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

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，且還會影響溫、濕、風(fēng)場的變化[2,3]，在一定的天氣背景下海陸風(fēng)還能對降水起到觸發(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，對開發(fā)風(fēng)能資源、評估邊界層大氣污染、弄清中小尺度天氣的物理機(jī)制、提高短時天氣預(yù)報準(zhǔn)確率等，均具有重要意義[3,7]。

國內(nèi)外學(xué)者對海陸風(fēng)的研究較多，匯總可分為三大類：觀測研究[7-11]、理論研究[12-14]、數(shù)值模擬研究[15-18]。國內(nèi)對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)合短期個例探空資料或數(shù)值模擬統(tǒng)計識別分析，資料的空間和時間分辨率都有較大限制，難以全面認(rèn)識實(shí)際的海陸風(fēng)三維分布、演變和時空結(jié)構(gòu)等。由于缺乏高時空密度連續(xù)的風(fēng)向風(fēng)速垂直觀測資料，因而無法對研究結(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，氣象觀測飛機(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](簡稱WPR)等，已逐步應(yīng)用到海陸風(fēng)的觀測，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)，其測風(fēng)連續(xù)、系統(tǒng)且數(shù)據(jù)時空分辨率高、觀測精度高等特性，在海陸風(fēng)環(huán)流觀測分析方面顯示出優(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個月6部WPR同步觀測資料，研究了夏季低空風(fēng)場分布特征和演變規(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)測統(tǒng)計特征。荀愛萍等[37]利用2016年5月-2017年4月廈門翔安站W(wǎng)PR數(shù)據(jù)和區(qū)域地面觀測站資料，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)識別方法，且只簡單分析了環(huán)流發(fā)展高度，海陸風(fēng)的時空結(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、生消時間、強(qiáng)度、高度及風(fēng)向風(fēng)速的時空變化等長期統(tǒng)計特征，研究構(gòu)建蓬萊海陸風(fēng)的時空結(jié)構(gòu)模型，以期更全面地認(rèn)識海陸風(fēng)的時空演變規(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 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

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年每日逐小時產(chǎn)品數(shù)據(jù)OOBS文件，按照中國氣象局《風(fēng)廓線雷達(dá)通用數(shù)據(jù)格式(V1.2)》，該文件均存儲實(shí)時觀測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：時間分辨率≤6 min，有效數(shù)據(jù)最低探測高度100 m、最高探測高度≥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、在時間上進(jìn)行前后3個時次的風(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)，來自蓬萊地面氣象站2014年逐小時觀測記錄，數(shù)據(jù)均經(jīng)質(zhì)量控制且全年8760 h無缺測，符合中國氣象局《地面氣象觀測規(guī)范》。蓬萊地面氣象站的觀測場經(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)計算識別方法

識別海陸風(fēng)日的方法可分為三類，一是應(yīng)用常規(guī)資料直接識別，二是應(yīng)用大氣遙感資料直接識別，三是應(yīng)用數(shù)值模擬結(jié)果間接識別[3]。邱曉暖和范紹佳[39]認(rèn)為，選擇系統(tǒng)風(fēng)對海陸風(fēng)影響小的個例進(jìn)行研究[35]、將垂直于海岸線方向v風(fēng)作為海陸風(fēng)[21]、月時間距平法[31,40]、對海陸風(fēng)的風(fēng)速加以限制[37]等傳統(tǒng)的海陸風(fēng)分析方法，均沒有真正地分離系統(tǒng)風(fēng)和海陸風(fēng)，已不適用于自動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。本文利用自動氣象觀測距地面10 m和WPR觀測低空100-2980 m的共計28個高度層的逐日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)計算識別。

(1)系統(tǒng)風(fēng)和局地風(fēng)的分離方法

實(shí)測風(fēng)(測站測量)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)測的每日逐時風(fēng)矢量分解成u、v分量，分別取各時次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個時次的實(shí)測風(fēng)矢量,Uds為每日系統(tǒng)風(fēng)矢量,Ujl為每日第j個時次的局地風(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個及以上時次、且夜間陸風(fēng)持續(xù)出現(xiàn)4個及以上時次，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層開始，向上逐高度層識別計算海陸風(fēng)，統(tǒng)計各計算結(jié)果(如時間、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。

對于判定的每一個海陸風(fēng)日，結(jié)合風(fēng)矢量時間-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]，并對計算結(jié)果再次進(jìn)行風(fēng)場連續(xù)性質(zhì)量控制[38]。為展現(xiàn)完整的海風(fēng)和陸風(fēng)剖面，該圖中時間上向前延至2014年6月29日18時。該圖中WPR可清晰完整地捕捉到海陸風(fēng)的時空演變與結(jié)構(gòu)特征。29日20時-30日06時，出現(xiàn)了一個陸風(fēng)過程。20時陸風(fēng)開始形成，其后快速發(fā)展至820 m(23時至次日02時)，03-06時又快速降低至10 m層，陸風(fēng)風(fēng)向呈現(xiàn)S-SSW-SW順時針偏轉(zhuǎn)趨勢，陸風(fēng)持續(xù)時間自地面10 m層的11 h(20時至次日06時)向上逐漸減少為820 m層的4 h(23時至次日02時)。30日早晨至傍晚，出現(xiàn)了一個海風(fēng)過程。生成的海風(fēng)層頂高340-460 m(15時最高)，海風(fēng)風(fēng)向呈現(xiàn)NW-N-NNE-ENE順時針偏轉(zhuǎn)趨勢，海風(fēng)持續(xù)時間自地面10 m層至340 m層均在12 h(07-18時)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年共識別出15天，詳見2.4節(jié))，其返海陸風(fēng)層高度為400-1060 m，持續(xù)時間最長達(dá)10 h以上(07-16時，出現(xiàn)在460-700 m層)，風(fēng)向主要為SE-SSE。30日19時，另一個陸風(fēng)過程開始形成并持續(xù)發(fā)展，至23時陸風(fēng)層高為460 m，陸風(fēng)風(fēng)向呈現(xiàn)SE-SSE-S順時針偏轉(zhuǎn)趨勢。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)的時間分辨率為1 h(OOBS數(shù)據(jù))，當(dāng)時間分辨率取6 min(ROBS數(shù)據(jù))時，將更清晰識別出海陸風(fēng)時空演變的精細(xì)化漸進(jìn)過程。

2 結(jié)果分析

2.1 地面資料與WPR資料識別海陸風(fēng)日數(shù)對比

2014年蓬萊地面資料與WPR資料識別海陸風(fēng)日數(shù)結(jié)果對比見表1。由表1可見：蓬萊2014年地面觀測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%；除缺測和弱海陸風(fēng)日外，WPR資料識別結(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；其余3天均是僅地面10 m層識別出弱海陸風(fēng)，9月9日08-11時為海風(fēng)(09時2.3 m·s-1，其余0.1～0.5 m·s-1)，11月8日11-17時為海風(fēng)(11時1.7 m·s-1，其余0.1～1.3 m·s-1),11月9日12-16時為海風(fēng)(14時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?，弱海陸風(fēng)的垂直剖面表現(xiàn)是僅地面10 m層觀測到有短時且弱的海風(fēng),但WPR有效數(shù)據(jù)最低探測高度100 m以上則未觀測到海風(fēng)。

表1 2014年蓬萊地面資料與WPR資料識別海陸風(fēng)日數(shù)對比

基于WPR資料識別出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)時間

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

表2 2014年蓬萊四季與年的海風(fēng)生消時間統(tǒng)計

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

圖1 2014年蓬萊地面和低空海陸風(fēng)開始與結(jié)束時間、頻率對比

可見，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)地面氣象觀測和探空觀測給出的環(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)時間逐漸減少，海陸風(fēng)開始和結(jié)束的盛行時間滯后，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，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)高度對比

2.4 海陸風(fēng)日變化時空結(jié)構(gòu)統(tǒng)計模型的構(gòu)建

統(tǒng)計2014年蓬萊84天海陸風(fēng)和15天海風(fēng)環(huán)流過程的每日逐時頂高與平均頂高，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果繪圖構(gòu)建海陸風(fēng)時空結(jié)構(gòu)模型(圖3)。應(yīng)當(dāng)指出，本研究統(tǒng)計的是海風(fēng)、陸風(fēng)樣本各自特征，且是一般發(fā)生時間[39](指海陸風(fēng)在所指的時間內(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)時間。由模型圖3可見：

(1)晝間海風(fēng)生消一般發(fā)生時間在07-21時(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，自早晨開始增大，到14-15時最高，其后逐漸降低；海風(fēng)層頂高逐時最大值為15時的940 m，各時次頂高平均最大值為14時的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)時間最長且高度最高，其次是秋季和春季的持續(xù)時間和高度，冬季持續(xù)時間最短且高度最低。

(2)夜間陸風(fēng)生消一般發(fā)生時間在16時至次日12時(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，自傍晚開始增大到凌晨最高，其后逐漸降低；陸風(fēng)層頂高逐時最大值為00、01時的1180 m，逐時平均最大值為23時的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時前后即迅速降低消散，17時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較低、空氣密度相對較大的海風(fēng)層的持續(xù)抬升作用，和溫度相對較高、空氣密度相對較小的陸風(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)的形成時間略晚于海風(fēng)形成時間，而結(jié)束時間則略早于海風(fēng)結(jié)束時間，陸風(fēng)持續(xù)時間(14 h)短于海風(fēng)的持續(xù)時間(16 h)。因地轉(zhuǎn)偏向力作用，隨高度增加、時間推移，海風(fēng)層和陸風(fēng)層各自的風(fēng)向均呈現(xiàn)向順時針方向偏轉(zhuǎn)趨勢，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?。桓鞔魏ｏL(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)時間在12-16時；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)時間在10-16時。

圖3 2014年蓬萊海陸風(fēng)時空結(jié)構(gòu)統(tǒng)計模型

2.5 海陸風(fēng)風(fēng)向、風(fēng)速時空變化

晝夜海陸風(fēng)風(fēng)向時空變化規(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)過程的風(fēng)向總體均是各自隨時間推移和高度增加呈現(xiàn)連續(xù)地向順時針方向偏轉(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)換過程的風(fēng)向旋轉(zhuǎn)合計360°。

海陸風(fēng)風(fēng)速的時空變化規(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)過程的風(fēng)速一般是各自隨時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時的較大，出現(xiàn)時間較地面海風(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時至次日01時的較大；低空陸風(fēng)最大風(fēng)速為1.7～5.1 m·s-1，且以22時至次日02時的較大，出現(xiàn)高度則在10-580 m且多數(shù)在100 m。可見，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)度時空變化對比

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)由地面自動站資料拓展銜接至WPR低空資料計算識別海陸風(fēng)是可行的。

(2)除缺測和弱海陸風(fēng)日外，WPR資料識別出蓬萊2014年84天海陸風(fēng)日，與地面資料識別結(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)時空結(jié)構(gòu)統(tǒng)計模型顯示海陸風(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。未來可結(jié)合長序列實(shí)測資料，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，未來可結(jié)合區(qū)域多部WPR組網(wǎng)、地面自動氣象站等綜合觀測資料，高分辨率、細(xì)網(wǎng)格地識別和反演海陸風(fēng)時空演變規(guī)律和三維結(jié)構(gòu)特征。

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