基于风廓线雷达资料的蓬莱海陆风时空结构特征

王栋成，邱 粲,3，董旭光，曹 洁

(1.山东省气象防灾减灾重点实验室，济南 250031; 2.山东省气候中心，济南 250031；3.上海师范大学地理系，上海 200234)

引 言

海陆风是发生在海岸附近由于海陆热力差异引起的大气中尺度环流，发生的原因是海陆热容量差异导致的受热不均匀[1]。白天海风环流和夜间陆风环流对沿海地区的天气、气候及污染物扩散等都有影响，且还会影响温、湿、风场的变化[2,3]，在一定的天气背景下海陆风还能对降水起到触发和加强作用[4-6]。因此，研究海陆风的影响范围、强度及变化规律，对开发风能资源、评估边界层大气污染、弄清中小尺度天气的物理机制、提高短时天气预报准确率等，均具有重要意义[3,7]。

国内外学者对海陆风的研究较多，汇总可分为三大类：观测研究[7-11]、理论研究[12-14]、数值模拟研究[15-18]。国内对渤海南岸山东半岛北部区域及蓬莱的海陆风研究[5,19-22]，多属早期仅基于地面资料或结合短期个例探空资料或数值模拟统计识别分析，资料的空间和时间分辨率都有较大限制，难以全面认识实际的海陆风三维分布、演变和时空结构等。由于缺乏高时空密度连续的风向风速垂直观测资料，因而无法对研究结果、数值模式模拟结果进行更好的解释和验证[23]。

近年来，气象观测飞机、卫星跟踪浮标、轻便式声雷达、多普勒雷达、激光雷达和风廓线雷达[24-30](简称WPR)等，已逐步应用到海陆风的观测，其中WPR业务化发展迅速，并可实现全天候、连续实时获取边界层内不同高度的风向风速等数据，其测风连续、系统且数据时空分辨率高、观测精度高等特性，在海陆风环流观测分析方面显示出优越性[31]。但是，现阶段基于WPR资料进行海陆风及环流的研究尚较少，且多属个例或短期分析[32-36]。李炬等[23]利用京津冀城市群地区2010年近1个月6部WPR同步观测资料，研究了夏季低空风场分布特征和演变规律，认为WPR资料可反映出不同地域山谷风、海陆风的综合影响和作用，并尝试组网应用，但资料序列短且未给出海陆风实测统计特征。荀爱萍等[37]利用2016年5月-2017年4月厦门翔安站WPR数据和区域地面观测站资料，分析了该区域的海陆风特征，发现海陆风环流最高可达750 m，陆风向海风转变整层需2.5 h左右，但该研究采用了传统的海陆风识别方法，且只简单分析了环流发展高度，海陆风的时空结构和强度分析尚不系统。

本文基于山东半岛北部的蓬莱WPR站2014年1-12月观测资料和同期地面气象站资料，系统地分析该区域海陆风发生频率、生消时间、强度、高度及风向风速的时空变化等长期统计特征，研究构建蓬莱海陆风的时空结构模型，以期更全面地认识海陆风的时空演变规律和三维结构特征，为业务应用、理论研究、数值模拟等提供更好的解释和验证。

1 资料来源与研究方法

1.1 资料来源

本文所用距地面100-2980 m高度的水平风向、风速数据，来自蓬莱CLC-11-D型固定式边界层风廓线雷达站(120°48′E、37°48′N，海拔60.7 m)2014年每日逐小时产品数据OOBS文件，按照中国气象局《风廓线雷达通用数据格式(V1.2)》，该文件均存储实时观测的各高度层上的采样高度、水平风向、水平风速、垂直风速、大气折射率结构指数等；雷达主要技术指标为：时间分辨率≤6 min，有效数据最低探测高度100 m、最高探测高度≥3 km，输出产品数据高度分辨率为60 m(820 m以下)、120 m(820-2020 m)、240 m(2020 m以上)三种，风速与风向测量精度分别为≤1.5 m·s-1、≤10°。本次采用该站经质量控制后业务上传的产品数据，并进一步根据风场的变化具有连续性的气象原理进行数据质量控制[38]，在各高度上进行上下层、在时间上进行前后3个时次的风向风速数据奇异点判断，剔除异常数据并用前后或上下点平均来替代该点的数据。

所采用距地面10 m高度的气象数据，来自蓬莱地面气象站2014年逐小时观测记录，数据均经质量控制且全年8760 h无缺测，符合中国气象局《地面气象观测规范》。蓬莱地面气象站的观测场经纬度、海拔高度均与WPR站一致，属相同站点，北距海岸线约2.0 km。

1.2 海陆风计算识别方法

识别海陆风日的方法可分为三类，一是应用常规资料直接识别，二是应用大气遥感资料直接识别，三是应用数值模拟结果间接识别[3]。邱晓暖和范绍佳[39]认为，选择系统风对海陆风影响小的个例进行研究[35]、将垂直于海岸线方向v风作为海陆风[21]、月时间距平法[31,40]、对海陆风的风速加以限制[37]等传统的海陆风分析方法，均没有真正地分离系统风和海陆风，已不适用于自动气象站资料的局地环流分析，并提出了一套适用的局地环流分离与判定技术方法。本文利用自动气象观测距地面10 m和WPR观测低空100-2980 m的共计28个高度层的逐日24 h风向风速数据，探讨将局地环流分离与判定技术由地面资料拓展衔接至低空资料, 以实现多高度层数据的连续计算识别。

(1)系统风和局地风的分离方法

实测风(测站测量)为系统风(平均风)和局地风(海陆风)的叠加[19,39]。先将实测的每日逐时风矢量分解成u、v分量，分别取各时次u、v分量的平均得到日平均风矢量的分量，合成得到系统风；然后，作实测风与系统风的矢量差，得到的风矢量即为去掉系统风之后的局地风。公式如下：

Ujr=Uds+Ujl

(1)

(2)

Ujl=Ujr-Uds

(3)

其中，Ujr为每日第j个时次的实测风矢量,Uds为每日系统风矢量,Ujl为每日第j个时次的局地风矢量。蓬莱位于山东半岛北部且凸入渤海中，凸出部分海岸线总体呈东西走向(图略)，简明定义u为平行于海岸线方向的纬向风分量(向东为正)，v为垂直于海岸线方向的径向风分量(向北为正)。

(2)海陆风日判定标准

以上述地面10 m层的局地风矢量判断为基准。若白天海风持续出现4个及以上时次、且夜间陆风持续出现4个及以上时次，即符合环流结构特征稳定即风向基本稳定、风速呈线性增减规律，则判定该天为海陆风日。然后，由地面10 m层开始，向上逐高度层识别计算海陆风，统计各计算结果(如时间、海风高度、陆风高度、风向、风速等)，否则结束该日识别。

蓬莱位于渤海南岸，属中纬度地区，根据该区域海岸线分布特征、所处的地理位置和逐日的局地风特征，规定海风风向为W-N-E，陆风风向为ESE-S-WSW。

对于判定的每一个海陆风日，结合风矢量时间-高度剖面图(图略)，综合确定该海陆风日的各特征参数[37]，并对计算结果再次进行风场连续性质量控制[38]。为展现完整的海风和陆风剖面，该图中时间上向前延至2014年6月29日18时。该图中WPR可清晰完整地捕捉到海陆风的时空演变与结构特征。29日20时-30日06时，出现了一个陆风过程。20时陆风开始形成，其后快速发展至820 m(23时至次日02时)，03-06时又快速降低至10 m层，陆风风向呈现S-SSW-SW顺时针偏转趋势，陆风持续时间自地面10 m层的11 h(20时至次日06时)向上逐渐减少为820 m层的4 h(23时至次日02时)。30日早晨至傍晚，出现了一个海风过程。生成的海风层顶高340-460 m(15时最高)，海风风向呈现NW-N-NNE-ENE顺时针偏转趋势，海风持续时间自地面10 m层至340 m层均在12 h(07-18时)以上。30日白天还出现了海风环流(昼间低层海风和高层返海的陆风构成的环流，2014年共识别出15天，详见2.4节)，其返海陆风层高度为400-1060 m，持续时间最长达10 h以上(07-16时，出现在460-700 m层)，风向主要为SE-SSE。30日19时，另一个陆风过程开始形成并持续发展，至23时陆风层高为460 m，陆风风向呈现SE-SSE-S顺时针偏转趋势。需特别指出，29日傍晚的海风-陆风转换、30日早晨的陆风-海风转换、30日傍晚的海风-陆风转换均是渐进演变的，日出(04：38)后1～2 h左右陆风即转换为海风，日落(19：21)后海风消散、陆风形成。本研究数据的时间分辨率为1 h(OOBS数据)，当时间分辨率取6 min(ROBS数据)时，将更清晰识别出海陆风时空演变的精细化渐进过程。

2 结果分析

2.1 地面资料与WPR资料识别海陆风日数对比

2014年蓬莱地面资料与WPR资料识别海陆风日数结果对比见表1。由表1可见：蓬莱2014年地面观测10 m高度的海陆风日数为89天，占全年日数的24.4%；WPR观测低空100-2980 m高度层的海陆风日数为84天，占全年日数的23.0%；除缺测和弱海陆风日外，WPR资料识别结果与地面资料的一致。两者的结果均是夏季多(8月最多，15天)、冬季少(12月最少，仅1天)，且海陆风日出现总体符合7～10天一个天气系统周期的规律。两者差异的5天中，6月14、15日WPR资料缺测；其余3天均是仅地面10 m层识别出弱海陆风，9月9日08-11时为海风(09时2.3 m·s-1，其余0.1～0.5 m·s-1)，11月8日11-17时为海风(11时1.7 m·s-1，其余0.1～1.3 m·s-1),11月9日12-16时为海风(14时1.4 m·s-1，其余0.3～0.8 m·s-1)，而3天的100 m以上低空各高度层则分别为大尺度天气系统控制的NE、NW、NW风。可见，弱海陆风的垂直剖面表现是仅地面10 m层观测到有短时且弱的海风,但WPR有效数据最低探测高度100 m以上则未观测到海风。

表1 2014年蓬莱地面资料与WPR资料识别海陆风日数对比

基于WPR资料识别出4-9月共15天海风环流(7、8月最多，各有4天)，占2014年89天海陆风日的16.9%。

2.2 海陆风的生消与持续时间

统计结果(图1)表明，地面海风开始时间最早为07时，最晚为13时，开始盛行时间[39](指统计的海风、陆风开始或结束的时间出现频率高者，下同)为10时，占24.1%；海风结束时间最早为14时，最晚为21时，结束盛行时间为17时，占28.9%。而低空海风开始时间最早为07时，最晚为15时，在盛行时间为12时，占22.9%；结束最早时间为13时，最晚为21时，盛行时间为18时，占31.3%。由统计结果(表2)可见，地面海风持续时间年均8.01 h，最长15 h(6月22日07-21时)，最短4 h(1月4日13-16时)；低空海风持续时间年均7.26 h，最长14 h(6月22日08-21时)，最短1 h(1月4日14时)。四季规律低空与地面的一致，均是夏、春季开始早、结束晚，冬、秋季开始晚、结束早，夏季持续时间最长，秋、春季的次之，冬季持续时间最短。这是由于夏季日出早、日落晚、日照时间长且太阳辐射强，启动和维持海风环流所需要的海陆温差可以持续的时间长[41]。

表2 2014年蓬莱四季与年的海风生消时间统计

分析地面和低空海陆风开始与结束时间及其频率(图1)发现，地面和低空的陆风生消时间基本一致，且与海风结束、开始时间相对应；低空陆风开始的盛行时间为19时，较地面的18时略晚1 h；低空陆风结束的盛行时间与地面的一致，均在09时。

图1 2014年蓬莱地面和低空海陆风开始与结束时间、频率对比

可见，基于WPR判别的低空海陆风生消规律与地面10 m资料判别结果基本一致，也与基于常规地面气象观测和探空观测给出的环渤海湾的海陆风生消规律[1,10,21,41，42]相符。随高度增加，海风和陆风的持续时间逐渐减少，海陆风开始和结束的盛行时间滞后，表明海陆风的产生是由海陆表面不同的加热和冷却引起，并逐渐由下层向上传播[43]。

2.3 海陆风高度的年变化

统计2014年蓬莱84天海陆风的海风层、陆风层日最大高度及出现频率(图2a、b)可见，陆风层顶高总体均大于海风层，其中陆风层顶高160～1180 m，均值674 m，520 m出现频次最多，为16.7%，其次是820、940、700 m，出现频次分别为11.9%、11.9%、10.7%；海风层顶高100～940 m，均值450 m，280 m出现频次最多，为14.3%，其次是340～460 m，频次均为11.9%。84组样本的海风层与陆风层最大顶高相关性较好，R=0.615且通过0.01的显著性检验，线性回归方程系数为1.393(图2c)。海风、陆风最大顶高均值的月变化规律明显且趋势基本一致(图2d)，两者相关系数较高，R=0.903。海风顶高以6月的最大，为633 m，12月的最小，为220 m；陆风顶高以6月的最大，为873 m，1月的最小，为370 m。春、夏、秋、冬的海风最大顶高均值分别为355、540、407、280 m，陆风最大顶高均值为623、754、678、435 m。海陆风高度的年变化规律是由该区域太阳辐射强度、海陆温差等夏季强、冬季弱的年际变化导致的；海陆风高度的相关性规律，则是源于该区域海陆热力差异的固有规律性，即海域热容量(Qs)与陆域热容量(QL)的相关关系Qs=0.25QL[44-46]。

图2 2014年蓬莱站海风高度与陆风高度对比

2.4 海陆风日变化时空结构统计模型的构建

统计2014年蓬莱84天海陆风和15天海风环流过程的每日逐时顶高与平均顶高，根据统计结果绘图构建海陆风时空结构模型(图3)。应当指出，本研究统计的是海风、陆风样本各自特征，且是一般发生时间[39](指海陆风在所指的时间内有可能发生，下同)、自地面至低空连续海陆风的最大顶高与平均值模型，而并非每次海陆风都是这样的高度和持续时间。由模型图3可见：

(1)昼间海风生消一般发生时间在07-21时(图3a)。海风层最大和平均顶高均呈现明显的日变化规律，自早晨开始增大，到14-15时最高，其后逐渐降低；海风层顶高逐时最大值为15时的940 m，各时次顶高平均最大值为14时的377 m。海风平均和最大高度均呈现明显的季变化规律(图3b、c)，夏季持续时间最长且高度最高，其次是秋季和春季的持续时间和高度，冬季持续时间最短且高度最低。

(2)夜间陆风生消一般发生时间在16时至次日12时(图3a)。陆风层最大和平均顶高均呈现明显的日变化规律，自傍晚开始增大到凌晨最高，其后逐渐降低；陆风层顶高逐时最大值为00、01时的1180 m，逐时平均最大值为23时的503 m。陆风平均和最大高度均呈现明显的季变化规律(图3d、e)，夏季高度最高且在06时前后即迅速降低消散，17时前后又快速生成增高，其次是秋季和春季的高度，冬季高度总体最低。

(3)2014年，共识别出昼间垂直高度层上的海风环流15天，海风层顶高最大在340～820 m，平均513 m，最多出现高度580 m(占比40.0%)；返回陆风层顶高最大为640～1780 m，平均951 m，最多出现高度940 m(占比40.0%)(图3a)，原理分析同2.3节所述。昼间海风环流中的陆风顶高远大于夜间陆风顶高，分析原因主要是因白天温度相对较低、空气密度相对较大的海风层的持续抬升作用，和温度相对较高、空气密度相对较小的陆风层自身热力抬升作用共同造成。海风环流中返回陆风的形成时间略晚于海风形成时间，而结束时间则略早于海风结束时间，陆风持续时间(14 h)短于海风的持续时间(16 h)。因地转偏向力作用，随高度增加、时间推移，海风层和陆风层各自的风向均呈现向顺时针方向偏转趋势，其中海风为NW-N-ENE，陆风为SE-S-WSW。海风环流中，返回陆风与海风风向反相，但夹角小于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°。海风层和陆风层的风速各自随高度的增加变化规律总体均是先增大后减小；各次海风最大风速2.4～6.0 m·s-1，最大平均4.0 m·s-1，出现高度分布在10-340 m，出现时间在12-16时；各次返回陆风最大风速0.8～3.9 m·s-1，最大平均2.4 m·s-1，出现高度分布在460-1180 m，出现时间在10-16时。

图3 2014年蓬莱海陆风时空结构统计模型

2.5 海陆风风向、风速时空变化

昼夜海陆风风向时空变化规律显著，自形成到结束,自地面至最大高度层，因地转偏向力作用，每次海风、陆风过程的风向总体均是各自随时间推移和高度增加呈现连续地向顺时针方向偏转。其中，在早上海风形成阶段。风向为WNW-NW-N，中午旺盛期风向为NNW-N-NNE，傍晚结束期风向则转为NE-ENE-E，偏转近180°。在傍晚陆风形成阶段风向为ESE-SE-S，凌晨至日出前旺盛期风向为S-SSW-SW,日出后结束期风向则转为SW-WSW-W，偏转近180°。即每次海陆风转换过程的风向旋转合计360°。

海陆风风速的时空变化规律显著，自形成到结束，自地面至最大高度层，每次海风、陆风过程的风速一般是各自随时间推移和高度增加呈现连续的先增大后逐渐减小的变化。一天中，逐小时的地面海风最大风速为0.9～4.9 m·s-1(图4a)，且以12-14时的较大，海陆温差达到最大值后海风也发展到最盛[5,22]；低空海风最大风速为2.0～6.7 m·s-1，且以13-15时的较大，出现时间较地面海风的滞后1 h，出现高度在10-340 m且多数在100 m(图4b)。地面陆风最大风速为0.5～3.5 m·s-1，且以23时至次日01时的较大；低空陆风最大风速为1.7～5.1 m·s-1，且以22时至次日02时的较大，出现高度则在10-580 m且多数在100 m。可见，该区域的海风强度总体大于陆风强度，海陆风强度极值多出现在100 m高度层。

图4 2014年蓬莱地面和低空海陆风最大强度时空变化对比

3 结论与讨论

(1)WPR能高分辨率清晰完整地捕捉到海陆风的时空演变与结构特征，将局地环流分离与判定技术由地面自动站资料拓展衔接至WPR低空资料计算识别海陆风是可行的。

(2)除缺测和弱海陆风日外，WPR资料识别出蓬莱2014年84天海陆风日，与地面资料识别结果一致；WPR判别的低空海陆风生消规律与地面10 m资料判别结果基本一致；构建的蓬莱海陆风时空结构统计模型显示海陆风日、月、季变化和空间变化特征显著。海风层顶高总体小于陆风的。海风顶高以6月的最大(633 m)、12月的最小(220 m)，陆风以6月的最大(873 m)、1月的最小(370 m)。春、夏、秋、冬的海风最大顶高均值分别为355、540、407、280 m，陆风最大顶高均值为623、754、678、435 m。海风强度总体大于陆风强度，风速最大分别为6.7、5.1 m·s-1，且极值多出现在100 m层。海风与陆风顶高的相关性较好，源于海域和陆域两者热力差异的规律性。未来可结合长序列实测资料，建立海陆温差与海陆风环流强度及变化的关系，结合海陆耦合模型定量化深入研究。

(3)识别出2014年4-9月共15天海风环流。环流中陆风较海风的持续时间略短、最大风速小、顶高则高438 m，两者风向的反相夹角在83.7°～174.9°，均值为125.6°。

(4)单部WPR观测资料，尚不能给出海陆风空间高度向内陆延伸程度，未来可结合区域多部WPR组网、地面自动气象站等综合观测资料，高分辨率、细网格地识别和反演海陆风时空演变规律和三维结构特征。

(5)虽然WPR资料对海陆风的识别准确且时空分辨率较高，但由于WPR资料时有缺测，且100 m以下无探测资料，加之弱海陆风识别难度大、低空数据质量需严格控制等因素，致使应用WPR计算识别海陆风时受到一定的限制。