范元月，張家國，枚雪彬，李洪兵，丁麗麗

(1.湖北省宜昌市氣象局，宜昌 443000；2.武漢中心氣象臺，武漢 430074)

引 言

三峽壩區(qū)位于長江三峽河谷之中最險峻地段的西陵峽峽口區(qū)，南北兩岸遠(yuǎn)處為海拔高度1～2 km的崇山峻嶺，近處為300～500 m的峭壁，河道自西向東貫穿其中；該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，并具山地氣候特征，是湖北省風(fēng)災(zāi)較為嚴(yán)重的地區(qū)之一(李蘭等，2009)，其中發(fā)生在冬春季的晴空大風(fēng)，由于持續(xù)時間長、平均風(fēng)速大，自三峽工程建設(shè)以來屢次對施工、通航運行帶來安全隱患(田剛等，2009)。隨著三峽工程永久船閘投入使用，持續(xù)性大風(fēng)天氣對冬季蓄水后的三峽航道影響日益凸顯。按照三峽船閘通航調(diào)度技術(shù)規(guī)程(JTS 196-6-2012)，出現(xiàn)6級以上大風(fēng)時即考慮封航。近年來，因大風(fēng)導(dǎo)致三峽船閘停航時間約達10 d(孔凡軍等，2020)，其中造成封航30 min以上的大風(fēng)天氣均為晴空大風(fēng)。如，2021年1月因持續(xù)性晴空大風(fēng)，三峽船閘停航長達70 h，造成巨大經(jīng)濟損失。因此，深入研究此類天氣的成因?qū)φ_認(rèn)識三峽壩區(qū)大風(fēng)天氣及其可能導(dǎo)致的極端事件具有重要意義。

我國冬半年是持續(xù)性大風(fēng)的高發(fā)期，其主要發(fā)生在新疆、河西走廊及太行山東麓等地(楊忠恩等，2007；何毅等，2015；王黌等，2019)。隨著現(xiàn)代化氣象觀測系統(tǒng)的建立和數(shù)值預(yù)報模式的發(fā)展，近些年國內(nèi)針對持續(xù)性大風(fēng)成因開展了較多研究。針對新疆2007年“2·28”大風(fēng)，黃海波等(2013)和湯浩等(2020)研究均認(rèn)為，大風(fēng)由重力波和強氣壓梯度使氣流加速穿過峽谷造成；王澄海等(2011)則認(rèn)為，強氣壓梯度作用下的動量下傳和非絕熱加熱引起的近地層湍流是引起大風(fēng)的主要原因。盧冰等(2014)模擬新疆克拉瑪依一次強風(fēng)顯示，重力波將上層能量往下傳播導(dǎo)致了地面大風(fēng)。張文軍等(2019)分析指出，冷平流和動量下傳是河西走廊西部持續(xù)大風(fēng)形成的關(guān)鍵因素，部分時段大風(fēng)也與地面變壓風(fēng)有關(guān)。王宗敏等(2012)研究認(rèn)為，太行山東麓大風(fēng)天氣是山脈背風(fēng)波向下游移動導(dǎo)致的。趙建偉和畢波(2017)對大理機場一次晴空大風(fēng)天氣過程的診斷分析指出，動量下傳是造成大風(fēng)的主要因子。以上研究表明，災(zāi)害性持續(xù)大風(fēng)的發(fā)生與特定動力機制和地形有關(guān)，動量下傳、變壓風(fēng)、背風(fēng)波、近地層湍流等均可能是其形成的重要機制，但各地大風(fēng)發(fā)生原因非常復(fù)雜，仍有必要對典型大風(fēng)個例進行深入研究。

自20世紀(jì)90年代以來，對三峽河谷地區(qū)大風(fēng)天氣也有一些研究。王浩(1993)、于強等(1996)、傅抱璞(1997)、張雪婷等(2016)對該地區(qū)地面風(fēng)速分布研究表明，受山谷熱力環(huán)流和峽谷效應(yīng)影響，冬季三峽河谷夜間風(fēng)力較大；河谷越寬，其風(fēng)速越強。李艷等(2011)的數(shù)值試驗表明，壩區(qū)水體擴展將引起狹窄水道上出現(xiàn)弱的風(fēng)速增大。田剛等(2009)統(tǒng)計壩區(qū)大風(fēng)過程(瞬時風(fēng)速≥10.8 m·s-1)時指出，壩區(qū)持續(xù)性大風(fēng)均為晴空大風(fēng)，極大風(fēng)速一般為13～20 m·s-1，其發(fā)生頻次和持續(xù)時間遠(yuǎn)超雷暴大風(fēng)。因受觀測資料限制，目前關(guān)于三峽壩區(qū)局地持續(xù)大風(fēng)的天氣成因和動力機制尚不清楚。近10多年來，三峽近壩區(qū)建成了多要素加密自動站、邊界層風(fēng)廓線雷達、梯度塔等立體觀測系統(tǒng)，積累了豐富的觀測資料，為研究壩區(qū)局地晴空大風(fēng)中尺度特征及成因提供了有利條件。2021年1月12—13日三峽壩區(qū)出現(xiàn)了一次極端持續(xù)性晴空大風(fēng)過程(以下簡稱“21·1”壩區(qū)晴空大風(fēng))，6級以上大風(fēng)持續(xù)時間達36 h，其時長為近10 a之最。為此，本文利用常規(guī)和中尺度觀測資料，結(jié)合高分辨率再分析資料，對“21·1”壩區(qū)晴空大風(fēng)的中尺度特征進行了分析，重點探討了三峽壩區(qū)特殊地形下局地晴空大風(fēng)的成因，以期提高對峽谷冬季大風(fēng)天氣的認(rèn)識和預(yù)報預(yù)警能力。

1 資料來源及說明

本文用到的資料包括:(1)2021年1月11日08時(北京時，下同)—13日20時三峽壩區(qū)及其周邊加密自動氣象站(圖1)逐小時極大風(fēng)速資料，以及逐小時氣壓、氣溫、濕度等其他氣象要素資料(主要來源于三峽永久船閘處的壇子嶺氣象站)；(2)同期宜昌探空站(站號57461，30.736 7°N,111.359 2°E)、涇河探空站(站號57131，34.400°N,108.983°E)資料；(3)同期秭歸風(fēng)廓線雷達探測資料，包括逐小時邊界層水平、垂直風(fēng)資料；(3)歐洲中心ERA5(0.25°×0.25°)再分析資料，時間分辨率為3 h；(4)湖北省1:250萬地形數(shù)據(jù)。

圖1 三峽壩區(qū)氣象觀測站點(黑色圓點所示)分布及其周邊地形高度(填色，單位:m)與2021年1月12日03時10 min平均風(fēng)速(等值線，單位:m·s-1)Fig.1 Distribution of the meteorological stations(showed by black dots)in the Three Gorges Dam Area and the terrain height(color-filled areas,unit:m),and the 10-minute average wind velocity(contours,unit:m·s-1)in the Three Gorges Dam Area and its surrounding areas at 03∶00 BT on 12 January 2021.

各氣象觀測站(圖1)自上游至下游依次為西嶺村站、太平溪站、秭歸站、壇子嶺站，此四站均位于河谷區(qū)；宜昌探空站位于下游平原低山區(qū)。上述各站地理信息和觀測資料類型見表1。

表1 三峽河谷沿岸氣象站位置與資料類型Table 1 Locations and data types of the meteorological stations along the Three Gorges Valley.

2 三峽河谷地形及晴空大風(fēng)特征

三峽壩區(qū)位于三峽河谷東端，西部為巫山，東部為江漢平原，呈向東開口的喇叭口地形(圖1)。有研究表明，其西部高山和東部平原之間的山谷風(fēng)環(huán)流會造成地面風(fēng)速在夜間加大、白天減小，當(dāng)風(fēng)向與峽谷走向平行時，西北—東南向狹長河谷處風(fēng)速可達平地的1.6～1.9倍(傅抱璞，1997；張雪婷等，2016)。若以處于峽谷外開闊地的宜昌站風(fēng)速估算山谷風(fēng)環(huán)流風(fēng)速，“21·1”壩區(qū)晴空大風(fēng)過程前后的1月11—13日宜昌站以西北風(fēng)為主，夜間平均風(fēng)速為1.9～2.2 m·s-1，據(jù)此夜間山谷風(fēng)風(fēng)速約為3～4 m·s-1。由大風(fēng)爆發(fā)階段10 min平均風(fēng)速分布可見(圖1)，背風(fēng)坡存在兩個大風(fēng)中心，分別位于地形坡度較大的區(qū)域和山后近壩區(qū)的河谷，近壩區(qū)河谷地區(qū)以壇子嶺站風(fēng)速最大。

另外，從此次大風(fēng)過程前后沿三峽河谷各代表站風(fēng)速變化和壇子嶺站單站氣象要素小時變化(圖2)看出，各代表站中，壇子嶺站不僅風(fēng)速最大，大風(fēng)持續(xù)時間也最長(圖2a)，這與該站所處位置的河谷最寬有關(guān)(張雪婷等，2016)。位于峽谷外的宜昌站僅12日11—17時風(fēng)速稍大，極大風(fēng)速僅8.1～10.2 m·s-1；而位于峽谷內(nèi)的西嶺村、太平溪和壇子嶺站自上游向下游依次出現(xiàn)大風(fēng)，3站風(fēng)速均在夜間增大、午后減弱，風(fēng)速在12日03—04時、11—14時、20—23時和13日09—11時4個時段顯著增大；上下游風(fēng)速變化趨勢一致，其日變化呈明顯雙峰雙谷型特征，兩日其主峰均出現(xiàn)在夜間，次峰均出現(xiàn)在上午，日內(nèi)兩個谷值分別出現(xiàn)在早晨和傍晚。此次過程中河谷地區(qū)地面氣象要素(圖2b)波動明顯，風(fēng)速與氣溫變化同位相，與3 h變壓、相對濕度變化反位相。12日凌晨、上午和中午及13日夜間風(fēng)速增大時，氣溫升高或夜間氣溫下降速度顯著減小，3 h變壓及相對濕度快速下降；12日早晨和傍晚風(fēng)速減小時，氣溫降低，相對濕度和3 h變壓增大(或減小不明顯)，其中以12日凌晨氣溫陡升、氣壓和相對濕度快速下降尤為突出。這些氣象要素的位相關(guān)系表明該區(qū)域很可能產(chǎn)生了焚風(fēng)(即干熱下坡風(fēng))。

圖2 2021年1月11日21時—13日20時三峽河谷4個代表站極大風(fēng)速變化(a)以及壇子嶺站氣溫(單位:℃)、氣壓(單位:hPa)和相對濕度(單位:%)逐小時變化(b)Fig.2 Variations of(a)the maximum wind velocity at the representative stations along the Three Gorges Valley and(b)the hourly temperature(unit:℃),pressure(unit:hPa)and relative humidity(unit:%)at Tanziling station from 21∶00 BT 11 to 20∶00 BT 13 January 2021.

以往研究中已有人注意到山體、三峽壩區(qū)水體的熱力差異導(dǎo)致的河谷處夜間風(fēng)力加大(王浩，1993；于強等，1996；傅抱璞，1997；張雪婷等，2016)。但據(jù)上文中估算，局地?zé)崃Νh(huán)流僅會導(dǎo)致夜間風(fēng)速增大3～4 m·s-1，遠(yuǎn)小于河谷中出現(xiàn)的6～9級大風(fēng)，且大風(fēng)持續(xù)時間遠(yuǎn)大于山谷風(fēng)環(huán)流維持時間，表明局地?zé)崃σ蛩夭⒎谴箫L(fēng)成因，其形成并持續(xù)可能與特殊天氣條件有關(guān)。

3 晴空大風(fēng)的動力成因分析

3.1 高空急流及高空垂直運動對大風(fēng)的影響

2021年1月11日08時，東亞中高緯地區(qū)受東亞大槽后西北氣流影響(圖略)，鄂西地區(qū)位于850 hBa高壓環(huán)流中，天氣晴好，升溫明顯。11日08∶00—13日08∶00，200 hBa西風(fēng)急流帶穩(wěn)定維持在50°—150°E、30°N附近，急流最強時中心風(fēng)速80～90 m·s-1，鄂西地區(qū)即位于急流入口區(qū)左側(cè)(圖3a)。診斷分析發(fā)現(xiàn)，1月11—13日200 hBa高空槽和急流入口區(qū)左側(cè)的負(fù)渦度平流強迫的高層輻合與低層高壓區(qū)中的輻散耦合，導(dǎo)致了三峽壩區(qū)高空深厚的下沉運動。

圖3 2021年1月11日08時200 hPa風(fēng)場(風(fēng)矢量，單位:m·s-1)分布圖(a，陰影為急流軸)，以及10日08時—13日20時壇子嶺站水平風(fēng)(風(fēng)向桿)和垂直速度(填色區(qū)，單位:m·s-1)時間-高度剖面(b)Fig.3(a)Wind field(vector,unit:m·s-1)at 200 hPa at 08∶00 BT 11 January 2021,and(b)height-time cross section of horizontal wind(barbs)and vertical velocity(color-filled areas,unit:m·s-1)at Tanziling station from 08∶00 BT 10 to 20∶00 BT 13 January 2021.In(a)shaded area denotes the stream jet axis.

為進一步分析高空急流與下沉運動間的關(guān)系，圖3b給出壇子嶺站附近的風(fēng)速、垂直速度時間垂直剖面，從中看到，即使在急流入口區(qū)的下沉運動區(qū)中，垂直速度也呈非均勻分布，-0.1 m·s-1以上較強下沉運動僅位于高空和近地層，而在對流層中低層下沉運動均不強，其中12日02時、20時前后700—500 hBa間還出現(xiàn)了垂直速度為0.1 m·s-1的上升運動中心。整層下沉運動僅出現(xiàn)在11日08—20時，期間最大下沉運動區(qū)出現(xiàn)在400 hBa附近，最大下沉速度為-0.15 m·s-1。隨著下沉運動向下延伸，11日白天自高空向邊界層頂風(fēng)速依次增大，11日20時850 hBa附近形成16 m·s-1的西北急流，急流持續(xù)至12日20時。進一步分析圖3b發(fā)現(xiàn)，地面大風(fēng)開始之前6～8 h邊界層下沉運動突然增大，且在連續(xù)晴空大風(fēng)過程中均為下沉運動大值區(qū)。

3.2 低空急流及邊界層垂直運動對地面大風(fēng)的影響

風(fēng)廓線雷達觀測到了“21·1”壩區(qū)晴空大風(fēng)過程更精細(xì)的邊界層水平和垂直風(fēng)演變(圖4)。從圖4中風(fēng)廓線雷達水平風(fēng)分布看到，自“21·1”壩區(qū)晴空大風(fēng)過程開始前直到最后一次風(fēng)速達到波峰時，邊界層頂均存在西北急流，與ERA5再分析風(fēng)速分布(圖3b)顯示的“11日夜間850 hBa急流增大、12日夜間急流風(fēng)速減小”不同，風(fēng)廓線雷達探測結(jié)果可見邊界層急流夜間大而白天小。對于這種日變化現(xiàn)象，Blackadar(1957)的解釋是，白天湍流摩擦力大，風(fēng)速小于地轉(zhuǎn)風(fēng)，夜間邊界層湍流消失，摩擦力小而風(fēng)速較大，這種慣性振蕩是促進低空急流形成、發(fā)展的重要原因之一。但11日夜間邊界層急流中極大風(fēng)速更大(30 m·s-1)，且出現(xiàn)在后半夜到清晨，而12日夜間急流極大風(fēng)速要小得多(16 m·s-1)，且出現(xiàn)在前半夜，這可能與圖3b顯示的兩日高空下沉運動的大小和出現(xiàn)時間不同有關(guān)。另外，急流在12日凌晨02—08時最強，這也是地面大風(fēng)最強的時段；13日08時之后邊界層西北急流消失，晴空大風(fēng)過程隨之趨于結(jié)束。

圖4 2021年1月11日21時—13日20時秭歸風(fēng)廓線雷達水平風(fēng)(風(fēng)向桿)與垂直速度(陰影，單位:m·s-1)變化Fig.4 Horizontal wind(barbs)and vertical velocity(shaded,unit:m·s-1)observed by the wind profile radar at Zigui from 21∶00 BT 11 to 20∶00 BT 13 January 2021.

再由圖4垂直風(fēng)探測結(jié)果可知，邊界層存在較強的下沉運動，且周期性下沉運動峰值與地面風(fēng)速快速增大時段吻合:12日02時、08時、14時、20時1—2 km高度上為-1 m·s-1的下沉速度大值中心，之后0.5～1 h地面風(fēng)速陡升；12日21時下沉運動最強，對應(yīng)隨后的壇子嶺站出現(xiàn)極大風(fēng)速極值。4次強的下沉運動間歇期也對應(yīng)地面風(fēng)速減小。此外，12日16—18時1—2 km高度上出現(xiàn)4 m·s-1強上升運動，地面風(fēng)速快速減小，正好與風(fēng)速波谷對應(yīng)。

綜上分析可知，“21·1”壩區(qū)晴空大風(fēng)過程中，高空急流與低空急流并存，低空急流的建立可能與高空急流、高空下沉運動相關(guān)，而地面大風(fēng)與低空急流、邊界層下沉運動密切相關(guān)。為此，下文利用尺度分析方法，通過對高、低層動量的下傳、響應(yīng)時間的分析，探討地面大風(fēng)的形成機制。

3.3 不同高度動量下傳的作用

動量通量是指單位時間內(nèi)通過單位面積的動量，水平動量垂直通量為(其中，V為水平風(fēng)速，H為上、下層間的厚度，w為上下層間垂直速度平均值)，下層邊界增加?V風(fēng)速需要的時間為?t=。根據(jù)高空再分析風(fēng)場(圖3b)、邊界層探測(圖4)結(jié)果，開始時地面風(fēng)速為2 m·s-1，11日08時200 hBa風(fēng)速為80 m·s-1，700 hBa風(fēng)速為10 m·s-1，對高、低空而言，均有，針對三種不同高度和量級的垂直運動，即w～10-2m·s-1(高空大尺度垂直運動)、w～10-1m·s-1(高空)、w～100m·s-1(邊界層)對動量下傳的作用，對其分別討論如下。

3.3.1 高空動量下傳

“21·1”壩區(qū)晴空大風(fēng)過程1月11日08時以及12日02時和20時前后高空平均下沉速度為-0.05 m·s-1，將下層邊界下風(fēng)速增大10 m·s-1(形成低空急流)約需時間

此過程中整層較強下沉運動出現(xiàn)在11日08—20時，11日14時—12日02時700—800 hBa風(fēng)速也是大風(fēng)過程中急流最強時段，受中、高層動量下傳影響，低空急流風(fēng)速超過20 m·s-1；同樣，12日02時、20時較明顯的下沉運動位于200—500 hBa，12日08時和13日02時前后500 hBa水平風(fēng)顯著增大；另外，13日02時之后高空再未出現(xiàn)較強下沉運動，低空急流隨之消失；低層急流增強和持續(xù)時間觀測值與通過高空動量下傳理論估算的結(jié)果非常一致，表明高空動量下傳作用超過邊界層慣性振蕩是低空急流形成和加強的主要原因。

除以上3個時段外，高空下沉速度均較小，平均下沉速度w～10-2m·s-1，因而將下層邊界風(fēng)速增大10 m·s-1約需時間?t=105s≈28 h，單位時間內(nèi)向下傳輸?shù)膭恿亢苄?，很可能被中尺度下沉運動掩蓋或被中尺度上升運動抵消。

3.3.2 邊界層動量下傳

此次過程邊界層強下沉運動出現(xiàn)時次分別為12日02時、08時、14時、21時和13日02時，此期間邊界層平均垂直速度w～-5×10-1m·s-1，地面增加10 m·s-1的風(fēng)速需要時間約為?t=2×103s，即0.5～1 h，這與地面風(fēng)速波動時間也非常一致。12日16—18時邊界層中還出現(xiàn)了較強的上升運動，逆轉(zhuǎn)的垂直運動使邊界層動量下傳過程驟然中斷，14—15時地面出現(xiàn)極大風(fēng)后風(fēng)速快速減小，地面大風(fēng)過程間歇，而動量上傳使邊界層頂風(fēng)速略有增大。

由以上討論結(jié)果可知:高空動量下傳是低空急流形成的主要原因，3次高空下沉速度大值出現(xiàn)6 h后低空急流即增強；由于高空較強的下沉運動僅集中在500—200 hBa之間，中低層下沉運動較弱，因此從高空下傳的較大動量在低層累積，與邊界層慣性振蕩耦合，形成夜間低空急流；低空急流之下的邊界層動量下傳是地面大風(fēng)形成的原因，邊界層強下沉運動出現(xiàn)后0.5～1 h地面風(fēng)速即出現(xiàn)陡升；邊界層為上升運動時，抑制動量下傳，地面風(fēng)速快速減小，大風(fēng)過程間歇；地面大風(fēng)的形成是一個“接力”的過程，高空動量下傳使大動量在低層累積形成低空急流，再由邊界層更強下沉運動使低空急流上較大動量進一步快速下傳到地面形成大風(fēng)。

3.4 邊界層中尺度下沉運動形成和維持機制

3.4.1 氣流過山與地形波

國內(nèi)外理論研究及試驗表明，山脈背風(fēng)側(cè)地面大風(fēng)的形成與過山氣流有關(guān)(Scorer and Klieforth，1959；Houghton and Kasahara，1968；Klemp and Lilly，1975；顧偉和伍榮生，1995；壽紹文，1993；李子良，2006；李藝苑等，2009)。在氣流過山問題研究中，弗勞德數(shù)(Fr)是描述過山氣流運動狀態(tài)的重要參數(shù)(Riley et al.，1975；顧偉和伍榮生，1995；李藝苑等，2009)，其定義為

其中，U為氣流平均速度；h為山高(此處取1 500 m)。Fr決定過山氣流的特征：Fr>>1時，氣流為線性波動，反之則為非線性波動，其中Fr<1時，氣流以繞流為主，F(xiàn)r>1時，氣流開始爬坡，F(xiàn)r增大到一定程度，氣流就會發(fā)生比較明顯的垂直偏轉(zhuǎn)，即迎風(fēng)坡為弱上升，背風(fēng)坡為強下沉(Riley et al.，1975)。

根據(jù)Fr的定義，需要選擇氣流上游山前平原地區(qū)且有探空數(shù)據(jù)的站點來計算，且大風(fēng)過程期間，環(huán)境流場為西北風(fēng)。因此，要在三峽壩區(qū)西北側(cè)的大巴山前選取一個平原探空站，而最近的平原探空站是陜西涇河站(108.983°E,34.400°N)，本文選擇該站使用式(1)計算了此次大風(fēng)期間不同時刻大巴山脈西北側(cè)900—700 hBa的Fr，從其隨時間變化圖(圖5)可見，11日20時—12日02時和12日17—20時山前Fr超過1,此時段氣流具有爬坡能力；11日23時Fr達到最大值1.4，表明爬坡能力達到最大，隨后爬升能力下降，12日23時之后Fr均未超過1。氣流上游山前低層Fr的變化特征表明，大風(fēng)過程中過山氣流為非線性波動，且11日20時—12日02時、12日17—20時上游來流具有翻山能力，氣流能夠?qū)⒆陨淼奈荒苻D(zhuǎn)化為動能，從而在背風(fēng)坡形成下坡風(fēng)暴(Durran，1986；徐昕，2014)。

圖5 2021年1月11日20時—13日20時山前(涇河探空站，108.983°E，34.4°N)900—700 hPa弗勞德數(shù)(F r)變化Fig.5 Variation of Froude number(F r)between 900 hPa and 700 hPa at Jinghe sounding station(108.983°E,34.4°N)in the piedmont from 20∶00 BT 11 to 20∶00 BT 13 January 2021.

由于地形的阻擋作用，迎風(fēng)坡氣流被地形強迫抬升，經(jīng)過一段時間之后，爬坡翻山的空氣質(zhì)點在重力的作用下會在山坡后產(chǎn)生垂直振蕩，形成地形重力波。晴空大風(fēng)過程中的氣塊為干絕熱變化，地形波可用位溫表征(楊大升等，1980)。圖6給出2021年1月11—13日不同時刻沿110°E經(jīng)壇子嶺站的位溫、垂直速度、經(jīng)向風(fēng)經(jīng)向剖面，從中看到，11日20時(圖6a)，迎風(fēng)坡上空等位溫線向上彎曲，而背風(fēng)坡上空等位溫線折向地面，表明地形的強迫抬升開始在750 hBa以下激發(fā)出背風(fēng)波，此時背風(fēng)波振幅較小，背風(fēng)坡下沉運動較弱，峽谷內(nèi)風(fēng)速較小。12日02時(圖6b)，背風(fēng)波振幅加大，自地面至500 hBa均存在波槽；292 K等位溫線較6 h前快速下降且振幅加大，下部位溫線變密；背風(fēng)波位相逐漸向氣流上游傾斜，邊界層下沉運動也較6 h前明顯增強。12日08時(圖6c)，背風(fēng)波振幅仍然較大，且288 K等位溫線接地，重力波位相向上游進一步傾斜，相速度與風(fēng)速的不匹配造成重力波的非線性傳播并產(chǎn)生水躍現(xiàn)象，即產(chǎn)生了大振幅背風(fēng)波。12日14—20時(圖6d、e)，低層背風(fēng)波維持，但振幅減小，波槽下降至600—700 hBa以下，下沉運動減弱。13日02時(圖6f)后，地形波動信號僅存在于700 hBa以下，過山氣流變?yōu)槠交瑴\波，下沉運動也顯著減弱。

圖6 2021年1月11日20時(a)以及12日02時(b)、08時(c)、14時(d)、20時(e)與13日02時(f)沿111°E經(jīng)壇子嶺站(紅色三角)的位溫(等值線，單位:K)、垂直速度(彩色陰影，單位:m·s-1)、經(jīng)向風(fēng)(綠色風(fēng)桿)經(jīng)向垂直剖面(黑色陰影為地形)Fig.6 Meridional cross section of potential temperature(contours,unit:K),vertical velocity(colored shaded,unit:m·s-1),meridional wind(green barbs)along 111°E across Tanziling station(showed by red triangle)at(a)20∶00 BT 11 and(b)02∶00 BT,(c)08∶00 BT,(d)14∶00 BT,(e)20∶00 BT on 12,and(f)02∶00 BT on 13 January 2021.Black shaded area denotes terrain sheltered area.

對比此次大風(fēng)過程期間山前Fr及過山氣流波動分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，背風(fēng)波出現(xiàn)在Fr兩次高峰期間(11日20時—12日20時)，山前Fr最大值往后順延6 h后開始出現(xiàn)大振幅水躍型背風(fēng)波(圖6b)，這正是此次過程大風(fēng)的爆發(fā)時段。

3.4.2 大氣層結(jié)與背風(fēng)波

由以上分析結(jié)果可知，此次大風(fēng)過程與背風(fēng)波聯(lián)系密切，在三峽河谷大風(fēng)開始前6 h，山后低層即已激發(fā)出背風(fēng)波，背風(fēng)波消失6 h后，大風(fēng)過程趨于結(jié)束，因此預(yù)報晴空大風(fēng)的開始和結(jié)束時間關(guān)鍵就在于背風(fēng)波的生消。前人研究指出，背風(fēng)波的出現(xiàn)需要具備600 hBa以下的逆溫層和較強的風(fēng)垂直切變(Brink?mann，1974；Klemp and Lilly，1975；壽紹文，1993；顧偉和伍榮生，1995；肖慶農(nóng)和伍榮生，1995；臧增亮等，2006)。圖7給出2021年1月11—13日不同時刻宜昌站風(fēng)速和溫度的垂直變化，從中可見，背風(fēng)波振幅較大時(圖7a、b)，大氣低層均存在明顯水平風(fēng)垂直切變和逆溫層。12日08時(圖7b)和20時(圖略)，低層風(fēng)隨高度增大，逆溫層頂位于850 hBa附近，略高于峽谷內(nèi)坡頂高度，這兩個時次對應(yīng)的背風(fēng)波振幅最大、等位溫線最密；而在之前的11日20時(圖7a)，垂直風(fēng)切變雖然較大，但逆溫層結(jié)不明顯，此時背風(fēng)波振幅較小，等位溫線較稀疏；到了13日08時(圖7c)，低層逆溫層較強，但垂直風(fēng)切變非常小，則不利于背風(fēng)波維持。相反，12日白天近地面升溫迅速，地面與中低層溫差極大，對流層下部層結(jié)變得不穩(wěn)定，對背風(fēng)波的形成和維持極其不利，因而12日午后背風(fēng)波振幅、等溫線密度均較08時減弱。因此，山頂附近的逆溫層及較大的西風(fēng)垂直切變持續(xù)時間較長，使背風(fēng)波存在時間較長；低層溫度層結(jié)極不穩(wěn)定時，則不利于背風(fēng)波維持。

圖7 2021年1月11日20時(a)、12日08時(b)和13日08時(c)宜昌站風(fēng)速(實線，單位:m·s-1)和溫度(虛線，單位:℃)垂直變化Fig.7 Vertical distribution of wind velocity(solid line,unit:m·s-1)and temperature(dashed line,unit:℃)at Yichang station at(a)20∶00 BT 11,(b)08∶00 BT 12 and(c)08∶00 BT 13 January 2021.

進一步分析圖7中低層溫度層結(jié)表明，11日20時—13日08時山頂之下近地層溫度直減率均大于8℃·km-1，非常接近干絕熱遞減率9.8℃·km-1。對流層層結(jié)曲線與干絕熱線平行的層次越厚，越有利于動量下傳，使得地面風(fēng)速越大(李秀蓮，2002)。根據(jù)這一研究結(jié)論，“21·1”壩區(qū)晴空大風(fēng)過程逆溫層之下接近干絕熱遞減率的溫度層結(jié)條件有利于下沉運動增強，進而加強了地面風(fēng)速。

5 結(jié)論與討論

本文利用常規(guī)觀測資料及中尺度觀測資料，分析了“21·1”壩區(qū)晴空大風(fēng)過程的特征及其成因，同時利用尺度分析方法估算高、低空動量下傳對地面大風(fēng)的貢獻；在此基礎(chǔ)上，進一步分析了中尺度下沉運動的產(chǎn)生和維持機制，揭示了邊界層出現(xiàn)強下沉運動的層結(jié)條件。主要結(jié)論如下：

(1)2021年1月中旬三峽壩區(qū)持續(xù)性極端晴空大風(fēng)發(fā)生在背風(fēng)坡河谷地區(qū)，期間共有4次風(fēng)速波動，具有下坡風(fēng)特征，風(fēng)速在夜間增大、午后減弱，風(fēng)速增大時氣溫升高、氣壓和相對濕度降低。

(2)大風(fēng)過程發(fā)生在高空急流入口區(qū)左側(cè)，高空大尺度輻合下沉運動將高空動量下傳到低層，在下沉運動大值區(qū)下界到邊界層頂之間形成動量累積，產(chǎn)生低空急流；夜間邊界層中更強的下沉運動通過“接力”方式將邊界層頂較大動量快速傳至地面，形成局地大風(fēng)。低空急流形成于高空較強的下沉運動6 h之后，地面大風(fēng)開始于邊界層強垂直運動發(fā)生之后0.5～1 h。地面大風(fēng)的周期性變化與邊界層下沉運動的周期性變化相對應(yīng)。

(3)邊界層較強的下沉運動與背風(fēng)波密切相關(guān)。大振幅背風(fēng)波出現(xiàn)在Fr＞1峰值6 h之后；背風(fēng)波振幅大，則邊界層下沉運動強，地面大風(fēng)發(fā)展和維持；背風(fēng)波振幅小，則下沉運動弱，地面大風(fēng)過程趨于結(jié)束。山頂附近較強的逆溫層和邊界層較大的風(fēng)垂直切變是出現(xiàn)背風(fēng)波的有利環(huán)境條件。大風(fēng)過程中，逆溫層之下的近地層溫度遞減率接近干絕熱遞減率也是地面大風(fēng)形成的有利條件之一；期間地面升溫迅速還出現(xiàn)了短暫的低層層結(jié)不穩(wěn)定，使得低層上升運動發(fā)展，從而抑制邊界層頂?shù)膭恿肯聜鞯降孛?，大風(fēng)過程相應(yīng)出現(xiàn)間歇。

需要說明的是，2021年5月26日三峽河谷地區(qū)再次出現(xiàn)晴空大風(fēng)，利用文中對此處晴空大風(fēng)動力成因分析結(jié)果，根據(jù)26日20時宜昌站探空圖上出現(xiàn)的較大垂直風(fēng)切變和逆溫層，成功預(yù)測出風(fēng)力在夜間加強且大風(fēng)過程會持續(xù)至次日08時之后；又于27日08時據(jù)低空西北急流顯著減弱，成功預(yù)報出大風(fēng)過程將于當(dāng)日上午結(jié)束。同時，也注意到，5月26日大風(fēng)過程開始于午后，這是由于邊界層湍流混合造成的動量下傳導(dǎo)致的，與夜間穩(wěn)定層結(jié)下的背風(fēng)坡動量下傳具有顯著區(qū)別，針對午后初生型晴空大風(fēng)發(fā)生的天氣條件尚不清楚，仍有待于以后通過專題研究進行探討，期望不斷提高三峽河谷晴空大風(fēng)的預(yù)報預(yù)警能力。