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        基于風(fēng)廓線雷達(dá)資料的蓬萊海陸風(fēng)時(shí)空結(jié)構(gòu)特征

        2021-09-16 09:57:26王棟成董旭光
        氣象與環(huán)境科學(xué) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:陸風(fēng)蓬萊海風(fēng)

        王棟成,邱 粲,3,董旭光,曹 潔

        (1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南 250031; 2.山東省氣候中心,濟(jì)南 250031;3.上海師范大學(xué)地理系,上海 200234)

        引 言

        海陸風(fēng)是發(fā)生在海岸附近由于海陸熱力差異引起的大氣中尺度環(huán)流,發(fā)生的原因是海陸熱容量差異導(dǎo)致的受熱不均勻[1]。白天海風(fēng)環(huán)流和夜間陸風(fēng)環(huán)流對(duì)沿海地區(qū)的天氣、氣候及污染物擴(kuò)散等都有影響,且還會(huì)影響溫、濕、風(fēng)場(chǎng)的變化[2,3],在一定的天氣背景下海陸風(fēng)還能對(duì)降水起到觸發(fā)和加強(qiáng)作用[4-6]。因此,研究海陸風(fēng)的影響范圍、強(qiáng)度及變化規(guī)律,對(duì)開(kāi)發(fā)風(fēng)能資源、評(píng)估邊界層大氣污染、弄清中小尺度天氣的物理機(jī)制、提高短時(shí)天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率等,均具有重要意義[3,7]。

        國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海陸風(fēng)的研究較多,匯總可分為三大類:觀測(cè)研究[7-11]、理論研究[12-14]、數(shù)值模擬研究[15-18]。國(guó)內(nèi)對(duì)渤海南岸山東半島北部區(qū)域及蓬萊的海陸風(fēng)研究[5,19-22],多屬早期僅基于地面資料或結(jié)合短期個(gè)例探空資料或數(shù)值模擬統(tǒng)計(jì)識(shí)別分析,資料的空間和時(shí)間分辨率都有較大限制,難以全面認(rèn)識(shí)實(shí)際的海陸風(fēng)三維分布、演變和時(shí)空結(jié)構(gòu)等。由于缺乏高時(shí)空密度連續(xù)的風(fēng)向風(fēng)速垂直觀測(cè)資料,因而無(wú)法對(duì)研究結(jié)果、數(shù)值模式模擬結(jié)果進(jìn)行更好的解釋和驗(yàn)證[23]。

        近年來(lái),氣象觀測(cè)飛機(jī)、衛(wèi)星跟蹤浮標(biāo)、輕便式聲雷達(dá)、多普勒雷達(dá)、激光雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)[24-30](簡(jiǎn)稱WPR)等,已逐步應(yīng)用到海陸風(fēng)的觀測(cè),其中WPR業(yè)務(wù)化發(fā)展迅速,并可實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)實(shí)時(shí)獲取邊界層內(nèi)不同高度的風(fēng)向風(fēng)速等數(shù)據(jù),其測(cè)風(fēng)連續(xù)、系統(tǒng)且數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率高、觀測(cè)精度高等特性,在海陸風(fēng)環(huán)流觀測(cè)分析方面顯示出優(yōu)越性[31]。但是,現(xiàn)階段基于WPR資料進(jìn)行海陸風(fēng)及環(huán)流的研究尚較少,且多屬個(gè)例或短期分析[32-36]。李炬等[23]利用京津冀城市群地區(qū)2010年近1個(gè)月6部WPR同步觀測(cè)資料,研究了夏季低空風(fēng)場(chǎng)分布特征和演變規(guī)律,認(rèn)為WPR資料可反映出不同地域山谷風(fēng)、海陸風(fēng)的綜合影響和作用,并嘗試組網(wǎng)應(yīng)用,但資料序列短且未給出海陸風(fēng)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)特征。荀愛(ài)萍等[37]利用2016年5月-2017年4月廈門(mén)翔安站W(wǎng)PR數(shù)據(jù)和區(qū)域地面觀測(cè)站資料,分析了該區(qū)域的海陸風(fēng)特征,發(fā)現(xiàn)海陸風(fēng)環(huán)流最高可達(dá)750 m,陸風(fēng)向海風(fēng)轉(zhuǎn)變整層需2.5 h左右,但該研究采用了傳統(tǒng)的海陸風(fēng)識(shí)別方法,且只簡(jiǎn)單分析了環(huán)流發(fā)展高度,海陸風(fēng)的時(shí)空結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度分析尚不系統(tǒng)。

        本文基于山東半島北部的蓬萊WPR站2014年1-12月觀測(cè)資料和同期地面氣象站資料,系統(tǒng)地分析該區(qū)域海陸風(fēng)發(fā)生頻率、生消時(shí)間、強(qiáng)度、高度及風(fēng)向風(fēng)速的時(shí)空變化等長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)特征,研究構(gòu)建蓬萊海陸風(fēng)的時(shí)空結(jié)構(gòu)模型,以期更全面地認(rèn)識(shí)海陸風(fēng)的時(shí)空演變規(guī)律和三維結(jié)構(gòu)特征,為業(yè)務(wù)應(yīng)用、理論研究、數(shù)值模擬等提供更好的解釋和驗(yàn)證。

        1 資料來(lái)源與研究方法

        1.1 資料來(lái)源

        本文所用距地面100-2980 m高度的水平風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù),來(lái)自蓬萊CLC-11-D型固定式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)站(120°48′E、37°48′N,海拔60.7 m)2014年每日逐小時(shí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)OOBS文件,按照中國(guó)氣象局《風(fēng)廓線雷達(dá)通用數(shù)據(jù)格式(V1.2)》,該文件均存儲(chǔ)實(shí)時(shí)觀測(cè)的各高度層上的采樣高度、水平風(fēng)向、水平風(fēng)速、垂直風(fēng)速、大氣折射率結(jié)構(gòu)指數(shù)等;雷達(dá)主要技術(shù)指標(biāo)為:時(shí)間分辨率≤6 min,有效數(shù)據(jù)最低探測(cè)高度100 m、最高探測(cè)高度≥3 km,輸出產(chǎn)品數(shù)據(jù)高度分辨率為60 m(820 m以下)、120 m(820-2020 m)、240 m(2020 m以上)三種,風(fēng)速與風(fēng)向測(cè)量精度分別為≤1.5 m·s-1、≤10°。本次采用該站經(jīng)質(zhì)量控制后業(yè)務(wù)上傳的產(chǎn)品數(shù)據(jù),并進(jìn)一步根據(jù)風(fēng)場(chǎng)的變化具有連續(xù)性的氣象原理進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制[38],在各高度上進(jìn)行上下層、在時(shí)間上進(jìn)行前后3個(gè)時(shí)次的風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)奇異點(diǎn)判斷,剔除異常數(shù)據(jù)并用前后或上下點(diǎn)平均來(lái)替代該點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

        所采用距地面10 m高度的氣象數(shù)據(jù),來(lái)自蓬萊地面氣象站2014年逐小時(shí)觀測(cè)記錄,數(shù)據(jù)均經(jīng)質(zhì)量控制且全年8760 h無(wú)缺測(cè),符合中國(guó)氣象局《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》。蓬萊地面氣象站的觀測(cè)場(chǎng)經(jīng)緯度、海拔高度均與WPR站一致,屬相同站點(diǎn),北距海岸線約2.0 km。

        1.2 海陸風(fēng)計(jì)算識(shí)別方法

        識(shí)別海陸風(fēng)日的方法可分為三類,一是應(yīng)用常規(guī)資料直接識(shí)別,二是應(yīng)用大氣遙感資料直接識(shí)別,三是應(yīng)用數(shù)值模擬結(jié)果間接識(shí)別[3]。邱曉暖和范紹佳[39]認(rèn)為,選擇系統(tǒng)風(fēng)對(duì)海陸風(fēng)影響小的個(gè)例進(jìn)行研究[35]、將垂直于海岸線方向v風(fēng)作為海陸風(fēng)[21]、月時(shí)間距平法[31,40]、對(duì)海陸風(fēng)的風(fēng)速加以限制[37]等傳統(tǒng)的海陸風(fēng)分析方法,均沒(méi)有真正地分離系統(tǒng)風(fēng)和海陸風(fēng),已不適用于自動(dòng)氣象站資料的局地環(huán)流分析,并提出了一套適用的局地環(huán)流分離與判定技術(shù)方法。本文利用自動(dòng)氣象觀測(cè)距地面10 m和WPR觀測(cè)低空100-2980 m的共計(jì)28個(gè)高度層的逐日24 h風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù),探討將局地環(huán)流分離與判定技術(shù)由地面資料拓展銜接至低空資料, 以實(shí)現(xiàn)多高度層數(shù)據(jù)的連續(xù)計(jì)算識(shí)別。

        (1)系統(tǒng)風(fēng)和局地風(fēng)的分離方法

        實(shí)測(cè)風(fēng)(測(cè)站測(cè)量)為系統(tǒng)風(fēng)(平均風(fēng))和局地風(fēng)(海陸風(fēng))的疊加[19,39]。先將實(shí)測(cè)的每日逐時(shí)風(fēng)矢量分解成u、v分量,分別取各時(shí)次u、v分量的平均得到日平均風(fēng)矢量的分量,合成得到系統(tǒng)風(fēng);然后,作實(shí)測(cè)風(fēng)與系統(tǒng)風(fēng)的矢量差,得到的風(fēng)矢量即為去掉系統(tǒng)風(fēng)之后的局地風(fēng)。公式如下:

        Ujr=Uds+Ujl

        (1)

        (2)

        Ujl=Ujr-Uds

        (3)

        其中,Ujr為每日第j個(gè)時(shí)次的實(shí)測(cè)風(fēng)矢量,Uds為每日系統(tǒng)風(fēng)矢量,Ujl為每日第j個(gè)時(shí)次的局地風(fēng)矢量。蓬萊位于山東半島北部且凸入渤海中,凸出部分海岸線總體呈東西走向(圖略),簡(jiǎn)明定義u為平行于海岸線方向的緯向風(fēng)分量(向東為正),v為垂直于海岸線方向的徑向風(fēng)分量(向北為正)。

        (2)海陸風(fēng)日判定標(biāo)準(zhǔn)

        以上述地面10 m層的局地風(fēng)矢量判斷為基準(zhǔn)。若白天海風(fēng)持續(xù)出現(xiàn)4個(gè)及以上時(shí)次、且夜間陸風(fēng)持續(xù)出現(xiàn)4個(gè)及以上時(shí)次,即符合環(huán)流結(jié)構(gòu)特征穩(wěn)定即風(fēng)向基本穩(wěn)定、風(fēng)速呈線性增減規(guī)律,則判定該天為海陸風(fēng)日。然后,由地面10 m層開(kāi)始,向上逐高度層識(shí)別計(jì)算海陸風(fēng),統(tǒng)計(jì)各計(jì)算結(jié)果(如時(shí)間、海風(fēng)高度、陸風(fēng)高度、風(fēng)向、風(fēng)速等),否則結(jié)束該日識(shí)別。

        蓬萊位于渤海南岸,屬中緯度地區(qū),根據(jù)該區(qū)域海岸線分布特征、所處的地理位置和逐日的局地風(fēng)特征,規(guī)定海風(fēng)風(fēng)向?yàn)閃-N-E,陸風(fēng)風(fēng)向?yàn)镋SE-S-WSW。

        對(duì)于判定的每一個(gè)海陸風(fēng)日,結(jié)合風(fēng)矢量時(shí)間-高度剖面圖(圖略),綜合確定該海陸風(fēng)日的各特征參數(shù)[37],并對(duì)計(jì)算結(jié)果再次進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)連續(xù)性質(zhì)量控制[38]。為展現(xiàn)完整的海風(fēng)和陸風(fēng)剖面,該圖中時(shí)間上向前延至2014年6月29日18時(shí)。該圖中WPR可清晰完整地捕捉到海陸風(fēng)的時(shí)空演變與結(jié)構(gòu)特征。29日20時(shí)-30日06時(shí),出現(xiàn)了一個(gè)陸風(fēng)過(guò)程。20時(shí)陸風(fēng)開(kāi)始形成,其后快速發(fā)展至820 m(23時(shí)至次日02時(shí)),03-06時(shí)又快速降低至10 m層,陸風(fēng)風(fēng)向呈現(xiàn)S-SSW-SW順時(shí)針偏轉(zhuǎn)趨勢(shì),陸風(fēng)持續(xù)時(shí)間自地面10 m層的11 h(20時(shí)至次日06時(shí))向上逐漸減少為820 m層的4 h(23時(shí)至次日02時(shí))。30日早晨至傍晚,出現(xiàn)了一個(gè)海風(fēng)過(guò)程。生成的海風(fēng)層頂高340-460 m(15時(shí)最高),海風(fēng)風(fēng)向呈現(xiàn)NW-N-NNE-ENE順時(shí)針偏轉(zhuǎn)趨勢(shì),海風(fēng)持續(xù)時(shí)間自地面10 m層至340 m層均在12 h(07-18時(shí))以上。30日白天還出現(xiàn)了海風(fēng)環(huán)流(晝間低層海風(fēng)和高層返海的陸風(fēng)構(gòu)成的環(huán)流,2014年共識(shí)別出15天,詳見(jiàn)2.4節(jié)),其返海陸風(fēng)層高度為400-1060 m,持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)10 h以上(07-16時(shí),出現(xiàn)在460-700 m層),風(fēng)向主要為SE-SSE。30日19時(shí),另一個(gè)陸風(fēng)過(guò)程開(kāi)始形成并持續(xù)發(fā)展,至23時(shí)陸風(fēng)層高為460 m,陸風(fēng)風(fēng)向呈現(xiàn)SE-SSE-S順時(shí)針偏轉(zhuǎn)趨勢(shì)。需特別指出,29日傍晚的海風(fēng)-陸風(fēng)轉(zhuǎn)換、30日早晨的陸風(fēng)-海風(fēng)轉(zhuǎn)換、30日傍晚的海風(fēng)-陸風(fēng)轉(zhuǎn)換均是漸進(jìn)演變的,日出(04:38)后1~2 h左右陸風(fēng)即轉(zhuǎn)換為海風(fēng),日落(19:21)后海風(fēng)消散、陸風(fēng)形成。本研究數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為1 h(OOBS數(shù)據(jù)),當(dāng)時(shí)間分辨率取6 min(ROBS數(shù)據(jù))時(shí),將更清晰識(shí)別出海陸風(fēng)時(shí)空演變的精細(xì)化漸進(jìn)過(guò)程。

        2 結(jié)果分析

        2.1 地面資料與WPR資料識(shí)別海陸風(fēng)日數(shù)對(duì)比

        2014年蓬萊地面資料與WPR資料識(shí)別海陸風(fēng)日數(shù)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn):蓬萊2014年地面觀測(cè)10 m高度的海陸風(fēng)日數(shù)為89天,占全年日數(shù)的24.4%;WPR觀測(cè)低空100-2980 m高度層的海陸風(fēng)日數(shù)為84天,占全年日數(shù)的23.0%;除缺測(cè)和弱海陸風(fēng)日外,WPR資料識(shí)別結(jié)果與地面資料的一致。兩者的結(jié)果均是夏季多(8月最多,15天)、冬季少(12月最少,僅1天),且海陸風(fēng)日出現(xiàn)總體符合7~10天一個(gè)天氣系統(tǒng)周期的規(guī)律。兩者差異的5天中,6月14、15日WPR資料缺測(cè);其余3天均是僅地面10 m層識(shí)別出弱海陸風(fēng),9月9日08-11時(shí)為海風(fēng)(09時(shí)2.3 m·s-1,其余0.1~0.5 m·s-1),11月8日11-17時(shí)為海風(fēng)(11時(shí)1.7 m·s-1,其余0.1~1.3 m·s-1),11月9日12-16時(shí)為海風(fēng)(14時(shí)1.4 m·s-1,其余0.3~0.8 m·s-1),而3天的100 m以上低空各高度層則分別為大尺度天氣系統(tǒng)控制的NE、NW、NW風(fēng)??梢?jiàn),弱海陸風(fēng)的垂直剖面表現(xiàn)是僅地面10 m層觀測(cè)到有短時(shí)且弱的海風(fēng),但WPR有效數(shù)據(jù)最低探測(cè)高度100 m以上則未觀測(cè)到海風(fēng)。

        表1 2014年蓬萊地面資料與WPR資料識(shí)別海陸風(fēng)日數(shù)對(duì)比

        基于WPR資料識(shí)別出4-9月共15天海風(fēng)環(huán)流(7、8月最多,各有4天),占2014年89天海陸風(fēng)日的16.9%。

        2.2 海陸風(fēng)的生消與持續(xù)時(shí)間

        統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖1)表明,地面海風(fēng)開(kāi)始時(shí)間最早為07時(shí),最晚為13時(shí),開(kāi)始盛行時(shí)間[39](指統(tǒng)計(jì)的海風(fēng)、陸風(fēng)開(kāi)始或結(jié)束的時(shí)間出現(xiàn)頻率高者,下同)為10時(shí),占24.1%;海風(fēng)結(jié)束時(shí)間最早為14時(shí),最晚為21時(shí),結(jié)束盛行時(shí)間為17時(shí),占28.9%。而低空海風(fēng)開(kāi)始時(shí)間最早為07時(shí),最晚為15時(shí),在盛行時(shí)間為12時(shí),占22.9%;結(jié)束最早時(shí)間為13時(shí),最晚為21時(shí),盛行時(shí)間為18時(shí),占31.3%。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)可見(jiàn),地面海風(fēng)持續(xù)時(shí)間年均8.01 h,最長(zhǎng)15 h(6月22日07-21時(shí)),最短4 h(1月4日13-16時(shí));低空海風(fēng)持續(xù)時(shí)間年均7.26 h,最長(zhǎng)14 h(6月22日08-21時(shí)),最短1 h(1月4日14時(shí))。四季規(guī)律低空與地面的一致,均是夏、春季開(kāi)始早、結(jié)束晚,冬、秋季開(kāi)始晚、結(jié)束早,夏季持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng),秋、春季的次之,冬季持續(xù)時(shí)間最短。這是由于夏季日出早、日落晚、日照時(shí)間長(zhǎng)且太陽(yáng)輻射強(qiáng),啟動(dòng)和維持海風(fēng)環(huán)流所需要的海陸溫差可以持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)[41]。

        表2 2014年蓬萊四季與年的海風(fēng)生消時(shí)間統(tǒng)計(jì)

        分析地面和低空海陸風(fēng)開(kāi)始與結(jié)束時(shí)間及其頻率(圖1)發(fā)現(xiàn),地面和低空的陸風(fēng)生消時(shí)間基本一致,且與海風(fēng)結(jié)束、開(kāi)始時(shí)間相對(duì)應(yīng);低空陸風(fēng)開(kāi)始的盛行時(shí)間為19時(shí),較地面的18時(shí)略晚1 h;低空陸風(fēng)結(jié)束的盛行時(shí)間與地面的一致,均在09時(shí)。

        圖1 2014年蓬萊地面和低空海陸風(fēng)開(kāi)始與結(jié)束時(shí)間、頻率對(duì)比

        可見(jiàn),基于WPR判別的低空海陸風(fēng)生消規(guī)律與地面10 m資料判別結(jié)果基本一致,也與基于常規(guī)地面氣象觀測(cè)和探空觀測(cè)給出的環(huán)渤海灣的海陸風(fēng)生消規(guī)律[1,10,21,41,42]相符。隨高度增加,海風(fēng)和陸風(fēng)的持續(xù)時(shí)間逐漸減少,海陸風(fēng)開(kāi)始和結(jié)束的盛行時(shí)間滯后,表明海陸風(fēng)的產(chǎn)生是由海陸表面不同的加熱和冷卻引起,并逐漸由下層向上傳播[43]。

        2.3 海陸風(fēng)高度的年變化

        統(tǒng)計(jì)2014年蓬萊84天海陸風(fēng)的海風(fēng)層、陸風(fēng)層日最大高度及出現(xiàn)頻率(圖2a、b)可見(jiàn),陸風(fēng)層頂高總體均大于海風(fēng)層,其中陸風(fēng)層頂高160~1180 m,均值674 m,520 m出現(xiàn)頻次最多,為16.7%,其次是820、940、700 m,出現(xiàn)頻次分別為11.9%、11.9%、10.7%;海風(fēng)層頂高100~940 m,均值450 m,280 m出現(xiàn)頻次最多,為14.3%,其次是340~460 m,頻次均為11.9%。84組樣本的海風(fēng)層與陸風(fēng)層最大頂高相關(guān)性較好,R=0.615且通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn),線性回歸方程系數(shù)為1.393(圖2c)。海風(fēng)、陸風(fēng)最大頂高均值的月變化規(guī)律明顯且趨勢(shì)基本一致(圖2d),兩者相關(guān)系數(shù)較高,R=0.903。海風(fēng)頂高以6月的最大,為633 m,12月的最小,為220 m;陸風(fēng)頂高以6月的最大,為873 m,1月的最小,為370 m。春、夏、秋、冬的海風(fēng)最大頂高均值分別為355、540、407、280 m,陸風(fēng)最大頂高均值為623、754、678、435 m。海陸風(fēng)高度的年變化規(guī)律是由該區(qū)域太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、海陸溫差等夏季強(qiáng)、冬季弱的年際變化導(dǎo)致的;海陸風(fēng)高度的相關(guān)性規(guī)律,則是源于該區(qū)域海陸熱力差異的固有規(guī)律性,即海域熱容量(Qs)與陸域熱容量(QL)的相關(guān)關(guān)系Qs=0.25QL[44-46]。

        圖2 2014年蓬萊站海風(fēng)高度與陸風(fēng)高度對(duì)比

        2.4 海陸風(fēng)日變化時(shí)空結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)模型的構(gòu)建

        統(tǒng)計(jì)2014年蓬萊84天海陸風(fēng)和15天海風(fēng)環(huán)流過(guò)程的每日逐時(shí)頂高與平均頂高,根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪圖構(gòu)建海陸風(fēng)時(shí)空結(jié)構(gòu)模型(圖3)。應(yīng)當(dāng)指出,本研究統(tǒng)計(jì)的是海風(fēng)、陸風(fēng)樣本各自特征,且是一般發(fā)生時(shí)間[39](指海陸風(fēng)在所指的時(shí)間內(nèi)有可能發(fā)生,下同)、自地面至低空連續(xù)海陸風(fēng)的最大頂高與平均值模型,而并非每次海陸風(fēng)都是這樣的高度和持續(xù)時(shí)間。由模型圖3可見(jiàn):

        (1)晝間海風(fēng)生消一般發(fā)生時(shí)間在07-21時(shí)(圖3a)。海風(fēng)層最大和平均頂高均呈現(xiàn)明顯的日變化規(guī)律,自早晨開(kāi)始增大,到14-15時(shí)最高,其后逐漸降低;海風(fēng)層頂高逐時(shí)最大值為15時(shí)的940 m,各時(shí)次頂高平均最大值為14時(shí)的377 m。海風(fēng)平均和最大高度均呈現(xiàn)明顯的季變化規(guī)律(圖3b、c),夏季持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)且高度最高,其次是秋季和春季的持續(xù)時(shí)間和高度,冬季持續(xù)時(shí)間最短且高度最低。

        (2)夜間陸風(fēng)生消一般發(fā)生時(shí)間在16時(shí)至次日12時(shí)(圖3a)。陸風(fēng)層最大和平均頂高均呈現(xiàn)明顯的日變化規(guī)律,自傍晚開(kāi)始增大到凌晨最高,其后逐漸降低;陸風(fēng)層頂高逐時(shí)最大值為00、01時(shí)的1180 m,逐時(shí)平均最大值為23時(shí)的503 m。陸風(fēng)平均和最大高度均呈現(xiàn)明顯的季變化規(guī)律(圖3d、e),夏季高度最高且在06時(shí)前后即迅速降低消散,17時(shí)前后又快速生成增高,其次是秋季和春季的高度,冬季高度總體最低。

        (3)2014年,共識(shí)別出晝間垂直高度層上的海風(fēng)環(huán)流15天,海風(fēng)層頂高最大在340~820 m,平均513 m,最多出現(xiàn)高度580 m(占比40.0%);返回陸風(fēng)層頂高最大為640~1780 m,平均951 m,最多出現(xiàn)高度940 m(占比40.0%)(圖3a),原理分析同2.3節(jié)所述。晝間海風(fēng)環(huán)流中的陸風(fēng)頂高遠(yuǎn)大于夜間陸風(fēng)頂高,分析原因主要是因白天溫度相對(duì)較低、空氣密度相對(duì)較大的海風(fēng)層的持續(xù)抬升作用,和溫度相對(duì)較高、空氣密度相對(duì)較小的陸風(fēng)層自身熱力抬升作用共同造成。海風(fēng)環(huán)流中返回陸風(fēng)的形成時(shí)間略晚于海風(fēng)形成時(shí)間,而結(jié)束時(shí)間則略早于海風(fēng)結(jié)束時(shí)間,陸風(fēng)持續(xù)時(shí)間(14 h)短于海風(fēng)的持續(xù)時(shí)間(16 h)。因地轉(zhuǎn)偏向力作用,隨高度增加、時(shí)間推移,海風(fēng)層和陸風(fēng)層各自的風(fēng)向均呈現(xiàn)向順時(shí)針?lè)较蚱D(zhuǎn)趨勢(shì),其中海風(fēng)為NW-N-ENE,陸風(fēng)為SE-S-WSW。海風(fēng)環(huán)流中,返回陸風(fēng)與海風(fēng)風(fēng)向反相,但夾角小于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°。海風(fēng)層和陸風(fēng)層的風(fēng)速各自隨高度的增加變化規(guī)律總體均是先增大后減??;各次海風(fēng)最大風(fēng)速2.4~6.0 m·s-1,最大平均4.0 m·s-1,出現(xiàn)高度分布在10-340 m,出現(xiàn)時(shí)間在12-16時(shí);各次返回陸風(fēng)最大風(fēng)速0.8~3.9 m·s-1,最大平均2.4 m·s-1,出現(xiàn)高度分布在460-1180 m,出現(xiàn)時(shí)間在10-16時(shí)。

        圖3 2014年蓬萊海陸風(fēng)時(shí)空結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)模型

        2.5 海陸風(fēng)風(fēng)向、風(fēng)速時(shí)空變化

        晝夜海陸風(fēng)風(fēng)向時(shí)空變化規(guī)律顯著,自形成到結(jié)束,自地面至最大高度層,因地轉(zhuǎn)偏向力作用,每次海風(fēng)、陸風(fēng)過(guò)程的風(fēng)向總體均是各自隨時(shí)間推移和高度增加呈現(xiàn)連續(xù)地向順時(shí)針?lè)较蚱D(zhuǎn)。其中,在早上海風(fēng)形成階段。風(fēng)向?yàn)閃NW-NW-N,中午旺盛期風(fēng)向?yàn)镹NW-N-NNE,傍晚結(jié)束期風(fēng)向則轉(zhuǎn)為NE-ENE-E,偏轉(zhuǎn)近180°。在傍晚陸風(fēng)形成階段風(fēng)向?yàn)镋SE-SE-S,凌晨至日出前旺盛期風(fēng)向?yàn)镾-SSW-SW,日出后結(jié)束期風(fēng)向則轉(zhuǎn)為SW-WSW-W,偏轉(zhuǎn)近180°。即每次海陸風(fēng)轉(zhuǎn)換過(guò)程的風(fēng)向旋轉(zhuǎn)合計(jì)360°。

        海陸風(fēng)風(fēng)速的時(shí)空變化規(guī)律顯著,自形成到結(jié)束,自地面至最大高度層,每次海風(fēng)、陸風(fēng)過(guò)程的風(fēng)速一般是各自隨時(shí)間推移和高度增加呈現(xiàn)連續(xù)的先增大后逐漸減小的變化。一天中,逐小時(shí)的地面海風(fēng)最大風(fēng)速為0.9~4.9 m·s-1(圖4a),且以12-14時(shí)的較大,海陸溫差達(dá)到最大值后海風(fēng)也發(fā)展到最盛[5,22];低空海風(fēng)最大風(fēng)速為2.0~6.7 m·s-1,且以13-15時(shí)的較大,出現(xiàn)時(shí)間較地面海風(fēng)的滯后1 h,出現(xiàn)高度在10-340 m且多數(shù)在100 m(圖4b)。地面陸風(fēng)最大風(fēng)速為0.5~3.5 m·s-1,且以23時(shí)至次日01時(shí)的較大;低空陸風(fēng)最大風(fēng)速為1.7~5.1 m·s-1,且以22時(shí)至次日02時(shí)的較大,出現(xiàn)高度則在10-580 m且多數(shù)在100 m??梢?jiàn),該區(qū)域的海風(fēng)強(qiáng)度總體大于陸風(fēng)強(qiáng)度,海陸風(fēng)強(qiáng)度極值多出現(xiàn)在100 m高度層。

        圖4 2014年蓬萊地面和低空海陸風(fēng)最大強(qiáng)度時(shí)空變化對(duì)比

        3 結(jié)論與討論

        (1)WPR能高分辨率清晰完整地捕捉到海陸風(fēng)的時(shí)空演變與結(jié)構(gòu)特征,將局地環(huán)流分離與判定技術(shù)由地面自動(dòng)站資料拓展銜接至WPR低空資料計(jì)算識(shí)別海陸風(fēng)是可行的。

        (2)除缺測(cè)和弱海陸風(fēng)日外,WPR資料識(shí)別出蓬萊2014年84天海陸風(fēng)日,與地面資料識(shí)別結(jié)果一致;WPR判別的低空海陸風(fēng)生消規(guī)律與地面10 m資料判別結(jié)果基本一致;構(gòu)建的蓬萊海陸風(fēng)時(shí)空結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)模型顯示海陸風(fēng)日、月、季變化和空間變化特征顯著。海風(fēng)層頂高總體小于陸風(fēng)的。海風(fēng)頂高以6月的最大(633 m)、12月的最小(220 m),陸風(fēng)以6月的最大(873 m)、1月的最小(370 m)。春、夏、秋、冬的海風(fēng)最大頂高均值分別為355、540、407、280 m,陸風(fēng)最大頂高均值為623、754、678、435 m。海風(fēng)強(qiáng)度總體大于陸風(fēng)強(qiáng)度,風(fēng)速最大分別為6.7、5.1 m·s-1,且極值多出現(xiàn)在100 m層。海風(fēng)與陸風(fēng)頂高的相關(guān)性較好,源于海域和陸域兩者熱力差異的規(guī)律性。未來(lái)可結(jié)合長(zhǎng)序列實(shí)測(cè)資料,建立海陸溫差與海陸風(fēng)環(huán)流強(qiáng)度及變化的關(guān)系,結(jié)合海陸耦合模型定量化深入研究。

        (3)識(shí)別出2014年4-9月共15天海風(fēng)環(huán)流。環(huán)流中陸風(fēng)較海風(fēng)的持續(xù)時(shí)間略短、最大風(fēng)速小、頂高則高438 m,兩者風(fēng)向的反相夾角在83.7°~174.9°,均值為125.6°。

        (4)單部WPR觀測(cè)資料,尚不能給出海陸風(fēng)空間高度向內(nèi)陸延伸程度,未來(lái)可結(jié)合區(qū)域多部WPR組網(wǎng)、地面自動(dòng)氣象站等綜合觀測(cè)資料,高分辨率、細(xì)網(wǎng)格地識(shí)別和反演海陸風(fēng)時(shí)空演變規(guī)律和三維結(jié)構(gòu)特征。

        (5)雖然WPR資料對(duì)海陸風(fēng)的識(shí)別準(zhǔn)確且時(shí)空分辨率較高,但由于WPR資料時(shí)有缺測(cè),且100 m以下無(wú)探測(cè)資料,加之弱海陸風(fēng)識(shí)別難度大、低空數(shù)據(jù)質(zhì)量需嚴(yán)格控制等因素,致使應(yīng)用WPR計(jì)算識(shí)別海陸風(fēng)時(shí)受到一定的限制。

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