海風(fēng)鋒的遙感分析研究進(jìn)展

段懿軒，苗峻峰

（1.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?570203）

1 引言

海陸風(fēng)環(huán)流是由海陸熱力差異引起的中尺度環(huán)流，包括日間海風(fēng)環(huán)流和夜間陸風(fēng)環(huán)流。日間較冷的海風(fēng)在向陸地推進(jìn)過程中遇到較熱空氣層形成的類似淺冷鋒的鋒面即為海風(fēng)鋒[1]。海風(fēng)鋒也被稱為海風(fēng)輻合線，是一種典型的邊界層幅合線，其水平尺度可達(dá)100 km，垂直尺度和大氣邊界層相當(dāng)。海風(fēng)鋒受天氣條件和大尺度背景風(fēng)的影響，遭遇其他天氣系統(tǒng)時(shí)會(huì)觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，從而引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水、颮線、雷暴和大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣，對(duì)當(dāng)?shù)靥鞖鈿夂蚝铜h(huán)境產(chǎn)生較大影響[2-3]。海風(fēng)鋒和水平對(duì)流卷之間的相互作用是目前強(qiáng)對(duì)流天氣研究領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的科學(xué)問題。海風(fēng)鋒在向內(nèi)陸推進(jìn)時(shí)若遭遇上升氣流和下降氣流，會(huì)與形成的水平對(duì)流卷之間相互影響，產(chǎn)生對(duì)流；由于水平對(duì)流卷的直接和間接效應(yīng)，會(huì)在向內(nèi)陸推進(jìn)的海風(fēng)鋒前方形成“滾軸云”（Roll Cloud），從而影響海風(fēng)鋒的移動(dòng)速度及其上空的云[4]。IWAI等[5]利用雙多普勒激光雷達(dá)和直升機(jī)載傳感器對(duì)海風(fēng)層中水平對(duì)流卷的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀測(cè)研究，發(fā)現(xiàn)高空急流中的上升氣流區(qū)域在近地面總有低速條紋相對(duì)應(yīng)，水平對(duì)流卷的長(zhǎng)寬比也接近線性理論的預(yù)測(cè)結(jié)果。

早在20世紀(jì)20年代，海風(fēng)研究就引起了歐美科學(xué)家的興趣和重視，20—50年代發(fā)表的相關(guān)研究成果包括海風(fēng)的結(jié)構(gòu)特征和氣象條件。JEFFREYS[6]從理論上揭示了海陸風(fēng)的形成；WEXLER[7]對(duì)不同地區(qū)海陸風(fēng)的發(fā)生次數(shù)和物理特征等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)一步完善了海陸風(fēng)的理論框架，對(duì)后續(xù)的海風(fēng)研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。60年代，氣象學(xué)家發(fā)現(xiàn)在海風(fēng)的前部存在一個(gè)氣象要素變化強(qiáng)烈的特殊區(qū)域，并將其定義為海風(fēng)鋒，隨后的幾十年氣象學(xué)家陸續(xù)對(duì)海風(fēng)鋒進(jìn)行了相關(guān)理論研究。例如：MILLER等[8]對(duì)海風(fēng)鋒的強(qiáng)迫機(jī)制、結(jié)構(gòu)、生命周期及其對(duì)空氣質(zhì)量的影響進(jìn)行了全面討論；CROSMAN等[9]對(duì)海風(fēng)（鋒）的數(shù)值研究進(jìn)行了系統(tǒng)綜述，并討論了海風(fēng)鋒特征對(duì)地表感熱通量、環(huán)境地轉(zhuǎn)風(fēng)、大氣穩(wěn)定性和濕度的影響。

海風(fēng)鋒的觀測(cè)研究可追溯至20世紀(jì)60年代。1960—1980年，氣象衛(wèi)星處于發(fā)展初期，衛(wèi)星資料還未成熟，研究人員大多利用觀測(cè)站資料分析海風(fēng)鋒。大部分常規(guī)觀測(cè)站位于人口密集的地區(qū)，而在海上或人煙稀少地則十分匱乏，導(dǎo)致觀測(cè)站資料的時(shí)空覆蓋率較低。海風(fēng)鋒是復(fù)雜的中尺度系統(tǒng)，受天氣和地形影響較大，不同地區(qū)海風(fēng)鋒的時(shí)空特征具有明顯差異，無法利用自動(dòng)氣象站資料精確觀測(cè)海風(fēng)鋒的發(fā)生、發(fā)展特征。20世紀(jì)八九十年代，Meteosat系列靜止氣象衛(wèi)星（歐洲第一代靜止氣象衛(wèi)星）和美國(guó)第三代極軌氣象衛(wèi)星的成功發(fā)射開啟了海風(fēng)鋒的遙感觀測(cè)研究，氣象學(xué)家開始結(jié)合衛(wèi)星資料對(duì)海風(fēng)鋒的識(shí)別和結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行研究[10]。相比自動(dòng)站資料，衛(wèi)星資料的覆蓋區(qū)域更廣，時(shí)空分辨率更大，利用它能夠從整體天氣形式上對(duì)海風(fēng)鋒的發(fā)生和發(fā)展進(jìn)行分析。

21世紀(jì)以來，各國(guó)衛(wèi)星遙感技術(shù)不斷提升，衛(wèi)星數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率越來越高，極大地提升了人們對(duì)海風(fēng)鋒過程的認(rèn)知，但在實(shí)際識(shí)別方面還存在一些局限性。為了克服無法從衛(wèi)星圖像中直接清晰地觀測(cè)出海風(fēng)鋒的限制，研究人員試圖通過觀察相關(guān)現(xiàn)象來識(shí)別海風(fēng)鋒。由于海風(fēng)鋒附近的風(fēng)會(huì)聚，上升的空氣凝結(jié)形成云層，因此可以根據(jù)平行于海岸線并向內(nèi)陸推進(jìn)的積云線來推斷海風(fēng)鋒的存在。相關(guān)研究也論證了積云線在海風(fēng)鋒檢測(cè)中的重要作用，例如GOLER等[11]、BIRCH等[12-13]對(duì)全球不同沿海區(qū)域的云線特征進(jìn)行了分類總結(jié)，發(fā)現(xiàn)不同類型云線的海風(fēng)環(huán)流不盡相同。此外，散射計(jì)風(fēng)資料和云高儀資料也可以用于海風(fēng)鋒的檢測(cè)[14-18]。

本文從海風(fēng)鋒的識(shí)別以及結(jié)構(gòu)和演變特征兩方面，全面介紹了國(guó)內(nèi)外海風(fēng)鋒的遙感應(yīng)用研究進(jìn)展及發(fā)展前沿，旨在為國(guó)內(nèi)開展相關(guān)研究提供參考。

2 海風(fēng)鋒的識(shí)別

從1960年首次成功發(fā)射氣象衛(wèi)星至今，空間遙感技術(shù)已經(jīng)不斷發(fā)展至成熟。衛(wèi)星數(shù)據(jù)資料在天氣分析預(yù)報(bào)、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)等方面，特別是在中尺度強(qiáng)對(duì)流天氣方面有著十分重要的作用[19]。20世紀(jì)六七十年代，世界上主要運(yùn)行的氣象衛(wèi)星為美國(guó)第一代和第二代業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星以及第一代業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星，但依靠當(dāng)時(shí)較低分辨率的輻射計(jì)數(shù)據(jù)無法對(duì)海風(fēng)鋒進(jìn)行精細(xì)觀測(cè)。

20世紀(jì)80年代，美國(guó)和歐洲分別發(fā)射了第三代極軌氣象衛(wèi)星和Meteosat系列靜止氣象衛(wèi)星。第三代極軌氣象衛(wèi)星新增了高分辨率紅外探測(cè)器（Highresolution Infra Red Sounder，HIRS）和多通道高級(jí)甚高分辨率掃描輻射計(jì)（Advanced Very High Resolution Radiometer，AVHRR），相比上一代極軌氣象衛(wèi)星增加了同時(shí)獲取多通道圖像的能力。Meteosat系列靜止氣象衛(wèi)星所裝載的紅外可見光成像儀首次獲得了水汽圖像，明顯提高了圖像的時(shí)空分辨率。這些高精度的衛(wèi)星設(shè)備投入觀測(cè)試驗(yàn)，獲得了大量覆蓋面更廣、時(shí)空密度更大的衛(wèi)星資料，氣象學(xué)家也開始將這些衛(wèi)星資料投入海風(fēng)鋒的識(shí)別研究中。FETT等[10]通過觀察氣象衛(wèi)星可見光圖像，清楚地看到海岸線附近存在平行于海岸線的明暗線形圖案，經(jīng)過分析得出此圖案就是趨向于平行海岸線的無風(fēng)區(qū)（即海風(fēng)鋒），這開啟了海風(fēng)鋒的遙感識(shí)別觀測(cè)。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，遙感儀器研制技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)不斷進(jìn)步，具有高時(shí)空分辨率和連續(xù)空間覆蓋的氣象衛(wèi)星逐漸成為海風(fēng)鋒觀測(cè)的有效工具。DAMATO等[20]和PLANCHON等[21]根據(jù)經(jīng)緯度參考系對(duì)可見光圖像進(jìn)行投影，采用平均值過濾器平滑和均勻化圖像，在圖像上定義并繪制海風(fēng)鋒，其目的是從云圖中探測(cè)出海風(fēng)鋒，并根據(jù)天氣條件估計(jì)海風(fēng)鋒的出現(xiàn)。這種通過遙感標(biāo)記海風(fēng)鋒的方法能較為精準(zhǔn)地檢測(cè)出海風(fēng)鋒，但會(huì)受到無關(guān)云帶的干擾和無云天氣的限制。GILLE等[14]通過分析快速散射計(jì)（Quick Scaterometer，QuikSCAT）測(cè)得的早晚風(fēng)差異來確定海風(fēng)鋒的存在，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)風(fēng)的顯著日變化常發(fā)生在北緯50°以北的海岸線和偏東信風(fēng)地區(qū)，平均風(fēng)及其日變化都傾向于平行海岸；但由于QuikSCAT散射計(jì)每天只提供兩次采樣，所以無法開展海風(fēng)鋒作為重力流在陸上傳播的研究（日本ADEOS-II衛(wèi)星發(fā)射后，這個(gè)情況有所改善，該衛(wèi)星在QuikSCAT散射計(jì)的測(cè)風(fēng)時(shí)間外可提供兩次散射儀風(fēng)測(cè)量）。GOLER等[11]根據(jù)衛(wèi)星觀察到的云線形狀和移動(dòng)情況，將澳大利亞北部卡奔塔利亞（Carpentaria）灣旱季形成的云系分成3種基本類型，并且對(duì)不同類型的云線與降水的關(guān)聯(lián)進(jìn)行了總結(jié)；該研究發(fā)現(xiàn)積云線的產(chǎn)生與前1 d沿海海風(fēng)鋒的出現(xiàn)密切相關(guān)，不同類型積云線對(duì)應(yīng)的海風(fēng)環(huán)流不盡相同，該結(jié)果證實(shí)了利用積云線檢測(cè)海風(fēng)鋒的可行性。IWAI等[5]利用直升機(jī)載傳感器結(jié)合雙多普勒激光雷達(dá)對(duì)海風(fēng)鋒的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀測(cè)研究。

近十年來，隨著氣象衛(wèi)星及其裝載設(shè)備的更新?lián)Q代，衛(wèi)星資料越來越豐富，時(shí)空分辨率逐漸提高。經(jīng)過不斷的改進(jìn)與應(yīng)用，衛(wèi)星識(shí)別方法現(xiàn)已成為氣象學(xué)家研究海風(fēng)鋒的主要手段之一。CORPETTI等[24]注意到衛(wèi)星可見光圖像中海風(fēng)鋒面生成的特定云紋理模式的復(fù)雜性，利用傳統(tǒng)的視覺檢測(cè)方法無法判斷，因此提出了一種從圖像中提取鋒面的活動(dòng)輪廓方法。這種方法基于蛇形（Snake）活動(dòng)輪廓法，通過小波分解處理圖像中一些特定紋理以及透明現(xiàn)象特性，這種分解能夠計(jì)算鋒面是否存在。此技術(shù)已經(jīng)在實(shí)例圖像上得到驗(yàn)證，提出的理論框架不僅可以用于海風(fēng)鋒檢測(cè)，還適用于任何其他紋理模式分析。利用可見光圖像中低空云層和地表特征之間反射率的差異可以對(duì)云線進(jìn)行識(shí)別，在可見光圖像中根據(jù)顏色對(duì)云型進(jìn)行分類，灰色/白色陰影代表云的不同厚度和密度，當(dāng)出現(xiàn)與海岸線形狀類似并向內(nèi)陸推進(jìn)的曲線時(shí)可推斷海風(fēng)鋒存在。這種方法能精準(zhǔn)識(shí)別海風(fēng)鋒，但存在無云情況的限制。為了解決這個(gè)問題，LENSKY等[23]提出了晴空條件下海風(fēng)鋒的檢測(cè)方法，即使用來自歐洲第二代靜止氣象衛(wèi)星的紅外可見光圖像對(duì)夏季晴空條件下的海風(fēng)鋒進(jìn)行識(shí)別分析。這種方法不依賴于云的存在，而是利用晴空條件下從地面反射的熱紅外輻射來檢測(cè)海風(fēng)鋒，但由于受到地域條件的影響，檢測(cè)準(zhǔn)確度有待提高。BIRCH等[12-13]利用衛(wèi)星云圖資料，對(duì)澳大利亞西北部和阿拉伯海上空的云線特征進(jìn)行了分類總結(jié)，該研究將澳大利亞西北部云線分為3類，觀察表明所有的波狀云線都在近海傳播，這些波狀云線與海風(fēng)輻合線有關(guān)，研究還指出阿拉伯海上空的波狀云線與澳大利亞西北海域的波狀云線非常相似。ANJOS等[24]對(duì)GOES-13通道1的可見光圖像（波長(zhǎng)為0.55～0.75 μm）以及巴西天氣預(yù)報(bào)和氣候研究中心（CPTEC）提供的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過對(duì)可見光圖像進(jìn)行順序分析、將海風(fēng)鋒統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)應(yīng)用到環(huán)境地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）、加入地理信息作為參考、計(jì)算線密度和定義每小時(shí)的海風(fēng)鋒等處理來識(shí)別海風(fēng)鋒。FERDIANSYAH等[24]提出利用地球靜止衛(wèi)星圖像導(dǎo)出海風(fēng)鋒二維分布的框架，該框架將“形態(tài)蛇形算法”（Morphological Snake Algorithm）應(yīng)用于可見光圖像來自動(dòng)檢測(cè)與海風(fēng)鋒相關(guān)的積云線；為了確保挑選的海風(fēng)日中的云線與海風(fēng)鋒相關(guān)，選擇了存在從陸風(fēng)到海風(fēng)風(fēng)向變化且海風(fēng)模式至少連續(xù)存在2 h的海風(fēng)日；結(jié)合地面觀測(cè)，證明了海風(fēng)鋒可以根據(jù)濕度增加、氣溫升高速率降低以及風(fēng)速增加等要素變化進(jìn)行判斷。

以上研究表明，不同的海風(fēng)鋒識(shí)別方法存在顯著差異。利用星載散射計(jì)測(cè)量的早晚風(fēng)差異能確定海風(fēng)鋒的存在，然而由于測(cè)量時(shí)次的限制無法確定海風(fēng)鋒發(fā)生的位置和開始時(shí)間?？梢姽鈭D像檢測(cè)法更有利于確定海風(fēng)鋒的位置，雖然其早期的視覺檢測(cè)法的計(jì)算成本較低、耗時(shí)較短，卻無法適應(yīng)相關(guān)云線的復(fù)雜紋理分析，導(dǎo)致識(shí)別誤差較大；之后的檢測(cè)方法經(jīng)過發(fā)展更新，結(jié)合算法可以實(shí)現(xiàn)從圖像中提取鋒面，在一定程度上解決了識(shí)別誤差較大這一問題，但仍然存在諸多限制。

3 海風(fēng)鋒結(jié)構(gòu)和演變特征

20世紀(jì)六七十年代，隨著海風(fēng)鋒理論研究的逐步完善和觀測(cè)技術(shù)的快速進(jìn)步，科學(xué)家們積累了豐富的海風(fēng)鋒觀測(cè)實(shí)例，并提出了較成熟的海風(fēng)鋒模型。20世紀(jì)80年代，隨著衛(wèi)星技術(shù)的不斷進(jìn)步和觀測(cè)資料的積累，對(duì)海風(fēng)鋒結(jié)構(gòu)和演變的認(rèn)識(shí)也在不斷完善，尤其是高空間分辨率的氣象衛(wèi)星裝載計(jì)投入觀測(cè)試驗(yàn)，獲得了大量數(shù)據(jù)，被應(yīng)用于海風(fēng)鋒細(xì)致結(jié)構(gòu)和演變特征的研究中。RAMIS等[26]在分析西班牙馬略卡（Majorca）島的一次海風(fēng)鋒過程中，通過氣象衛(wèi)星云圖發(fā)現(xiàn)一條與海風(fēng)幅合線相對(duì)應(yīng)的積云線向島嶼內(nèi)部推進(jìn)，證實(shí)了云線對(duì)海風(fēng)鋒檢測(cè)的指示作用。CAUTENET等[27]使用可見光圖像跟蹤了西非幾內(nèi)亞灣1979年1月海風(fēng)鋒面向內(nèi)陸滲透的日變化，發(fā)現(xiàn)幾內(nèi)亞灣周圍區(qū)域在海風(fēng)環(huán)流方面具有獨(dú)特的共性和局部特征；研究還利用數(shù)值模擬分析了該處對(duì)流有效勢(shì)能的變化，結(jié)果表明對(duì)流的不穩(wěn)定性在其兩側(cè)最大，對(duì)流增強(qiáng)的位置是由500～2 000 m層的風(fēng)切變決定的。20世紀(jì)90年代，WAKIMOTO等[28]利用單多普勒觀測(cè)、衛(wèi)星圖像、對(duì)流 和 降 水/起 電（Convection and Precipitation/Electrification，CaPE）試驗(yàn)收集到的圖像，對(duì)1991年8月6日（陸上）和8月12日（海上）的海風(fēng)事件進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明兩日的海風(fēng)鋒在云圖上的特征有很大差異，8月6日的水平對(duì)流卷與海風(fēng)鋒緊密平行，鋒面的傳播速度較均勻；8月12日水平對(duì)流卷和鋒面方向幾乎垂直，海風(fēng)鋒線較寬且易于識(shí)別。BRUMMER等[29]在1989年5月9日的可見光圖像上觀測(cè)到一條與天氣尺度冷鋒相對(duì)應(yīng)的云線從北海移動(dòng)至德國(guó)北部，冷鋒到達(dá)海岸后與海風(fēng)鋒相互作用，推動(dòng)海風(fēng)鋒向內(nèi)陸移動(dòng)。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著遙感技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)海風(fēng)鋒結(jié)構(gòu)和演變的認(rèn)知也在不斷更新和完善，尤其是多種高時(shí)空分辨率的衛(wèi)星探測(cè)系統(tǒng)投入觀測(cè)試驗(yàn)，獲得了大量有關(guān)海風(fēng)鋒結(jié)構(gòu)和演變特征的精細(xì)化數(shù)據(jù)。DAMATO等[20]利用衛(wèi)星可見光圖像估算了西歐海風(fēng)鋒的出現(xiàn)頻率及其在暖季的內(nèi)陸滲透，結(jié)果表明海風(fēng)鋒的分布和內(nèi)陸滲透受時(shí)間和空間影響，由于地理（地形和海岸暴露）和氣象因素的作用，午后的內(nèi)陸滲透距離在10～50 km之間變化，英吉利海峽地區(qū)觀測(cè)到的海風(fēng)鋒頻率與北歐反氣旋有關(guān)。APARNA等[15]提出了一種量化海風(fēng)向海范圍的方法，該方法對(duì)QuikSCAT衛(wèi)星散射計(jì)的瞬時(shí)風(fēng)矢量資料進(jìn)行處理，通過風(fēng)矢量相關(guān)系數(shù)的退化表現(xiàn)來估計(jì)海風(fēng)的向海程度。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于它完全依賴于衛(wèi)星測(cè)量，不需要陸地上的風(fēng)數(shù)據(jù)，但是該方法不能確定向海范圍的日常變化。PLANCHON等[21]利用衛(wèi)星遙感資料估算了巴西北部海風(fēng)鋒的頻率以及在18時(shí)（世界時(shí)）穿透內(nèi)陸的平均距離，研究發(fā)現(xiàn)海風(fēng)鋒在旱季（9—12月）的出現(xiàn)頻率最高，在9—11月深入內(nèi)陸最遠(yuǎn)，距塞阿拉海岸（the coast at Ceará）的最大距離為100 km。AZORIN-MOLINA等[30]基于衛(wèi)星觀測(cè)詳細(xì)總結(jié)了伊比利亞半島東南部對(duì)流內(nèi)邊界層和海風(fēng)輻合帶對(duì)各種云發(fā)展的影響，進(jìn)一步的歸納表明海風(fēng)鋒能增加低云和對(duì)流積云的出現(xiàn)頻率，同時(shí)也會(huì)對(duì)與積雨云有關(guān)的高云、中云和低云的發(fā)展產(chǎn)生抑制作用。LI等[31]同時(shí)使用了美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）的NOAA-16衛(wèi)星的AVHRR圖像和GOES-8衛(wèi)星的可見光圖像對(duì)2001年8月17日美國(guó)東海岸的沿海積云線進(jìn)行觀測(cè)分析，結(jié)果顯示：云線形成于當(dāng)?shù)貢r(shí)間16:00，從佛羅里達(dá)州延伸至北卡羅來納州的哈特拉斯角（Cape Hatteras），長(zhǎng)約850 km，寬約8.5 km，以海岸線的形狀穿透內(nèi)陸超過20 km且穿透速度不均勻；結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果證實(shí)了這種云線的形成與海風(fēng)環(huán)流有關(guān)，模型模擬的最大垂直速度區(qū)域也與云線位置非常吻合。

21世紀(jì)初，IWAI等[18]使用從多普勒激光雷達(dá)、云高儀和氣象地面站獲得的數(shù)據(jù)，記錄了東京地區(qū)一次海風(fēng)鋒的三維結(jié)構(gòu)以及與海風(fēng)鋒相關(guān)的垂直氣溶膠輸送情況；云高儀觀測(cè)到距離地面2 km的氣溶膠后向散射，海風(fēng)鋒前端的密度較大的氣溶膠從海風(fēng)鋒的頭部逸出，然后被強(qiáng)上升氣流垂直輸送到混合高度；結(jié)合雷達(dá)和氣象站資料推測(cè)出海風(fēng)鋒和前部氣流之間的熱相互作用會(huì)影響海風(fēng)鋒結(jié)構(gòu)和相關(guān)區(qū)域的空氣質(zhì)量。LENSKY等[23]利用氣象衛(wèi)星連續(xù)熱紅外圖像和實(shí)測(cè)資料，根據(jù)不同天氣環(huán)流對(duì)2010年7月以色列的10個(gè)實(shí)例進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)，揭示了夏季晴空條件下的海風(fēng)特征和海風(fēng)的兩種不同模式，結(jié)果表明弱水平壓力梯度促進(jìn)海風(fēng)發(fā)展，強(qiáng)水平壓力梯度抑制海風(fēng)發(fā)展。BROWN等[16]使用散射計(jì)風(fēng)觀測(cè)對(duì)澳大利亞達(dá)爾文附近的近海海陸風(fēng)進(jìn)行研究，使用的數(shù)據(jù)為歐洲業(yè)務(wù)極軌氣象衛(wèi)星METOP-B的二級(jí)高級(jí)散射計(jì)（Advanced Scatterometer，ASCAT）海岸優(yōu)化產(chǎn)品，優(yōu)化數(shù)據(jù)則是將ASCAT測(cè)量值初始平均到規(guī)則的時(shí)空網(wǎng)格上而形成；利用模型和衛(wèi)星估算得到的近海表面海風(fēng)特征（強(qiáng)度和水平空間范圍）大體上是一致的，強(qiáng)度差異小于2 m/s，向海范圍變化不超過150 km，模型可以很好地模擬海風(fēng)擾動(dòng)振幅隨季風(fēng)狀況的變化。ANJOS等[24]發(fā)現(xiàn)巴西東北海岸的塞爾吉佩地區(qū)溫度升高與海風(fēng)鋒的發(fā)展有關(guān)，因此對(duì)2015年巴西東北部的847幅可見光圖像進(jìn)行序列分析，結(jié)合地面氣象數(shù)據(jù)對(duì)海風(fēng)鋒的日常表現(xiàn)、海風(fēng)鋒日和非海風(fēng)鋒日的氣象變量等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；結(jié)果顯示大部分海風(fēng)鋒從當(dāng)?shù)貢r(shí)間12:00開始，19:00停止，持續(xù)時(shí)間為7 h，最大內(nèi)陸滲透距離海岸94 km；此外，海風(fēng)鋒與太陽輻射、溫度增加以及相對(duì)濕度和露點(diǎn)溫度的降低有關(guān)的論點(diǎn)也得到證實(shí)。這種現(xiàn)象顛覆了以往海風(fēng)有利于溫度降低的認(rèn)識(shí)。苗春生等[32]利用國(guó)家衛(wèi)星氣象中心的FY-2D衛(wèi)星的亮溫（Black Body Temperature，TBB）產(chǎn)品對(duì)夏季江蘇沿海海風(fēng)鋒的對(duì)流云活動(dòng)進(jìn)行了觀察分析。SHORT等[17]綜合考慮了5種衛(wèi)星數(shù)據(jù)：NOAA衛(wèi)星在4個(gè)季節(jié)下觀測(cè)到的向外長(zhǎng)波輻射（Outgoing Longwave Radiation，OLR）數(shù)據(jù)、METOP-A和METOP-B兩顆衛(wèi)星上的ASCAT數(shù)據(jù)、搭載在OceanSat-2衛(wèi)星上的快速散射計(jì)（Rapid Scatterometer，RSCAT）數(shù)據(jù)、搭載在海洋二號(hào)（HY-2A）衛(wèi)星上的散射計(jì)（HY2-SCAT）數(shù)據(jù)以及由國(guó)際空間站（International Space Station，ISS）攜帶的快速散射計(jì)數(shù)據(jù)，利用多個(gè)實(shí)例對(duì)海風(fēng)鋒和近海降水的日循環(huán)之間的聯(lián)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)來自附近島嶼的海風(fēng)鋒會(huì)對(duì)日降水的周期產(chǎn)生影響。

20世紀(jì)20年代以來，BERRI等[33]使用空間分辨率為1 km×1 km，時(shí)間分辨率為30 min的可見光圖像對(duì)La Plata河地區(qū)兩個(gè)發(fā)展良好的海風(fēng)個(gè)例進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐暮０毒€特征明顯影響海風(fēng)鋒向內(nèi)陸的滲透，結(jié)合當(dāng)?shù)赜^測(cè)和靜力邊界層模式的模擬可以發(fā)現(xiàn)，海風(fēng)鋒的傳播與邊界層內(nèi)三維環(huán)流的變化有關(guān)，模式較好地模擬了衛(wèi)星圖像中明顯云帶的向內(nèi)陸傳播速度，但估算的海風(fēng)鋒向內(nèi)陸的傳播速度明顯大于高空云帶的傳播速度。FERDIANSYAH等[25]利用日本業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星葵花8號(hào)（Himawari-8）探測(cè)積云線的B03波段可見光圖像（空間分辨率500 m，時(shí)間分辨率為10 min）和用來反演表面溫度的B13熱紅外圖像（空間分辨率為2 km，時(shí)間分辨率為10 min）對(duì)印度尼西亞雅加達(dá)地區(qū)的海風(fēng)鋒進(jìn)行檢測(cè)研究，結(jié)果表明云線能夠合理地表示海風(fēng)鋒的到達(dá)時(shí)間，但城市熱島環(huán)流引起的上升氣流會(huì)造成市中心的時(shí)間偏差稍大于其他地區(qū)。GRAU等[34]使用來自第二代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星（Meteosat Second Generation，MSG）的地表和海面溫度數(shù)據(jù)計(jì)算地中海西部帕爾馬（Parma）盆地的海陸溫差，并對(duì)發(fā)生在帕爾馬盆地的海風(fēng)鋒進(jìn)行分析研究，以評(píng)估水平溫差在海風(fēng)特征中的貢獻(xiàn)；研究發(fā)現(xiàn)，在暖月期間，海風(fēng)鋒日的海陸溫差（約13℃）略大于非海風(fēng)鋒日（約11℃）。

目前海風(fēng)鋒研究主要以常規(guī)氣象站資料和雷達(dá)資料為主，衛(wèi)星遙感資料為輔。衛(wèi)星的星載散射計(jì)和光學(xué)成像儀能夠提供高時(shí)空分辨率的氣象信息，可用來推斷海風(fēng)鋒的發(fā)生和發(fā)展特征。早期利用光學(xué)成像儀對(duì)海風(fēng)鋒進(jìn)行研究大多是通過云線的移動(dòng)來描述其演變過程，后來的研究更進(jìn)一步，可以通過云的種類、云的外觀表現(xiàn)、對(duì)流云團(tuán)的云頂高度及云團(tuán)傳播速度來定量描述海風(fēng)鋒。

國(guó)內(nèi)氣象衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星已經(jīng)成系列發(fā)展。后續(xù)研制發(fā)射的風(fēng)云三號(hào)F星、G星等極軌氣象衛(wèi)星均將搭載視場(chǎng)幅寬更大、觀測(cè)頻率更高的微波成像儀和中分辨率光譜成像儀；海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星搭載的微波散射計(jì)已經(jīng)形成HY-2B/C/D三星組網(wǎng)觀測(cè)能力，具備每6 h全球80%以上海域監(jiān)測(cè)的覆蓋能力，未來將構(gòu)建第二個(gè)海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星星座，重點(diǎn)加強(qiáng)星地一體化的設(shè)計(jì)，以提高多要素、高精度和全覆蓋的綜合觀測(cè)能力[35-37]。這些遙感資料的分析和應(yīng)用有望能顯著提高對(duì)海風(fēng)鋒等中小尺度天氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和演變過程的科學(xué)認(rèn)識(shí)。

4 總結(jié)與展望

在海風(fēng)鋒研究領(lǐng)域，由于常規(guī)氣象觀測(cè)和模式的時(shí)空密度有限，難以對(duì)海風(fēng)鋒進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)。高時(shí)空分辨率的衛(wèi)星遙感觀測(cè)作為海風(fēng)鋒研究的有效工具，已經(jīng)在不少地區(qū)開展，并受到氣象學(xué)家的廣泛重視（見表1）。從遙感手段來看，遙感資料從早期單一的星載光學(xué)成像儀資料變成與星載散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)資料和星載紅外成像儀資料相結(jié)合[14-17]；從研究?jī)?nèi)容來看，遙感資料多應(yīng)用于海風(fēng)鋒的識(shí)別、三維結(jié)構(gòu)和演變特征研究，而在海風(fēng)鋒物理機(jī)制等方面的應(yīng)用研究還鮮有涉及。

從表1可以看出，海風(fēng)鋒遙感分析研究盡管起步較晚，但隨著遙感探測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展，也在不斷進(jìn)步；氣象衛(wèi)星可提供高時(shí)空分辨率和高精度的資料，衛(wèi)星掃描可達(dá)到10 min級(jí)更新，空間分辨率可達(dá)到500 m，這些資料的利用使得研究海風(fēng)鋒的精細(xì)結(jié)構(gòu)和細(xì)致的連續(xù)演變過程成為可能。未來研究可關(guān)注以下問題：

表1 海風(fēng)鋒衛(wèi)星遙感研究的年代和區(qū)域分布Table 1 Temporal and regional distribution of satellite remote sensing studies of sea breeze front

（1）通過識(shí)別可見光圖像中與海風(fēng)鋒相關(guān)的云線來檢測(cè)海風(fēng)鋒的方法常被使用，效果也比較穩(wěn)定，但由于存在大量無關(guān)云線的干擾和無云天氣的限制，海風(fēng)鋒也不總是與云線相關(guān)聯(lián)；此外，由于邊界條件十分復(fù)雜，在數(shù)學(xué)上也很難處理可見光圖像中的噪聲。

（2）通過地面反射的熱紅外輻射來檢測(cè)海風(fēng)鋒，能夠檢測(cè)晴空條件下的海風(fēng)鋒，但由于受到地理信息的影響，檢測(cè)精確度較低。

（3）通過散射計(jì)風(fēng)資料進(jìn)行海風(fēng)鋒分析可以排除上述限制，并且能夠清晰地表現(xiàn)出海風(fēng)特征，但由于散射計(jì)數(shù)據(jù)受到衛(wèi)星條帶時(shí)間的限制，不能很好地表現(xiàn)海風(fēng)鋒的日變化。

我國(guó)在海風(fēng)（鋒）的遙感研究方面尚處于起步階段，至今缺乏針對(duì)性的研究，而相關(guān)研究采用的視覺檢測(cè)方法較為傳統(tǒng)，無法精準(zhǔn)檢測(cè)出海風(fēng)鋒[32，38]。從技術(shù)層面來看，利用衛(wèi)星圖像提取海風(fēng)鋒的活動(dòng)輪廓、應(yīng)用“形態(tài)蛇形算法”自動(dòng)檢測(cè)可見光圖像中積云線等方法檢測(cè)海風(fēng)鋒比傳統(tǒng)的視覺檢測(cè)方法更高效、更精準(zhǔn)；通過觀測(cè)早期積云發(fā)展特征以及相對(duì)濕度變化可以更加直接且定量地監(jiān)測(cè)海風(fēng)鋒。此外，國(guó)內(nèi)氣象衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星正處于更新?lián)Q代時(shí)期，新一代氣象衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星在時(shí)空分辨率、光譜通道數(shù)以及搭載儀器性能等方面都有質(zhì)的提升，有望促進(jìn)海風(fēng)鋒的深入研究。