海风锋的雷达观测分析研究进展

徐绍杰，苗峻峰

（1.南京信息工程大学大气科学学院，江苏 南京 210044；2.海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南 海口 570203）

1 引言

海风是沿海地区一种常见的局地环流，是由海陆界面上的热力差异引起的直接热力环流，垂直尺度为2 km 左右，向内陆传播距离可达50～100 km，有时能在上层观测到从陆地指向海洋的回流[1-2]。在沿海和内陆地区，海风环流在空气污染物的传输和扩散方面起着非常关键的作用[3-5]，各个纬度都能观测到海风的存在[6]。海风可以缓解干燥闷热的天气，能够在一定程度上改善沿海地区的空气质量[7]，但也有可能造成浓雾[8]。海风锋是海风向内陆推进过程中与内陆的暖干气团之间形成的类似冷锋性质的中小尺度系统[9]，其形成是海陆热力效应和动力效应共同作用的结果。海风锋是触发中小尺度局地对流天气的重要系统之一[10-15]，一直是国内外沿海地区天气预报关注的重点和难点[9,16]。大量研究表明：大尺度背景风[17]、海陆温度差异[18]、地形[19-20]和植被[21]等因素对海风锋的结构和演变都有比较明显的影响。

约60%的世界人口分布在海洋沿岸100 km 以内。在沿海地区，海风锋的生成和发展常造成雷暴和强降水等强对流天气；反过来，海风雷暴和强降水等强对流天气的发生和发展也会影响海风锋的结构和演变[26-27]，也就是说，海风锋与雷暴和强降水等强对流天气密不可分。因此，海风锋结构和演变的分析研究在沿海地区极为重要，具有重要的理论意义和实际应用价值。早期的海风锋观测研究主要基于常规地面观测资料开展[23,28-29]，之后又结合了自动气象站观测资料[30]和雷达观测资料[31]。雷达能够连续、高精度和大范围地观测海风锋过程[32]，且能够对海风锋进行三维扫描，弥补了常规观测资料和自动气象站覆盖范围小、不能观测三维结构的劣势。

20 世纪60 年代，雷达开始进入大众视野，EASTWOOD 等[33]率先利用天气雷达对英国东南沿海区域开展观测。图1显示了费利克斯托附近一条与海岸大致平行的东北—西南走向的窄带回波，极大地推动了雷达观测海风锋的研究工作。由于雷达资料与常规气象资料有良好的相关性，同时雷达还具有良好的区域覆盖性，这对于中小尺度气象学方面的研究是一个巨大的优势[34]。但由于海风锋复杂的物理性质和受地形影响较大的特点，当时的雷达观测方法还不足以及时、精确地观测到海风锋的物理结构[35]。有研究表明，可借助双多普勒甚至三多普勒雷达直接测量降水粒子的终端速度，从而估计海风对流中的风速分量大小，这为深入研究海风对流风暴运动学提供了方法参考[36]。20 世纪90 年代，国内海风锋雷达观测研究也开始起步。潘乃先等[31]首先利用声雷达观测海风，揭示了海风回波的特征以及海风对边界层的影响。21 世纪以来，遥感观测手段有了较大的进步和完善，海风锋的雷达观测研究正引起越来越多国内外气象学家的兴趣和重视[31,37-41]。

图1 1960年6月20日17时（英国夏令时间下午6时）的平面位置显示器图像（引自文献[33]）Fig.1 Plan position indicator photograph,1700hr.,June 20,1960（clock shows 6 p.m.B.S.T.）（cited from reference[33]）

本文分析了20 世纪60 年代以来国内外在海风锋方面的相关研究成果，概述了海风锋的雷达观测研究进展，以期了解海风锋的水平和垂直结构以及海风锋识别和演变特征的雷达观测方法，旨在促进国内海风锋的雷达观测研究。

2 历史回顾与现状

早在20 世纪60 年代，国外气象学家就开始利用雷达研究海风锋[32-33,42]，其研究成果发表在Journal of Meteorology（美国气象学会Journal of the Atmospheric Sciences前身）、Nature、Weather（英国皇家气象学会）等知名刊物上，自此开启了雷达观测海风锋的先河。

2.1 海风锋识别和演变特征

20世纪60年代前后，国外雷达技术在气象观测方面的应用已有比较大的发展[32]，因此对于海风锋的观测也更加精细和深入。国内对于海风锋的雷达观测研究直到20世纪90年代才开始起步[31]，应用较迟。

ATLAS[32]利用K 波段电磁雷达对马萨诸塞州东南部的个例进行了研究，指出海风锋能够被雷达观测的本质是由于大气的不均匀性，他还发现雷达观测的海风锋结构和气象学理论较为一致，海风锋的雷达观测研究因此有了开拓性的进展。而后EASTWOOD 等[33]指出雷达连续拍摄的时间压缩技术使得用雷达观测中小尺度天气现象成为可能，他利用英国东南沿海的天气雷达进行观测，结果表明：海风锋向内陆深入的距离最大为50 mi，锋区南北伸展最大长度为120 mi，锋区中的鸟类和不连续的湿度梯度都会对雷达回波产生正贡献。SIMPSON[42]利用机载电磁雷达对英国奥尔顿拉沙姆地区进行观测，结果表明：海风锋中的强烈湍流对于低空的昆虫有聚集抬升的效应，使得成群雨燕飞到高空捕食，因此产生了较强的回波，这与海风锋前部为上升气流的观点较为吻合。因此，当观测到有明显雷达回波时不一定是海风锋本体，有可能是鸟类（尤其是雨燕）的聚集导致了强回波的出现。BERSON 等[43]利用10 cm 波段电磁雷达在澳大利亚维多利亚州进行观测，研究了1965—1968年夏季维多利亚州海风锋的微物理结构并排除了鸟类是回波源的猜想，其认为使用S波段、K波段和VHF雷达同时观测海风锋过程可以进一步证明这个猜想，但未给出后续实验过程以及结果。DRAKE[35]利用澳大利亚联邦科学与工业研究组织（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation，CSIRO）的非相干脉冲雷达观测到澳大利亚堪培拉地区一次海风锋过程，发现在海风锋面到达前的一段时间风速较小，风场较为平静，风速仅为3～4 m/s；当海风锋面自东向西经过堪培拉时，风场由弱西风变为弱东风，海风锋过境时天空状况是晴朗的，过程持续2 h 左右。MAY 等[44]利用风廓线仪和C 波段偏振雷达对热带海风雷暴进行了分析，发现风暴的发展存在两种情形，一是风暴从午后开始，在海风锋深入内陆10～20 km 后形成；二是在清晨离岸风中形成。SURESH[45]利用 2004—2005 年 4—9 月的10 cm 波段多普勒天气雷达（Doppler Weather Radar，DWR）数据，引入雷达反射率因子的最大投影图像，分析了印度半岛南部的海风锋及其诱发的对流，结果表明：海风锋在距离海岸30 km左右时向内陆传播非常慢（速度约4 km/h），在距离海岸30～80 km 时快速前进（速度约12～15 km/h）；仅从7%左右的个例中发现在距离雷达50 km 以内海风锋存在诱发对流，而超过53%的个例则是在距雷达50 km以外发现诱发对流。

HILL 等[46]利用WSR-88D 天气雷达研究了路易斯安那州、密西西比州和阿拉巴马州地区的海陆风对夏季降水模态的影响，发现海风锋使得内陆地区午后降水增加，沿海区域可降水量的显著增加最终引起密西西比州海岸夏季中后期降水覆盖区域显著增加。IWAI等[47-48]利用多普勒激光雷达研究了日本东京市区上空海风锋的垂直和水平结构以及与海风锋相关的气溶胶垂直输送，并通过二位变分法反演了雷达观测到的海风锋演变过程，结果表明：在海风的近地面层中存在一个水平尺度约为1 km的条纹结构，这种条纹结构与IWAI等[47]在日本仙台机场的激光雷达观测结果非常一致；滞留在海风锋头部区域近地表的密集气溶胶从其鼻部逃逸，随后在鼻部上方强烈的上升气流作用下，气溶胶被垂直输送至混合高度。COMIN 等[49]利用天气雷达研究了意大利萨伦托半岛海风辐合引起的对流降水的频率、位置和特征，发现天气尺度冷槽系统为海风辐合和相关降水的发生提供了有利的条件，海风环流在沿海地区全年降水的分布中具有重要作用。

在我国，海陆风系的研究最早借助声雷达进行。潘乃先等[31]利用声雷达对浙江省海盐县官堂乡进行雷达观测，结果表明：凭借声雷达的热羽回波图像可以定性地估计对流和日辐射的强弱；在热羽回波发生突然变化时，可以结合当地的地理条件和气象条件识别出海陆风环流。刘运策等[26]利用雷达回波和风廓线仪等观测资料统计分析了1998 年7月上旬珠江三角洲地区8次由海风锋触发形成的强对流天气过程，发现在研究期间珠江三角洲维持着高层辐散、中层到低层东高西低的天气形势，这对于海风锋触发珠江三角洲的强对流过程有一定的促进作用，在这个过程中锋前暖湿不稳定和锋后冷气团的正反馈作用会进一步增强对流天气。王彦等[50]利用天津新一代天气雷达和自动站等资料分析了2002—2004 年渤海湾4 次海风锋过程，发现渤海湾海风锋在雷达低仰角基本反射率产品中表现为大致平行于渤海湾的弱窄带回波，当其与冷锋配合较好时易产生强对流天气。吕江津等[51]利用WSR/81S 和WSR/98D 对比分析了不同型号天气雷达对弱气象回波的探测能力，发现新一代天气雷达WSR/98D 在揭示由海风锋引起的强对流天气的生成演变机制上有明显的优势。卢伟萍等[27]利用南宁CINRAD/SB 型多普勒雷达探空数据和北海714S 雷达回波等资料分析了2008年6月5日北部湾海域一次由海风锋触发形成的强对流天气过程，结果表明：此次海风锋过程主要由偏南海风、偏北陆风以及东风波动共同造成，主锋区前后出现了多条尺度较小且近乎平行的强回波区，其中分布多个尺度约为5～10 km 的气旋性涡旋。易笑园等[17,24]利用天气雷达观测资料和自动气象站资料等先后对比分析了渤海西岸（天津静海）、天津市区以及塘沽区几次与海风锋有关的雷暴天气，发现海风锋会使得地面温度降低、湿度加大，而局地不稳定配合湿冷的海风锋能够触发并促进雷暴发展，当海风锋与触发的雷暴单体或系统合并后，对流系统会强烈发展。

董海鹰等[52]利用多普勒天气雷达探测图结合相应观测资料，分析了不同天气背景下青岛东南沿海的海风辐合线特征，发现在雷达低仰角基本反射率因子产品上，海风辐合线的形成阶段表现为平行于东南海岸线的块状回波，成熟阶段表现为不断有回波在原地生成发展；在雷达低仰角基本速度的产品上，海风辐合线表现为几乎静止的零速度窄带回波。顾问等[53]利用多普勒天气雷达和加密自动站等资料分析了上海地区海风锋及其触发对流的环流背景，结果表明：海风锋触发对流日的环流背景表现为高层为强盛的副热带高压，中低层为西南风，层结不稳定，近地面层为弱西风。吴福浪等[54]利用浙江省新一代多普勒天气雷达、美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）再分析资料以及WRF（Weather Research and Forecasting）中尺度模式对宁波地区的一次局地强雷暴天气过程进行了诊断分析，发现2013 年7月29 日宁波强雷暴过程的主要影响系统是中尺度海风锋，对应多普勒天气雷达观测到的弱窄带回波，海风锋向内陆推进时温度降低，湿度增大。高晓梅等[55]利用烟台和青岛的多普勒天气雷达观测资料和高空探测资料对比分析了2009 年6 月29 日和2014 年7 月14 日山东半岛两次由海风锋引起的强对流天气，发现在两次过程中天气雷达都观测到超级单体回波特征，对流风暴在地形抬升与海风锋上升气流的作用下演化为超级单体风暴。刁秀广[56]利用CINRAD/SA 雷达探测资料和常规地面观测资料分析了海风锋触发对流风暴的特征，发现仅靠反射率因子产品不能识别一些尺度较小的海风辐合线，还需结合低层的径向速度产品。李珍妮等[7]首次利用相干多普勒测风激光雷达在辽东湾西部绥中地区进行风廓线测量实验，发现在海陆风期间与非海陆风期间的边界层高度和水平风局地回流指数有明显差异，在海陆风期间边界层高度变化不明显且湍流动能大值中心偏低，1.2 km 以下水平风的回流指数一般小于0.5。这些差异导致了在海陆风期间污染物堆积明显且有效扩散区域较小，难以扩散，但是在海风期间垂直方向上的强烈湍流运动使得低层的空气质量有所改善。国内的海风锋雷达观测研究多使用多普勒电磁天气雷达，但是近十几年也使用风廓线仪[26]和多普勒测风激光雷达[7]。

2.2 海风锋水平和垂直结构

20世纪60—80年代，国外的海风锋观测研究多使用机载或地基多普勒电磁天气雷达[36,42]；20 世纪末，国外的观测研究开始采用激光雷达，但是应用不多[39-40,57]；到了21 世纪，激光雷达在国外天气学领域的应用已经变得非常频繁[58]。另外，20 世纪60—80 年代，国外的观测研究多关注海风锋的雷达识别特征，但是从20 世纪90 年代—21 世纪初，国外的观测研究更关注海风锋的水平和垂直结构及其内部结构。

20世纪60—80年代，国外对于海风锋的雷达观测研究更注重于识别特征的研究，对于海风锋结构方面的研究较少。LHERMITTE 等[36]在美国佛罗里达州迈阿密地区利用两个多普勒雷达同时观测降水粒子的终端速度，并反演了在海风条件下不同时期对流风暴的动力学特征，发现海风锋早期的结构是复杂孤立的，有短暂的上升气流，而晚期的结构较为明确稳定，上升气流有组织性，且存在明显的下沉气流。NAKANE 等[59]使用气溶胶激光雷达记录了日本关东平原的气溶胶分布以获得海风锋的空间结构，发现海风锋头部的上部区域比下部区域有更加温暖干净的空气，这是由于海风锋头部的不稳定气流可将温暖干净的空气向上排出。CARROLL[34]利用机载多普勒雷达对美国西部太平洋沿岸加利福尼亚州的海风环流进行观测，发现强逆温层对海风垂直切变有明显的抑制，并指出风速与雷达延迟时间之比对于边界层的风场反演尤为重要，而对于连续性较高的自由大气则影响不大。

20世纪90年代，研究更多着眼于海风锋的内部结构和雷达观测设备的准确性。BANTA 等[39]首次将多普勒激光雷达和声呐雷达结合使用，对美国LASBEX（The Land/Sea Breeze Experiment）试验期间蒙特里湾的海风进行相关研究，发现激光雷达非常适合测量海风的特性，包括海风层的开始形成、垂直水平扩展、风的水平变化和垂直结构以及有无回流；之后BANTA[40]再次利用多普勒激光雷达分析了3 个海风日的数据，发现沿海山脉阻碍了较冷的海洋空气向内陆移动，从而进一步增强了海陆温度对比。OHNO等[60]利用多普勒雷达对日本关东平原一次逆背景风主导的海风锋过程进行观测，发现在海风锋区附近的逆风区存在小尺度的大风核，其核心位于地面几百米高度，尺度也仅几百米，核心对于增强海风锋区低空风切变有显著的作用。WAKIMOTO等[61]利用高分辨率单多普勒雷达观测对比了1991 年8 月两次海风锋过程，结果表明：沿海风锋方向的锋面结构主要由与海风环流相垂直的水平对流控制，海风锋的强度与浅层冷海水的温度有关。ATKINS 等[62]利用高分辨率双多普勒雷达和飞机数据分析了海风锋的三维结构，指出海风环流比陆风环流表现出更强的低阶收敛性、更大的反射率和更强的垂直速度；该研究还根据陆地上两种不同的锋面前沿性质，提出了两种类型的海风锋面，一个是动力海风锋面，表征了海风空气和温暖、干燥的环境空气之间的近地面最大辐合区域；另一个是热力海风锋面，表征了平均热力性质不同于周围的气团。KOLEV 等[57]利用激光气象雷达和探空气球同时对保加利亚黑海沿海进行观测，发现垂直方向上雷达反向散射最强的海风区域被限制在距地面100 m左右并向内陆推进；反向散射次强的陆风区域为距地面200～400 m 并向海洋推进，风向与底层相反，这一层的空气比底层更加温暖干燥。

21 世纪以来，国内外激光雷达、卫星和风廓线仪等遥感技术在气象领域得到了很大的发展和应用。DARBY 等[58]分析了LASBEX 试验期间多普勒激光雷达探测加州蒙特里海湾地区海风的结果，发现1 500 m 高度以上的海风受内陆山脉的影响较大，1 500 m高度以下的海风受海陆温差和沿海山脉的影响较大。SKAKALOVA 等[63]利用保加利亚东南部黑海沿岸的气溶胶激光雷达开展了3次海风观测研究，发现借助气溶胶的消光性可以区分水平和垂直方向上不同特性的海风区域，且垂直方向上陆风是否存在回流与区域地形有较大的关系。尹东屏等[18]利用多普勒天气雷达和自动站资料等对江苏连云港、盐城和南通的强对流天气进行了分析，结果表明：2009 年6 月5 日江苏的强对流天气由3 个中尺度对流系统造成，3 个系统分别产生在露点锋和海风锋中，当中尺度对流系统进入海风锋辐合线后，两者的相互作用使得海风锋产生的次级环流加强；海风锋产生的弱窄带回波可以脱离主回波带移动，在移动过程中会产生大风并在其后部激发新的对流系统，新对流系统加快了海风锋的移动速度。王彦等[9,64]利用多普勒天气雷达（CINRAD 和WSR/98D）产品结合相应资料先后分析了2007—2008 年渤海湾的海风锋过程，结果表明：2008 年渤海湾雷达监测到56次海风锋，大多数过程的持续时间小于6.5 h，且当海风锋与弱冷锋以一定角度（30°～90°）配合时，有雷暴天气产生；2007 年渤海湾海风锋主要影响海平面高度1.5 km 以下的低层大气，在向内陆推进的过程中呈现气温降低和湿度增加的特点，过程中还逐渐形成了增厚的热内边界层，近地面散度场清晰地显示了与海风锋对应明显的辐合带，多普勒天气雷达显示在海风锋与阵风锋的碰撞交叉处有雷暴生成。童志明等[19]利用多普勒天气雷达、WRF 模式以及NCEP 再分析资料等分析了海南岛东北部一次较强的海风锋降水过程，发现来自海口海岸线与文昌海岸线的海风锋的发展、增强和移动是本次降水的主要原因，海风锋次级环流也与地面降水有关，地面降水加强时次级环流建立，地面降水减弱时次级环流逐渐消失。CHEN 等[65]利用双多普勒激光雷达结合中尺度-大涡模拟（Mesoscale-to-LES）研究了日本仙台市海风锋的三维结构，结果表明：成熟海风的密集冷空气中气溶胶浓度较高；在海风锋前沿有一个上升的海风头（Sea Breeze Head,SBH），其深度约为300 m，水平范围约为3.5 km；海风锋南部暖区为偏北气流，但是其中有上升气流发展，这与近地面的水平对流卷现象（Horizontal Convective Rolls,HCRs）相对应。

3 总结与讨论

上述研究表明，海风锋的雷达观测分析研究已经在不少地区开展，并得到国内外科学家们广泛的重视，也取得了不少研究成果。国外观测研究涉及美国马萨诸塞州[32]、佛罗里达州[36]、路易斯安那州[46]和加利福尼亚州[34]，英国费利克斯托、桑尼岛[33]和奥尔顿[42]，保加利亚黑海沿岸[57,63]，意大利萨伦托半岛[49]，法国南部海岸[66]，日本关东平原（筑波）[59-60]和东京[48]，印度半岛[45]，澳大利亚堪培拉[35]、达尔文[44]和维多利亚[43]等地区；国内观测研究涉及辽东湾[7]、渤 海 湾[9,17,24,30,50,64]、山 东 半 岛[52,55-56]、长 江 三 角洲[18,54]、珠江三角洲[11,26]、北部湾[27]和海南岛[19]等地区。

从使用的雷达类型来看，海风锋观测由早期的声雷达[31]转为电磁雷达[36]，以及如今的激光雷达[34]。与传统的电磁雷达相比，激光雷达有更精确的时间分辨率、更精准的空间分辨率和更远的探测距离，因此能够更加精准地定位气象探测目标，获得更加清晰的探测图像。国内利用多普勒天气雷达观测分析海风锋的研究较多，利用声雷达和激光雷达观测海风锋的研究较少[7,31]；国外前期多利用多普勒电磁天气雷达进行观测[33,42-43]，后期多利用激光天气雷达进行观测[40,47-48,57]。总体而言，利用多普勒天气雷达的研究占大多数，而利用多普勒激光天气雷达、测风激光雷达和声呐雷达的研究较少。从研究内容来看，国内外对于海风锋的识别和演变特征以及水平和垂直结构的观测研究都有一定程度的涉及，国外在20 世纪90 年代前较多关注海风锋的识别和演变特征研究，20世纪90年代后更侧重海风锋的水平和垂直结构研究；而国内20 世纪90 年代以来侧重海风锋识别和演变特征的观测研究较多，侧重海风锋结构的观测研究较少[9,17-19,64]。

从海风锋的雷达识别技术来看，大多数雷达观测海风锋的研究都设置雷达观测仰角为0.5°、1.5°和2.4°等低仰角水平，且绝大多数研究都使用基本反射率产品[9,17-19,24,50,64]，这是由于基本反射率产品可以反映海风锋的强度以及内部粒子的密度分布。海风锋的雷达识别从20 世纪60 年代发展至今主要有3种识别方法：（1）直接探测一定波长降水粒子的反向散射，从内部揭示海风锋的结构和演变[17,36,42,50,61,67]；（2）探测局地风廓线，以此推测海风锋的结构[44,60,68]；（3）探测气溶胶的空间分布情况，侧面揭示海风锋的结构特征[48,57]。方法（1）和（2）被国内外科学家广泛采用，而方法（3）依赖于激光雷达探测技术的发展，因此在国外应用较多。由于在国内中尺度气象学领域多普勒电磁雷达应用较多而激光雷达应用较少，因此国内对于气溶胶的雷达观测较为困难。这3种方法都能够在一定程度上揭示海风锋的结构或演变，但各有侧重。直接测量降水粒子的反向散射能够直观地显示海风锋三维结构以及演变过程，利用风廓线能够揭示海风锋高低层的风切变差异，而利用气溶胶探测法可以明确地揭示海风锋的演变过程以及海风和陆风的区域划分。

从海风锋的雷达识别特征来看，海风锋在低仰角（0.5°或1.5°）基本反射率产品上表现为强度较弱且平行于海岸移动缓慢的窄带回波，强度约为15～25 dBZ，长度约为100～300 km，宽度随季节和背景场变化，抬高仰角则回波消失。海风锋在低仰角速度产品上表现为准静止的速度窄带回波，数值较小且移动缓慢[50]。海风锋在雷达风廓线产品上的特征为气流存在弱上升和下沉运动，午后在地面高度300 m以下存在较强的下沉气流，700～1 600 m 处存在较弱的上升气流[68]。海风锋在激光雷达的平面位置显示产品（Plan Position Indicator，PPI）和距离高度显示产品（Range Height Indicator，RHI）上主要表现为风速的变化，在垂直方向上地面高度2 km 以下水平风速逐渐减小，约为1～3 m/s，在水平方向上海风向内陆的伸展距离在午后约为800 m，午后—傍晚伸展距离缓慢增加到1 200 m左右[48]。

从以上分析可以看出，过去几十年中海风锋的雷达观测研究已经有了长足的发展，但尚有许多问题值得进一步关注与重视。例如，激光雷达在国内海风锋研究领域的应用较少，尤其是激光雷达观测海风锋的研究鲜有涉及；局地地形对电磁天气雷达观测海风锋会产生较大的影响；大气能见度对激光天气雷达观测海风锋会产生一定影响；多种遥感探测手段同时观测海风锋，如雷达和卫星、风廓线仪、激光云高仪和红外探测仪等结合使用，能够对海风锋的结构和演变有更为全面的观测。