破解夜间山谷气温骤降之谜

钱倩霞 刘浩

位于张家口市崇礼区古杨树场馆群的国家越野滑雪中心和国家冬季两项中心曾经承担了2022年北京冬奥会越野滑雪和冬季两项这两个大项的比赛。按照原赛程计划，两个大项的部分小项的比赛时间被安排在晚上，因此夜间低温的準确预报将会直接影响到比赛能否按时举行。以越野滑雪为例，这一被称为“雪山马拉松”的项目需要在起伏的丘岭山地进行长距离滑行，对运动员的技术、速度和耐力的要求很高，对气象条件的要求也十分苛刻。因为整个比赛的时间较长，如果比赛场地气温较低，运动员将长时间暴露于低温天气中，这会增加他们患上失温症的风险。因此国际奥林匹克委员会规定，当比赛场地的气温低于-20℃时，将暂停越野滑雪比赛。

事实上，古杨树赛区最终因为低温调整了8项赛事的比赛时间。比如：“北欧两项男子个人越野滑雪10公里”，由2月15日19：00—19：50提前到了当天的18：30—19：05；“越野滑雪中心女子/男子团体短距离决赛”，由2月16日的19：00—20：20提前到了当天的17：15—18：35；等等。

对于山谷地区，除了降雪和大风会导致低温，冷池同样会导致低温。在上述提到的因低温而调整的8项赛事中，2月14—16日发生的冷池现象就非常明显，导致古杨树赛区的最低气温降到了-26℃左右，部分比赛的时间不得不提前。

一般情况下，气温是随海拔高度的增加而降低的，气温的垂直递减率约为0.6摄氏度每百米，所以人们常说：“高处不胜寒。”但是在冷池效应的影响下，位于低海拔的山谷在夜间反而会出现“低处不胜寒”的现象。这到底是怎么回事呢？

解释这一现象之前，我们需要先了解“海风”和“陆风”的形成原因。海陆风是一种发生在海岸附近的中尺度局地环流，在全球范围内普遍存在，往往出现于背景风较弱的晴天。白天，温度升高，陆地升温快，陆地温度高于海洋温度，陆地近地表的空气受热膨胀上升，同层海洋的水汽补充过来，形成“海风”；夜晚，温度降低，陆地降温快，陆地温度低于海洋温度，陆地近地表的空气受冷下沉，近地表处的空气向海洋扩散，形成“陆风”。

同样，在山地及其周边地区，热力差异会导致“山谷风”。在背景风较弱的晴天和地形复杂的山区，如果日落后的地表温度降幅大于空气温度降幅，那么近地面的气温就会更低，近地面冷空气在重力的作用下形成密度流，并沿着山坡向下汇聚，最终在山谷形成冷池。这时，虽然山谷的海拔较低，但温度下降得非常快，有时1小时能降温4～5℃，故而出现夜间山谷温度比山顶温度还要低的反常现象。另外，在弱冷空气背景下，冷池的强度决定了低温的程度—冷池越深厚，维持时间越长，气温就越低。之前北京冬奥会气象预报团队进行的多次气象观测显示，古杨树赛区的夜间低温预报存在模式预报与实况观测偏差较大的问题，正是因为复杂地形上有冷池的形成。

冷池在世界各地均有发生，目前我国对冷池的研究尚处于初步阶段。国外气象人员对冷池做过一些观测与研究，比如2013年10月，美国相关科研人员在亚利桑那州巴林杰陨石坑进行了相关观测与实验。两台多普勒测风激光雷达协同观测、连续扫描，以测量陨石坑二维垂直剖面风场变化。此外，实验人员还布设了三台热红外摄像机，其中两台在陨石坑的北缘并排运行，另一台在陨石坑的南缘运行。这次观测旨在研究在静稳环流背景下，盆地内大气结构的夜间演化，包含冷池的形成与发展。观测和研究表明，在大多数情况下，冷池易发生于日落到前夜这段时间，易在晴朗、少云，边界层风速较弱的条件下发生。当然还有很多因素会影响冷池的形成、持续时间和温度差，比如昼夜风的风速、深度，当地的地形特征和土壤湿度，日照暴露度、局部阴影和表面能量收支，等等。

正因为冷池的复杂性，所以山地气象预报和平原气象预报截然不同，而且天气的剧烈变化很容易影响运动员的身体机能，因此场地高点和低点的气象预报至关重要。为了更好地提供气象支持，张家口赛区布设了81套地面气象观测站，可提供各类高时空分辨率的气象数据。气象预报团队还开展了一系列冷池试验，建立了冷池环流预报模型，制作了精细至赛道的气象服务产品（包括各赛道24小时内的逐小时预报以及48～72小时的逐3小时预报），等等。

经过赛前多年的实践积累和理论研究，气象预报团队对赛场局地小气候的预报更准确了。对于张家口赛区气象预报团队的工作，国际奥林匹克委员会给予了高度评价，认为气象预报可靠，赛事转播精彩。

（感谢河北省气象台李江波首席预报员对本文的指导）