郭鴻鳴，毛智政，高 暢，曹 靖

秦皇島市氣象局，河北秦皇島 066000

山區(qū)地形是由各種地形單體組成的，有海拔、坡向、坡度、起伏程度等的差異。不同地形由于輻射條件差異，熱力條件也明顯不一致，并導(dǎo)致局地環(huán)流的形成，山谷風(fēng)是最典型的例子[1-2]。山谷風(fēng)是由于山坡上和坡前谷中同高度上自由大氣間有溫差而形成的地方性風(fēng)。

1 山谷風(fēng)形成原理和過程

山谷在晝夜受熱和放熱的條件不同，導(dǎo)致在它們之間形成溫度差，隨之引起空氣密度變化，山谷間構(gòu)成壓力梯度，晝夜壓力梯度方向相反，從而形成了山谷風(fēng)（圖1）。

圖1 山谷風(fēng)示意圖

白天，山坡接受太陽光熱較多，成為一只“加熱爐”，空氣增溫較多；與山頂相同高度的山谷上空，因離地較遠(yuǎn)，空氣增溫較少。山坡上的暖空氣不斷膨脹上升，在山頂近地面形成低壓，并在上空從山坡流向谷地上空，谷地上空空氣收縮下沉，在谷底近地面形成高壓，谷底的空氣則沿山坡向山頂補(bǔ)充，從而在山坡與山谷之間形成一個(gè)熱力環(huán)流。下層風(fēng)由谷底吹向山坡，稱為谷風(fēng)。夜間，山坡上的空氣受山坡輻射冷卻影響，“加熱爐”變成“冷卻器”，空氣降溫較多；而同高度的谷地上空，空氣因離地面較遠(yuǎn)，降溫較少。山頂空氣收縮下沉，在近地面形成高壓，冷空氣下沉使空氣密度加大，順山坡流入谷地，谷底的空氣被迫抬升，并從上面向山頂上空流去，形成與白天相反的熱力環(huán)流。下層風(fēng)由山坡吹向谷地，稱為山風(fēng)。

簡(jiǎn)而言之，日間在太陽輻射強(qiáng)烈的作用下，山坡和山頂?shù)臍鉁仫@著上升，比谷中同高度自由大氣的溫度要高，形成水平方向的密度梯度，暖空氣上升，谷底冷空氣沿山谷和山坡向上輸入補(bǔ)充，形成谷風(fēng)。夜間，則由于坡地輻射冷卻而降溫，坡地氣溫比谷中自由大氣的溫度低，密度較大，造成冷空氣向谷底流動(dòng)而形成山風(fēng)。

山谷風(fēng)通常在一般環(huán)流微弱的少云天氣下最易發(fā)展。早上日出后2～3 h開始出現(xiàn)谷風(fēng)，隨著地面不斷增溫風(fēng)速逐漸加大，午后達(dá)最大。然后風(fēng)速開始減弱，到傍晚平息下來并代之以山風(fēng)，直到第二天早上日出后再轉(zhuǎn)為谷風(fēng)，從而完成晝夜之間的風(fēng)向轉(zhuǎn)換。山谷風(fēng)現(xiàn)象在山區(qū)是比較普遍的，許多山區(qū)氣象站的風(fēng)觀測(cè)記錄都能明顯地反映出來。

2 青龍山谷風(fēng)分析

秦皇島北部地區(qū)為燕山山脈，青龍縣城處于地形為東西向的山谷中（圖2），這種地形可以產(chǎn)生明顯的山谷風(fēng)。青龍縣氣象觀測(cè)站的位置位于谷底北側(cè)山脈的山腳下方，距離谷底中心約500 m，可以較好地觀測(cè)風(fēng)向的變化特征，以及風(fēng)向階段性保持不變的特點(diǎn)。由于青龍氣象站于2009年遷站，地理位置發(fā)生了一定的改變，為了提高統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性，故利用遷站后2010—2022年13年的氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析了青龍縣山谷風(fēng)的特點(diǎn)。

圖2 青龍縣城及周邊地形圖

大多研究者統(tǒng)計(jì)某一地的氣候特征時(shí)，都是用全部的氣象數(shù)據(jù)，未剔除大風(fēng)、降雨等天氣對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響。因此，為了提高統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，設(shè)定日最大風(fēng)速不超過5.4 m/s，日降水量為0 mm，日照時(shí)數(shù)不≥7 h的閾值。以上氣象閾值的設(shè)定，可以確保統(tǒng)計(jì)得到的結(jié)果是小風(fēng)速、晴天下青龍站的氣象日期數(shù)據(jù)庫。利用該日期數(shù)據(jù)庫，再對(duì)小時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，最終得到晴天、小風(fēng)日情況下的小時(shí)數(shù)據(jù)氣象觀測(cè)資料。最后統(tǒng)計(jì)該資料中10 min風(fēng)向風(fēng)速的數(shù)據(jù)，將每日00:00的作為一組數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)其風(fēng)向頻率特征，并將最大的風(fēng)向頻率作為該時(shí)刻的主要風(fēng)向（16方位風(fēng)向）。按照此方法依次統(tǒng)計(jì)其余的01:00～23:00風(fēng)向頻率，共得到24個(gè)時(shí)刻的最多風(fēng)向結(jié)果，然后繪制成逐時(shí)最多風(fēng)向頻率折線圖（圖3）。

圖3 2010—2022年青龍逐時(shí)最多風(fēng)向圖

分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出，2010—2022年期間00:00～08:00以N風(fēng)為主（山風(fēng)），09:00～12:00以E風(fēng)為主，為山風(fēng)向谷風(fēng)轉(zhuǎn)變的過程，13:00～17:00以西南風(fēng)為主（谷風(fēng)），18:00～23:00轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)。山風(fēng)（00:00～08:00和18:00～23:00）與谷風(fēng)（13:00～17:00）這2個(gè)時(shí)段的風(fēng)向約為145°的差別，山谷風(fēng)特征十分明顯。

分別統(tǒng)計(jì)分析該地區(qū)4個(gè)季節(jié)的山谷風(fēng)（圖4），可以發(fā)現(xiàn)，春季上午青龍山谷風(fēng)轉(zhuǎn)換時(shí)間為08:00～11:00，夏季為07:00～11:00，秋季為09:00～12:00，冬季為09:00～14:00，夏季轉(zhuǎn)換時(shí)間最早，冬季轉(zhuǎn)換時(shí)間最晚。這是因?yàn)槎疽归g青龍山區(qū)氣溫低，白天需要太陽輻射加熱時(shí)間較長(zhǎng)，才能產(chǎn)生冷暖空氣的流動(dòng)[3]。從山谷風(fēng)持續(xù)時(shí)間上統(tǒng)計(jì)，春、夏季谷風(fēng)持續(xù)時(shí)間約9 h，秋、冬季為3～5 h，這可能由于秋、冬季青龍地區(qū)氣溫低，白天太陽輻射持續(xù)時(shí)間短造成的。由此可見，春、夏季由山風(fēng)轉(zhuǎn)為谷風(fēng)的時(shí)間比秋、冬季早，且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。

圖4 2010—2022年春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）逐時(shí)最多風(fēng)向圖

3 山谷風(fēng)對(duì)城市環(huán)境的影響

山谷風(fēng)的變化對(duì)城市空氣質(zhì)量有不利影響，山谷風(fēng)對(duì)污染物輸送有明顯的影響，可能會(huì)加劇空氣污染[4-5]。吹谷風(fēng)時(shí)，排放的污染物向外流出，導(dǎo)致山谷中污染物濃度降低；吹山風(fēng)時(shí)，污染的空氣在谷中聚集，可能導(dǎo)致山谷中污染加重。因此，工廠的建設(shè)和布局要考慮有規(guī)律性的風(fēng)向變化問題[6]。

由前面的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：春、夏季由山風(fēng)轉(zhuǎn)為谷風(fēng)的時(shí)間比秋、冬季早，且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，說明秋、冬季青龍縣城內(nèi)“谷風(fēng)”持續(xù)時(shí)間短，這樣就會(huì)造成山谷中的污染物向外排放和擴(kuò)散的時(shí)間較短，導(dǎo)致秋、冬季污染物的平均濃度高于春、夏季。

青龍氣象站處于山谷中的北側(cè)，“山風(fēng)”發(fā)生時(shí)，該站的風(fēng)向大約為西北、偏北、東北風(fēng)；“谷風(fēng)”發(fā)生時(shí)，該站的風(fēng)向大約為西南、偏南、東南風(fēng)。例如：2021年9月10—11日，青龍縣城內(nèi)為晴天，且風(fēng)速較小，日最大風(fēng)速4.4 m/s（3級(jí)），具有明顯的山谷風(fēng)特征。因此，同步分析10 min風(fēng)向、10 min風(fēng)速，以及PM2.5、污染物濃度數(shù)據(jù)的變化可以得到如下結(jié)論（圖5）：（1）10日00:00～07:00，PM2.5污染物濃度從16.6 μg/m3上升至35.8 μg/m3，此期間青龍氣象站為偏北風(fēng)，山谷風(fēng)特征表現(xiàn)為“山風(fēng)”；（2）日出后，風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，到10日11:00轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，山谷風(fēng)特征表現(xiàn)為“谷風(fēng)”，一直持續(xù)至10日18:00。PM2.5污染物濃度從35.8 μg/m3持續(xù)下降升至4.9 μg/m3；（3）日落后，19:00到青龍氣象站風(fēng)向再次轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，并基本持續(xù)到11日10:00，山谷風(fēng)特征表現(xiàn)為“山風(fēng)”，PM2.5污染物濃度從4.9 μg/m上升至74.5 μg/m3；（4）11日日出后，09:00～10:00轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，11:00風(fēng)向轉(zhuǎn)為東南風(fēng)或偏南風(fēng)，山谷風(fēng)特征表現(xiàn)為“谷風(fēng)”，一直持續(xù)至17:00，PM2.5污染物濃度從75.5 μg/m3持續(xù)下降升至22.6 μg/m3。

圖5 2021年9月10—11日青龍氣象站和環(huán)境監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)

通過這次典型山谷風(fēng)氣象和污染物濃度的詳細(xì)分析，可以明顯地看到，在山谷風(fēng)的日變化過程中，PM2.5污染物的濃度也隨之出現(xiàn)了明顯的日變化特征。由于夜間“山風(fēng)”的持續(xù)作用，導(dǎo)致污染物不斷聚集，日最大值出現(xiàn)在日出前后。白天隨著“谷風(fēng)”的出現(xiàn)，污染物被空氣運(yùn)動(dòng)帶離縣城所在的山谷中，污染物的濃度出現(xiàn)快速下降，日最小值出現(xiàn)在日落前1～2 h。但總體來看白天污染物濃度降低并持續(xù)的時(shí)間較短。

4 結(jié)論

統(tǒng)計(jì)分析了2010—2022年秦皇島市青龍縣特殊地形下的山谷風(fēng)氣候特征，并通過一個(gè)實(shí)際天氣過程，說明了青龍縣山谷風(fēng)對(duì)污染物的影響。主要結(jié)論如下。

（1）青龍縣地處山谷中，具有明顯的山谷風(fēng)氣象特征。“山風(fēng)”出現(xiàn)在夜間一直持續(xù)到08:00，09:00～12:00為“山風(fēng)”向“谷風(fēng)”轉(zhuǎn)變的過程，13:00～17:00為“谷風(fēng)”，18:00～23:00再次轉(zhuǎn)為“山風(fēng)”。

（2）隨著季節(jié)的變化，由于日出、日落時(shí)間的改變，青龍縣山谷風(fēng)特征表現(xiàn)為，白天“谷風(fēng)”春、夏季最長(zhǎng)，冬季最短，春、夏季山谷風(fēng)轉(zhuǎn)化時(shí)間較早。

（3）在晴天、小風(fēng)天氣的情況下，青龍縣城受到山谷風(fēng)的影響，PM2.5污染物的濃度也相應(yīng)地出現(xiàn)顯著的日變化特征。

（4）由于夜間“山風(fēng)”的持續(xù)作用，導(dǎo)致污染物不斷聚集，日最大值出現(xiàn)在日出前后。白天隨著風(fēng)向的轉(zhuǎn)變及“谷風(fēng)”的出現(xiàn)，污染物被空氣運(yùn)動(dòng)帶離縣城所在的山谷中，污染物的濃度出現(xiàn)快速下降，日最小值出現(xiàn)在日落前1～2 h。