廈門地區(qū)海陸風(fēng)環(huán)流觀測(cè)及特征分析*

荀愛萍 黃惠镕 陳德花

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廈門地區(qū)海陸風(fēng)環(huán)流觀測(cè)及特征分析*

荀愛萍1,2黃惠镕1,2陳德花1,2

1.海峽氣象開放實(shí)驗(yàn)室 2.廈門市氣象臺(tái)

通過統(tǒng)計(jì)分析2016年5月～2017年4月廈門高時(shí)空分辨率的地面觀測(cè)站資料，得到以下結(jié)論：海陸風(fēng)日在時(shí)間分布上天數(shù)最多的月份為2017年4月，有13天，最少的月份為2016年10月，僅為7天。在空間分布上，在海邊的站點(diǎn)海陸風(fēng)日天數(shù)較少，而稍近內(nèi)陸的站點(diǎn)天數(shù)較多，這種區(qū)別在夏季更加明顯；陸風(fēng)轉(zhuǎn)海風(fēng)的時(shí)刻主要是在09～12時(shí)，海風(fēng)轉(zhuǎn)陸風(fēng)多在21～24時(shí)，稍近內(nèi)陸的站點(diǎn)相比海邊的站點(diǎn)海風(fēng)起風(fēng)時(shí)間和陸風(fēng)起風(fēng)時(shí)間都較早一些；海陸風(fēng)日海風(fēng)風(fēng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陸風(fēng)風(fēng)速。利用風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)和觀測(cè)站資料對(duì)廈門地區(qū)海陸風(fēng)環(huán)流發(fā)展高度及典型海陸風(fēng)日進(jìn)行分析，可知廈門地區(qū)48%的海陸風(fēng)環(huán)流能夠發(fā)展到150m高度及以上，2016年10月海陸風(fēng)環(huán)流發(fā)展高度最高，最高可達(dá)750m；海風(fēng)順轉(zhuǎn)一般從低層開始，逐漸向高層推進(jìn), 整層轉(zhuǎn)變需要2.5h左右。

廈門地區(qū) 海陸風(fēng)環(huán)流 風(fēng)廓線雷達(dá) 典型海陸風(fēng)日

1 概述

海陸風(fēng)是沿海地區(qū)大氣邊界層中特有的一種局地中小尺度地形性環(huán)流，是以日為周期變化的風(fēng)系，海陸風(fēng)不僅會(huì)影響局地的天氣變化，有時(shí)會(huì)沿著海風(fēng)鋒觸發(fā)雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣[1]，而且影響地區(qū)大氣污染物的擴(kuò)散和輸送，與城市環(huán)境密切相關(guān)[2-3]。學(xué)界對(duì)海陸風(fēng)的研究最早開始于20世紀(jì)20年代，Jeffreys提出海陸風(fēng)的生成理論，指出海陸溫差引起的氣壓梯度力與摩擦力相平衡產(chǎn)生的摩擦風(fēng)即為海陸風(fēng)[4]，在此基礎(chǔ)上，海陸風(fēng)理論研究不斷發(fā)展成熟，從線性理論階段發(fā)展到非線性理論階段[5-6]。而國(guó)內(nèi)對(duì)于海陸風(fēng)的觀測(cè)研究主要集中在華南地區(qū)[7-9]、福建沿海[10-13]、渤海灣[14-15]等地區(qū)，研究表明，不同區(qū)域的海陸風(fēng)特征具有一定的共性，例如夏季海陸風(fēng)日數(shù)大于冬季，海風(fēng)風(fēng)速大于陸風(fēng)等。

風(fēng)廓線雷達(dá)作為一種新型探測(cè)工具也被應(yīng)用到海陸風(fēng)環(huán)流研究之中，徐峰等[16]利用2011年2月湛江東海島風(fēng)廓線雷達(dá)資料，系統(tǒng)分析了湛江東海島2月平均風(fēng)場(chǎng)特征及海陸風(fēng)特征；王志春等人[17]應(yīng)用車載風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)資料分析了探測(cè)期間惠來海陸風(fēng)的空間結(jié)構(gòu)和時(shí)間演替規(guī)律；李炬等人[18]利用京津冀城市群地區(qū)６個(gè)觀測(cè)站風(fēng)廓線雷達(dá)夏季一個(gè)月同步觀測(cè)資料，對(duì)其進(jìn)行了風(fēng)功率譜和小波分析，發(fā)現(xiàn)各站平均風(fēng)矢量日變化在5:00～6:00、20:00～21:00有明顯風(fēng)速變化和風(fēng)向轉(zhuǎn)換，1500ｍ以下風(fēng)向變化差異顯著。

廈門地處我國(guó)東南沿海、福建省東南部，背靠漳州、泉州平原，東臨臺(tái)灣海峽，一年四季都會(huì)出現(xiàn)海陸風(fēng)，以春夏季節(jié)為盛，海陸風(fēng)能夠觸發(fā)對(duì)流性天氣，并且與城市環(huán)境密切相關(guān)，因此研究廈門地區(qū)的海陸風(fēng)特征顯得尤為重要。早在1988年，金文其[10]就統(tǒng)計(jì)分析了廈門地區(qū)海陸風(fēng)的特征，但由于觀測(cè)手段的限制，不能很好地分析海陸風(fēng)的垂直分布。本文在地面觀測(cè)站資料的基礎(chǔ)上，加入風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)，研究廈門地區(qū)海陸風(fēng)環(huán)流的時(shí)空分布以及垂直分布特征。

2 資料和研究方法

2.1 資料

考慮所用站點(diǎn)資料的可靠性，本文選取國(guó)家級(jí)地面觀測(cè)站59134（廈門站）、59130（同安站），區(qū)域自動(dòng)觀測(cè)站59140（翔安站）作為研究的代表站點(diǎn)，圖1給出了代表站在廈門市的位置以及海拔高度。由于翔安風(fēng)廓線雷達(dá)從2016年4月開始業(yè)務(wù)運(yùn)行，本文研究時(shí)段為2016年5月～2017年4月，資料包括觀測(cè)站逐時(shí)最大風(fēng)速、風(fēng)向以及翔安站風(fēng)廓線雷達(dá)資料。其中風(fēng)廓線雷達(dá)資料探測(cè)高度為8km，1.5km以下各層高度分別為150、270、390、510、630、750、870、990、1110、1230、1350、1470m；時(shí)間分辨率為6min。

圖1 代表站（黑色圓，圓點(diǎn)上方為站號(hào)，下方為海拔高度）和風(fēng)廓線雷達(dá)（紅色三角形）的位置分布

2.2 研究方法

根據(jù)廈門沿海海岸線呈現(xiàn)東北—西南走向的特征，本文定義E-S風(fēng)向?yàn)楹ｏL(fēng)風(fēng)向，W-N-NNE風(fēng)向?yàn)殛戯L(fēng)風(fēng)向，靜風(fēng)既不是海風(fēng)也不是陸風(fēng)。

為了確定海陸風(fēng)日[13]，首先根據(jù)海陸風(fēng)的日變化規(guī)律，把一天24h分為4個(gè)時(shí)段，01～08時(shí)為陸風(fēng)時(shí)段，09～12時(shí)為陸風(fēng)向海風(fēng)轉(zhuǎn)化時(shí)段，13～20時(shí)為海風(fēng)時(shí)段，21～24時(shí)為海風(fēng)向陸風(fēng)轉(zhuǎn)化時(shí)段。海陸風(fēng)日24h地面觀測(cè)風(fēng)速在10m·s-1以下，同時(shí)必須滿足以下兩個(gè)條件：

（1）在陸風(fēng)時(shí)段01～08時(shí)，陸風(fēng)出現(xiàn)時(shí)次必須≥4，而海風(fēng)出現(xiàn)時(shí)次必須≤2；

（2）在海風(fēng)時(shí)段13～20時(shí)，海風(fēng)出現(xiàn)時(shí)次必須≥4，而陸風(fēng)出現(xiàn)時(shí)次必須≤2。

3 海陸風(fēng)的統(tǒng)計(jì)特征分析

3.1 海陸風(fēng)日時(shí)空分布特征

沿海地區(qū)地面風(fēng)向變化的原因主要包括系統(tǒng)風(fēng)以及下墊面摩擦作用引起的風(fēng)向改變和海陸熱力差異導(dǎo)致的海陸風(fēng)效應(yīng)[13]。廈門地處福建東南沿海，影響系統(tǒng)較為單一，冬半年常處于冷高壓南部邊緣，盛行東北—北東北風(fēng)，夏半年常為副熱帶高壓控制，以偏南風(fēng)為主，季風(fēng)特征明顯。圖2給出了2016年5月～2017年4月各月各代表站點(diǎn)的海陸風(fēng)日天數(shù)，其中，同安站全年海陸風(fēng)日天數(shù)最多，為167d；廈門站次之，為107d；而翔安站最少，只有64d。站點(diǎn)差別較大，這可能與廈門的地形、站點(diǎn)的海拔高度及位置有關(guān)，廈門海陸地形復(fù)雜，既有內(nèi)外海，又有眾多的港灣，地形對(duì)海陸風(fēng)轉(zhuǎn)換有明顯的影響。翔安站以及廈門站靠近沿海，四周受海洋的影響較明顯，與靠近內(nèi)陸站點(diǎn)相比，海陸熱力差異相對(duì)較小，且常年平均風(fēng)速較大，不利于海風(fēng)環(huán)流的形成與維持，其中廈門站臨近的是內(nèi)灣，且海拔高度較高（140.6m），受下墊面的影響較小，海陸熱力效應(yīng)更明顯一些。同安站處于距離海岸線大概20km的內(nèi)陸，北部存在1000m以上的山體，海陸熱力差異更加明顯，平均風(fēng)速也較小，更有利于海風(fēng)環(huán)流形成，在夏季這種區(qū)別更加顯著。

從三站平均各月海陸風(fēng)日天數(shù)來看，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，相差不是特別大。而從單站來說，靠近海邊的站點(diǎn)廈門站和翔安站夏季海陸風(fēng)日天數(shù)較少，分別只有17d和11d，而稍近內(nèi)陸的站點(diǎn)同安站有47d。海陸風(fēng)多產(chǎn)生在弱天氣系統(tǒng)控制下，當(dāng)大尺度背景風(fēng)場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，海陸風(fēng)常常被“淹沒”。2016年5月～2017年4年，各月海陸風(fēng)日天數(shù)相差不大，一方面可能是僅一年的樣本數(shù)較少，另一方面也可能和這一年的大尺度背景風(fēng)場(chǎng)相關(guān)。

圖2 各代表站以及三站平均各月海陸風(fēng)日出現(xiàn)的天數(shù)

注：1605代表2016年5月，依此類推，下同。

3.2 海陸風(fēng)強(qiáng)度分布特征

圖3給出了2016年5月～2017年4月各月各代表站點(diǎn)海陸風(fēng)日的平均海風(fēng)風(fēng)速和陸風(fēng)風(fēng)速，廈門站的陸風(fēng)風(fēng)速全年都較大，主要由于廈門站的海拔高度較高，而同安站和翔安站的陸風(fēng)風(fēng)速則較小。廈門站和翔安站靠近海邊，同安站稍近內(nèi)陸，海風(fēng)風(fēng)速翔安站比較大，廈門站次之，同安站最小。從三站平均來看，在全年各個(gè)月份的海陸風(fēng)日中，海風(fēng)風(fēng)速明顯大于陸風(fēng)風(fēng)速，海風(fēng)風(fēng)速全年都大于3m·s-1，而陸風(fēng)風(fēng)速則全年都小于3m·s-1。對(duì)于陸風(fēng)風(fēng)速，冬季的風(fēng)速較大，其中1月最大，為3m·s-1，夏季風(fēng)速較小，6月僅為1.9 m·s-1。而海風(fēng)風(fēng)速全年差別不大。

圖3 各代表站以及三站平均各月的平均陸風(fēng)風(fēng)速和海風(fēng)風(fēng)速

3.3 海陸風(fēng)頻次變化特征

為了進(jìn)一步研究海陸風(fēng)日的海風(fēng)與陸風(fēng)時(shí)間分布特征，挑選出海陸風(fēng)日之中各個(gè)時(shí)刻發(fā)生海風(fēng)與陸風(fēng)的頻次，圖4是各代表站海陸風(fēng)日的陸風(fēng)、海風(fēng)發(fā)生頻次曲線?？梢钥吹剑ｏL(fēng)、陸風(fēng)的分布都呈現(xiàn)正弦式變化，且分布形式與站點(diǎn)的位置、頻次無關(guān)。01～08時(shí)是海風(fēng)的間歇期，頻次較少，各站點(diǎn)基本無海風(fēng)出現(xiàn)，從09時(shí)開始，海風(fēng)頻次開始增多，14～19時(shí)為高峰，這是因?yàn)殛懙販囟韧ǔＴ?4時(shí)達(dá)到最大值，下午溫度普遍維持較高。同時(shí)可以看到，翔安站海風(fēng)的起風(fēng)時(shí)間略晚，10時(shí)海風(fēng)頻次開始明顯增多，廈門站更晚一點(diǎn)，到11時(shí)海風(fēng)頻次開始明顯增多，這可能與其海拔高度有關(guān)。從陸風(fēng)的頻次曲線可以看到，其分布形態(tài)與海風(fēng)頻次基本相反，夜間陸風(fēng)的頻次較多，而白天較少，13～21時(shí)是陸風(fēng)的間歇期，頻次較少，尤其是14～19時(shí)，各站點(diǎn)基本都無陸風(fēng)出現(xiàn)，9～12時(shí)陸風(fēng)頻次減少，海風(fēng)頻次增多，海風(fēng)與陸風(fēng)并存，表明9～12時(shí)主要為陸風(fēng)向海風(fēng)轉(zhuǎn)換的時(shí)期，而21～24時(shí)陸風(fēng)頻次增多，海風(fēng)頻次減少，該時(shí)段為海風(fēng)向陸風(fēng)轉(zhuǎn)換的時(shí)期。從陸風(fēng)的起風(fēng)時(shí)間來看，同安站的起風(fēng)時(shí)間較廈門站和翔安站要早一點(diǎn)，21時(shí)陸風(fēng)頻次就明顯增大，而其他兩站基本在22時(shí)才開始起風(fēng)。

圖4 各代表站海陸風(fēng)日的陸風(fēng)頻次、海風(fēng)頻次隨時(shí)間分布特征

4 海陸風(fēng)環(huán)流發(fā)展高度及典型海陸風(fēng)日特征

利用翔安風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析廈門地區(qū)海陸風(fēng)環(huán)流的發(fā)展高度，2016年5月到2017年4月全年翔安站海陸風(fēng)日數(shù)一共有64d，其中海陸風(fēng)環(huán)流發(fā)展到150m高度的有31d（占48%），發(fā)展到270m高度的有18d，發(fā)展到390m高度的有7d，發(fā)展到510m高度的有3d，發(fā)展到630m和750m高度的有1d（為2016年10月3日），所列發(fā)展高度的天數(shù)均為前者包括后者。圖5給出了海陸風(fēng)環(huán)流不同發(fā)展高度的天數(shù)的月分布，可以看到，2016年8月、10月以及2017年3月海陸風(fēng)環(huán)流發(fā)展高度較高，均可以發(fā)展到510m及以上，而2016年7月及9月海陸風(fēng)環(huán)流發(fā)展高度較低，均在150m以下。

圖5 翔安站海陸風(fēng)環(huán)流不同發(fā)展高度的海陸風(fēng)日數(shù)的月分布

圖6給出了2016年10月3日風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)的海陸風(fēng)的水平風(fēng)矢量的時(shí)間—高度剖面圖，海陸風(fēng)環(huán)流非常明顯，01～09時(shí)從低層到高層都是以東北風(fēng)為主，低層陸風(fēng)風(fēng)速較小，基本在4m·s-1以下，而高層風(fēng)速較大，10～14時(shí)，低層到高層風(fēng)向均從東北風(fēng)慢慢順時(shí)針轉(zhuǎn)成東南風(fēng)，低層到高層海風(fēng)風(fēng)速均較小。同時(shí)可以看到，越到高層，海風(fēng)風(fēng)向越多的時(shí)次是東風(fēng)。

圖6 2016年10月3日海陸風(fēng)風(fēng)廓線變化：水平風(fēng)矢量時(shí)間-高度剖面

海陸風(fēng)的轉(zhuǎn)換一般都是從低層開始，當(dāng)陸風(fēng)轉(zhuǎn)為海風(fēng)時(shí)，近地層由于地面加熱升溫最快，故風(fēng)向最先開始偏轉(zhuǎn)，隨著地面加熱高度的上升，從下到上各層大氣溫度均開始升高，由下至上風(fēng)向均開始偏轉(zhuǎn)。同樣，海風(fēng)轉(zhuǎn)陸風(fēng)，也是因?yàn)榈孛娼禍刈羁?，偏轉(zhuǎn)也是從低層向高層推進(jìn)。圖7給出了2016年10月3日典型海陸風(fēng)日陸風(fēng)轉(zhuǎn)海風(fēng)時(shí)各層風(fēng)向變化，可以看到，11:00左右，150m高度風(fēng)向由ENE轉(zhuǎn)變?yōu)镾SW，風(fēng)速很小，在1m·s-1以下，11:30左右，270m高度和390m高度完成陸風(fēng)向海風(fēng)的轉(zhuǎn)變，之后直到13:00左右，510m高度風(fēng)向從ENE順轉(zhuǎn)為E，13:30左右，630m和750m高度風(fēng)向順轉(zhuǎn)成東南—南風(fēng)，整個(gè)海陸風(fēng)環(huán)流完成陸風(fēng)轉(zhuǎn)海風(fēng)所需要的時(shí)間大概為2.5h，在海風(fēng)盛行時(shí)段，東風(fēng)維持時(shí)間較長(zhǎng)。

圖7 2016年10月3日陸風(fēng)轉(zhuǎn)海風(fēng)時(shí)各層風(fēng)向變化

5 結(jié)論

本文利用2016年5月-2017年4月廈門高時(shí)空分辨率地面自動(dòng)站資料，對(duì)海陸風(fēng)日的時(shí)空分布、強(qiáng)度以及轉(zhuǎn)換時(shí)刻進(jìn)行分析研究，另外加入風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)海陸風(fēng)環(huán)流發(fā)展高度及典型海陸風(fēng)日進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：

（1）海陸風(fēng)日在時(shí)間分布上天數(shù)最多的月份為2017年4月，有13d，最少的月份為2016年10月，僅為7d。在空間分布上，在海邊的站點(diǎn)海陸風(fēng)日天數(shù)較少，而稍近內(nèi)陸的站點(diǎn)天數(shù)較多，這種區(qū)別在夏季更加明顯。

（2）陸風(fēng)轉(zhuǎn)海風(fēng)的時(shí)刻主要是在09～12時(shí)，海風(fēng)轉(zhuǎn)陸風(fēng)多在21～24時(shí)，稍近內(nèi)陸的站點(diǎn)相比海邊的站點(diǎn)海風(fēng)起風(fēng)時(shí)間和陸風(fēng)起風(fēng)時(shí)間都較早一些。在海陸風(fēng)日中，海風(fēng)風(fēng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陸風(fēng)風(fēng)速，海邊站點(diǎn)的海風(fēng)風(fēng)速大于稍近內(nèi)陸的站點(diǎn)。

（3）在統(tǒng)計(jì)的樣本中，只有48%的海陸風(fēng)日其環(huán)流可以發(fā)展到150m高度及以上，2016年10月海陸風(fēng)環(huán)流發(fā)展高度最高，最高的可以到750m，海陸風(fēng)環(huán)流陸風(fēng)向海風(fēng)的轉(zhuǎn)變最先從低層開始，慢慢向高層推進(jìn)，整層轉(zhuǎn)變需要2.5h左右。

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國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41705045)；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2016J01182)；廈門市科學(xué)技術(shù)局科技惠民項(xiàng)目(3502Z20164083)；福建省氣象局開放基金項(xiàng)目(2016K02)；廈門市氣象科學(xué)研究基金課題(2017xmky01)；廈門市氣象局海洋精細(xì)化預(yù)報(bào)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。

陳德花，E-mail: 497075676@qq.com。