冬奧會張家口賽區(qū)氣溫與風的特征分析*

李嘉睿 符嬌蘭 陶亦為 張恒德 李 蓉 董 全 胡 藝

1 國家氣象中心，北京 100081

2 蘭州中心氣象臺，蘭州 730020

提 要： 利用2019年1—3月多源觀測資料對北京冬奧會張家口賽區(qū)氣溫與風時空分布特征進行統(tǒng)計分析，并對不同環(huán)流背景下溫度和風的特征進行了對比研究。結(jié)果表明：張家口賽區(qū)氣溫分布受太陽輻射差異與海拔高度的共同制約，盆地或山谷溫度日較差大，且逆溫現(xiàn)象明顯。環(huán)境風和日變溫影響逆溫強度，風速越小，逆溫強度越大。賽區(qū)風速具有明顯日變化特征，中午前后最大，夜間最小。均壓場下，古楊樹賽場晝夜風向轉(zhuǎn)換明顯，而云頂賽場無明顯晝夜風向變化；日落后賽區(qū)溫度開始建立逆溫結(jié)構(gòu)，在日出前達到最強，日出后逆溫迅速減弱消失，云頂賽場逆溫強度弱于古楊樹賽場。有較強冷空氣活動時，氣溫隨海拔高度增加而降低，兩賽場風向均無明顯晝夜變化。

引 言

在冬季奧運會氣象服務(wù)保障中，氣溫與風等要素的準確預(yù)報對戶外比賽項目能否順利舉行起到至關(guān)重要的作用(張玉濤等，2020)。冬奧會張家口賽區(qū)位于內(nèi)蒙古高原和華北平原過渡帶，屬于壩上壩下的過渡型山區(qū)，山谷溝壑縱橫，地形復(fù)雜。張家口賽區(qū)包含云頂、古楊樹2個賽場，共承擔2個大項、6個分項(單板滑雪、自由式滑雪、越野滑雪、跳臺滑雪、北歐兩項、冬季兩項)和50個小項的比賽。

在山谷或盆地中，氣溫與風的變化通常密切相關(guān)，周圍山脈造成的焚風在冬末春初會使積雪融化(楊曉亮等, 2018)。此外當沒有明顯冷空氣影響時，背景風速較小，白天受熱力差異影響，山谷兩側(cè)存在上坡風，局地環(huán)流下谷底出現(xiàn)補償性下沉氣流，進而造成谷底氣溫上升。在日落時刻，山頂?shù)某跏細鉁氐陀谏焦?，山頂冷空氣在熱力?qū)動作用下流向谷底，形成下坡風。山谷兩側(cè)山坡的冷空氣在谷底相遇輻合，產(chǎn)生上升氣流將谷底存在的暖空氣抬升，造成地形逆溫，也有學者稱之為“冷池”，地形逆溫在傍晚時具有較高穩(wěn)定性(Businger et al, 1971)。

靜穩(wěn)天氣下的夜間，盆地可伴隨強烈逆溫現(xiàn)象，垂直方向上有強溫度梯度，同時盆地上空盛行風的強度是影響冷池演化的關(guān)鍵因素(Clements et al, 2003)。Leukauf et al(2015)還指出在理想化的山谷地形中，白天冷池消失的時間與太陽輻射有關(guān)。

近地面風向風速的變化受地形的制約(Mahrt et al, 2001; 宋麗莉等, 2009；Jin et al, 2016; 曾佩生等, 2019)，鄭祚芳等(2018)認為山谷風環(huán)流會影響局地風場，造成風速主要沿地形梯度分布。在冬奧會張家口賽區(qū)，地形對風的影響十分明顯，在延慶—張家口地區(qū)，山風比谷風持續(xù)時間長且風速較小，高海拔山頂處受環(huán)境風影響顯著，風向沒有明顯日變化(賈春暉等，2019)。陣風對戶外比賽項目的影響更大，國內(nèi)外學者對陣風特征開展了一系列研究，例如通過引入陣風系數(shù)等物理量分析陣風的影響因子(董雙林，2001)，有學者指出陣風系數(shù)的時空分布變化存在較大不確定性，不僅與天氣系統(tǒng)、地理位置密切相關(guān)(周福等，2017)，還受到測風平均時距、穩(wěn)定風速、距地面高度、地面粗糙度、湍流穩(wěn)定度等因素的影響(Yu and Chowdhury，2009；劉炳榮等，2019)，此外，風速變化還與大氣邊界層高度密切相關(guān)(孟丹等，2019；劉敬樂等，2020)。

在冬奧賽區(qū)的天氣預(yù)報中，目前主要存在以下難題：(1)對風變化規(guī)律及其變化機制認識不夠，數(shù)值模式預(yù)報能力有限，因此對風尤其是陣風的預(yù)報難度高；(2)目前對賽區(qū)復(fù)雜地形下氣溫時空分布特征認知存在不足，主要表現(xiàn)在賽區(qū)的地形逆溫和夜間增溫兩方面，使得夜間溫度預(yù)報難度大。前期，冬奧賽場已建立地面多要素自動氣象站觀測網(wǎng)、賽場三維立體觀測體系。本研究旨在使用賽區(qū)氣象觀測數(shù)據(jù)，揭示對冬奧體育賽事有關(guān)鍵影響的氣溫與風的特征及其變化規(guī)律，為冬奧賽區(qū)天氣預(yù)報提供參考。

1 觀測站點與數(shù)據(jù)資料介紹

1.1 賽區(qū)觀測站點位置

研究共選取7個賽事保障觀測站的1 h觀測數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來源于河北省氣象局)用于特征分析，其中云頂賽場4個，站號為G1，G2，G4和G6，具體位置如圖1所示。云頂滑雪場位于一個半封閉式山谷中，三面環(huán)山，西北側(cè)有缺口，東南側(cè)為相對低洼的溝壑。其西南側(cè)山脊海拔高于2 100 m，山頂與山腳垂直落差約為200 m。G4站點位于山頂偏下位置，海拔高度為2 012.1 m，云頂賽場4個觀測站點在垂直方向上的最大高度差僅為158.2 m，水平距離不超過100 m，其中G1與G2站水平距離相距約56 m。云頂賽場終點區(qū)附近設(shè)有微波輻射計，可獲取山谷上空溫度特征。古楊樹賽場位于云頂東南方向，為盆地地形，海拔高度介于1 500～1 700 m，盆地邊緣與底部垂直落差約為65 m。這里選取賽事保障站點B1、C2和C3。

圖1 張家口賽區(qū)30 m分辨率地形與自動觀測站位置(填色：海拔高度)Fig.1 Distribution of automatic weather stations in Zhangjiakou Olympic Area with a 30 m resolution map(colored: topographic altitudes)

1.2 數(shù)據(jù)資料

研究所用資料來自河北省氣象局，數(shù)據(jù)包含：(1)2019年1—3月賽場自動氣象站1 h氣溫、2 min平均風、極大風等觀測數(shù)據(jù)；(2)2019年1—3月微波輻射計氣溫廓線數(shù)據(jù)，時間分辨率為2 min，在地面至500 m高度區(qū)間，垂直分辨率為50 m；(3)地形文件為張家口市崇禮區(qū)域的高程數(shù)據(jù)，水平分辨率為30 m。

2 賽場氣溫與風的統(tǒng)計特征

2.1 氣 溫

在復(fù)雜地形下，賽場氣溫與風的變化特征錯綜復(fù)雜，地形和太陽輻射對局地氣溫影響顯著。圖2展示了在2019年1—3月期間，7個站點溫度的平均日變化特征?？傮w而言，賽場氣溫的日變化存在一定規(guī)律：(1)各站平均最低氣溫出現(xiàn)在日出前的06—07時(北京時，下同)，平均最高氣溫出現(xiàn)在午后(14—15時)，且在日出后(08—10時)及日落后(16—18時)平均溫度變化劇烈。太陽輻射差異造成的溫度變化明顯，向陽山坡升溫早且快，同一時刻不同站點的平均溫差可達5 ℃以上。(2)古楊樹賽場平均氣溫日較差明顯大于云頂賽場，這是由于古楊樹盆地地勢較低，白天平均氣溫高，而夜間在地形作用下常出現(xiàn)冷空氣堆積，造成盆地底部氣溫最低，平均氣溫日較差可達12℃以上。高海拔且位于背陰山坡的站點晝夜溫差最小，氣溫日較差僅為5℃左右，比如云頂賽場G4、G6站。(3)夜間氣溫變化緩慢且各站差異不大，同一時次不同高度站點的平均氣溫相差3 ℃以內(nèi)。(4)海拔高度是影響賽區(qū)氣溫的主要因素之一。例如，C3站位于古楊樹盆地底部(海拔高度為1 622.8 m)，在白天平均氣溫最高，夜間平均氣溫最低，氣溫日較差為各站之首(圖2)。(5)太陽輻射差異是造成賽場氣溫分布差異的另一重要因素。例如，白天在太陽輻射的影響下，云頂賽場向陽山坡氣溫升高明顯快于北向山坡，南側(cè)山脊遮擋造成G4、G6站的日照時長縮短，導(dǎo)致這兩個站在白天的平均氣溫明顯低于向陽山坡的G1、G2站。

圖2 2019年1—3月張家口賽區(qū)不同站點平均氣溫的日變化Fig.2 Diurnal variations of average temperatures at different weather stations in Zhangjiakou Olympic Area from January to March 2019

另一方面，可以得到賽場平均氣溫與海拔高度的關(guān)系。如圖3所示，平均氣溫并非隨海拔高度的升高而單調(diào)降低，太陽輻射差異是影響云頂氣溫分布的主要因素。在云頂賽場同一朝向的山坡，平均氣溫依舊遵循隨海拔高度升高而降低的規(guī)律。在古楊樹盆地，隨海拔高度增加，平均溫度反而增加。這與冬季盆地經(jīng)常出現(xiàn)的逆溫有關(guān)，逆溫現(xiàn)象的頻發(fā)，導(dǎo)致海拔最低的C3站平均氣溫最低，海拔最高的C2站平均氣溫最高。為便于分析古楊樹盆地的逆溫程度，本文將古楊樹盆地海拔較高的B1站(1 650.2 m)與海拔最低的C3站(1 622.8 m)的溫差作為判定逆溫層是否存在的指標，并定義逆溫強度為同一時刻B1站氣溫(TB1)與C3站氣溫(TC3)之差，即TB1-TC3，下同。若逆溫強度大于0℃，則存在逆溫現(xiàn)象。這里選用B1站而不是C2站作為指標站的原因在于，使用海拔略低的B1站能夠在逆溫發(fā)展初期甄別出垂直厚度較小的逆溫，具有一定“靈敏性”優(yōu)勢。

圖3 2019年1—3月張家口賽區(qū)平均氣溫與海拔高度的關(guān)系Fig.3 Relationship between average temperatures and geographic altitudes at different weather stations in Zhangjiakou Olympic Area from January to March 2019

下面結(jié)合2019年1—3月的1 h觀測數(shù)據(jù)，分析古楊樹盆地逆溫次數(shù)的日變化。若某時次存在逆溫，則計入該時次的逆溫次數(shù)，統(tǒng)計結(jié)果見圖4a。結(jié)果顯示，古楊樹盆地逆溫出現(xiàn)的時刻集中在夜間，其次是上午與傍晚，中午前后(10—17時)逆溫現(xiàn)象稀少，與圖2的分析一致。白天盆地底部接收太陽輻射，配合上坡風、湍流等因子作用，盆地底部升溫明顯，逆溫層基本消失。圖4b為逆溫強度(TB1-TC3)的頻數(shù)分布情況，古楊樹盆地39.4%的逆溫現(xiàn)象對應(yīng)較小的逆溫強度(0～0.71 ℃)，逆溫強度介于0.71～2.84 ℃的樣本占48.7%，大于3.55 ℃ 的樣本數(shù)較少，僅有5.2%。觀測顯示，逆溫強度大于6 ℃的時刻有8次，均發(fā)生于弱氣壓場條件下，其中1月14日07時觀測到7.1 ℃逆溫，此時B1站氣溫為-9.5 ℃，C3站氣溫為-16.6 ℃。

圖4 2019年1—3月古楊樹盆地的逆溫特征(a)逆溫次數(shù)的日變化，(b)逆溫強度(B1與C3站溫度差)的頻數(shù)分布Fig.4 Characteristics of temperature inversions over Guyangshu Basin from January to March 2019(a) diurnal variations of temperature inversions, (b) frequency variations of the temperature difference between stations B1 and C3

夜間(18時至次日07時)古楊樹盆地的平均逆溫強度與風速變化及變溫有關(guān)，如圖5所示。統(tǒng)計顯示，當平均風速小于1 m·s-1時，逆溫現(xiàn)象較明顯，隨著平均風速的增大，平均逆溫強度逐漸減弱，當平均風速大于2 m·s-1時，逆溫現(xiàn)象趨于消失(圖5a)，風速對賽場逆溫影響較大。環(huán)境溫度變化同樣對逆溫強度產(chǎn)生影響，山頂附近溫度變化在賽區(qū)冷暖平流方面具有一定指示意義，這里使用高海拔G4站的溫度變化近似代替環(huán)境溫度變化。如圖5b 所示，當G4站平均日變溫為負時，古楊樹盆地的逆溫強度總體較弱甚至消失；而當G4站平均日變溫為正，古楊樹盆地的逆溫強度趨于更強。太陽輻射與冷空氣活動是制約逆溫發(fā)展的關(guān)鍵因素。

圖5 2019年1—3月夜間古楊樹賽場平均逆溫強度(TB1-TC3)與(a)平均風速,(b)平均日變溫的關(guān)系Fig.5 Relationships between the temperature inversion (TB1-TC3) at night and the averaged (a) wind speed, and (b) temperature change over Guyangshu Basin from January to March 2019

2.2 賽場風速特征

大部分站點風的日變化特征較為相似。如圖6所示，不同站點平均風速(圖6a)和極大風風速(圖6b)均表現(xiàn)為在中午前后增大，日落至夜間減小且變化相對平穩(wěn)，在日出和日落前后風速變化最大，這種特征可能與太陽輻射增強導(dǎo)致的局地湍流有關(guān)(烏日柴胡等，2019)。云頂賽場風速整體高于古楊樹且風速日變化較小，海拔最高的G4站風速日變化最小。與其他站不同的是，其平均風速在中午前后有一定程度的減小，可能與中午前后山區(qū)邊界層的變化(Whiteman et al, 1999)及越山氣流繞流有關(guān)(Kaufmann and Whiteman, 1999)。云頂賽場在冬季盛行偏北風，山脊遮擋造成位于背風坡的G2站觀測風速較小，平均風速為云頂賽區(qū)各站最小，如圖6a與6b所示。

陣風系數(shù)定義為同一時刻極大風風速與平均風速的比值。在張家口賽區(qū)，陣風系數(shù)極大值出現(xiàn)在17時前后(圖6c)。除C3站外，各站陣風系數(shù)的值介于1.8～2.8，C3陣風系數(shù)在3.0～4.1。究其原因，觀測實況顯示C3站的最大平均風速不超過1.8 m·s-1，夜間平均風速小于1 m·s-1，明顯低于其余各站，如圖6a所示。尤其當環(huán)境風微弱時，位于盆地底部的C3站甚至呈靜風狀態(tài)，但其極大風風速在3～6 m·s-1。在較高極大風風速和低平均風速的情況下，C3站的陣風系數(shù)明顯高于其他站。

圖6 2019年1—3月張家口賽區(qū)不同站點風特征的日變化(a)平均風速，(b)極大風風速，(c)陣風系數(shù)Fig.6 Diurnal variations of wind characteristics at different weather stations in Zhangjiakou Olympic Area from January to March 2019(a) average wind speed, (b) peak wind speed, (c) gust factor

總體而言，賽場風速隨海拔高度升高而增大，如圖7所示，盆地底部風速最小。需要說明的是，C2站處于樹林中，風速受一定程度遮擋，盡管其高度為古楊樹盆地最高，但風速不大。另外，前面提到G2站位于背風坡位置，山脊遮擋導(dǎo)致風速較小。將此兩個站剔除后，張家口賽區(qū)風速表現(xiàn)為隨海拔高度增加而增大。

圖7 2019年1—3月期間張家口賽區(qū)(a)平均風速、(b)極大風風速與海拔高度的關(guān)系Fig.7 Relationships between (a) average wind speed, and (b) peak wind speed and geographic altitudes at different weather stations in Zhangjiakou Olympic Area from January to March 2019

2.3 賽場風向變化特征

賽區(qū)風向的轉(zhuǎn)變與地形走向息息相關(guān)，同時存在晝夜差別。為便于分析，下面分析中使用“N”“N—E”“E”“S—E”“S”“S—W”“W”“N—W”分別代表“北”“東北”“東”“東南”“南”“西南”“西”和“西北”八個方位，在圖8所示中，數(shù)字為相應(yīng)方位的樣本數(shù)。白天為08—18時，夜間時段為19時至次日07時。

圖8 2019年1—3月張家口賽區(qū)不同站點白天(a，08—18時)與夜間(b，19時至次日07時)的平均風玫瑰圖(填色：風速，單位：m·s-1)Fig.8 Wind roses in daytime (a, 08:00 BT to 18:00 BT) and at night (b, 19:00 BT to 07:00 BT the next day) at different weather stations in Zhangjiakou Olympic Area from January to March 2019(colored: wind speed, unit: m·s-1)

統(tǒng)計顯示，無論白天還是夜間，云頂賽場均以西北風為主，與“西北—東南”向的山谷地形走向一致，同時也與高海拔地區(qū)更容易受冬季偏西或偏北環(huán)境風影響有關(guān)。

古楊樹盆地的風向相對分散，結(jié)合地形來看，B1站東北側(cè)存在較高山地，遮擋了東北方向的來風，其主導(dǎo)風向亦與東西向山谷走向一致，表現(xiàn)為白天盛行偏西風，夜間偏東風明顯增多，對應(yīng)東南側(cè)山坡的下坡風。C2站位于東西向山谷另一坡面，西北側(cè)為盆地，其盛行風向以西南風或偏南風為主，夜間下坡南風明顯增多。C3站位于小盆地底部，周圍相對開闊，白天主導(dǎo)風向為西北風，在夜間受到更多來自北側(cè)與東南方向山坡流向盆地底部下沉氣流的影響，夜間盛行風既有西北或偏北風，也有東南風。

3 不同環(huán)境條件下溫度和風的分布特征

賽區(qū)預(yù)報實踐表明，溫度和風的分布不僅與復(fù)雜地形有關(guān)，也受環(huán)境條件的影響。下面分析不同環(huán)流背景下溫度和風的統(tǒng)計特征，以及通過典型個例分析均壓場及冷空氣影響下賽區(qū)溫度和風的分布特征。

3.1 均壓場控制

研究表明：當無明顯冷空氣活動時，山谷或盆地容易出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象(Clements et al, 2003)。根據(jù)觀測資料統(tǒng)計，在2019年1—3月期間，張家口賽區(qū)逆溫存在的頻次高達54.34%。

這里選取弱高壓脊控制下兩賽場日變溫均小于3 ℃且平均風速小于5 m·s-1的四次天氣過程(分別為2019年1月5—6日、1月13日、2月2日、3月2—5日)進行說明，統(tǒng)計時間從起始日00時至結(jié)束日23時。在上述日期，賽場上空500、700和850 hPa等高線稀疏，地面風力微弱(各站平均風速基本在4 m·s-1以下)。

均壓場下，賽場有典型逆溫特征，夜間盆地底部氣溫最低，高海拔的G1站夜間平均氣溫最高，云頂賽場四站氣溫相差不大，白天盆地底部氣溫最高(圖9a)。同時，盆地底部風速晝夜均最弱，古楊樹各站在日出前及日落后平均風速基本小于2 m·s-1，除G4站外，其余各站有“中午前后高而夜間低”的風速日變化特征。

圖9 2019年1—3月四次典型均壓場過程(a)氣溫與(b)平均風速的日變化特征Fig.9 Average diurnal variations of (a) temperatures and (b) winds in the four selected cases under weak pressures from January to March 2019

為了進一步了解不同環(huán)流背景下溫度和風的演變特征，選取典型均壓場個例進行分析。3月2—5日為連續(xù)均壓場形勢，白天在太陽輻射作用下，盆地底部最高氣溫在6 ℃以上。2日凌晨，逆溫建立，古楊樹賽場逆溫強度接近3 ℃(圖10a)，云頂賽場地形在東南方向存在開口，夜間冷空氣難以像盆地一樣聚集，但同樣觀測到逆溫(圖10b)。4日凌晨05時，盆地底部C3站在冷空氣堆積影響下，氣溫降至-13.4 ℃，為各站最低，08—09時，日出后逆溫層被破壞，18時日落后重新建立。5日夜間，在弱冷空氣影響下，夜間連續(xù)逆溫狀態(tài)被打破。為便于揭示均壓場下氣溫與風場特點，現(xiàn)選取盆地底部氣溫最低的3日夜間至4日凌晨時段為例，從天氣形勢、自動觀測站及微波輻射計數(shù)據(jù)分析等方面入手，展開均壓場下賽場氣溫與風特征的分析。

圖10 2019年3月2—6日(a)古楊樹賽場B1與C3站和(b)云頂賽場G4與G2站的溫度差變化時序Fig.10 Variations of temperature differences between (a) B1 and C3 in Guyangshu Venue and (b) G4 and G2 in Genting Venue with time from 2 to 6 March 2019

3日夜間，賽場所在張家口崇禮區(qū)處于500 hPa 脊前(圖11a)，海平面氣壓場等值線稀疏(圖11b)，賽場(圖11紅色圓點)附近地面風力微弱，為均壓場控制下的靜穩(wěn)天氣形勢。

圖11 2019年3月3日20時(a)500 hPa形勢場(黑色實線，單位：dagpm)與850 hPa風場(風羽),(b)海平面氣壓場(黑色實線，單位：hPa)(紅色圓點：賽場位置，下同)Fig.11 Synoptic chart at 20:00 BT 3 March 2019(a) geopotential height field at 500 hPa (black line, unit: dagpm) and wind field at 850 hPa (barbs), (b) sea level pressure field (black line, unit: hPa)(red dot: position of the Olympic Area, the same below)

觀測顯示，3日夜間至4日凌晨，C3站(海拔高度為1 622.8 m)比C2站(海拔高度為1 687.5 m)氣溫低5 ℃(圖12a)。均壓場下，夜間冷空氣不斷向低洼處堆積，古楊樹盆地逆溫層持續(xù)加深，在05—06時達到最強，高度最低的C3站氣溫明顯低于其余各站。4日日出后，隨著太陽輻射的增強，盆地底部升溫迅速，08—09時溫度層結(jié)反轉(zhuǎn)，逆溫現(xiàn)象迅速消失。4日凌晨逆溫發(fā)展到最強時刻，G4站(海拔高度為2 012.1 m)比G2站(海拔高度為1 873.9 m)氣溫高1 ℃以上。云頂賽場微波輻射計(位置見圖1)顯示，4日凌晨，在距地面0～300 m的高度區(qū)間，不同高度氣溫均較高(>-9 ℃)且垂直方向溫度梯度小，從地面至50 m高度近似等溫層(圖12d)，并存在淺薄逆溫層。圖12d顯示云頂賽場的逆溫情況并非持續(xù)存在，而是不連續(xù)出現(xiàn)，這是由于云頂海拔較高且微波輻射計位于溝壑下游缺口，附近地形相對開闊，不利于冷空氣聚集。

均壓場背景下，云頂和古楊樹平均風速與極大風速均較低(圖12b，12c)，大部時段平均風速低于3 m·s-1(極大風低于6 m·s-1)，其中古楊樹賽區(qū)平均風速基本在1 m·s-1以下(極大風風速小于3 m·s-1)。這時熱力驅(qū)動的局地風環(huán)流處于主導(dǎo)地位，古楊樹賽場的風向轉(zhuǎn)變存在明顯的地形風特征。如圖12b所示，均壓場下B1站在白天維持偏西或西北風，夜間維持東南或偏東風，日出后又轉(zhuǎn)為偏西或西北風；C2站同樣在白天為一致的偏西或西北風，在日落后風向轉(zhuǎn)為東南或偏南風，日出后恢復(fù)偏西風；C3站白天為偏西風，18時風向轉(zhuǎn)為東南風。同時，風速具有較明顯日變化特征，午后至傍晚前后風力增大，其他時段風力非常小。與古楊樹賽場不同，云頂賽區(qū)風向風速均無明顯晝夜變化特征，如圖12b所示，G1、G2、G3、G4站始終以偏西風或西北風為主，與溝壑走向及高層風向一致。

圖12 2019年3月3—4日張家口賽區(qū)不同站點(a)氣溫、(b)平均風、(c)極大風隨時間的變化，(d)4日01:45微波輻射計測得的溫度廓線(圖12b,12c中“°”表示風速小于2 m·s-1，下同)Fig.12 Time-variations of (a) temperature, (b) average wind and (c) peak wind at different weather stations in Zhangjiakou Olympic Area from 3 to 4 March, and (d) vertical profile of temperatures observed by radiometer at 01:45 BT 4 March 2019(In Figs.12b, 12c, “°” indicates wind speed<2 m·s-1 , the same below)

綜上所述，均壓場下，云頂賽場與古楊樹盆地氣溫和風的特征存在明顯區(qū)別，后者風和溫度的時空分布更多受局地熱力環(huán)流影響。

3.2 較強冷空氣影響

冷空氣作為冬季常見的天氣過程，對氣溫與風的分布影響顯著。選取2019年1—3月期間，兩賽場降溫幅度均大于5 ℃、最低氣溫低于-20 ℃且極大風速超過15 m·s-1的三次冷空氣過程(2019年1月15日、2月7日和15日)進行分析。冷空氣活動時，古楊樹盆地逆溫現(xiàn)象消失，氣溫表現(xiàn)為隨海拔高度增加而減小。在云頂賽場，無論是陰坡還是陽坡，平均氣溫同樣與海拔高度成反比(圖13a)。冷空氣影響期間，各站風速主要表現(xiàn)為隨著環(huán)境風速(使用海拔最高的G4站風速近似代替)的減弱而同步降低，環(huán)境風速影響占主導(dǎo)地位(圖13b)。

圖13 2019年1—3月三次典型冷空氣過程(a)平均氣溫與(b)平均風速的平均日變化Fig.13 Averaged diurnal variations of (a) temperatures and (b) winds in the three selected cold air cases under strong winds from January to March 2019

以3月11—12日冷空氣過程為例展開說明。在冷空氣到來之前的10日凌晨，賽場風力較小，逆溫現(xiàn)象明顯，3月10日夜間，500 hPa高空槽系統(tǒng)影響張家口崇禮區(qū)，低層存在切變系統(tǒng)，并伴有降水，其中G1站累計降水量為3.7 mm。11日，在槽后冷空氣的影響下，高低層為較一致偏北氣流(圖14a)，海平面氣壓場等壓線密集(圖14b)，賽場附近(圖14中紅色圓點)地面風速較大。

圖14 同圖11，但為2019年3月11日20時Fig.14 Same as Fig.11, but for 20:00 BT 11 March 2019

11日凌晨，冷空氣影響下兩賽場氣溫垂直分布均出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為上冷下暖，逆溫特征消失，古楊樹盆地底部不存在局地冷空氣堆積，最低氣溫反而高于冷空氣到來前的10日凌晨(圖15a)。11日夜間，隨著冷空氣主體推進，所有站點氣溫進一步下降，最低氣溫降低5 ℃以上。微波輻射計顯示，冷空氣影響下，云頂賽場溫度層結(jié)始終為上冷下暖，垂直方向溫度梯度大，在凌晨等逆溫易發(fā)時段，均未觀測到逆溫層(圖15d)。此外，云頂和古楊樹賽場存在夜間增溫現(xiàn)象，在10日22時至11日01時，B1站3 h 升溫接近6 ℃(圖15a)，微波輻射計資料亦能看到12日凌晨的升溫現(xiàn)象(圖15d)。夜間增溫的機制較復(fù)雜，可能來源于氣流過山后的下沉增溫、冷鋒過境時風速加大導(dǎo)致湍流混合增強等因素(White, 2009；羅然等, 2020)，本文不對此現(xiàn)象進行更多闡述。當賽區(qū)出現(xiàn)夜間風速加大、有較強過山氣流等情況時，需關(guān)注可能出現(xiàn)的增溫現(xiàn)象。

圖15 2019年3月10—12日張家口賽區(qū)不同站點(a)氣溫、(b)平均風、(c)極大風隨時間的變化，(d)12日凌晨時段微波輻射計測得的溫度Fig.15 Time-variations of (a) temperature, (b) average wind and (c) peak wind at different weather stations in Zhangjiakou Olympic Area from 10 to 12 March, and (d) vertical temperature observed by radiometer in the early morning of 12 March 2019

冷空氣活動時，自身風力微弱的山谷局地環(huán)流特征消失，冷空氣影響占據(jù)絕對主導(dǎo)地位。例如，當11日凌晨冷空氣到達賽區(qū)后，所有站點風向均無明顯日變化特征，無論平均風還是極大風，晝夜風向基本相同(圖15b，15c)。11—13日，云頂賽場G1、G2、G6站始終保持西北風，高海拔的G4站保持偏北風，古楊樹盆地C2站保持偏西風，B1站和C3站維持西北風，表現(xiàn)為偏北冷空氣在地形作用下的轉(zhuǎn)向。在風速方面，兩賽場地面風速顯著增加并維持在較高區(qū)間，其中云頂賽場G1、G4、B1站均觀測到超過20 m·s-1的極大風。

在較強冷空氣影響下，賽區(qū)溫度和風分布主要受環(huán)境條件控制，但需注意冷空氣影響初期可能會出現(xiàn)夜間增溫現(xiàn)象，在古楊樹賽場由于逆溫層被破壞，最低溫度有可能比逆溫控制時還高。

4 結(jié)論與討論

基于2019年1—3月張家口賽區(qū)歷史觀測數(shù)據(jù)，對賽區(qū)氣溫與風的分布特征進行了統(tǒng)計分析，并對不同環(huán)流背景下氣溫及風特征進行了對比研究，結(jié)論如下：

(1)張家口賽區(qū)平均最高氣溫出現(xiàn)在14—15時，平均最低氣溫出現(xiàn)在06—07時，日出后(08—10時)及日落后(16—18時)平均溫度變化劇烈。盆地或山谷溫度日較差大于山頂，古楊樹賽場平均氣溫日較差可達12 ℃以上。太陽輻射差異和海拔高度是影響賽區(qū)氣溫分布的主要因素。

(2)在2019年1—3月期間，夜間在地形熱力作用下冷空氣堆積造成古楊樹盆地逆溫頻發(fā)，但大多數(shù)情況下，逆溫強度較小(0～0.5 ℃)，逆溫強度大于3.55 ℃的樣本占5.2%。逆溫主要出現(xiàn)在夜間，白天受太陽輻射影響，逆溫出現(xiàn)的概率極低。環(huán)境風和溫度的變化影響逆溫強度，一般而言，風速越小，逆溫強度越大，日變溫為正且越大時，逆溫越強。

(3)云頂賽場風向日變化小，晝夜均以西北風為主，與“西北—東南”向溝壑的走向一致。古楊樹盆地風向相對分散，風向晝夜轉(zhuǎn)變有明顯的地形風特征。在張家口賽區(qū)，風速總體隨海拔高度升高而增大，大部分站點風速具有明顯日變化特征，中午前后會明顯增大，在日落前減弱，夜間最小。賽區(qū)陣風系數(shù)大多介于1.8～2.8，局地可達3.0～4.1。高海拔山區(qū)的風速高于盆地。

(4)均壓場下，晝夜風力小。古楊樹賽場風向有明顯晝夜轉(zhuǎn)換，而云頂賽場不明顯。逆溫是均壓場下古楊樹賽場的典型特征，逆溫層在日落后18時左右建立，在日出前05—06時達到最強。日出后09—10時，在太陽輻射的作用下，逆溫現(xiàn)象消失或減弱迅速。在海拔較高的云頂山區(qū)，地形相對開闊，冷空氣難以堆積，逆溫強度明顯弱于古楊樹盆地，逆溫層淺薄且在時間上不連續(xù)。

(5)冷空氣活動時，晝夜風力大，環(huán)境風占據(jù)絕對主導(dǎo)地位，局地熱力環(huán)流造成的地形風特征消失。無論云頂還是古楊樹賽場，溫度層結(jié)始終為上冷下暖，兩賽場風向均無明顯日變化，云頂賽場以西北或偏北風為主，古楊樹賽場以西北或偏西風為主。

本文對張家口賽區(qū)風、溫度進行了分析，所得結(jié)論為認識賽區(qū)復(fù)雜氣象要素特征提供了有價值的參考。但對弱氣壓場下山谷風環(huán)流、逆溫、夜間升溫等現(xiàn)象發(fā)生發(fā)展的機制并不清楚，未來需要對此進行更深入的觀測以及模擬研究。此外，復(fù)雜地形下，氣溫與風的預(yù)報難度較大，現(xiàn)有數(shù)值預(yù)報模式具有較大預(yù)報誤差。在下一步工作中，將結(jié)合賽區(qū)氣溫與風的特征，開展針對氣溫與風等氣象要素的客觀預(yù)報技術(shù)研究，為業(yè)務(wù)預(yù)報提供有力技術(shù)支撐。

致謝:感謝河北省氣象臺王宗敏、李江波、朱剛、陳子健，石家莊市氣象臺李禧亮等專家在天氣個例挑選、數(shù)據(jù)資料獲取與處理方面提供的指導(dǎo)與幫助。