張 明，杜 裕＊，廖雪萍

（1.湖北省宜昌市氣象局，湖北 宜昌 443000；2.廣西氣象減災(zāi)研究所，南寧 530022）

引 言

風(fēng)是重要的氣候要素之一［1］，亦是研究大氣動(dòng)力學(xué)和氣候變化的一個(gè)重要參量。利用風(fēng)的數(shù)據(jù)，可以認(rèn)識(shí)大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，提高氣候分析和預(yù)測(cè)的能力，同時(shí)，高空風(fēng)又在大氣中的動(dòng)能、熱量、水汽和氣溶膠等能量和物質(zhì)輸送、交換中發(fā)揮著關(guān)鍵作用［1，2］。從國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)探空氣球漂移特征的研究［3-5］中可了解到：中國(guó)高空風(fēng)以緯向風(fēng)為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，高空風(fēng)的變化基本上反映了緯向平均風(fēng)的變化。分析高空風(fēng)的變化亦對(duì)深入理解區(qū)域氣候變化機(jī)理具有重要幫助［14］。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)風(fēng)的研究主要集中在近地層風(fēng)［6-13］，而對(duì)高空風(fēng)特征的研究較少。張愛(ài)英、任國(guó)玉等［14-15］分別研究了中國(guó)高空風(fēng)速的變化趨勢(shì)及其氣候?qū)W特征，指出中國(guó)高空風(fēng)速變化存在區(qū)域差異，其在各高度的變化情況亦存在差異。為深入理解高空風(fēng)在不同區(qū)域的特征，各地相繼開(kāi)展區(qū)域高空風(fēng)特征研究［16-19］。

鄂西南地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，天氣變化劇烈，境內(nèi)地貌以山地為主，地形錯(cuò)綜復(fù)雜，海拔落差較大，高低懸殊，導(dǎo)致氣候要素隨地域、海拔高度的分布很不規(guī)律，風(fēng)的地域分布受地形的影響較明顯。目前，對(duì)該區(qū)域風(fēng)的研究不多，特別是對(duì)高空風(fēng)的分析比較缺乏。因此，文章利用鄂西南2個(gè)探空站的最新觀測(cè)資料，對(duì)該區(qū)域的高空風(fēng)特征進(jìn)行分析，以期為深入理解該區(qū)域的氣候變化提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源及說(shuō)明

文章所用數(shù)據(jù)為鄂西南2個(gè)探空站 （恩施、宜昌，地理分布如圖1）2014～2016年每天08時(shí)、14時(shí)（加密時(shí)次）、20時(shí)的探空秒級(jí)數(shù)據(jù)資料，來(lái)源于中國(guó)高空 L 波段秒級(jí)觀測(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集（V1.0）［20］，資料不僅經(jīng)過(guò)臺(tái)站本級(jí)的質(zhì)量控制，同時(shí)也由國(guó)家氣象信息中心進(jìn)行了相應(yīng)的質(zhì)量控制［21］。為分析各高度的風(fēng)特征，從資料中提取各規(guī)定層［22］的風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在距海平面位勢(shì)高度30.0kgpm以上的樣本數(shù)特別是恩施站明顯減少，故本文僅使用30.0kgpm以下共24個(gè)規(guī)定層的資料，最終整理共形成數(shù)據(jù)107952對(duì)。各站的相關(guān)信息及各規(guī)定層的樣本數(shù)分別見(jiàn)表1和圖2。

圖1 鄂西南及2個(gè)探空站地理位置

圖2 各規(guī)定層的樣本數(shù)

表1 探空站相關(guān)信息

1.2 方法

按照氣象學(xué)上四季的劃分（春季：3～5月，夏季：6～8 月，秋季：9～11 月，冬季：12 月～次年 2 月）進(jìn)行高空風(fēng)特征分析。在研究過(guò)程中，各規(guī)定層風(fēng)的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)僅考慮其大小，即以標(biāo)量形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；而對(duì)于風(fēng)向，邱傳濤等［23］指出單位矢量法是一種比較好的風(fēng)向統(tǒng)計(jì)方法，它不像矢量法那樣依賴(lài)于風(fēng)速，只需根據(jù)風(fēng)標(biāo)的記錄就可得到平均風(fēng)向，且與矢量法求得的結(jié)果一致，故本文選用單位矢量法統(tǒng)計(jì)風(fēng)向，其計(jì)算方法如下［23］：

Au為單位矢量的平均風(fēng)向，u為單位風(fēng)速矢量在東西方向上的平均分量，v為單位風(fēng)速矢量在南北方向上的平均分量，Ai為第i次的風(fēng)向度數(shù)。

2 結(jié)果分析

從圖3鄂西南兩個(gè)探空站（宜昌、恩施）各高度平均風(fēng)向風(fēng)速隨高度的變化情況所示，（1）兩站平均風(fēng)速變化曲線(xiàn)幾乎重合，平均風(fēng)速大小及變化情況都非常一致。（2）兩站平均風(fēng)向在低層（3.0kgpm以下）受近地層的影響略有差異，在3.0kgpm以上兩站平均風(fēng)向隨高度變化幾乎無(wú)差異。

圖3 各規(guī)定層平均風(fēng)向風(fēng)速變化

2.1 風(fēng)速特征

由于兩站高空風(fēng)四季特征無(wú)明顯差異，文中以恩施站為代表，分析鄂西南高空風(fēng)四季變化特征。

2.1.1 各季節(jié)風(fēng)速隨高度變化特征

各規(guī)定層的平均風(fēng)速及分季節(jié)的平均風(fēng)速如圖4（a、b）。 由圖 4（a）可知，總體上平均風(fēng)速表現(xiàn)出明顯的先增大后減小最后略增加的趨勢(shì)。在距海平面位勢(shì)高度12.0kgpm以下時(shí)，其隨高度迅速增大至約40m.s-1；而在位勢(shì)高度在12.0～20.0kgpm時(shí)，其隨高度迅速減小至10m.s-1左右，之后隨高度變化較小。由圖4（b）可知，在距海平面位勢(shì)高度20.0kgpm以下時(shí)，四季平均風(fēng)速變化趨勢(shì)基本一致，即先增大后減小，但其大小有所區(qū)別，表現(xiàn)為明顯的冬季最大，春秋次之，夏季最??；而在20.0kgpm以上時(shí)，除夏季表現(xiàn)為明顯的增大趨勢(shì)外，其余三季平均風(fēng)速隨高度基本保持不變且大小幾乎一樣，同時(shí)夏季平均風(fēng)速明顯較其余三季要大。

圖4 各規(guī)定層總體及分季節(jié)平均風(fēng)速變化

2.1.2 不同風(fēng)速在各高度比例特征

為了了解在各規(guī)定層不同大氣風(fēng)速的差異情況，文章將各季節(jié)各高度的風(fēng)速進(jìn)行分組，分為≤10m.s-1、10～20m.s-1、20～30m.s-1、＞30m.s-1共 4 組，各高度上不同風(fēng)速所占比例的累計(jì)情況如圖5所示。圖中各顏色的高度即為相應(yīng)大氣風(fēng)速所占的比例，高度越高，代表所占比例越大。

由圖可知，春秋季各高度層各大氣風(fēng)速所占的比例變化情況較為一致，即在4.0kgpm以下時(shí)，風(fēng)速主要集中在10m.s-1以下；在5.0～8.0kgpm時(shí)，風(fēng)速主要集中在10～20m.s-1，保持占40%～50%左右，同時(shí)隨著高度增加，20～30m.s-1的比例隨之增大，而10m.s-1的比例迅速減??；在9.0～16.0kgpm時(shí)，風(fēng)速則主要集中在30m.s-1以上，低于10m.s-1的幾乎沒(méi)有；在20.0kgpm時(shí)，風(fēng)速又主要集中在10m.s-1以下，占70%～80%，而在20m.s-1以上的極少，僅占5%左右，且30m.s-1以上比例幾乎為0。

從夏季各高度層的不同大氣風(fēng)速所占的比例圖可以看出夏季與春秋季完全不同，即在距海平面位勢(shì)高度6kgpm以下時(shí)，風(fēng)速以≤10m.s-1為主，所占比例均在60%以上；在 7.0～20kgpm時(shí)，風(fēng)速低于 10m.s-1的比例與10～20m.s-1的幾乎一樣且占主要部分；在20kpgm以上時(shí)則風(fēng)速以10～20m.s-1為主；同時(shí)，由夏季圖可知，在夏季整個(gè)高度層風(fēng)速均極少超過(guò)30m.s-1。而從冬季圖可以看出其與春夏季除在9～16kgpm有所不同外，其他高度基本一致，即在9～16kgpm時(shí)，冬季風(fēng)速幾乎全部超過(guò)30m.s-1。

圖5 分季節(jié)不同風(fēng)速在各規(guī)定層所占比例情況

2.2 風(fēng)向特征

2.2.1 各季節(jié)風(fēng)向隨高度變化特征

圖6 （a、b）給出了總體平均風(fēng)向及分季節(jié)的平均風(fēng)向隨高度的變化情況。由圖6（a）可知，總體而言，從距海平面位勢(shì)高度1.0kgpm往上，隨著高度的上升，風(fēng)向基本是由NE以順時(shí)針?lè)较蛑饾u變化，至4.0kgpm轉(zhuǎn)偏W風(fēng)后趨于穩(wěn)定，之后在22.0kgpm高度及以上又轉(zhuǎn)為偏E風(fēng)。

圖6 各規(guī)定層總體及分季節(jié)平均風(fēng)向變化

由圖6（b）可知在1.0～3.0kgpm的平均風(fēng)向均是以順時(shí)針?lè)较蛑饾u變化，但各季跨度不一，其中夏季跨度最小，其平均風(fēng)向以順時(shí)針?lè)较蛴蒃逐漸轉(zhuǎn)為S，春秋次之，平均風(fēng)向以順時(shí)針?lè)较蛴蒒E轉(zhuǎn)為SW，冬季則是以順時(shí)針?lè)较蛴蒒轉(zhuǎn)為WSW；在4.0kgpm及以上時(shí)，春冬季隨著高度上升，平均風(fēng)向基本維持偏W風(fēng)不變至26.0kgpm高度，之后春季平均風(fēng)向突變至偏E風(fēng)后又逐漸轉(zhuǎn)為偏N風(fēng)，而冬季則是以逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)為偏E風(fēng)；秋季在4.0～20.0kgpm時(shí)與春冬季平均風(fēng)向基本一致，而在20kgpm以上時(shí)，平均風(fēng)向則以逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)為偏E風(fēng)后趨于穩(wěn)定；夏季與其他三季差異較大，即在4.0kgpm以上時(shí)，其平均風(fēng)向由偏W風(fēng)以順時(shí)針?lè)较蛑饾u變化，至22.0kgpm時(shí)轉(zhuǎn)為偏E風(fēng)后趨于穩(wěn)定。

2.2.2 各季節(jié)各高度層風(fēng)向頻率特征

統(tǒng)計(jì)各季節(jié)各規(guī)定層的最多、次多風(fēng)向如表2。由表可知，在距海平面3.0kgpm以下時(shí)，四季的最多風(fēng)向、次多風(fēng)向表現(xiàn)明顯不同，但各季的風(fēng)向除在近地層偏N稍多外基本以偏S為主；在4.0～16.0kgpm，四季最多、次多風(fēng)向基本均為偏W風(fēng)，而在18.0kgpm以上時(shí)，四季最多、次多風(fēng)向均逐漸轉(zhuǎn)為偏E，但變化情況有所不同，即春、冬季最多、次多風(fēng)向僅在個(gè)別高度時(shí)為偏E外，其余均仍為偏W，而夏、秋季則22.0kgpm高度以上時(shí)，最多、次多風(fēng)向已基本轉(zhuǎn)為偏E。

表2 各季節(jié)各規(guī)定層的最多、次多風(fēng)向

3 結(jié)論

利用鄂西南兩個(gè)探空站（宜昌、恩施）的L波段雷達(dá)近三年探空的秒級(jí)數(shù)據(jù)，對(duì)各規(guī)定層的風(fēng)向風(fēng)速分季節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果顯示：

（1）鄂西南高空平均風(fēng)速隨高度為先迅速增大后迅速減小，至20.0kgpm后隨高度趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，其在12.0kgpm時(shí)最大，可達(dá)約40m.s-1；平均風(fēng)向則隨高度由NE以順時(shí)針?lè)较蛑饾u變化，至4.0kgpm轉(zhuǎn)偏W風(fēng)后趨于穩(wěn)定，之后在22.0kgpm高度及以上又轉(zhuǎn)為偏E風(fēng)。

（2）在距海平面位勢(shì)高度20.0kgpm以下時(shí)，高空平均風(fēng)速冬季明顯較大，特別是9～16kgpm，冬季風(fēng)速幾乎全部超過(guò)30m.s-1，四季風(fēng)速大小具體表現(xiàn)為冬季＞春秋＞夏季，而在20.0kgpm以上時(shí)，則夏季明顯大于其余三季；

（3）在1.0～3.0kgpm時(shí)四季的平均風(fēng)向隨高度均是以順時(shí)針?lè)较蛑饾u變化，但各季跨度不一；4.0kgpm及以上時(shí)，春冬季較為相似，平均風(fēng)向基本維持偏W風(fēng)不變至26.0kgpm高度，但之后春季突變至偏E風(fēng)后又逐漸轉(zhuǎn)為偏N風(fēng)，冬季則是以逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)為偏E風(fēng)；秋季則是維持偏W風(fēng)不變至20kgpm以上后以逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)為偏E風(fēng)；夏季與其他三季差異較大，即在4.0kgpm以上時(shí)，其平均風(fēng)向由偏W風(fēng)以順時(shí)針?lè)较蛑饾u變化，至22.0kgpm時(shí)轉(zhuǎn)為偏E風(fēng)后趨于穩(wěn)定。

（4）在低層四季的最多風(fēng)向、次多風(fēng)向表現(xiàn)明顯不同，但基本以偏S為主；在中層四季最多、次多風(fēng)向基本均為偏W風(fēng)，而在18.0kgpm以上時(shí)，四季最多、次多風(fēng)向均逐漸轉(zhuǎn)為偏E風(fēng)。

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