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)境重點實驗室，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 年冬季奧運會的成功申辦，近年來我國的冰雪運動發(fā)展迅速。 國際性的冰雪運動比賽特別是冬奧會對氣象條件的要求較為苛刻， 在歷屆冬奧會的比賽中， 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影響運動員的安全以及比賽成績。 由于室外雪上比賽項目大多在山區(qū)舉辦， 山區(qū)內(nèi)的氣象條件對比賽有著顯著的影響。以冬季兩項比賽為例，由于運動員需要在劇烈運動后進行臥姿步槍射擊， 除了對參賽者的身體素質要求外， 靶場內(nèi)的氣象條件特別是風向風速條件對射擊運動也有顯著影響， 因此研究賽場內(nèi)的風向風速分布規(guī)律并做出準確預報， 對比賽的時間安排以及運動員的臨場發(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。 通過分析冬季兩項賽場內(nèi)山谷風的強度、風向分布和變化等特征，可以為賽場內(nèi)風的預報提供參考，使比賽能夠在最佳的時段內(nèi)進行。山谷風的形成與太陽輻射與下墊面狀況關系密切[1]。下墊面高度不同導致太陽輻射分布不均， 地勢較高處白天為熱源，夜間為冷源，水平溫差導致氣壓差，形成山谷風。 山谷風的概念最早由國外學者提出，1978 年以后國外開始出現(xiàn)大量觀測與理論結合的研究， 國內(nèi)以傅抱璞為代表的學者通過觀測分析和計算模型系統(tǒng)地討論了山谷風的三維結構、 演變及影響因子[2]。 近年來，隨著研究的深入，對山谷風的認知也在不斷完善：當大尺度大氣環(huán)流較弱時，山谷風較為明顯[3]；山谷風存在轉換期，期間風速全天最小[4]；山谷風具有一定的厚度[5]；山區(qū)地形云的發(fā)展變化與山谷風關系密切[6-7]；在較大尺度的平原地區(qū)，也會因兩側山脈的山谷風效應形成風速分布的顯著差異[8]；山谷風與局地霧、霾、氣溶膠污染物、蒸發(fā)量、極端大風天氣、氣溫等氣象因子具有密切的關系[9-14]；隨著冬奧會的臨近， 北京至張家口一帶冬季山谷風時空分布特征的研究也取得了顯著進展[15]。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

張家口市崇禮區(qū)承擔2022 年北京冬奧會大部分室外雪上項目的比賽。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的影響相當明顯。

冬季兩項賽場位于崇禮區(qū)古楊樹村東西向的山谷中，東高西低，南北側各有小型山脈。 為滿足冬奧氣象需求，冬季兩項賽場共建了5 個氣象觀測站。選取南側山坡與谷口處兩個自動站作為研究對象，其中山谷谷口處自動站為B1638 冬季兩項1 號站（以下簡稱1 號站）， 山谷南側山坡上自動站為B1640冬季兩項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有100 m 左右高程差。 選取兩個自動站2019 年1—3 月每小時2 分鐘平均風向、2 分鐘平均風速、整點氣溫、張家口站探空資料以及系留氣艇探空資料來分析山谷風現(xiàn)象，并采用竇以文等[16]總結的方法對自動站數(shù)據(jù)進行了質量控制，包括原始數(shù)據(jù)的檢查、極值的檢查、時間序列的檢查、一致性檢查等。

圖1 冬季兩項賽場等高線圖與站點分布（等高線單位：m）

2 研究方法

2.1 山谷風理論模型

氣象學家Whiteman[17]對山谷風有著較為全面、系統(tǒng)性的總結，他提出，廣義的山谷風理論模型包含山地—平原風、上下谷風與上下坡風。從形成的前后順序與因果關系上來說， 最小尺度的上下坡風首先出現(xiàn)，引發(fā)較大尺度的上下谷風，最終形成最大尺度的山地—平原風。 山地—平原風是整個山區(qū)大地形與平原之間空氣交換所形成的風， 而冬季兩項賽場山谷作為崇禮山區(qū)大地形的一小部分，其尺度較小，且遠離平原地區(qū)， 在短時間內(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與上下谷風系統(tǒng)。Appalachian Mountain 山谷風模型見文獻[18]。

2.2 小風天的選取

依據(jù)Nicholls 的研究結果[19]，為排除盛行西風的影響，需要剔除超過14 m/s 的風（高海拔地區(qū)）。文中選取張家口站1 d 2 次（08 時和20 時）（北京時，下同）探空所測得的700 hPa 風速＜14 m/s 的日期作為小風日，共有29 d。

2.3 山谷風日的選取

即使在小風日， 測站所測得的風并不能簡單地認為是山谷風，實測風為系統(tǒng)風與局地風的疊加，必須將局地風從實測風中分離出來， 才可近似認為是理論上的山谷風。

采用賈春暉等人所總結的分離公式[15]，即設某一個站點第i 天第j 個時刻（共有24 個時刻）實測風分量分別為Uij、Vij，則

張人文認為， 如果上谷風和下谷風在山谷風發(fā)生的理論時段內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)4 個及以上時次， 則可認為該日為山谷風日[20]。對冬季兩項賽場山谷而言，以1 號站為基準點， 若白天有持續(xù)4 h 或以上偏西局地風，且夜間有持續(xù)4 h 或以上偏東局地風，可認為是山谷風日。 經(jīng)分離后，小風日內(nèi)共有25 個山谷風日（占86.2%）。 由于對山谷風日的選取以上下谷風為標準， 并且在山坡上發(fā)生發(fā)展的上下坡風對在山谷中舉行的比賽沒有直接的影響， 因而本文研究側重于上下谷風，對上下坡風僅作簡要分析。

3 統(tǒng)計結果分析

3.1 上下坡風統(tǒng)計

3 號站位于南側山坡，地勢北低南高，按照上下坡風的模型，在環(huán)境風場較弱情況下，白天應為上坡風即北風，夜間應為下坡風即南風。從3 號站山谷風日內(nèi)的局地風每小時風向頻率分布圖可見（圖2），白天多為偏北風（NNE），夜間多為偏南風（SSW），與理論模型一致， 表明3 號站存在明顯的上下坡風現(xiàn)象， 并且由于在理論模型中上下坡風是上下谷風出現(xiàn)的前提條件， 因而也表明了冬季兩項賽場中應同時存在上下谷風現(xiàn)象。

圖2 3 號站山谷風日局地風每小時風向頻率分布

3.2 上下谷風統(tǒng)計

1 號站位于山谷谷口。按照上下谷風的模型，在環(huán)境風場較弱的情況下，白天應為上谷風即西風，夜間應為下谷風即東風。 從1 號站山谷風日內(nèi)的局地風每小時風向頻率分布圖可見（圖3），白天多為偏西風（W），夜間多為偏東風（ESE），與理論模型一致，表明1 號站存在明顯的上下谷風現(xiàn)象。

圖3 1 號站山谷風日局地風每小時風向頻率分布

3.3 上下谷風的轉換時間

傅抱璞[21]在對長江三峽河谷內(nèi)的山谷風進行研究時發(fā)現(xiàn)，河谷內(nèi)的上谷風一般開始于日出后1.5～3 h，下谷風一般開始于日落前0.5～2 h。冬季兩項賽場山谷內(nèi)的典型山谷風系統(tǒng)與此規(guī)律有所不同：一天有兩次風向的轉變，上谷風一般開始于日出后，而下谷風一般開始于日落后。 呂新生等[22]對烏魯木齊轄區(qū)內(nèi)山谷風的研究表明：下谷風22：00—23：00 開始出現(xiàn)，08：00—11：00 結束，持續(xù)時間長達10～13 h；上谷風11：00—14：00 開始出現(xiàn)，19：00—21：00 結束，持續(xù)時間長達6～9 h。 從山谷風日1 號站實測風與局地風風向轉變具體時間的頻次分布可見（圖4），對局地風來說，上谷風大多開始于10：00，其次是9：00（日出后），持續(xù)時間8 h 左右；下谷風大多開始于18：00，其次是19：00（日落后），持續(xù)時間14 h左右。而對實測風來說，上谷風大多開始于9：00，其次是10：00，比局地風要早；下谷風大多開始于18：00，其次是19：00，與局地風基本一致。對風向轉換時間的分析表明系統(tǒng)西風對上谷風的開始時間影響較明顯，而對下谷風的開始時間影響較弱。

圖4 1 號站局地風、實測風風向轉換時間百分比分布

3.4 山谷風的強度

山谷風系統(tǒng)屬于熱力驅動的小尺度系統(tǒng)， 其強度較弱。 張人文等[20]在對廣州市從化秋季山谷風現(xiàn)象研究中發(fā)現(xiàn)： 從化山谷風主要出現(xiàn)在系統(tǒng)風速小于1.5 m/s，系統(tǒng)風與山谷風方向相反時，山谷風下部風速會很小。統(tǒng)計1 號站山谷風日的山谷風、實測風強度可見（圖5），局地風每小時平均風速白天較大，變化劇烈，14 時左右到達峰值；而夜間風速較小且平穩(wěn)，在09、18 時出現(xiàn)2 個低值，這與風向的轉換時間保持一致。與實測風平均風速對比可見，白天實測風風速明顯較局地風偏大， 而夜間則接近或略偏小，反映了系統(tǒng)西風對山谷風的影響：若風向一致，則有增幅；若相反，則略有削弱。

圖5 1 號站局地風、實測風每小時平均風速對比

局地風有明顯日變化， 其與溫度的日變化密切相關。 邊界層內(nèi)空氣運動方程為：

式中，u、v 為風速在x、y 方向的分量，K 為湍流交換系數(shù)，z 為高度，t 為時間，ug 為地轉風u 分量，f 為地轉參數(shù)。 在z、f 固定的情況下，風速的日變化機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)復雜地形冬季山谷風特征進行分析時，將持續(xù)性山谷風分為10 種類型， 其中小峽谷型山谷風日變化特征為呈單峰分布，夜間小，白天大，下午值最大，冬季兩項賽場山谷風便屬于小峽谷型，其特征與已有結論較為一致。

3.5 山谷風與氣溫

3.5.1 氣溫變化

在風向轉變時，往往會伴隨著劇烈的溫度變化。林之光等[4]在對天山天池山谷風進行研究時發(fā)現(xiàn)，從下谷風轉上谷風時，氣溫突升，而上谷風轉下谷風時，氣溫突降。這種氣溫隨上下谷風的轉換而出現(xiàn)的突變現(xiàn)象在冬季兩項賽場同樣存在。從2019 年1 月23 日1 號站風向與小時變溫分布可見（圖6），在09—10 時偏東風轉為偏西風（下谷風轉為上谷風）時，1 h 內(nèi)有接近6 ℃的升溫， 而當17—18 時偏西風轉為偏東風（上谷風轉為下谷風）時，1 h 內(nèi)有超過8 ℃的降溫；在風向穩(wěn)定期間，氣溫的變化幅度也較小。

圖6 2019 年1 月23 日1 號站每小時風向與變溫

對山谷風日內(nèi)風向轉換時刻的小時變溫進行統(tǒng)計可見（圖7，樣本數(shù)22 d），在上下谷風風向發(fā)生轉換時，氣溫的突然升降是普遍現(xiàn)象。 升溫時最大8.8 ℃，最小2.3 ℃，中值5.5 ℃；降溫時最大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 號站山谷風日風向轉換時刻小時變溫分布

3.5.2 冷湖觀測

國內(nèi)外許多學者針對氣溫隨風向變化而發(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賽場氣溫隨風向變化的原因：在環(huán)境風場較弱的條件下，當下坡風及下谷風發(fā)展時，冷空氣會不斷向谷底堆積，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出現(xiàn)逆溫。當冷湖初步建立時，由于冷空氣快速取代山谷中原本的暖空氣， 因而會出現(xiàn)氣溫的驟降；當上坡風及上谷風建立時，冷湖結構很快被打破， 冷空氣迅速被山谷外暖空氣以及山谷上方補償下沉的暖空氣所取代，因此會出現(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，并且隨著時間的推移，近地面不斷降溫，逆溫層頂附近不斷升溫，導致溫差繼續(xù)擴大；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的熱力學成因， 即地表長波輻射形成冷空氣（下坡風）的堆積導致了外流的下谷風；另一方面也說明了溫度的驟變與逆溫的破壞即“冷湖”結構的打破有著直接的關系。

表1 2020 年1 月16 日山谷內(nèi)氣溫垂直分布 ℃

4 預報思考

4.1 風向的預報

山谷風系統(tǒng)中，上下坡風沿山坡發(fā)展，上坡風風向為坡下指向坡上，下坡風風向為坡上指向坡下；上下谷風沿山谷方向發(fā)展， 上谷風風向為谷外指向谷內(nèi)，下谷風方向為谷內(nèi)指向谷外。具體到冬季兩項賽場山谷中，上坡風為偏北風，下坡風為偏南風，上谷風為偏西風，下谷風為偏東風，風向的轉換時間大多發(fā)生在9：00—10：00 以及18：00—19：00。

4.2 風速的預報

山谷風系統(tǒng)強度較弱，但也有明顯的日變化，白天風速偏大（2～3 m/s），夜間風速偏?。?～2 m/s），且風向轉換時風速有明顯減弱。

4.3 氣溫的預報

由于地面氣溫驟變與風向突變有十分緊密的關系， 因而在預報風向轉變時必須考慮對氣溫造成的影響。在日出后上谷風發(fā)展時，需適當增加升溫的幅度， 在日落后下谷風發(fā)展時， 需適當增加降溫的幅度，升降溫的幅度考慮在5 ℃左右。

4.4 賽事的安排

根據(jù)風向風速的分布規(guī)律，在比賽時，可建議賽事組織方將冬季兩項比賽時間避開風速峰值、 風向突變時間段，以避免對運動員射擊產(chǎn)生不利影響。

5 結論與討論

利用自動站資料等分析了2022 年冬奧會冬季兩項賽場中山谷風的一般特征及預報思路，結論表明：

（1） 冬季張家口崇禮地區(qū)山地中存在山谷風現(xiàn)象， 對于冬季兩項賽場來說， 白天多上坡風及上谷風，夜間多下坡風及下谷風。

（2） 冬季兩項賽場內(nèi)的山谷風系統(tǒng)一天具有兩次風向的轉變，下谷風轉上谷風一般在日出后，而上谷風轉下谷風一般在日落后。

（3）山谷風系統(tǒng)屬于熱力驅動的小尺度系統(tǒng)，其強度較弱，具有明顯的日變化，平均風速白天大于夜間，并且上谷風（偏西風）受西風帶影響，實測風有明顯增幅，而下谷風（偏東風）與系統(tǒng)風相反，實測風較弱。

（4）風向轉變時，會伴隨劇烈的氣溫升降，從下谷風轉上谷風時，氣溫突升，而上谷風轉下谷風時，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關系。

（5）在實際預報業(yè)務當中，對于山谷風的預報需要綜合考慮環(huán)境風場強弱、風向的轉換時間、風速的時間分布、風向轉換時氣溫的變化等，并且依據(jù)預報結果對賽事安排提出合理建議。

本文分析了弱環(huán)境風場條件下的山谷風特征，然而實際的大氣環(huán)流復雜多變，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，不同強度冷空氣下山谷風的表現(xiàn)如何需要進一步研究。