渤海湾西岸海风时空演变特征观测分析

许启慧，苗峻峰，刘月琨，黄利萍，高佳琦

（1.南京信息工程大学大气科学学院，南京江苏 210044；2.天津市气象局，天津 300074；3.安徽省亳州市气象局，亳州安徽 236806）

1 引言

海陆风环流是沿海地区一种重要的中尺度天气系统，它的发生、发展直接影响着沿海地区温度场、湿度场和风场的分布，并引起低层大气层结状况的变化，与沿海地区的空气污染及积云对流系统有着密切的关系，是决定沿海地区气候变化的关键性因素[1-5]。国内外在对海陆风环流的科学研究方面曾进行过大量工作，例如对海风日的识别，其中比较具有代表性的是Born等的滤波技术，他们利用地面自动观测站的逐时风向风速资料，以及探空风资料对瑞典西海岸群岛的海风日进行了评估性分析[6]，之后国外许多有关海风日的研究都采用了类似的识别方法[7-8]。我国在这方面的研究相对落后，大部分海风日数据集的建立都是在某一固定的时间段内进行统计[9-10]，因此往往会低估海风的发生频率，并直接影响海风的后期研究效果。为了准确地建立渤海湾西岸（天津）海风日数据集，从而使分析海风时空变化特征的结果更具可靠性，本文根据2008年天津地区13个地面气象观测站和1个海上（渤海A平台）观测站的逐时风向、风速、气温和相对湿度等资料，以及天津市地面常规气象观测站6 h一次的云量和降水资料，总结出一种识别渤海湾西岸（天津）海风日的方法，并对筛选出的海风日进行分析，获得了渤海西岸（天津）海风的时空演变特征。

2 资料和方法

2.1 站点分布

本文使用2008年全年天津地区14个气象观测站（见图1）逐小时资料分析渤海湾西岸海风的时空演变特征。根据不同站点到达海岸线的距离，将其分为4组，即：海上站（渤海A平台），近海站（塘沽、大港、汉沽），内陆站（宁河、津南、东丽、天津、西青、北辰、静海、武清、宝坻）和远海站（蓟县）。其中海上的A平台站距西部海岸线的最近距离约为80.7 km，近海站距海岸线的距离在5—10 km间；3区各站到海岸线的距离较为复杂，平均大于20 km；远海蓟县站深居内陆，离开海岸线的距离超过100 km。

图1 渤海西岸（天津）自动气象站分布

2.2 海风日的定义

2.2.1 海风风向的确定

本文选取塘沽、大港和汉沽3个近海站作为陆上标准站，由于海陆间温度差而造成的海陆风是垂直于海岸线吹的[11-12]，所以根据三个标准站附近海岸线的走向，以垂直于海岸线的风向为海风建立时的标准海风风向，考虑风向左右摆动可能存在的范围，将三站具体海风风向的范围定义为：塘沽站，东北至南向（NE-S）；大港站，东北至南-东南向（NE-SSE）；汉沽站，东-东南至南-东南向（ESE-SSE）。

2.2.2 海风日的确定标准

本文基于Azorin-Molina等[13]研究海陆风的定义标准，并参照高佳琦等[14]对海风日筛选方法的分析结果，通过如下标准建立2008年渤海湾西岸（天津）海风日数据集：

图2 塘沽站典型海风日里风向（°），风速（m/s），气温（℃）和相对湿度（%）的日变化

（1）从日出到日落，有向岸气流出现，并且持续时间达到3h（含3h）以上[15]；

（2）日出以后，风向和风速存在明显的改变，风向突变角度大于40°，海风建立以后风向趋于稳定的向岸风方向；

（3）分别以大港、塘沽和汉沽站的逐时气温代表陆温，海上渤海A平台站的逐时温度代表海温，要求日最大陆海温差大于0℃，即ΔTmax大于0℃；

（4）为了消除较强背景风场的影响，要求在海风开始前10 m处风速小于1.5 m/s，即静风或弱风状态，而最大风速小于10 m/s；

（5）若海风开始前风速较大，未满足（4）中规定的界值，但风向由离岸转为向岸时突变角度大于90°，也可被定义为海风日；

（6）海风建立前无明显降水现象出现，之后存在气温明显减小，相对湿度明显增加的现象。

当同时满足上述6个条件，方可被定义为海风日。另外，因夏季夜晚渤海湾西部陆地冷却效果较弱，导致陆海温差通常不会满足陆风建立的要求，出现全天24 h都吹向岸风的现象，这种情况下海风的建立主要表现在风速的变化上，所以当全天风向都是海风方向时，若存在风速明显增强，并且持续时间超过3h（含3h），同样被定义为海风日。

根据上述选取海风日的标准，图2给出了塘沽站3种典型海风日的风向、风速、气温和相对湿度的日变化情况，其中箭头表示海风的开始时间。6月1日为海风开始前风速大于1.5 m/s的海风日，该日海风开始时，风向突变大于90°，风速突增，气温和相对湿度在海风开始时刻分别出现明显的下降及上升变化；6月17日，海风开始前风速小于1.5 m/s，自上午10时起风向发生偏转，风速明显增大，1 h后气温和相对湿度发生显著改变；7月30日是全天24 h都为向岸风的日子，这种情况下海风的建立主要表现在风速的增强上，由图可知：11时塘沽站的风速突然增大，并持续至午后18时，该日全天24 h都符合海风发生的标准，在海风发展的成熟阶段也是风速日变化最大的时期，而该日气温和相对湿度分别随时间呈现出逐渐升高和降低的走势，两者日变化的波动振幅较小，这可能与全天都吹向岸风有关。吴增茂曾在早期的海陆风研究中指出：当大尺度风为向岸风或具有向岸风分量时，由于背景风及它引起的平流的影响，使海风出现时风向及气温变化不明显，但向岸风分量会明显加强及相对湿度亦有上升，并将这种背景条件下出现的中尺度海风环流，定义为向岸风加强型[15]。

3 海风的时间变化特征

3.1 2008年各季海风的演变特征

本文将2008年的1月、2月和12月定义为该年的冬季，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季。下文将对不同季节里渤海湾西岸（天津）海风演变特征进行分析。

3.1.1 各季海风的开始和结束时间

本文参考Miao等[7]定义的海风开始和结束时刻，对三个标准站不同季节里海风的开始和结束的平均时间总结见表1，由表可知：夏季海风的开始时间最早，持续时间最长，冬季则相反，这是由于夏季日出时间早，太阳辐射强，启动海风环流所需要的海陆温差可以提前达到，而进入秋冬季，中纬度地区的日照时间明显缩短，同时随着大陆冷高压的建立陆地温度急剧下降，而海洋具有热惰性，升温慢降温亦慢，因此秋冬季海陆之间的温度梯度减小，结果导致海风的持续时间明显缩短。

3.1.2 各季海风风速分布

早期曾有研究指出，在中纬度地区如果近地层风速大于10 m/s，则难以生成海风[16-17]，这是因为过大、过强的风速会破坏触发海风形成的温度梯度，因此当有海风发生时，近地面风速不会太大。

表1 海风开始和结束的平均时间（单位/h）

图3 各季海风风速的频率分布

本文对2008年3个标准站海风日里海风发生时间段内的风速进行了统计，得到四季海风风速的频率分布情况，见图3：各站海风的风速主要集中在2—4 m/s，其中塘沽站春季最大海风风速可达8 m/s，春、夏、冬三季的风速频率最高值都出现在3 m/s，秋季则是2 m/s的风速出现频率最高；大港站全年的最大海风风速可达7 m/s，出现在春季，春夏季海风风速频率最高值同样为3 m/s，而秋冬季则是2 m/s；对于汉沽站，其春季的海风风速频率分布较为均匀，并且四季风速频率的极大值分布情况与大港站一致。

3.1.3 各季海风风向分布

图4为2008年3个标准站四季海风日里风向频率的分布情况，其中不包括各个季节的静风频次。图中显示：各站四季海风日里，垂直于海岸线方向的向岸风频率明显高于离岸风频率，并且夏季的发生频率最高，冬季最低。其中塘沽站的风向多以E-ESE方向为主，该站夏季来自ESE方向的风向频率最高，其值约为24.1%；大港站的向岸风方向与塘沽站相同，该站除秋季外，其他季节来自E和ESE两个方向的风向频率近似相等；对于处在东部地区的汉沽站，由于该站附近的海岸线呈ENE-SSW走向，因此导致汉沽站四季海风日里的风向与前两站有着明显的不同，汉沽站的风向多以SE-SSE两个方向为主，特别是在夏季，东南风的发生频率高达27.3%，而春季出现频率最高的风向则是SSE方向，并且与前两个测站相比，汉沽站的风向分布最不均匀。

3.2 2008年各月海风的演变特征

3.2.1 海风日的发生频率

根据2.2中海风日的定义，表2列出了2008年3个标准站各月海风的发生日数，由表可知：全年大港站的海风发生日数最多，其发生频率达31.0%，塘沽站次之，汉沽站最低，这主要是因汉沽站距离海岸线最远，受内陆气候影响较大，并且海岸线向内凹陷，曲折度大，海域面积较小，使得该站向岸风的方向角范围明显比其他两站小。从各月海风的发生日数可知，各站出现海风频率最高的月份均集中在夏季，而冬季月份则是出现海风日数最少的时期，其中塘沽站在6月份的海风发生频率高达70.0%。

图4 四季海风日里风向频率的分布

3.2.2 日最高温和最大海风风速的发生时间

本研究在对2008年全年3个标准站的海风风速进行统计时发现，在午后的14—15时为海风发展最旺盛时期，此时海风的风速达到最大，我们将海风风速的最大值定义为海风强度，表3为3个标准站各月日最高温和海风强度出现的平均时间分布情况。

由表可得：距离海岸线最近的塘沽站，在3—8月间海风强度出现的时间明显滞后日最高气温出现的时间，秋冬季月份则相反，这可能是因海风的出现引起局地气温降低、湿度升高，随其强度的不断增大，来自海洋上空的冷湿空气有效地抑制了局地最高温度的升高；而在秋冬季，陆上空气干而冷，海洋上气温相对较高，一旦有海风建立，海岸附近的温度反而会升高，这种效应在沿海地区的冬季最为明显，这也是沿海地区具有“冬暖夏凉”气候特征的原因之一。这种现象在距离海岸线稍远一些的大港站表现得不是很明显，但总体趋势基本一致。对于处在东部地区的汉沽站，除12月以外，海风强度出现的时刻在全年中其他月都滞后日最高气温出现的时刻，这是因为汉沽站距离海岸线最远，受大陆空气影响较大，加之海风传播到此也需一定的时间，所以该站日最高气温出现的时刻明显提前。

表2 标准站逐月海风日的统计结果（单位/d）

表3 日最高温和海风强度出现的平均时间（单位/h）

3.2.3 海风强度和最大陆海温差的月变化

图5 2008年海风日里(a)海风强度（m/s）；(b)最大陆海温差（℃）的月变化

图5为各站海风强度（Vmax）和最大陆海温差（ΔTmax）的月变化，由图可知：在2—9月间塘沽站的海风强度最大，汉沽站次之，大港站最弱，其中塘沽、汉沽两站5—6月的海风强度相等，塘沽站海风强度的最大值出现在3月，大港和汉沽站则在6月。夏季月份各站海风强度总体呈递减趋势，9月三站的海风强度均存在一个次高值，并且是塘沽站＞汉沽站＞大港站，这是因为在春转夏和秋转冬的月份里，冷暖空气交替频繁，大气层结稳定度降低，从而增强了海风的扰动，使其强度增大。从图5b中可以看到：塘沽、大港和汉沽三站ΔTmax的极大值都出现在5月，迟于塘沽站海风强度最大值出现的时间，但比另外两站提前，6—8月各站Vmax和ΔTmax的变化均呈递减走势，ΔTmax的谷值出现在冬季月份，而峰值则发生在春季，这表明海陆之间的热力差异不但是海风建立的必备条件之一，也直接影响着海风强度的大小。

3.3 2008年典型海风日的变化特征

图6 2008年6月20日13个测站风矢量图

由于海风是以日变化为周期的地方性风系，所以分析海风发生前后各主要气象要素的变化，对预测海风的建立具有十分重要的意义。本文选取2008年6月20日这一典型海风日进行分析。图6为2008年6月20日13个测站的风矢量图，从图中可以看到各站在00—09时都以西或西南风为主，并且风速较小，到09时汉沽站的风向首先发生突变，由西南风转为南-东南向的向岸气流，之后风速逐渐增大，风向基本稳定在海风方向；宁河和大港站几乎与汉沽站同时出现海风，风向角度突变明显，风速显著增强，塘沽站自10时起风向开始发生逆时针旋转，12时开始出现南-东南方向的海风，随其发展，风速不断增强，风向基本稳定在向岸风方向；津南和东丽站的海风开始时间是在下午的14时，而位于更远的天津和西青站海风的建立时间则更晚，海风传播到宝坻站已经是18时，并且持续时间很短。

图7为2008年6月20日温湿度的日变化图，其中近海站选取塘沽站为代表。图中显示：各站温湿度的日变化呈很好的反位相波动，均表现出“一峰一谷”的变化形势。对于靠近海岸的塘沽站，其温湿度的日变化振幅明显小于其他内陆站，这是因为该站受海洋空气影响较大，来自海洋上空湿而冷的气流有效地抑制了近海站日最高温度的上升，而到了夜晚海洋辐射降温弱，导致沿海附近的气温不会降的过低。日出以后，随着太阳辐射的增强，各站气温开始稳步上升，湿度逐渐下降，大约在午后15时塘沽站的气温骤降，相对湿度突增，这比局地海风开始的时间滞后3h；津南和东丽站的温湿度变化几乎与海风的建立时间相同；天津站温湿度的变化发生在15时，温度减小1.8℃，相对湿度增加12.0%，是所有站中温湿度变化最显著的；再向内陆的西青和北辰站，温湿度的变化发生在16时，静海、武清和宝坻站则出现在17时，均与各站海风的开始时间一致。

表4 内陆站逐月海风日的统计结果（单位/d）

图7 2008年6月20日9个测站气温（℃）和相对湿度（%）的日变化图

4 2008年渤海湾西岸海风的空间演变特征

4.1 海风向内陆的传播距离

为了分析海风发生后向内陆的传播情况，本文根据9个内陆站和1个远海站所处的具体地理位置，统计得出各站向岸风的角度范围。表4为9个内陆站2008年各月的海风出现日数，其中远海的蓟县站全年未观测到海风的出现。

由表4可知：除宁河和静海站外，其他各站随距海岸线距离的增加，海风的发生总日数逐渐减少，其中距离海岸线30 km以内的测站，海风的发生频率超过50.0%，而海风向内陆延伸距离超过70 km的概率仅为7.0%；对于处在城区的天津站，其全年仅有32天为海风日，海风的发生频率在距海岸线55 km以远的静海站有所增加，这可能是因为该站向岸气流的方位角比较宽阔，当近海岸的塘沽或大港站有海风发生时，都可能传播到此处。从各月海风的发生频率来看，5—6月各站海风的发生总日数显著增加，并且6月是海风发生频率最高的时期，其中津南和东丽两站，6月海风发生总日数分别为近海塘沽站该月海风发生总日数的90.5%和80.0%，表明海岸带附近出现的海风大部分都可向内陆传播至25 km左右处；7—8月，各站海风的发生日数明显减少，特别是在天津站及其周边的西青、北辰和武清站，这可能与城市热岛环流的形成有关。黄利萍等[18]曾在分析天津地区夏季城市热岛的时空变化特征时，统计得出天津地区白天的热岛强度8月份最大，而由城市热岛效应所产生的较强“城市风”阻碍了海风的西伸，结果导致城市站及其周围测站海风发生频率大大降低。

4.2 内陆站海风的盛行时间

海风向内陆的传播需要一定的时间，并且因内陆下垫面性质的改变使得海风强度有所减弱，所以不同测站海风的盛行时间也存在很大差异。

图8是对2008年全年各站海风日里海风出现时刻的统计结果。从图中可以明显地看出：各内陆站的海风发生时间在午后时刻出现频率较高，对于距离海岸线较近的津南和东丽站，其海风的盛行时间出现在12—20时，再向内陆的天津、北辰和西青三站，海风发生频率最多的时刻都在17时，各内陆测站中宝坻站的海风盛行时间最短；另外，在23—08时各站的海风发生频率都很低，特别是在凌晨，其出现的时间概率接近0，但是对于一些相对距离海岸较近的内陆站，凌晨或是午夜仍有海风发生，这可能是由于夏季夜晚，近海站出现的短时海风向内陆延伸到此所致。

4.3 海风强度的空间变化特征

当海风深入内陆时，由于下垫面性质的改变，其强度会发生变化。一般来说随着传播距离的增加风速应减弱，但是在有的测站风速反而会有所增强，例如，当内陆存在较大水体时，产生的湖风与海风的叠加就会使向内陆传播的海风风速增大；也有研究指出，随着沿海城市的发展，所产生的城市热岛效应在白天增大了海陆之间的热力差异，进而增大海风的强度[19]。

图9为2008年全年各站公共海风日里海风强度的分布情况，分析结果表明：海风强度的总体空间分布形势表现为近海站大于远海站，近郊站强于城市站的特点。海风强度最大值出现在距离海岸线最近的塘沽站，约为5.9 m/s，位于西南部的大港站海风强度较弱，随着海风向内陆的深入，在宁河和津南两站海风的最大风速又有所增强，从津南站起，经由东丽、天津，直到北辰站，海风强度逐站递减，但在天津站西部的西青站和北部的武清站，海风强度又出现了明显的增强，特别是在西青站，最大海风风速达5.5 m/s，这可能与海陆之间的温度差有关。天津地区春夏季白天，气温总体呈现自东部沿海站向西部内陆站递增，秋冬季则呈自东北远郊站向西南近郊站递增的趋势，2008年四季的高温中心均位于西青站附近（图略），使得该处与海洋之间的温度梯度增大，同时由于城市热岛效应所产生的“城市风”在近地面从城市四周向市中心辐合，在城市上空又出现从市中心向四周辐散，低层的辐合气流与来自海洋方向的海风叠加，结果导致城市周围测站的海风强度增强。

图8 内陆站海风盛行时间的频率分布

图9 天津地区海风强度/（m/s）的空间分布

5 结论

（1）2008年渤海湾西岸（天津）海风发生频率存在明显的季节差异，各测站春夏季海风的发生频率较高,冬季最少；

（2）各季海风的开始、结束和持续时间不同，夏季海风开始时间最早，持续时间最长，近海三站海风的盛行时间平均集中在12—20时，并且春夏季海风强度出现的时间明显滞后日最高气温出现的时间，而秋冬季则相反；

（3）近海站海风风速的频率分布存在明显的季节差异，全年大港站的海风强度最弱，塘沽站最强，春季各站海风强度最强，秋冬季海风强度较弱；

（5）近海站各季海风日里风向频率的分布差异较小，塘沽和大港站的风向分布以东和东-东南方向为主，汉沽站海风日的风向频率则集中在东南和南-东南两个方向；

（6）内陆站海风发生频率随着测站到海岸线距离的增加而逐渐减小，并且春夏季发生频率较高，秋冬季较低；内陆站海风强度的空间分布呈现出近海站高于远海站，近郊站强于城市站的特点。

另外，本文仅使用了2008年一年的逐时资料对渤海西岸的海风时空演变特征进行研究，存在一定的局限性，但对未来进一步分析渤海西岸海陆风气候特征具有一定的参考价值。

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