冬奧崇禮賽區(qū)一次冷湖過(guò)程形成及消散的數(shù)值模擬研究

王雨斐 李國(guó)平 王宗敏 平凡 ,2,

1 成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225

2 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（LACS），北京 100029

3 河北省氣象臺(tái)，石家莊 050021

1 引言

特殊的山地地形對(duì)中小尺度天氣系統(tǒng)具有較為復(fù)雜的影響。一方面，由于復(fù)雜山地的機(jī)械阻擋作用，顯著改變了近地面氣流的運(yùn)動(dòng)方向和流速，形成阻擋、爬坡、繞流、狹管等效應(yīng)。另一方面，在復(fù)雜下墊面條件下，地表可以直接影響局地溫度分布，從而造成局地垂直環(huán)流的變化（李國(guó)平,2016）。在晴朗、平靜的夜晚，靠近地表的冷空氣層會(huì)逐漸變冷，如若地勢(shì)較高，冷空氣便會(huì)受重力作用從山地較高處向下流泄，聚集在山谷或盆地底部，這種冷空氣的匯集被稱為冷空氣池或冷湖（Cold Air Pool，簡(jiǎn)稱CAP）。盆地或峽谷中的冷湖是山區(qū)常見(jiàn)的氣候現(xiàn)象，其直徑可達(dá)幾米到幾十千米不等（Mahrt et al., 2001; 劉昊野等, 2020）。

按照維持時(shí)間長(zhǎng)短的不同，冷湖可分為間歇性冷湖（diurnal CAPs）與持續(xù)性冷湖（persistent CAPs）兩種。間歇性冷湖常在夜間發(fā)展，并于次日晨間消散；持續(xù)性冷湖往往維持?jǐn)?shù)周，并伴隨著空氣質(zhì)量、能見(jiàn)度的下降（Lu and Zhong, 2014）。國(guó)外研究成果表明，間歇性冷湖常與地表輻射冷卻及近地面層逆溫有關(guān)（Zhong et al., 2003; Price et al., 2011）。邊界層湍流及大氣與地表物理量的交換對(duì)冷湖的間歇性消散具有重要作用（Mahrt et al.,2001; Zhong et al., 2003）。由于山地觀測(cè)數(shù)據(jù)的稀缺及地形的復(fù)雜性，早期關(guān)于冷湖的數(shù)值模擬大多采用理想化地形及物理配置（Z?ngl, 2003, 2005a,2005b）。僅有少數(shù)研究試圖利用真實(shí)地形和大氣條件模擬冷湖事件（Smith et al., 2010; Wei et al,2013）。2010 年12 月1 日至2011 年2 月7 日，持續(xù)性冷湖外場(chǎng)試驗(yàn)（the Persistent Cold Air Pool Study，簡(jiǎn)稱PCAPS）在美國(guó)猶他州鹽湖谷展開。該試驗(yàn)為10 個(gè)不同強(qiáng)度及時(shí)長(zhǎng)的冷湖過(guò)程提供了詳盡的加密觀測(cè)資料，為冷湖的相關(guān)研究及數(shù)值模擬打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)（Lareau et al., 2013）。結(jié)合外場(chǎng)試驗(yàn)的高密度觀測(cè)數(shù)據(jù)，有學(xué)者利用WRF 模式成功模擬出了一次持續(xù)性冷湖事件的邊界層結(jié)構(gòu)及演變，捕捉到了逆溫的建立、維持與消亡，并再現(xiàn)了猶他鹽湖的微弱湖風(fēng)對(duì)持續(xù)性冷湖的補(bǔ)償作用（Lu and Zhong, 2014）。通過(guò)詳盡的敏感性試驗(yàn)分析，該研究同時(shí)得出了與持續(xù)性冷湖過(guò)程較為適配的初始場(chǎng)及參數(shù)化方案。除此之外，由持續(xù)性冷湖過(guò)程所引發(fā)的不同天氣現(xiàn)象也是國(guó)外研究關(guān)注的重點(diǎn)。相關(guān)文獻(xiàn)研究了持續(xù)性冷湖與山地霧出現(xiàn)的相關(guān)性問(wèn)題（Chachere and Pu, 2016）。通過(guò) χ2獨(dú)立性檢驗(yàn)（Chi-square test of independence）及條件概率計(jì)算發(fā)現(xiàn)，持續(xù)性冷湖的存在大大提高了山地霧出現(xiàn)的概率。持續(xù)性冷湖過(guò)程也會(huì)造成該地區(qū)空氣污染的加?。╓hiteman et al., 2014; Chemel and Burns, 2015）。研究結(jié)果表明，過(guò)程中產(chǎn)生的負(fù)浮力下坡流會(huì)將大氣污染物運(yùn)送至山谷冷湖的上方。該研究還量化了冷湖對(duì)污染物濃度的影響，表明污染物濃度的大小與下坡流風(fēng)速、逆溫層高度及冷湖頂高度有關(guān)。

我國(guó)對(duì)冷湖的研究源于上個(gè)世紀(jì)五十年代（傅抱璞, 1983）。利用觀測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)果及對(duì)三維原始方程數(shù)值模式的建立，有學(xué)者成功模擬出了盆地中的環(huán)流形勢(shì)及冷湖、逆溫的形成和消散過(guò)程，揭示了對(duì)流邊界層的發(fā)展對(duì)逆溫消散的影響，提出輻射冷卻和下坡風(fēng)是盆地冷湖與逆溫形成的根本原因（陳明和傅抱璞, 1995）。隨著中尺度數(shù)值模式MM5及WRF 的廣泛應(yīng)用，有研究開始利用數(shù)值模式模擬復(fù)雜山地地形下近地層的風(fēng)速變化及典型山谷風(fēng)的環(huán)流特征（席世平等, 2007; 王瑾等, 2012; 吳瓊和徐衛(wèi)民, 2019）。結(jié)果表明，山谷風(fēng)環(huán)流的起止時(shí)間、近地層風(fēng)力大小不僅受熱力作用影響，還受地形作用、植被覆蓋及土壤濕度等因素的共同影響（張耀存, 1995; 席世平等, 2007）。

第24 屆冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)將在北京和張家口市崇禮區(qū)舉辦。張家口賽區(qū)承擔(dān)著冬季兩項(xiàng)（簡(jiǎn)稱冬兩）、越野滑雪、跳臺(tái)滑雪、自由式滑雪等大部分雪上項(xiàng)目。雪上項(xiàng)目大多在溝壑縱橫、地形復(fù)雜的山區(qū)進(jìn)行。隨著賽事的臨近，對(duì)復(fù)雜下墊面條件下精細(xì)化氣象服務(wù)的需求日益提升（劉昊野等,2020）。目前，針對(duì)延慶—張家口一帶的復(fù)雜山地地形，已有學(xué)者詳細(xì)研究了該地區(qū)冬季山谷風(fēng)的特征，這對(duì)冬季風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)具有極高的參考價(jià)值（賈春暉等, 2019）。按照風(fēng)持續(xù)性類型分類，崇禮冬兩賽區(qū)屬于小峽谷型。風(fēng)持續(xù)性日變化特征呈單峰分布，夜間小，白天大；平均風(fēng)速日變化與風(fēng)持續(xù)性分布較為一致。這兩點(diǎn)間接驗(yàn)證了該地區(qū)冷湖的存在。除此之外，有學(xué)者利用崇禮賽區(qū)山坡及谷底的自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料，揭示了該區(qū)夜間冷湖的出現(xiàn)及消亡的時(shí)空演變規(guī)律（劉昊野等, 2020）。這些成果都為冬兩場(chǎng)地山谷冷湖的研究打下了良好的基礎(chǔ)。但由于冬兩場(chǎng)地探空資料的匱乏（缺少風(fēng)廓線雷達(dá)及微波輻射計(jì)資料），僅有的自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料已無(wú)法滿足精細(xì)化預(yù)報(bào)的要求。雖然冬兩場(chǎng)地已加設(shè)氣象實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)，并構(gòu)成梯度氣象觀測(cè)系統(tǒng)，但仍無(wú)法精細(xì)探索山谷上空風(fēng)、溫場(chǎng)的分布，這成為研究該地區(qū)冷湖過(guò)程的主要阻礙。為深入理解復(fù)雜山谷地形下間歇性冷湖過(guò)程形成及消散的具體原因，本文擬利用WRF 模式對(duì)北京冬奧崇禮賽區(qū)測(cè)試賽期間的一次間歇性冷湖過(guò)程進(jìn)行高分辨率模擬，并依據(jù)高分辨率數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)該過(guò)程進(jìn)行針對(duì)性研究，以期進(jìn)一步提升冬兩場(chǎng)地的賽區(qū)氣象預(yù)報(bào)保障水平，提高溫度預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

2 研究區(qū)域及背景天氣概況

2.1 研究區(qū)域及個(gè)例概況

本文選定的主要研究區(qū)域?yàn)閺埣铱谑谐缍Y賽區(qū)。崇禮賽區(qū)隸屬陰山山脈東段至大馬山群山支系和燕山余脈的交界地帶，山脈多為東北—西南及東—西走向。賽區(qū)中的觀測(cè)站點(diǎn)包括云頂站、跳臺(tái)站、冬兩站及越野站（圖1）。其中，冬季兩項(xiàng)1 號(hào)觀測(cè)站（簡(jiǎn)稱“冬兩1 號(hào)站”，站點(diǎn)編號(hào)B1638）位于國(guó)家冬季兩項(xiàng)中心靶場(chǎng)的中點(diǎn)，海拔高度約為1650 m。2021 年2 月23 日17:00 至24 日08:00（北京時(shí)，下同），冬兩1 號(hào)站出現(xiàn)了異常的氣溫變化。自23 日17:00 起，冬兩1 號(hào)站的氣溫迅速降低。23 日23:00 至24 日08:00，冷湖結(jié)構(gòu)建立，該站的溫度穩(wěn)定維持在-12°C 左右。24 日08:00后，伴隨著日出，該站溫度快速回升，冷湖消散。與冬兩1 號(hào)站相鄰的越野2 號(hào)站（B1649）于23日夜間至24 日清晨也有冷湖出現(xiàn)，但其強(qiáng)度遠(yuǎn)不如冬兩1 號(hào)站。冷湖穩(wěn)定維持期間，冬兩1 號(hào)站及越野2 號(hào)站的風(fēng)速均較小，兩站的平均風(fēng)速為1～2 m s-1。

圖1 張家口市崇禮賽區(qū)站點(diǎn)分布Fig. 1 Geographical distribution and automated stations in the competition area (Chongli, Zhangjiakou)

2.2 背景天氣形勢(shì)分析

圖2、圖3 為2021 年2 月23 日20:00 的天氣形勢(shì)圖。從FY-2F 衛(wèi)星的TBB（Black Body Temperature）圖像上可以看出，2 月23 日夜間，崇禮賽區(qū)以多云天氣為主，中云覆蓋整個(gè)賽區(qū)。從環(huán)流形勢(shì)上看，該區(qū)位于高空500 hPa高脊前部，受偏西氣流控制；700 hPa 高度上，崇禮賽區(qū)位于高空脊區(qū)，以偏西氣流為主；850 hPa 高度上，該區(qū)受偏南風(fēng)控制，風(fēng)速較小，平均風(fēng)速約為4 m s-1；在地面天氣圖上，崇禮賽區(qū)位于高低壓中心的交界地帶，風(fēng)向以偏東風(fēng)為主，風(fēng)速較小。綜上所述，在500～850 hPa，崇禮賽區(qū)受高脊控制，高空以下沉運(yùn)動(dòng)為主，低層風(fēng)速較弱，天氣形勢(shì)靜穩(wěn)。

圖2 2021 年2 月23 日20:00（北京時(shí)，下同）（a）700 hPa、（b）850 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)（藍(lán)色等值線，單位：dagpm）、風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)羽，單位：m s-1）、溫度場(chǎng)（紅色等值線，單位：°C）及急流區(qū)（綠色陰影，單位：m s-1）分布。紅色五角星為崇禮賽區(qū)，下同F(xiàn)ig. 2 Distribution of geopotential height (blue contours, units: dagpm), wind (vectors, units: m s-1), temperature (red contours, units: °C), and jet speed (green shaded area, units: m s-1) at (a) 700 hPa and (b) 850 hPa at 2000 BJT (Beijing time) February 23, 2021. Competition area in Chongli is marked by the red star, the same below

圖3 2021 年2 月23 日20:00（a）500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)（藍(lán)色等值線，單位：dagpm）、風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)羽，單位：m s-1）、FY-2F 衛(wèi)星TBB（填色，單位：K）分布以及（b）海平面氣壓場(chǎng)（藍(lán)色等值線，單位：hPa）、地面風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)羽，單位：m s-1）分布Fig. 3 Distribution of (a) geopotential height (blue contours, units: dagpm), wind (vectors, units: m s-1), and FY-2E TBB (Black Body Temperature;color shadow, units: K) at 500 hPa, and distribution of (b) sea level pressure field (blue contours, units: hPa), wind (vectors, units: m s-1) at 2000 BJT February 23, 2021

3 數(shù)值模式方案設(shè)計(jì)

3.1 模式配置

本文選用美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCAR）等機(jī)構(gòu)開發(fā)的WRF-ARW（V4.1.5）作為賽區(qū)的預(yù)報(bào)模式。與以往的中尺度預(yù)報(bào)模式相比，WRF 模式的精度更高，重點(diǎn)解決時(shí)效在60 h 以內(nèi)的有限區(qū)域天氣預(yù)報(bào)和模擬問(wèn)題，因此可應(yīng)用于具有日變化的間歇性冷湖過(guò)程模擬。WRF 模式采用地形追隨坐標(biāo)，簡(jiǎn)化了下邊界條件，避免氣壓坐標(biāo)或等位溫坐標(biāo)與地面相截所帶來(lái)的復(fù)雜邊界問(wèn)題，使模式對(duì)崇禮山區(qū)陡峭地形的處理更為合理。本次模擬采用單向三重嵌套，垂直方向?yàn)?1 層，模式頂高為50 hPa。三重嵌套網(wǎng)格的水平分辨率依次為4.05 km、1.35 km以及0.45 km，格點(diǎn)數(shù)均為361×361。模擬的區(qū)域設(shè)置如圖4 所示，最內(nèi)層嵌套包含整個(gè)崇禮賽區(qū)。

圖4 模擬區(qū)域設(shè)置Fig. 4 Model domain for numerical simulation

本文的模擬時(shí)間選定為2021 年2 月23 日08:00 至2 月25 日20:00，并已去除6 h 的spin-up時(shí)間。初始背景場(chǎng)資料（包括初始條件及邊界條件）采用ECMWF 提供的0.25°×0.25°的ERA5 再分析資料,每1 h 輸入一次。通過(guò)批量的敏感性試驗(yàn)，本文優(yōu)選出最優(yōu)的參數(shù)化方案，各方案的配置如表1所示。微物理方案采用Morrison 2-moment 方案（Morrison et al., 2009）、輻射方案選取RRTMG短波及長(zhǎng)波方案（Iacono et al., 2008）、陸面過(guò)程采取熱交換方案（Dudhia, 1996）、邊界層方案采取更適合復(fù)雜地形的YSU 方案（Hong et al., 2006）以及采用與邊界層方案相適配的MM5 相似理論近地面層方案（Jiménez et al., 2012）。

表1 WRF 模式參數(shù)化方案配置Table 1 Mode parameterization scheme setting

3.2 牛頓松弛逼近（Nuddging）方法的應(yīng)用

牛頓松弛逼近技術(shù)，是在預(yù)報(bào)開始的一個(gè)時(shí)段內(nèi)，通過(guò)在一個(gè)或幾個(gè)預(yù)報(bào)方程中增加一個(gè)與預(yù)報(bào)和實(shí)況的差值成比例的虛假傾向項(xiàng)，借助模式動(dòng)力框架，使模式輸出結(jié)果松弛逼近到觀測(cè)資料或再分析資料的一種四維同化方法。目前，在WRF 模式中，存在分析逼近法（Analysis Nudging）、觀測(cè)逼近法（Observation Nudging）以及譜逼近法（Spectral Nudging）三種。其中，分析逼近法及觀測(cè)逼近法對(duì)欲引入的外源強(qiáng)迫場(chǎng)中的各尺度信息進(jìn)行無(wú)區(qū)別對(duì)待，從而向模式添加了很多外源性的中小尺度信息。這種外源性的中小尺度信息很可能對(duì)模式本身模擬出的中小尺度信息造成影響，從而不利于模擬結(jié)果。而譜逼近方法則是利用再分析資料作為驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，在譜空間向模式區(qū)域內(nèi)加入逼近項(xiàng)，對(duì)指定模式變量的大尺度場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整。所添加的強(qiáng)迫項(xiàng)主要在垂直向的較高層面，這可使模式與驅(qū)動(dòng)場(chǎng)在較高層面的大尺度場(chǎng)保持一致，低層則可自由發(fā)展中小尺度活動(dòng)。針對(duì)普逼近方法的這些特點(diǎn)，可使得區(qū)域模式在較高層面上與驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的偏差減小，同時(shí)又可發(fā)揮區(qū)域模式的優(yōu)點(diǎn)自主發(fā)展對(duì)流層低層的中小尺度過(guò)程（王淑莉等, 2016）。當(dāng)使用譜逼近法向模擬區(qū)內(nèi)某變量的大尺度譜空間添加逼近項(xiàng)時(shí)，計(jì)算公式如下：

其中，LG和LR代表全球和區(qū)域模式中的大尺度譜空間；(LG∩LR)代表大尺度驅(qū)動(dòng)場(chǎng)和區(qū)域模式場(chǎng)通過(guò)傅里葉變換進(jìn)行譜分解后，在長(zhǎng)波譜區(qū)域的交集；αG、αR、 α?R分別為大尺度驅(qū)動(dòng)場(chǎng)、逼近場(chǎng)和區(qū)域模式模擬場(chǎng)中的變量；η為逼近系數(shù)，其為高度的函數(shù)；參數(shù)δ為垂直坐標(biāo)。

本次模擬在上述參數(shù)化方案確定的基礎(chǔ)上，將譜逼近方法引入模擬過(guò)程中。在冷湖過(guò)程開始前的14 h（2 月23 日02:00 至23 日16:00）中，將譜逼近方法添加在模式最外層，從而使得冷湖過(guò)程開始前控制模式的積分預(yù)報(bào)與大尺度驅(qū)動(dòng)場(chǎng)資料能夠保持一致，并可保留其自身產(chǎn)生的小尺度信息。隨后的一小時(shí)（23 日16:00 至23 日17:00）內(nèi)逐漸關(guān)閉譜逼近，由模式自身模擬預(yù)報(bào)整個(gè)冷湖過(guò)程。模擬結(jié)果顯示，譜逼近方法大大改善了冷湖過(guò)程中近地面溫度的模擬。

3.3 其他資料的分析應(yīng)用

本文利用河北崇禮賽區(qū)2021 年2 月23 日08:00 至24 日18:00 8 個(gè)自動(dòng)站點(diǎn)的逐小時(shí)2 m 溫度資料用于模擬結(jié)果的對(duì)比分析；利用分辨率為0.25°×0.25°的ERA5 再分析數(shù)據(jù)繪制2021 年2 月23 日20:00 的環(huán)流形勢(shì)圖；利用國(guó)家衛(wèi)星中心的FY-2F 衛(wèi)星紅外云頂黑體亮溫（TBB）資料對(duì)同時(shí)刻的天氣形勢(shì)進(jìn)行輔助分析。

4 模擬結(jié)果驗(yàn)證

圖5 給出了2021 年2 月23 日08:00 至24 日18:00 崇禮賽區(qū)8 個(gè)測(cè)站的2 m 溫度模擬結(jié)果與觀測(cè)值的對(duì)比?？梢钥闯?，WRF 模式較好地模擬出了近地面溫度的日變化特征，模擬結(jié)果的高值區(qū)均出現(xiàn)在下午14:00 左右，低值區(qū)均出現(xiàn)在夜間，模擬與觀測(cè)的高低值區(qū)分布較為一致。結(jié)合表2 可以看出，云頂站區(qū)（B1620、B1627、B1628、B1629、B1630、B1637，共6 個(gè)站點(diǎn)）內(nèi)，各站點(diǎn)與觀測(cè)的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.90 及以上，B1627、B1637 兩站的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.97。云頂站區(qū)內(nèi)各站點(diǎn)的均方根誤差也較小，各站點(diǎn)的均方根誤差不超過(guò)2.31°C，B1629 站的均方根誤差更是低至1.04°C。以上分析均表明，模式對(duì)云頂站區(qū)2 m 溫度的模擬具有很好的模擬效果。越野2 號(hào)站（B1649）也具有較好的模擬效果，模擬結(jié)果與觀測(cè)曲線的趨勢(shì)較為一致，但其對(duì)日間最高溫度與夜間低溫的模擬仍存在一定的偏差。在冬兩1 號(hào)站（B1638），模式同樣能模擬出近地面溫度的演變趨勢(shì)，模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果具有很高的相關(guān)性。但模式對(duì)該站夜間低溫的模擬略顯不足，模擬的溫度偏高。夜間產(chǎn)生的暖偏差與地表能量模擬的偏差有直接關(guān)系?？赡苡捎谀Ｊ降凸懒嗽撜疽归g的長(zhǎng)波輻射損失，使得夜間模擬出的凈輻射的能量損失較小，這是夜間出現(xiàn)暖偏差的直接原因。雖然冬兩1 號(hào)站的模擬效果與實(shí)況相比仍具有一定的差距，但其與前期的敏感性試驗(yàn)結(jié)果及歷史偏差訂正結(jié)果相比已經(jīng)得到了較大程度的改善，具有一定的指示意義。

表2 8 個(gè)測(cè)站2 m 溫度的模擬效果分析Table 2 Analysis of Simulation Effect of 2-m Temperature at 8 automatic stations

從圖5 中近地面溫度觀測(cè)值的演變趨勢(shì)上看，23 日夜間冬兩1 號(hào)站的降溫幅度相比于其他站點(diǎn)更為劇烈，最低溫度的持續(xù)時(shí)間也更長(zhǎng)，滿足冷湖過(guò)程生成和發(fā)展的條件，是一個(gè)較為明顯的冷湖過(guò)程。所以，冬兩1 號(hào)站及周邊區(qū)域的冷湖生消發(fā)展是本文研究的重點(diǎn)。相比于冬兩1 號(hào)站，在越野2號(hào)站夜間，冷湖也具有一定程度的發(fā)展，但其強(qiáng)度明顯弱于冬兩1 號(hào)站，可用于本文的對(duì)比分析。

圖5 2021 年2 月23 日08:00 至24 日18:00 崇禮賽區(qū)8 個(gè)測(cè)站的2 m 溫度觀測(cè)值（紅色實(shí)線）與模擬值（黑色帶圈實(shí)線）的比較Fig. 5 Comparison of 2-m temperature observations (red solid lines) and simulated values (black solid lines with circles) at 8 stations in the Chongli competition area from 0800 BJT (Beijing time) 23 to 1800 BJT 24 February 2021

5 模擬結(jié)果分析

5.1 局地環(huán)流對(duì)冷湖過(guò)程的影響

5.1.1 局地垂直環(huán)流的日變化

從圖1 中可以看出，冬兩1 號(hào)站（B1638）位于兩座相對(duì)山脈間的溝壑之中，屬于小峽谷型地形（賈春暉等, 2019）。為了更好地分析冬兩1 號(hào)站及周邊地區(qū)的冷湖發(fā)展及演變趨勢(shì)，本文利用WRF 的模擬結(jié)果，分別沿（40.91°N，115.47°E；即B1638 站所在位置）繪制風(fēng)場(chǎng)及位溫場(chǎng)的垂直剖面圖。陳明和傅抱璞（1995）學(xué)者曾將盆地中具有日周期變化的局地環(huán)流系統(tǒng)清楚地分為夜間環(huán)流型、晨間轉(zhuǎn)換型、白天環(huán)流型及夜間轉(zhuǎn)換型四種類別。參考陳明等學(xué)者的研究成果并依據(jù)本次冷湖過(guò)程的發(fā)展特點(diǎn)，本文分別選取2021 年2 月23 日18:00（夜間轉(zhuǎn)換型）、24 日01:00（夜間環(huán)流型）、24 日08:00（晨間轉(zhuǎn)換型）及24 日15:00（白天環(huán)流型）這四個(gè)代表性時(shí)次進(jìn)行研究。

圖6 為上述四個(gè)時(shí)次沿冬兩1 號(hào)站東西向截取的垂直剖面圖，紅色三角為站點(diǎn)所在位置。冬兩1號(hào)站位于谷底區(qū)域，峽谷內(nèi)（115.45°E～115.49°E）部地勢(shì)稍有起伏，但總體上以東高西低的地勢(shì)分布為主。其中，圖6a 為日落前后（23 日18:00）的風(fēng)溫場(chǎng)配置。可以看出，在該時(shí)刻，高層以平直西風(fēng)為主，風(fēng)速隨高度的降低逐漸減小。在約2 km的高度上，存在風(fēng)向垂直切變。此處風(fēng)向反向，以較弱的東風(fēng)為主。近地面層上，溫度已相對(duì)較低，風(fēng)沿山脈走勢(shì)緩慢向西流動(dòng)，推動(dòng)冷空氣緩慢向西匯集。結(jié)合此時(shí)刻的溫度層結(jié)曲線（圖略），可看出在18:00 高空的逆溫層結(jié)已經(jīng)形成，冷湖過(guò)程已逐漸開始建立。

圖6 2021 年2 月（a）23 日18:00、（b）24 日01:00、（c）24 日08:00 及（d）24 日15:00 沿冬兩1 號(hào)測(cè)站東西剖面上的風(fēng)溫場(chǎng)。圖中棕色區(qū)域?yàn)榈匦?；黑色箭頭為矢量風(fēng)，單位：m s-1；填色及等值線為位溫，單位：K；紅色三角為站點(diǎn)所在位置（下同）Fig. 6 Wind temperature field on the east-west section of Dongliang No.1 station at (a) 1800 BJT 23, (b) 0100 BJT 24, (c) 0800 BJT 24, and (d) 1500 BJT February 2021. The brown area is the terrain; the black arrows are the vector wind, units: m s-1; the color and the contour are the potential temperature, units: K. The red triangle is the location of the station (the same below)

隨后，隨著時(shí)間的推移，由于地面通過(guò)長(zhǎng)波輻射不斷損失熱量，峽谷中的逆溫層結(jié)迅速加強(qiáng)并不斷向低層擴(kuò)展（如圖8a）。至24 日01:00，逆溫層厚度已達(dá)到最大并穩(wěn)定維持。同時(shí)，結(jié)合夜間環(huán)流型圖像（圖6b），可看出冷湖結(jié)構(gòu)隨時(shí)間不斷發(fā)展、加深，峽谷中地勢(shì)較低處伴隨著冷空氣的不斷堆積并向上漫延。此時(shí)刻，高層仍以水平東移的系統(tǒng)風(fēng)為主。在大氣低層，穩(wěn)定層結(jié)已經(jīng)建立，風(fēng)沿地勢(shì)由東向西緩慢移動(dòng)，并產(chǎn)生一定的重力下坡風(fēng)。該密度流不斷疊加在冷墊之上，造成冷空氣下泄匯聚。需要注意的是，此時(shí)風(fēng)向切變的高度已由2 km 下移至1.88 km。相比上一個(gè)時(shí)次，高空中存在一定程度的動(dòng)量下傳。

從夜間環(huán)流型向白天環(huán)流型的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，溫度場(chǎng)及流場(chǎng)的變化變得較為復(fù)雜。由于受到太陽(yáng)短波輻射的影響，至24 日08:00（圖6c）,冬兩1 號(hào)站及相鄰低谷區(qū)的冷湖快速消亡，115.52°E 附近仍存在一些冷湖殘留。由圖8b 中可以看出，隨著地表加熱的不斷增強(qiáng)，湍流活動(dòng)逐漸增強(qiáng)，低層的逆溫由于湍流活動(dòng)的增強(qiáng)而逐漸消失。在此刻，高空2000～2300 m 處仍有部分夜間逆溫殘余，形成一個(gè)明顯的穩(wěn)定核區(qū)。從流場(chǎng)上看，24 日08:00，高空風(fēng)場(chǎng)逐漸增強(qiáng)。伴隨著地面的不斷加熱，近地層風(fēng)速也逐漸增大。隨著系統(tǒng)風(fēng)的增強(qiáng)，冷湖發(fā)展維持期間的微弱東風(fēng)已逐漸被越山的系統(tǒng)西風(fēng)氣流所取代。

24 日08:00 后，地表加熱繼續(xù)增強(qiáng)，對(duì)流邊界層繼續(xù)向上發(fā)展，逆溫厚度逐漸變薄。至24 日12:00，逆溫層已經(jīng)消失。24 日15:00（圖6d），峽谷上空的位溫場(chǎng)整體增強(qiáng)，達(dá)到290 K 以上。值得注意的是，在峽谷的邊緣高地（115.49°E）上，由于受熱強(qiáng)烈，存在明顯的上升運(yùn)動(dòng)，并引發(fā)高地兩側(cè)的強(qiáng)上坡風(fēng)環(huán)流。

類似地，圖7 為相同時(shí)次冬兩1 號(hào)站南北向剖面的風(fēng)溫場(chǎng)，此期間逆溫層的變化情況如圖8 所示。23 日18:00（圖7a），谷底的冷卻過(guò)程已經(jīng)開始。谷中的溫度已下降至283 K，峽谷南側(cè)的溝壑處（40.84°～40.88°N）溫度已下降至282 K。風(fēng)場(chǎng)上，高空以偏北氣流為主；近地層以偏南氣流為主，風(fēng)速較小。在峽谷及南側(cè)溝壑上方約2.32～2.46 km高度上，存在一定程度的下沉運(yùn)動(dòng)，南側(cè)溝壑處的下沉運(yùn)動(dòng)略強(qiáng)于峽谷上方的下沉運(yùn)動(dòng)，此時(shí)冷湖逐漸發(fā)展建立。至24 日01:00（圖7b），峽谷上方及南側(cè)溝壑處的冷湖已完全建立。由于深度更深，南側(cè)溝壑處的冷空氣堆積更為劇烈，冷湖結(jié)構(gòu)更加深厚。流場(chǎng)上，高空已完全被較弱的偏南氣流控制。貼地層上，峽谷中仍以微弱的偏南氣流為主，而南側(cè)溝壑中則以微弱的偏北氣流為主導(dǎo)。24 日08:00（圖7c）為清晨轉(zhuǎn)換流型?？梢钥闯?，此時(shí)峽谷中的冷湖結(jié)構(gòu)已經(jīng)消亡，南側(cè)溝壑處仍保留一些冷湖殘余。流場(chǎng)上，高空已轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)性的偏北風(fēng)，風(fēng)速與上個(gè)時(shí)次相比明顯增大。峽谷上方1.88～2.21 km 高度上出現(xiàn)較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，致使逆溫層逐漸被破壞，直至消失。至24 日15:00，冷湖過(guò)程已完全消散。位于40.89°N 的山地兩側(cè)出現(xiàn)明顯的上坡風(fēng)。兩側(cè)上坡風(fēng)在山地上空交匯，產(chǎn)生出較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)。

圖7 同圖6，但為南北剖面Fig. 7 Same as Fig. 6, but for north-south section

圖8 2021 年2 月23、24 日冬兩1 號(hào)站點(diǎn)（a、b）各不同時(shí)刻溫度隨高度的變化Fig. 8 Changes in temperature with altitude at (a, b) different times at Dongliang No. 1 station on February 23 and 24, 2021

5.1.2 地形影響下的局地環(huán)流差異對(duì)冷湖過(guò)程帶來(lái)的影響

從圖5 近地面溫度的演變趨勢(shì)上看，相比于其他站點(diǎn)，冬兩1 號(hào)站及越野2 號(hào)站均具有一定程度的冷湖發(fā)展，但越野2 號(hào)站在夜間的冷湖強(qiáng)度明顯弱于冬兩1 號(hào)站。下面，本文便從環(huán)流的角度解釋兩站冷湖強(qiáng)度差異性的原因。

圖9、10 為24 日01:00（即冷湖在夜間穩(wěn)定維持的時(shí)刻）冬兩1 號(hào)站與越野2 號(hào)站風(fēng)溫場(chǎng)剖面圖的對(duì)比。其中，圖9 分別沿兩站所在緯度進(jìn)行剖面，圖10 沿兩站所在經(jīng)度進(jìn)行剖面，紅色三角代表兩站所處位置。由于本次冷湖過(guò)程以靜穩(wěn)天氣為背景，近地面多受小風(fēng)或靜風(fēng)控制，所以兩站在近地面風(fēng)速大小上并無(wú)太大差異。但兩站所處地形卻有較大不同。冬兩1 號(hào)站位于兩座相對(duì)山脈間的狹長(zhǎng)溝壑之中，且該溝壑以東高西低的地勢(shì)分布為主（圖9a）。而越野2 號(hào)站卻處在山坡之上，其站點(diǎn)高度比冬兩1 號(hào)站高出37.3 m 左右。在天氣條件靜穩(wěn)、背景風(fēng)較小時(shí)，山頂冷空氣易受重力作用下沉。于冬兩1 號(hào)站而言，南側(cè)較高的相對(duì)山脈會(huì)為該站帶來(lái)具有偏南分量的下坡風(fēng)（圖10a）；東高西低的狹長(zhǎng)溝壑會(huì)為該站帶來(lái)偏東分量的下谷風(fēng)（圖9a）。寒冷的下坡風(fēng)與下谷風(fēng)在冬兩1 號(hào)站緩慢交匯、下沉，最終在冬兩1 號(hào)站形成較強(qiáng)的冷湖過(guò)程（示意圖見(jiàn)圖12）。越野2 號(hào)站由于海拔較高，在圖9b中可看出該站并不處于東西向溝壑深處。所以，越野2 號(hào)站主要受下坡風(fēng)影響，而受下谷風(fēng)的影響較弱。另一方面，由于所受到的下坡風(fēng)、下谷風(fēng)以偏東或偏東南氣流為主，所以兩站在近地面風(fēng)場(chǎng)上均表現(xiàn)為東南風(fēng)（圖11、圖12）。

圖9 2021 年2 月24 日01:00（a）冬兩1 號(hào)站及（b）越野2 號(hào)站沿各測(cè)站東西剖面上的風(fēng)溫場(chǎng)。棕色區(qū)域?yàn)榈匦?；黑色箭頭為矢量風(fēng)，單位：m s-1；填色及等值線為位溫，單位：K。紅色三角代表各站所在位置，下同F(xiàn)ig. 9 Wind temperature field along the east-west section of Dongliang No.1 station and Yueye No.2 Station at 0100 BJT on February 24, 2021. The brown area is the terrain; the black arrow is the vector wind, units: m s-1; the color and the contour are the potential temperature, units: K. The red triangle is the location of the station, the same as below

圖10 同圖9，但為南北剖面Fig. 10 Same as Fig 9, but for north-south section

圖11 2021 年2 月24 日01:00 冬兩賽區(qū)內(nèi)10 m 風(fēng)場(chǎng)平面圖。黑色箭頭為矢量風(fēng)，填色代表風(fēng)速大小，單位：m s-1；紅色圓點(diǎn)代表冬兩1 號(hào)站，黃色圓點(diǎn)代表越野2 號(hào)站Fig. 11 10-m wind vectors in Dongliang area at 0100 UTC on February 24, 2021. The black arrow is the vector wind, the color is the wind speed, units: m s-1（The red point represents the location of Dongliang No.1 station, and the yellow point represents the location of Yueye No.2 Station）

圖12 冬兩賽區(qū)及越野賽區(qū)近地面三維流場(chǎng)示意圖Fig. 12 Three-dimensional flow field diagram of Dongliang area and Yueye area

綜上所述，冬兩1 號(hào)站在南—北向及東—西向均處于較低的地勢(shì)之中。這種較低地勢(shì)一方面更有利于寒冷的下坡風(fēng)及下谷風(fēng)的形成，另一方面也利于各冷徑流的匯集，所以更易在夜間生成較強(qiáng)冷湖。而越野2 號(hào)站海拔相對(duì)較高，較高地勢(shì)及僅有的下坡流不足以產(chǎn)生強(qiáng)度更強(qiáng)的冷湖。所以，地形影響下的局地環(huán)流不同是造成兩站冷湖強(qiáng)度差異的原因之一。

以上分析較為清楚地再現(xiàn)了冬兩1 號(hào)測(cè)站及周邊地區(qū)冷湖生消發(fā)展過(guò)程中的流場(chǎng)及位溫場(chǎng)的變化并從局地環(huán)流的角度探索了兩測(cè)站冷湖強(qiáng)度差異性的原因。為進(jìn)一步探究冷湖形成及消散的根本原因，本文將從輻射、湍流活動(dòng)兩方面入手，針對(duì)本次冷湖過(guò)程進(jìn)行更為細(xì)致的分析。

5.2 輻射作用對(duì)冷湖過(guò)程的影響

地面凈輻射為地面接收到的來(lái)自太陽(yáng)和大氣層中的各種輻射與地表向外放射和反射的各種輻射的差額（李玉海, 1977）。地面接收到的短波輻射有兩種，一種為太陽(yáng)直接輻射，另一種是太陽(yáng)輻射被大氣層散射后射向地面的散射輻射。地面接收到的唯一長(zhǎng)波輻射為大氣逆輻射。這三種輻射共同構(gòu)成地面的輻射收入。地面向大氣的支出輻射也有三種，分別為地面長(zhǎng)波輻射、地面對(duì)太陽(yáng)短波輻射的反射及地面對(duì)大氣逆輻射的反射（該量值甚微）。根據(jù)組成地面凈輻射的各個(gè)輻射因子，可將地面凈輻射方程式列出如下：

其中，地面凈輻射以B表示；S′為水平面上的太陽(yáng)直接輻射；D為大氣散射輻射；EA為大氣逆輻射；RK為地面短波散射輻射；EB為地面長(zhǎng)波輻射。若將地面有效輻射定義為E=EA?EB，地面反射率定義為AK=RK/(S′+D)，地面凈輻射則可用地面吸收的太陽(yáng)輻射與地面有效輻射的代數(shù)和表示：

5.2.1 崇禮賽區(qū)瞬時(shí)地表凈輻射通量分布

為進(jìn)一步探究輻射作用對(duì)本次冷湖過(guò)程生消發(fā)展帶來(lái)的影響，本文分別繪制了崇禮賽區(qū)2021 年2 月23 日18:00、24 日01:00、04:00、08:00 及15:00 的瞬時(shí)地表凈輻射通量分布（圖13、圖14）。可以看出，在23 日18:00，崇禮賽區(qū)大部分區(qū)域均以凈輻射支出為主。云頂站區(qū)向外釋放的輻射通量略強(qiáng)于冬兩1 號(hào)站及越野2 號(hào)站。至24 日01:00，由于山頂積雪具有較大的反射率，云頂站區(qū)向外釋放出更多的輻射能量。而在此時(shí)，冬兩1 號(hào)站及越野2 號(hào)站所釋放的輻射與上個(gè)時(shí)次相比并無(wú)太大變化。而到24 日04:00，冬兩1 號(hào)站及越野2 號(hào)站向外釋放的輻射通量顯著增加，輻射冷卻作用明顯增強(qiáng)。向外釋放的輻射能量甚至超過(guò)云頂站區(qū)。這為本次冷湖過(guò)程中后期的維持發(fā)展創(chuàng)造極為有利的條件。至24 日08:00，受太陽(yáng)短波輻射的影響，此時(shí)整個(gè)崇禮賽區(qū)以凈輻射輸入為主。冬兩1 號(hào)站及越野2 號(hào)站近地面的能量不斷積累，冷湖快速打破、消亡。24 日15:00，太陽(yáng)輻射持續(xù)加熱地面，崇禮賽區(qū)瞬時(shí)地表凈輻射通量已至282 W m-2及以上。地面的強(qiáng)烈受熱會(huì)引起湍流熱交換加劇，并引發(fā)前文提到的上坡風(fēng)環(huán)流。

圖13 2021 年2 月（a）23 日18:00、24 日（b）01:00 和（c）04:00 崇禮賽區(qū)瞬時(shí)地表凈輻射通量（單位：W m-2）分布。圖中紅色圓點(diǎn)代表云頂站區(qū)、藍(lán)色圓點(diǎn)代表冬兩1 號(hào)站、紫色圓點(diǎn)為越野站區(qū)、綠色圓點(diǎn)為跳臺(tái)站區(qū)（下同）Fig. 13 Distribution of instantaneous net radiation flux (units: W m-2)in Chongli competition area at (a) 1800 BJT 23, (b) 0100 BJT 24, and(c) 0400 BJT 24 February 2021. The red dots in the picture represent the Yunding station area, the blue dot represents the Dongliang No. 1 station, the purple dots are the Yueye station area, and the green dots are the Tiaotai station area, the same as below

圖14 2021 年2 月24 日（a）08:00、（b）15:00 崇禮賽區(qū)瞬時(shí)地表凈輻射通量（單位：W m-2）分布Fig. 14 Distribution of instantaneous net radiation flux (units: W m-2)in Chongli competition area at (a) 0800 BJT and (b) 1500 BJT on February 24, 2021

5.2.2 不同情況下地表凈輻射及各輻射因子的日變化特征

本文將組成地表凈輻射（net radiation，簡(jiǎn)稱Rn）的各項(xiàng)輻射因子分為地面接收的短波輻射（downward shortwave radiation，簡(jiǎn)稱DSR）、地面向上反射的短波輻射（upward shortwave radiation，簡(jiǎn)稱USR）、大氣逆輻射（downward longwave radiation，簡(jiǎn)稱DLR）及地面長(zhǎng)波輻射（upward longwave radiation，簡(jiǎn)稱ULR）四類。由前述分析已知（圖5），越野2 號(hào)站（B1649）在23～24 日夜間也具有一定程度的冷湖發(fā)展，但其強(qiáng)度明顯弱于冬兩1 號(hào)站（B1638）。為進(jìn)一步從輻射角度揭示兩站冷湖發(fā)展強(qiáng)度差異的原因，本文分別繪制了兩站凈輻射及各輻射因子的日變化曲線。同理，為進(jìn)一步分析冬兩1 號(hào)測(cè)站冷湖期間與非冷湖期間地面凈輻射及各輻射因子的差異性，本文選取了該測(cè)站的下一個(gè)非冷湖時(shí)段（24 日08:00 至25 日09:00）進(jìn)行對(duì)比分析。出于控制變量的要求，所選取的非冷湖個(gè)例在夜間仍以小風(fēng)速為主，平均風(fēng)速不超過(guò)2 m s-1。

圖15 為地表凈輻射與各輻射因子在越野2 號(hào)站、冬兩1 號(hào)站及其非冷湖情況下的日變化曲線?？梢钥闯觯N情況下，地面接收的短波輻射通量（DSR）與地面向上反射的短波輻射通量（USR）均具有相似的日變化特征（圖15a、b）。正午時(shí)段，日照充足，地面接收及反射的短波輻射均較大。而隨著太陽(yáng)落山（18:00 后），地面缺少短波輻射補(bǔ)給，從而使得地面接收及反射的短波通量值驟降為0。其次，通過(guò)對(duì)比三種不同情況下DSR、USR輻射量值的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)越野2 號(hào)站與冬兩1 號(hào)站均具有相似的DSR、USR 變化特征，僅在正午時(shí)段二者的DSR、USR 輻射量值才稍顯不同。非冷湖個(gè)例在白天接收及反射的短波輻射量值更大。非冷湖個(gè)例與冷湖個(gè)例的DSR、USR 輻射量值的最大差異體現(xiàn)在正午時(shí)段。

圖15c、d 體現(xiàn)地面長(zhǎng)波輻射的收支變化情況。可以看出，21:00 前，非冷湖個(gè)例中地面接收的長(zhǎng)波輻射（DLR）均小于冷湖個(gè)例；21:00 后，非冷湖個(gè)例中的逆輻射通量值逐漸增強(qiáng)，并逐漸反超冷湖個(gè)例。另一方面，15:00 前和次日03:00 后，越野2 號(hào)站與冬兩1 號(hào)站的逆輻射通量值基本相同。其余時(shí)段，兩站的DLR 輻射通量值出現(xiàn)明顯差別，越野2 號(hào)站的DLR 量值均大于冬兩1 號(hào)站。針對(duì)地面釋放的長(zhǎng)波輻射（ULR）的日變化特征，可看出，越野2 號(hào)站與冬兩1 號(hào)站的ULR 曲線變化趨勢(shì)及輻射量值基本相同。非冷湖個(gè)例的ULR 輻射量值均大于冷湖個(gè)例，且三者的輻射量值差異性隨時(shí)間緩慢減小。這是因?yàn)榈孛驷尫诺拈L(zhǎng)波輻射通量與地表溫度的四次方成正比。由于在日間，非冷湖個(gè)例中，地表吸收了更多的太陽(yáng)短波輻射，相對(duì)而言地表溫度便比其他個(gè)例高，從而釋放的長(zhǎng)波輻射量值也就更大。夜間，由于無(wú)短波輻射補(bǔ)給，非冷湖個(gè)例中的地表溫度不斷下降，從而地面釋放的長(zhǎng)波輻射便也不斷減小，非冷湖個(gè)例與其他個(gè)例的ULR 量值差距也因此不斷減小。

圖15 （a）地面接收的短波輻射（DSR）、（b）地面反射的短波輻射（USR）、（c）大氣逆輻射（DLR）、（d）地面長(zhǎng)波輻射（ULR）及（e）凈輻射（Rn）通量在越野2 號(hào)站（B1649）、冬兩1 號(hào)站（B1638）及其非冷湖時(shí)段（2021 年2 月24 日08:00 至25 日09:00）的日變化情況Fig. 15 Diurnal variation in (a) DSR (downward shortwave radiation), (b) USR (upward shortwave radiation), (c) DLR (downward longwave radiation), (d) ULR (upward longwave radiation), and (e) Rn (net radiation) at Yueye No.2 Station (B1649), Dongliang No. 1 Station (B1638) and other non-CAP (cold air pool) periods (from 0800 BJT 24 to 0900 BJT 25 February 2021)

各輻射因子共同組成地表的凈輻射（Rn）通量值。由圖15e 可看出，08:00～17:00，越野2 號(hào)站與冬兩1 號(hào)站在日間得到的地面凈輻射通量較為一致，并無(wú)明顯差異。17:00 后，太陽(yáng)落山，兩站的凈輻射通量差異逐漸體現(xiàn)?？梢钥吹剑?7:00 至次日03:00，冬兩1 號(hào)站向外釋放的輻射能量總是大于越野2 號(hào)站，即冬兩1 號(hào)站的輻射冷卻作用更強(qiáng)。通過(guò)前述對(duì)各輻射因子日變化趨勢(shì)的分析，可得出該時(shí)段越野2 號(hào)站接收的逆輻射量值均大于冬兩1 號(hào)站，而二者釋放的長(zhǎng)波輻射卻幾乎無(wú)差別。所以，地面接收的逆輻射通量值差異是造成該時(shí)段兩站凈輻射通量值（或輻射冷卻強(qiáng)度）差異的主要原因。若除去兩站地形高度差異（越野2 號(hào)站比冬兩1 號(hào)站高約37 m 左右）及下墊面差異帶來(lái)的影響，夜間輻射冷卻強(qiáng)度的不同應(yīng)是造成兩站冷湖強(qiáng)度差異的主要原因之一。

另一方面，在白天（08:00～17:00），非冷湖個(gè)例相較于冷湖個(gè)例在近地面具有更強(qiáng)的凈輻射能量積累。通過(guò)計(jì)算，得出非冷湖個(gè)例比冷湖個(gè)例的日間凈輻射累積量高出421.64 W m-2。18:00～21:00，非冷湖個(gè)例的輻射冷卻程度明顯高于冷湖個(gè)例，但在21:00 后，非冷湖個(gè)例的輻射支出明顯減弱。這是由于21:00 后，地面接收的大氣逆輻射突然增加，地面釋放的長(zhǎng)波輻射緩慢減少所造成的。冬兩1 號(hào)站冷湖個(gè)例的輻射支出雖在前半夜較弱，但在次日03:00 突然加強(qiáng)。這種輻射支出的突然加強(qiáng)可能與地面接收的逆輻射通量在03:00 突然降低有關(guān)?？偟膩?lái)說(shuō)，冬兩1 號(hào)站冷湖個(gè)例的夜間輻射冷卻累積量比非冷湖個(gè)例高出144.96 W m-2。

綜上所述，崇禮賽區(qū)的地面凈輻射通量具有明顯的日變化特征。由于崇禮賽區(qū)下墊面性質(zhì)較為復(fù)雜，不同性質(zhì)的地表吸收和放射輻射的特性具有很大差異，因此影響地面凈輻射也具有較大差異。云頂站區(qū)由于海拔較高，地表受積雪覆蓋，反射率較強(qiáng)。因此，相較于冬兩1 號(hào)站及越野2 號(hào)站，云頂站區(qū)在前半夜具有更強(qiáng)的輻射冷卻。對(duì)比冬兩1 號(hào)站及越野2 號(hào)站凈輻射通量隨時(shí)間的演變，可看到兩站的輻射冷卻強(qiáng)度在夜間具有明顯差異，這應(yīng)是造成兩站夜間冷湖強(qiáng)度差異的主要原因之一。通過(guò)對(duì)比強(qiáng)冷湖個(gè)例與非冷湖個(gè)例的凈輻射通量差異性，可以看出，雖然非冷湖個(gè)例在日落后具有較強(qiáng)的瞬時(shí)輻射能量支出，但其輻射能量支出強(qiáng)度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速減弱。在冷湖個(gè)例中，后半夜（次日03:00）輻射冷卻作用的突然加強(qiáng)為冷湖過(guò)程中后期的維持、發(fā)展創(chuàng)造有利條件。

5.3 邊界層及湍流發(fā)展對(duì)冷湖消散過(guò)程的影響

通過(guò)以上分析可得出，從夜間環(huán)流型向白天環(huán)流型轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，由于受太陽(yáng)短波輻射的影響，地表能量得以不斷累積。伴隨著地表的強(qiáng)烈受熱，湍流活動(dòng)及邊界層高度也會(huì)發(fā)生一系列變化。下面，從動(dòng)力場(chǎng)的角度分析邊界層及湍流活動(dòng)的發(fā)展對(duì)本次冷湖的消散過(guò)程帶來(lái)的影響。

圖16 為本次冷湖過(guò)程維持階段和結(jié)束階段兩站的位溫垂直廓線。有研究指出（Heffter, 1980;Marsik et al., 1995），位溫垂直廓線可間接確定邊界層的高度，并能反映邊界層下的湍流活動(dòng)情況?？梢钥闯觯?4 日01:00～04:00，即冷湖的維持發(fā)展階段，冬兩1 號(hào)站和越野2 號(hào)站的位溫廓線均十分平緩，近地面的湍流活動(dòng)十分微弱。至24 日08:00，兩站的位溫廓線在近地面高度均有拐點(diǎn)出現(xiàn)，且其梯度逐漸增大。說(shuō)明在此時(shí)，近地面已有一定的湍流活動(dòng)向上發(fā)展。湍流活動(dòng)的發(fā)展使得谷底堆積的冷空氣不斷與其上空的較暖空氣混合，從而造成冷湖結(jié)構(gòu)的破壞。11:00，在2200 m 以下高度，冬兩1 號(hào)測(cè)站的位溫廓線已大體垂直，伴隨著湍流混合作用的劇烈發(fā)展，對(duì)流邊界層快速升高。而對(duì)于越野2 號(hào)站，此時(shí)該站的位溫梯度略小于冬兩1 號(hào)站，湍流混合強(qiáng)度不及冬兩1 號(hào)站。由于兩站在近地面均表現(xiàn)出較強(qiáng)的湍流混合，11:00 谷底冷湖已完全消失。至當(dāng)日14:00，兩站的位溫廓線均接近垂直，且在約2500 m 高度上有明顯拐點(diǎn)。拐點(diǎn)所在位置，與白天的對(duì)流邊界層高度相對(duì)應(yīng)。

圖16 2021 年2 月24 日01:00、04:00、08:00、11:00、14:00（a）冬兩1 號(hào)站（B1638）及（b）越野2 號(hào)站（B1649）位溫的垂直廓線Fig. 16 Potential temperature profiles at different times over (a) Dongliang No. 1 Station (B1638) and (b) Yueye No.2 Station (B1649) on February 24, 2021

圖17 給出了兩測(cè)站邊界層高度隨時(shí)間的演變特征。需要注意的是，此處的邊界層高度為邊界層頂距地表的垂直距離（Above ground level，簡(jiǎn)稱AGL），并不包括地形高度本身?？梢钥闯?，23日16:00～20:00，邊界層高度迅速降低。23 日20:00 至24 日02:00，即冷湖維持初期及發(fā)展階段，對(duì)流邊界層達(dá)到一日中的最低高度，其上部維持夜間穩(wěn)定的逆溫層結(jié)。24 日02:00～08:00，冷湖過(guò)程的中后期，邊界層相比于前一時(shí)段有所抬升。冬兩1 號(hào)站邊界層高度隨時(shí)間具有一定程度的波動(dòng)，但其發(fā)展高度并不高，維持在距地面約125 m 的高度上。此時(shí)段內(nèi)，有較為微弱的湍流活動(dòng)。24 日08:00 之后，由于太陽(yáng)短波輻射加熱地表，近地層的湍流作用迅速增強(qiáng)，對(duì)流邊界層隨之向上發(fā)展。在此過(guò)程中，冷湖結(jié)構(gòu)破壞，逆溫厚度迅速變?。▓D8），直至消失。

圖17 冬兩1 號(hào)站（B1638）及越野2 號(hào)站（B1649）邊界層距地面高度（單位：m）的變化特征Fig. 17 The change characteristics in the planetary boundary layer(PBL) height (units: m) of Dongliang No. 1 Station (B1638) and Yueye No. 2 Station (B1649)

摩擦速度表征了湍流運(yùn)動(dòng)中水平動(dòng)量的垂直通量（羅然等, 2020），為描述近地面層湍流特征的重要參數(shù)。圖18 反映了兩測(cè)站近地面層摩擦速度隨時(shí)間的演變。從總體上看，摩擦速度隨時(shí)間具有一定程度的波動(dòng)。對(duì)于冷湖結(jié)構(gòu)更為深厚的冬兩1號(hào)站，在冷湖發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，該站的最大摩擦速度不超過(guò)0.33 m s-1，最小摩擦速度可達(dá)0.02 m s-1。因此，在該時(shí)段內(nèi)，近地層的湍流活動(dòng)雖有波動(dòng)，但其強(qiáng)度并不大。至24 日08:00 后，冬兩1 號(hào)站的摩擦速度逐步攀升，并于14:00 達(dá)到最大，此時(shí)近地面的湍流活動(dòng)最為強(qiáng)烈。

圖18 冬兩1 號(hào)站（B1638）及越野2 號(hào)站（B1649）摩擦速度（單位：m s-1）隨時(shí)間演變的曲線Fig. 18 The change characteristics in friction speed (units: m s-1)evolving with time at Dongliang No. 1 Station (B1638) and Yueye No.2 Station (B1649)

通過(guò)分析冷湖發(fā)生前后位溫廓線、摩擦速度及邊界層高度隨時(shí)間的演變趨勢(shì)，均可印證近地層湍流活動(dòng)的發(fā)展對(duì)冷湖過(guò)程帶來(lái)的重要影響。冷湖發(fā)生發(fā)展時(shí)期，湍流作用較為微弱，對(duì)應(yīng)邊界層高度發(fā)展很低。穩(wěn)定的近地層環(huán)境為冷湖加深加強(qiáng)創(chuàng)造出極為有利的條件。日出后，隨著地表加熱不斷增強(qiáng)，湍流活動(dòng)逐漸旺盛，對(duì)流邊界層不斷向上發(fā)展，致使峽谷中的逆溫破壞，冷湖消散。

6 結(jié)論與展望

利用WRF 中尺度模式并引入譜分析方法，本文對(duì)2021 年2 月23 日17:00 至24 日08:00 冬奧崇禮賽區(qū)一次典型的冷湖過(guò)程進(jìn)行模擬，詳細(xì)分析了冷湖發(fā)展前后風(fēng)溫場(chǎng)的垂直變化特征，探究了冷湖過(guò)程形成及消散的可能原因（概念模型如圖19 所示）。具體結(jié)論如下：

圖19 冷湖（a）形成及（b）消散的概念模型圖Fig. 19 Conceptual model of CAP (a) formation and (b) dissipation

（1）靜穩(wěn)的天氣形勢(shì)是冷湖過(guò)程維持、發(fā)展的大背景條件。在此過(guò)程中，崇禮賽區(qū)在500～700 hPa 均處于脊前位置，高空以下沉運(yùn)動(dòng)為主，近地層風(fēng)速微弱，大氣穩(wěn)定度較高。

（2）冬兩1 號(hào)站及鄰近區(qū)為本次冷湖結(jié)構(gòu)最為深厚的區(qū)域。通過(guò)研究該區(qū)域垂直風(fēng)溫場(chǎng)的演變情況，可清楚地再現(xiàn)本次冷湖的生消發(fā)展過(guò)程。日落時(shí)分，低層的穩(wěn)定層結(jié)已開始建立，近地層出現(xiàn)沿地勢(shì)流動(dòng)的冷徑流。夜間環(huán)流型期間，逆溫層由上至下迅速建立，冷湖結(jié)構(gòu)明顯。冷湖的出現(xiàn)與谷底的偏東—東南風(fēng)相配合。受重力下坡風(fēng)影響，冷空氣不斷向谷底堆積，冷湖深度增加。日出后，越山的系統(tǒng)風(fēng)重新建立，近地層的微弱東南風(fēng)逐漸被系統(tǒng)風(fēng)取代。逆溫層不斷消蝕，僅在上層存在夜間的逆溫殘余，成為一明顯的穩(wěn)定核區(qū)。隨后，上坡風(fēng)不斷發(fā)展，逆溫完全侵蝕，冷湖過(guò)程結(jié)束。

（3）崇禮賽區(qū)的地面凈輻射通量具有明顯的日變化特征。針對(duì)冬兩1 號(hào)站，非冷湖個(gè)例在夜間的輻射能量總支出明顯低于冷湖個(gè)例，說(shuō)明了輻射冷卻作用對(duì)冷湖過(guò)程的積極影響。后半夜該站輻射冷卻作用的突然加強(qiáng)為冷湖過(guò)程中后期的維持發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。

（4）冬兩1 號(hào)站及越野2 號(hào)站的局地環(huán)流差異及輻射冷卻強(qiáng)度差異是造成兩站夜間冷湖強(qiáng)度不同的主要原因之一。

（5）通過(guò)分析冷湖發(fā)生前后位溫廓線、摩擦速度及邊界層高度隨時(shí)間的演變，均可印證湍流活動(dòng)的發(fā)展是逆溫消散、冷湖結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。

總體來(lái)說(shuō)，此次模擬能較好地再現(xiàn)冬兩場(chǎng)地冷湖及逆溫的生消過(guò)程，得出重力下坡風(fēng)及夜間輻射冷卻作用是谷地冷湖形成的具體原因，日出后湍流活動(dòng)的快速發(fā)展是造成冷湖結(jié)構(gòu)破壞的重要影響因素（圖19）。但是，本項(xiàng)工作僅是冷湖過(guò)程研究的開端，大量工作還需進(jìn)一步進(jìn)行：

（1）由于崇禮賽區(qū)的下墊面條件復(fù)雜，WRF自帶的地形數(shù)據(jù)可能不能很好的反映賽區(qū)地形特征。在后續(xù)的研究中，可引入空間分辨率更高的地形數(shù)據(jù)（如30 m 空間分辨率的ASTER GDEM 地形數(shù)據(jù)）和動(dòng)態(tài)陸面資料（如CLDAS-V2.0 陸面數(shù)據(jù)），用以完善下墊面環(huán)境。同時(shí)，可嘗試采用多源觀測(cè)資料融合同化的方式進(jìn)行模擬，以期更加精細(xì)地描繪小地形風(fēng)場(chǎng)，從而進(jìn)一步探索局地環(huán)流的不同對(duì)冬兩1 號(hào)站及越野2 號(hào)站冷湖強(qiáng)度帶來(lái)的影響。

（2）可對(duì)近2～3 年內(nèi)冬季賽區(qū)不同的冷湖過(guò)程進(jìn)行篩選和分類，利用多過(guò)程合成分析方法對(duì)冷湖的生消發(fā)展進(jìn)行具體分析，進(jìn)一步探索冬兩1 號(hào)站在夜間溫度驟降的原因，提高對(duì)該類事件的甄別及預(yù)報(bào)能力。