徐紹杰，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

海風(fēng)是沿海地區(qū)一種常見(jiàn)的局地環(huán)流，是由海陸界面上的熱力差異引起的直接熱力環(huán)流，垂直尺度為2 km 左右，向內(nèi)陸傳播距離可達(dá)50～100 km，有時(shí)能在上層觀測(cè)到從陸地指向海洋的回流[1-2]。在沿海和內(nèi)陸地區(qū)，海風(fēng)環(huán)流在空氣污染物的傳輸和擴(kuò)散方面起著非常關(guān)鍵的作用[3-5]，各個(gè)緯度都能觀測(cè)到海風(fēng)的存在[6]。海風(fēng)可以緩解干燥悶熱的天氣，能夠在一定程度上改善沿海地區(qū)的空氣質(zhì)量[7]，但也有可能造成濃霧[8]。海風(fēng)鋒是海風(fēng)向內(nèi)陸推進(jìn)過(guò)程中與內(nèi)陸的暖干氣團(tuán)之間形成的類似冷鋒性質(zhì)的中小尺度系統(tǒng)[9]，其形成是海陸熱力效應(yīng)和動(dòng)力效應(yīng)共同作用的結(jié)果。海風(fēng)鋒是觸發(fā)中小尺度局地對(duì)流天氣的重要系統(tǒng)之一[10-15]，一直是國(guó)內(nèi)外沿海地區(qū)天氣預(yù)報(bào)關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)[9,16]。大量研究表明：大尺度背景風(fēng)[17]、海陸溫度差異[18]、地形[19-20]和植被[21]等因素對(duì)海風(fēng)鋒的結(jié)構(gòu)和演變都有比較明顯的影響。

約60%的世界人口分布在海洋沿岸100 km 以內(nèi)。在沿海地區(qū)，海風(fēng)鋒的生成和發(fā)展常造成雷暴和強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣；反過(guò)來(lái)，海風(fēng)雷暴和強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生和發(fā)展也會(huì)影響海風(fēng)鋒的結(jié)構(gòu)和演變[26-27]，也就是說(shuō)，海風(fēng)鋒與雷暴和強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣密不可分。因此，海風(fēng)鋒結(jié)構(gòu)和演變的分析研究在沿海地區(qū)極為重要，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。早期的海風(fēng)鋒觀測(cè)研究主要基于常規(guī)地面觀測(cè)資料開(kāi)展[23,28-29]，之后又結(jié)合了自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料[30]和雷達(dá)觀測(cè)資料[31]。雷達(dá)能夠連續(xù)、高精度和大范圍地觀測(cè)海風(fēng)鋒過(guò)程[32]，且能夠?qū)ｏL(fēng)鋒進(jìn)行三維掃描，彌補(bǔ)了常規(guī)觀測(cè)資料和自動(dòng)氣象站覆蓋范圍小、不能觀測(cè)三維結(jié)構(gòu)的劣勢(shì)。

20 世紀(jì)60 年代，雷達(dá)開(kāi)始進(jìn)入大眾視野，EASTWOOD 等[33]率先利用天氣雷達(dá)對(duì)英國(guó)東南沿海區(qū)域開(kāi)展觀測(cè)。圖1顯示了費(fèi)利克斯托附近一條與海岸大致平行的東北—西南走向的窄帶回波，極大地推動(dòng)了雷達(dá)觀測(cè)海風(fēng)鋒的研究工作。由于雷達(dá)資料與常規(guī)氣象資料有良好的相關(guān)性，同時(shí)雷達(dá)還具有良好的區(qū)域覆蓋性，這對(duì)于中小尺度氣象學(xué)方面的研究是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)[34]。但由于海風(fēng)鋒復(fù)雜的物理性質(zhì)和受地形影響較大的特點(diǎn)，當(dāng)時(shí)的雷達(dá)觀測(cè)方法還不足以及時(shí)、精確地觀測(cè)到海風(fēng)鋒的物理結(jié)構(gòu)[35]。有研究表明，可借助雙多普勒甚至三多普勒雷達(dá)直接測(cè)量降水粒子的終端速度，從而估計(jì)海風(fēng)對(duì)流中的風(fēng)速分量大小，這為深入研究海風(fēng)對(duì)流風(fēng)暴運(yùn)動(dòng)學(xué)提供了方法參考[36]。20 世紀(jì)90 年代，國(guó)內(nèi)海風(fēng)鋒雷達(dá)觀測(cè)研究也開(kāi)始起步。潘乃先等[31]首先利用聲雷達(dá)觀測(cè)海風(fēng)，揭示了海風(fēng)回波的特征以及海風(fēng)對(duì)邊界層的影響。21 世紀(jì)以來(lái)，遙感觀測(cè)手段有了較大的進(jìn)步和完善，海風(fēng)鋒的雷達(dá)觀測(cè)研究正引起越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外氣象學(xué)家的興趣和重視[31,37-41]。

圖1 1960年6月20日17時(shí)（英國(guó)夏令時(shí)間下午6時(shí)）的平面位置顯示器圖像（引自文獻(xiàn)[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 世紀(jì)60 年代以來(lái)國(guó)內(nèi)外在海風(fēng)鋒方面的相關(guān)研究成果，概述了海風(fēng)鋒的雷達(dá)觀測(cè)研究進(jìn)展，以期了解海風(fēng)鋒的水平和垂直結(jié)構(gòu)以及海風(fēng)鋒識(shí)別和演變特征的雷達(dá)觀測(cè)方法，旨在促進(jìn)國(guó)內(nèi)海風(fēng)鋒的雷達(dá)觀測(cè)研究。

2 歷史回顧與現(xiàn)狀

早在20 世紀(jì)60 年代，國(guó)外氣象學(xué)家就開(kāi)始利用雷達(dá)研究海風(fēng)鋒[32-33,42]，其研究成果發(fā)表在Journal of Meteorology（美國(guó)氣象學(xué)會(huì)Journal of the Atmospheric Sciences前身）、Nature、Weather（英國(guó)皇家氣象學(xué)會(huì)）等知名刊物上，自此開(kāi)啟了雷達(dá)觀測(cè)海風(fēng)鋒的先河。

2.1 海風(fēng)鋒識(shí)別和演變特征

20世紀(jì)60年代前后，國(guó)外雷達(dá)技術(shù)在氣象觀測(cè)方面的應(yīng)用已有比較大的發(fā)展[32]，因此對(duì)于海風(fēng)鋒的觀測(cè)也更加精細(xì)和深入。國(guó)內(nèi)對(duì)于海風(fēng)鋒的雷達(dá)觀測(cè)研究直到20世紀(jì)90年代才開(kāi)始起步[31]，應(yīng)用較遲。

ATLAS[32]利用K 波段電磁雷達(dá)對(duì)馬薩諸塞州東南部的個(gè)例進(jìn)行了研究，指出海風(fēng)鋒能夠被雷達(dá)觀測(cè)的本質(zhì)是由于大氣的不均勻性，他還發(fā)現(xiàn)雷達(dá)觀測(cè)的海風(fēng)鋒結(jié)構(gòu)和氣象學(xué)理論較為一致，海風(fēng)鋒的雷達(dá)觀測(cè)研究因此有了開(kāi)拓性的進(jìn)展。而后EASTWOOD 等[33]指出雷達(dá)連續(xù)拍攝的時(shí)間壓縮技術(shù)使得用雷達(dá)觀測(cè)中小尺度天氣現(xiàn)象成為可能，他利用英國(guó)東南沿海的天氣雷達(dá)進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果表明：海風(fēng)鋒向內(nèi)陸深入的距離最大為50 mi，鋒區(qū)南北伸展最大長(zhǎng)度為120 mi，鋒區(qū)中的鳥(niǎo)類和不連續(xù)的濕度梯度都會(huì)對(duì)雷達(dá)回波產(chǎn)生正貢獻(xiàn)。SIMPSON[42]利用機(jī)載電磁雷達(dá)對(duì)英國(guó)奧爾頓拉沙姆地區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果表明：海風(fēng)鋒中的強(qiáng)烈湍流對(duì)于低空的昆蟲(chóng)有聚集抬升的效應(yīng)，使得成群雨燕飛到高空捕食，因此產(chǎn)生了較強(qiáng)的回波，這與海風(fēng)鋒前部為上升氣流的觀點(diǎn)較為吻合。因此，當(dāng)觀測(cè)到有明顯雷達(dá)回波時(shí)不一定是海風(fēng)鋒本體，有可能是鳥(niǎo)類（尤其是雨燕）的聚集導(dǎo)致了強(qiáng)回波的出現(xiàn)。BERSON 等[43]利用10 cm 波段電磁雷達(dá)在澳大利亞維多利亞州進(jìn)行觀測(cè)，研究了1965—1968年夏季維多利亞州海風(fēng)鋒的微物理結(jié)構(gòu)并排除了鳥(niǎo)類是回波源的猜想，其認(rèn)為使用S波段、K波段和VHF雷達(dá)同時(shí)觀測(cè)海風(fēng)鋒過(guò)程可以進(jìn)一步證明這個(gè)猜想，但未給出后續(xù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及結(jié)果。DRAKE[35]利用澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation，CSIRO）的非相干脈沖雷達(dá)觀測(cè)到澳大利亞堪培拉地區(qū)一次海風(fēng)鋒過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在海風(fēng)鋒面到達(dá)前的一段時(shí)間風(fēng)速較小，風(fēng)場(chǎng)較為平靜，風(fēng)速僅為3～4 m/s；當(dāng)海風(fēng)鋒面自東向西經(jīng)過(guò)堪培拉時(shí)，風(fēng)場(chǎng)由弱西風(fēng)變?yōu)槿鯑|風(fēng)，海風(fēng)鋒過(guò)境時(shí)天空狀況是晴朗的，過(guò)程持續(xù)2 h 左右。MAY 等[44]利用風(fēng)廓線儀和C 波段偏振雷達(dá)對(duì)熱帶海風(fēng)雷暴進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴的發(fā)展存在兩種情形，一是風(fēng)暴從午后開(kāi)始，在海風(fēng)鋒深入內(nèi)陸10～20 km 后形成；二是在清晨離岸風(fēng)中形成。SURESH[45]利用 2004—2005 年 4—9 月的10 cm 波段多普勒天氣雷達(dá)（Doppler Weather Radar，DWR）數(shù)據(jù)，引入雷達(dá)反射率因子的最大投影圖像，分析了印度半島南部的海風(fēng)鋒及其誘發(fā)的對(duì)流，結(jié)果表明：海風(fēng)鋒在距離海岸30 km左右時(shí)向內(nèi)陸傳播非常慢（速度約4 km/h），在距離海岸30～80 km 時(shí)快速前進(jìn)（速度約12～15 km/h）；僅從7%左右的個(gè)例中發(fā)現(xiàn)在距離雷達(dá)50 km 以內(nèi)海風(fēng)鋒存在誘發(fā)對(duì)流，而超過(guò)53%的個(gè)例則是在距雷達(dá)50 km以外發(fā)現(xiàn)誘發(fā)對(duì)流。

HILL 等[46]利用WSR-88D 天氣雷達(dá)研究了路易斯安那州、密西西比州和阿拉巴馬州地區(qū)的海陸風(fēng)對(duì)夏季降水模態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)海風(fēng)鋒使得內(nèi)陸地區(qū)午后降水增加，沿海區(qū)域可降水量的顯著增加最終引起密西西比州海岸夏季中后期降水覆蓋區(qū)域顯著增加。IWAI等[47-48]利用多普勒激光雷達(dá)研究了日本東京市區(qū)上空海風(fēng)鋒的垂直和水平結(jié)構(gòu)以及與海風(fēng)鋒相關(guān)的氣溶膠垂直輸送，并通過(guò)二位變分法反演了雷達(dá)觀測(cè)到的海風(fēng)鋒演變過(guò)程，結(jié)果表明：在海風(fēng)的近地面層中存在一個(gè)水平尺度約為1 km的條紋結(jié)構(gòu)，這種條紋結(jié)構(gòu)與IWAI等[47]在日本仙臺(tái)機(jī)場(chǎng)的激光雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果非常一致；滯留在海風(fēng)鋒頭部區(qū)域近地表的密集氣溶膠從其鼻部逃逸，隨后在鼻部上方強(qiáng)烈的上升氣流作用下，氣溶膠被垂直輸送至混合高度。COMIN 等[49]利用天氣雷達(dá)研究了意大利薩倫托半島海風(fēng)輻合引起的對(duì)流降水的頻率、位置和特征，發(fā)現(xiàn)天氣尺度冷槽系統(tǒng)為海風(fēng)輻合和相關(guān)降水的發(fā)生提供了有利的條件，海風(fēng)環(huán)流在沿海地區(qū)全年降水的分布中具有重要作用。

在我國(guó)，海陸風(fēng)系的研究最早借助聲雷達(dá)進(jìn)行。潘乃先等[31]利用聲雷達(dá)對(duì)浙江省海鹽縣官堂鄉(xiāng)進(jìn)行雷達(dá)觀測(cè)，結(jié)果表明：憑借聲雷達(dá)的熱羽回波圖像可以定性地估計(jì)對(duì)流和日輻射的強(qiáng)弱；在熱羽回波發(fā)生突然變化時(shí)，可以結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡乩項(xiàng)l件和氣象條件識(shí)別出海陸風(fēng)環(huán)流。劉運(yùn)策等[26]利用雷達(dá)回波和風(fēng)廓線儀等觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析了1998 年7月上旬珠江三角洲地區(qū)8次由海風(fēng)鋒觸發(fā)形成的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在研究期間珠江三角洲維持著高層輻散、中層到低層?xùn)|高西低的天氣形勢(shì)，這對(duì)于海風(fēng)鋒觸發(fā)珠江三角洲的強(qiáng)對(duì)流過(guò)程有一定的促進(jìn)作用，在這個(gè)過(guò)程中鋒前暖濕不穩(wěn)定和鋒后冷氣團(tuán)的正反饋?zhàn)饔脮?huì)進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)流天氣。王彥等[50]利用天津新一代天氣雷達(dá)和自動(dòng)站等資料分析了2002—2004 年渤海灣4 次海風(fēng)鋒過(guò)程，發(fā)現(xiàn)渤海灣海風(fēng)鋒在雷達(dá)低仰角基本反射率產(chǎn)品中表現(xiàn)為大致平行于渤海灣的弱窄帶回波，當(dāng)其與冷鋒配合較好時(shí)易產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣。呂江津等[51]利用WSR/81S 和WSR/98D 對(duì)比分析了不同型號(hào)天氣雷達(dá)對(duì)弱氣象回波的探測(cè)能力，發(fā)現(xiàn)新一代天氣雷達(dá)WSR/98D 在揭示由海風(fēng)鋒引起的強(qiáng)對(duì)流天氣的生成演變機(jī)制上有明顯的優(yōu)勢(shì)。盧偉萍等[27]利用南寧CINRAD/SB 型多普勒雷達(dá)探空數(shù)據(jù)和北海714S 雷達(dá)回波等資料分析了2008年6月5日北部灣海域一次由海風(fēng)鋒觸發(fā)形成的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，結(jié)果表明：此次海風(fēng)鋒過(guò)程主要由偏南海風(fēng)、偏北陸風(fēng)以及東風(fēng)波動(dòng)共同造成，主鋒區(qū)前后出現(xiàn)了多條尺度較小且近乎平行的強(qiáng)回波區(qū)，其中分布多個(gè)尺度約為5～10 km 的氣旋性渦旋。易笑園等[17,24]利用天氣雷達(dá)觀測(cè)資料和自動(dòng)氣象站資料等先后對(duì)比分析了渤海西岸（天津靜海）、天津市區(qū)以及塘沽區(qū)幾次與海風(fēng)鋒有關(guān)的雷暴天氣，發(fā)現(xiàn)海風(fēng)鋒會(huì)使得地面溫度降低、濕度加大，而局地不穩(wěn)定配合濕冷的海風(fēng)鋒能夠觸發(fā)并促進(jìn)雷暴發(fā)展，當(dāng)海風(fēng)鋒與觸發(fā)的雷暴單體或系統(tǒng)合并后，對(duì)流系統(tǒng)會(huì)強(qiáng)烈發(fā)展。

董海鷹等[52]利用多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)圖結(jié)合相應(yīng)觀測(cè)資料，分析了不同天氣背景下青島東南沿海的海風(fēng)輻合線特征，發(fā)現(xiàn)在雷達(dá)低仰角基本反射率因子產(chǎn)品上，海風(fēng)輻合線的形成階段表現(xiàn)為平行于東南海岸線的塊狀回波，成熟階段表現(xiàn)為不斷有回波在原地生成發(fā)展；在雷達(dá)低仰角基本速度的產(chǎn)品上，海風(fēng)輻合線表現(xiàn)為幾乎靜止的零速度窄帶回波。顧問(wèn)等[53]利用多普勒天氣雷達(dá)和加密自動(dòng)站等資料分析了上海地區(qū)海風(fēng)鋒及其觸發(fā)對(duì)流的環(huán)流背景，結(jié)果表明：海風(fēng)鋒觸發(fā)對(duì)流日的環(huán)流背景表現(xiàn)為高層為強(qiáng)盛的副熱帶高壓，中低層為西南風(fēng)，層結(jié)不穩(wěn)定，近地面層為弱西風(fēng)。吳福浪等[54]利用浙江省新一代多普勒天氣雷達(dá)、美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）再分析資料以及WRF（Weather Research and Forecasting）中尺度模式對(duì)寧波地區(qū)的一次局地強(qiáng)雷暴天氣過(guò)程進(jìn)行了診斷分析，發(fā)現(xiàn)2013 年7月29 日寧波強(qiáng)雷暴過(guò)程的主要影響系統(tǒng)是中尺度海風(fēng)鋒，對(duì)應(yīng)多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)到的弱窄帶回波，海風(fēng)鋒向內(nèi)陸推進(jìn)時(shí)溫度降低，濕度增大。高曉梅等[55]利用煙臺(tái)和青島的多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)資料和高空探測(cè)資料對(duì)比分析了2009 年6 月29 日和2014 年7 月14 日山東半島兩次由海風(fēng)鋒引起的強(qiáng)對(duì)流天氣，發(fā)現(xiàn)在兩次過(guò)程中天氣雷達(dá)都觀測(cè)到超級(jí)單體回波特征，對(duì)流風(fēng)暴在地形抬升與海風(fēng)鋒上升氣流的作用下演化為超級(jí)單體風(fēng)暴。刁秀廣[56]利用CINRAD/SA 雷達(dá)探測(cè)資料和常規(guī)地面觀測(cè)資料分析了海風(fēng)鋒觸發(fā)對(duì)流風(fēng)暴的特征，發(fā)現(xiàn)僅靠反射率因子產(chǎn)品不能識(shí)別一些尺度較小的海風(fēng)輻合線，還需結(jié)合低層的徑向速度產(chǎn)品。李珍妮等[7]首次利用相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)在遼東灣西部綏中地區(qū)進(jìn)行風(fēng)廓線測(cè)量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在海陸風(fēng)期間與非海陸風(fēng)期間的邊界層高度和水平風(fēng)局地回流指數(shù)有明顯差異，在海陸風(fēng)期間邊界層高度變化不明顯且湍流動(dòng)能大值中心偏低，1.2 km 以下水平風(fēng)的回流指數(shù)一般小于0.5。這些差異導(dǎo)致了在海陸風(fēng)期間污染物堆積明顯且有效擴(kuò)散區(qū)域較小，難以擴(kuò)散，但是在海風(fēng)期間垂直方向上的強(qiáng)烈湍流運(yùn)動(dòng)使得低層的空氣質(zhì)量有所改善。國(guó)內(nèi)的海風(fēng)鋒雷達(dá)觀測(cè)研究多使用多普勒電磁天氣雷達(dá)，但是近十幾年也使用風(fēng)廓線儀[26]和多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)[7]。

2.2 海風(fēng)鋒水平和垂直結(jié)構(gòu)

20世紀(jì)60—80年代，國(guó)外的海風(fēng)鋒觀測(cè)研究多使用機(jī)載或地基多普勒電磁天氣雷達(dá)[36,42]；20 世紀(jì)末，國(guó)外的觀測(cè)研究開(kāi)始采用激光雷達(dá)，但是應(yīng)用不多[39-40,57]；到了21 世紀(jì)，激光雷達(dá)在國(guó)外天氣學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)變得非常頻繁[58]。另外，20 世紀(jì)60—80 年代，國(guó)外的觀測(cè)研究多關(guān)注海風(fēng)鋒的雷達(dá)識(shí)別特征，但是從20 世紀(jì)90 年代—21 世紀(jì)初，國(guó)外的觀測(cè)研究更關(guān)注海風(fēng)鋒的水平和垂直結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

20世紀(jì)60—80年代，國(guó)外對(duì)于海風(fēng)鋒的雷達(dá)觀測(cè)研究更注重于識(shí)別特征的研究，對(duì)于海風(fēng)鋒結(jié)構(gòu)方面的研究較少。LHERMITTE 等[36]在美國(guó)佛羅里達(dá)州邁阿密地區(qū)利用兩個(gè)多普勒雷達(dá)同時(shí)觀測(cè)降水粒子的終端速度，并反演了在海風(fēng)條件下不同時(shí)期對(duì)流風(fēng)暴的動(dòng)力學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)海風(fēng)鋒早期的結(jié)構(gòu)是復(fù)雜孤立的，有短暫的上升氣流，而晚期的結(jié)構(gòu)較為明確穩(wěn)定，上升氣流有組織性，且存在明顯的下沉氣流。NAKANE 等[59]使用氣溶膠激光雷達(dá)記錄了日本關(guān)東平原的氣溶膠分布以獲得海風(fēng)鋒的空間結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)海風(fēng)鋒頭部的上部區(qū)域比下部區(qū)域有更加溫暖干凈的空氣，這是由于海風(fēng)鋒頭部的不穩(wěn)定氣流可將溫暖干凈的空氣向上排出。CARROLL[34]利用機(jī)載多普勒雷達(dá)對(duì)美國(guó)西部太平洋沿岸加利福尼亞州的海風(fēng)環(huán)流進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)逆溫層對(duì)海風(fēng)垂直切變有明顯的抑制，并指出風(fēng)速與雷達(dá)延遲時(shí)間之比對(duì)于邊界層的風(fēng)場(chǎng)反演尤為重要，而對(duì)于連續(xù)性較高的自由大氣則影響不大。

20世紀(jì)90年代，研究更多著眼于海風(fēng)鋒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和雷達(dá)觀測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確性。BANTA 等[39]首次將多普勒激光雷達(dá)和聲吶雷達(dá)結(jié)合使用，對(duì)美國(guó)LASBEX（The Land/Sea Breeze Experiment）試驗(yàn)期間蒙特里灣的海風(fēng)進(jìn)行相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)激光雷達(dá)非常適合測(cè)量海風(fēng)的特性，包括海風(fēng)層的開(kāi)始形成、垂直水平擴(kuò)展、風(fēng)的水平變化和垂直結(jié)構(gòu)以及有無(wú)回流；之后BANTA[40]再次利用多普勒激光雷達(dá)分析了3 個(gè)海風(fēng)日的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)沿海山脈阻礙了較冷的海洋空氣向內(nèi)陸移動(dòng)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了海陸溫度對(duì)比。OHNO等[60]利用多普勒雷達(dá)對(duì)日本關(guān)東平原一次逆背景風(fēng)主導(dǎo)的海風(fēng)鋒過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)在海風(fēng)鋒區(qū)附近的逆風(fēng)區(qū)存在小尺度的大風(fēng)核，其核心位于地面幾百米高度，尺度也僅幾百米，核心對(duì)于增強(qiáng)海風(fēng)鋒區(qū)低空風(fēng)切變有顯著的作用。WAKIMOTO等[61]利用高分辨率單多普勒雷達(dá)觀測(cè)對(duì)比了1991 年8 月兩次海風(fēng)鋒過(guò)程，結(jié)果表明：沿海風(fēng)鋒方向的鋒面結(jié)構(gòu)主要由與海風(fēng)環(huán)流相垂直的水平對(duì)流控制，海風(fēng)鋒的強(qiáng)度與淺層冷海水的溫度有關(guān)。ATKINS 等[62]利用高分辨率雙多普勒雷達(dá)和飛機(jī)數(shù)據(jù)分析了海風(fēng)鋒的三維結(jié)構(gòu)，指出海風(fēng)環(huán)流比陸風(fēng)環(huán)流表現(xiàn)出更強(qiáng)的低階收斂性、更大的反射率和更強(qiáng)的垂直速度；該研究還根據(jù)陸地上兩種不同的鋒面前沿性質(zhì)，提出了兩種類型的海風(fēng)鋒面，一個(gè)是動(dòng)力海風(fēng)鋒面，表征了海風(fēng)空氣和溫暖、干燥的環(huán)境空氣之間的近地面最大輻合區(qū)域；另一個(gè)是熱力海風(fēng)鋒面，表征了平均熱力性質(zhì)不同于周圍的氣團(tuán)。KOLEV 等[57]利用激光氣象雷達(dá)和探空氣球同時(shí)對(duì)保加利亞黑海沿海進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)垂直方向上雷達(dá)反向散射最強(qiáng)的海風(fēng)區(qū)域被限制在距地面100 m左右并向內(nèi)陸推進(jìn)；反向散射次強(qiáng)的陸風(fēng)區(qū)域?yàn)榫嗟孛?00～400 m 并向海洋推進(jìn)，風(fēng)向與底層相反，這一層的空氣比底層更加溫暖干燥。

21 世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外激光雷達(dá)、衛(wèi)星和風(fēng)廓線儀等遙感技術(shù)在氣象領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展和應(yīng)用。DARBY 等[58]分析了LASBEX 試驗(yàn)期間多普勒激光雷達(dá)探測(cè)加州蒙特里海灣地區(qū)海風(fēng)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)1 500 m 高度以上的海風(fēng)受內(nèi)陸山脈的影響較大，1 500 m高度以下的海風(fēng)受海陸溫差和沿海山脈的影響較大。SKAKALOVA 等[63]利用保加利亞?wèn)|南部黑海沿岸的氣溶膠激光雷達(dá)開(kāi)展了3次海風(fēng)觀測(cè)研究，發(fā)現(xiàn)借助氣溶膠的消光性可以區(qū)分水平和垂直方向上不同特性的海風(fēng)區(qū)域，且垂直方向上陸風(fēng)是否存在回流與區(qū)域地形有較大的關(guān)系。尹東屏等[18]利用多普勒天氣雷達(dá)和自動(dòng)站資料等對(duì)江蘇連云港、鹽城和南通的強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：2009 年6 月5 日江蘇的強(qiáng)對(duì)流天氣由3 個(gè)中尺度對(duì)流系統(tǒng)造成，3 個(gè)系統(tǒng)分別產(chǎn)生在露點(diǎn)鋒和海風(fēng)鋒中，當(dāng)中尺度對(duì)流系統(tǒng)進(jìn)入海風(fēng)鋒輻合線后，兩者的相互作用使得海風(fēng)鋒產(chǎn)生的次級(jí)環(huán)流加強(qiáng)；海風(fēng)鋒產(chǎn)生的弱窄帶回波可以脫離主回波帶移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大風(fēng)并在其后部激發(fā)新的對(duì)流系統(tǒng)，新對(duì)流系統(tǒng)加快了海風(fēng)鋒的移動(dòng)速度。王彥等[9,64]利用多普勒天氣雷達(dá)（CINRAD 和WSR/98D）產(chǎn)品結(jié)合相應(yīng)資料先后分析了2007—2008 年渤海灣的海風(fēng)鋒過(guò)程，結(jié)果表明：2008 年渤海灣雷達(dá)監(jiān)測(cè)到56次海風(fēng)鋒，大多數(shù)過(guò)程的持續(xù)時(shí)間小于6.5 h，且當(dāng)海風(fēng)鋒與弱冷鋒以一定角度（30°～90°）配合時(shí)，有雷暴天氣產(chǎn)生；2007 年渤海灣海風(fēng)鋒主要影響海平面高度1.5 km 以下的低層大氣，在向內(nèi)陸推進(jìn)的過(guò)程中呈現(xiàn)氣溫降低和濕度增加的特點(diǎn)，過(guò)程中還逐漸形成了增厚的熱內(nèi)邊界層，近地面散度場(chǎng)清晰地顯示了與海風(fēng)鋒對(duì)應(yīng)明顯的輻合帶，多普勒天氣雷達(dá)顯示在海風(fēng)鋒與陣風(fēng)鋒的碰撞交叉處有雷暴生成。童志明等[19]利用多普勒天氣雷達(dá)、WRF 模式以及NCEP 再分析資料等分析了海南島東北部一次較強(qiáng)的海風(fēng)鋒降水過(guò)程，發(fā)現(xiàn)來(lái)自?？诤０毒€與文昌海岸線的海風(fēng)鋒的發(fā)展、增強(qiáng)和移動(dòng)是本次降水的主要原因，海風(fēng)鋒次級(jí)環(huán)流也與地面降水有關(guān)，地面降水加強(qiáng)時(shí)次級(jí)環(huán)流建立，地面降水減弱時(shí)次級(jí)環(huán)流逐漸消失。CHEN 等[65]利用雙多普勒激光雷達(dá)結(jié)合中尺度-大渦模擬（Mesoscale-to-LES）研究了日本仙臺(tái)市海風(fēng)鋒的三維結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明：成熟海風(fēng)的密集冷空氣中氣溶膠濃度較高；在海風(fēng)鋒前沿有一個(gè)上升的海風(fēng)頭（Sea Breeze Head,SBH），其深度約為300 m，水平范圍約為3.5 km；海風(fēng)鋒南部暖區(qū)為偏北氣流，但是其中有上升氣流發(fā)展，這與近地面的水平對(duì)流卷現(xiàn)象（Horizontal Convective Rolls,HCRs）相對(duì)應(yīng)。

3 總結(jié)與討論

上述研究表明，海風(fēng)鋒的雷達(dá)觀測(cè)分析研究已經(jīng)在不少地區(qū)開(kāi)展，并得到國(guó)內(nèi)外科學(xué)家們廣泛的重視，也取得了不少研究成果。國(guó)外觀測(cè)研究涉及美國(guó)馬薩諸塞州[32]、佛羅里達(dá)州[36]、路易斯安那州[46]和加利福尼亞州[34]，英國(guó)費(fèi)利克斯托、桑尼島[33]和奧爾頓[42]，保加利亞黑海沿岸[57,63]，意大利薩倫托半島[49]，法國(guó)南部海岸[66]，日本關(guān)東平原（筑波）[59-60]和東京[48]，印度半島[45]，澳大利亞堪培拉[35]、達(dá)爾文[44]和維多利亞[43]等地區(qū)；國(guó)內(nèi)觀測(cè)研究涉及遼東灣[7]、渤 海 灣[9,17,24,30,50,64]、山 東 半 島[52,55-56]、長(zhǎng) 江 三 角洲[18,54]、珠江三角洲[11,26]、北部灣[27]和海南島[19]等地區(qū)。

從使用的雷達(dá)類型來(lái)看，海風(fēng)鋒觀測(cè)由早期的聲雷達(dá)[31]轉(zhuǎn)為電磁雷達(dá)[36]，以及如今的激光雷達(dá)[34]。與傳統(tǒng)的電磁雷達(dá)相比，激光雷達(dá)有更精確的時(shí)間分辨率、更精準(zhǔn)的空間分辨率和更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，因此能夠更加精準(zhǔn)地定位氣象探測(cè)目標(biāo)，獲得更加清晰的探測(cè)圖像。國(guó)內(nèi)利用多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)分析海風(fēng)鋒的研究較多，利用聲雷達(dá)和激光雷達(dá)觀測(cè)海風(fēng)鋒的研究較少[7,31]；國(guó)外前期多利用多普勒電磁天氣雷達(dá)進(jìn)行觀測(cè)[33,42-43]，后期多利用激光天氣雷達(dá)進(jìn)行觀測(cè)[40,47-48,57]?？傮w而言，利用多普勒天氣雷達(dá)的研究占大多數(shù)，而利用多普勒激光天氣雷達(dá)、測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)和聲吶雷達(dá)的研究較少。從研究?jī)?nèi)容來(lái)看，國(guó)內(nèi)外對(duì)于海風(fēng)鋒的識(shí)別和演變特征以及水平和垂直結(jié)構(gòu)的觀測(cè)研究都有一定程度的涉及，國(guó)外在20 世紀(jì)90 年代前較多關(guān)注海風(fēng)鋒的識(shí)別和演變特征研究，20世紀(jì)90年代后更側(cè)重海風(fēng)鋒的水平和垂直結(jié)構(gòu)研究；而國(guó)內(nèi)20 世紀(jì)90 年代以來(lái)側(cè)重海風(fēng)鋒識(shí)別和演變特征的觀測(cè)研究較多，側(cè)重海風(fēng)鋒結(jié)構(gòu)的觀測(cè)研究較少[9,17-19,64]。

從海風(fēng)鋒的雷達(dá)識(shí)別技術(shù)來(lái)看，大多數(shù)雷達(dá)觀測(cè)海風(fēng)鋒的研究都設(shè)置雷達(dá)觀測(cè)仰角為0.5°、1.5°和2.4°等低仰角水平，且絕大多數(shù)研究都使用基本反射率產(chǎn)品[9,17-19,24,50,64]，這是由于基本反射率產(chǎn)品可以反映海風(fēng)鋒的強(qiáng)度以及內(nèi)部粒子的密度分布。海風(fēng)鋒的雷達(dá)識(shí)別從20 世紀(jì)60 年代發(fā)展至今主要有3種識(shí)別方法：（1）直接探測(cè)一定波長(zhǎng)降水粒子的反向散射，從內(nèi)部揭示海風(fēng)鋒的結(jié)構(gòu)和演變[17,36,42,50,61,67]；（2）探測(cè)局地風(fēng)廓線，以此推測(cè)海風(fēng)鋒的結(jié)構(gòu)[44,60,68]；（3）探測(cè)氣溶膠的空間分布情況，側(cè)面揭示海風(fēng)鋒的結(jié)構(gòu)特征[48,57]。方法（1）和（2）被國(guó)內(nèi)外科學(xué)家廣泛采用，而方法（3）依賴于激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，因此在國(guó)外應(yīng)用較多。由于在國(guó)內(nèi)中尺度氣象學(xué)領(lǐng)域多普勒電磁雷達(dá)應(yīng)用較多而激光雷達(dá)應(yīng)用較少，因此國(guó)內(nèi)對(duì)于氣溶膠的雷達(dá)觀測(cè)較為困難。這3種方法都能夠在一定程度上揭示海風(fēng)鋒的結(jié)構(gòu)或演變，但各有側(cè)重。直接測(cè)量降水粒子的反向散射能夠直觀地顯示海風(fēng)鋒三維結(jié)構(gòu)以及演變過(guò)程，利用風(fēng)廓線能夠揭示海風(fēng)鋒高低層的風(fēng)切變差異，而利用氣溶膠探測(cè)法可以明確地揭示海風(fēng)鋒的演變過(guò)程以及海風(fēng)和陸風(fēng)的區(qū)域劃分。

從海風(fēng)鋒的雷達(dá)識(shí)別特征來(lái)看，海風(fēng)鋒在低仰角（0.5°或1.5°）基本反射率產(chǎn)品上表現(xiàn)為強(qiáng)度較弱且平行于海岸移動(dòng)緩慢的窄帶回波，強(qiáng)度約為15～25 dBZ，長(zhǎng)度約為100～300 km，寬度隨季節(jié)和背景場(chǎng)變化，抬高仰角則回波消失。海風(fēng)鋒在低仰角速度產(chǎn)品上表現(xiàn)為準(zhǔn)靜止的速度窄帶回波，數(shù)值較小且移動(dòng)緩慢[50]。海風(fēng)鋒在雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品上的特征為氣流存在弱上升和下沉運(yùn)動(dòng)，午后在地面高度300 m以下存在較強(qiáng)的下沉氣流，700～1 600 m 處存在較弱的上升氣流[68]。海風(fēng)鋒在激光雷達(dá)的平面位置顯示產(chǎn)品（Plan Position Indicator，PPI）和距離高度顯示產(chǎn)品（Range Height Indicator，RHI）上主要表現(xiàn)為風(fēng)速的變化，在垂直方向上地面高度2 km 以下水平風(fēng)速逐漸減小，約為1～3 m/s，在水平方向上海風(fēng)向內(nèi)陸的伸展距離在午后約為800 m，午后—傍晚伸展距離緩慢增加到1 200 m左右[48]。

從以上分析可以看出，過(guò)去幾十年中海風(fēng)鋒的雷達(dá)觀測(cè)研究已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但尚有許多問(wèn)題值得進(jìn)一步關(guān)注與重視。例如，激光雷達(dá)在國(guó)內(nèi)海風(fēng)鋒研究領(lǐng)域的應(yīng)用較少，尤其是激光雷達(dá)觀測(cè)海風(fēng)鋒的研究鮮有涉及；局地地形對(duì)電磁天氣雷達(dá)觀測(cè)海風(fēng)鋒會(huì)產(chǎn)生較大的影響；大氣能見(jiàn)度對(duì)激光天氣雷達(dá)觀測(cè)海風(fēng)鋒會(huì)產(chǎn)生一定影響；多種遙感探測(cè)手段同時(shí)觀測(cè)海風(fēng)鋒，如雷達(dá)和衛(wèi)星、風(fēng)廓線儀、激光云高儀和紅外探測(cè)儀等結(jié)合使用，能夠?qū)ｏL(fēng)鋒的結(jié)構(gòu)和演變有更為全面的觀測(cè)。