引言

海陆风是由于海洋和陆地表面的热力和辐射特性差异，造成低层大气中产生不稳定温度梯度，从而引发的一种以日周期交替变化为重要特征的中尺度天气现象^[1]。对海陆风触发灾害性天气^[2-5]、影响大气和近海环境污染扩散^[6-8]等方面的研究较多。随着全球变暖和城市化程度加剧，热岛效应加强，热岛环流与海陆风环流共同影响沿海地区极端天气、气候、环境等事件^[9-12]。研究海陆风等局地环流中小尺度天气系统的结构特征，具有重要意义。

国内外研究发现，不同地区的海陆风具有不同的季节特征。刘馨尹^[13]发现中国沿海5个不同纬度地区的海陆风多发生在夏秋季节，且随纬度降低，海陆风发生频次升高、海风开始时间延后。杨林^[14]发现中低纬度地区的海陆风强度在冬、夏季更强，晴天比阴天更强。与国内研究结论相反，Coulibaly等^[15]发现西非几内亚海岸地区的海陆风在冬季最为常见。可见，各地区因纬度、海岸线和下垫面等差异，呈现不同特征。中国是世界上海岸线最长的国家之一，海岸线形态奇特，南北跨越超40纬度，不同沿海地区的海陆风差异明显。天津紧邻北京，是人口密集的沿海重要工业化城市，地理位置使其成为连接华北、东北和华东地区的重要交通枢纽，也是连接中国内地和国际市场的重要通道。天津拥有丰富的港口资源和沿海资源，对中国及周边国家的贸易有着重要影响。在高速发展的大背景下，有必要对天津沿海海陆风开展深入研究。

对海陆风的研究主要使用3类资料：观测资料^[16-18]、数值模式模拟资料^[19-21]和再分析资料^[22]。不少研究学者对比分析了不同资料揭示的不同地区的海陆风特征^{[15-16, 23]}，对天津沿海海陆风的研究，大多聚焦观测和模拟资料显示的海陆风空间结构特征^[24-26]，对天津地区ERA5资料海陆风起讫时间、持续时间、强度的年均和季节特征的适用性评估较少。随着观测数据的增多，检验数值模式常用的ERA5资料与站点资料近年在天津地区海陆风统计特征的异同，是开展环渤海地区海陆风的数值模拟和热动力精细化特征分析的基础，有利于未来提高极端天气、气候和环境事件的预报水平。

1 资料和方法 1.1 资料

使用2018年3月—2021年2月欧洲中期天气预报中心ERA5资料(https://cds.climate.copernicus.eu/#!/home)，空间分辨率为0.125°，时间分辨率为1 h。沿用许启慧^[27]研究天津海陆风特征使用的塘沽站(117.71°E，39.00°N)、大港站(117.28°E，38.51°N)和汉沽站(117.46°E，39.14°N)这3个具有代表性的沿海国家级气象观测站，站点离海岸线的距离为5~10 km(图 1)，能够很好地捕捉到海陆风这一天气系统。ERA5资料选取站点临近格点资料来表示。

1.2 筛选方法

国内外对于海陆风的筛选条件，多基于风速风向的改变、海陆温差、背景风场、云量、太阳辐射等。表 1列举了部分研究对不同地理位置海陆风的判定标准。

实测风是局地风场和背景风场的叠加，强背景风会掩盖海陆风信息。为研究局地风场特征，沿用邱晓暖等^[31]的方法，首先，由公式(1)—(4)区分背景风场和局地风场。

$ \bar{u}=\frac{1}{24} \sum\limits_{i=0}^{23} U_i, $

(1)

$ \bar{v}=\frac{1}{24} \sum\limits_{i=0}^{23} V_i, $

(2)

$ u_1=U_o-\bar{u}, $

(3)

$ v_1=V_o-\bar{v}_{\circ} $

(4)

其中：U_o、V_o是站点资料或再分析资料风场，u、v 是背景风，u_l、v_l是局地风。该方法已证实可以有效利用国家级气象观测站数据对海陆风局地环流进行研究。

由于观测站仪器故障等原因，站点数据出现缺测，因此在使用前需要对缺测数据进行处理。规定1 d之内，缺测时次超过1/3(即24 h数据有8 h及以上缺测时次)所在日为无效日^[31]；其他少量缺测时次，根据气象要素的连续性，用相邻时次的气象要素值补充修订。表 2是对站点数据有效时次及有效日数的统计，可见研究时段内各个站点有效时次比例超过97%，即站点数据有效性较高。

对站点资料和ERA5资料进行时空一致性检验评估。通过检验研究时段内塘沽站、大港站、汉沽站风速及风向等要素，显示2套资料的各要素时空间序列变化合理，且站点资料的风速平均值相比于ERA5资料偏小1.7~2.2 m·s^-1(图略)。

1.3 海陆风日及相关特征量定义

综合考虑表 1各种算法，主要借鉴邱晓暖等^[31]的方法、刘馨尹^[13]的指标以及吴增茂^[33]对海陆风日最大风速的限制，并根据天津地区海岸线的角度以及对本研究时段内ERA5资料和站点资料的风速平均值差异进行微调和测试，最终定义海陆风日满足以下条件：

(1) 海风出现时间段为12：00—20：00，出现海风不少于5次，陆风出现时间段为01：00—09：00，出现陆风不少于3次；ERA5资料当日最大风速小于或等于10 m·s^-1，站点资料当日最大风速小于或等于8 m·s^-1，则定义当天为海陆风日。

(2) 在海陆风日，05：00后，当海风在A时刻出现并持续3 h及以上(D₁)，记A为海风开始时间，D₁为海风持续时间，A+D₁为海风结束时间。

(3) 在海陆风日，14：00前，当陆风在B时刻出现并持续2 h及以上(D₂)，记B为陆风开始时间，D₂为陆风持续时间，B+D₂为陆风结束时间。

(4) 海风(陆风)强度由公式(5)得到，定义为发生海风(陆风)时间段内的最大全风速。

$ I=\vec{V}_{\max \left(t_{\text {start }}-t_{\text {end }}\right)} 。$

(5)

其中：I为海风(陆风)强度，单位为m·s^-1；V_max为最大风速，单位为m·s^-1；t_start为海风(陆风)开始时间; t_end为海风(陆风)结束时间。

海风(陆风)角度以海岸线为准，3个站点垂直于海岸线吹向内陆的风为海风，反之为陆风。考虑风向左右摆动等原因，具体海风和陆风的风向角度定义如表 3所示。

2 气候特征分析 2.1 海陆风开始和结束时间

筛选ERA5资料和站点资料得到的塘沽站海陆风日数分别为286 d和251 d，大港站海陆风日数分别为159 d和205 d，汉沽站海陆风日数分别为232 d和192 d。除大港站外，ERA5资料识别结果多于站点资料。

由ERA5资料、站点资料显示的海风和陆风开始及结束时间的年均日分布频率(图 2和图 3)可见，海风一般在11：00—15：00开始，17：00—23：00结束，陆风一般开始于23：00—次日03：00，结束于06：00—10：00。具体来看，ERA5资料得到的塘沽站海风开始时间更集中，超50%的海风都发生在12：00—14：00(图 2a)；站点资料显示的海风开始时间随着日出后逐渐延后，最常出现在14：00(图 3a)。2套资料显示的陆风开始时间较一致，均为00：00—03：00(图 2b、图 3b)；ERA5资料显示的陆风结束时间多为10：00，而站点资料多为06：00—07：00。ERA5资料显示大港站海风开始时间呈双峰分布，多发生在11：00和15：00—16：00，与结束时间的双峰分布对应，分别在17：00和20：00(图 2c)；站点资料显示12：00和14：00为海风主要开始时间，18时和20时是主要结束时间，双峰结构较弱(图 3c)。2套资料呈现的陆风开始(图 2d)和结束时间(图 3d)一致，且陆风出现频率均随时间推移而降低，集中在06：00—08：00结束。ERA5资料显示汉沽站海风主要开始于10：00之后，于13：00和16：00出现峰值(图 2e)；而站点资料显示超50%以上的海风发生在13：00—15：00，较ERA5资料早1 h(图 3e)。2套资料显示的陆风结束时间(图 2f、图 3f)分布较平均，主要结束于上午09：00左右。

可见，2套资料显示的海风和陆风开始、结束时间峰值结构类似，但具体时间有差异。不同站点的年均差异主要为：ERA5资料显示的塘沽站海风开始时间略早于站点资料显示的开始时间，而结束时间晚于站点资料显示的结束时间；站点资料显示的陆风结束时间则提前于ERA5资料。ERA5资料显示的大港站和汉沽站海风开始和结束时间呈双峰结构，显示的陆风结束时间相较于站点资料，有1 h左右的延迟。

2.2 海陆风持续时间

进一步对比分析不同站点的海风和陆风持续时间的特征(图 4)：由年均来看，ERA5资料显示的塘沽站海风持续时间主要为7~11 h(图 4a)，相较于站点资料的5~10 h更集中；而陆风持续时间有1 h的相位差(图 4b)，站点资料显示50%的陆风过程持续4~8 h，ERA5资料较站点资料平均长0.2~0.8 h。

2套资料显示的大港站与汉沽站海风持续时间均为5~9 h，陆风持续时间为5~10 h。此外，站点资料分析得到3个站点的海陆风事件年平均持续时间较ERA5资料更短，说明站点资料在识别持续时间较短的海陆风事件时，略优于ERA5资料。ERA5资料统计出的3个站点海风持续时间更集中，塘沽站、大港站海风持续时间长于陆风持续时间，汉沽站则相反。

3 不同季节的海陆风特征对比分析 3.1 海陆风日数

图 5显示了使用不同资料识别出来的海陆风日数在各个季节的分布情况，对比可见：ERA5资料显示3个站点春、秋季海陆风日数差异小(图 5a)，冬季除大港站以外，都达到了最小值。3个站点都在夏季出现最多海陆风事件，塘沽站夏季海陆风日数更是多达91 d。站点资料显示3个站点冬季海陆风日数均为最小值，且春季高于秋季(图 5b)。2套资料的四季分布除大港站的冬季以外都有很好的对应。根据测风数据检验推测，是由于站点数据风向与ERA5资料均值之间有系统性偏差，导致大港站风向筛选出现偏差。但由总体结果来看，与吴增茂^[33]对天津地区海陆风的研究结论一致，即春、夏季为海陆风的高发季节，冬季发生频率最低。剔除大风日的影响后，季节分布的差异多由天津地区局地热力因素的差异导致，夏季海陆温差大，更容易达到海陆风环流所需要的温度场形势，冬季海陆温差小，海陆风发生更加困难。

3.2 海陆风开始和结束时间

为对比分析不同站点海陆风日的海陆风开始和结束时间异同特征，图 6—9显示了2套资料识别出不同季节海风(陆风)开始(结束)时间的频率分布。2套资料显示塘沽站夏、冬季(图 6d、图 6j)的海风开始时间在平均值附近的分布十分相似。比较海风平均开始时间可见，2套资料夏季平均开始时间一致(13:00左右)，而站点资料显示的冬季平均开始时间(12:48)比ERA5资料对应平均开始时间(13:57)偏早1 h以上，且冬季的双峰高发时间段分别分布在均值的±1 h处，说明2套资料各自均值间隔1 h附近均为海风开始的高发期。ERA5资料显示的海风开始时间高峰期在春季提前于站点资料约1 h(图 6a)，秋季则延迟约0.5 h(图 6g)。

具体到站点，ERA5资料显示塘沽站夏季(图 6d)、秋季(图 6g)、冬季(图 6j)和大港站春季(图 6b)以及汉沽站冬季(图 6l)平均海风开始时间迟于站点资料对应结果。ERA5资料显示塘沽站春季(图 6a)海风平均开始时间先于站点资料约1 h，大港站和汉沽站2套资料的差距较小；夏季峰值时间段基本符合，即2套资料对应较好(图 6e—f)；秋季ERA5资料峰值时间提前于站点资料(图 6h—i)；冬季塘沽站(图 6j)的2套资料海风开始时间分布走势相同，ERA5资料显示大港站(图 6k)和汉沽站(图 6l)均有平均值以上的峰值，而站点资料显示存在平均值以下的峰值。

图 7显示了2套资料不同季节海风平均结束时间。塘沽站春季(图 7a)和大港站夏季(图 7e)、秋季(图 7h)、冬季(图 7k)以及汉沽站冬季(图 7l)在均值附近呈现相似的分布形势；ERA5资料显示大港站春季(图 7b)海风结束时间多数早于平均时间，而站点资料结果不明显；ERA5资料显示汉沽站春季(图 7c)海风结束时间呈现提前结束趋势，且仅有一个峰值，而站点资料出现双峰分布形势。除大港站春季(图 7b)、汉沽站夏季(图 7f)以外，ERA5资料显示的平均海风结束时间均迟于站点资料对应结果。

陆风开始时间的分布形势表现为均在平均值前出现高频时段，且随时间推移，发生频率逐渐降低(图 8)。在平均开始时间之前约2 h，3个站点在四季均有一个明显的高发频率峰值，而在平均开始时间之后，ERA5资料显示的塘沽站夏季(图 8d)、秋季(图 8g)和大港站春季(图 8b)、夏季(图 8e)、秋季(图 8h)以及汉沽站春季(图 8c)陆风开始时间均在均值后2~4 h内再次出现峰值；站点资料二次高发峰值出现时间更加提前，约在均值后0~2 h。2套资料的差异主要体现在，站点资料显示的塘沽站春季(图 8a)、大港站冬季(图 8k)、汉沽站秋季(图 8i)平均陆风开始时间均晚于ERA5资料对应结果。

2套资料显示3个站点陆风结束时刻在不同的季节有着不同的峰值结构。塘沽站随着季节的推移，站点资料陆风结束时间的峰值逐渐由平均值以下变化至平均值以上，而ERA5资料显示春季(图 9a)、夏季(图 9d)峰值持续2 h，陆风结束时间大多晚于站点资料；2套资料在大港站春季(图 9b)、夏季(图 9e)、冬季(图 9k)走势一致；ERA5资料显示汉沽站春季(图 9c)、秋季(图 9i)陆风结束时间围绕均值呈双峰分布，而站点资料仅出现单峰。

3.3 海陆风持续时间

对比2套资料显示的不同季节海风和陆风持续时间(图 10)，可见ERA5资料显示的海风和陆风持续时间均长于同站点同季节站点资料显示持续时间。

具体来看，ERA5资料显示塘沽站海风(图 10a)春、秋、冬季海风的持续时间主要分布在6~11 h，较站点资料结果更集中，而站点资料显示的陆风持续时间(图 10b)在夏季更集中。2套资料显示的大港站海风(图 10c)和陆风(图 10d)持续时间在春、夏季对应较好，ERA5资料显示的秋、冬季海风持续时间相较于站点资料延长了1.1~1.4 h。ERA5资料显示的汉沽站春、夏、秋季海风(图 10e)持续时间比站点资料对应结果更为集中；而陆风(图 10f)持续时间峰值区相比于站点资料延后1 h。整体来看，2套资料具有较好的一致性。

3.4 海陆风强度

对比2套资料识别的3个站点各季节和年均海风强度可见，ERA5资料(图 11a)和站点资料(图 11b)显示3个站点春季海风最强。由年均来看，塘沽站、大港站、汉沽站ERA5资料海风强度依次递减，且随着季节推移，ERA5资料显示的海风强度逐渐减弱，在冬季最弱。站点资料显示大港站在冬季海风强度略微增强，海风强度演变与ERA5资料显示结果较相似；强度值方面，春季塘沽站和大港站海风强度差异为1 m·s^-1左右。

对比陆风强度(图 11c、d)可见，大港站陆风强度最弱，站点资料显示的塘沽站陆风强度与ERA5陆风强度相比，偏弱2 m·s^-1左右。由四季差异来看，春季陆风强度达到最强，其中，ERA5资料显示的塘沽站春季陆风强度比其他两站偏强1.4 m·s^-1，2套资料显示的陆风强度在冬季均有所回升。

由海风和陆风强度总体分布趋势可见，海陆风强度在春季最强，在秋、冬季强度最弱，个别站点在冬季会出现第二次峰值。这与秋、冬季地表辐射冷却迅速、气温下降有关，大气层结稳定使得风速减小；而春、夏季的大气层结不稳定，从而导致海风普遍增强，且海风强度高于陆风强度。此外，使用ERA5资料评估天津沿海3个站点得到的结果，与站点观测资料结果对应较好。

4 结论

使用2018年3月—2021年2月ERA5资料与站点资料，对天津沿海海陆风事件进行筛选，并对海陆风的统计特征开展对比分析。结果表明：

(1) 海风一般在11：00—15：00开始，17：00—23：00结束，陆风一般开始于23：00—次日03：00，结束于06：00—10：00。2套资料都体现夏季海陆风日数最多这一基本特征，且四季分布基本有较好的对应。海风持续时间较陆风持续时间更长，具体表现为2套资料中大港站海风和陆风的持续时间在春、夏季节分布一致，汉沽站冬季海风以及夏季陆风持续时间集中程度相似；2套资料年均海风强度高于陆风强度，且强度在春季最大。

(2) 年均差异表现为，ERA5资料显示塘沽站海风开始时间略早于站点资料，大港站和汉沽站相反，且站点资料显示海风开始和结束时间呈弱双峰结构。ERA5资料显示陆风开始和结束时间均晚于站点资料约1 h。站点资料显示平均海风和陆风持续时间均短于ERA5资料，且后者显示的海风持续时间分布更加集中，平均海风和陆风强度更强。

(3) 季节差异主要表现为，ERA5资料显示春、秋季海陆风日数差异小，站点资料显示冬季海陆风日数最少。2套资料显示汉沽站春季海风结束时间在均值附近的双峰分布差异较大；站点资料显示塘沽站春、夏、秋季和汉沽站四季的陆风平均结束时间峰值明显。塘沽站秋、冬季海风持续时间最长，大港站和汉沽站则为春、夏季海风持续时间最长；ERA5资料显示大港站和汉沽站秋季出现海风持续时间最大值。海风强度随季节推移，站点资料显示大港站秋、冬季强度最小，冬季出现回升；ERA5资料显示夏季陆风最弱，站点资料则显示秋季陆风最弱。

综上，对较长时间序列ERA5资料在表征天津沿海的海陆风特征方面的适用性开展了评估检验，通过与站点资料对比分析，证实其适用性。未来将基于高分辨率模拟结果，结合沿海雷达等加密观测资料，对海陆风动热力精细化结构特征、对流触发机制开展研究。