摘要 應(yīng)用高空、地面等常規(guī)觀測資料、區(qū)域自動站資料及矢量法作為風(fēng)向統(tǒng)計(jì)方法，通過分析2019年張家口賽區(qū)（冬奧會同期2019年2月4—20日）的溫度、小時(shí)平均風(fēng)向風(fēng)速以及極大風(fēng)風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)，并結(jié)合山地氣象學(xué)方面的知識，從冷空氣強(qiáng)度和復(fù)雜地形方面分別對賽區(qū)風(fēng)的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：（1）崇禮賽區(qū)風(fēng)向風(fēng)速受地形阻擋作用影響明顯，其中越野和冬季兩項(xiàng)比賽場地具有明顯的地形風(fēng)特征，夜間的下谷（坡）風(fēng)風(fēng)向集中且風(fēng)速較小，在2 m/s左右，而白天上坡（谷）風(fēng)風(fēng)向分散且風(fēng)速相對較大，在4 m/s以下;跳臺和云頂比賽場地由于地形與系統(tǒng)風(fēng)方向相對或一致的原因，地形風(fēng)特征并不明顯，存在地形繞流影響;（2）在弱冷空氣或暖氣團(tuán)條件下，越野和冬季兩項(xiàng)賽區(qū)的風(fēng)從08：00開始轉(zhuǎn)為上坡（谷）風(fēng)，但轉(zhuǎn)為下坡（谷）風(fēng)的時(shí)間前后明顯受到地形影響，表現(xiàn)為接受太陽輻射時(shí)間越長、轉(zhuǎn)向時(shí)間越晚，反之則越早。

關(guān)鍵詞 冬奧會;山谷風(fēng);地形作用;風(fēng)向風(fēng)速

中圖分類號：P425 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2022）04–0028–03

2022年北京冬奧會在北京和張家口舉行，冬奧會所有比賽項(xiàng)目中，冰上項(xiàng)目約占30%，雪上項(xiàng)目約占70%。相比于冰上項(xiàng)目，雪上項(xiàng)目由于是在室外進(jìn)行的，本身受氣象條件影響更大，當(dāng)出現(xiàn)影響較大的天氣時(shí)，往往會臨時(shí)中斷比賽、調(diào)整賽程甚至取消比賽。此外，冬奧賽事對氣象預(yù)報(bào)精細(xì)化服務(wù)要求非常高，而山區(qū)缺乏觀測資料，且我國在冬季山地精細(xì)化氣象預(yù)報(bào)服務(wù)方面經(jīng)驗(yàn)不夠豐富，沒有成熟的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)，這對氣象服務(wù)提出了很大的挑戰(zhàn)。

由于山地地形環(huán)流結(jié)構(gòu)復(fù)雜，山地環(huán)流包含著不同尺度大小的系統(tǒng)。僅考慮山地地形的熱力效應(yīng)時(shí)，大尺度山地中存在由坡風(fēng)（slope wind）、谷風(fēng)（valley wind）以及山地—平原風(fēng)（mountain-plain wind）組成的山地風(fēng)系統(tǒng)（mountain wind system），尺度各不相同（Ekhart[1]，1948;Zardi等[2]，2013）。其中，由于山脈與平原之間的熱力差異而產(chǎn)生的山地—平原風(fēng)環(huán)流，空間尺度最大（Isaksson[3]，2016）;坡風(fēng)沿山坡傾斜發(fā)展，坡風(fēng)的環(huán)流時(shí)間、空間尺度最小（Vergeiner等[4]，1987;Whiteman[5]，1990）;谷風(fēng)是由于山谷內(nèi)部的環(huán)境容量小，溫度變化速度快于平原地區(qū)，一段時(shí)間后出現(xiàn)的沿山谷軸流動的上行風(fēng)或下行風(fēng)（Defant[6]，1949;Ekhart[7]，1944），其空間尺度介于三者中間。

霍文等[8]（2005）指出，山谷風(fēng)轉(zhuǎn)換時(shí)期處于白天地面輻射差額正值與夜間負(fù)值的轉(zhuǎn)換期，常出現(xiàn)在太陽高度角為10°～15°時(shí);山風(fēng)在下滑過程中勢能轉(zhuǎn)化為動能，因此，山風(fēng)下滑過程中風(fēng)速增大，谷風(fēng)反之，與傅抱璞[9]（1980）觀測到的“谷風(fēng)在山坡上部最強(qiáng)，山風(fēng)在山坡下部最強(qiáng)”的現(xiàn)象相印證。張人文等[10]（2012）根據(jù)廣州從化天湖地區(qū)基線小球觀測資料，利用矢量法將局地風(fēng)與系統(tǒng)風(fēng)分離，發(fā)現(xiàn)山谷風(fēng)日一般無明顯天氣過程，系統(tǒng)風(fēng)速在1.5 m/s以下;強(qiáng)冷空氣過境時(shí)，系統(tǒng)風(fēng)大，不會出現(xiàn)山谷風(fēng)。董群等[11]（2017）指出，谷風(fēng)平均風(fēng)速和高度均大于山風(fēng);谷風(fēng)在11：00～13：00開始，持續(xù)6～9 h，山風(fēng)在20：00～21：00持續(xù)13～16 h。目前，國內(nèi)學(xué)者對山谷風(fēng)的三維結(jié)構(gòu)及其演變有一定的認(rèn)知，但由于山脈地形的復(fù)雜性和下墊面對山谷風(fēng)影響的多樣性，因地而異，因此許多結(jié)論不可一概而論。

張家口賽區(qū)包括云頂和古楊樹兩個場館群，其中越野、冬季兩項(xiàng)（下面簡稱冬兩）和跳臺比賽場地均位于古楊樹場館群中。由于賽區(qū)地形多樣而復(fù)雜，同一場館群內(nèi)的站點(diǎn)風(fēng)向風(fēng)速往往有明顯差異，因此需要對各站點(diǎn)風(fēng)向風(fēng)速規(guī)律進(jìn)行細(xì)致分析。

利用風(fēng)向統(tǒng)計(jì)方法矢量法（呂明華等[12]，2012），通過分析賽場強(qiáng)冷空氣和弱冷空氣環(huán)境下風(fēng)向、風(fēng)速的特征以及弱冷空氣條件下山谷風(fēng)的規(guī)律，進(jìn)一步把握復(fù)雜地形下賽場風(fēng)的特征。

1 冬兩賽區(qū)風(fēng)向風(fēng)速頻率統(tǒng)計(jì)分析

從國家冬季兩項(xiàng)中心地形圖和2019年冬奧同期（2019年2月4—20日）冬兩1、3、5號站的風(fēng)向玫瑰圖，可以看出，冬兩1號站和2號站處于東西向山谷中，其中東高西低，受谷風(fēng)影響明顯。以冬兩1號站平均風(fēng)向頻率為例，可以看出，冬兩1號站主風(fēng)向?yàn)闁|西風(fēng)向;而冬兩3號站處于坐南朝北山坡上的凹槽處，周圍三面地勢較高，因此受地形阻擋作用和山坡風(fēng)的影響較大，冬兩3號站主風(fēng)向?yàn)槟媳憋L(fēng);同樣，冬兩4、5號站位于南北走向山谷中，也會受到地形阻擋作用和山谷風(fēng)的影響。以冬兩5號站為例，可以看到其主風(fēng)向?yàn)槟媳憋L(fēng)向。

為了更好地區(qū)別地形風(fēng)和系統(tǒng)風(fēng)的影響，對2019年冬奧會同期冬兩賽區(qū)小時(shí)平均風(fēng)向風(fēng)速特征進(jìn)行了分析，可以看出冬兩2號站除受系統(tǒng)風(fēng)影響即風(fēng)速較大的西北風(fēng)外，還存在明顯受夜間下谷風(fēng)影響的偏東風(fēng)，風(fēng)速較小，主要聚集在3 m/s以下;同樣可以從冬兩3號站看出，受系統(tǒng)風(fēng)影響風(fēng)速較大的偏北風(fēng)和受夜間下谷風(fēng)影響的偏南風(fēng)，風(fēng)速較小，在2 m/s以下。但由于這2個站點(diǎn)的上坡（谷）風(fēng)與系統(tǒng)風(fēng)風(fēng)向一致，不能很好地區(qū)分白天地形風(fēng)的特點(diǎn)。

由此選取冬兩5號站進(jìn)行分析，冬兩5號站特殊在于其下谷風(fēng)風(fēng)向與系統(tǒng)風(fēng)一致，但是，仍可以在散點(diǎn)圖中看出明顯聚集在2 m/s下受下谷風(fēng)影響的偏北風(fēng)，同時(shí)還可以看到受白天上谷風(fēng)影響的偏南風(fēng)，風(fēng)速相對下谷風(fēng)較大，基本在3 m/s以下，同時(shí)風(fēng)向較為分散。

2 越野賽區(qū)風(fēng)向風(fēng)速頻率統(tǒng)計(jì)分析

通過國家越野中心地形圖和2019年冬奧同期（2019年2月4—20日）越野3個站點(diǎn)的風(fēng)向玫瑰圖（圖略）可以看到，越野1號站和2號站處于東西向山谷中，越野1號站位于谷底主要受谷風(fēng)影響，其主風(fēng)向?yàn)闁|西風(fēng)向;越野2號站處于南坡上，同時(shí)受到坡風(fēng)影響，可以看到其南風(fēng)分量的比例有所增大;越野3號站位置特殊，地處東西向和南北向兩山谷的交叉地帶，地形相對開闊，除盛行風(fēng)西北風(fēng)外，其他風(fēng)向也有一定比例。

從越野賽區(qū)的散點(diǎn)圖（圖略）來看，越野1號站除受系統(tǒng)風(fēng)影響風(fēng)速較大的偏西風(fēng)外，還有受地形風(fēng)影響的夜間偏東下谷風(fēng);而越野2號站除了受谷風(fēng)影響外，還受到坡風(fēng)影響，因此可以看到2號站在夜間盛行風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，其中偏南風(fēng)分量為主，即越野2號站夜間主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠嘛L(fēng)。

3 跳臺賽場風(fēng)向風(fēng)速頻率統(tǒng)計(jì)分析

通過分析跳臺賽場所在地形圖和2019年冬奧會同期（2019年2月4—20日）跳臺山頂、L站和起點(diǎn)站的風(fēng)向玫瑰圖，可以看出跳臺站點(diǎn)分布在同一座山體背風(fēng)坡上，其中跳臺山頂站及跳臺L站位于山頂，處于一定范圍內(nèi)同一緯度上海拔最高的位置，受系統(tǒng)風(fēng)影響較大，從風(fēng)向玫瑰圖上可以看到其盛行風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)或偏西風(fēng);而山坡或山底的站點(diǎn)如跳臺起點(diǎn)均受背風(fēng)坡山體的阻擋，地形繞流影響較大，除盛行風(fēng)向外其他風(fēng)向規(guī)律并不明顯。

從散點(diǎn)圖（圖略）上看，海拔較高的跳臺山頂和跳臺L站風(fēng)向風(fēng)速的分布，可以看出除了盛行風(fēng)向之外，還有受地形風(fēng)影響的上坡偏東風(fēng)，風(fēng)速在3 m/s以下，特點(diǎn)與冬兩5號站一致，風(fēng)向較為分散，同時(shí)散點(diǎn)密度較小，即發(fā)生上坡風(fēng)的個例較少。而跳臺其他站點(diǎn)的散點(diǎn)圖分布較為分散，無明顯散點(diǎn)聚集特征，相對較難把握其地形風(fēng)與系統(tǒng)風(fēng)的特點(diǎn)。

4 云頂賽場風(fēng)向風(fēng)速頻率統(tǒng)計(jì)分析

通過分析云頂場館群地形圖和2019年冬奧會同期（2019年2月4—20日）云頂1、4、山底站的風(fēng)向玫瑰圖，可以看到云頂站點(diǎn)基本處于西北—東南走向山坡上，盛行風(fēng)向基本為西北風(fēng)或偏西風(fēng)，與系統(tǒng)風(fēng)風(fēng)向一致。而云頂山底站受南北向山谷影響盛行風(fēng)為南北風(fēng)向，其他站點(diǎn)的地形風(fēng)特征并不明顯。

從位于北坡的云頂1號站和位于南坡上的云頂6號站的散點(diǎn)圖（圖略）看，2個站點(diǎn)除盛行風(fēng)西北風(fēng)外，還可以看到密度較小的地形風(fēng)東南風(fēng)和偏東風(fēng)，同樣說明發(fā)生上坡風(fēng)個例的情況較少，且風(fēng)速較小，均在2 m/s以下。

5 強(qiáng)冷空氣和弱冷空氣環(huán)境對風(fēng)速極值的影響

從張家口賽區(qū)在不同冷空氣強(qiáng)度背景下風(fēng)速極值的空間分布圖，可以看到強(qiáng)冷空氣條件下，冬兩賽區(qū)站點(diǎn)的風(fēng)速極值更大，且與弱冷空氣下風(fēng)速極值的對比更加明顯，極值差分布在7～12 m/s之間;越野賽區(qū)站點(diǎn)的風(fēng)速極值相對較小，強(qiáng)弱冷空氣環(huán)境下的極值對比也相對不明顯，極值差為4 m/s左右。

跳臺1、4號站處于同緯度海拔較高地勢，風(fēng)速極值受強(qiáng)弱冷空氣影響較明顯，風(fēng)速極值差在6～7 m/s之間。背風(fēng)坡站點(diǎn)地形復(fù)雜，跳臺2、5、6號站西北象限均被高地勢阻擋，有風(fēng)速繞流的影響，值得注意的是，跳臺2、5號站風(fēng)速極值相對小，且風(fēng)速極值差不明顯，為4 m/s，但同樣在山下的6號站風(fēng)速極值則為7 m/s左右，考慮是地形影響不一導(dǎo)致，其中跳臺2號站盛行風(fēng)為偏西風(fēng)，5號站盛行風(fēng)為偏北風(fēng)，而6號站盛行風(fēng)為西北風(fēng)，與系統(tǒng)風(fēng)風(fēng)向一致，6號站可能受系統(tǒng)風(fēng)的影響較大。

云頂賽區(qū)站點(diǎn)分布均為西北—東南向，強(qiáng)冷空氣環(huán)境下風(fēng)速受地形影響較小，值得注意的是，云頂3號站地勢最高但風(fēng)速極值并不是最大的?？傮w來看，云頂站點(diǎn)在強(qiáng)弱冷空氣條件下風(fēng)速極值差分布在3～7 m/s，差距較大，規(guī)律較難把握，云頂站點(diǎn)極大風(fēng)風(fēng)速預(yù)報(bào)難度較大。

6 總結(jié)與討論

應(yīng)用高空、地面等常規(guī)觀測資料、區(qū)域自動站資料，以及矢量法等風(fēng)向統(tǒng)計(jì)方法，通過分析2018—2019年張家口崇禮賽區(qū)（冬殘奧會同期）的溫度、小時(shí)平均風(fēng)向風(fēng)速、極大風(fēng)風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)，從強(qiáng)冷空氣背景及弱冷空氣背景下對賽區(qū)的風(fēng)向風(fēng)速進(jìn)行了研究，結(jié)合地形因素在內(nèi)討論分析了弱冷空氣條件下山谷風(fēng)的風(fēng)向轉(zhuǎn)變特點(diǎn)以及風(fēng)速變化特征，結(jié)果如下。

（1）崇禮賽區(qū)風(fēng)向風(fēng)速受地形阻擋作用的影響明顯，其中越野及冬季兩項(xiàng)比賽場地具有明顯的地形風(fēng)特征，夜間的下谷（坡）風(fēng)風(fēng)向集中且風(fēng)速較小，在2 m/s及以下，而白天上坡（谷）風(fēng)風(fēng)向較為分散，且風(fēng)速相對較大，在4 m/s以下;跳臺場地所在山體與系統(tǒng)風(fēng)相對，而云頂比賽場地所在山體走向與系統(tǒng)風(fēng)方向一致，兩個場館中地形風(fēng)的特征并不明顯，存在地形繞流影響。

（2）在弱冷空氣或暖氣團(tuán)條件下，越野及冬季兩項(xiàng)賽區(qū)的風(fēng)均從08：00開始轉(zhuǎn)向?yàn)樯掀拢ü龋╋L(fēng)，但轉(zhuǎn)為下坡（谷）風(fēng)的時(shí)間前后明顯受到地形影響，主要表現(xiàn)為在地形開闊地帶或山脈溝壑為東西向內(nèi)的站點(diǎn)接受太陽輻射時(shí)間更長，其轉(zhuǎn)向時(shí)間越晚，最晚在17：00前后;反之受地形阻擋作用明顯的站點(diǎn)轉(zhuǎn)向時(shí)間越早，最早出現(xiàn)在15：00前后。

（3）強(qiáng)冷空氣及弱冷空氣環(huán)境背景下，冬兩賽區(qū)風(fēng)速極值更大，極值差更明顯，在7～12 m/s之間;越野則相對較小在4 m/s左右。跳臺站點(diǎn)中受系統(tǒng)風(fēng)影響明顯的站點(diǎn)，其風(fēng)速極值與極值差越大，背風(fēng)坡的站點(diǎn)則相對較小;云頂賽區(qū)風(fēng)速極值無明顯規(guī)律，值差分布較大，在3～7 m/s之間。

目前，在垂直方向上的山谷風(fēng)的發(fā)展變化，以及在非強(qiáng)冷空氣或非弱冷空氣的大多數(shù)情況下賽區(qū)風(fēng)向風(fēng)速的特征規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

Analysis on Wind Field Characteristics of Zhangjiakou Competition Area in 2019

JIN Liangliang （Chifeng Meteorological Bureau， Chifeng， Inner Mongolia 024000）

Abstract Conventional observation data such as high altitude and ground， regional automatic station data and vector method were used as wind direction statistics methods. By analyzing the temperature， hourly average wind speed and extreme wind speed data of Zhangjiakou competition area in the same period of 2019 Winter Olympic Games， combined with the knowledge of mountain meteorology， The influence of cold air intensity and complex terrain on the competition area wind was studied respectively. The results showed that： （1） the wind direction and wind speed in Chongli competition area were obviously affected by the blocking effect of terrain. The cross-country and winter sports venues had obvious topographic wind characteristics. The downhill （slope） wind direction at night was concentrated and the wind speed was small， about 2 m/s， In the daytime， the wind direction of uphill （valley） wind was scattered， and the wind speed was relatively large， below 4 m/s; Due to the fact that the terrain was relative or consistent with the direction of system wind， the characteristics of terrain wind were not obvious， and there was the influence of terrain flow. （2） Under the condition of weak cold air or heating mass， the wind in the off-road and winter biathlon competition areas turned to uphill （valley） wind from 08：00， but the time before and after turning to downhill （valley） wind was obviously affected by the terrain， which showed that the longer the time of receiving solar radiation， the later the turning time， and vice versa.

Key words Winter Olympics; Valley wind; Topographic action; Wind direction and speed

作者簡介 晉亮亮（1984—），男，河北武邑縣人，工程師，研究方向?yàn)槎唐谔鞖忸A(yù)報(bào)、強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)。

收稿日期 2022-01-03