厦门地区海陆风环流观测及特征分析*

荀爱萍 黄惠镕 陈德花



厦门地区海陆风环流观测及特征分析*

荀爱萍1,2黄惠镕1,2陈德花1,2

1.海峡气象开放实验室 2.厦门市气象台

通过统计分析2016年5月～2017年4月厦门高时空分辨率的地面观测站资料，得到以下结论：海陆风日在时间分布上天数最多的月份为2017年4月，有13天，最少的月份为2016年10月，仅为7天。在空间分布上，在海边的站点海陆风日天数较少，而稍近内陆的站点天数较多，这种区别在夏季更加明显；陆风转海风的时刻主要是在09～12时，海风转陆风多在21～24时，稍近内陆的站点相比海边的站点海风起风时间和陆风起风时间都较早一些；海陆风日海风风速远远大于陆风风速。利用风廓线雷达数据和观测站资料对厦门地区海陆风环流发展高度及典型海陆风日进行分析，可知厦门地区48%的海陆风环流能够发展到150m高度及以上，2016年10月海陆风环流发展高度最高，最高可达750m；海风顺转一般从低层开始，逐渐向高层推进, 整层转变需要2.5h左右。

厦门地区 海陆风环流 风廓线雷达 典型海陆风日

1 概述

海陆风是沿海地区大气边界层中特有的一种局地中小尺度地形性环流，是以日为周期变化的风系，海陆风不仅会影响局地的天气变化，有时会沿着海风锋触发雷暴大风、短时强降水等强对流天气[1]，而且影响地区大气污染物的扩散和输送，与城市环境密切相关[2-3]。学界对海陆风的研究最早开始于20世纪20年代，Jeffreys提出海陆风的生成理论，指出海陆温差引起的气压梯度力与摩擦力相平衡产生的摩擦风即为海陆风[4]，在此基础上，海陆风理论研究不断发展成熟，从线性理论阶段发展到非线性理论阶段[5-6]。而国内对于海陆风的观测研究主要集中在华南地区[7-9]、福建沿海[10-13]、渤海湾[14-15]等地区，研究表明，不同区域的海陆风特征具有一定的共性，例如夏季海陆风日数大于冬季，海风风速大于陆风等。

风廓线雷达作为一种新型探测工具也被应用到海陆风环流研究之中，徐峰等[16]利用2011年2月湛江东海岛风廓线雷达资料，系统分析了湛江东海岛2月平均风场特征及海陆风特征；王志春等人[17]应用车载风廓线雷达探测资料分析了探测期间惠来海陆风的空间结构和时间演替规律；李炬等人[18]利用京津冀城市群地区６个观测站风廓线雷达夏季一个月同步观测资料，对其进行了风功率谱和小波分析，发现各站平均风矢量日变化在5:00～6:00、20:00～21:00有明显风速变化和风向转换，1500ｍ以下风向变化差异显著。

厦门地处我国东南沿海、福建省东南部，背靠漳州、泉州平原，东临台湾海峡，一年四季都会出现海陆风，以春夏季节为盛，海陆风能够触发对流性天气，并且与城市环境密切相关，因此研究厦门地区的海陆风特征显得尤为重要。早在1988年，金文其[10]就统计分析了厦门地区海陆风的特征，但由于观测手段的限制，不能很好地分析海陆风的垂直分布。本文在地面观测站资料的基础上，加入风廓线雷达数据，研究厦门地区海陆风环流的时空分布以及垂直分布特征。

2 资料和研究方法

2.1 资料

考虑所用站点资料的可靠性，本文选取国家级地面观测站59134（厦门站）、59130（同安站），区域自动观测站59140（翔安站）作为研究的代表站点，图1给出了代表站在厦门市的位置以及海拔高度。由于翔安风廓线雷达从2016年4月开始业务运行，本文研究时段为2016年5月～2017年4月，资料包括观测站逐时最大风速、风向以及翔安站风廓线雷达资料。其中风廓线雷达资料探测高度为8km，1.5km以下各层高度分别为150、270、390、510、630、750、870、990、1110、1230、1350、1470m；时间分辨率为6min。

图1 代表站（黑色圆，圆点上方为站号，下方为海拔高度）和风廓线雷达（红色三角形）的位置分布

2.2 研究方法

根据厦门沿海海岸线呈现东北—西南走向的特征，本文定义E-S风向为海风风向，W-N-NNE风向为陆风风向，静风既不是海风也不是陆风。

为了确定海陆风日[13]，首先根据海陆风的日变化规律，把一天24h分为4个时段，01～08时为陆风时段，09～12时为陆风向海风转化时段，13～20时为海风时段，21～24时为海风向陆风转化时段。海陆风日24h地面观测风速在10m·s-1以下，同时必须满足以下两个条件：

（1）在陆风时段01～08时，陆风出现时次必须≥4，而海风出现时次必须≤2；

（2）在海风时段13～20时，海风出现时次必须≥4，而陆风出现时次必须≤2。

3 海陆风的统计特征分析

3.1 海陆风日时空分布特征

沿海地区地面风向变化的原因主要包括系统风以及下垫面摩擦作用引起的风向改变和海陆热力差异导致的海陆风效应[13]。厦门地处福建东南沿海，影响系统较为单一，冬半年常处于冷高压南部边缘，盛行东北—北东北风，夏半年常为副热带高压控制，以偏南风为主，季风特征明显。图2给出了2016年5月～2017年4月各月各代表站点的海陆风日天数，其中，同安站全年海陆风日天数最多，为167d；厦门站次之，为107d；而翔安站最少，只有64d。站点差别较大，这可能与厦门的地形、站点的海拔高度及位置有关，厦门海陆地形复杂，既有内外海，又有众多的港湾，地形对海陆风转换有明显的影响。翔安站以及厦门站靠近沿海，四周受海洋的影响较明显，与靠近内陆站点相比，海陆热力差异相对较小，且常年平均风速较大，不利于海风环流的形成与维持，其中厦门站临近的是内湾，且海拔高度较高（140.6m），受下垫面的影响较小，海陆热力效应更明显一些。同安站处于距离海岸线大概20km的内陆，北部存在1000m以上的山体，海陆热力差异更加明显，平均风速也较小，更有利于海风环流形成，在夏季这种区别更加显著。

从三站平均各月海陆风日天数来看，4月最多，有13d，而10月最少，只有7d，全年其他月份基本在8～11d，相差不是特别大。而从单站来说，靠近海边的站点厦门站和翔安站夏季海陆风日天数较少，分别只有17d和11d，而稍近内陆的站点同安站有47d。海陆风多产生在弱天气系统控制下，当大尺度背景风场较强时，海陆风常常被“淹没”。2016年5月～2017年4年，各月海陆风日天数相差不大，一方面可能是仅一年的样本数较少，另一方面也可能和这一年的大尺度背景风场相关。

图2 各代表站以及三站平均各月海陆风日出现的天数

注：1605代表2016年5月，依此类推，下同。

3.2 海陆风强度分布特征

图3给出了2016年5月～2017年4月各月各代表站点海陆风日的平均海风风速和陆风风速，厦门站的陆风风速全年都较大，主要由于厦门站的海拔高度较高，而同安站和翔安站的陆风风速则较小。厦门站和翔安站靠近海边，同安站稍近内陆，海风风速翔安站比较大，厦门站次之，同安站最小。从三站平均来看，在全年各个月份的海陆风日中，海风风速明显大于陆风风速，海风风速全年都大于3m·s-1，而陆风风速则全年都小于3m·s-1。对于陆风风速，冬季的风速较大，其中1月最大，为3m·s-1，夏季风速较小，6月仅为1.9 m·s-1。而海风风速全年差别不大。

图3 各代表站以及三站平均各月的平均陆风风速和海风风速

3.3 海陆风频次变化特征

为了进一步研究海陆风日的海风与陆风时间分布特征，挑选出海陆风日之中各个时刻发生海风与陆风的频次，图4是各代表站海陆风日的陆风、海风发生频次曲线。可以看到，海风、陆风的分布都呈现正弦式变化，且分布形式与站点的位置、频次无关。01～08时是海风的间歇期，频次较少，各站点基本无海风出现，从09时开始，海风频次开始增多，14～19时为高峰，这是因为陆地温度通常在14时达到最大值，下午温度普遍维持较高。同时可以看到，翔安站海风的起风时间略晚，10时海风频次开始明显增多，厦门站更晚一点，到11时海风频次开始明显增多，这可能与其海拔高度有关。从陆风的频次曲线可以看到，其分布形态与海风频次基本相反，夜间陆风的频次较多，而白天较少，13～21时是陆风的间歇期，频次较少，尤其是14～19时，各站点基本都无陆风出现，9～12时陆风频次减少，海风频次增多，海风与陆风并存，表明9～12时主要为陆风向海风转换的时期，而21～24时陆风频次增多，海风频次减少，该时段为海风向陆风转换的时期。从陆风的起风时间来看，同安站的起风时间较厦门站和翔安站要早一点，21时陆风频次就明显增大，而其他两站基本在22时才开始起风。

图4 各代表站海陆风日的陆风频次、海风频次随时间分布特征

4 海陆风环流发展高度及典型海陆风日特征

利用翔安风廓线雷达资料分析厦门地区海陆风环流的发展高度，2016年5月到2017年4月全年翔安站海陆风日数一共有64d，其中海陆风环流发展到150m高度的有31d（占48%），发展到270m高度的有18d，发展到390m高度的有7d，发展到510m高度的有3d，发展到630m和750m高度的有1d（为2016年10月3日），所列发展高度的天数均为前者包括后者。图5给出了海陆风环流不同发展高度的天数的月分布，可以看到，2016年8月、10月以及2017年3月海陆风环流发展高度较高，均可以发展到510m及以上，而2016年7月及9月海陆风环流发展高度较低，均在150m以下。

图5 翔安站海陆风环流不同发展高度的海陆风日数的月分布

图6给出了2016年10月3日风廓线雷达观测的海陆风的水平风矢量的时间—高度剖面图，海陆风环流非常明显，01～09时从低层到高层都是以东北风为主，低层陆风风速较小，基本在4m·s-1以下，而高层风速较大，10～14时，低层到高层风向均从东北风慢慢顺时针转成东南风，低层到高层海风风速均较小。同时可以看到，越到高层，海风风向越多的时次是东风。

图6 2016年10月3日海陆风风廓线变化：水平风矢量时间-高度剖面

海陆风的转换一般都是从低层开始，当陆风转为海风时，近地层由于地面加热升温最快，故风向最先开始偏转，随着地面加热高度的上升，从下到上各层大气温度均开始升高，由下至上风向均开始偏转。同样，海风转陆风，也是因为地面降温最快，偏转也是从低层向高层推进。图7给出了2016年10月3日典型海陆风日陆风转海风时各层风向变化，可以看到，11:00左右，150m高度风向由ENE转变为SSW，风速很小，在1m·s-1以下，11:30左右，270m高度和390m高度完成陆风向海风的转变，之后直到13:00左右，510m高度风向从ENE顺转为E，13:30左右，630m和750m高度风向顺转成东南—南风，整个海陆风环流完成陆风转海风所需要的时间大概为2.5h，在海风盛行时段，东风维持时间较长。

图7 2016年10月3日陆风转海风时各层风向变化

5 结论

本文利用2016年5月-2017年4月厦门高时空分辨率地面自动站资料，对海陆风日的时空分布、强度以及转换时刻进行分析研究，另外加入风廓线雷达数据对海陆风环流发展高度及典型海陆风日进行分析，得出结论如下：

（1）海陆风日在时间分布上天数最多的月份为2017年4月，有13d，最少的月份为2016年10月，仅为7d。在空间分布上，在海边的站点海陆风日天数较少，而稍近内陆的站点天数较多，这种区别在夏季更加明显。

（2）陆风转海风的时刻主要是在09～12时，海风转陆风多在21～24时，稍近内陆的站点相比海边的站点海风起风时间和陆风起风时间都较早一些。在海陆风日中，海风风速远远大于陆风风速，海边站点的海风风速大于稍近内陆的站点。

（3）在统计的样本中，只有48%的海陆风日其环流可以发展到150m高度及以上，2016年10月海陆风环流发展高度最高，最高的可以到750m，海陆风环流陆风向海风的转变最先从低层开始，慢慢向高层推进，整层转变需要2.5h左右。

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国家自然科学基金项目(41705045)；福建省自然科学基金项目(2016J01182)；厦门市科学技术局科技惠民项目(3502Z20164083)；福建省气象局开放基金项目(2016K02)；厦门市气象科学研究基金课题(2017xmky01)；厦门市气象局海洋精细化预报创新团队。

陈德花，E-mail: 497075676@qq.com。