冬奧會(huì)延慶賽區(qū)氣象要素分布特征分析*

胡 藝 符嬌蘭 陶亦為 李嘉睿 李曉蘭

國(guó)家氣象中心，北京 100081

提 要： 基于2019—2020年1—3月延慶賽區(qū)11個(gè)站點(diǎn)的實(shí)況觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了2022年北京冬奧會(huì)延慶賽區(qū)風(fēng)、氣溫的時(shí)空分布特征，建立了陣風(fēng)因子與平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度之間的關(guān)系，為延慶賽區(qū)氣溫、風(fēng)場(chǎng)尤其是陣風(fēng)因子預(yù)報(bào)提供參考。結(jié)果表明：平均來(lái)講，各站點(diǎn)在15時(shí)或16時(shí)出現(xiàn)日最高氣溫，06—08時(shí)出現(xiàn)日最低氣溫，氣溫日較差隨海拔升高而減??；平均風(fēng)速和極大風(fēng)速有一致的日變化特征，以競(jìng)速5號(hào)站為界，高海拔站點(diǎn)白天風(fēng)速小，夜間風(fēng)速大，低海拔站點(diǎn)日變化相反，海拔超過(guò)1 900 m站點(diǎn)的風(fēng)速隨海拔升高而增大；位于山脊站點(diǎn)風(fēng)向無(wú)日變化，以西北風(fēng)為主，位于山坡站點(diǎn)風(fēng)向日變化較小，白天以西北風(fēng)為主，夜間為偏西風(fēng)，而位于低海拔地區(qū)的山谷站點(diǎn)風(fēng)向日變化大，表現(xiàn)出明顯的山谷風(fēng)環(huán)流特征。競(jìng)速1號(hào)站陣風(fēng)因子有明顯的日變化，白天陣風(fēng)因子較大，最大值出現(xiàn)在午后，陣風(fēng)因子離散度大，夜間陣風(fēng)因子較小且離散度小。陣風(fēng)因子與湍流強(qiáng)度呈正比，基于湍流強(qiáng)度擬合得到的陣風(fēng)因子更接近實(shí)際。

引 言

延慶賽區(qū)地處延慶縣西北部的海坨山地區(qū)，距延慶縣城約18 km，海坨山山體呈東南—西北走向，小海坨在大海坨南側(cè)，海拔為2 199 m，將承擔(dān)2022年第24屆冬奧會(huì)部分高山滑雪、國(guó)家雪車(chē)雪橇賽事。冬奧賽事受氣象條件影響大，氣溫、風(fēng)等氣象條件對(duì)賽事的正常進(jìn)行以及運(yùn)動(dòng)員水平的發(fā)揮起關(guān)鍵作用。由于賽區(qū)地形復(fù)雜，氣象站點(diǎn)分布在不同海拔高度的山脊、山谷和背風(fēng)坡上，受到局地小地形和山脈遮擋，氣象要素預(yù)報(bào)難度大，特別是陣風(fēng)預(yù)報(bào)。加強(qiáng)對(duì)海坨山地區(qū)氣象要素時(shí)空分布特征的認(rèn)識(shí)是提高復(fù)雜地形下氣象要素預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，但目前還缺乏對(duì)該地區(qū)氣象要素的深入分析，因此亟待開(kāi)展基于實(shí)況資料的風(fēng)、氣溫等要素特征的分析。

氣溫是影響賽事造雪、用雪、儲(chǔ)雪的一個(gè)重要因素。目前，由于我國(guó)復(fù)雜山地觀測(cè)站點(diǎn)稀少，因此對(duì)于復(fù)雜地形下氣溫精細(xì)化時(shí)空分布特征研究較少。目前的研究主要以復(fù)雜地形下站點(diǎn)逐月氣溫、日平均氣溫等氣候背景為主(陳志軍，2004；Zeng et al，2009；邱新法等，2009；楊澄和付志嘉，2016)。通過(guò)對(duì)具體的山脈、地點(diǎn)的氣溫研究指出，氣溫受緯度、海拔、太陽(yáng)輻射等影響顯著，需要考慮坡度、坡向、地形相互遮蔽作用等對(duì)復(fù)雜地形下太陽(yáng)總輻射的影響(翁篤鳴和孫治安, 1984; 袁淑杰等，2010；田杰等, 2013)。韓芳琴等(2011)指出陽(yáng)坡山谷氣溫日較差最大，隨海拔升高日較差呈遞減趨勢(shì)。

風(fēng)是影響冬奧賽事的關(guān)鍵氣象因素，尤其是陣風(fēng)，前人對(duì)山地地形下的風(fēng)場(chǎng)有了一些研究。陳凱等(2003)提到對(duì)于傍山地區(qū)，由于局部地形影響，它的風(fēng)速和處于平坦地區(qū)的氣象站有顯著不同。宋麗莉等(2009)和李國(guó)平(2016)指出山地地形對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響機(jī)制比較復(fù)雜，一方面因接受的太陽(yáng)輻射不均勻而導(dǎo)致氣流局地上升和下沉，另一方面由于地形的起伏而改變了低層氣流的方向和速度。另外，山地復(fù)雜地形下風(fēng)速也有明顯的日變化特征，最大風(fēng)速出現(xiàn)在傍晚，最小風(fēng)速出現(xiàn)在夜間(Jiménez et al, 2009)。

極大風(fēng)速是指給定時(shí)段內(nèi)瞬時(shí)風(fēng)速(3 s陣風(fēng)風(fēng)速)的最大值，可表征陣性大風(fēng)的強(qiáng)度(李錦洪等，2013；樓文娟等，2016)，業(yè)務(wù)上規(guī)定極大風(fēng)為10 min 內(nèi)的3 s最大陣風(fēng)。陣風(fēng)與平均風(fēng)以及湍流強(qiáng)度有關(guān)，陣風(fēng)與平均風(fēng)的比值稱(chēng)為陣風(fēng)因子，世界氣象組織給出陣風(fēng)因子的定義為在時(shí)距T0時(shí)間段內(nèi)持續(xù)時(shí)間為τ的最大風(fēng)速與時(shí)距為T(mén)0的平均風(fēng)速之比(Harper et al,2010;胡波,2017；周福等,2017)。最早文獻(xiàn)中陣風(fēng)因子都取某一個(gè)固定的數(shù)值。Krayer and Marshall(1992)指出熱帶氣旋影響下的陣風(fēng)因子為1.55，溫帶氣旋影響下的陣風(fēng)因子為1.40，比前者更小一些。隨著對(duì)陣風(fēng)研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)不同條件下陣風(fēng)因子數(shù)值并不一致，它的大小與下墊面的粗糙度有關(guān)，下墊面越粗糙，陣風(fēng)因子的值越大(Ashcroft,1994;Sparks and Huang,2001;Yu and Chowdhury,2009;Wever,2012;Cao et al,2015)。陣風(fēng)因子還與陣風(fēng)的持續(xù)時(shí)間以及觀測(cè)高度有關(guān)，當(dāng)時(shí)間間隔越大、觀測(cè)高度越高，陣風(fēng)因子的值越小(Ashcroft,1994; Ghanadi et al,2017; Wang et al,2018)。Shu et al (2015)中指出陣風(fēng)因子對(duì)平均風(fēng)速有很高的敏感度，當(dāng)平均風(fēng)速較小時(shí)陣風(fēng)系數(shù)的均值和波動(dòng)幅度較大(胡波, 2017)，10 min平均風(fēng)速超過(guò)15 m·s-1，陣風(fēng)因子隨著平均風(fēng)速的增大而減小(Ashcroft,1994; Vickery and Skerlj, 2005; Wang et al, 2018)。有文獻(xiàn)總結(jié)到陣風(fēng)因子與湍流強(qiáng)度直接相關(guān)(Greenway, 1979; 陳凱等, 2003; He et al, 2013; Shu et al, 2015; Ghanadi et al, 2017; Hu et al,2018; Wang et al, 2018)，Cao et al(2009)認(rèn)為湍流強(qiáng)度會(huì)隨著平均風(fēng)速的增加而減小，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)某個(gè)值繼續(xù)增加時(shí)，湍流強(qiáng)度將保持恒定。Harstveit(1996)提到，湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子之間的比值接近于某個(gè)常數(shù)，Panofsky and Dutton(1984)指出這個(gè)比值在平坦的下墊面接近于2.39，而在起伏的下墊面比值較高，陳凱等(2003)擬合得到的比值為3.14。

延慶賽區(qū)2017年底完成全部賽道氣象觀測(cè)站的布設(shè)，目前還尚未對(duì)其氣象要素的分布特征進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。本文基于延慶賽區(qū)站點(diǎn)實(shí)況觀測(cè)資料研究復(fù)雜地形下不同海拔高度站點(diǎn)的風(fēng)和氣溫時(shí)空分布特征，為冬奧賽季期間的預(yù)報(bào)提供背景參考。

1 延慶賽區(qū)概況及所用資料

圖1為延慶賽區(qū)地形高度及賽區(qū)氣象觀測(cè)站分布，總體來(lái)看，延慶賽區(qū)地勢(shì)呈現(xiàn)北高南低的特點(diǎn)，小海坨山呈西北—東南向，賽道及氣象觀測(cè)站均位于小海坨山的南側(cè)。賽道沿線共布設(shè)了7個(gè)冬奧氣象觀測(cè)站(紅色和白色站點(diǎn))，競(jìng)速賽道(白點(diǎn))和競(jìng)技賽道(紅點(diǎn))基本位于山脈的東西兩側(cè)，海坨山地區(qū)還有4個(gè)日常業(yè)務(wù)氣象自動(dòng)站(紫色站點(diǎn))。圖中的站點(diǎn)海拔最高的是競(jìng)速1(S1，2 194 m)，西側(cè)白色站點(diǎn)自北向南海拔依次降低，分別是競(jìng)速3(S3，1 925 m)、競(jìng)速5(S5，1 670 m)、競(jìng)速8(S8，1 310 m)，東側(cè)紅色站點(diǎn)自北向南海拔同樣依次降低，分別是競(jìng)技1(G1，1 942 m)、競(jìng)技2(G2，1 770 m)、競(jìng)技3(G3，1 460 m)，另外在東側(cè)最外圍(紫點(diǎn))，海拔由高到低，依次為小海坨(XHT，2 108 m)、二海坨(EHT，1 805 m)、長(zhǎng)蟲(chóng)溝(CCG，1 316 m)，還有海拔最低的站點(diǎn)西大莊科(XDZK，928 m)，為方便表述，下文站點(diǎn)均用簡(jiǎn)稱(chēng)。

圖1 延慶賽區(qū)地形高度(填色)及氣象觀測(cè)站點(diǎn)分布(白點(diǎn)代表競(jìng)速賽道氣象觀測(cè)站，為S1、S3、S5、S8紅點(diǎn)代表競(jìng)技賽道氣象觀測(cè)站，為G1～G3；紫點(diǎn)代表業(yè)務(wù)自動(dòng)氣象站，XHT：小海坨，EHT：二海坨CCG：長(zhǎng)蟲(chóng)溝，XDZK：西大莊科；下同)Fig.1 Terrain height (colored) of Yanqing Area and the spatial distribution of 11 meteorological stations [White dots represent meteorological stations of racing events (S1, S3, S5, S8), red dots represent meteorological stations of competitive events (G1-G3), purple dots represent operational automatic meteorological stations(XHT, EHT, CCG, XDZK), the same below]

從圖1中可以看到，S1站位于山頂，S3站位于西側(cè)明顯的東西向山脊上，S5站位于南北向的山脊上，XHT和EHT站位于東側(cè)西北—東南向山脊上，G1、G2、G3、S8和CCG站位于西北—東南向山脊的南坡，且G3站位于東北—西南向山谷中，CCG站位于東西向的山谷中，XDZK站位于海坨山山頂西南方向5 km的山谷里。

由于賽區(qū)地處山區(qū)，2014年年底才開(kāi)始陸續(xù)布設(shè)氣象觀測(cè)站，通過(guò)對(duì)有最長(zhǎng)觀測(cè)記錄的小海坨站2015—2020年分析表明(圖略)：近兩年冬奧延慶賽區(qū)氣溫、風(fēng)速等氣象要素沒(méi)有明顯的年際變化。故本文用賽道11個(gè)氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)較全的2019—2020年進(jìn)行研究，對(duì)各站點(diǎn)溫度、風(fēng)速及風(fēng)向等對(duì)冬奧賽區(qū)影響最大的氣象要素時(shí)空分布特征進(jìn)行分析。所用資料包括如下：

①2019—2020年每年1—3月期間延慶賽區(qū)11個(gè)氣象觀測(cè)站的10 min數(shù)據(jù)集和2019年1—3月的1 min 數(shù)據(jù)集，包括溫度、平均風(fēng)速、平均風(fēng)向、極大風(fēng)速和極大風(fēng)向。其中10 min數(shù)據(jù)集的極大風(fēng)為10 min內(nèi)的3 s最大陣風(fēng)。

②SRTM V4.1格點(diǎn)地形數(shù)據(jù) (Jarvis et al, 2008)。圖1填色為高度場(chǎng)，水平分辨率為90 m。

2 賽區(qū)測(cè)站氣溫和風(fēng)的空間分布特征

基于2019—2020年每年1—3月的10 min數(shù)據(jù)集對(duì)延慶賽區(qū)11個(gè)站點(diǎn)的氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向求平均，分析各個(gè)站點(diǎn)平均狀態(tài)，并進(jìn)一步探究賽區(qū)氣溫、風(fēng)隨海拔高度的變化。

S1站海拔最高，平均氣溫為-11 ℃，而地勢(shì)最低的西大莊科平均氣溫為-3.6 ℃，平均氣溫隨海拔基本呈現(xiàn)線性遞減趨勢(shì)(圖2a)，即隨著觀測(cè)站點(diǎn)海拔的升高，平均氣溫逐漸降低，氣溫隨高度遞減率為-0.6 ℃·(100 m)-1，略低于氣溫垂直遞減率的經(jīng)驗(yàn)值-0.65 ℃·(100 m)-1(許紹祖,1993)。其中， G1站和S3站的海拔很接近，只相差19 m，但G1站平均氣溫略高于S3站。從圖4中可以看出S3站午后氣溫略高于G1站，但其他時(shí)段氣溫均低于G1站。這可能與S3站位于山頂有關(guān)，夜間輻射降溫更明顯，而G1站位于山坡上，其北側(cè)海拔更高的山脊夜間輻射降溫，導(dǎo)致氣流沿著山坡絕熱下沉，下沉增溫導(dǎo)致夜間氣溫較海拔高度略低的山脊站氣溫高。

圖2 2019—2020年1—3月(a)站點(diǎn)平均氣溫隨海拔高度的變化，(b)各站點(diǎn)氣溫箱線圖Fig.2 (a) Variation of average temperature at 11 stations with altitude, (b) temperature boxplot of 11 stations from January to March in 2019-2020

從氣溫箱線圖(圖2b)中可以看出，不同高度站點(diǎn)的箱線圖高度相差不大，說(shuō)明氣溫變化幅度并沒(méi)有隨著海拔高度改變。從各站錄得的最低、最高氣溫極值可以看出，1—3月，最低氣溫極值可達(dá)-20 ℃ 左右，其中S1站最低氣溫極值低于-25 ℃，除XDZK站最高氣溫極值可達(dá)10 ℃以上以外，其余各站最高氣溫均低于10 ℃，其中XHT和S1站最高氣溫極值低于5 ℃，氣溫高于5 ℃時(shí)賽道具有一定融雪風(fēng)險(xiǎn)，低于-20 ℃時(shí)則有停賽的風(fēng)險(xiǎn)。

從平均風(fēng)速和極大風(fēng)速平均值(圖3a)可以看出，S1站平均風(fēng)速可達(dá)9.6 m·s-1(5級(jí)風(fēng))，極大風(fēng)速可達(dá)13.7 m·s-1(6級(jí)風(fēng))，而S8站平均風(fēng)為1.9 m·s-1(2級(jí)風(fēng))，極大風(fēng)速為5.45 m·s-1(4級(jí)風(fēng))。平均風(fēng)速和極大風(fēng)速隨海拔高度變化具有階段性特征，主要表現(xiàn)在海拔高度低于1 500 m(海拔低于S5，不含S5)的站點(diǎn)之間風(fēng)速隨高度變化不明顯，且風(fēng)向不一致；海拔高度高于1 600 m的站點(diǎn)風(fēng)速隨高度波動(dòng)增大，主導(dǎo)風(fēng)向均為西北風(fēng)；海拔高度大于1 900 m (海拔高于EHT，不含EHT)站點(diǎn)風(fēng)速隨海拔高度線性增大。以上風(fēng)速的分布特征與各站點(diǎn)所處的地形有關(guān)。G2站平均風(fēng)速和極大風(fēng)速與海拔高度較低的S5相比偏小，EHT站平均風(fēng)速和平均極大風(fēng)速均較S3偏大。G2站的風(fēng)速異常偏小，與低海拔站點(diǎn)風(fēng)速相當(dāng)，考慮到其位于南坡，西北氣流易受到其西北側(cè)山脊的阻擋。由于EHT站位于小海坨山西北東南向山脊的下游，且海拔較高，與山頂距離較遠(yuǎn)，受山脈阻擋小，西北方向的氣流會(huì)直接流經(jīng)EHT站，同時(shí)西北氣流翻過(guò)小海坨山頂順著山脊可能產(chǎn)生下坡風(fēng)，從而導(dǎo)致其風(fēng)速進(jìn)一步加大。

從平均風(fēng)速箱線圖(圖3b)上可以看出，海拔較低山谷或者位于山坡的站點(diǎn)平均風(fēng)速小且分布較為集中，位于山脊的站點(diǎn)(EHT、XHT、G1、S1、S3、S5)平均風(fēng)速大且分布較為分散。從平均風(fēng)速和極大風(fēng)速極值觀測(cè)(圖3b、3c)可以看出，位于山脊的EHT、G1、XHT以及S1最大平均風(fēng)速可達(dá)15 m·s-1以上(7級(jí))，最大極大風(fēng)速可達(dá)25 m·s-1(10級(jí))，其中S1和XHT最大極大風(fēng)速可達(dá)30 m·s-1以上；而位于海拔較低山谷或者山坡站最大平均風(fēng)速大多為5 m·s-1(3～4級(jí))，極大風(fēng)速最大值為15 m·s-1左右(7級(jí))。

圖3 2019—2020年1—3月(a)平均風(fēng)速和極大風(fēng)速隨海拔高度的變化，(b)各站點(diǎn)平均風(fēng)速箱線圖，(c)各站點(diǎn)極大風(fēng)速箱線圖Fig.3 (a) Variation of mean wind speed and gust wind at 11 stations with altitude, (b) mean wind speed boxplot of 11 stations, (c) gust wind boxplot of 11 stations from January to March in 2019-2020

3 賽區(qū)測(cè)站氣溫、風(fēng)場(chǎng)的日變化特征

3.1 氣溫日變化

將11個(gè)站點(diǎn)2019—2020年每年1—3月的10 min 數(shù)據(jù)集每日同一時(shí)刻的氣溫和風(fēng)場(chǎng)做合成分析，探究每個(gè)站點(diǎn)氣溫和風(fēng)場(chǎng)的日變化。

從氣溫的日變化曲線(圖4)中可以看出，各個(gè)站點(diǎn)均表現(xiàn)出一定的日變化特征，在15時(shí)或16時(shí)出現(xiàn)日最高氣溫，06—08時(shí)出現(xiàn)日最低氣溫。15時(shí)出現(xiàn)最高氣溫的站點(diǎn)為XDZK、S5、EHT、S3、XHT；16時(shí)出現(xiàn)最高氣溫的站點(diǎn)有S8、CCG、G3、G2、G1、S1。15時(shí)出現(xiàn)最高氣溫的幾個(gè)站點(diǎn)下午太陽(yáng)被山脊遮擋，太陽(yáng)直射時(shí)間結(jié)束偏早，而16時(shí)出現(xiàn)最高氣溫的幾個(gè)站點(diǎn)下午太陽(yáng)輻射沒(méi)有明顯的遮擋，太陽(yáng)直射時(shí)間結(jié)束偏晚，導(dǎo)致二者最高氣溫出現(xiàn)時(shí)間略有差異。最低氣溫出現(xiàn)的時(shí)刻與海拔高度有關(guān)，海拔越高，越早接受太陽(yáng)光照，氣溫上升得越早，最低氣溫出現(xiàn)得時(shí)間越早。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)得到海拔高于G1(包含G1)的站點(diǎn)06時(shí)出現(xiàn)最低氣溫，海拔位于S5和S3之間的站點(diǎn)07時(shí)出現(xiàn)最低氣溫，海拔低于G3(包含G3)的站點(diǎn)08時(shí)出現(xiàn)最低氣溫。從最低氣溫看，XDZK和S8兩站海拔高度相差將近400 m，但是最低氣溫二者基本一致，可能與山谷夜間底層逆溫較明顯有關(guān)。從各站點(diǎn)日變化曲線中可以發(fā)現(xiàn)，整體來(lái)看，海拔越高，氣溫日較差越小，這與Linacre(1982)的結(jié)論一致。主要表現(xiàn)在高海拔站點(diǎn)白天最高氣溫升幅較海拔低的地區(qū)慢，這可能與海拔高的區(qū)域風(fēng)力較大，同時(shí)白天伴隨一些云的發(fā)展有關(guān)，這些條件不利于白天氣溫的升高。

圖4 2019—2020年1—3月各站點(diǎn)氣溫的日變化Fig.4 Diurnal variation of temperature at 11 stations from January to March in 2019-2020

3.2 風(fēng)速的日變化

從10 min平均風(fēng)速和極大風(fēng)速的日變化(圖5)來(lái)看，同一站點(diǎn)上兩者具有一致的日變化。由于海拔的差異，出現(xiàn)了兩種不同的變化趨勢(shì)。以S5站(海拔1 670 m)為界，比其海拔更高的站點(diǎn)(S1、XHT、G1、S3、EHT、G2)在14時(shí)前后有平均風(fēng)速的最小值出現(xiàn)，而風(fēng)速最大值出現(xiàn)在夜間；相反地，比S5站海拔更低的站點(diǎn)(XDZK、S8、CCG、G3)在14時(shí)前后有平均風(fēng)速的最大值，夜間風(fēng)速最小。這種風(fēng)速日變化特征與夜間大氣邊界層層結(jié)穩(wěn)定度有關(guān)，低海拔站點(diǎn)位于邊界層內(nèi)夜間容易出現(xiàn)逆溫，沒(méi)有明顯的動(dòng)量交換，風(fēng)力小，高海拔站點(diǎn)位于自由大氣中，夜間擾動(dòng)動(dòng)量為正，風(fēng)速大；白天由于太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，地勢(shì)較低的站點(diǎn)氣溫較高，使得大氣趨向于不穩(wěn)定，有利于邊界層附近發(fā)生湍流交換，將上層自由大氣正擾動(dòng)動(dòng)量向邊界層下傳，有利于大風(fēng)的形成，而邊界層之上的海拔高站點(diǎn)由于白天與低層大氣出現(xiàn)動(dòng)量交換造成動(dòng)量損失，使得風(fēng)力減弱(桑建國(guó)和吳剛,1985; 錢(qián)敏偉和李軍,1996;烏日柴胡等，2019)?？傮w來(lái)看，高海拔地區(qū)由于近地面粗糙度小，風(fēng)力大，而低海拔地區(qū)風(fēng)力小。

圖5 2019—2020年1—3月各站點(diǎn)(a)平均風(fēng)速，(b)極大風(fēng)速的日變化Fig.5 Diurnal variation of (a) mean wind speed and (b) gust wind at 11 stations from January to March in 2019-2020

值得注意的是，盡管EHT站海拔低于S3站，且二者都位于山脊上，但其風(fēng)速大于S3站，日變化小。另外，G2站白天平均風(fēng)速最小，且風(fēng)速日變化非常小，這可能與其位于南坡，而冬季海坨山地區(qū)高空盛行偏西風(fēng)，其西北側(cè)山坡對(duì)氣流起到了阻擋作用，從而使得其風(fēng)較小，同時(shí)，由于它的海拔高于東南部的山脊高度，東側(cè)回流很難影響G2站。海拔再低一些的站點(diǎn)，例如G3、S8和CCG，當(dāng)來(lái)自西北方向的風(fēng)受到東南部山脊的阻擋，氣流繞山向北流動(dòng)形成回流，此時(shí)上述站點(diǎn)受東南回流影響，風(fēng)力會(huì)比G2站大。

3.3 風(fēng)向的日變化

將2019—2020年每年1—3月延慶賽區(qū)站點(diǎn)實(shí)況10 min平均風(fēng)向進(jìn)行合成分析，得到各站點(diǎn)總體風(fēng)向特征。另外，由于受到復(fù)雜地形的影響，加之不同地形下白天太陽(yáng)輻射升溫和夜間輻射冷卻程度不一，為了比較風(fēng)向的日變化差異，我們將各站點(diǎn)的10 min平均風(fēng)向資料按照時(shí)次劃分成白天和夜間兩部分，根據(jù)日出、日落時(shí)間取每日07—17時(shí)為白天，18時(shí)至次日06時(shí)為夜間。

從圖6中可以看出，S1、S3、S5、XHT、EHT站點(diǎn)由于海拔較高，又位于山脊上，受山脈地形影響小，因此風(fēng)向日變化不明顯。其中，S1、S5、XHT、EHT受環(huán)境風(fēng)影響，基本為西北風(fēng)；S3位于山脈西側(cè)的山脊上，從西北方向過(guò)來(lái)的氣流受到東側(cè)山脈的阻擋，一般會(huì)向南繞山而行，因此S3站點(diǎn)的風(fēng)大多為正北風(fēng)，且在所有站點(diǎn)中，S3站點(diǎn)的風(fēng)向分布最為集中。

圖6 2019—2020年1—3月(a,b)S1、(c,d)XHT、(e,f)G1、(g,h)S3、(i,j)EHT、(k,l)G2、(m,n)S5、(o,p)G3、(q,r)CCG、(s,t)S8、(u,v)XDZK各站點(diǎn)風(fēng)向的日變化(站點(diǎn)根據(jù)海拔高度由高到低排列，下同)Fig.6 Diurnal variation of wind direction at 11 stations from January to March in 2019-2020(a, b) S1, (c, d) XHT, (e, f) G1, (g, h) S3, (i, j) EHT, (k, l) G2, (m, n) S5, (o, p) G3, (q, r) CCG, (s, t) S8, (u, v) XDZK(Stations are arranged in descending order according to altitude, same as below)

G1、G2站點(diǎn)的風(fēng)向雖然有一定的日變化，但不明顯，且風(fēng)向分布分散。G1、G2站均位于西北—東南向山脊的南坡，兩個(gè)站點(diǎn)地勢(shì)平行，地形相近。由于G1、G2海拔較高，風(fēng)可分為兩部分，一部分西北方向的環(huán)境風(fēng)在風(fēng)力較強(qiáng)的情況下可過(guò)山而行，另一部分受到山脈的阻擋繞流而來(lái)，兩者都會(huì)形成西北或偏西氣流。從風(fēng)速的日變化(圖5)上可以看出，G1、G2都是白天風(fēng)速偏小，夜間風(fēng)速偏大，因此白天G1、G2站點(diǎn)以偏西風(fēng)為主，夜間基本均為西北風(fēng)。

另外，S8、G3、CCG、XDZK站點(diǎn)地勢(shì)低，受山地地形影響很大，風(fēng)向分布不集中。G3和CCG站受到明顯的山谷風(fēng)環(huán)流影響。山谷風(fēng)是指在無(wú)強(qiáng)烈天氣系統(tǒng)影響的條件下，白天山頂增熱快于谷地，氣壓相應(yīng)較低，在氣壓梯度力作用下空氣由谷底吹向山坡(即為谷風(fēng))，夜晚山頂冷卻快于谷地，氣壓相應(yīng)較高，空氣從山坡吹向谷底(即為山風(fēng))的以日為周期變化的局地風(fēng)(鄧家銓等,1989;覃軍等,2001)。G3位于東北—西南走向的山谷中，白天結(jié)合站點(diǎn)地形表現(xiàn)為西南風(fēng)，夜間表現(xiàn)為東北風(fēng)。CCG站位于東西向的山谷中，山谷東側(cè)地勢(shì)高，西側(cè)地勢(shì)低。夜間以偏東風(fēng)為主，而白天以偏西風(fēng)為主。S8位于坐北朝南山脈的山谷，且三面環(huán)山，西南側(cè)的海拔較低。從動(dòng)力因素上考慮，當(dāng)西北部有風(fēng)吹過(guò)時(shí)，受到北部和東南部山脊的阻擋，氣流繞東南部山脊向南運(yùn)動(dòng)，經(jīng)西南部洼地再向西北方向回流，產(chǎn)生偏南或東風(fēng)。同時(shí)，受熱力環(huán)流產(chǎn)生的山谷風(fēng)影響，白天受到上坡風(fēng)的影響，南部海拔較低，低層氣流從坡底吹向山坡，盛行偏南谷風(fēng)；而夜間輻射冷卻盛行山風(fēng)，低層氣流從東北山坡吹向坡底，受地形摩擦作用，轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)。因此，S8站有較為明顯的日變化，白天以偏南風(fēng)為主，夜間主要為東北風(fēng)。XDZK站風(fēng)向分布較為分散，白天為偏南風(fēng)居多，有時(shí)會(huì)有西北風(fēng)；夜間以西北風(fēng)居多，有時(shí)會(huì)有少量的東北風(fēng)。

4 賽區(qū)測(cè)站陣風(fēng)因子分布特征

陣風(fēng)是影響賽事的關(guān)鍵因子，由于賽區(qū)地形復(fù)雜，模式陣風(fēng)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低，加強(qiáng)對(duì)陣風(fēng)與平均風(fēng)關(guān)系的分析，有助于提高對(duì)陣風(fēng)的認(rèn)識(shí)和預(yù)報(bào)水平。為了探究不同站點(diǎn)陣風(fēng)因子的分布特征，我們?nèi)「鱾€(gè)站點(diǎn)分布在1.0～6.0的陣風(fēng)因子(各站點(diǎn)超過(guò)90%的陣風(fēng)因子都在6.0以?xún)?nèi)，故超過(guò)6.0的情況可以忽略不計(jì))，以0.5為區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。從各站點(diǎn)陣風(fēng)因子的頻率分布直方圖(圖7)中可以看出，海拔越高的站點(diǎn)陣風(fēng)因子分布越集中，且越接近1.0。

圖7 2019—2020年1—3月各站點(diǎn)陣風(fēng)因子的頻率分布Fig.7 Gust factor frequency distribution of 11 stations from January to March in 2019-2020

隨著站點(diǎn)海拔的降低，陣風(fēng)因子越大，分布得越分散。結(jié)合各個(gè)站點(diǎn)平均風(fēng)速(圖3a)，站點(diǎn)的平均風(fēng)速越大，其對(duì)應(yīng)的陣風(fēng)因子越小且越集中。S1站海拔最高，平均風(fēng)速最大，陣風(fēng)因子分布最為集中，且大部分在1.0～1.5，S1站的平均陣風(fēng)因子為1.49。從圖3a中可以看出，G2站與同海拔高度接近的站點(diǎn)相比平均速度偏小，其陣風(fēng)因子在圖7中分布得比同海拔高度的站點(diǎn)更加分散且陣風(fēng)因子的平均值偏大，可達(dá)2.8；而EHT站相比于同海拔高度站點(diǎn)平均速度偏大，其陣風(fēng)因子的平均值偏小，約為2.0。由此可以看出陣風(fēng)因子對(duì)平均風(fēng)速有很高的敏感度，當(dāng)平均風(fēng)速較小時(shí)陣風(fēng)因子的均值和波動(dòng)幅度較大，這一點(diǎn)與前人得到的結(jié)論一致(Shu et al,2015;胡波,2017)。

4.1 陣風(fēng)因子的日變化

由于S1站海拔最高，風(fēng)力最大，日常預(yù)報(bào)服務(wù)中重點(diǎn)關(guān)注該站陣風(fēng)變化是否影響賽事正常舉辦，因此將S1站作為研究對(duì)象，探究其陣風(fēng)因子的特征。利用2019年1月1日至3月13日共72天S1站的1 min風(fēng)場(chǎng)實(shí)況數(shù)據(jù)集，將每日同一時(shí)刻的陣風(fēng)因子進(jìn)行合成，分析陣風(fēng)因子的日變化。

從圖8中可以明顯看出，S1站的陣風(fēng)因子有明顯的日變化特征，即夜間陣風(fēng)因子偏小，白天陣風(fēng)因子偏大，最大值出現(xiàn)在午后。有文獻(xiàn)中指出，由于正午及午后太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，長(zhǎng)波有效輻射釋放感熱能量，使層結(jié)變得不穩(wěn)定，湍流動(dòng)能增大，因而陣風(fēng)因子增大(Ashcroft,1994;Sparks and Huang,2001;Yu and Chowdhury,2009;Wever,2012;Cao et al,2015;Gutiérrez and Fovell,2018)。從S1站點(diǎn)陣風(fēng)因子的日變化上(圖8)可以看出，陣風(fēng)因子最大時(shí)刻為13時(shí)，平均值最大為1.73。而夜間地表和大氣放射出長(zhǎng)波輻射，大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定，使陣風(fēng)因子變小，陣風(fēng)因子最小出現(xiàn)在02時(shí)，平均值最小值為1.355。此外，正午及午后陣風(fēng)因子大且離散度大，相反，夜間陣風(fēng)因子離散度較白天偏小。

4.2 陣風(fēng)與平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度等的關(guān)系

圖9給出了S1站陣風(fēng)因子與平均風(fēng)速的關(guān)系，可以看出不同強(qiáng)度平均風(fēng)速對(duì)應(yīng)的陣風(fēng)因子分布特征存在明顯差異。與此同時(shí)，吳瓊等(2014)指出當(dāng)10 m平均風(fēng)速達(dá)到8 m·s-1或以上時(shí)，有出現(xiàn)大風(fēng)天氣的可能。為了更好地對(duì)比分析大風(fēng)和一般強(qiáng)度的風(fēng)的陣風(fēng)因子特征，選擇以8 m·s-1為界限，當(dāng)平均風(fēng)速≤8 m·s-1時(shí)，作為風(fēng)速小值區(qū)，當(dāng)平均風(fēng)速>8 m·s-1時(shí)，作為風(fēng)速大值區(qū)。從圖9中可以看出，在風(fēng)速小值區(qū)內(nèi)陣風(fēng)因子分布得較為分散，且平均風(fēng)速越小，陣風(fēng)因子分布得越分散；在風(fēng)速大值區(qū)內(nèi)陣風(fēng)因子分布得集中，且當(dāng)平均風(fēng)速越大，陣風(fēng)因子的值越穩(wěn)定在一個(gè)固定的值附近。因此，當(dāng)平均風(fēng)速較大時(shí)，固定的陣風(fēng)因子預(yù)報(bào)出的陣風(fēng)誤差較小，這也是前人大多數(shù)情況下將陣風(fēng)因子取為某一個(gè)固定值的原因(Harstveit,1996; Panofsky and Dutton, 1984; Krayer and Marshall, 1992)。但是，當(dāng)平均風(fēng)速小時(shí)，簡(jiǎn)單地將陣風(fēng)因子取一個(gè)固定的數(shù)值會(huì)造成較大的誤差，并且陣風(fēng)因子本身也存在明顯的日變化(圖8)，白天陣風(fēng)因子大，夜間陣風(fēng)因子小，因此，單純將陣風(fēng)因子定義為一個(gè)固定數(shù)值是不科學(xué)的。陣風(fēng)與平均風(fēng)之間不存在簡(jiǎn)單的比例關(guān)系，那么陣風(fēng)因子的大小到底又與什么有關(guān)？

圖8 2019年1月1日至2020年3月13日S1站陣風(fēng)因子的日變化Fig.8 The diurnal variation of gust factor at S1 Station from 1 January 2019 to 13 March 2020

圖9 2019年1月1日至2020年3月13日S1站陣風(fēng)因子與平均風(fēng)速之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between gust factor and mean wind speed at S1 Station from 1 January 2019 to 13 March 2020

已有研究表明，湍流和陣風(fēng)都是由于強(qiáng)風(fēng)的脈動(dòng)造成的，通常認(rèn)為湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子存在線性關(guān)系(陳凱等, 2003; Cao et al, 2009)

GF(τ，T)=1+g(τ,T)I

(1)

式中：GF(τ，T)是陣風(fēng)因子，g(τ,T)是陣風(fēng)擬合系數(shù)，I為湍流強(qiáng)度。根據(jù)定義，陣風(fēng)因子是陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間τ內(nèi)風(fēng)速峰值umax與一段時(shí)間T內(nèi)平均風(fēng)速u(mài)的比值，通常陣風(fēng)因子取平均3 s陣風(fēng)風(fēng)速與10 min 平均風(fēng)速的比值(Giammanco et al, 2016)：

(2)

湍流強(qiáng)度I為一段時(shí)間T內(nèi)的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差σu和平均風(fēng)速u(mài)的比值：

(3)

圖10 2019年1月1日至2020年3月13日S1站陣風(fēng)因子和湍流強(qiáng)度的線性擬合(a)風(fēng)速小值區(qū)，(b)風(fēng)速大值區(qū)Fig.10 Linear fitting of gust factor and turbulence intensity at S1 Station from 1 January 2019 to 13 March 2020 (a) small-value area of wind speed, (b) large-value area of wind speed

通過(guò)陣風(fēng)因子以及湍流強(qiáng)度線性擬合關(guān)系，已知湍流強(qiáng)度就可以計(jì)算得到陣風(fēng)因子(后稱(chēng)擬合陣風(fēng)因子)。由于缺乏可靠的陣風(fēng)預(yù)報(bào)，日常業(yè)務(wù)中常取某一固定的陣風(fēng)因子(后稱(chēng)陣風(fēng)因子常數(shù))進(jìn)行陣風(fēng)預(yù)報(bào)。為了對(duì)比根據(jù)式(1)計(jì)算得到的擬合陣風(fēng)因子與陣風(fēng)因子常數(shù)的可信度，本文進(jìn)一步分析了擬合陣風(fēng)因子和陣風(fēng)因子常數(shù)分別與實(shí)際觀測(cè)的陣風(fēng)因子之間的差異，其中陣風(fēng)因子常數(shù)取陣風(fēng)因子觀測(cè)值的平均值。在風(fēng)速小值區(qū)，陣風(fēng)因子常數(shù)為1.622 9，擬合陣風(fēng)因子和陣風(fēng)因子常數(shù)相對(duì)實(shí)際觀測(cè)的陣風(fēng)因子的均方根誤差分別為0.399 7和0.577 6；而在風(fēng)速大值區(qū)，陣風(fēng)因子常數(shù)為1.425 8，計(jì)算出擬合陣風(fēng)因子和陣風(fēng)因子常數(shù)相對(duì)實(shí)際觀測(cè)的陣風(fēng)因子的均方根誤差分別為0.189 3和0.274 2。由此可見(jiàn)，不論是風(fēng)速大值區(qū)還是風(fēng)速小值區(qū)，本文擬合得到陣風(fēng)因子的均方根誤差都比直接取陣風(fēng)因子為常數(shù)時(shí)的誤差小。

5 結(jié)論與討論

基于2019—2020年1—3月北京冬奧會(huì)延慶賽區(qū)11個(gè)站點(diǎn)的1 min和10 min實(shí)況資料，分析了賽區(qū)復(fù)雜地形下氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速及陣風(fēng)因子的時(shí)空分布特征，并得到陣風(fēng)因子和湍流強(qiáng)度在不同風(fēng)速區(qū)間的線性擬合關(guān)系，主要結(jié)論如下：

(1)平均氣溫隨海拔基本呈現(xiàn)線性遞減趨勢(shì)，各站點(diǎn)有一致的日變化特征，在15時(shí)或16時(shí)出現(xiàn)日最高氣溫，06—08時(shí)出現(xiàn)日最低氣溫。整體來(lái)看，海拔越高，氣溫日較差越小。

(2)平均風(fēng)和極大風(fēng)在風(fēng)速上分布特征相同，當(dāng)海拔高度低于1 500 m時(shí)，站點(diǎn)風(fēng)速隨高度變化不明顯，海拔高度高于1 600 m的站點(diǎn)風(fēng)速隨高度波動(dòng)增大，海拔高于1 900 m站點(diǎn)風(fēng)速隨海拔高度線性增大。平均風(fēng)速和極大風(fēng)速有一致的日變化，即海拔高于S5的站點(diǎn)白天風(fēng)速小，夜間風(fēng)速大，海拔低于S5的站點(diǎn)夜間風(fēng)速小，白天風(fēng)速大。S1、S3、S5、XHT、EHT以西北風(fēng)或偏北風(fēng)為主，無(wú)日變化特征；G1、G2站日變化小，夜間以西北風(fēng)為主，白天大部分時(shí)段以偏西風(fēng)為主。S8、G3、CCG、XDZK風(fēng)向日變化大，表現(xiàn)出明顯的山谷風(fēng)環(huán)流特征，白天以偏南風(fēng)為主，夜間以偏北風(fēng)為主。

(3)海拔越高的站點(diǎn)陣風(fēng)因子越小且分布越集中，隨著站點(diǎn)海拔的降低，陣風(fēng)因子越大，且分布得越分散。陣風(fēng)因子有明顯的日變化特征，白天陣風(fēng)因子大，最大值出現(xiàn)在午后，且陣風(fēng)因子振幅較強(qiáng)；夜間陣風(fēng)因子較小，振幅波動(dòng)也弱。陣風(fēng)因子在平均風(fēng)速較大的條件下集中在某個(gè)固定的值附近，當(dāng)平均風(fēng)速較小時(shí)，陣風(fēng)因子波動(dòng)很大。陣風(fēng)因子的大小與湍流強(qiáng)度有關(guān)，通過(guò)擬合陣風(fēng)因子和湍流強(qiáng)度的關(guān)系，可以計(jì)算相應(yīng)的陣風(fēng)因子擬合值，相比于陣風(fēng)因子取固定值時(shí)可有效減小均方根誤差。

綜上所述，本文對(duì)不同海拔高度站點(diǎn)的氣溫、風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了分析，揭示了復(fù)雜山地地形下各個(gè)站點(diǎn)氣象要素的時(shí)空分布特征以及受環(huán)境場(chǎng)的影響，得到了不同風(fēng)速下陣風(fēng)因子和湍流強(qiáng)度的擬合關(guān)系，為冬奧賽季氣溫、風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)提供科學(xué)參考。但是，由于觀測(cè)資料有限且受到復(fù)雜地形的影響，對(duì)陣風(fēng)的認(rèn)識(shí)還有待于進(jìn)一步探究，尤其是如何利用風(fēng)廓線、微波輻射計(jì)等非常規(guī)觀測(cè)資料建立陣風(fēng)因子與大氣層結(jié)穩(wěn)定度以及地表粗糙度等的定量關(guān)系，以及基于上述關(guān)系的認(rèn)識(shí)構(gòu)建陣風(fēng)因子客觀預(yù)報(bào)模型都是需要進(jìn)一步探究的問(wèn)題。