章鳴 連志鸞 平凡 祝善友

1 南京信息工程大學(xué)遙感與測(cè)繪工程學(xué)院, 南京 210044

2 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029

3 河北省氣象局, 石家莊 050021

1 引言

一般來說，夜間近地面大氣由于地表輻射冷卻作用氣溫會(huì)逐漸降低，在日出前后達(dá)到最低值，但國(guó)內(nèi)外很多研究發(fā)現(xiàn)部分地面氣象站點(diǎn)會(huì)觀測(cè)到夜間增溫現(xiàn)象，即日落后的一段時(shí)間內(nèi)，溫度以一定的速率下降，但在某一時(shí)刻出現(xiàn)溫度突然升高的現(xiàn)象（甘茹蕙等，2016）。夜間增溫現(xiàn)象的出現(xiàn)常伴隨其他氣象要素的突發(fā)性不連續(xù)變化，如露點(diǎn)溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速等（White，2009），影響近地面霧和霜凍的形成、冰雪融化、改變能見度（楊曉亮等，2018），強(qiáng)增溫加上強(qiáng)風(fēng)還易導(dǎo)致林火。河北冬奧賽區(qū)夜間增溫現(xiàn)象頻發(fā)，夜間晴空條件下小時(shí)最大增溫幅度在2°C～3°C（錢敏偉和李軍，1996）。因此，有必要開展夜間增溫形成特征、原因及機(jī)理的相關(guān)研究，以提高其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度，為冬奧比賽提供氣象服務(wù)保障。

目前有關(guān)夜間增溫事件的研究主要集中在澳大利亞和美國(guó)的部分地區(qū)，澳洲中部HartsRange 曾出現(xiàn)溫度突然升高7°C（Smith et a1., 1995）的極端現(xiàn)象，美國(guó)俄克拉荷馬州記錄最大增溫幅度達(dá)10°C（Nallapareddy et al., 2011），密西西比州Newton 也曾觀測(cè)到10 分鐘內(nèi)增溫幅度達(dá)3°C 的現(xiàn)象（White, 2009）。不同地區(qū)夜間增溫事件增溫幅度大小不一，其伴隨的氣象要素變化和產(chǎn)生的原因也不相同。以往研究學(xué)者已經(jīng)討論了夜間變暖事件可能發(fā)生的幾種可能機(jī)制（White, 2009），包括：鋒面過境、湍流混合作用、天氣系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的熱暴流（McPherson et al., 2011；Bernstein and Johnson,1994）、輻射平衡變化、近地表熱通量的變化、水汽過程的潛熱釋放、地形作用所致的下坡風(fēng)（即焚風(fēng)）等。研究顯示冷鋒過境造成風(fēng)速增大可能會(huì)將高空中相對(duì)較暖的空氣和地表附近較冷的空氣混合，增加近地表溫度，并且冷鋒到達(dá)前強(qiáng)的逆溫更容易引發(fā)夜間增溫事件（Sanders and Kessler, 1999；Doswell III and Haugland, 2007；Nallapareddy et al.,2011）。夜間風(fēng)切變觸發(fā)的間歇性湍流在近地層增強(qiáng)并向上傳播，引起并加強(qiáng)不同高度大氣的垂直向下混合，也會(huì)造成低層氣溫異常升高（Ma et al.,2015）。同樣，沿逆溫表面?zhèn)鞑サ牟ㄒ部赡芑旌侠渑諝猓斐刹煌穹亩虝鹤兣–larke,1981）。此外，在地形復(fù)雜區(qū)域，地形造成空氣壓縮或膨脹會(huì)引起局地氣溫改變（黃少妮等，2015），迎風(fēng)坡水汽凝結(jié)導(dǎo)致潛熱加熱，山頂干暖空氣沿山坡干絕熱下沉，是地形造成背風(fēng)坡溫度異常升高（焚風(fēng)效應(yīng)）的原因（Brinkmann, 1971；Elvidge and Renfrew, 2016），其中干暖空氣等熵下沉才是產(chǎn)生該現(xiàn)象的最主要原因（趙世林等，1993；盛裴軒等，2003；李萬彪，2010）。

迄今為止，對(duì)地面氣溫變化的研究主要都是基于再分析資料或站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)從大氣環(huán)流形勢(shì)、氣候?qū)W及統(tǒng)計(jì)學(xué)角度進(jìn)行分析（周國(guó)華，2011；周宇，2012），對(duì)于夜間增溫事件的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)特征、時(shí)空演變情況及其形成原因的理解仍然是不確定的，特別是在中國(guó)北部地區(qū)，如華北這些具有獨(dú)特地形和氣候的地區(qū)，導(dǎo)致這些夜間變暖事件的因素仍然不清楚。如今，數(shù)值模式已經(jīng)成為氣象工作者研究天氣、氣候的重要手段之一，利用高分辨數(shù)值模式模擬重現(xiàn)此類夜間增溫過程，有利于詳細(xì)分析其過程變化特征，探究其主要影響因素。本文擬利用WRF4.1.5 模式對(duì)河北冬奧賽區(qū)2020 年2 月8 日夜間至9 日凌晨的一次夜間增溫過程進(jìn)行高分辨率模擬，根據(jù)高分辨率模擬數(shù)據(jù)對(duì)該過程進(jìn)行針對(duì)性研究，以進(jìn)一步加深對(duì)夜間增溫事件的認(rèn)識(shí)，尤其是厘清該區(qū)域夜間溫度異常升高現(xiàn)象的主要原因，從而為提高賽區(qū)夜間增溫事件的預(yù)報(bào)能力提供參考依據(jù)。

2 資料和方法

利用河北崇禮冬奧賽區(qū)15 個(gè)自動(dòng)氣象觀測(cè)站逐時(shí)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)開展2020 年2 月8 日夜間至9日凌晨異常增溫的天氣實(shí)況分析；作為對(duì)比，統(tǒng)計(jì)了2018～2019 年兩個(gè)冬半年（11 月至次年4 月）自動(dòng)站觀測(cè)的夜間增溫情況。采用美國(guó)國(guó)家氣候環(huán)境預(yù)測(cè)中心 NCEP（ National Centers of Environmental Research）全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)GFS 提供的0.25°×0.25°的再分析資料進(jìn)行天氣形勢(shì)分析，并以該數(shù)據(jù)作為初始背景場(chǎng)驅(qū)動(dòng)中尺度天氣模式WRF4.1.5 進(jìn)行三維模擬，用以研究冬奧賽區(qū)夜間增溫事件的形成機(jī)制及其相關(guān)的熱力和動(dòng)力學(xué)特征。此外，本次模擬引入了日本METI 和美國(guó)NASA基于“現(xiàn)今星載熱發(fā)射和反輻射計(jì)（ASTER）”數(shù)據(jù)聯(lián)合研制的第三版30 m 空間分辨率的ASTER GDEM（ Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model）地形數(shù)據(jù)，如圖1 所示，更新后的地形高程數(shù)據(jù)能夠更好地反映冬奧賽區(qū)復(fù)雜的地形特征，其水平分辨率及垂直精度均高于模式默認(rèn)數(shù)據(jù)，能夠滿足百米級(jí)數(shù)值模擬需求。

圖1 河北崇禮冬奧賽區(qū)地形對(duì)比圖：（a）模式默認(rèn)高程數(shù)據(jù)；（b）ASTER GDEM 第三版高程數(shù)據(jù)。單位：mFig. 1 Topographic comparison map of the Chongli Winter Olympic Games area in Hebei Province: (a) Model default elevation data; (b) ASTER GDEM third edition elevation data. Units: m

3 過程增溫概況

2020 年2 月8 日夜間至9 日凌晨，河北冬奧賽區(qū)氣溫出現(xiàn)異常變化，賽區(qū)內(nèi)地面自動(dòng)站觀測(cè)到了大范圍的異常增溫現(xiàn)象，整個(gè)區(qū)域6 h 內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)了不同程度的增溫，其增溫情況受地形影響明顯，累計(jì)溫度增幅較大的站點(diǎn)主要分布在山谷，尤其是冬兩站點(diǎn)（代表以冬兩開頭的全部站點(diǎn)，下文云頂站點(diǎn)代表以云頂開頭的全部站點(diǎn)），小時(shí)增溫幅度在2°C～3°C，累計(jì)增溫均超過5°C，最大累計(jì)增溫幅度超過8°C（圖2a）。從時(shí)間演變來看，區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)逐小時(shí)溫度變化曲線（圖2b）顯示一天氣溫的最大值出現(xiàn)在8 日中午14:00（北京時(shí)，下同），隨后氣溫開始下降，云頂站點(diǎn)在8 日19:00左右開始出現(xiàn)小幅度的增溫，此后氣溫開始保持上升趨勢(shì)，而冬兩站點(diǎn)均在8 日21:00 后開始出現(xiàn)增溫現(xiàn)象，增溫幅度較大，特別是在9 日01:00，小時(shí)增溫幅度超2°C。結(jié)合地理分布及時(shí)間演變可以看出，此次增溫事件先從賽區(qū)的西北部開始，逐漸向東南方向蔓延，且增溫幅度呈現(xiàn)加強(qiáng)的趨勢(shì)。

圖2 冬奧賽區(qū)2020 年2 月8 日08:00 至9 日08:00（北京時(shí)，下同）（a）實(shí)測(cè)站點(diǎn)累積增溫幅度及其位置分布以及（b）實(shí)測(cè)站點(diǎn)氣溫逐時(shí)變化曲線Fig. 2 Geographical distribution and automatic stations of temperature increase in the Winter Olympic Games area from 0800 BT (Beijing time)February 8 to 0800 BT February 9, 2020: (a) Cumulative temperature increase amplitude and location distribution of the measuring stations; (b) hourly variation curve of temperature at the measuring stations

為判斷本次夜間增溫過程的代表性，統(tǒng)計(jì)了2018～2019 年冬半年冬奧賽區(qū)內(nèi)自動(dòng)氣象站點(diǎn)的逐時(shí)氣溫?cái)?shù)據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，賽區(qū)內(nèi)出現(xiàn)夜間增溫是一種常見現(xiàn)象，夜間增溫事件在冬半年出現(xiàn)概率達(dá)到78%，增溫開始時(shí)間主要集中在00:00 與01:00前后，一小時(shí)內(nèi)溫度增幅在1°C～2°C。2020 年2月8 日夜間至9 日凌晨的增溫過程符合其統(tǒng)計(jì)特征，且增溫過程較為明顯，具有一定代表性，可用來研究該區(qū)域增溫現(xiàn)象成因。

高空500 hPa 環(huán)流形勢(shì)可見，8 日14:00～20:00，在北緯50°N 附近存在高空冷渦，并在緩緩向東移動(dòng)（圖3a、b），8 日14:00，河北冬奧賽區(qū)位于槽后，為西北氣流（圖3a），8 日20:00，高空槽加深加強(qiáng)，高空急流區(qū)向東移動(dòng)，賽區(qū)風(fēng)速增大，等溫線與等高線夾角較大，冷平流非常顯著（圖3b）。700 hPa 環(huán)流形勢(shì)與500 hPa 較為相似，08 日20:00 冬奧賽區(qū)處于槽后低空急流區(qū)，有明顯的負(fù)渦度平流，中高緯急流在其前側(cè)輻合，有利于大氣產(chǎn)生強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)（圖3d）。8 日14:00～20:00，800 hPa 冬奧賽區(qū)位勢(shì)高度呈東高西低型，受冷渦影響較小，賽區(qū)位于槽前較弱的西南氣流中（圖3e、f），同時(shí)，可以看到8 日2000 時(shí)賽區(qū)在海平面處于高壓控制下，風(fēng)速減小，并且較8 日14:00 來看，海平面氣溫已出現(xiàn)異常升高現(xiàn)象（圖3g、h）。綜上可知，受冷渦影響，冬奧賽區(qū)高空處于渦后強(qiáng)冷平流中，大氣下沉作用強(qiáng)，并且高低層風(fēng)切變以及溫度平流的差異容易造成垂直混合加強(qiáng)（孫永剛等，2014），從而導(dǎo)致近地面氣溫出現(xiàn)異常升高現(xiàn)象。此外，從張家口站的探空曲線（圖4），可以看出張家口近地面有明顯的逆溫現(xiàn)象，大氣層結(jié)穩(wěn)定，從低層至高層為干—濕—干，風(fēng)向從東南向西北逆時(shí)針變化，750 hPa 以上干冷空氣較強(qiáng)，且750 hPa附近逆溫層具有湍流逆溫特征（羅然，2020）。

圖3 2020 年2 月8 日14:00（左列）、20:00（右列）天氣形勢(shì)圖：（a, b）500 hPa、（c, d）700 hPa、（e, f）850 hPa 和（g, h）1000 hPa。藍(lán)線為位勢(shì)高度，單位：dagpm；紅線為氣溫，單位：°C；箭頭為風(fēng)場(chǎng)，單位：m s-1；橘色粗線為槽線。打點(diǎn)區(qū)域?yàn)榧绷鲄^(qū)，單位：m s-1，（a、b）中為200 hPa 高空急流，（c、d）中為700 hPa 低空急流Fig. 3 (a, b) 500 hPa, (c, d) 700 hPa, (e, f) 850 hPa, and (g, h) 1000 hPa at 1400 BT (left column) and 2000 BT (right column) February 8, 2020 weather situation map. The blue lines are the geopotential height, units: dagpm; the red lines are the temperature, units: °C; the arrow is the wind field,units: m s-1; the thick orange lines are the trough lines. The dotted area is the jet flow area, units: m s-1, (a) and (b) are 200-hPa upper-level jet, (c) and(d) are 700-hPa lower-level jet

圖4 2020 年2 月8 日20:00 張家口站的探空曲線圖，其中綠線為露點(diǎn)溫度曲線，藍(lán)線為溫度曲線，紅線為狀態(tài)曲線Fig. 4 Sounding curve of Zhangjiakou station at 2000 BT February 8, 2020, the green line is the dew point temperature curve, the blue line is the temperature curve, and the red line is the state curve

4 模式設(shè)置

本次研究采用WRF-ARW 模式4.1.5 版本對(duì)冬奧賽區(qū)夜間增溫個(gè)例進(jìn)行模擬，模式采用單向四重嵌套，垂直方向?yàn)?20 層，最高層氣壓為50 hPa，水平分辨率分別為4.05 km、1.35 km、0. 45 km、0.15 km，網(wǎng)格數(shù)均為361×361。模擬區(qū)域設(shè)置如圖5 所示，最內(nèi)層包含整個(gè)冬奧賽區(qū)。模式模擬時(shí)間為2021 年2 月8 日08:00 至2 月9 日08:00，積分時(shí)長(zhǎng)為24 h，時(shí)間分辨率為0.5h，能夠更好地捕捉溫度的變化情況。初始條件和邊界條件采用美國(guó)國(guó)家氣候環(huán)境預(yù)測(cè)中心NCEP（National Centers of Environmental Research）全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)GFS 提供的0.25°×0.25°的再分析資料，每6 h 輸入一次。已有研究表明夜間增溫現(xiàn)象與地形及邊界層活動(dòng)密切相關(guān)，因此，本文在引入高精度地形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過批量的敏感性實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出最優(yōu)的參數(shù)化方案，參數(shù)化方案配置為Morrison 2-mom 微物理方案（Morrison et al., 2009）、RRTMG短波輻射方案、RRTMG 長(zhǎng)波輻射方案（Iacono et al. 2008）、thermal diffusion scheme 陸面方案以及適合復(fù)雜地形的YSU 邊界層方案（Hong et al., 2006）。

5 模擬結(jié)果分析

5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

圖5a 給出了實(shí)驗(yàn)方案模擬的冬奧賽區(qū)15 個(gè)自動(dòng)氣象站24 h （8 日08:00 至9 日08:00）平均氣溫絕對(duì)偏差?？梢钥闯?，本文實(shí)驗(yàn)方案模擬的15個(gè)測(cè)站的24 h 氣溫平均絕對(duì)偏差均在1.5°C 左右，說明本文試驗(yàn)設(shè)置在冬奧賽區(qū)內(nèi)模擬結(jié)果較為穩(wěn)定，無異常情況出現(xiàn)。與此同時(shí)，根據(jù)云頂山底、冬兩1 號(hào)與冬兩2 號(hào)3 站的氣溫逐時(shí)對(duì)比可以看出，本次實(shí)驗(yàn)方案可以較好的模擬出08 日夜間至09 日凌晨的氣溫異常演變現(xiàn)象（圖6b、c、d），較好地再現(xiàn)了08 日23:00 至09 日03:00 氣溫不降反增的變化特征，但模擬值與實(shí)測(cè)值存在一定偏差，模擬的增溫強(qiáng)度弱于實(shí)測(cè)增溫強(qiáng)度。此外，模擬的氣溫升高時(shí)間比觀測(cè)到的數(shù)據(jù)落后1 h 左右，對(duì)后期短時(shí)增溫幅度較高的冬兩站點(diǎn)模擬結(jié)果較好?？偟膩碚f，本次WRF 模式設(shè)置較好的再現(xiàn)了此次夜間異常增溫過程，可以用來分析該過程的演變特征以及可能原因。

圖5 模擬區(qū)域設(shè)置Fig. 5 Simulation area setting

圖6 2020 年2 月8 日08:00 至9 日08:00 冬奧賽區(qū)內(nèi)（a）15 個(gè)站點(diǎn)模擬的24 h 平均氣溫的絕對(duì)偏差，（b）冬兩1 號(hào)、（c）云頂山底以及（d）冬兩2 號(hào)三個(gè)站點(diǎn)模擬的氣溫與實(shí)測(cè)逐時(shí)對(duì)比Fig. 6 (a) Absolute deviation of the simulated 24-h average temperature of 15 stations, and hourly comparison of the simulated and measured temperature of (b) Dongliang NO.1, (c) Yundingshandi, and (d) Dongliang NO.2 stations in the competition area from 1400 BT February 8 to 0800 BT February 9, 2020

5.2 增溫過程中近地面氣象要素特征

夜間增溫現(xiàn)象的出現(xiàn)常伴隨其他氣象要素的突發(fā)性不連續(xù)變化，如露點(diǎn)溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速等（White, 2009），通過高分辨率數(shù)值模擬的結(jié)果可以更好地看出增溫事件發(fā)生時(shí)地面氣象要素的變化情況。根據(jù)圖7 給出的9 日00:00 與02:00 近地面氣象要素的差值場(chǎng)可以看出，9 日00:00～02:00 時(shí)冬奧賽區(qū)溫度突然升高，尤其是冬兩站點(diǎn)，氣溫升高超過2°C，同時(shí)，地面2 m 相對(duì)濕度降低、海平面氣壓降低、地面10 m 風(fēng)速顯著增大、風(fēng)向向西北方向偏轉(zhuǎn)。此次夜間氣溫出現(xiàn)異常升高的區(qū)域與相對(duì)濕度降低、風(fēng)速增大、海平面氣壓降低區(qū)域在位置上有較好的對(duì)應(yīng)，并且在變化強(qiáng)度上也有較好的對(duì)應(yīng)，說明氣溫異常升高與近地面氣象要素變化存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。此外，9 日00:00～02:00 區(qū)域內(nèi)近地面10 m 風(fēng)向?yàn)榉€(wěn)定的西北風(fēng)，風(fēng)速增加達(dá)到6 m s-1左右，這一快速增強(qiáng)現(xiàn)象與晴朗天空下近地面夜間大氣的典型特征相反（White, 2009），風(fēng)速突然增大有利于增大山區(qū)近地面摩擦，引起湍流混合（羅然，2020），導(dǎo)致氣溫出現(xiàn)異常變化。綜上可知，近地面氣象要素的變化特征可以在一定程度上反映出此次夜間增溫過程。

5.3 夜間增溫可能影響機(jī)制

根據(jù)大氣熱力學(xué)能量方程可知溫度平流、垂直運(yùn)動(dòng)、非絕熱加熱作用以及變壓和氣壓平流是造成大尺度天氣系統(tǒng)中局地氣溫變化的原因，由于變壓和氣壓平流相較于其他幾項(xiàng)量級(jí)很小，在零級(jí)簡(jiǎn)化方程中被忽略不計(jì)（朱乾根等，1981；梁新蘭，2007），方程如公式（1）所示：

此外，賽區(qū)復(fù)雜地形對(duì)氣流影響較大，山區(qū)夜間邊界層湍流垂直混合作用也不可忽視。本文將從以上幾個(gè)方面分析此次增溫過程的可能成因及其影響因素。

5.3.1 溫度平流及垂直運(yùn)動(dòng)的影響

根據(jù)9 日01:00 與02:00 氣溫差值分布（圖7a）可以看出9 日01:00～0200 時(shí)河北冬奧賽區(qū)出現(xiàn)大范圍異常增溫現(xiàn)象，幅度大于1°C。通過WRF 模擬的該區(qū)域的水平風(fēng)場(chǎng)和垂直運(yùn)動(dòng)的時(shí)間高度剖面可以看出（圖8a），8 日17:00 前，冬奧賽場(chǎng)上空整個(gè)對(duì)流層都受西風(fēng)控制，除近地面及500～700 hPa為西風(fēng)（暖平流），其他高度都為西北風(fēng)（冷平流），存在明顯的風(fēng)切變。8 日17:00～24:00，受低渦移動(dòng)影響，600～700 hPa 西風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，風(fēng)速?gòu)? m s-1增至15 m s-1，與此同時(shí)，低層800 hPa附近風(fēng)速也增至15 m s-1左右，可見存在明顯的動(dòng)量下傳。此外，9 日00:00 左右，冬奧賽區(qū)上空下沉運(yùn)動(dòng)范圍從700～800 hPa 擴(kuò)展到300～800 hPa，下沉運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間加強(qiáng)，氣團(tuán)上升冷卻，下沉增溫，因此整層的強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)可能是造成此次溫度局地異常變化的一個(gè)原因。為了進(jìn)一步分析溫度平流及垂直運(yùn)動(dòng)的影響，通過計(jì)算公式（1）大氣熱力學(xué)能量方程中的平流項(xiàng)?(u·?T/?x+v·?T/?y)和垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)?w(γd?γ)來定量反映溫度平流及垂直運(yùn)動(dòng)對(duì)此次溫度異常過程的作用。根據(jù)圖8c、d 計(jì)算的冬奧賽區(qū)平流項(xiàng)及垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)的時(shí)間高度演變可以看出，冬奧賽場(chǎng)高低層存在平流差異（圖8b），低層850 hPa附近均為暖平流，其增溫作用強(qiáng)度高于垂直運(yùn)動(dòng)的降溫作用（圖8c）。8 日23:00，賽區(qū)上空800～700 hPa 冷平流增強(qiáng)，而垂直運(yùn)動(dòng)的增溫作用弱于冷平流，并且此時(shí)為下沉運(yùn)動(dòng)（圖8a），上層冷平流影響低層溫度，造成低層暖平流有一個(gè)先減弱再加強(qiáng)的現(xiàn)象（圖8b），這一現(xiàn)象導(dǎo)致其前后暖平流加熱作用差距增大，使得其在9 日01:00 之后氣溫異常升高現(xiàn)象更加顯著。此外，9 日01:00 左右，冬奧賽區(qū)上空冷平流及垂直運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度均出現(xiàn)明顯增強(qiáng)，但垂直運(yùn)動(dòng)增溫效率高于1×10-3°C s-1的范圍高層擴(kuò)展至400 hPa，高于2×10-3°C s-1的也擴(kuò)展至550 hPa 左右，影響范圍均大于冷平流，強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)作用強(qiáng)于冷平流，導(dǎo)致低層溫度升高，造成夜間溫度異常升高。

圖7 2020 年2 月9 日00:00 與02:00 近地面氣象要素差值場(chǎng)分布：（a）2 m 氣溫，單位：°C；（b）2 m 相對(duì)濕度；（c）海平面氣壓（填色），單位：hPa；（d）10 m 風(fēng)速（填色），單位：m s-1。黑色圓點(diǎn)為自動(dòng)站，黑色方框?yàn)槎瑠W賽區(qū)范圍；（c、d）中矢量箭頭分別表示9 日01:00 和02:00 地面10 m 風(fēng)場(chǎng)Fig. 7 Difference field of the near-surface meteorological elements between 0000 BT and 0200 BT February 9, 2020: (a) 2-m temperature, units: °C;(b) 2-m relative humidity; (c) sea level pressure (shaded), units: hPa; (d) 10 m wind speed (coloring), units: m s-1. The black dot is the automatic station and the black box is the scope of the Winter Olympic Games area; the arrows in (c, d) represent surface 10-m wind field at (c) 0100 BT and (d) 0200 BT February 9, 2020

圖8 2020 年2 月8 日14:00 至9 日14:00 冬奧賽區(qū)（圖7 黑色方框范圍）區(qū)域平均（a）水平風(fēng)場(chǎng)及垂直速度隨時(shí)間演變（風(fēng)羽桿為水平風(fēng)場(chǎng)，單位：m s-1；填色表示垂直速度，單位：m s-1）以及公式（1）中（b）溫度平流項(xiàng)和（c）垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)的時(shí)間—高度剖面，單位：10-3 °C s-1Fig. 8 Regional average of the Winter Olympic Games area (black box in Figure 7) from 1400 BT February 8 to 0800 BT February 9, 2020: (a)horizontal wind field and vertical velocity evolution with time (wind plume: horizontal wind field, units: m s-1; shaded: vertical velocity, units: m s-1),time-height profiles of (b) temperature advection and (c) vertical movement in Equation (1), units: 10-3 °C s-1

5.3.2 非絕熱因子的影響

非絕熱加熱（diabatic heating）是系統(tǒng)和外界之間的熱量交換過程。非絕熱加熱過程主要包括輻射、感熱輸送、潛熱釋放這三項(xiàng)（呂健，2017）。因此，計(jì)算冬奧賽場(chǎng)異常增溫區(qū)域感熱通量、潛熱通量以及到達(dá)地面的長(zhǎng)短波輻射隨時(shí)間變化的曲線，可用以研究非絕熱加熱過程對(duì)賽區(qū)內(nèi)溫度異常變化的影響。一般來說，白天地表吸收太陽(yáng)短波輻射，能量升高，地面給大氣輸送熱量造成近地面溫度升高，夜間地表釋放長(zhǎng)波輻射，能量減少，造成近地面氣溫降低。根據(jù)冬奧賽區(qū)區(qū)域平均的感熱通量、潛熱通量（圖9a）可知感熱通量影響較大，夜間地表感熱通量為負(fù)，大氣向地表輸送熱量，氣溫降低，在9 日01:00～03:00（夜間溫度升高時(shí)段），賽區(qū)內(nèi)向下的感熱通量減少、向上的潛熱通量增加，說明大氣向地表輸送熱量減少，起到緩解氣溫下降作用，并且賽區(qū)內(nèi)多植被等自然地表，夜間潛熱釋放增加，給大氣傳輸熱量。同時(shí)，到達(dá)地表的長(zhǎng)波輻射變化曲線（圖9b）顯示，從8 日23:00 開始，由于850 hPa 附近暖平流的暖濕輸送和弱上升運(yùn)動(dòng)的影響（圖8a、b），低云增多，大氣反向輻射增強(qiáng)，到達(dá)地表的長(zhǎng)波輻射明顯增強(qiáng)，在02:00 達(dá)到最高值，與增溫幅度最大現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)間一致，說明其對(duì)此次夜間增溫過程有一定正貢獻(xiàn)。進(jìn)一步觀察非絕熱因子在增溫過程中變化分布情況（圖9b1、b2、b3）發(fā)現(xiàn)，區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)增溫幅度與感熱通量、潛熱通量以及到達(dá)地表的長(zhǎng)波輻射增強(qiáng)量級(jí)對(duì)應(yīng)情況較好，但在增溫幅度較大的冬兩5 號(hào)站點(diǎn)其感熱通量減少，對(duì)增溫存在負(fù)貢獻(xiàn)，說明非絕熱因子在此次過程中具有一定作用，但并不是造成大幅增溫的主要原因，并且冬奧賽區(qū)內(nèi)不同位置的增溫幅度變大的原因也不完全相同。

圖9 冬奧賽場(chǎng)異常增溫區(qū)域地表能量及輻射隨時(shí)間變化的曲線：（a1）藍(lán)線為潛熱通量LH、紅線為感熱通量HFX，單位：W m-2；（a2）藍(lán)線為到達(dá)地面的長(zhǎng)波輻射GLW、紅線為到達(dá)地面的短波輻射SWDOWN，單位：W m-2。冬奧賽區(qū)2020 年2 月9 日00:00 與02:00 地表通量及輻射差值場(chǎng)（b1）感熱通量，單位：W m-2、（b2）潛熱通量，單位：W m-2、（b3）到達(dá)地表的長(zhǎng)波輻射，單位：W m-2Fig. 9 Curve of the surface energy and radiation with time in the abnormal warming area of the Winter Olympic Games area: (a1) the blue line is the latent heat flux, the red line is the sensible heat flux, (a2) the blue line is the long-wave radiation to the ground, and the red line is the short-wave radiation to the ground, units: W m-2. The difference between 0100 BT and 0200 BT February 9, 2020, in the Winter Olympic Games area: (b1)sensible heat flux, (b2) latent heat flux, and (b3) long-wave radiation, units: W m-2

5.3.3 逆溫與湍流垂直混合的影響

逆溫層與大氣運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，如圖10a 所示，在氣溫出現(xiàn)異常升高的9 日01:00，氣溫垂直廓線開始出現(xiàn)明顯的逆溫現(xiàn)象，逆溫從地表開始出現(xiàn)，在逆溫層附近，溫度廓線與露點(diǎn)溫度廓線（圖10a、b 中的紫線）形成一“V”型結(jié)構(gòu)，說明近地面輻射冷卻、高空下沉運(yùn)動(dòng)及湍流垂直混合均可能是造成此次逆溫出現(xiàn)的原因（盛裴軒等，2003；李萬彪，2010）。夜間出現(xiàn)逆溫情況，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的熱力學(xué)穩(wěn)定和穩(wěn)定邊界層環(huán)境的存在。此外，在1750～1850 m 范圍內(nèi)有一個(gè)大致中性層。同時(shí)，9 日01:00 時(shí)空氣中的水汽含量高于00:30（圖10d 中的紫線和紅線），表明水汽在邊界層中積累。隨著不同高度處溫度的升高，1800 m 以上的氣溫梯度減小，近似中性層由于垂直混合而消失（圖10a 中的紫線和紅線）。與增溫前相比，位溫的垂直結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，可以清楚地看到00:30 與01:00（增溫前）近地面位溫相差較小高空相差較大，但在溫度異常升高的時(shí)間段（01:00～01:30）表現(xiàn)為近地面位溫相差較大高空位溫梯度明顯減?。▓D10c）。同時(shí)，比濕的梯度變化更明顯，01:30 后，高空水汽含量明顯減少（圖10d），在沒有增溫現(xiàn)象的情況下，比濕的垂直分布應(yīng)該與00:30 相似，空氣的含水量應(yīng)該更高。夜間邊界層內(nèi)變得干燥，氣溫中性層消失，高層位溫梯度減少，氣溫、位溫和比濕的垂直廓線變化表明邊界層內(nèi)有明顯的垂直混合作用，高空較暖、較干的空氣與近地表空氣混合，造成了溫度異常升高現(xiàn)象。

圖10 冬兩1 號(hào)站點(diǎn)不同氣象要素垂直廓線：（a）氣溫，單位：°C；（b）露點(diǎn)溫度，單位：°C；（c）位溫，單位：K；（d）比濕，單位：g kg-1Fig. 10 Vertical profiles of different meteorological elements at Dongliang NO.1 station: (a) Air temperature, units: °C; (b) dew point temperature,units: °C; (c) potential temperature, units: K; and (d) specific humidity, units: g kg-1

根據(jù)增溫前后位溫及風(fēng)場(chǎng)的垂直剖面（圖11）可以看出賽區(qū)9 日02:00 低層的位溫較8 日23:30顯著升高，等熵面的波動(dòng)特征從地面至750 hPa 均表現(xiàn)得較為明顯，這種波動(dòng)會(huì)造成對(duì)流層湍流（李子良和黃儀方，2006）。在夜間晴空條件下，湍流活動(dòng)與溫度變化密切相關(guān)，增強(qiáng)的湍流觸發(fā)垂直混合（錢敏偉和李軍，1996；Ma et al., 2015），從而反映在溫度的變化中。摩擦速度表征了湍流運(yùn)動(dòng)中水平動(dòng)量的垂直通量，根據(jù)冬奧賽區(qū)站點(diǎn)摩擦速度的時(shí)間變化曲線（圖12a）可以看出，在增溫出現(xiàn)前1 h 左右（9 日00:00），摩擦速度突然開始升高，表明地表附近湍流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，其與增溫過程相對(duì)應(yīng)。進(jìn)一步地，利用湍流動(dòng)能來評(píng)價(jià)增溫過程中湍流是否加強(qiáng)（Sun et al.，2012），由圖12b 可以看出從9 日01:00～02:30，近地面至2300 m 湍流動(dòng)能隨時(shí)間變化明顯升高，峰值出現(xiàn)在2000 m 高度處，這些升高的數(shù)值說明增溫期間湍流活動(dòng)增強(qiáng)。此外，根據(jù)梯度輸送理論（Hong，2006；吳志鵬，2021），計(jì)算湍流運(yùn)動(dòng)熱通量在垂直方向上的輸送。由上文已知此次過程存在明顯的逆溫現(xiàn)象，冷空氣上方具有暖空氣，為穩(wěn)定的夜間邊界層環(huán)境，由圖12c 可知站點(diǎn)運(yùn)動(dòng)熱通量為負(fù)，說明湍流使暖空氣沿梯度向冷空氣移動(dòng)，模擬的運(yùn)動(dòng)熱通量從01:30 開始突然增大，說明湍流加強(qiáng)熱量輸送，造成近地面溫度升高。綜上可知，湍流增強(qiáng)觸發(fā)垂直混合造成高層高位溫空氣與低層低位溫空氣混合，同時(shí)湍流加強(qiáng)熱量輸送，使得近地面溫度升高。

圖11 2020 年（a）2 月8 日23:30 與（b）9 日02:00 位溫沿40.91°N 緯向—垂直剖面，單位：K。圖中黑色區(qū)域?yàn)榈匦蜦ig. 11 Potential temperature distribution along 40.91°N profile at (a) 2330 BT February 9 and (b) 0200 BT February 8, 2020, units: K. The black area is the terrain

圖12 2020 年2 月8 日20:00 至9 日08:00 河北冬奧賽區(qū)冬兩1 號(hào)站點(diǎn)（a）摩擦速度（單位：m s-1）隨時(shí)間演變曲線；2020 年2 月9 日00:30 至02:30 河北冬奧賽區(qū)冬兩1 號(hào)站點(diǎn)垂直分布變化（b）湍流動(dòng)能（單位：m2 s-2）以及（c）運(yùn)動(dòng)熱通量（單位：K m s-1）Fig. 12 Time evolution curves of Dongliang NO.1 station in the Hebei Winter Olympic Games area from 2000 BT February 8 to 0800 BT February 9, 2020: (a) Friction velocity (units: m s-1); vertical distribution of Dongliang NO.1 station in the Hebei Winter Olympic Games area from 0030 BT to 0800 BT February 9, 2020: (b) Turbulent kinetic energy (TKE) (units: m2 s-2), (c) kinetic heat flux (KHF) (units: K m s-1)

6 總結(jié)與討論

河北冬奧賽區(qū)冬半年多次發(fā)生大范圍的夜間增溫事件，為研究該區(qū)域此類事件主要?dú)庀筇卣骷俺梢?，本文利用WRF 中尺度數(shù)值模式，引入高精度地形資料，對(duì)2020 年2 月8 日夜間至9 日凌晨冬奧賽區(qū)一次典型的夜間強(qiáng)增溫過程進(jìn)行模擬，詳細(xì)分析了此次過程中氣象要素的水平及垂直變化特征，探究了其可能成因。主要結(jié)論如下：

（1）河北冬奧賽區(qū)冬半年夜間異常增溫事件頻發(fā)，此次增溫現(xiàn)象在凌晨最為明顯，小時(shí)增溫幅度在2°C～3°C，具有該區(qū)域夜間溫度異常升高的典型特征。此次過程受高空冷渦的影響，大氣中高層為西北氣流，冷平流顯著，大氣低層為西風(fēng)和西南風(fēng)，帶來一定暖空氣，中高層強(qiáng)冷平流有利于強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)，高低層風(fēng)切變及溫度平流差異容易造成垂直混合作用，這是導(dǎo)致氣溫出現(xiàn)異常升高的大環(huán)流背景。

（2）此次夜間增溫事件覆蓋范圍較廣，從賽區(qū)的西北部開始，逐漸向東南方向蔓延，且增溫幅度呈現(xiàn)加強(qiáng)的趨勢(shì)，近地面氣象要素對(duì)此次過程有很好的指示意義，夜間氣溫出現(xiàn)異常升高的區(qū)域與相對(duì)濕度降低、風(fēng)速增大、海平面氣壓降低區(qū)域在位置上有較好的對(duì)應(yīng)，并且在變化強(qiáng)度上也有較好的對(duì)應(yīng)。

（3）賽區(qū)夜間到達(dá)地表的長(zhǎng)波輻射升高，減緩了地表對(duì)大氣的降溫效果；高空下沉增溫作用強(qiáng)于冷平流；近地面暖空氣輸送；高低空存在風(fēng)切變，湍流運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)觸發(fā)垂直混合，湍流垂直輸送熱通量，以上共同作用造成了此次夜間溫度異常升高現(xiàn)象。此外，根據(jù)文中分析可知，此次過程中強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)以及邊界層內(nèi)的湍流增強(qiáng)占主導(dǎo)地位，冷平流作用弱于下沉運(yùn)動(dòng)帶來的增溫效果，而非絕熱因子僅起到減緩降溫作用，并非主要原因。

本文雖然對(duì)河北冬奧賽區(qū)2020 年2 月8 日夜間至9 日凌晨的溫度異常升高過程進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，但本文數(shù)值模擬結(jié)果時(shí)間分辨率仍不能完全反映此次夜間異常升溫過程的變化情況，其中地形、非絕熱因子及湍流運(yùn)動(dòng)對(duì)于地面增溫的貢獻(xiàn)大小等問題，仍需要精細(xì)可靠的數(shù)值模擬資料來進(jìn)行定量分析。此外，結(jié)合區(qū)域地理及氣候特征對(duì)此類過程進(jìn)行分型分析也有利于提高對(duì)此類事件的預(yù)報(bào)能力。