基于探空秒级数据的鄂西南高空风特征分析

张 明，杜 裕＊，廖雪萍

（1.湖北省宜昌市气象局，湖北 宜昌 443000；2.广西气象减灾研究所，南宁 530022）

引 言

风是重要的气候要素之一［1］，亦是研究大气动力学和气候变化的一个重要参量。利用风的数据，可以认识大气运动状态的变化，提高气候分析和预测的能力，同时，高空风又在大气中的动能、热量、水汽和气溶胶等能量和物质输送、交换中发挥着关键作用［1，2］。从国内学者对探空气球漂移特征的研究［3-5］中可了解到：中国高空风以纬向风为绝对优势，高空风的变化基本上反映了纬向平均风的变化。分析高空风的变化亦对深入理解区域气候变化机理具有重要帮助［14］。

目前，国内学者对风的研究主要集中在近地层风［6-13］，而对高空风特征的研究较少。张爱英、任国玉等［14-15］分别研究了中国高空风速的变化趋势及其气候学特征，指出中国高空风速变化存在区域差异，其在各高度的变化情况亦存在差异。为深入理解高空风在不同区域的特征，各地相继开展区域高空风特征研究［16-19］。

鄂西南地区属亚热带季风气候，天气变化剧烈，境内地貌以山地为主，地形错综复杂，海拔落差较大，高低悬殊，导致气候要素随地域、海拔高度的分布很不规律，风的地域分布受地形的影响较明显。目前，对该区域风的研究不多，特别是对高空风的分析比较缺乏。因此，文章利用鄂西南2个探空站的最新观测资料，对该区域的高空风特征进行分析，以期为深入理解该区域的气候变化提供依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源及说明

文章所用数据为鄂西南2个探空站 （恩施、宜昌，地理分布如图1）2014～2016年每天08时、14时（加密时次）、20时的探空秒级数据资料，来源于中国高空 L 波段秒级观测基础数据集（V1.0）［20］，资料不仅经过台站本级的质量控制，同时也由国家气象信息中心进行了相应的质量控制［21］。为分析各高度的风特征，从资料中提取各规定层［22］的风向风速数据，经统计，在距海平面位势高度30.0kgpm以上的样本数特别是恩施站明显减少，故本文仅使用30.0kgpm以下共24个规定层的资料，最终整理共形成数据107952对。各站的相关信息及各规定层的样本数分别见表1和图2。

图1 鄂西南及2个探空站地理位置

图2 各规定层的样本数

表1 探空站相关信息

1.2 方法

按照气象学上四季的划分（春季：3～5月，夏季：6～8 月，秋季：9～11 月，冬季：12 月～次年 2 月）进行高空风特征分析。在研究过程中，各规定层风的风速统计仅考虑其大小，即以标量形式进行统计；而对于风向，邱传涛等［23］指出单位矢量法是一种比较好的风向统计方法，它不像矢量法那样依赖于风速，只需根据风标的记录就可得到平均风向，且与矢量法求得的结果一致，故本文选用单位矢量法统计风向，其计算方法如下［23］：

Au为单位矢量的平均风向，u为单位风速矢量在东西方向上的平均分量，v为单位风速矢量在南北方向上的平均分量，Ai为第i次的风向度数。

2 结果分析

从图3鄂西南两个探空站（宜昌、恩施）各高度平均风向风速随高度的变化情况所示，（1）两站平均风速变化曲线几乎重合，平均风速大小及变化情况都非常一致。（2）两站平均风向在低层（3.0kgpm以下）受近地层的影响略有差异，在3.0kgpm以上两站平均风向随高度变化几乎无差异。

图3 各规定层平均风向风速变化

2.1 风速特征

由于两站高空风四季特征无明显差异，文中以恩施站为代表，分析鄂西南高空风四季变化特征。

2.1.1 各季节风速随高度变化特征

各规定层的平均风速及分季节的平均风速如图4（a、b）。 由图 4（a）可知，总体上平均风速表现出明显的先增大后减小最后略增加的趋势。在距海平面位势高度12.0kgpm以下时，其随高度迅速增大至约40m.s-1；而在位势高度在12.0～20.0kgpm时，其随高度迅速减小至10m.s-1左右，之后随高度变化较小。由图4（b）可知，在距海平面位势高度20.0kgpm以下时，四季平均风速变化趋势基本一致，即先增大后减小，但其大小有所区别，表现为明显的冬季最大，春秋次之，夏季最小；而在20.0kgpm以上时，除夏季表现为明显的增大趋势外，其余三季平均风速随高度基本保持不变且大小几乎一样，同时夏季平均风速明显较其余三季要大。

图4 各规定层总体及分季节平均风速变化

2.1.2 不同风速在各高度比例特征

为了了解在各规定层不同大气风速的差异情况，文章将各季节各高度的风速进行分组，分为≤10m.s-1、10～20m.s-1、20～30m.s-1、＞30m.s-1共 4 组，各高度上不同风速所占比例的累计情况如图5所示。图中各颜色的高度即为相应大气风速所占的比例，高度越高，代表所占比例越大。

由图可知，春秋季各高度层各大气风速所占的比例变化情况较为一致，即在4.0kgpm以下时，风速主要集中在10m.s-1以下；在5.0～8.0kgpm时，风速主要集中在10～20m.s-1，保持占40%～50%左右，同时随着高度增加，20～30m.s-1的比例随之增大，而10m.s-1的比例迅速减小；在9.0～16.0kgpm时，风速则主要集中在30m.s-1以上，低于10m.s-1的几乎没有；在20.0kgpm时，风速又主要集中在10m.s-1以下，占70%～80%，而在20m.s-1以上的极少，仅占5%左右，且30m.s-1以上比例几乎为0。

从夏季各高度层的不同大气风速所占的比例图可以看出夏季与春秋季完全不同，即在距海平面位势高度6kgpm以下时，风速以≤10m.s-1为主，所占比例均在60%以上；在 7.0～20kgpm时，风速低于 10m.s-1的比例与10～20m.s-1的几乎一样且占主要部分；在20kpgm以上时则风速以10～20m.s-1为主；同时，由夏季图可知，在夏季整个高度层风速均极少超过30m.s-1。而从冬季图可以看出其与春夏季除在9～16kgpm有所不同外，其他高度基本一致，即在9～16kgpm时，冬季风速几乎全部超过30m.s-1。

图5 分季节不同风速在各规定层所占比例情况

2.2 风向特征

2.2.1 各季节风向随高度变化特征

图6 （a、b）给出了总体平均风向及分季节的平均风向随高度的变化情况。由图6（a）可知，总体而言，从距海平面位势高度1.0kgpm往上，随着高度的上升，风向基本是由NE以顺时针方向逐渐变化，至4.0kgpm转偏W风后趋于稳定，之后在22.0kgpm高度及以上又转为偏E风。

图6 各规定层总体及分季节平均风向变化

由图6（b）可知在1.0～3.0kgpm的平均风向均是以顺时针方向逐渐变化，但各季跨度不一，其中夏季跨度最小，其平均风向以顺时针方向由E逐渐转为S，春秋次之，平均风向以顺时针方向由NE转为SW，冬季则是以顺时针方向由N转为WSW；在4.0kgpm及以上时，春冬季随着高度上升，平均风向基本维持偏W风不变至26.0kgpm高度，之后春季平均风向突变至偏E风后又逐渐转为偏N风，而冬季则是以逆时针方向转为偏E风；秋季在4.0～20.0kgpm时与春冬季平均风向基本一致，而在20kgpm以上时，平均风向则以逆时针方向转为偏E风后趋于稳定；夏季与其他三季差异较大，即在4.0kgpm以上时，其平均风向由偏W风以顺时针方向逐渐变化，至22.0kgpm时转为偏E风后趋于稳定。

2.2.2 各季节各高度层风向频率特征

统计各季节各规定层的最多、次多风向如表2。由表可知，在距海平面3.0kgpm以下时，四季的最多风向、次多风向表现明显不同，但各季的风向除在近地层偏N稍多外基本以偏S为主；在4.0～16.0kgpm，四季最多、次多风向基本均为偏W风，而在18.0kgpm以上时，四季最多、次多风向均逐渐转为偏E，但变化情况有所不同，即春、冬季最多、次多风向仅在个别高度时为偏E外，其余均仍为偏W，而夏、秋季则22.0kgpm高度以上时，最多、次多风向已基本转为偏E。

表2 各季节各规定层的最多、次多风向

3 结论

利用鄂西南两个探空站（宜昌、恩施）的L波段雷达近三年探空的秒级数据，对各规定层的风向风速分季节进行统计分析，其结果显示：

（1）鄂西南高空平均风速随高度为先迅速增大后迅速减小，至20.0kgpm后随高度趋于稳定的变化趋势，其在12.0kgpm时最大，可达约40m.s-1；平均风向则随高度由NE以顺时针方向逐渐变化，至4.0kgpm转偏W风后趋于稳定，之后在22.0kgpm高度及以上又转为偏E风。

（2）在距海平面位势高度20.0kgpm以下时，高空平均风速冬季明显较大，特别是9～16kgpm，冬季风速几乎全部超过30m.s-1，四季风速大小具体表现为冬季＞春秋＞夏季，而在20.0kgpm以上时，则夏季明显大于其余三季；

（3）在1.0～3.0kgpm时四季的平均风向随高度均是以顺时针方向逐渐变化，但各季跨度不一；4.0kgpm及以上时，春冬季较为相似，平均风向基本维持偏W风不变至26.0kgpm高度，但之后春季突变至偏E风后又逐渐转为偏N风，冬季则是以逆时针方向转为偏E风；秋季则是维持偏W风不变至20kgpm以上后以逆时针方向转为偏E风；夏季与其他三季差异较大，即在4.0kgpm以上时，其平均风向由偏W风以顺时针方向逐渐变化，至22.0kgpm时转为偏E风后趋于稳定。

（4）在低层四季的最多风向、次多风向表现明显不同，但基本以偏S为主；在中层四季最多、次多风向基本均为偏W风，而在18.0kgpm以上时，四季最多、次多风向均逐渐转为偏E风。

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