海风是海陆热力差异引起的由海上向内陆吹的局地风，通常发生在气压场较弱、风速较小的天气。海风开始后，会对沿海地区的风向、风速、气温等造成影响，对于帆船比赛等水上项目、空气质量等均有重要影响^[1-2]。因此，研究海风发生特征及三维结构，是提高海洋气象精细化预报服务能力的重要方面。

国外对于海风的研究开展较早^[3-5]，比如美国、澳大利亚等国，沿海地区海风预报是日常业务中的重要方面。根据海岸线走向和不同的环境风向，归纳出了易发生海风的一些天气形势^[6]。国内在海风特征分析等方面也开展了不少工作，如青岛海风发生时间特征^[7]，日照海陆风的气候特征^[8]，山东半岛海陆风环流^[9]以及龙口海风的结构特征^[10]等，对山东沿海海风的日变化特征、季节特征、垂直特征等进行了分析。盛春岩等^[11-12]利用2006年青岛国际帆船赛期间的自动站、海岛站、浮标站以及多普勒雷达等观测资料，分析了帆船赛期间青岛海风的特征及三维结构。高荣珍等^[13]利用2003—2006年青岛7—9月的自动站及探空资料，重点统计分析了地转风为非南风情况下青岛沿海的海风特征，建立了海风客观预报方程。李明华等^[14]观测发现，秋季海风会使珠江口贴地逆温的出现时间偏晚、低空逆温的出现频率增加。关于海风的数值模拟方面国内也开展了一些工作，如付秀华等^[15]建立的三维中尺度风场预报模式，可以较好地模拟复杂地形下的海风扰动。2008年青岛奥帆赛期间建立的500 m高分辨率数值模式^[16]，经高分辨率的边界层模式和城市小区尺度模式的动力释用，模式水平分辨率达10 m，可用于海风环流模拟，帮助预报员进行海风预报。

但由于海风通常发生在气压场较弱、风速较小的晴好天气中，对于大尺度系统风向与海风风向相反且风速较大的天气背景下，海风是否能够发生、其形成过程如何等，还缺少深入分析，预报员对此也不能很好把握。

2006年8月21日这次海风过程，就是这样的一次过程。首先，由于冷空气在20日夜间刚刚影响，山东省都受偏北风影响，地面气温较低且环境风向与海风的方向正好相反；其次，整个锋区刚好压在山东，地面气压梯度较为密集，系统风速较大，不属于易发生海风的天气形势。但观测资料表明，在东南沿海确实有海风发生。为分析本次海风的发生发展过程及三维结构特征，本文通过观测分析及数值模拟，对本次海风过程进行了分析。

2006年8月20日夜间，一股冷空气自西向东影响山东。8月21日08：00(北京时，下同)，在地面图上 (图略)，地面冷锋前沿刚刚移出山东，到达江苏省北部，山东省地面均为一致的偏北风。500hPa高空图上 (图略)，副热带高压位于朝鲜南部海面，范围小，沿副热带高压边缘有西风槽正影响山东省。21日白天山东西北地区有小阵雨。形势配置来看，正符合盛春岩等^[12]对青岛地区8月海风天气分类中的500hPa副热带高压边缘类。

图 1a，1b给出了8月21日青岛奥帆赛场内3个浮标站以及青岛站风的日变化。从风向的日变化可以看出，青岛沿海在21日早晨为偏北风，11：00浮标站风向开始转为东南风，青岛站13：00转为东南风，18：00后风向又开始顺时针偏转，22：00前后转回偏北风。风向变化清楚地显示，青岛沿海在午后出现了海风。从风速日变化来看，午后至18：00左右青岛站以及3个浮标站的风速均较大 (浮标B在15：00以前缺测)，与海风开始有关系。22：00前后风向转回偏北风后，由于系统风较大，因此，风速再次增大。

图 1

图 1. 2006年8月21日青岛奥帆赛场附近3个浮标站以及青岛站风速 (a)、风向 (b) 演变曲线 (浮标B在15：00风速以前缺测) 以及08：00(c) 和17：00(d) 山东省123个地面自动站观测的风场 Fig 1. Wind speed (a) and wind direction (b) at three buoystation sand Qingdao Station (wind speedatbuoy Bbefore 15:00 is missing) with the wind field at 08:00 (c) and 17:00 (d) by the 123 AWS in Shandong Provinceon 21 August 2006

分析山东省123个地面自动站观测的风场日变化发现，21日08：00(图 1c)，由于冷空气刚开始影响，大部地区风速较强，在2 4m·s^-1左右。奥帆赛场内风速明显较内陆地区小。直到12：00，山东省内陆地区均为一致的偏北风。13：00，青岛站的风首先转为东南风。14：00，青岛—日照沿海的风均转为一致的东南风，表明海风在这些沿海地区开始。此后直到18：00(图 1d)，青岛—日照沿海的风均维持稳定的东南风，而其他内陆站的风向也基本维持偏北风。18：00后，东南沿海的东南风开始转为偏北风，海风结束。山东省123个地面自动站观测的风场表明，下午青岛—日照沿海出现了海风，但海风影响范围很小，主要限于海岸线附近。

图 2给出了青岛地区内陆、沿海、海岛及浮标站观测的风场及温度场演变，可以发现，由于冷空气刚开始影响，06：00，青岛内陆及海上均为一致的北—西北风。07：00—08：00，浮山站的气温1h内升高了3 ℃，08：00—09：00，石老人站首先转为西南风，浮标C转为东南风，表明海风在这些地区开始。此时，这附近海陆温差仅为2 3 ℃。因此，如果沿海内陆观测站1h内气温升高3 ℃以上，可以预报海风即将开始。10：00，浮山站的气温1h内又升高了2 ℃，该站风向也转为东南风，表明浮山站已受海风影响。此后，随着内陆继续升温和海风发展，海风有规律地向内陆地区推进。14：00，海风向内陆推进到北宅、青峰顶附近。16：00，整个青岛内陆直到即墨均受一致的东南海风影响。18：00，由内陆站点风向开始陆续转回西北风，海风逐级向东退至奥帆赛场以东，海风结束。对比山东省123个地面自动站观测资料发现，由于这些自动站缺乏对海上的观测，因此，123个地面自动站反映的海风开始时间比青岛沿海观测站开始得晚。这从另一个角度说明海风首先在海上开始。

图 2

图 2. 2006年8月21日青岛地区内陆、海岛自动站及浮标站观测的风场演变 (图中红色数字为气温，单位：℃) Fig 2. Surface wind field from the AWS in land and is land, and buoys in Qingdao on 21 August 2006 (red numbers denote air temperature, unit:℃)

为了分析海风的发生过程及三维垂直结构，利用美国俄克拉荷马大学风暴分析与预测中心开发的中尺度ARPS (the Advanced Regional Prediction System) 模式^[17-19]，对这次海风个例进行了数值模拟。模式采用30km，6km双重嵌套网格，外层网格中心位于36.8°N，116.8°E，网格点数为115×115;内层网格中心位于36.8°N，118.8°E，网格点数为163×163。两层网格在垂直方向上均分53个σ层，平均格距为400m，并采用双曲正切曲线向上伸展，近地面最小距离为20 m。所有的试验都采用了两层土壤植被模式，TKE次网格混合和PBL参数化，大气辐射传输参数化以及冰微物理方案，以及Kain-Fritsch积云参数化方案。两层网格均采用全球30″地形资料。

模式外层网格采用6h间隔的1°×1°的NCEP分析资料作为初始场和侧边界条件。外层网格的初始场上同时使用了常规地面、探空资料对外层网格的初始场进行了分析。在内层网格初始场上，还同时使用了山东省123个地面自动站资料 (站点分布参见图 1c，1d)，以及青岛地区内陆、沿海及海岛自动站、浮标站资料 (站点分布见图 2) 进行分析。以30km网格、3h间隔的模式输出资料作为侧边界条件，模式积分开始时间为2006年8月21日08：00，共积分18h。

图 3给出了模式6km网格模拟的8月21日10m风场和温度场。可以发现，21日08：00(图 3a)，一支较强的冷锋刚刚影响山东省，山东大部地区为偏北风，黄海中部海面为东北风。上午内陆地区温度缓慢升高，11：00(图 3b)，山东半岛南部沿海地区温度梯度显著增加，海陆温差达2℃左右，山东东南沿海的风向出现了顺时针偏转。14：00，东南沿海的海陆温差达3 ℃左右，海风在青岛以南沿海的大部地区开始，沿海风向顺时针转为东南风，与来自北部沿海的偏北风之间在东部沿海内陆地区形成了一条清晰的切变线 (图 3c)。从山东东南沿海风向偏转的程度以及内陆地区温度变化可以发现，青岛南部的内陆地区温度升高快，海陆温差大，因此，青岛南部—日照沿海海风形成早，其表现为南部沿海的风向转向早。由于青岛地区三面环海，内陆地区温度回升慢，海风开始晚。而青岛以北的山东半岛南部沿海由于内陆地区温度升高不明显，几乎没有海风形成。

图 3

图 3. 2006年8月21日模式6km网格模拟的近地面10m风场 (矢量，单位：m·s-1) 和温度场 (绿线，单位：℃)(阴影部分为地形高度)(a)08：00，(b)11：00，(c)14：00，(d)17：00 Fig 3. Surface wind field (vector, unit:m·s-1) and temperature (greenline, unit:℃) simulated by the 6-km grid on 21 August 2006 (shadow areas are altitude terrain)(a)08:00, (b)11:00, (c)14:00, (d)17:00

海风最初主要从沿海岸线附近的海上开始。随着海风的发展，海风向内陆地区推进，同时也向离岸方向发展。由于大尺度风场为偏北风，由图 3b 3d可以看出，伴随着较强的温度梯度的冷中心不断从渤海向山东内陆地区推进，导致内陆气温很快下降，不利于海风长时间维持。17：00后，强的偏北风气流推动东南沿海的海风向南移动，海风移到海上。同时，由于海陆温差减小，东南沿海的海风迅速减弱。对比实况 (图 2) 可以发现，模式较好地模拟出了青岛附近沿海海风的发生发展过程，但由于较强的大尺度偏北风影响，模式模拟的海风结束时间比实况观测的偏早偏快。

由于赛场附近3个浮标站距离较近，约3km左右，因此，模式6km分辨率难以将3个浮标站很好地分辨开。这里主要以赛场附近为代表，对模式模拟海风过程的合理性进行分析。图 4给出了模式6km网格模拟的青岛站以及3个浮标站的风及地面气温演变 (其中浮标A，B的模拟结果完全相同)，不难发现，模式模拟的青岛沿海早晨风速较小，自21日09：00风速开始逐步增大，这一趋势与实况较为一致。模拟的19：00风速达最大，而实况 (图 1a，1b) 最大风速分别出现在14：00—16：00和22：00之后，18：00—21：00由于海风减弱开始向系统风向转换，浮标站和青岛站的风速均迅速减弱，直到22：00后转为系统风影响，风速又再次增大。从模式模拟的青岛沿海风向演变来看，11：00前后青岛沿海由偏北风逐渐转为偏东风，海风的特征非常明显，但风向更偏东。结合模式模拟的近地面10 m风场 (图 3d) 可知，17：00之后模拟的青岛附近风向逐渐转向东北风，此时青岛附近已开始受偏北的系统风影响，风速较大，但风向为北偏东，这一过程比实况由海风转为系统风的时间偏早，且转风的时间快，这正是模拟的风速在19：00迅速加强的原因。由此可见，模式大致反映出海风发生发展过程，但海风开始过程偏慢，结束时间较实况偏快。

图 4

图 4. 模式6km网格模拟的2006年8月21日青岛站以及浮标站风速 (a)、风向 (b)、地面气温 (c) 的演变以及地面气温实况 (d)(浮标A与B的风速、风向与气温模拟结果重合) Fig 4. Simulated wind speed (a), wind direction (b), surface air temperature (c) for buoys and Qingdao Station at 6-km grid and the temperature observations (d) on 21 August 2006 (the simulated wind and temperature at buoy A and Bisthe same)

从模式模拟的气温演变来看，模式模拟的青岛沿海气温上午逐渐升高，最高气温出现在14：00—15：00左右，此后气温逐渐降低，模拟的浮标站和青岛站气温比较接近。实况青岛站气温在上午迅速升高，最高气温出现在12：00，此后受海风影响，气温又迅速下降，而浮标站气温少变。结合图 3可以发现，模式在东南沿海模拟出较明显的温度梯度，但对于局地温度的精细特征模拟得还不够精准，模拟的气温演变过程与模拟的海风发生发展过程是一致的。

基于数值模拟结果，沿胶州湾南部36°N做水平风场以及温度场的垂直剖面发现，21日08：00(图 5a)，1500m以下基本为偏北风，高层为偏东风，山东省整个内陆地区为北偏西风。海陆气温差异很小。10：00，近地面气温迅速增加，沿海近地面最高气温达28℃以上，海陆温差达2 3℃，东部沿海的风向开始发生偏转，在沿海附近出现了偏东风的分量。13：00，沿海近地面最高气温达29℃以上，海风在东南沿海海岸线附近的海上大规模开始。可以发现，海风低层气流主要为偏东风，垂直高度约在300 m以下，在沿海附近海风与系统风之间开始形成清晰的切变线。随着海风的发展，海风强度逐渐增强并向内陆缓慢推进，同时也向海上延伸发展，但海风低层气流高度始终位于500m以下边界层内 (图 5b)。由于内陆较强的偏北风，海风前沿一直维持在119.9°120°E附近，与内陆的系统风形成清晰的切变线。海风向远海发展的范围也主要在121°E以西。17：00后，近地面气温迅速下降，海风开始减弱，但其环流圈却非常清楚。20：00后，海风环流消失。

图 5

图 5. 模式6km网格模拟的2006年8月21日08：00(a) 和17：00(b) u-v风场和气温场以及13：00(c)、18：00(d) u-w风场矢量、气温 (点划线，单位：℃) 和垂直速度 (实线，单位：m·s-1) 沿36°N的垂直剖面 (其中，w放大了25倍) Fig 5. Simulated cross-section of wind and temperature at 08: 00 (a), 17: 00 (b) and w-w wind (vector, mis multiplied 25), temperature (dotted-dashed line, unit: ℃) and w component (solid line, m • s-1) along 36°N at 13 :00 (c) and 18 :00 (d) by 6-km grid on 21 August 2006

分析u-w场沿36°N的垂直剖面发现，13：00，当海风在东南沿海开始时，沿海风与系统风之间的切变线附近海风入流气流与系统风之间有明显辐合，辐合产生较强的上升运动，最大上升运动达0.15m·s^-1(图 5c)。随着海风的发展和向内陆缓慢推进，上升运动区不断增强。14：00，在上升气流区的东侧约1000 m高度以下出现了下沉气流，标志着海风环流下沉支开始形成。随后，海风前沿的上升运动区不断加强，其东侧的下沉气流也不断增强，下沉气流高度迅速升高。18：00，海风前沿的上升气流达最强，最强上升运动达0.55m·s^-1，海风垂直环流清楚，环流圈基本位于1000 1500 m高度上，其下沉支在海上，高度在1000 m以上，最强下沉气流约在2500 m高度附近，表明高层有更多的补充下沉气流 (图 5d)。其后，海风气流开始减弱，风向开始回转，垂直上升气流也减弱，下沉气流的高度进一步升高，但海风环流圈一直维持到21：00。22：00后，随着海风上升支的减弱消亡，下沉支也减弱，海风环流圈消失。

为了分析海风的三维结构特征，对模式6km网格模拟的1500m高度风场特征进行了分析。结果发现：21日08：00，1500m高度上山东省及沿海地区均为一致的东北风，这种风场特征一直维持到12：00。13：00，在山东省东南沿海的内陆地区风向开始发生逆时针偏转，14：00，在地面东南沿海海风开始形成的同时，1500m高度上也出现了西北风 (图 6a)，其风向与海风完全相反，显然是海风环流的返回支。反环流主要位于沿海岸线的海上。随着海风环流的发展，其反环流也越来越清楚，18：00，海风的反环流自沿海向黄海中部伸展 (图 6b)，与近地层的海风风向正好相反。20：00后，当近地层海风消失约3h后，海风的三维环流圈也崩溃，海风的反环流消亡。

图 6

图 6. 模式6km网格模拟的2006年8月21日1500m高度上的风场特征 (a)14：00，(b)18：00 Fig 6. Simulated horizontal wind at 1500 mheight by 6-kmgrid of the modelon 21 August 2006 (a)14:00, (b)18:00

本文选取了发生在2006年青岛国际帆船赛期间的一次冷锋过境后的海风个例，在观测分析的基础上，利用ARPS中尺度数值模拟，将山东省123个地面自动站资料，青岛内陆、海上三十多个自动站及奥帆赛场3个浮标站资料同化到数值模式中，对本次海风过程进行了数值模拟及三维结构分析，得到以下结论：

1) 8月，在较强的偏北离岸风背景下，当内陆气温高于海面气温2 ℃左右时，海风即可发生。由于偏北风的影响，青岛以南内陆地区气温回升快，因此，海风主要出现在青岛以南的东南沿海。

2) 海风首先在海岸线附近的海上开始，随着内陆的升温，海风发展的同时，向内陆地区推进，并向离岸方向有所拓展。海风低层环流很浅，主要位于500m以下的高度范围内。受较强的偏北风影响，海风向内陆推进的距离很短。

3) 偏北风经过渤海海面冷下垫面的影响，向山东内陆地区输送冷平流，不利于海风的维持，因此，东南沿海的海风在17：00前后便很快减弱消亡。

4) 海风开始时，在高空约1500 2500 m高度处同时有反环流出现，但直到傍晚前后，海风的垂直环流圈才发展得比较清晰，其高度也更接近地面，在1000m以下。

5) 海风消亡后，高层的垂直环流圈及反环流维持3h左右才逐渐消亡。