2019, Vol. 77
中国气象学会主办。
文章信息
- 乌日柴胡, 王建捷, 孙靖, 黄丽萍, 孙健. 2019.
- WU Richaihu, WANG Jianjie, SUN Jing, HUANG Liping, SUN Jian. 2019.
- 北京山区与平原冬季近地面风的精细观测特征
- An observational investigation of fine features of near surface winds in winter over Beijing area
- 气象学报, 77(6): 1107-1123.
- Acta Meteorologica Sinica, 77(6): 1107-1123.
- http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2019.059
文章历史
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2019-02-27 收稿
2019-06-17 改回
2. 国家气象中心, 北京, 100081;
3. 中国气象局数值预报中心, 北京, 100081
2. National Meteorological Center, Beijing 100081, China;
3. Numerical Weather Prediction Center of China Meteorological Administration, Beijing 100081, China
山区，气象要素和一些天气现象的特征及预报比平原地区更为复杂(Benoit, et al, 2002; Houze, et al, 2003; 高登义等，2003；李国平等，2016)。近地面风场除受大气环流影响外，还受下垫面特征特别是地形的明显影响。地形是气流运行的主要障碍，能够显著改变近地层气流的运动(Fernando, 2010; Guo, et al, 2011; Tieleman, 1992; 宋丽莉等，2009)，地形的热动力作用与山脉的特征关系密切，大地形(水平尺度达数百至数千千米的山脉)的动力和热力作用可影响大范围地区，而中小尺度地形往往只影响局地的天气和环流(Barry, 2008; Chow, et al, 2013; 李国平等，2016)。复杂地形条件下近地层大气运动状况和变化对强降水的发生、发展、大气扩散能力和污染物浓度分布等均有重要影响(邓家铨等，1989；孙继松，2009；吴庆梅等，2010；肖潺等，2013；张强等，2003)。因此，加强对复杂地形条件下近地面风变化规律和差异特征的深入研究十分必要。
北京位于华北平原北端，其西北和北部倚靠太行山脉和燕山山脉，地域面积不大(约16400 km2)，但地形条件复杂。境内地势总体西北高东南低，西部为太行山山脉余脉的西山，北部为燕山山脉的军都山，山地海拔一般为500—1500 m，最高峰海拔约2300 m，山区面积占68%；东南为平原，地势平坦，平原面积占32%，城区位于平原，距其东南方向的渤海只有100多千米。山区与平原和陆地与近海的急剧过渡、山区与城区地形高度的大垂直落差以及城市化影响等，导致北京平原与山区、城区与郊区在气象要素和天气特征上存在较大差异。关于北京地区近地面风研究，已有工作主要集中于山谷风、海陆风和城市热岛等局地环流的分析和探讨，并形成一定共识，即北京近地面风受周边地形影响，在弱天气背景下，北京西北山地特殊地形的作用使白天午后至上半夜盛行由南向北的上坡风，下半夜转为由北向南的下坡风，存在山地—平原风现象，这种山地—平原地形中尺度热力环流型是北京地区低层大气流动的基本模态；同时北京“城市热岛”环流存在，主要是在有限范围内对山地—平原风起调节作用，且“城市热岛”环流夏季清晰，其他季节仍由山地—平原风主导(蔡旭晖等，2002；胡小明等，2005；刘瑞晨等，1983；王喜全等，2008)。游春华等(2006)的数值模拟研究显示，弱天气背景条件下，京津地区夏季受昼夜循环的山谷风、海陆风影响明显，山谷风的最大影响范围可以覆盖区域内的平原地区，海陆风的影响可以伸入陆地100 km左右。刘树华等(2009)进一步的模拟研究表明，北京以及整个京津冀地区近地面风场明显受环渤海海陆风、北京西北山地山谷风、京津“城市热岛”环流三者的耦合效应影响，其中海陆风强度最强，对该地低层大气环流的形成具有决定性影响，在有山谷风叠加其上时，控制北京市区及其西北山地的风场格局，“城市热岛”环流则发生在城市中心附近较小尺度范围，对海陆风、山谷风环流有明显削弱作用。然而，冬季因太阳辐射强度减弱和渤海海面热动力学性质的变化，海陆风和山谷风明显减弱，影响北京以及整个京津冀地区低空风场的主要因素不再是上述3个局地环流的耦合效应。
那么，在北京和周边复杂地形影响下，北京地区冬季近地面风有什么显著特征与典型特点呢？关于这一问题，以往专门研究尚少，近年来受到学者们的关注，窦晶晶等(2014)利用北京自动气象站观测资料分析了包括冬季在内的北京城区与近郊区近地面比湿、风场的时、空分布特征，得出冬季城区表现为弱湿岛，冬季15—19时(北京时，下同)受季节盛行偏北气流和谷风偏南气流的共同作用，在城区可形成一条西北—东南走向的辐合线；郑祚芳等(2018)利用北京地区自动气象站观测资料，通过去除背景风来分析城区和近郊区局地风环流特点和季节性变化，发现北京地区局地风速主要沿地形梯度分布，山地大、平原小，冬季局地风速在四季中最小；贾春晖等(2019)利用冬季自动气象站观测数据和张家口探空数据，分析延庆—张家口一带复杂地形的风场时、空分布特征，指出延庆—张家口一带主要有3种类型的地形风——斜坡风、峡谷风以及较大尺度的山区平原风，不同地形特征下的风场、风持续性存在明显不同的日变化特征，山风和谷风相互转化的时间也有所不同等。可以看出，上述研究取得不少有益结果，但还不足以认清冬季北京全域不同地形条件下近地面风的整体精细特征，以及区域内一般山地与高海拔山区近地面风特征的区别与联系等，仍有不少待解决的问题：复杂地形条件下，北京不同区域冬季近地面风的精细观测特征和规律如何？延庆高山区不同海拔高度近地面风的特征与延庆一般山地情形有何异同、成因是什么？等等。
本研究利用北京地区200多个逐时自动气象观测站的观测数据，按照不同地形高度，将北京地区分为4个区域，重点从平均风、盛行风、日循环、风频率等角度分析冬季北京复杂地形下的近地面风特征与规律，探讨延庆高海拔山区近地面风的精细特征、差异及成因，以加深对北京地区冬季近地面风要素特征和规律的认识。
2 资料和方法 2.1 资料及质量控制近年来北京地区地面多要素自动气象站观测网不断发展完善，已延伸到海拔2000 m高度的山区。文中所用资料主要为北京地区地面站点10 m风逐时观测数据，包含：(1)2009年12月—2018年2月9个冬季(每年12月—次年2月)北京地区275个地面自动气象站逐时10 m风要素数据；(2)2016年12月—2018年2月2个冬季北京市延庆高山区4个不同高度地面观测站逐时10 m风要素资料；(3)2016年12月—2018年2月2个冬季延庆L波段边界层风廓线雷达34层采样高度上的水平风资料。
上述数据已经过北京市气象局实时业务流程的数据质量控制(窦以文等，2008)，为进一步从时间序列角度提高数据质量，文中对于获取的北京市275个气象站以及延庆4个高山区站风场资料又进行了6σ的质量控制(σ的计算见式(1))，即对各站去除掉超过各站平均风速加减6σ区间的风速，并对北京275个站中缺测时次占总时次超过20%的站以及总时长达不到9 a的平原站进行了剔除，以保证使用的站风观测数据在样本长度方面具有较高的一致性和在日循环上的较高代表性。最终得到经过质量控制后的北京地区208站风场资料(图 1a)及延庆高山区4站资料(图 1b)。
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| 图 1 质量控制后的资料站点分布(a)，延庆高山区4站和2个对比站位置(b)及与对比站D1的海拔高度差(c) (a图中红点代表山区A1站点，紫点代表过渡区A2站点，黑点代表平原区A3站点，红线区域示意核心城区位置，其内站点为城区A3c站点；b图中黑点代表高山站点，红点为对比站点；色阶表示海拔高度) Fig. 1 The locations distribution of AWS for data after quality control (a), positions of four AWS in Yanqing alpine area and two comparative AWS (b), and elevation differences between the four AWS in Yanqing alpine area and the comparative AWS D1 (c) (a. red dots denote mountain region A1, purple dots denote transitional region A2, black dots denote plain region A3, the region enclosed in red line denotes the core urban location A3c. b. black dots represent the alpine stations and red dots indicate the comparative stations; legend colors denote altitudes) |
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(1) |
式中，xi为各观测时次的风速，x 为平均风速，n为观测时次总数。
风廓线资料是6 min间隔的观测信息，对风廓线资料也进行了必要的预处理，首先从时间序列角度进行了6σ质量控制；其次，为了与地面10 m风观测(10 min平均)有更高的匹配度，采取12 min时间滑动平均对资料进一步处理，得到用于分析的风廓线资料2个冬季时间序列数据。
2.2 典型区域的划分根据地形高度，按照对山区和平原的一般定义，将北京地区划分为山区(海拔500—1500 m，用“A1区”表示)、平原区(< 100 m，用“A3区”表示)和两者间过渡区(100—500 m，用“A2区”表示)。经过质量控制后的208站分布于平原区(A3区)的站点占绝大多数，有117个；山区(A1区)站点最少，为32个，主要分布在北京的西部—西北部，最高的站点海拔高度为1217 m；其余59个站点分布在山区和平原过渡区(A2区)；进一步将平原区中的高密度建筑覆盖区——五环以内划为城区(用“A3c区”表示)，有27站。由此得到4个典型区域(图 1a)。
此外，为了考察延庆地区高山与一般山地近地面风的差别与联系，选择延庆本站和一个低山区自动气象站(这里分别用D1和D2表示，距高山观测区分别约18和4 km)作为对比站，与延庆高山区4个观测站(按海拔高度从低到高记为G1、G2、G3、G4站)进行比照分析。6站的位置分布以及与对比站D1的海拔高度差分别见图 1b、c。
2.3 风速、风向频率计算方法按站点进行统计，计算基于给定风速区间和风向方位的发生频率。用i表示给定的风速区间，j表示给定的风向方位，ni, j为给定风速、风向发生的次数，N为总观测时次数，给定风速和风向的发生频率Fi, j为
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(2) |
计算中，风速区间是以1 m/s间隔进行划分的，但0.2 m/s以下记为静风，即i=1时，风速区间为0—0.2 m/s(不含0.2 m/s)，i=2时，风速区间为0.2—1.0 m/s(不含1.0 m/s)，i=3时，风速区间是1.0—2.0 m/s(不含2.0 m/s)，依此类推至最大风速对应的风速区间(用p表示)；风向采取16方位划分，即j=1对应348.75°—11.25°(不含11.25°)为北风，j=2对应11.25°—33.75°(不含33.75°)为北东北风，依次类推，每22.5°为一个风向方位，直至j= 16对应326.25°—348.75°(不含348.75°)为北西北风。
根据式(2)，可进一步计算给定风速的风频率
图 2给出的是基于208站冬季10 m风速9个冬季观测数据得到的北京地区冬季近地面平均风速空间分布。图 2与图 1a结合可以看出，北京冬季平均风速大致沿地形梯度分布，表现出西部、西北部山区地形起伏较大风速也较大，山区风速比平原高、平原中又以城区风速最小的总特征，说明西部西北部山地是导致北京近地面风速山区大平原小分布的基本影响因素，同时城区风速弱于周边也反映出风随城市下垫面粗糙度增大而减小的基本规律。北京西北部山区平均风速为2—5 m/s，平原地区风速一般为1—2.5 m/s，城区风速基本为1.0—1.5 m/s，比周边平原地区平均小0.5 m/s左右，这一差异由城市与平原下垫面粗糙度不同所引起，与苗世光等(2010)通过数值模拟方法得出的北京城市化对城市边界层风速造成的减弱(最大可达0.8 m/s)影响在数值上基本一致。对比平原(城区)与山区，平原(城区)风速值比较均匀而山区存在局部风速极大或极小情形，这与山区地形梯度分布不均匀、局部地形梯度大有关。风速随海拔高度一般呈对数或指数变化(李林等，2006)，海拔高度的水平变化(即海拔高差的变率或地形梯度)越明显，则风速水平变化越显著。冬季各月(12月—次年2月)平均风速特征很相似，量值变化很小，反映出冬季平均特征可较好代表冬季各月情况(图略)。需要注意的是，怀柔区北部山区的一片1.0—1.5 m/s弱风区不具有代表性，那里的几个观测站均位于地形较低处(200—400 m)、不是典型山区站，因测站稀疏，制图过程中插值造成弱风范围虚假扩大(图 1a)。此外，图 2给出的北京地区近地面风冬季空间分布基本特征与郑祚芳等(2018)的年平均结果(其研究范围为39.9°—40.5°N，115.8°—117.0°E，未覆盖北京全域)在相同覆盖区是比较相似的，但平原地区(城区除外)冬季近地面风平均值比年平均值略大一些。
计算208站各风向的风频，将风频最高的风向及该风向的平均风速定为站点冬季的盛行风向及风速。由图 3可见，平原大部分地区盛行风向主要为西北风和北风，这与冬季冷空气活动频繁有关(3.3节强风风频率分析可以佐证)；风从西北部山区向东南或偏南方向运动，遇到城区在城区西北部产生了向东向南的散开状分流，在城西和城东均呈现一定绕流的特征，尤以城区西侧更为明显；尽管城区盛行风风向与平原区其他地方比较一致，也为西北风和北风，但盛行风速明显小于外围，这是城市冠层导致下垫面粗糙度明显增大，风遇到城市时受阻的表现。冬季偏北盛行风遇城区绕流的特征(图 3b)与窦晶晶等(2014)给出的北京城区与近郊区冬季山风在城区绕流的特征有相似之处，但文中得到的绕流特征更为清晰，这与所用资料长度更长有关，表明北京城区高大建筑群对近地面盛行风向和风速的影响有所增强。相比之下，山区和过渡区的冬季盛行风向看上去显得比较杂乱，风速差异也大，但结合图 1，仍能看出A1、A2区多数站还是盛行西北或偏北风这一特点，同时也能看到局部存在其他盛行风向，且大多表现为顺着山体或沿着谷壑走向(例如在延庆、怀柔、密云等区)，这可能是A1和A2区一些自动气象站因观测环境受限比较靠近山体或位于谷壑，那里的气流受局地地形影响发生了方向和速度改变的缘故，也反映出这2个区域的气象要素特征受复杂地形影响，与平原区特征既有联系又有明显的差别，局部山区气象要素的规律特点还必须通过针对性的细致研究分析来认识和把握。
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| 图 3 北京地区冬季10 m盛行风向(a)及城区附近盛行风向(b) (红色、紫色、黑色箭头矢量分别为山区A1、过渡区A2、平原区A3盛行风，红线区意义同图 1a，色阶为海拔高度) Fig. 3 Distribution of wintertime prevailing 10 m wind in Beijing (a) and urban area (b) (vectors in red, purple and black represent prevailing winds in mountain region A1, transitional area A2 and plain area A3, respectively. The area enclosed by the red line is the same as in Fig. 1a. Legend colors denote altitude) |
综上，利用观测数据分析印证了北京地区冬季近地面风具有受西部北部地形、城市下垫面粗糙度和冷空气共同影响之特征。
3.2 典型区域冬季风速日变化的异同分别按A1、A2、A3、A3c 4个区进行冬季区域平均风速逐时演变分析，得到北京典型区域的冬季平均风速日变化特征(图 4a)。上述4个区域风速日变化规律相似，均呈现出明显的“峰强谷平”单峰特征，即白天风速大，峰值明显；夜间风速小且变化不大，最小风速极值点很不清晰，具体表现为08时前后风速开始迅速增大，14时前后最大，之后迅速降低，18—20时转为缓慢降低，整个夜间(20时—次日08时)风速稳定少变。近地面风速的这种“峰强谷平”日变化特征是由于白天日出后太阳辐射增强，湍流发展加快了空气的垂直交换，有利于上层动量下传，近地面风速增大；午后湍流发展至最强，故近地面风速亦最大；随后风速随着湍流的减弱而减小；至夜间、特别是冬季夜间北京经常出现逆温，边界层十分稳定，湍流被抑制，风速弱且变化很小。
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| 图 4 4个典型区域的冬季10 m风速(a，虚线代表日平均)及风速标准差(b)日变化 Fig. 4 Diurnal variations of mean wintertime 10 m wind speed (a, dotted lines stand for average wind speeds of individual regions) and standard deviation of wind speed (b) over four typical regions |
在总特征相似的情况下，仍可看到4个区的差别，一是4个区域日平均风速和平均日最大风速不同，由大到小依次为山区、过渡区、平原区、城区，山区最大(2.3和3.1 m/s)、城区最小(1.5和2.0 m/s)，大小相差0.8和1.1 m/s。二是4个区域风速日变化幅度和高风速持续时间(风速>日平均风速的时间)也略有不同，在风速日变化幅度上，除城区风速日变幅相对小(0.8 m/s)一些外，其他3个区基本相当(约1.1 m/s)；在高风速持续时间上，城区相对略长，为9 h，山区为7 h，其他两区(A2、A3)为8 h。城区风速日变化幅度小主要是城区风速整体弱于其他区域的缘故。
将图 4a与近地面风速标准差计算结果(图 4b)结合分析不难发现，4个区域冬季近地面风速标准差的大小和日变化情况反映出各区域近地面风速日变化规律具有不同稳定性。山区风速标准差一天之中基本维持在2.0 m/s(18时前后相对略小，为1.8 m/s)，明显大于其他3个区域；其他3个区域风速标准差虽然整体小于山区，但在一天中的变化却相对明显，均有白天(08—18时)稍大于夜间的共同特征，其中城区风速标准差最小，为1.0—1.3 m/s。上述结果说明，图 4a给出的北京地区冬季近地面风速日变化规律之“峰强谷平”典型特征的气候代表性或者说统计稳定性，城区最大，山区最小，平原区和过渡区居中，且在山区无明显的日变化，而其他区域则白天稳定性略低于夜间。
3.3 典型区域冬季风速、风向的频率对比图 5为4个典型区域的风速、风向频率分布，从风速频率上看，几个区域的风速频率频谱宽度(风速频率到5%时的风速区间大小)，山区最宽，风速频率到5%时的风速大小为4.8 m/s(即风速频谱宽度区间为0—4.8 m/s)，城区最窄，风速频谱宽度区间为0—3.8 m/s，过渡区与平原区居中，为0—4 m/s。从1 m/s以下弱风的最大频率来看，城区的弱风频率最大，达42%，其贡献来自于各不同风向，其中偏北风贡献相对最大；平原区的弱风最大频率为40%，主要贡献风向与城区相似，但偏南风风向的贡献最小、低于城区；过渡区的弱风频率为36%，也是偏南风外的其他风向贡献较大；山区的弱风频率最小，为31%，弱风主要为偏南风和西南风。显然，区域间风速频率的差异是与区域间平均风速大小的差异关联的。
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图 5 4个典型区域的冬季10 m风速、风向频率(色阶表示频率大小，单位: %)
(a.山区，b.过渡区，c.平原区，d.城区)
Fig. 5 Frequencies of wind speed and direction in the winter over four typical regions
(legend colors are frequencies as functions of hour and wind direction, unit: %) (a. mountain region, b. transitional region, c. plain region, d. core urban region) |
从风向频率上看，山区的风向频率前3位依次为西北风(9%)、北风(7.5%)和南风(7%)，频率最低的风向为东风(4%)；过渡区的各风向频率差别小，16个方位的各方向频率贡献为4%—8%，其中略有优势前3位依次为北风、西北风及东风，频率均在7%—8%；平原区明显表现出北风、西北风频率最大，北风频率为11%，西北风为9%，偏南风最低，4%左右；城区与平原区的情况类似。图 5中风向频率的细致分布，也支持了图 3关于北京冬季盛行风结果和相关分析，同时平原区和城区极小的偏南风频率，也暗示北京冬季近地面风与其他季节，尤其是夏季确有不同，冬季“山区—平原”风模态难以被直接观测，强偏北盛行风使得其他季节清晰可见的“谷风”(白天由南向北的上坡风)此时隐性存在，通过局地风求算(郑祚芳等，2018)才能显现出来。
需要注意的是，北京山区地形复杂，上述关于山区风频率统计分析结论主要揭示的是山区风频率的共性特征和总体特征，对于局地山区环境下近地面风频率特征的深入认识，还需要从单站入手进行分析或结合数值模拟进一步讨论。
持续性的6级风通常认为是对生产、生活产生高影响的临界风(胡会芳等，2016；杨文凯等，2012)，故这里进一步分析北京冬季近地面6级(10.8 m/s)以上强风日循环情况，以了解6级及以上风主要与什么类型的大气活动(冷空气、暖空气)相关联。从强风风向-日循环散点分布(图 6a)上可见，强风基本出现在西北、偏西及偏北方向上，偏东至偏南风向上几乎没有出现过6级以上强风。强风出现的次数，在山区最多(集中在从西南到偏北的风向上)，过渡区次之(主要分布于西北至东北风向区间里)，平原区较少(为西北风和北风)，城区次数甚少；强风的日变化，山区不明显，平原区相对清楚一些(10—16时强风次数多于其他时段)，过渡区亦能看到白天强风次数略多于夜间。不同区域强风的差异，反映出北京下垫面特征(地形高差和城市建筑群等)对近地面强风也有影响。对强风发生时刻前24 h和后24 h 2个时段的2 m气温24 h变温进行小值筛选，得到相应的24 h变温幅度日循环散点分布(图 6b)，图中信息显示，强风的发生与冷空气活动关系非常密切，强风出现时4个典型区域基本上均对应着2 m气温的下降，24 h降温最大幅度平原约为10℃，过渡区在14℃左右，山区可达20℃。此外，有少数山区点强风发生时对应着升温，因为少数海拔较高山区气象站平均风速大，一般天气条件下常见5—6级风。
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| 图 6 4个典型区域10 m强风日变化散点(a)及对应点的2 m温度日变化散点(b)分布 (蓝色、绿色、黑色和红色点分别为A1、A2、A3和A3c区的散点) Fig. 6 Scatter plots of diurnal variation of 10 m strong wind over four typical areas (a) and daily temperature variation at corresponding points (b) (The blue, green, black and red spots stand for A1, A2, A3 and A3c regions respectively) |
在对北京地区一般山地近地面风分析的基础上，进一步利用延庆高山区梯度近地面风观测资料研究高山下近地面风特征以及与一般山地风的异同和成因。
4.1 高山观测站冬季平均风速日变化特征对比由延庆高山区4个不同海拔高度观测站和2个对比站(位置见图 1b)的冬季平均风速日变化(图 7)可以看到如下特点：一是4个梯度站日平均风速存在明显差异，2个海拔约2000 m的高山站(G3和G4站)日平均风速分别为7.9和10 m/s，数倍于海拔高度约1000 m的2个站点(G1和G2站)(3和1.8 m/s)以及2个对比站(D1和D2站)(1.9和2.4 m/s)；平均风速随地形高度升高而增大，符合近地面平均风速受地形高度影响的基本规律，但其中G2站是一个特例，与该站周边有树木遮挡有关。二是日变化规律表现为两类不同特征，2个高山站风速夜间大于白天，最高站(G4站)在12—16时风速最小，日变化表现出“峰平谷深”的特征，与北京地区近地面风速典型的“峰强谷平”的日变化典型特征几乎相反；次高站(G3站)风速全天变化幅度不大，但亦表现为白天(10—20时)小、夜间大的特点；而海拔高度在1000 m的2个站点近地面风速日变化则与延庆本站(D1)及附近山区站(D2)相似，呈现出白天大、夜间小且变化小的“峰强谷平”典型特征。
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| 图 7 延庆高山区4站和2个对比站2017和2018年两年冬季平均10 m风速日变化 (虚线代表日平均值) Fig. 7 Diurnal variations of 10 m wind speeds at four AWS stations in Yanqing alpine area and two contrast AWS stations averaged over the winters of 2017 and 2018 (Dotted lines are daily averages of wind speed) |
2个对比站与4个不同高度自动气象站近地面风速日变化的相关性分析结果(表 1)显示，2个海拔相对较低站(G1和G2)在风速日变化上为正相关，相关程度与水平距离和垂直高差都有关，站点海拔高差在500 m以下时，有强相关，特别是水平距离和高度差都最小的2个站(D2与G1)的相关系数达到了0.94。2个高海拔站(G3和G4)则与对比站(D1和D2)为负相关，且与D1站(18 km外)的负相关程度更高。上述相关性特征折射出：延庆高山观测站中2个低处(约1000 m)站点近地面风速的水平代表尺度小于高处(约2000 m)站点。同时，高处(约2000 m)观测站点风速水平代表尺度较大，其高频近地面风观测或许可以用来指示延庆地区对应高度层(800—750 hPa)高空风的连续变化。
| 站点 | D1 | D2 | |||
| 高度差(m) | 相关系数 | 高度差(m) | 相关系数 | ||
| G1 | 439 | 0.85 | 88 | 0.94 | |
| G2 | 827 | 0.59 | 476 | 0.81 | |
| G3 | 1316 | -0.83 | 965 | -0.57 | |
| G4 | 1619 | -0.96 | 1268 | -0.82 | |
图 8a为延庆高山区4站和2个对比站的风速盒须图，方框的上、下边界及中线分别代表了数据从小到大排列的3/4、1/4及1/2分位的值，上须及下须分别代表数据的最大值和最小值。由图可见，2个高海拔站(G3和G4站)的中值明显大于甚至数倍于其他4站，其他4站的中值相近，这与图 7给出的6站平均风速特征相似，但各站风速平均值不同程度地大于其中值，表明各站近地面风速小于其平均值的情况超过50%。2个海拔较低站(G1和G2站)和2个对比站(D1和D2站)近地面风速小于5.5 m/s (3级及以下)的概率超过75%。G2站与比它低800多米的对比站(D1站)风速值相当，最大风速为8—9 m/s。除G2站外，其他5站近地面风速随着海拔高度升高而增大，风速3/4分位、中值及最大值都呈现出随地形同步增大的态势。
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| 图 8 (a) 延庆高山区4站及2个对比站风速盒须图，(b)延庆高山区4站近地面强风风向-日循环散点分布及出现强风频次日变化 (红色：G1，蓝色：G2，紫色：G3，绿色：G4) Fig. 8 (a) Box-and-whisker plots of wind speed at four AWS stations in Yanqing alpine area and two contrast AWS stations, (b) scatter plots of diurnal variation of near-surface strong wind and diurnal variation of strong wind frequency at four AWS stations in Yanqing alpine area (red: G1, blue: G2, purple: G3, green: G4) |
从延庆高山区4站冬季近地面6级(10.8 m/s)以上强风风向日循环散点分布(图 8b)可以看到，2017和2018年2个冬季里，2个较低海拔站(G1和G2站)几乎未出现过6级以上强风，2个高海拔站点(G3和G4站)则不同，都有强风出现，且海拔最高的G4站强风频次更多，这与盒须图给出的强风概率信息是一致的。G1站的强风集中于西风风向，而G2站强风风向方位较宽，主要为西—北—东北风向。2站强风出现的频次也存在日变化，均在13—16时出现频次低谷，2站强风频次日变化(图 7)与其平均风速日变化特征极为相似，说明2站的平均风速是由强风所主导。
4.3 高山观测站风频率特征结合近地面风日变化情况，这里选择14时(图 9)和20时(图 10)2个时刻进行风频率精细分析。
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图 9 延庆高山区4站冬季14时风速、风向频率分布(色阶表示频率大小，单位: %)
(a. G1, b. G2, c. G3, d.G4)
Fig. 9 Wind frequencies at 14:00 BT at four AWS stations in Yanqing alpine area
(Legend colors are frequencies as functions of hour and wind direction, unit: %) (a. G1, b. G2, c. G3, d. G4) |
14时，按风向累计来看，延庆高山区海拔低的2站(G1和G2站)及海拔高的2站(G3和G4站)风速频率两两相似，前者风速频率单峰特点清楚，频率比较集中于2—3级风力以下的弱风区间，风速频率极大值(26%和33%)分别出现在2和1 m/s弱风上，鲜有大于8 m/s的风速，超过11 m/s的强风频率几乎为0；值得注意的是，2站相似的风速频率来自于不完全一致的风向贡献，G1站弱风极值贡献风向为东南—西南—西向较宽的风向域，而G2站则集中在西南和偏东这2个主要风向上(图 9a、b)。2个高山站(G3和G4站)的风速频率特征与海拔较低的2站明显不同，风速频谱很宽，频率分布不是单峰而呈锯齿状，极值均未超过13%，11 m/s强风频率在5%—7%；同时风向对风速频率的贡献也有相似性，即呈显著的偏西风向贡献之特点，只是G3站更集中于西风(图 9c、d)。再看图 9中风向频率曲线，海拔较低的2站差异大于较高2站差异的特点更加清楚。G1站风向频率2个极值对应着西风和东南风，频率分别为20%、13%；G2站同样有2个风向频率极值，对应西南风和东风，频率分别为23%、25%；只有高山次高站G3风向频率曲线为单极值，显著集中于西风，频率高达68%；最高站G4同样在偏西风向上出现最大风向频率极值，同时在西北风向上还有一个风向频率的次峰值。
20时(图 10)与14时相比，无论在风速频率还是风向频率上，4站中变化明显的只有G1站，即延庆高山区4站中海拨高度最低的站，这是因为G1站高度相对最低，其周围山地起伏，而2个高站(G3、G4站)几乎位于这一片山地的最高处，故在太阳辐射日变化作用下，G1站受局部地形中尺度热力环流影响相对较大，一日中不同时刻风频率的变化比高处站明显。G1站风频变化主要表现在：一是弱风区间(0—1 m/s)的频率明显增大，1—4 m/s区间的频率减小，风速频率极大值对应的风速由14时的2 m/s左右变为20时的0—1 m/s。二是风向频率由14时偏西和东南2个极值风向变为20时的西北单一极值风向(图 9a和10a)。
4.4 高山观测站盛行风的日变化图 11为延庆高山区4个观测站近地面盛行风的日变化。由图 11可知，2个海拔约1000 m的站(G1和G2站)相较高海拔站盛行风向不同且一日中相对多变，G2站夜间以西风为主，白天以西南风为主，而G1站夜间盛行西北风，白天以西风为主；2站盛行风速较小，尤其是G2站，盛行风风速很小(只有1—2级)且日变化不明显，G1站盛行风速在2—6 m/s(即2—3级风力)，午时风速略大。2个海拔约2000 m的站(G3、G4站)盛行偏西风且都表现出10—16时盛行风风速比其他时段略有减小的特征，2站盛行风向日变化较小。4站盛行风速的日变化与其平均风速日变化特征一致。
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| 图 11 延庆高山区4站冬季盛行风日变化 Fig. 11 Diurnal variations of prevailing winds at four AWS stations in Yanqing alpine area |
结合图 11可知，白天—前半夜，延庆高山区2个高海拔站(G3和G4站)盛行偏西风，风向变化不大，但风速可在2—12 m/s较宽区间变化；2个低海拔站则相反，风速在6 m/s以下的频率相当高，但风向从午间到傍晚变化相对较大。
5 延庆高山区梯度近地面风日变化规律差异性的成因分析从前面的分析可以看到，延庆高山区近地面梯度风观测中，海拔较高的2站(G3和G4站)在风速日变化上与海拔较低2站(G1和G2站)呈反向演变规律，这是延庆高山区独有特点还是对流层低层风速日变化的基本特征？如果是，成因是什么？为讨论上述问题，利用与延庆高山区观测同时段的延庆对流层风廓线数据进行对比分析。将风廓线数据采样高度值先处理到相同海拔高度上，再从中选取与延庆高山区4站海拔高度最接近的4个高度风廓线水平风速梯度观测值，计算得到水平风速的日变化(图 12a)，可以看到，与G1和G2站基本相同高度上，风廓线观测也具有风速白天大夜间小、午间最大的“峰强谷平”特点，同时与G3和G4站同高度上，风廓线观测也表现为风速夜间大白天小、午间最小的“峰平谷深”特点，尽管日平均风速值在各近似高度上也有一定差异。
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| 图 12 (a) 延庆风廓线与延庆高山区4站同海拔高度上(用G1′、G2′、G3′、G4′表示) 水平风速的日变化(虚线代表日平均值)，(b)延庆风廓线对流层低层水平风速(实线)和日偏差(色阶)的日变化(单位: m/s) Fig. 12 (a) Diurnal variation of horizontal wind speed from Yanqing wind profile at the same altitude (represent by G1′、G2′、G3′、G4′) of four AWS stations in Yanqing alpine area (dotted lines are daily averages of wind speeds), (b) diurnal variation of horizontal wind speed (solid line) and deviation from wintertime mean (shadow) in the lower troposphere from Yanqing wind profile (unit: m/s) |
进一步利用延庆风廓线对流层低层(海拔高度3000 m以下)各采样数据，分析水平风速平均和日偏差的高度-日循环时间变化(图 12b)，发现在对流层低层，海拔高度1500 m左右是水平风速日变化最小的高度，水平风速低于该高度时，夜间小白天大，高于该高度时转变为夜间大白天小，1500 m左右成为水平风日变化的上下差异的分水岭。再观察图 12b中平均风速的日偏差(风速日偏差间接反映在日平均动量基础上的大气扰动动量)，可知，夜间大气边界层比较稳定，后半夜在低层自由大气中有明显的风速正偏差中心(即扰动动量)、而边界层内为风速负偏差(对应负扰动动量)；09时前后自由大气正扰动动量开始向边界层内下传，这与上午太阳辐射增强地表受热边界层湍流比夜间活跃，动量垂直交换增强有关，至12—15时，边界层活动达到一天中最盛，因获得动量在边界层内形成风速正偏差中心、而边界层之上由于动量损失则表现为风速负偏差中心；随着太阳辐射的减弱和边界层湍流交换的减弱，傍晚开始，边界层内再度转为风速负偏差。
以上分析表明，延庆高山区4个不同海拔高度观测站的近地面风速表现出的两类不同日变化特征(“峰强谷平”型和“峰平谷深”型)并非延庆高山区梯度近地面风的独特特征，而是对流层低层水平风速日变化在边界层内、外基本规律的一种反映，这种对流层低层(约3000 m以下)风速日变化规律在垂直方向上的差异又与边界层湍流活动日变化规律相联系，与低层自由大气动量向边界层内下传有关。
6 小结利用经过质量控制的北京地区2009—2018年208站逐时近地面风观测和北京延庆高山区不同海拔高度观测站2016—2018年2个冬季逐时近地面风观测，分别对北京全域、4个典型区(山区、山区与平原过渡区、平原区、城区)，延庆高山区的风特征进行多角度(平均风速、盛行风向、风速日变化、风向风速频率)细致分析，并对高山区不同海拔高度近地面风速表现出的两类不同日变化特征进行成因探讨。得到以下主要结论：
(1) 北京地区冬季近地面平均风速为1—5 m/s，山区(2—5 m/s)高于平原，平原中又以城区风速最小(1.0—1.5 m/s)，盛行西北风和北风，但山区和过渡区存在与局地地形沟壑走向明显关联的其他盛行风向，城区东、西两侧偏北盛行风扰流清晰，反映出在西部西北部地形和城市下垫面影响下北京地区近地面风的基本分布特征和冬季特点。
(2) 4个典型区域的冬季日平均风速和平均日最大风速由大到小依次为山区、过渡区、平原区、城区，山区最大(2.3和3.1 m/s)、城区最小(1.5和2.0 m/s)；各区域风速日变化均表现为白天风速大于夜间、午间风速最大的“峰强谷平”特征，这一典型特征缘于边界层湍流活动的日变化规律，标准差计算显示其气候代表性城区高于其他区域，山区相对最低。冬季风速日变化差异主要表现在平均日最大风速/高风速持续时间(风速>日平均风速的时间)山区最大/最短，城区最小/最长。
(3) 北京地区冬季小于1 m/s的弱风频率可达31%—42%，其中城区最高、山区最低，强风(>10.8 m/s)频次则是山区最多、城区甚少，强风与冷空气活动密切关联、主要出现在偏西—偏北风向上；城区、平原区和过渡区的偏南风频率在16方位风向中均为极小，暗示其他季节清晰可见的北京“山区—平原”风模态在冬季为“隐式”存在，不易被直接观测到。
(4) 延庆高山区2个海拔约2000 m的站点近地面风速日变化规律与2个海拔约1000 m的站点完全相反，即：高海拔站风速表现为夜间大白天小、午间最小的“峰平谷深”特点，而低海拔站呈现出北京地区典型的风速“峰强谷平”特征。诊断分析显示，这是对流层低层(3000 m以下)水平风速日变化在边界层内、外的不同规律的反映，它与边界层湍流活动日变化以及伴随的低层自由大气动量向边界层内下传有关。
综上所述，通过对北京近地面风观测的多角度分析研究，加深了对北京地区复杂地形条件下不同区域冬季近地面风特征与规律的认识，揭示了北京高山山地近地面风的未知特征与成因。然而，因观测资料和方法所限，有关不同尺度地形的作用与影响机理问题，诸如北京上游西北部周边不同尺度山地对北京近地面风的影响、山地与平原海拔高差变率对北京地区冬季近地面风的影响机制等，还有待于结合数值模拟深入探讨。
致谢: 感谢北京市气象局为本研究提供了北京地区观测数据。
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