北京2022年冬奥会冬季两项场地冷湖结构观测分析

刘昊野，段宇辉，李彤彤，王宗敏

(1.河北省秦皇岛市气象局，河北 秦皇岛 066000；2.河北省气象台，河北 石家庄 050021;3.河北省邯郸市气象局，河北 邯郸 056000)

引 言

特殊山地地形对中小尺度天气系统影响比较复杂，可以改变气流运动方向、速度，出现爬坡或绕流[1]。复杂山地地形可以影响局地温度分布造成剧烈垂直变化[2]。在晴朗、平静的夜晚，靠近地面空气层会变冷，如果地面倾斜，冷空气受重力影响开始向地势较低方向移动，聚集在山谷或盆地底部，这种冷空气聚集被称为冷空气池或冷湖[3-8]。冷湖直径从几米到几千米不等，极端情况下根据地形可达几十千米。

国外有研究发现边界层湍流及大气与地表物理量的交换对冷湖间歇性消失具有重要作用[3,9]。我国自1950年代开始利用观测数据对局地热力环流系统进行研究，揭示冷湖及山谷风环流的本质及中小尺度山谷风与逆温的关系[10-11]，但由于当时观测技术与设备的局限性导致山区实测资料短缺，对冷湖及其他热力强迫环流机制的研究尚没有明确结论。1980年代后，数值模式得到广泛应用，由于数值模式可以弥补观测资料的空间分布不足，有研究开始利用数值模式模拟山谷、盆地的环流形势及冷湖的形成和消散过程[11-13]，发现冷湖及山谷风环流的起止时间、冷湖强度、风力大小等不仅受热力影响，还受复杂地形、植被覆盖、土壤湿度等因素的影响[14-16]。

第24届冬季奥林匹克运动会将在北京和张家口市崇礼区举办，雪上项目多在沟壑较多、地形复杂的山区进行，随着比赛日益临近，对复杂地形条件下小尺度精细化气象服务的需求骤增。目前，基于冬奥预报需求对多种观测资料进行分析，并取得了一些成果，如利用自动气象站、风廓线雷达、云雷达、微波辐射计、机载云粒子测量系统和雨滴谱仪等设备的综合观测数据，从多个方面获取赛区山区降雪云系的宏微观物理特征[17]；利用北京市海坨山赛区自动气象站冬半年地面风场资料，了解该地区地面风场分布特征[18]；对延庆—张家口地区气象数据进行分析，揭示不同复杂地形下局地风场时空变化及出现冷湖时风向、风速规律[19]；利用延庆地区21个气象观测站资料，分析延庆冬季风寒温度时空变化特征[20]等。

以上研究提高了对赛区降水、温度及风向、风速的认识，但面对冬奥会精细化预报需求，仍略显不足。本文通过开展局地山地气象观测实验，利用高密度观测资料，对北京冬奥会崇礼赛区地形冷湖特征进行分析，更加精细地展现地形对温度变化的影响，以期应用于冬奥会气象预报、服务工作中，提高温度预报准确率。

1 研究区概况与资料

张家口市崇礼赛区冬季两项1号观测站(简称“冬两1号站”)位于国家冬季两项中心靶场的中点，海拔高度1668 m，位于东高西低的山谷中，正南、正北均为山坡，属阴山山脉东段大马山群山支系和燕山余脉交接地带，为复杂山地地形下垫面。图1为研究区气象站点及海拔高度分布，其中以冬两1号站为基准站，设计4个实验站，其中实验1号、2号站位于冬两1号站北侧山坡，海拔分别为1703、1690 m，实验3号、4号站位于冬两1号站南侧山坡，海拔分别为1684、1704 m，南坡最高点海拔较北坡最高点高40 m。冬两1号站与4个实验站南北向切面成盆地状，冬两1号位于盆地底部，实验1号、4号站位于盆地外围边缘，实验2号、3号站位于盆地底部与边缘中间腰部位置。崇礼赛区跳台滑雪1号观测站(简称“跳台1号站”)位于冬两1号站西侧，海拔高度1771 m，是整个实验区域中位置最高自动站，周围无其他更高山遮挡，以跳台1号站风为系统风。

图1 研究区实验站点及海拔高度(单位：m)分布Fig.1 The distribution of experimental stations and the altitude (Unit: m) in research area

利用2019年3月4—18日夜间(17:00至次日08:00，北京时，下同)逐5 min温度及平均风向、风速观测资料，将数据分为14组，剔除4组由于设备维护的无效数据，保留10组有效数据，并将温度模型分为3种，即无冷湖型、冷湖型、冷湖打破型，利用同期NCEP再分析资料及FY-2E卫星红外云顶黑体亮温(TBB)资料，对3种模型及其对应天气形势进行分析。

2 结果分析

2.1 无冷湖型

无冷湖型即夜间没有冷湖现象出现，该型个例共出现4次，选取2019年3月14日夜间一次无冷湖型过程进行分析。图2为3月14日17:00至15日08:00冬两1号站气温、风速、风向及4个实验站气温逐5 min变化。可以看出，14日夜间冬两1号站气温最高，实验2号、3号站次之，实验1号、4号站最低，气温随海拔升高降低，无逆温情况；冬两1号站夜间主导风为西北风，平均风速3.9 m·s-1，风速较大。

图3为2019年3月14日20:00 500 hPa位势高度场、风场及FY-2E卫星TBB，700、850 hPa位势高度场、温度场、风场，海平面气压场、地面风场。可以看出，3月14日夜间，东亚中高纬呈“1槽1脊”，实验地区高空500 hPa为槽后西北气流控制，等压线密集；700、850 hPa均为西北风且风力较大，平均风速分别达18、12 m·s-1，冷空气沿高压脊前西北气流南下，影响实验区域，冷平流明显；地面天气图上，气压场呈“北高南低”分布，海平面气压场高压中心为1027.5 hPa，高压前部等压线密集，地面受偏北或西北气流控制，风速较大，平均风速维持在4～8 m·s-1。

2.2 冷湖型

冷湖型即日落后冷湖建立，且夜间冷湖结构稳定维持，伴随日出冷湖消失，该型个例共出现4次，选取2019年3月4日、3月6日夜间2次冷湖型过程进行分析。图4为2019年3月4日17:00至5日08:00冬两1号站气温、风速、风向及4个实验站气温逐5 min变化。可以看出，4日18:25(日落前)冬两1号站主导风为西北风，气温较高，且伴随日落风向由西北转为东—东南，冬两1号站气温迅速降低，冷湖结构建立；3月4日夜间冬两1号站主导风以偏东风为主，平均风速1.1 m·s-1，风速较小，气温最低，而实验1号站气温最高，出现明显逆温现象。

图2 2019年3月14日17:00至15日08:00冬两1号站气温、风速、风向及4个实验站气温逐5 min变化Fig.2 The every 5 minutes variation of temperature, wind speed and direction at Biathlon 1st station and temperature at 4 experiment stations from 17:00 BST on 14 to 08:00 BST on 15 March 2019

图3 2019年3月14日20:00 500 hPa位势高度场(黑色等值线，单位：dagpm)、风场(风羽，单位：m·s-1)及FY-2E卫星TBB(阴影，单位：K)(a)，700 hPa(b)和850 hPa(c)位势高度场(黑色等值线，单位：dagpm)、温度场(红色等值线，单位：℃)、风场(风羽，单位：m·s-1)，海平面气压场(黑色等值线，单位：hPa)及地面风场(风羽，单位：m·s-1)(d)(红色五角星为实验地区，下同)Fig.3 The geopotential height field (black contours, Unit: dagpm), wind field (wind barbs, Unit: m·s-1) on 500 hPa and FY-2E TBB (color shadow, Unit: K) (a), the geopotential height field (black contours, Unit: dagpm), temperature field (red contours, Unit: ℃) and wind field (wind barbs, Unit: m·s-1) on 700 hPa (b) and 850 hPa (c), sea level pressure field (black contours, Unit: hPa) and surface wind field (wind barbs, Unit: m·s-1) (d) at 20:00 BST on 14 March 2019(the red star for the experimental area, the same as below)

图5为2019年3月4日20:00 500 hPa位势高度场、风场及FY-2E卫星TBB，海平面气压场、地面风场。可以看出，3月4日夜间以多云天气为主，中高云覆盖实验区域，东亚中高纬为“1槽1脊”，实验地区高空500 hPa为弱脊后槽前，受偏西气流控制；700、850 hPa分别为西北风、偏西风(图略)，850 hPa平均风速仅为4 m·s-1，风速较小，低层为暖平流影响；地面天气图上，在“西北高、东南低”的气压场形势下，实验区受地面低压顶部弱系统影响，等压线稀疏，地面风速较小，天气形势静稳。

图4 2019年3月4日17:00至5日08:00冬两1号站气温、风速、风向及4个实验站气温逐5 min变化Fig.4 The every 5 minutes variation of temperature, wind speed and direction at Biathlon 1st station and temperature at 4 experiment stations from 17:00 BST on 4 to 08:00 BST on 5 March 2019

图5 2019年3月4日20:00 500 hPa位势高度场(黑色等值线，单位：dagpm)、风场(风羽，单位：m·s-1)及FY-2E卫星TBB(阴影，单位：K)(a)，海平面气压场(黑色等值线，单位:hPa)及地面风场(风羽，单位：m·s-1)(b)Fig.5 The geopotential height field (black contours, Unit: dagpm), wind field (wind barbs, Unit: m·s-1) on 500 hPa and FY-2E TBB (color shadow, Unit: K) (a), sea level pressure field (black contours, Unit: hPa) and surface wind field (wind barbs, Unit: m·s-1) (b) at 20:00 BST on 4 March 2019

图6为2019年3月6日17:00至7日08:00冬两1号站气温、风速、风向及4个实验站气温逐5 min变化。可以看出，3月6日夜间冬两1号站主导风向以偏东为主，平均风速1.2 m·s-1，风速较小。实验1号站气温最高，实验2号、4号站次之，实验3号站与冬两1号站气温接近，甚至更低，逆温现象明显，说明随着时间推移冷湖结构建立并发展、加深，冷湖底部冷空气堆积向上漫过实验3号站高度，当晚冷湖结构较3月4日夜间更加深厚。

图7为2019年3月6日20:00 500 hPa位势高度场、风场及FY-2E卫星TBB，海平面气压场、地面风场。可以看出，3月6日夜间天气晴朗，东亚中高纬为“2槽1脊”型，实验地区500 hPa为槽后脊前西北气流控制，高空云量较少，以晴间多云天气为主；850 hPa受反气旋控制，暖平流影响下，冷空气较弱，平均风速维持在8 m·s-1(图略)；地面受高压控制，等压线稀疏，地面风速较小，天气形势静稳。

图6 2019年3月6日17:00至7日08:00冬两1号站气温、风速、风向及4个实验站气温逐5 min变化Fig.6 The every 5 minutes variation of temperature, wind speed and direction at Biathlon 1st station, and temperature at 4 experiment stations from 17:00 BST on 6 to 08:00 BST on 7 March 2019

图7 2019年3月6日20:00 500 hPa位势高度场(黑色等值线，单位：dagpm)、风场(风羽，单位：m·s-1)及FY-2E卫星TBB(阴影，单位：K)(a)，海平面气压场(黑色等值线，单位:hPa)及地面风场(风羽，单位：m·s-1)(b)Fig.7 The potential height field (black contours, Unit: dagpm), wind field (wind barbs, Unit: m·s-1) on 500 hPa and FY-2E TBB (color shadow, Unit: K) (a), sea level pressure field (black contours, Unit: hPa) and surface wind field (wind barbs, Unit: m·s-1) (b) at 20:00 BST on 6 March 2019

2.3 冷湖打破型

冷湖打破型即夜间冷湖结构建立，并出现多次冷湖结构被破坏、逆温消失的现象，该型个例共出现2次，选取2019年3月5日夜间一次冷湖打破型过程进行分析。图8为2019年3月5日17:00至6日08:00冬两1号站气温、风速、风向及4个实验站气温逐5 min变化。可以看出，3月5日夜间冬两1号站20:30前为西北风，之后转为偏东风，伴随风向转变，冬两1号站气温迅速下降至最低，冷湖结构建立；东风持续至23:40，之后转为西北风，伴随风向从偏东转为西北，冬两1号站气温升至最高，冷湖结构被破坏。说明冷湖建立与打破与冬两1号站风向存在明显关系，风向为偏东并持续一段时间，冷湖即建立，风向转为西北，冷湖即被打破，当晚冷湖结构反复建立、破坏。

图9为2019年3月5日20:00 500 hPa位势高度场、风场及FY-2E卫星TBB，海平面气压场、地面风场。可以看出，3月6日夜间云量较少，东亚中高纬为“1槽1脊”型，实验地区500 hPa高空槽过境；700、850 hPa位于高空槽底部位置，均为西北气流控制，风速较大(图略)；地面受冷高压底部的偏北或西北气流控制，高压中心达1032.5 hPa，等压线密集，气压梯度较大，地面平均风速达6～8 m·s-1，大气层结稳定度降低。

3 机理分析

3.1 夜间东风与冷湖结构

当大气稳定度较高，冷空气受重力影响向地势较低方向移动产生的风称为重力风。夜间，重力风导致冷空气团由山坡向谷底流动，沿着山坡向下的风，称为下坡风，沿着山谷向下，与谷走向平行的风，称为下谷风[21]。重力风影响下，山坡上辐射冷却产生的冷空气向下输送，山坡中部冷空气被下层大气中相对较暖空气取代，导致山坡中部温度高于谷底。

图8 2019年3月5日17:00至6日08:00冬两1号站气温、风速、风向及4个实验站气温逐5 min变化Fig.8 The every 5 minutes variation of temperature, wind speed and direction at Biathlon 1st station, and temperature at 4 experiment stations from 17:00 BST on 5 to 08:00 BST on 6 March 2019

图9 2019年3月5日20:00 500 hPa位势高度场(黑色等值线，单位：dagpm)、风场(风羽，单位：m·s-1)及FY-2E卫星TBB(阴影，单位：K)(a)，海平面气压场(黑色等值线，单位:hPa)及地面风场(风羽，单位：m·s-1)(b)Fig.9 The gepotential height field (black contours, Unit: dagpm), wind field (wind barbs, Unit: m·s-1) on 500 hPa and FY-2E TBB (color shadow, Unit: K) (a), sea level pressure field (black contours, Unit: hPa) and surface wind field (wind barbs, Unit: m·s-1) (b) at 20:00 BST on 5 March 2019

受地形影响，冬两1号站为山谷出口，海拔较低，天气静稳时，入夜后受南北分量下坡风、偏东分量下谷风影响，其风场为偏东—东南风，导致冬两1号站气温急剧下降，冷湖结构建立，若无其他因素影响，这种重力风作用一直动态存在，随着系统维持，冷空气团堆积在缓坡和盆地上，形成冷空气湖[22]。

3.2 冷湖打破机理

下坡风、下谷风变化往往呈间歇性，但不存在周期性[3]。傍晚时重力风及冷湖稳定性最高，夜间两者稳定性变低，会出现更多混合，边界层上方气流与地表应力分离并加速，这一过程导致夜间低空急流。风速增加导致风切变增强，产生湍流，这种湍流混合了向下动量和温暖空气，消除下坡风流动，在某些个别夜晚，会导致沟壑底部大范围升温[23-24]。

图10为2019年3月5日20:00—23:50冬两1号站、4个实验站气温及跳台1号站风速、风向逐5 min变化。可以看出，跳台1号站平均风为系统风，风向为西北，20:00—22:40系统风速减小，无法越过实验站西侧山脉，重力风占据主导作用，冬两1号站转为偏东—东南风，温度从-4.1 ℃骤降至-9.2 ℃，即由最高转为最低，冷湖结构建立。22:40—23:55系统风速迅速增大，越过实验站西侧山脉，系统风起主导作用，冬两1号站风向从东—东南转为西北，且风速增加导致风切变增强，产生湍流，这种湍流混合了向下动量和温暖空气。此外，由于冷空气过山，过山气流在背风坡下沉时形成干热焚风，冬两1号站温度迅速增加4.3 ℃，从最低转为最高，冷湖结构被破坏。此次过程地面形势为冷高压前部，等压线密集，此次升温过程除受边界层影响外，还与锋前暖空气越山引起下沉增温效应有关[25]。综合以上原因，3月5日夜间高空风速反复减小、增大，冷湖结构反复建立、破坏。

图10 2019年3月5日20:00—23:50冬两1号站、4个实验站气温及跳台1号站风速、风向逐5 min变化Fig.10 The every 5 minutes variation of temperature of Biathlon 1st station and 4 experiment stations, and wind speed and direction of Ski-jumping 1st stations from 20:00 BST to 22:35 BST on 5 March 2019

4 结 论

(1)非静稳形势下，实验站点附近为正常温度层结，不存在逆温结构。

(2)静稳形势下，实验站点附近夜间会出现逆温，冷湖结构明显，由于实验站点地形因素，冷湖结构出现与谷底偏东—东南风相配合。且冷湖深度与天气形势静稳程度有关，大气稳定度较高时，冷空气会不断向谷底堆积，冷湖深度增加，冷湖结构与深度随时间动态变化。

(3)冷湖结构建立和破坏与系统风风速存在直接关系：当系统风风速较小时，系统风无法越过实验区域西部山坡，重力风起主导作用，各个方向上重力风夹带冷空气开始向谷底堆积；当系统风风速较大时，系统风越山，实验区域由重力风转为系统风影响，风速加大导致风切变增强，产生湍流，这种湍流混合了向下动量和温暖空气，气流过山产生焚风效应，冷湖结构破坏。