冬奧張家口賽區(qū)一次冷池過程的觀測分析*

陳子健 李江波 李禧亮 田志廣 段宇輝 王宗敏

1 河北省氣象臺,石家莊 050021

2 河北省石家莊市氣象局,石家莊 050081

提 要： 利用冬奧張家口賽區(qū)系留汽艇探空、激光雷達(dá)和加密冬奧地面觀測等新資料,以及ERA5再分析資料,對2020年1月15—16日的冷池(CAP)過程進(jìn)行了場外觀測,分析了冷池的溫度、濕度、風(fēng)場三維結(jié)構(gòu),構(gòu)建了冷池建立、發(fā)展、維持、消散過程的概念模型。結(jié)果表明：此次冷池過程發(fā)生在弱高壓脊控制、中層增暖、高空風(fēng)速明顯減小、天空少云、近地層微風(fēng)的靜穩(wěn)天氣背景下。冷池自傍晚日落開始逐漸建立,此時大氣層結(jié)為中性,山谷東西兩側(cè)山坡形成較強(qiáng)下坡風(fēng)攜帶冷空氣在谷底堆積輻合產(chǎn)生上升氣流,取代谷底原來的暖空氣并將其抬升,逆溫形成并快速向上發(fā)展,半夜前后,即日落約4～5 h后,冷池發(fā)展到300 m左右的高度,即山谷高度3/5處,其上300 m為等溫層,即暖帶。冷池在發(fā)展過程中,在逆溫層下出現(xiàn)明顯的東西風(fēng)切變層,隨著逆溫層頂?shù)牟粩嗌?風(fēng)切變層也逐漸抬高。午夜到日出前,冷池進(jìn)入穩(wěn)定維持期,逆溫層頂高度和溫度變化不大,冷池底部溫度繼續(xù)緩慢下降,此階段下坡風(fēng)和下谷風(fēng)已不能滲透到谷底,降溫主要是長波輻射降溫。日出后4 h左右冷池消散,首先太陽加熱山谷西坡,導(dǎo)致山谷中高層快速升溫,之后隨著太陽高度角升高,山谷東西側(cè)山坡出現(xiàn)上坡風(fēng)及上谷風(fēng),將谷底冷空氣向東西兩側(cè)坡面及谷外輸送,山谷中高層暖空氣下沉,對流邊界層下降,逆溫自上而下消散,這和平原地區(qū)逆溫自下而上消失有明顯的差別。

引 言

山地氣象中,“冷池(cold-air-pool,CAP)”是指冷空氣從山地較高處向下流動,在地勢低洼的山谷匯集而成的冷空氣湖(李國平,2016)。冷池是由于地形的錮囚作用而形成的穩(wěn)定層,穩(wěn)定層內(nèi)的空氣溫度比其上層低,一般具有非常穩(wěn)定的大氣層結(jié)(逆溫或者穩(wěn)定層)、弱的低層風(fēng)。逆溫層頂所處高度低于周圍山體最高高度,且逆溫層頂以下的平均風(fēng)速低于5 m·s-1(Whiteman et al,2001)。冷池是在復(fù)雜地形阻礙作用下易出現(xiàn)的一種物理現(xiàn)象,尤其冬季穩(wěn)定的天氣形勢和典型的中性層結(jié)條件下容易出現(xiàn)(Whiteman et al,2001)。復(fù)雜地形對于近地面空氣塊運(yùn)動有重要影響,高山可以阻擋相對穩(wěn)定的空氣移向某個地方,一旦穩(wěn)定的空氣塊移進(jìn)山谷或者山谷上空的暖平流使得穩(wěn)定氣塊在山谷發(fā)展,復(fù)雜地形就會阻礙穩(wěn)定氣塊離開山谷(Burns and Chemel,2015)。在當(dāng)?shù)厝章浜蟮那? h內(nèi),在山谷的最低海拔處出現(xiàn)非常強(qiáng)烈的冷卻速率,但冷卻速率隨海拔高度降低(Dorninger et al,2011)。在一定的氣象條件下,山地坡面的下坡風(fēng)和局地長波輻射冷卻共同作用并控制冷池的生消發(fā)展(Zhao et al,2018)。在與上層大氣動態(tài)分離的深而窄的山谷中,下坡風(fēng)可以持續(xù)較長時間,如果在夜間可以形成下谷風(fēng),則可以達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)(Burns and Chemel,2015;Arduini et al,2016)。在此條件下,下坡風(fēng)是感熱通量散度的主要驅(qū)動力,這增強(qiáng)了山谷中大氣相對于附近平坦區(qū)域的冷卻。下坡風(fēng)在冷池上部熱力結(jié)構(gòu)的演變中也很重要,主要通過沿斜坡向下流動的空氣引起的垂直傳輸而起作用(Whiteman,1990;Kiefer and Zhong,2011)。

以往對冷池的研究多是為了解釋盆地極端最低溫度或者因?yàn)槔涑匦?yīng)引起的夜間空氣污染以及強(qiáng)天氣過程事件(袁淑杰等,2010;周昆等,2016;徐姝等,2019;章翠紅等,2018;孫繼松,2023;侯淑梅等,2022)。在模式方面,由于經(jīng)典Ekman理論不能描述山地邊界層與自由大氣間的非線性相互作用,介于完全模式與經(jīng)典Ekman理論之間的邊界層動力學(xué)模式被常用于解釋和理論上理解山地大氣邊界層動力學(xué)過程(伍榮生和顧偉,1990;談?wù)苊舻?2005;鄭啟康等,2007)。由于冷池與復(fù)雜的地形地貌和靜態(tài)穩(wěn)定的大氣條件有關(guān),這對數(shù)值模型構(gòu)成了較大挑戰(zhàn)。楊勝朋等(2008)、宋麗莉等(2009)、陳明軒和王迎春(2012)、趙濱和張博(2018)、姜平等(2019)、陳康凱等(2020)和鄧國等(2022)數(shù)值模式研究都采用了理想化的地形或物理?xiàng)l件,只有Zhong et al(2001)、Billings et al(2006)、Smith et al(2010)和Wei et al(2013)少數(shù)研究嘗試使用真實(shí)的地形和大氣條件來模擬真實(shí)的冷池過程,用氣象實(shí)況觀測資料加以驗(yàn)證。Arduini et al(2020)用WRF模式,采用5層嵌套模擬了法國阿爾卑斯山Arve河谷一次持續(xù)性冷池過程,通過與現(xiàn)場觀測對比,發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果描述了持續(xù)性冷池的特征,成功模擬了山谷熱量收支幅度、冷池時間演變及位溫的垂直結(jié)構(gòu);然而過高地模擬了夜間近地層的溫度,導(dǎo)致近地層100 m的逆溫幅度明顯偏低。

由于山區(qū)復(fù)雜地形下氣象加密觀測資料缺乏,特別是海拔高的山區(qū)冬季的觀測資料更是稀少,對冷池現(xiàn)象的研究帶來不便,目前,盡管國內(nèi)少部分氣象學(xué)者如呂雅瓊等(2008)、丁仁海等(2013)、李林等(2018)和李嘉睿等(2022)針對復(fù)雜地形下的溫度分布或冷池進(jìn)行了研究,但總體上還比較少,尤其是基于詳細(xì)三維立體觀測基礎(chǔ)上的研究。冷池的演化過程是一種多尺度相互作用的天氣過程,包括天氣尺度的溫度平流、下沉運(yùn)動、局部蒸發(fā)和冷卻、云頂?shù)妮椛溥^程、云的微物理過程引起的潛熱釋放、盆地內(nèi)對流的發(fā)展、下坡風(fēng)導(dǎo)致的升溫等。這種多尺度過程對冷池的數(shù)值模式和預(yù)報提出了重大挑戰(zhàn)(Whiteman et al,2001)。

2022年冬季奧運(yùn)會張家口賽區(qū)整體像個盆地,太子城站位于山谷中間交匯的最低處,云頂賽區(qū)和古楊樹賽區(qū)分別位于太子城的北邊山谷和東南邊山谷(圖1),冷池現(xiàn)象較為常見,而冷池常會導(dǎo)致異常低溫,當(dāng)氣溫低于-20℃時會對運(yùn)動員身體造成傷害,比賽會推遲或延期。目前,各種數(shù)值模式對冷池導(dǎo)致的低溫基本都沒有預(yù)報能力,這也是冬奧賽場溫度預(yù)報的難點(diǎn)。為了深入研究冬奧賽區(qū)的冷池現(xiàn)象,冬奧預(yù)報團(tuán)隊(duì)對2020年1月15—16日的冷池過程進(jìn)行了野外綜合觀測試驗(yàn),應(yīng)用系留汽艇、冬奧場館加密地面觀測站、激光雷達(dá)等觀測資料,對冷池事件的溫度、濕度和風(fēng)場的演化及三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,研究了冷池現(xiàn)象的形成機(jī)制,建立了冷池建立、維持、消散的概念模型。

注：1代表太子城站,也是此次過程激光雷達(dá)和系留汽艇觀測點(diǎn);2代表太子城北站;3代表頭道溝站;4代表東二道溝站;5代表云頂山腰站;6代表云頂山頂站。圖1 張家口賽區(qū)(a)三維地形圖和(b)地形高度平面圖(單位：m)及站點(diǎn)分布Fig.1 (a) Competition area 3D topographic map and (b) ground plot (unit： m) and station distribution

1 資料與方法

應(yīng)用系留汽艇、激光雷達(dá)、冬奧場館地面加密觀測站進(jìn)行場外三維觀測。系留汽艇為中國科學(xué)院大氣物理研究所研制,型號為KZXLT-Ⅱ,數(shù)據(jù)的時間分辨率為1 s,風(fēng)向分辨率為0.5°,風(fēng)速分辨率為0.1 m·s-1,氣溫精度為±0.2℃,濕度精度為±2%。激光雷達(dá)使用的是北京敏視達(dá)公司的WindSmarter-10H,數(shù)據(jù)時間分辨率為2～5 s,距離分辨率為30 m,起始觀測高度為58 m,最大觀測高度為1528 m,垂直方式觀測時,徑向速度中正速度表示目標(biāo)物體離開雷達(dá)運(yùn)動,負(fù)速度表示目標(biāo)物體運(yùn)動朝向雷達(dá)。所用資料還包括常規(guī)探空資料、冬奧場館地面加密觀測資料、ERA5再分析資料(空間分辨率為0.25°×0.25°)。

系留汽艇、激光雷達(dá)的觀測地點(diǎn)位于太子城,南北向山谷谷口,偏向山谷東坡一側(cè),圖1b中1號站位置,系留汽艇觀測位置比激光雷達(dá)偏南約50 m。太子城處于四條主要山谷的交匯點(diǎn)(海拔為1589.9 m),是張家口賽區(qū)的最低點(diǎn),太子城北側(cè)山谷通往云頂賽區(qū),東南側(cè)山谷東行至古楊樹賽區(qū)(圖1a)。北側(cè)山谷盡頭的云頂賽區(qū)山頂(圖1b中6號站)和太子城的高度落差為500 m,沿此山谷向北布設(shè)6個由低向高分布的冬奧場館加密地面觀測站點(diǎn)(圖1b),其海拔依次為1590、1645、1650、1680、1825和2098 m。針對2020年1月15—16日的一次冷池過程,在谷底的太子城站(1號站)做了5次(一上一下為1次)系留汽艇連續(xù)觀測,共取得10組探空數(shù)據(jù)(表1),可見逆溫層頂最高達(dá)340.0 m,最大逆溫差為13.4℃,發(fā)生在16日09：00—10：30(北京時,下同)。

表1 2020年1月15—16日太子城站系留汽艇觀測信息Table 1 Observation information of tethered motorboat at Taizicheng Station in 15-16 January 2020

2 冷池發(fā)生的天氣背景

2.1 張家口賽區(qū)冷池統(tǒng)計特征

在對流層,氣溫垂直分布的一般情況是隨高度增加而降低,然而在復(fù)雜地形下的山區(qū),常會出現(xiàn)溫度垂直分布相反的情況,即冷池現(xiàn)象。圖2為2017—2020年冬半年張家口云頂賽區(qū)、古楊樹賽區(qū)3組高海拔站點(diǎn)和低海拔站點(diǎn)小時溫差點(diǎn)聚圖,第一組為云頂山頂站(2098.0 m)和云頂山底站(1733.0 m),第二組為冬兩2號站(1724.0 m)和冬兩1號站(1650.2 m),第三組為越野2號站(1687.5 m)和越野3號站(1622.8 m),可以發(fā)現(xiàn),冷池現(xiàn)象發(fā)生的頻次分別占21.48%、22.76%、33.59%,說明冷池在張家口賽區(qū)是一種常見的現(xiàn)象。冷池出現(xiàn)時,逆溫幅度最高值可達(dá)6～10℃,且冷池情況下的溫度變化幅度遠(yuǎn)高于非冷池情況,在越野賽區(qū)尤其明顯(圖2c)。

圖2 2017—2020年冬半年張家口不同海拔站點(diǎn)間溫差Fig.2 Temperature difference between stations at different altitudes during 2017-2020

2.2 冷池過程

選取圖1南北向山谷從低到高的1～6號站15日14：00至16日14：00逐5 min溫度變化情況來描述本次冷池過程(圖3)。15日日落時間為17：15,16日日出時間為07：40。從圖3可以看出：(1)在15日14：00—18：20和16日10：20—14：00,山谷中的6個測站溫度遵循隨著高度增加而降低的規(guī)律,即高海拔的5、6號站溫度比低海拔的谷底1、2、3、4號站溫度明顯偏低,最大溫差達(dá)6℃,谷中的1、2、3、4號站溫度差別不大,說明谷底1號站(海拔1590 m)到4號站(海拔1680 m)90 m的高度近似等溫。(2)在15日18：20到16日10：20(圖3a兩條粗實(shí)線之間),表現(xiàn)出山谷冷池形成、維持、消散的特征,谷底的1～4號站溫度低于谷頂?shù)?、6號站,特別是15日22：20到16日07：20(圖3a中兩條虛線之間),體現(xiàn)了典型冷池特征,即山谷中從低到高的6個測站溫度隨高度而增加。16日05：00,谷底1號站為-21.8℃,谷頂6號站為-11.8℃,此時逆溫最強(qiáng),幅度達(dá)10℃。(3)15日日落(17：15)后1 h的18：20,谷底的4個站點(diǎn)溫度降至-10℃,和谷頂?shù)?個站接近,此時溫度層結(jié)已接近中性,此后冷池形成,逆溫增強(qiáng),發(fā)展為穩(wěn)定層結(jié)。16日日出(07：20)后1 h,谷中的1～5號站開始升溫,到10：20,谷中的6個站溫度都接近-10℃,溫度層結(jié)從穩(wěn)定層結(jié)(逆溫)轉(zhuǎn)為中性層結(jié),此后谷底的1、2、3、4號站的溫度已經(jīng)超過谷頂?shù)?、6號站,逆溫破壞,冷池消散。(4)從逐小時變溫時序圖可以看出(圖3b),冷池在形成、維持、消散過程中,最大降溫幅度出現(xiàn)在日落后的2～3 h(15日17：00—20：00),小時降溫幅度最大為3.5℃,而最強(qiáng)升溫則出現(xiàn)在日出后的2～3 h(16日08：00—11：00),小時升溫幅度最大可達(dá)5.7℃,可見日出后的升溫幅度高于日落后的降溫幅度。在冷池穩(wěn)定維持期(兩虛線之間),谷中的6個站小時變溫幅度很小,谷頂?shù)?、6號站尤其小。(5)氣壓變化特征：在冷池穩(wěn)定維持期(兩虛線之間),以負(fù)變壓為主,在冷池形成和消散期,氣壓增強(qiáng)(圖3c)。(6)冷池形成、維持,消散初期(15日17：00至16日10：00),谷底的1～4號站以東風(fēng)(下坡風(fēng))為主,谷頂?shù)?、6號站則以北到西北風(fēng)為主,10：00 以后隨著熱力條件加強(qiáng),1～4號站轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)(上谷風(fēng))(圖3d)。

圖3 2020年1月15日14：00至16日14：00南北向山谷各站點(diǎn)(a)實(shí)況溫度,(b)小時變溫,(c)變壓,(d)風(fēng)向Fig.3 (a) Temperature, (b) hourly variable temperature, (c) variable pressure, (d) wind direction at different stations from 14：00 BT 15 to 14：00 BT 16 January 2020

2.3 冷池發(fā)生的天氣背景

冷池的深度和強(qiáng)度很大程度上取決于周圍地形的特征和天氣背景。Reeves and Stensrud(2009)研究表明,大多數(shù)情況下,山谷冷池(VCP)的強(qiáng)度由中層溫度變化決定,大尺度的強(qiáng)迫作用是此類山谷冷池的主導(dǎo)因素。2020年1月15日20：00到16日08：00,張家口賽區(qū)500 hPa從高空槽底的后部轉(zhuǎn)為高空短波槽前弱脊的控制,處于等壓線相對稀疏區(qū)域,800 hPa 風(fēng)場呈現(xiàn)反氣旋性彎曲,以西北風(fēng)為主,風(fēng)速在2 m·s-1左右,冷暖空氣活動較弱(圖4a)。在這種天氣背景下,賽區(qū)上空中低層有明顯的下沉運(yùn)動,15日夜間冷池發(fā)展過程中800 hPa附近下沉速度達(dá)20×10-2～50×10-2Pa·s-1,高空風(fēng)速也明顯減弱,16日00：00—08：00,山頂以上800～500 hPa的風(fēng)速僅為4 m·s-1(圖4b)。從張家口15日20：00到16日08：00的探空變化情況看(圖5a,5b),有三個比較明顯的特征：一是700～400 hPa溫度露點(diǎn)差明顯增大,說明賽區(qū)上空明顯變干,有利于夜間的輻射降溫;二是400 hPa以下層次風(fēng)速明顯變小,從15日20：00的8～26 m·s-1減小到4 m·s-1左右,高空風(fēng)明顯減小,垂直擾動減弱,這種晴朗、微風(fēng)、靜穩(wěn)的天氣形勢非常有利于山谷盆地冷池的發(fā)生(Whiteman et al,2001);三是在中層700～600 hPa出現(xiàn)逆溫層,即中層增暖,而高壓脊控制且中層變暖時,山谷冷池最容易形成(Reeves and Stensrud,2009)。

圖5 2020年1月(a)15日20：00,(b)16日08：00張家口探空曲線Fig.5 The sounding at Zhangjiakou Station at (a) 20：00 BT 15 and (b) 08：00 BT 16 January 2020

3 冷池溫濕場結(jié)構(gòu)

在無擾動的天氣背景下,冷池在日落后開始形成,夜間發(fā)展,清晨達(dá)到到最強(qiáng),日出后4 h左右消散(Whiteman et al,2001)。前面用山谷內(nèi)不同高度溫度變化情況描述了冷池的發(fā)展過程(圖3),下面通過系留汽艇的觀測來分析冷池溫濕場的空間結(jié)構(gòu)。從溫度的垂直廓線(圖6a,6b)和表1可以看出：15日21：20(1U)地面溫度下降到-13.9℃,逆溫層的高度已經(jīng)達(dá)到162.3 m,逆溫幅度為3.2℃。15日23：30(1D)到16日04：51(3U),低層氣溫繼續(xù)下降的同時,逆溫層頂向上發(fā)展,從162.3 m升到299.5 m,此時地面溫度為-19.7℃,逆溫層頂溫度為-9.4℃,逆溫幅度達(dá)10.3℃,299.5 m以上近似等溫。此后的3 h,即04：51—08：00(3D,4U),除近地層(10 m以下)溫度穩(wěn)定在-19.6℃外,整層大氣溫度開始緩慢升高,299.5 m以下的逆溫層溫度上升得略快些,逆溫層頂繼續(xù)抬升到323.9 m,逆溫層頂溫度為-8.9℃。從16日08：00—10：26(4D,5U),隨著太陽高度角的升高,南北向山谷的西坡首先接收太陽短波輻射開始升溫,一個明顯的特征是250～400 m快速升溫,350 m附近從-7.9℃上升到-2.6℃。在此后的1 h,即10：26—11：31(5D),200 m以下層次迅速升溫,近地層42 m處從-14℃升高到-4℃,逆溫層降到42 m以下,冷池被破壞。另外值得注意的是,貼地面層(10 m以下)溫度廓線為超絕熱遞減(圖6b),說明近地層湍流混合會明顯加強(qiáng),會快速破壞近地層逆溫。

注：圖例為觀測編號。圖6 2020年1月15日21：20至16日11：30(a,b)系留汽艇觀測溫度廓線和(c,d)露點(diǎn)溫度廓線Fig.6 (a, b) Temperature profile of tethered motorboat and (c, d) dew point temperature profile from 21：20 BT 15 to 11：30 BT 16 January 2020

露點(diǎn)溫度是濕度量,代表了氣塊的干濕屬性,在輻射降溫背景下,露點(diǎn)溫度越高,大氣中水汽含量越多,降溫幅度越小;露點(diǎn)溫度越低,大氣中水汽含量越少,降溫幅度越大。在冷池形成并維持的過程中(15日21：00至16日06：00,1U～3D),隨著近地層溫度快速下降,露點(diǎn)溫度也相應(yīng)下降,但其降幅小于溫度,導(dǎo)致相對濕度迅速增加,高濕度集中在近地層100 m以下,為60%～70%(圖7a填色),同時可以注意到此高度以下,露點(diǎn)溫度隨高度增加而增大,即“逆濕”;隨著高度增加,露點(diǎn)溫度迅速降低,在400 m 處達(dá)到最低,為-28℃(圖6c),濕度快速減小,200 m以上為20%～40%。此階段中,山谷中溫度平流不顯著,山谷低層露點(diǎn)溫度的持續(xù)下降,導(dǎo)致輻射降溫在山谷低層帶來的溫度降低更加明顯,使得冷池得到進(jìn)一步加深和維持。從16日06：01—09：04(4U,4D),山谷中空氣的整體相對濕度第一次快速下降,30%的濕區(qū)下降到100 m附近,以上濕度為20%;16日09：07—11：32(5U,5D),山谷中空氣的整體相對濕度第二次快速下降,20%的濕度區(qū)下降到地面,干暖空氣由226～400 m范圍擴(kuò)展到地面(圖7a填色)。

圖7 2020年1月15日21：20(1U)到16日11：30(5D)(a)系留汽艇觀測相對濕度(填色)、溫度(紅色曲線,單位：℃)和風(fēng)場(風(fēng)矢)高度-時間剖面,(b)3號站、5號站和系留汽艇同高度溫度時序圖Fig.7 Height-time cross-sections of (a) tethered motorboat RH (colored), temperature (red curve, unit： ℃) and wind field (wind vector) and (b) temperature sequence diagram of Station 3, Station 5 and tethered motorboat at the same height from 21：20 BT 15 (1U) to 11：30 BT 16 (5D) January 2020

圖7b為山谷東側(cè)坡面的3號站、5號站和相同高度系留汽艇溫度對比,可見相同高度下,坡面溫度比谷中溫度偏低1～2℃,因此山谷中等溫線向下凹。

綜上所述,本次冷池事件從太陽落山開始建立,逆溫從低層向高層發(fā)展,逆溫強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),到子夜前后,逆溫層上升至300 m附近,300～500 m上下為等溫層,即暖帶;其后直至日出前,冷池維持,溫度緩慢下降,山谷中等溫線向下凹;日出后2 h,200～400 m的山谷中層開始快速升溫,隨后暖氣團(tuán)向下擴(kuò)展,低層升溫,湍流混合加強(qiáng),逆溫結(jié)構(gòu)破壞,中午前后,冷池完全消失。

4 冷池風(fēng)場特征及演變機(jī)制分析

冷池是一種在封閉地形下受阻而停滯的空氣層,比上面的空氣更冷,是基于地表之上的穩(wěn)定層,是山谷和盆地氣象學(xué)中常見的好天氣特征(Whiteman et al,2001)。冷池的形成、發(fā)展、維持與破壞機(jī)制已有很多研究(Whiteman,1982;Zhong et al,2001;Smith et al,2010),本節(jié)將結(jié)合系留汽艇、自動站和激光雷達(dá)探測資料來分析賽區(qū)冷池的演變機(jī)制。

圖8為1月15日16：00—20：00位于谷底太子城的激光雷達(dá)探測的風(fēng)場和垂直速度時間-高度剖面圖,資料時間間隔取3 min,可以看出,16：00到日落(日落時間為17：15),由于太陽高度角較低,南北向山谷西側(cè)山坡已不能接受太陽輻射,由上坡風(fēng)轉(zhuǎn)為下坡風(fēng)(偏西風(fēng)),但山谷東側(cè)山坡和谷底仍然受太陽照射,保持上坡風(fēng)(偏西風(fēng)),山谷中的溫度總體上仍隨高度遞減,即下暖上冷,因此山谷中維持2～3 m·s-1的上升運(yùn)動,但隨著夕陽西下,上升速度呈減弱趨勢,日落時已減小到2 m·s-1以下,上升速度的減小導(dǎo)致湍流減弱,氣溶膠濃度減小且分布不均,激光雷達(dá)探測高度下降,同時山谷凈長波輻射損失超過太陽短波輻射輸入,能量平衡發(fā)生逆轉(zhuǎn),向下的湍流感熱通量將山坡邊界層中熱量逐漸帶走,山谷西坡的下坡風(fēng)逐漸加強(qiáng),將冷空氣逐漸匯入谷底,100 m以下逐漸轉(zhuǎn)為西北風(fēng)到偏西風(fēng)(下坡風(fēng)),100 m 以上基本為偏北風(fēng)(由于山谷為南北走向,天氣系統(tǒng)的西北風(fēng)進(jìn)入南北向山谷后轉(zhuǎn)為北風(fēng))。日落(17：15)后,太陽輻射完全消失,山谷東坡也轉(zhuǎn)為下坡風(fēng),388 m以下由上升運(yùn)動轉(zhuǎn)為-2～-1 m·s-1的下沉運(yùn)動,而且在17：30達(dá)到最強(qiáng)(4～6 m·s-1),這表明有從山頂向山谷的冷空氣流動,在山谷兩側(cè)下坡風(fēng)帶來的冷空氣在谷底堆積和地面長波輻射共同作用下,使得谷底溫度快速下降,1號站最快,小時降溫達(dá)3.5℃。18：00—19：00,谷中1、2、3、4號站的溫度和山頂5、6號站溫度基本一致(圖3a),山谷東西兩側(cè)山坡的下坡風(fēng)繼續(xù)在山谷低層匯聚輻合,導(dǎo)致山谷中低層由下沉運(yùn)動轉(zhuǎn)為1 m·s-1左右的弱上升運(yùn)動。20時谷底溫度降至-15℃,冷池特征開始呈現(xiàn)。在17：15(日落)到20：00不到3 h 的時間內(nèi),谷底降溫幅度近8℃,此時逆溫層頂發(fā)展到海拔1825 m的5號站位置(圖3a)。

圖8 2020年1月15日16：00—20：00太子城站風(fēng)場(風(fēng)矢)和垂直速度(填色)高度-時間剖面(3 min間隔)Fig.8 Height-time cross-section of wind field (wind vector) and vertical wind speed (colored) (3 min interval)at Taizicheng Station from 16：00 BT to 20：00 BT 15 January 2020

20：00以后至日出前,冷池進(jìn)入穩(wěn)定維持期。由于谷內(nèi)冷池存在,氣溶膠被限制在逆溫層以下,因此激光雷達(dá)的探測高度明顯降低,基本在300 m以下,谷內(nèi)風(fēng)速保持在2 m·s-1及以下,在此期間的大部分時間里,近地層150 m以下以偏東風(fēng)(下坡風(fēng))為主;垂直運(yùn)動表現(xiàn)為有規(guī)律的上升和下沉,周期大約為72 min,并逐漸減弱(圖9),其原因可能是天氣系統(tǒng)的偏西風(fēng)過山背風(fēng)波振蕩所導(dǎo)致的,因?yàn)榧す饫走_(dá)是利用大氣氣溶膠對激光散射回波的多普勒頻移效應(yīng)來間接測量大氣風(fēng)場,這種起伏同時也會引起溫度的起伏變化(郝為鋒等,2001;王宗敏等,2012),從圖3b的不同海拔站點(diǎn)變溫曲線可以看出,海拔越低,這種波動導(dǎo)致的溫度波動越明顯。由于夜間大部分時段激光雷達(dá)探測資料局限在178 m以下(圖9),因此結(jié)合系留汽艇觀測來研究山谷中高層風(fēng)場特征(圖7),這里需要指出的是,系留汽艇觀測位置比激光雷達(dá)偏南50 m左右。從圖7可以看出,谷頂500 m高度(海拔2000 m)上下為西北風(fēng),這和800 hPa天氣系統(tǒng)風(fēng)一致。08：06之前(4D),山谷低層為2 m·s-1左右的偏東風(fēng)(下坡風(fēng)),和激光雷達(dá)的觀測基本一致。15日21：20(1U),120 m高度上有明顯的風(fēng)切變,以下為偏東風(fēng),以上為偏西風(fēng),隨著冷池加強(qiáng),逆溫層頂抬升,風(fēng)切變層的高度也隨著抬升,到16日08：06(4D),風(fēng)切變層的高度為350 m?？梢?逆溫層下幾十米處存在明顯的風(fēng)切變是本次冷池內(nèi)部風(fēng)隨高度變化的明顯特征。與此同時,由于山谷上空濕度明顯減小(圖5),導(dǎo)致地面長波輻射冷卻降溫增強(qiáng),谷底溫度繼續(xù)下降,谷底溫度在日出前(06：00,16日日出時間為07：41)達(dá)到-21.5℃的最低值(圖3a)。

圖9 2020年1月15日20：00至16日08：00太子城站風(fēng)場(風(fēng)矢)和垂直速度(填色)高度-時間剖面(3 min間隔)Fig.9 Height-time cross-section of wind field (wind vector) and vertical wind speed (colored) (3 min interval) at Taizicheng Station from 20：00 BT 15 to 08：00 BT 16 January 2020

日出后,山谷西側(cè)山坡自上而下開始接收太陽輻射,西邊山坡開始升溫,由下坡風(fēng)轉(zhuǎn)為上坡風(fēng),東側(cè)山坡仍然為下坡風(fēng)(偏東風(fēng)),近地層150 m以下表現(xiàn)為偏東風(fēng),垂直運(yùn)動仍為1 m·s-1以下的弱上升運(yùn)動。到09：50前后,伴隨山谷中上層(200～400 m)快速升溫(圖7,5U),上升運(yùn)動加強(qiáng),將逆溫層下的氣溶膠向上輸送,激光雷達(dá)探測高度擴(kuò)展到近500 m。10：00—11：00,328 m 高度處出現(xiàn)明顯的風(fēng)切變層,該層以下逐漸由偏東的坡風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為尺度更大、強(qiáng)度更強(qiáng)的偏南的上谷風(fēng),且低層風(fēng)速逐漸增大,該層以上為偏北風(fēng),這點(diǎn)也可以從圖3d山谷中1～4號站的風(fēng)向等到驗(yàn)證,4個測站風(fēng)向由之前的下坡風(fēng)(偏東風(fēng)),轉(zhuǎn)為上谷風(fēng)(偏南風(fēng),135°～225°),接近谷頂?shù)?、6號站為偏北風(fēng)。此時上升速度也增大到2 m·s-1左右(圖10)。隨著太陽高度角變高,短波輻射增強(qiáng),熱力驅(qū)動的上坡風(fēng)和上谷風(fēng)(偏南風(fēng))增強(qiáng),于是谷底出現(xiàn)輻散,山谷中高層暖空氣補(bǔ)償下沉,出現(xiàn)了弱的下沉運(yùn)動(圖11d)。上坡風(fēng)和上谷風(fēng)將谷底冷空氣沿山坡和山谷向上輸送,最先被加熱的山谷中高層的暖空氣補(bǔ)償性下沉,空氣熱量和質(zhì)量交換加速,對流邊界層下降,地面快速升溫,10：00谷底的1、2、3、4號站升高至-10℃,和谷頂?shù)?、6號站溫度相同,11：00以后,谷底的4個站氣溫超過谷頂,13：00,谷底的1號站溫度已達(dá)-3.5℃(圖3),冷池被破壞。可見,山谷冷池逆溫的打破是自上而下的,和平原地區(qū)逆溫自下而上破壞有明顯區(qū)別,這也和Whiteman(1982)對山谷冷池逆溫打破的研究一致。對比系留汽艇08：00—11：30(4U～5D)這一時段觀測(圖7),在300 m上下同樣存在風(fēng)切變層,以上為偏北風(fēng),以下為偏南風(fēng);隨著逆溫層的下降,風(fēng)切變層高度下降,同時低層風(fēng)從東南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng),說明熱力條件的變好導(dǎo)致上谷風(fēng)起主導(dǎo)作用。另外,在09：06—11：32(5U,5D)這段時間,在300～400 m劇烈升溫處,風(fēng)為靜風(fēng)(圖7),其原因有待進(jìn)一步研究。

圖10 2020年1月16日09：00—11：00太子城站風(fēng)場(風(fēng)矢)和垂直速度(填色)高度-時間剖面(1 min間隔)Fig.10 Height-time cross-section of wind field (wind vector) and vertical wind speed (colored) (1 min interval) at Taizicheng Station from 09：00 BT to 11：00 BT 16 January 2020

圖11 冷池(a)建立期,(b)維持期,(c)消散前期和(d)消散后期的概念模型Fig.11 The conceptual models of CAP (a) formation phase, (b) maintenance phase, (c) breakup pre-phase, and (d) breakup late-phase

5 冷池概念模型

前面根據(jù)多源觀測資料分析了冷池事件的溫度、濕度、風(fēng)場結(jié)構(gòu)及演變過程,下面給出冷池發(fā)生、發(fā)展、維持到破壞的概念模型：

冷池自傍晚開始逐漸建立,日落(17：14)前1 h(16：00),山谷西側(cè)山坡出現(xiàn)下坡風(fēng),東坡仍為上坡風(fēng),山谷下層開始降溫,谷中仍為上升氣流。從日落到其后1 h左右(18：00),谷中轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動,山谷中大氣上下層溫度基本相同,即大氣層結(jié)為中性(圖11a),此后山谷東西兩側(cè)山坡形成較強(qiáng)下坡風(fēng)攜帶冷空氣在谷底堆積輻合產(chǎn)生上升氣流,取代谷底原來的暖空氣并將其抬升,逆溫形成并快速向上發(fā)展,子夜(00：00)前后,即日落約5～6 h后,冷池發(fā)展到300 m(海拔1900 m)左右的高度,即山谷高度3/5處,其上300 m為等溫層,即暖帶(圖11b)。在此階段,冷池谷底降溫主要是下坡風(fēng)攜帶冷空氣在谷底堆積和長波輻射降溫所致,日落后2～3 h降溫最強(qiáng),谷底降溫幅度達(dá)10℃(圖3a)

午夜到日出前,冷池進(jìn)入穩(wěn)定維持期(圖11b),逆溫層頂高度和溫度變化不大,冷池底部溫度繼續(xù)緩慢下降,降溫主要是長波輻射降溫,在06：00前后,谷底溫度降至最低,為-21.5℃,冷池頂部(逆溫層頂)溫度為-10℃,冷池發(fā)展到最強(qiáng)盛階段。此階段下坡風(fēng)已不能滲透到谷底,主要在冷池中上部輻合,因此冷池內(nèi)部仍維持弱的上升氣流。

日出后4 h左右冷池消失,首先太陽加熱山谷西坡,導(dǎo)致山谷中高層快速升溫,山谷西坡轉(zhuǎn)為上坡風(fēng),東坡仍為下坡風(fēng),湍流加強(qiáng),導(dǎo)致中高層的暖氣團(tuán)開始向下擴(kuò)展(圖11c);之后隨著太陽高度角升高,山谷東西側(cè)山坡出現(xiàn)上坡風(fēng),山谷中出現(xiàn)上谷風(fēng),將谷底冷空氣向東西兩側(cè)坡面及谷頂輸送,被加熱的山谷中高層的暖空氣補(bǔ)償性下沉,對流邊界層下降,逆溫自上而下消散,溫度層結(jié)近似等溫(圖11d),這和平原地區(qū)逆溫自下而上消失有明顯的差別。午后,湍流混合達(dá)到最強(qiáng),山谷中溫度廓線近似干絕熱線(圖略)。

6 結(jié)論和討論

應(yīng)用系留汽艇探空、激光雷達(dá)、冬奧加密地面觀測和ERA5等資料,分析了一次冷池事件發(fā)生的天氣背景,研究了冷池的溫度、濕度、風(fēng)場三維結(jié)構(gòu),構(gòu)建了冷池形成、發(fā)展、維持到打破過程的概念模型,主要結(jié)論如下：

(1)本次冷池過程發(fā)生在弱高壓脊控制、中層增暖、高空風(fēng)速明顯減小、天空少云、近地層微風(fēng)的靜穩(wěn)天氣背景下。

(2)冷池自日落開始發(fā)展,半夜前后發(fā)展成熟,逆溫層頂升高到300 m,即山谷高度的3/5處,其上為等溫層(暖帶),此階段溫度下降速度較快,尤其在日落后的1～2 h降溫最快,降溫主要是山谷兩側(cè)山坡下坡風(fēng)及下谷風(fēng)輸送冷空氣在谷底堆積和長波輻射降溫所致;半夜到日出前,冷池穩(wěn)定維持,逆溫層頂略有升高,池底溫度下降速度變緩,谷底溫度在日出前達(dá)到最低,降溫主導(dǎo)因素為長波輻射;日出后4～5 h冷池被打破,首先是山谷中層快速升溫,隨后山谷兩側(cè)坡面出現(xiàn)上坡風(fēng)及上谷風(fēng),將谷底的冷空氣向兩側(cè)坡面及谷外輸送,中層暖氣團(tuán)隨補(bǔ)償氣流下沉,逆溫自上而下消失。

(3)冷池在發(fā)展過程中,在逆溫層下出現(xiàn)明顯的東西風(fēng)切變層,隨著逆溫層頂?shù)牟粩嗌?風(fēng)切變層也逐漸抬高。

(4)在冷池形成并維持的過程中,隨著谷底溫度快速下降,相對濕度迅速增加,高濕度集中在近地層100 m以下,為60%～70%;隨高度增加,濕度快速減小,200 m以上為20%～40%。在冷池消散期,中層20%的干暖空氣自上而下降到地面。

需要注意的是,本文的結(jié)論和冷池概念模型是基于冬奧張家口賽區(qū)一次冷池場外觀測,其結(jié)構(gòu)和演變過程和目前國外的研究基本一致,但有些特征不能很好被解釋,同時本次場外觀測試驗(yàn)也有一些需要改進(jìn)之處,如激光雷達(dá)和系留汽艇的觀測點(diǎn)均位于谷口、幾條山谷的交匯處,不能完全反映出坡風(fēng)和谷風(fēng)的特征;又如系留汽艇一上一下觀測時間過長,前期觀測高度偏低,冷池發(fā)展過程觀測不全等,在后續(xù)的場外觀測試驗(yàn)中要加以改進(jìn)。

致謝：感謝成都信息工程大學(xué)張杰教授對本文的悉心指導(dǎo)。