荀愛萍 黃惠镕 陳德花

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廈門地區(qū)海陸風環(huán)流觀測及特征分析*

荀愛萍1,2黃惠镕1,2陳德花1,2

1.海峽氣象開放實驗室 2.廈門市氣象臺

通過統(tǒng)計分析2016年5月～2017年4月廈門高時空分辨率的地面觀測站資料，得到以下結論：海陸風日在時間分布上天數最多的月份為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，在海邊的站點海陸風日天數較少，而稍近內陸的站點天數較多，這種區(qū)別在夏季更加明顯；陸風轉海風的時刻主要是在09～12時，海風轉陸風多在21～24時，稍近內陸的站點相比海邊的站點海風起風時間和陸風起風時間都較早一些；海陸風日海風風速遠遠大于陸風風速。利用風廓線雷達數據和觀測站資料對廈門地區(qū)海陸風環(huán)流發(fā)展高度及典型海陸風日進行分析，可知廈門地區(qū)48%的海陸風環(huán)流能夠發(fā)展到150m高度及以上，2016年10月海陸風環(huán)流發(fā)展高度最高，最高可達750m；海風順轉一般從低層開始，逐漸向高層推進, 整層轉變需要2.5h左右。

廈門地區(qū) 海陸風環(huán)流 風廓線雷達 典型海陸風日

1 概述

海陸風是沿海地區(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系，海陸風不僅會影響局地的天氣變化，有時會沿著海風鋒觸發(fā)雷暴大風、短時強降水等強對流天氣[1]，而且影響地區(qū)大氣污染物的擴散和輸送，與城市環(huán)境密切相關[2-3]。學界對海陸風的研究最早開始于20世紀20年代，Jeffreys提出海陸風的生成理論，指出海陸溫差引起的氣壓梯度力與摩擦力相平衡產生的摩擦風即為海陸風[4]，在此基礎上，海陸風理論研究不斷發(fā)展成熟，從線性理論階段發(fā)展到非線性理論階段[5-6]。而國內對于海陸風的觀測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)域的海陸風特征具有一定的共性，例如夏季海陸風日數大于冬季，海風風速大于陸風等。

風廓線雷達作為一種新型探測工具也被應用到海陸風環(huán)流研究之中，徐峰等[16]利用2011年2月湛江東海島風廓線雷達資料，系統(tǒng)分析了湛江東海島2月平均風場特征及海陸風特征；王志春等人[17]應用車載風廓線雷達探測資料分析了探測期間惠來海陸風的空間結構和時間演替規(guī)律；李炬等人[18]利用京津冀城市群地區(qū)６個觀測站風廓線雷達夏季一個月同步觀測資料，對其進行了風功率譜和小波分析，發(fā)現各站平均風矢量日變化在5:00～6:00、20:00～21:00有明顯風速變化和風向轉換，1500ｍ以下風向變化差異顯著。

廈門地處我國東南沿海、福建省東南部，背靠漳州、泉州平原，東臨臺灣海峽，一年四季都會出現海陸風，以春夏季節(jié)為盛，海陸風能夠觸發(fā)對流性天氣，并且與城市環(huán)境密切相關，因此研究廈門地區(qū)的海陸風特征顯得尤為重要。早在1988年，金文其[10]就統(tǒng)計分析了廈門地區(qū)海陸風的特征，但由于觀測手段的限制，不能很好地分析海陸風的垂直分布。本文在地面觀測站資料的基礎上，加入風廓線雷達數據，研究廈門地區(qū)海陸風環(huán)流的時空分布以及垂直分布特征。

2 資料和研究方法

2.1 資料

考慮所用站點資料的可靠性，本文選取國家級地面觀測站59134（廈門站）、59130（同安站），區(qū)域自動觀測站59140（翔安站）作為研究的代表站點，圖1給出了代表站在廈門市的位置以及海拔高度。由于翔安風廓線雷達從2016年4月開始業(yè)務運行，本文研究時段為2016年5月～2017年4月，資料包括觀測站逐時最大風速、風向以及翔安站風廓線雷達資料。其中風廓線雷達資料探測高度為8km，1.5km以下各層高度分別為150、270、390、510、630、750、870、990、1110、1230、1350、1470m；時間分辨率為6min。

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

2.2 研究方法

根據廈門沿海海岸線呈現東北—西南走向的特征，本文定義E-S風向為海風風向，W-N-NNE風向為陸風風向，靜風既不是海風也不是陸風。

為了確定海陸風日[13]，首先根據海陸風的日變化規(guī)律，把一天24h分為4個時段，01～08時為陸風時段，09～12時為陸風向海風轉化時段，13～20時為海風時段，21～24時為海風向陸風轉化時段。海陸風日24h地面觀測風速在10m·s-1以下，同時必須滿足以下兩個條件：

（1）在陸風時段01～08時，陸風出現時次必須≥4，而海風出現時次必須≤2；

（2）在海風時段13～20時，海風出現時次必須≥4，而陸風出現時次必須≤2。

3 海陸風的統(tǒng)計特征分析

3.1 海陸風日時空分布特征

沿海地區(qū)地面風向變化的原因主要包括系統(tǒng)風以及下墊面摩擦作用引起的風向改變和海陸熱力差異導致的海陸風效應[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，夏半年常為副熱帶高壓控制，以偏南風為主，季風特征明顯。圖2給出了2016年5月～2017年4月各月各代表站點的海陸風日天數，其中，同安站全年海陸風日天數最多，為167d；廈門站次之，為107d；而翔安站最少，只有64d。站點差別較大，這可能與廈門的地形、站點的海拔高度及位置有關，廈門海陸地形復雜，既有內外海，又有眾多的港灣，地形對海陸風轉換有明顯的影響。翔安站以及廈門站靠近沿海，四周受海洋的影響較明顯，與靠近內陸站點相比，海陸熱力差異相對較小，且常年平均風速較大，不利于海風環(huán)流的形成與維持，其中廈門站臨近的是內灣，且海拔高度較高（140.6m），受下墊面的影響較小，海陸熱力效應更明顯一些。同安站處于距離海岸線大概20km的內陸，北部存在1000m以上的山體，海陸熱力差異更加明顯，平均風速也較小，更有利于海風環(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日天數來看，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，靠近海邊的站點廈門站和翔安站夏季海陸風日天數較少，分別只有17d和11d，而稍近內陸的站點同安站有47d。海陸風多產生在弱天氣系統(tǒng)控制下，當大尺度背景風場較強時，海陸風常常被“淹沒”。2016年5月～2017年4年，各月海陸風日天數相差不大，一方面可能是僅一年的樣本數較少，另一方面也可能和這一年的大尺度背景風場相關。

圖2 各代表站以及三站平均各月海陸風日出現的天數

注：1605代表2016年5月，依此類推，下同。

3.2 海陸風強度分布特征

圖3給出了2016年5月～2017年4月各月各代表站點海陸風日的平均海風風速和陸風風速，廈門站的陸風風速全年都較大，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風速則較小。廈門站和翔安站靠近海邊，同安站稍近內陸，海風風速翔安站比較大，廈門站次之，同安站最小。從三站平均來看，在全年各個月份的海陸風日中，海風風速明顯大于陸風風速，海風風速全年都大于3m·s-1，而陸風風速則全年都小于3m·s-1。對于陸風風速，冬季的風速較大，其中1月最大，為3m·s-1，夏季風速較小，6月僅為1.9 m·s-1。而海風風速全年差別不大。

圖3 各代表站以及三站平均各月的平均陸風風速和海風風速

3.3 海陸風頻次變化特征

為了進一步研究海陸風日的海風與陸風時間分布特征，挑選出海陸風日之中各個時刻發(fā)生海風與陸風的頻次，圖4是各代表站海陸風日的陸風、海風發(fā)生頻次曲線?？梢钥吹剑ｏL、陸風的分布都呈現正弦式變化，且分布形式與站點的位置、頻次無關。01～08時是海風的間歇期，頻次較少，各站點基本無海風出現，從09時開始，海風頻次開始增多，14～19時為高峰，這是因為陸地溫度通常在14時達到最大值，下午溫度普遍維持較高。同時可以看到，翔安站海風的起風時間略晚，10時海風頻次開始明顯增多，廈門站更晚一點，到11時海風頻次開始明顯增多，這可能與其海拔高度有關。從陸風的頻次曲線可以看到，其分布形態(tài)與海風頻次基本相反，夜間陸風的頻次較多，而白天較少，13～21時是陸風的間歇期，頻次較少，尤其是14～19時，各站點基本都無陸風出現，9～12時陸風頻次減少，海風頻次增多，海風與陸風并存，表明9～12時主要為陸風向海風轉換的時期，而21～24時陸風頻次增多，海風頻次減少，該時段為海風向陸風轉換的時期。從陸風的起風時間來看，同安站的起風時間較廈門站和翔安站要早一點，21時陸風頻次就明顯增大，而其他兩站基本在22時才開始起風。

圖4 各代表站海陸風日的陸風頻次、海風頻次隨時間分布特征

4 海陸風環(huán)流發(fā)展高度及典型海陸風日特征

利用翔安風廓線雷達資料分析廈門地區(qū)海陸風環(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日數一共有64d，其中海陸風環(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)展高度的天數均為前者包括后者。圖5給出了海陸風環(huán)流不同發(fā)展高度的天數的月分布，可以看到，2016年8月、10月以及2017年3月海陸風環(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月海陸風環(huán)流發(fā)展高度較低，均在150m以下。

圖5 翔安站海陸風環(huán)流不同發(fā)展高度的海陸風日數的月分布

圖6給出了2016年10月3日風廓線雷達觀測的海陸風的水平風矢量的時間—高度剖面圖，海陸風環(huán)流非常明顯，01～09時從低層到高層都是以東北風為主，低層陸風風速較小，基本在4m·s-1以下，而高層風速較大，10～14時，低層到高層風向均從東北風慢慢順時針轉成東南風，低層到高層海風風速均較小。同時可以看到，越到高層，海風風向越多的時次是東風。

圖6 2016年10月3日海陸風風廓線變化：水平風矢量時間-高度剖面

海陸風的轉換一般都是從低層開始，當陸風轉為海風時，近地層由于地面加熱升溫最快，故風向最先開始偏轉，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，由下至上風向均開始偏轉。同樣，海風轉陸風，也是因為地面降溫最快，偏轉也是從低層向高層推進。圖7給出了2016年10月3日典型海陸風日陸風轉海風時各層風向變化，可以看到，11:00左右，150m高度風向由ENE轉變?yōu)镾SW，風速很小，在1m·s-1以下，11:30左右，270m高度和390m高度完成陸風向海風的轉變，之后直到13:00左右，510m高度風向從ENE順轉為E，13:30左右，630m和750m高度風向順轉成東南—南風，整個海陸風環(huán)流完成陸風轉海風所需要的時間大概為2.5h，在海風盛行時段，東風維持時間較長。

圖7 2016年10月3日陸風轉海風時各層風向變化

5 結論

本文利用2016年5月-2017年4月廈門高時空分辨率地面自動站資料，對海陸風日的時空分布、強度以及轉換時刻進行分析研究，另外加入風廓線雷達數據對海陸風環(huán)流發(fā)展高度及典型海陸風日進行分析，得出結論如下：

（1）海陸風日在時間分布上天數最多的月份為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，在海邊的站點海陸風日天數較少，而稍近內陸的站點天數較多，這種區(qū)別在夏季更加明顯。

（2）陸風轉海風的時刻主要是在09～12時，海風轉陸風多在21～24時，稍近內陸的站點相比海邊的站點海風起風時間和陸風起風時間都較早一些。在海陸風日中，海風風速遠遠大于陸風風速，海邊站點的海風風速大于稍近內陸的站點。

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

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國家自然科學基金項目(41705045)；福建省自然科學基金項目(2016J01182)；廈門市科學技術局科技惠民項目(3502Z20164083)；福建省氣象局開放基金項目(2016K02)；廈門市氣象科學研究基金課題(2017xmky01)；廈門市氣象局海洋精細化預報創(chuàng)新團隊。

陳德花，E-mail: 497075676@qq.com。