引言

沿海地区由海陆热力性质差异引起的中小尺度风系——海陆风，是沿海地区特殊的气候因素。海陆风影响的水平范围大约在十几公里到几十公里，属中尺度范围^[1]。海陆风可在很大程度上直接影响边界层结构，冷的海风进入暖的陆地之后和地面接触的空气受到加热而呈超绝热状态，使边界层湍流增强并有对流湍流产生，导致具有对流边界层性质的热内边界层(thermal inner boundary layer，TIBL)形成^[2-6]；还可影响大气边界层水平和垂直输送扩散，导致污染物的再分布^[7]。结合大、中、小尺度环流，可以为灾害性天气的短时预报和局部地区的天气预报提供依据^[8]。

中国渤海西岸是海陆风的多发地区，其处于中纬度西风带，天气系统复杂多变，高低压交替频繁，各种天气系统相互作用^[9]。许多气象科学工作者对环渤海地区海陆风展开过研究，主要包括海陆风在各个月份出现的频率、海风起止时间、海风伸向内陆的距离、海陆风环流等基本特征^[10-13]；通过统计分析结合数值模拟的方法研究海陆风与天气的关系；通过地面雷达观测结合数值模拟研究海陆风期间的热内边界层^[3-4]；通过加密自动气象站及雷达观测结合数值模拟研究海陆风辐合线等^[14]。

到目前为止，对海洋大陆昼夜风循环的研究常依赖于像WRF这样的中尺度模型^[15-18]，基于传统原位观测资料的研究总是受到空间或时间采样限制。而遥感技术如边界层风廓线雷达(工作频率10⁸~10¹⁰ Hz)能够获取观测站点上空几公里高度内、分钟级的大气观测数据，空间分辨率可达几十米，探测起始高度通常几百米，可以对整个海陆风垂直结构进行较细致的分析^[19-21]，并且广泛应用在海陆风期间污染物的累积与扩散研究^[22]。多普勒测风激光雷达(工作频率10¹³~10¹⁵ Hz)相对于风廓线雷达来说体积和占地面积较小，具有秒级时间分辨率，空间分辨率可达米级，且探测起始高度通常几十米。引入测风激光雷达有助于突破风廓线雷达在海风测量的时间和空间尺度的一些限制，使得整个海陆风结构的细致分析成为可能^[23-24]。测风激光雷达能够对大气边界层内湍流以及水平和垂直风进行观测，对于研究海陆风对污染物输送的影响来说至关重要。

本文将结合地面气象资料与测风激光雷达资料就绥中地区春季海陆风的基本特征以及垂直结构展开研究。该研究将对绥中地区的空气污染治理，天气预报准确性的提高有较大的推动作用。

1 资料及方法 1.1 站点资料

2019年3月5—18日，相干多普勒测风激光雷达系统架设安装在辽东湾西部的辽宁省葫芦岛市绥中县气象局(40.32° N，120.33° E)并开展观测(图 1)。系统采用中国海洋大学与青岛镭测创芯科技有限公司联合研制的Wind3D 6000型相干多普勒测风激光雷达，表 1为其性能技术指标。Wind3D 6000工作在人眼不可见的红外波段，为扫描型激光雷达系统，可实现地面至6 000 m径向距离范围内三维大气风场和风廓线探测，具有秒级的时间分辨率、15 m的空间分辨率，测速精确度小于或等于0.1 m·s^-1。该系统用于探测风速、风向、风切变、大气湍流，可与风廓线雷达相互补充和印证。结合绥中县气象局自动气象站逐小时的当前大气能见度、天气代码、10 min平均风向风速等来分析绥中地区在春季海陆风的气象条件。为避免低空建筑物等影响观测结果，系统采用DBS(Doppler beam swing)激光多波束扫描测量获取风廓线，分析时剔除最底层两个高度的观测数据。水平风的数据结果分析从77 m高度开始，风速风向通过DBS合成后再采用10 min平均，计算过程中剔除信噪比(SNR)较小的观测，并且保证数据获取率在90%以上。

1.2 海陆风定义及识别标准

绥中地区地势西北高、东南低，近岸受渤海影响显著；且绥中处于中纬度西风带、东亚季风区，四季分明，大尺度的季风及中小尺度海陆风环流对该地区的天气及气候有重要影响。观测期间绥中地区处于春季，会出现季风间歇期，在无大尺度系统风影响时，能观测到明显的海陆风环流。采用张振维等^[12]对海陆风风向划分的方法，根据绥中地区海岸线走向采用风向的十六分位法定义局地海风和陆风的具体来向，定义E—SSW方向为海风方向(向岸流)，W—NNE方向为陆风方向(离岸流)，平行于海岸线的SW及WSW和NE、ENE风为海陆风过渡风方向(顺岸流)，如图 2所示，根据站点在观测日的风向变化，可将观测日分为海陆风日和非海陆风日，海陆风日的标准采用于恩洪等^[1]的方法：

1) 地面观测风速v≤10 m·s^-1；

2) 陆风时段在01—08时，陆风出现次数n≥4，海风出现次数n≤2；

3) 海风时段在13—20时，海风出现次数n≥4，陆风出现次数n≤2；

4) 在一个海陆风日中必须同时满足海风和陆风的以上3个标准。

海陆风是由海陆温差所引起的，而海陆温差几乎是天天都存在，但在大尺度天气系统较强时，海陆风常被淹没在梯度风中，较难发现海陆风的出现。考虑到分离纯海陆风在实际应用中意义不大，所以不做u(东西方向)和v(南北方向)风量的分解，分析时直接使用全风速。

根据海陆风日的定义，在绥中观测期间海陆风共出现3日，分别为2019年3月7日、3月10日及3月13日。现就观测期间的海陆风典型实例进行分析，并结合当地基本气象要素分析海陆风建立、发展和消亡过程。

2 海陆风个例特征分析 2.1 测风激光雷达观测海陆风垂直结构特征分析

在日常的天气预报及气象保障工作中，海陆风环流是必须要考虑的重要因素。我国北方春季处于季风转换期，季风较弱时海陆风易于显现，而季风较强时对海陆风发展不利，尤其在强大的大尺度系统控制时海陆风会被淹没。图 3、4中分别给出了2019年3月10日(0310)季风间歇期间海陆风日和3月12日(0312)非海陆风日时测风激光雷达观测的风速风向结果及其对应地面测站水平风局地变化趋势。

图 3a中0310地面测站的风速较小，均不超过10 m·s^-1，近地面最大强度海风出现在海风时16:00为3.3 m·s^-1。09:00以前为陆风，09:00—12:00为东北偏东的过渡风，12:00—19:00为海风时间，所以0310符合所定义的海陆风日特征。一天中，在500 m以下的风层中，陆风转海风为顺转，且陆风风向和海风风向均明显，陆风主要为偏北风，海风主要为偏南风，说明背景风场很小或无作用。图 3b为0310测风激光雷达海陆风个例中展现了比较明显的海陆风日的陆风环流的回流气流高度、厚度以及风速风向。

1) 05:00—09:30风从陆地吹向海洋，陆风最大发展高度约0.5 km。陆风和反陆风^[25]并非由一条直线分开，而是一个主导风向是东北偏东的过渡层，风速较大可达11 m·s^-1。在1.2~1.5 km的高度上，反陆风由海洋方向流向陆地。垂直方向反陆风风速较小在5 m·s^-1以下，因此出现在垂直剖面上同时存在风速风向切变现象。这是因为海陆风发生在弱的天气形势下，往往伴随着新的低值天气尺度系统移来，在这种有利的天气形势下最易产生低空急流^[1]。

2) 10:00—12:00陆风结束后，1.2 km以下为过渡风，风速较小基本上不超过3 m·s^-1，12:00低空过渡风转海风。正是由于过渡带风速低值区的存在使得海风在垂直方向上几乎同时转换，且发展迅速。

3) 12:00—19:00海风环流时，海风与陆风风速差异不大，整体上海风强度较小。海风最大影响高度比陆风高，可达0.8 km，这也说明海风在吹向陆地的过程中，由于陆地增热较快，大气层结不稳定，有利于动量上传，使海风垂直高度增高，这与模拟结果是相似的^[26]。与陆风时不同的是，海风时的过渡风为风速较小的西南偏西风，过渡层较薄。

4) 21:00之后低空全部为过渡风，高空均为陆风，此次海风过程结束。

图 4给出的是0312冬季风期间的个例，由图 4b可以看出该地区在77 m高度处09:00—16:00、22:00—23:00为西北偏西风，其他时间主要为西北偏北风，而图 4a地面测站出现西南偏西风，可能是因为近地面受到周围地形的影响，影响自动气象站资料对风向的判断。当天总体上受蒙古北部的中西伯利亚高原和蒙古高原吹来的冬季风的影响，100 m以上几乎无海风及过渡风的影响，风速比0310海陆风期间大得多，最高风速高达17 m·s^-1，这是由季风和移动性高压的控制，弱的高压又使陆风为偏北风造成的。

天气尺度系统是制约海陆风发展的重要因素。背景风场强，海陆风就弱，以至于不能生成；背景风场弱，海陆风才能生成并发展到最强^[1]。为了研究海陆风日和非海陆风日地面天气情况，对地面天气形势图^[27]进行了分析。

图 5a是0310陆风期间的地面天气分析图，可以看出，辽东湾西岸的绥中地区没有明显的高低压，气压等值线稀疏，背景风小，在这种弱的天气形势下形成了海陆风。图 5b为0312非海陆风期间的地面天气分析图，由图可知高低压等值线密集，有明显的大风天气，不利于中尺度海陆风环流的形成。

2.2 局地回流指数

由唐山、北京、天津、廊坊、保定、石家庄、邢台、邯郸等城市构成了东北—西南走向的带状污染物高排放区^[28]，葫芦岛的绥中地区位于该带状污染物高排放区的东北方向，污染天气频发。污染物在空间的分布是不均匀的，随着排放源的扩散有其自身的特点。风在空间的分布也不一样，随着大型天气系统的变化和地方性天气系统(包括海陆风等)的变化而影响污染物扩散。

为对垂直风场进行深入研究，计算局地回流指数(recirculation factor，RF)。局地回流指数最早是由ALLWINE and WHITEMAN^[29]提出的，用来反映风场有效输送能力，其认为局地回流是指污染物起初被风场输送出去，但随后又被输送回来的现象，对空气质量有着不可忽视的影响。局地回流指数(RF)计算公式如下：

$ I_{\mathrm{RF}}=\frac{\sqrt{\left(\varDelta T \sum_{t_{s}}^{t_{e}} u_{t}\right)^{2}+\left(\varDelta T \sum_{t_{s}}^{t_{s}} v_{t}\right)^{2}}}{\varDelta T \sum_{t_{s}}^{t_{e}} \sqrt{u_{t}^{2}+v_{t}^{2}}} $

(1)

式中：I_RF为局地回流指数(RF)；t为相应的数据时刻；t_s为起始时刻；t_e为终止时刻；ΔT为平均数据时间间隔；u_t为水平风速的东西分量；v_t为水平风速的南北分量。

局地环流一般是由下垫面不同的热力性质产生，与太阳的昼夜变换同步，故基本为1 d的周期^[30-31]。因此，有的研究中ΔT为1 h，t_s为起始时刻取0，t_e是终止时刻为23:00^[32-33]，而本文为了更加精细化研究采用了ΔT为10 min，t_s为00:00，t_e为23:50。计算得到各层的逐日局地回流指数廓线如图 6所示。可以发现0310(海陆风日)1.2 km以下高度的RF值较小，小于0.5，代表着该时段内风场使污染物回流堆积的效果较明显，污染物有效扩散的区域小，所以易出现雾霾天气，这解释了图 7地面测站0310 10:00之前(陆风)有7个时次大气能见度在10 km以下且0310对应能见度较低的时间段出现了薄雾和霾的原因；0312大气能见度高且无污染天气是因为0312在冬季风期间RF值较大，接近1，代表的是以平直稳定的输送为主，有助于污染物扩散，从而大气能见度经常较高，天气较晴朗。

3 大气边界层湍流特征分析 3.1 湍流参数计算

海陆风环流的发生发展影响温度场、湿度场和风场的分布，引起低层大气层结状况的变化，对海岸带气候有重要影响，是决定局地天气气候特点的重要因素。针对海陆风期间大气边界层日变化分析与研究需要，可利用测风激光雷达DBS观测模式时垂直指向获取的垂直风速或气流结果，研究垂直方向的湍流特征与运动。为了最小化非湍流尺度的影响，测风激光雷达观测数据通过1 h的滑动平均后，计算每个测量高度湍流的诸多参数如风速在垂直方向上的脉动、垂直速度方差等。此外，结合信噪比数据及水平平均风速风向结果，可研究海陆风期间边界层的湍流来源、发展、结构等以及对空气质量的影响。

风速在垂直方向上的脉动用a′表示，如式(2)所示，且垂直向上为正。风速在垂直方向上脉动的剧烈情况及发展的高度，可用于对大气边界层进行分类。

$ a^{\prime}=A-\bar{A} $

(2)

垂直速度方差σ_A²，代表湍流动能的垂直分量，公式如下：

$ \sigma_{A}^{2}=\frac{1}{N_{i}} \sum\limits_{i=0}^{N-1} a_{i}^{\prime 2}=\overline{a^{\prime 2}} $

(3)

式中：a′表示观测时刻垂直风速的脉动；A表示观测时刻垂直风速的实际观测值；A为垂直风速1 h的滑动平均值。

计算时本文信噪比阈值选择相对保守，所有不符合阈值的数据均被剔除。这种考虑的弊端是一些不寻常的现象也会被剔除，比如大气洁净时信噪比较小，未达到阈值造成该数据缺失，这也强调了视觉检查步骤在质量控制中的重要性。计算先采用10个连续时间的廓线(大约2 min 40 s)和3个距离门(距离分辨率15 m)的窗口大小进行中值滤波处理，然后进行1 h的滑动平均，并设定垂直风的绝对限值为5 m·s^-1。

3.2 湍流特征分析

研究近地层湍流特征有助于理解湍流输送对气溶胶粒子输送的影响^[34]。试验所在区域地势相对平坦，因此垂直方向上的湍流主要是由热力因素形成，湍流混合和交换作用影响污染物质在垂直方向上的输送。

图 8a和图 8b分别为0310和0312测风激光雷达信噪比时间-高度剖面图，可直观地显示气溶胶的分层现象、云的高度分布特征以及大气边界层高度的变化^[35]。0310的大气边界层高度的日变化相对于0312不明显，全天维持在1.5~2 km之间缓慢变化。

图 9a和图 9b分别为0310和0312垂直速度脉动时间-高度剖面图，0310及0312边界层发展具有明显日循环特点^[36]。图 9中静力稳定的空气中带有弱而散的湍流为稳定边界层。0310中00:00—09:00，由于云对太阳辐射的遮挡作用导致地面受热较慢，垂直脉动速度接近0，不利于污染物在垂直方向上的扩散。在混合层中的湍流通常是对流驱动的，有利于污染物在垂直方向上扩散^[37]。0310中10:00—17:00和0312中08:00—18:00为混合层，垂直方向上的脉动较强，超过1 m·s^-1。0310混合层发展时间比0312短，混合强度比0312弱。

图 10为垂直方向上的脉动速度方差，可见湍流动能主要出现在白天混合层。总体上0312混合层湍流动能大值中心较厚，持续时间更长；0310湍流动能的大值中心较0312小，且大值中心比较贴近地面，随着高度逐渐增加，湍流动能逐渐消亡，大约到1.2 km以上湍流动能接近于0。混合层相对于稳定边界层来说垂直方向湍流交换强烈，从而有利于低层大气污染物向高层扩散，减轻低层大气污染^[38]，这可以解释图 7中0310空气污染在混合层出现时反而有所好转的原因。

4 结论与讨论

基于多普勒测风激光雷达在辽东湾西部绥中地区进行了风速测量试验，分析和提取了海陆风特征。观测个例结果显示有较明显的海风环流和陆风环流，海陆风期间近地面风速较小，风向有顺时针变化等特点，海风及陆风出现的时间符合海陆风日的定义，发展高度与历史统计一致。测风激光雷达观测数据相对于风廓线雷达来说，能更加精细准确地研究海陆风转换的时间及高度特征。此外，测风激光雷达在海洋气象观测方面，对来自地表和海面的地杂波不敏感，适用性优于风廓线雷达。但测风激光雷达工作于光学谱段，受降水、云等的影响明显。

海陆风期间水平风的局地回流指数较小，不利于污染物的扩散；但在垂直方向上，海风期间形成的混合层内湍流的剧烈运动使得低层大气的空气质量有所好转。海陆风期间与非海陆风期间边界层的变化明显不同，海陆风期间的边界层高度变化不明显且湍流动能的大值中心较低。根据测风激光雷达观测的湍流数据研究边界层湍流特性，有助于提升春季季风转换期间辽东湾西岸边界层演变特征的认识。根据测风激光雷达水平风和垂直风的观测研究污染物的扩散，为该地边界层参数化方案的设计和污染的防治提供参考依据。

沿海地区的边界层结构复杂，且各地的海陆风是不一样的。目前开展的单站短时测量工作所积累的数据以及得到的初步结论只是对仪器以及算法进行检验。为揭示沿海边界层普遍性的特征规律，需要多种设备联合开展长期观测。

致谢: 辽宁省绥中县气象局为试验的开展提供了大量帮助；孙康闻、石家祥两位硕士研究生执行和承担了本次观测试验，特此一并致谢。