SAME亮点 | 相干多普勒激光雷达：中尺度天气与局地气象污染研究新方法

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中国海洋大学宋小全课题组在《光学学报》发表“2021年春季葫芦岛海陆风特征及对臭氧污染影响”一文，被选为《光学学报》空间、大气、海洋与环境光学（SAME）专题刊亮点文章。文章利用相干多普勒激光雷达捕捉到了海陆风精细结构，结合中尺度WRF模式研究了海陆风环流对当地臭氧污染作用，为局地气象污染研究提供新思路。

原文链接：杨雅雯, 宋小全, 廉文超, 康博识, 苗传海. 2021年春季葫芦岛海陆风特征及对臭氧污染影响[J]. 光学学报, 2023, 43(12): 1228002.

图1 海陆风环流形成机制

对流层臭氧主要由氮氧化物等挥发性有机物通过一系列光化学反应生成，受辐射、温度、边界层扩散条件和局地环流等多种气象条件影响。海陆风特殊的气象条件与局地环流结构对沿海地区臭氧的输送和扩散具有重要影响。葫芦岛市南临渤海湾，海岸线复杂，为海陆风多发地带；作为辽宁沿海经济带的重要港口城市，以臭氧和细粒子为特征的区域复合型污染日益严重。本研究从局地气象学角度研究海陆风环流对局地环境质量尤其是臭氧污染的有关影响，为环渤海区域其他城市提供相关参考，也为葫芦岛地区臭氧污染防治提供了理论依据。

图2 葫芦岛地区海岸线走向及风向十六分位法示意图

图3 观测场地与测风激光雷达系统照片

表1 相干多普勒激光雷达Wind3D 6000技术性能指标

多普勒激光雷达高时空分辨率数据可以获取海风环流垂直结构及发展过程的更多细节。如图4所示，凌晨及夜间陆风占主导作用，海风登陆时间集中在上午；海风发展过程中风向呈顺时针偏转。相比于近地面，高空海风形成有所滞后，持续时间较短；海风阶段高空仍可观测到北向陆风，形成海风环流。

(b)

（a）2021 年 4 月 4 日；（b）2021 年 4 月 14 日

中尺度天气预报WRF模式是模拟城市尺度到中尺度范围气象的有效工具。为了研究区域内海陆风的发展过程，该文利用WRF模式对2021年4月4日的海陆风进行模拟。图5模拟结果显示：随着海陆热力性质差异增大，来自低纬区域的海风从葫芦岛沿岸登陆；12:00海风覆盖区域的经向风为5~8 m·s^-1，海风发展更盛，海风头高度达750 m；14:00海风深入内陆，形成明显的海风环流。

海陆风环流期间，离岸陆风将本地源污染物吹向海洋；日间海风登陆，将陆风输送到海上的气团带回陆地，造成污染物的循环累积，是海陆风期间臭氧峰值浓度更高的主要原因。局地回流（recirculation, R）描述了空间内污染被风场输送出去后再次输送回来的现象，该指数由Allwine和Whiteman等人提出用来表征风场的输送能力。

如图7所示，4月4日葫芦岛地区局地回流指数为0.049，空间内风场输送能力弱，进一步说明海陆风环流发生时，污染物有效扩散区域较小，导致局地臭氧浓度升高。