付曉明,劉昊野,李彤彤,花家嘉,李江波
(1.唐山市氣象局/河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 唐山 063000;2.秦皇島市氣象局,河北 秦皇島 066000;3.邯鄲市氣象局,河北 邯鄲 056004;4.雄安新區(qū)氣象局,河北 雄安新區(qū) 071700;5.河北省氣象局,河北 石家莊 050000)
隨著北京2022 年冬季奧運(yùn)會(huì)的成功申辦,近年來我國的冰雪運(yùn)動(dòng)發(fā)展迅速。 國際性的冰雪運(yùn)動(dòng)比賽特別是冬奧會(huì)對氣象條件的要求較為苛刻, 在歷屆冬奧會(huì)的比賽中, 經(jīng)常有因惡劣天氣造成比賽推遲甚至取消的情況發(fā)生, 并且氣象條件的改變也會(huì)影響運(yùn)動(dòng)員的安全以及比賽成績。 由于室外雪上比賽項(xiàng)目大多在山區(qū)舉辦, 山區(qū)內(nèi)的氣象條件對比賽有著顯著的影響。以冬季兩項(xiàng)比賽為例,由于運(yùn)動(dòng)員需要在劇烈運(yùn)動(dòng)后進(jìn)行臥姿步槍射擊, 除了對參賽者的身體素質(zhì)要求外, 靶場內(nèi)的氣象條件特別是風(fēng)向風(fēng)速條件對射擊運(yùn)動(dòng)也有顯著影響, 因此研究賽場內(nèi)的風(fēng)向風(fēng)速分布規(guī)律并做出準(zhǔn)確預(yù)報(bào), 對比賽的時(shí)間安排以及運(yùn)動(dòng)員的臨場發(fā)揮十分重要。
山區(qū)內(nèi)受地形影響最容易形成的局地天氣系統(tǒng)之一便是山谷風(fēng)。 通過分析冬季兩項(xiàng)賽場內(nèi)山谷風(fēng)的強(qiáng)度、風(fēng)向分布和變化等特征,可以為賽場內(nèi)風(fēng)的預(yù)報(bào)提供參考,使比賽能夠在最佳的時(shí)段內(nèi)進(jìn)行。山谷風(fēng)的形成與太陽輻射與下墊面狀況關(guān)系密切[1]。下墊面高度不同導(dǎo)致太陽輻射分布不均, 地勢較高處白天為熱源,夜間為冷源,水平溫差導(dǎo)致氣壓差,形成山谷風(fēng)。 山谷風(fēng)的概念最早由國外學(xué)者提出,1978 年以后國外開始出現(xiàn)大量觀測與理論結(jié)合的研究, 國內(nèi)以傅抱璞為代表的學(xué)者通過觀測分析和計(jì)算模型系統(tǒng)地討論了山谷風(fēng)的三維結(jié)構(gòu)、 演變及影響因子[2]。 近年來,隨著研究的深入,對山谷風(fēng)的認(rèn)知也在不斷完善:當(dāng)大尺度大氣環(huán)流較弱時(shí),山谷風(fēng)較為明顯[3];山谷風(fēng)存在轉(zhuǎn)換期,期間風(fēng)速全天最小[4];山谷風(fēng)具有一定的厚度[5];山區(qū)地形云的發(fā)展變化與山谷風(fēng)關(guān)系密切[6-7];在較大尺度的平原地區(qū),也會(huì)因兩側(cè)山脈的山谷風(fēng)效應(yīng)形成風(fēng)速分布的顯著差異[8];山谷風(fēng)與局地霧、霾、氣溶膠污染物、蒸發(fā)量、極端大風(fēng)天氣、氣溫等氣象因子具有密切的關(guān)系[9-14];隨著冬奧會(huì)的臨近, 北京至張家口一帶冬季山谷風(fēng)時(shí)空分布特征的研究也取得了顯著進(jìn)展[15]。
張家口市崇禮區(qū)承擔(dān)2022 年北京冬奧會(huì)大部分室外雪上項(xiàng)目的比賽。崇禮區(qū)位于華北北部山區(qū),為我國地形的第二階梯,海拔高度為813~2 174 m,最大高差為1 361 m,地形復(fù)雜,境內(nèi)80%為山地,山丘、溝壑連綿不斷,地形對局地氣象條件的影響特別是風(fēng)的影響相當(dāng)明顯。
冬季兩項(xiàng)賽場位于崇禮區(qū)古楊樹村東西向的山谷中,東高西低,南北側(cè)各有小型山脈。 為滿足冬奧氣象需求,冬季兩項(xiàng)賽場共建了5 個(gè)氣象觀測站。選取南側(cè)山坡與谷口處兩個(gè)自動(dòng)站作為研究對象,其中山谷谷口處自動(dòng)站為B1638 冬季兩項(xiàng)1 號站(以下簡稱1 號站), 山谷南側(cè)山坡上自動(dòng)站為B1640冬季兩項(xiàng)3 號站(以下簡稱3 號站)(圖1)。1 號站海拔約為1 680 m,與山谷內(nèi)部有100 m 左右高程差;3 號站所在山坡最高與最低點(diǎn)有100 m 左右高程差。 選取兩個(gè)自動(dòng)站2019 年1—3 月每小時(shí)2 分鐘平均風(fēng)向、2 分鐘平均風(fēng)速、整點(diǎn)氣溫、張家口站探空資料以及系留氣艇探空資料來分析山谷風(fēng)現(xiàn)象,并采用竇以文等[16]總結(jié)的方法對自動(dòng)站數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量控制,包括原始數(shù)據(jù)的檢查、極值的檢查、時(shí)間序列的檢查、一致性檢查等。
圖1 冬季兩項(xiàng)賽場等高線圖與站點(diǎn)分布(等高線單位:m)
氣象學(xué)家Whiteman[17]對山谷風(fēng)有著較為全面、系統(tǒng)性的總結(jié),他提出,廣義的山谷風(fēng)理論模型包含山地—平原風(fēng)、上下谷風(fēng)與上下坡風(fēng)。從形成的前后順序與因果關(guān)系上來說, 最小尺度的上下坡風(fēng)首先出現(xiàn),引發(fā)較大尺度的上下谷風(fēng),最終形成最大尺度的山地—平原風(fēng)。 山地—平原風(fēng)是整個(gè)山區(qū)大地形與平原之間空氣交換所形成的風(fēng), 而冬季兩項(xiàng)賽場山谷作為崇禮山區(qū)大地形的一小部分,其尺度較小,且遠(yuǎn)離平原地區(qū), 在短時(shí)間內(nèi)其空氣與平原地區(qū)并沒有直接的交換, 故本文只分析上下坡風(fēng)與上下谷風(fēng)系統(tǒng)。Appalachian Mountain 山谷風(fēng)模型見文獻(xiàn)[18]。
依據(jù)Nicholls 的研究結(jié)果[19],為排除盛行西風(fēng)的影響,需要剔除超過14 m/s 的風(fēng)(高海拔地區(qū))。文中選取張家口站1 d 2 次(08 時(shí)和20 時(shí))(北京時(shí),下同)探空所測得的700 hPa 風(fēng)速<14 m/s 的日期作為小風(fēng)日,共有29 d。
即使在小風(fēng)日, 測站所測得的風(fēng)并不能簡單地認(rèn)為是山谷風(fēng),實(shí)測風(fēng)為系統(tǒng)風(fēng)與局地風(fēng)的疊加,必須將局地風(fēng)從實(shí)測風(fēng)中分離出來, 才可近似認(rèn)為是理論上的山谷風(fēng)。
采用賈春暉等人所總結(jié)的分離公式[15],即設(shè)某一個(gè)站點(diǎn)第i 天第j 個(gè)時(shí)刻(共有24 個(gè)時(shí)刻)實(shí)測風(fēng)分量分別為Uij、Vij,則
張人文認(rèn)為, 如果上谷風(fēng)和下谷風(fēng)在山谷風(fēng)發(fā)生的理論時(shí)段內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)4 個(gè)及以上時(shí)次, 則可認(rèn)為該日為山谷風(fēng)日[20]。對冬季兩項(xiàng)賽場山谷而言,以1 號站為基準(zhǔn)點(diǎn), 若白天有持續(xù)4 h 或以上偏西局地風(fēng),且夜間有持續(xù)4 h 或以上偏東局地風(fēng),可認(rèn)為是山谷風(fēng)日。 經(jīng)分離后,小風(fēng)日內(nèi)共有25 個(gè)山谷風(fēng)日(占86.2%)。 由于對山谷風(fēng)日的選取以上下谷風(fēng)為標(biāo)準(zhǔn), 并且在山坡上發(fā)生發(fā)展的上下坡風(fēng)對在山谷中舉行的比賽沒有直接的影響, 因而本文研究側(cè)重于上下谷風(fēng),對上下坡風(fēng)僅作簡要分析。
3 號站位于南側(cè)山坡,地勢北低南高,按照上下坡風(fēng)的模型,在環(huán)境風(fēng)場較弱情況下,白天應(yīng)為上坡風(fēng)即北風(fēng),夜間應(yīng)為下坡風(fēng)即南風(fēng)。從3 號站山谷風(fēng)日內(nèi)的局地風(fēng)每小時(shí)風(fēng)向頻率分布圖可見(圖2),白天多為偏北風(fēng)(NNE),夜間多為偏南風(fēng)(SSW),與理論模型一致, 表明3 號站存在明顯的上下坡風(fēng)現(xiàn)象, 并且由于在理論模型中上下坡風(fēng)是上下谷風(fēng)出現(xiàn)的前提條件, 因而也表明了冬季兩項(xiàng)賽場中應(yīng)同時(shí)存在上下谷風(fēng)現(xiàn)象。
圖2 3 號站山谷風(fēng)日局地風(fēng)每小時(shí)風(fēng)向頻率分布
1 號站位于山谷谷口。按照上下谷風(fēng)的模型,在環(huán)境風(fēng)場較弱的情況下,白天應(yīng)為上谷風(fēng)即西風(fēng),夜間應(yīng)為下谷風(fēng)即東風(fēng)。 從1 號站山谷風(fēng)日內(nèi)的局地風(fēng)每小時(shí)風(fēng)向頻率分布圖可見(圖3),白天多為偏西風(fēng)(W),夜間多為偏東風(fēng)(ESE),與理論模型一致,表明1 號站存在明顯的上下谷風(fēng)現(xiàn)象。
圖3 1 號站山谷風(fēng)日局地風(fēng)每小時(shí)風(fēng)向頻率分布
傅抱璞[21]在對長江三峽河谷內(nèi)的山谷風(fēng)進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),河谷內(nèi)的上谷風(fēng)一般開始于日出后1.5~3 h,下谷風(fēng)一般開始于日落前0.5~2 h。冬季兩項(xiàng)賽場山谷內(nèi)的典型山谷風(fēng)系統(tǒng)與此規(guī)律有所不同:一天有兩次風(fēng)向的轉(zhuǎn)變,上谷風(fēng)一般開始于日出后,而下谷風(fēng)一般開始于日落后。 呂新生等[22]對烏魯木齊轄區(qū)內(nèi)山谷風(fēng)的研究表明:下谷風(fēng)22:00—23:00 開始出現(xiàn),08:00—11:00 結(jié)束,持續(xù)時(shí)間長達(dá)10~13 h;上谷風(fēng)11:00—14:00 開始出現(xiàn),19:00—21:00 結(jié)束,持續(xù)時(shí)間長達(dá)6~9 h。 從山谷風(fēng)日1 號站實(shí)測風(fēng)與局地風(fēng)風(fēng)向轉(zhuǎn)變具體時(shí)間的頻次分布可見(圖4),對局地風(fēng)來說,上谷風(fēng)大多開始于10:00,其次是9:00(日出后),持續(xù)時(shí)間8 h 左右;下谷風(fēng)大多開始于18:00,其次是19:00(日落后),持續(xù)時(shí)間14 h左右。而對實(shí)測風(fēng)來說,上谷風(fēng)大多開始于9:00,其次是10:00,比局地風(fēng)要早;下谷風(fēng)大多開始于18:00,其次是19:00,與局地風(fēng)基本一致。對風(fēng)向轉(zhuǎn)換時(shí)間的分析表明系統(tǒng)西風(fēng)對上谷風(fēng)的開始時(shí)間影響較明顯,而對下谷風(fēng)的開始時(shí)間影響較弱。
圖4 1 號站局地風(fēng)、實(shí)測風(fēng)風(fēng)向轉(zhuǎn)換時(shí)間百分比分布
山谷風(fēng)系統(tǒng)屬于熱力驅(qū)動(dòng)的小尺度系統(tǒng), 其強(qiáng)度較弱。 張人文等[20]在對廣州市從化秋季山谷風(fēng)現(xiàn)象研究中發(fā)現(xiàn): 從化山谷風(fēng)主要出現(xiàn)在系統(tǒng)風(fēng)速小于1.5 m/s,系統(tǒng)風(fēng)與山谷風(fēng)方向相反時(shí),山谷風(fēng)下部風(fēng)速會(huì)很小。統(tǒng)計(jì)1 號站山谷風(fēng)日的山谷風(fēng)、實(shí)測風(fēng)強(qiáng)度可見(圖5),局地風(fēng)每小時(shí)平均風(fēng)速白天較大,變化劇烈,14 時(shí)左右到達(dá)峰值;而夜間風(fēng)速較小且平穩(wěn),在09、18 時(shí)出現(xiàn)2 個(gè)低值,這與風(fēng)向的轉(zhuǎn)換時(shí)間保持一致。與實(shí)測風(fēng)平均風(fēng)速對比可見,白天實(shí)測風(fēng)風(fēng)速明顯較局地風(fēng)偏大, 而夜間則接近或略偏小,反映了系統(tǒng)西風(fēng)對山谷風(fēng)的影響:若風(fēng)向一致,則有增幅;若相反,則略有削弱。
圖5 1 號站局地風(fēng)、實(shí)測風(fēng)每小時(shí)平均風(fēng)速對比
局地風(fēng)有明顯日變化, 其與溫度的日變化密切相關(guān)。 邊界層內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)方程為:
式中,u、v 為風(fēng)速在x、y 方向的分量,K 為湍流交換系數(shù),z 為高度,t 為時(shí)間,ug 為地轉(zhuǎn)風(fēng)u 分量,f 為地轉(zhuǎn)參數(shù)。 在z、f 固定的情況下,風(fēng)速的日變化機(jī)制主要是由湍流交換系數(shù)K 的日變化引起的,而K 的日變化主要受溫度場的日變化影響, 具有明顯的日變化特征,因此風(fēng)速具有明顯的日變化規(guī)律[23]。
賈春暉等[15]對延慶—張家口地區(qū)復(fù)雜地形冬季山谷風(fēng)特征進(jìn)行分析時(shí),將持續(xù)性山谷風(fēng)分為10 種類型, 其中小峽谷型山谷風(fēng)日變化特征為呈單峰分布,夜間小,白天大,下午值最大,冬季兩項(xiàng)賽場山谷風(fēng)便屬于小峽谷型,其特征與已有結(jié)論較為一致。
3.5.1 氣溫變化
在風(fēng)向轉(zhuǎn)變時(shí),往往會(huì)伴隨著劇烈的溫度變化。林之光等[4]在對天山天池山谷風(fēng)進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),從下谷風(fēng)轉(zhuǎn)上谷風(fēng)時(shí),氣溫突升,而上谷風(fēng)轉(zhuǎn)下谷風(fēng)時(shí),氣溫突降。這種氣溫隨上下谷風(fēng)的轉(zhuǎn)換而出現(xiàn)的突變現(xiàn)象在冬季兩項(xiàng)賽場同樣存在。從2019 年1 月23 日1 號站風(fēng)向與小時(shí)變溫分布可見(圖6),在09—10 時(shí)偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)(下谷風(fēng)轉(zhuǎn)為上谷風(fēng))時(shí),1 h 內(nèi)有接近6 ℃的升溫, 而當(dāng)17—18 時(shí)偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)(上谷風(fēng)轉(zhuǎn)為下谷風(fēng))時(shí),1 h 內(nèi)有超過8 ℃的降溫;在風(fēng)向穩(wěn)定期間,氣溫的變化幅度也較小。
圖6 2019 年1 月23 日1 號站每小時(shí)風(fēng)向與變溫
對山谷風(fēng)日內(nèi)風(fēng)向轉(zhuǎn)換時(shí)刻的小時(shí)變溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可見(圖7,樣本數(shù)22 d),在上下谷風(fēng)風(fēng)向發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí),氣溫的突然升降是普遍現(xiàn)象。 升溫時(shí)最大8.8 ℃,最小2.3 ℃,中值5.5 ℃;降溫時(shí)最大8.4 ℃,最小1.6 ℃,中值5.3 ℃。 升溫的總體幅度較降溫稍大,且分布更集中。
圖7 1 號站山谷風(fēng)日風(fēng)向轉(zhuǎn)換時(shí)刻小時(shí)變溫分布
3.5.2 冷湖觀測
國內(nèi)外許多學(xué)者針對氣溫隨風(fēng)向變化而發(fā)生驟變的現(xiàn)象已做過很多觀測與研究,并提出冷湖理論[24-25], 利用冷湖理論可以解釋冬季兩項(xiàng)賽場氣溫隨風(fēng)向變化的原因:在環(huán)境風(fēng)場較弱的條件下,當(dāng)下坡風(fēng)及下谷風(fēng)發(fā)展時(shí),冷空氣會(huì)不斷向谷底堆積,形成貼近地面的冷空氣層,稱為“冷湖”,山谷地面以上從低到高會(huì)出現(xiàn)逆溫。當(dāng)冷湖初步建立時(shí),由于冷空氣快速取代山谷中原本的暖空氣, 因而會(huì)出現(xiàn)氣溫的驟降;當(dāng)上坡風(fēng)及上谷風(fēng)建立時(shí),冷湖結(jié)構(gòu)很快被打破, 冷空氣迅速被山谷外暖空氣以及山谷上方補(bǔ)償下沉的暖空氣所取代,因此會(huì)出現(xiàn)氣溫的驟升。
利用系留氣艇搭載溫度傳感器探測2020 年1月16 日山谷內(nèi)垂直氣溫的分布可見(表1),夜間山谷內(nèi)逆溫現(xiàn)象十分明顯, 逆溫層頂高度在300~400 m,并且隨著時(shí)間的推移,近地面不斷降溫,逆溫層頂附近不斷升溫,導(dǎo)致溫差繼續(xù)擴(kuò)大;日出之后,隨著太陽輻射的加入,近地面氣溫的升高,逆溫迅速減弱直至消失。 山谷內(nèi)明顯的逆溫現(xiàn)象及其隨時(shí)間的演變在某種程度上證明了“冷湖”的存在:一方面解釋了山谷風(fēng)的熱力學(xué)成因, 即地表長波輻射形成冷空氣(下坡風(fēng))的堆積導(dǎo)致了外流的下谷風(fēng);另一方面也說明了溫度的驟變與逆溫的破壞即“冷湖”結(jié)構(gòu)的打破有著直接的關(guān)系。
表1 2020 年1 月16 日山谷內(nèi)氣溫垂直分布 ℃
山谷風(fēng)系統(tǒng)中,上下坡風(fēng)沿山坡發(fā)展,上坡風(fēng)風(fēng)向?yàn)槠孪轮赶蚱律?,下坡風(fēng)風(fēng)向?yàn)槠律现赶蚱孪?;上下谷風(fēng)沿山谷方向發(fā)展, 上谷風(fēng)風(fēng)向?yàn)楣韧庵赶蚬葍?nèi),下谷風(fēng)方向?yàn)楣葍?nèi)指向谷外。具體到冬季兩項(xiàng)賽場山谷中,上坡風(fēng)為偏北風(fēng),下坡風(fēng)為偏南風(fēng),上谷風(fēng)為偏西風(fēng),下谷風(fēng)為偏東風(fēng),風(fēng)向的轉(zhuǎn)換時(shí)間大多發(fā)生在9:00—10:00 以及18:00—19:00。
山谷風(fēng)系統(tǒng)強(qiáng)度較弱,但也有明顯的日變化,白天風(fēng)速偏大(2~3 m/s),夜間風(fēng)速偏小(1~2 m/s),且風(fēng)向轉(zhuǎn)換時(shí)風(fēng)速有明顯減弱。
由于地面氣溫驟變與風(fēng)向突變有十分緊密的關(guān)系, 因而在預(yù)報(bào)風(fēng)向轉(zhuǎn)變時(shí)必須考慮對氣溫造成的影響。在日出后上谷風(fēng)發(fā)展時(shí),需適當(dāng)增加升溫的幅度, 在日落后下谷風(fēng)發(fā)展時(shí), 需適當(dāng)增加降溫的幅度,升降溫的幅度考慮在5 ℃左右。
根據(jù)風(fēng)向風(fēng)速的分布規(guī)律,在比賽時(shí),可建議賽事組織方將冬季兩項(xiàng)比賽時(shí)間避開風(fēng)速峰值、 風(fēng)向突變時(shí)間段,以避免對運(yùn)動(dòng)員射擊產(chǎn)生不利影響。
利用自動(dòng)站資料等分析了2022 年冬奧會(huì)冬季兩項(xiàng)賽場中山谷風(fēng)的一般特征及預(yù)報(bào)思路,結(jié)論表明:
(1) 冬季張家口崇禮地區(qū)山地中存在山谷風(fēng)現(xiàn)象, 對于冬季兩項(xiàng)賽場來說, 白天多上坡風(fēng)及上谷風(fēng),夜間多下坡風(fēng)及下谷風(fēng)。
(2) 冬季兩項(xiàng)賽場內(nèi)的山谷風(fēng)系統(tǒng)一天具有兩次風(fēng)向的轉(zhuǎn)變,下谷風(fēng)轉(zhuǎn)上谷風(fēng)一般在日出后,而上谷風(fēng)轉(zhuǎn)下谷風(fēng)一般在日落后。
(3)山谷風(fēng)系統(tǒng)屬于熱力驅(qū)動(dòng)的小尺度系統(tǒng),其強(qiáng)度較弱,具有明顯的日變化,平均風(fēng)速白天大于夜間,并且上谷風(fēng)(偏西風(fēng))受西風(fēng)帶影響,實(shí)測風(fēng)有明顯增幅,而下谷風(fēng)(偏東風(fēng))與系統(tǒng)風(fēng)相反,實(shí)測風(fēng)較弱。
(4)風(fēng)向轉(zhuǎn)變時(shí),會(huì)伴隨劇烈的氣溫升降,從下谷風(fēng)轉(zhuǎn)上谷風(fēng)時(shí),氣溫突升,而上谷風(fēng)轉(zhuǎn)下谷風(fēng)時(shí),氣溫突降,且氣溫的升降與“冷湖”的消失和形成有顯著的對應(yīng)關(guān)系。
(5)在實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)當(dāng)中,對于山谷風(fēng)的預(yù)報(bào)需要綜合考慮環(huán)境風(fēng)場強(qiáng)弱、風(fēng)向的轉(zhuǎn)換時(shí)間、風(fēng)速的時(shí)間分布、風(fēng)向轉(zhuǎn)換時(shí)氣溫的變化等,并且依據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果對賽事安排提出合理建議。
本文分析了弱環(huán)境風(fēng)場條件下的山谷風(fēng)特征,然而實(shí)際的大氣環(huán)流復(fù)雜多變,特別是張家口地區(qū)臨近蒙古高原, 位于冷空氣侵襲的主要路徑之上,不同強(qiáng)度冷空氣下山谷風(fēng)的表現(xiàn)如何需要進(jìn)一步研究。