖像中積云線等方法檢測海風鋒比傳統的視覺檢測方法更高效、更精準；通過觀測早期積云發展特征以及相對濕度變化可以更加直接且定量地監測海風鋒。此外，國內氣象衛星和海洋衛星正處于更新換代時期，新一代氣象衛星和海洋衛星在時空分辨率、光譜通道數以及搭載儀器性能等方面都有質的提升，有望促進海風鋒的深入研究。