科尔沁草原高空风垂直结构气候特征分析

赵洪伟，舒海龙，王 倩，刘铁军，沈彦燕

（1.63968部队，吉林 白城 137001；2.75839部队，广东 广州 510000；3.63850部队，吉林 白城 137001）

风廓线雷达以微波遥感的方式连续探测某一区域三维大气风场。国际上风廓线雷达技术的应用开始于20世纪60年代末期[1]，国内利用风廓线雷达对高空风进行实时探测开始于20世纪80年代，1989年我国第一部对流层风廓线雷达由原航天科工集团二院二十三所和中国气象科学研究院共同研制完成，此后关于风廓线雷达数据的评估等研究工作相继开展[2]。国内有许多学者利用不同地点、不同时间段的风廓线数据与传统气球探空进行了比较，发现二者测风结果有较好的一致性[3-8]；有研究发现在平稳天气下或特定高度范围内存在较好的相关性[9-12]；也有研究发现在与NCEP、ERA-Interim再分析资料中水平风对比当中发现水平风分量的一致性、相关性较好[13-14]。

风廓线雷达在大气风场垂直结构的研究当中起到了重要的作用。蒋德海[15]、张舒婷[16]、何清[17]等分别利用风廓线雷达资料对广州地区晴天条件下及北京、乌鲁木齐等地的边界层的日变化进行了分析；辛跳儿等[18]通过分析上海世博园规划区上空三维风场的日变化，表明该地区以海陆风为主导的环流特征是这一地区的局地环流日变化的基本特征；董保举等[19]对云南大理站低层风场垂直结构及其变化特征分析表明风速存在明显季节变化特征，日变化结构随高度的升高表现形式明显不同。

科尔沁草原地处大兴安岭背风坡，地势平坦，海拔250~650 m，第四纪以来草原西部缓慢上升，东部轻微下沉，气候上受大兴安岭阻挡效应明显。由于过去高时空分辨率探测资料缺乏，对该地区高空风场的精细化研究较少。本文利用6 a高时空分辨的风廓线雷达探测数据对科尔沁草原1 500~21 000 m上高空风的时空变化规律进行分析，希望分析结果能够对了解本地区中高层大气特点和天气预报保障提供有益的参考。

1 资料方法

1.1 CFL20G风廓线雷达简介

本文数据来自CFL20G风廓线雷达（主要参数见表1），该设备于1998年由原航天科工集团二院二十三所研制，分别于2008和2016年进行过两次技术升级改造，是国内研制最早的对流层风廓线雷达之一。CFL20G风廓线雷达向空中发射射频脉冲调制信号，通过接收由大气湍流产生的后向散射信号，得到回波信号中的多普勒信息，以确定大气在发射波束方向上的径向速度。通过移相控制使相控阵天线顺序产生天顶和偏离垂直约15°的东、西、南、北4个方向上的波束，由5个方向上获得的大气径向速度分解、合成得到天线上空的风向风速。

表1 CFL20G风廓线雷达的主要参数

1.2 资料选取

资料选取2008年9月—2014年5月的大约11万份风廓线雷达探测数据，数据的时间单位均为北京时间，测站海拔198 m。由于设备历次改造后根据实际保障需求探测默认层次设定有所改动，此次将所有层次进行整合，垂直高度上从1500~21 000 m选取了改造前后重合的70层，数据时间间隔为6 min。数据分布：计算日变化时每个时次平均为4879份，最多5466份，最少4688份；计算年变化时每月平均9630份，最多13 321份，最少5796份。对于缺测、探测高度上数据为空的层次不参与计算。

在分析主要高度层风的特征时为了保持数据的可信度，没有对资料进行插值，直接选取了天气学中具有代表性的1500 m（约850 hPa）、2900 m（约700 hPa）、5100 m（约 500 hPa）、6900 m（约 400 hPa）、12 600 m（约 200 hPa）、19 800 m（约 50 hPa）6 个高度层进行研究。主要对水平风速和垂直速度的平均年变化、年平均日变化及月变化进行分析。

图1 四季各风向出现频率随高度变化统计

2 风向风速统计特征

2.1 风向统计特征

将所有数据按照不同的季节进行各风向出现频率统计（图1）。由于科尔沁草原高空处于北半球西风带中，各季节2900 m以上总体风向以典型的偏西风为主，在上对流层和下平流层有较明显的风向季节转换，这与利用NCEP再分析资料进行的分析结果类似[17]。

春季科尔沁草原1500~2900 m高度上风向以西北偏北风为主，最高频率可以达到28.9%（出现在1900 m）；随着高度的升高偏西风风向频率开始增加，到15 000 m左右达到最大值38.9%（最大值出现在15 400 m）；在18 000 m以上风向出现频率最高值点开始转为东南偏东方向，最大值为24.6%（出现在20 600 m）。

夏季风向频率分布比较分散。在18 000 m左右以下同样有两个风向大值区，主要风向以西南风和偏西风为主，最大频率为24%（出现在14 200 m），次要风向以西北到偏北风为主；18 000 m以上风向以东北到偏东风为主，最大频率为34%（出现在20 600 m）。

秋季风向频率分布较为集中。在4000 m以下以西北偏北风为主，西南偏西风次之，最大频率为32.4%（出现在1700 m）；4000~8000 m以西北和偏西风为主；8000~19 000 m风向频率主要集中在偏西风，频率为49.3%（出现在14 600 m）；19 000 m以上风向频率分布变得分散，在东北、偏东方向有较小的高值区。

冬季风向频率分布与秋季类似，但在大部分高度风向频率分布显得更为集中。2900 m以下的西北偏北频率分布的最大值达到47.8%（出现在1500 m）；8000 m以上风向都以偏西风为主，最大频率为60.9%（出现在15 400 m）。

2.2 风速统计特征

将所有数据按照不同季节进行各风速段（0~4、4~8、8~12、12~20、20~40、40~60、60~80、80~100 及100 m/s以上）进行统计分析。从图2中可以看出科尔沁草原四季高空风速出现频率最高的在20~40 m/s。

春季科尔沁草原1500~5000 m高度上风速8~20 m/s的风出现频率最高，5000~18 000 m高度上风速20~40 m/s的风出现频率最高，到18 000 m以上风速40~80 m/s的风出现频率最高。

夏季科尔沁草原1500~5000 m高度上风速8~12 m/s的风出现频率最高，5000~8000 m高度上风速12~20 m/s的风出现频率最高，8000~17 000 m高度上风速20~40m/s的风出现频率最高，到18000m以上风速40~80 m/s的风出现频率最高。

秋季科尔沁草原1500~2500 m高度上风速8~12 m/s的风出现频率最高，2500~5000 m高度上风速12~20 m/s的风出现频率最高，5000~20 000 m高度上风速20~40 m/s的风出现频率最高。

冬季科尔沁草原2500~5000 m高度上风速8~12 m/s的风出现频率最高，2500~4000 m高度上风速12~20 m/s的风出现频率最高，5000~20 000 m高度上风速20~40 m/s的风出现频率最高。

图2 四季风速出现频率随高度变化统计

3 不同层次风速变化特征

3.1水平风速统计特征

选取天气学及气象保障中具有代表性的1500 m（约 850 hPa）、2900 m（约 700 hPa）、5100 m（约 500 hPa）、6900 m（约 400 hPa）、12 600 m（约 200 hPa）、19 800 m（约50 hPa）6个高度层上水平风速的各月月平均日变化、年平均日变化及年变化的时间—月份剖面进行分析（图3）。

在1500 m高度，年平均水平风速日变化为：夜间维持在14 m/s，日出后风速缓慢下降，午后达到最低值，16时之后风速迅速增大，18时左右达到最大值之后缓慢下降维持在14 m/s左右。从各月平均日变化看：4月、10月平均风速日变化最明显，由于这两个月为季节转换月份，气温日较差大，能量上传对该层影响较大，导致有明显的风速日变化；2月、8月平均风速日变化不明显，由于这两个月份气温日较差小，能量上传对该层影响不大，导致没有明显的风速日变化。

水平风速年变化为：春季（3—5月）为全年平均风速最大季节，其中4月是平均风速最大的月份，平均风速可达15.24 m/s；夏季（6—8月）为全年平均风速最小季节，其中8月是平均风速最小的月份，平均风速为11.33 m/s。秋冬季平均风速维持在13 m/s左右。由于当地处于西风带控制，冬季西风带南压，西风强盛，导致高空风速较大；夏季西风带北移，西风影响相对减弱，导致了高空风速变小。

图3 主要高度层风速（m/s）

在2900 m高度，年平均水平风速日变化不明显，各月平均风速日变化也不明显。

水平风速年变化为：冬季（12月—次年2月）为全年平均风速最大季节，其中1月是平均风速最大的月份，平均风速可达18.12 m/s；夏季（6—8月）为全年平均风速最小季节，其中8月是平均风速最小的月份，平均风速为11.38 m/s。春、秋两季平均风速维持在15 m/s左右。这些变化特征都与西风带的季节性变化的影响有关。

在5100 m高度，年平均水平风速日变化为：4时和14时为2个高峰，在2个时次之间平均风速维持在17 m/s以上，19时之后风速下降。到20—22时左右达到全天最低值，之后风速缓慢增大。各月平均风速中2、9、10月的日变化较明显。

水平风速年变化为：各月中11月—次年3月平均风速较大，其中2月是平均风速最大的月份，平均风速可达22.4 m/s；夏季（6—8月）为全年平均风速最小季节，其中7月是平均风速最小的月份，平均风速为10.27 m/s。表现出了与低层大气相似的由西风带移动引起的变化特征。

在6900 m以上高度，年平均水平风速日变化不明显，各季节有一定的日变化趋势，主要与大气大尺度环流的季节性变化有关。各月平均风速日变化中：6900 m高度上1月平均风速后半夜至中午风速较小，午后开始逐渐增大，至20—22时达到一天风速最大值，2—3月有10—16时风速增大的趋势；在12 600 m高度上，2月有中午前后风速增大的趋势，在9月和11月有上午风速减小的趋势；在19 800 m高度上，1、2月有日出后风速增大、中午达到最大值、午后风速减小的趋势。

水平风速年变化：在6900 m高度上，与5100 m类似，冬半年平均风速大，夏半年平均风速小。在12 600 m高度上，各月中1—3月和9月平均风速较大，其中1月是平均风速最大的月份，平均风速可达32.72 m/s，4—8月为全年平均风速较小的月份，其中6月是平均风速最小的月份，平均风速为20.62 m/s。19 800 m高度与前几层基本相反。冬半年（10月—次年3月）平均风速小，夏半年（4—9月）平均风速大。最大值出现在8月，最小值出现在1月。这些变化主要与中高层大气大尺度环流变化有关。

3.2 垂直速度统计特征

选取天气学及气象保障中具有代表性的1500 m（约 850 hPa）、2900 m（约 700 hPa）、5100 m（约500 hPa）、6900 m（约 400 hPa）、12 600 m（约200 hPa）、19 800 m（约50 hPa）6个高度层上垂直速度的各月月平均日变化、年平均日变化及年变化的时间—月份剖面进行分析（图4）。

2900 m高度以下，1500 m高度年平均垂直速度以上升气流为主。日变化为：日出之后垂直速度缓慢增大，到14时达到最大值，之后缓慢下降，日落后维持在0.1 m/s左右。垂直速度年变化为：春季（3—5月）为全年平均垂直速度最大季节，其中4月是平均垂直速度最大的月份，平均垂直速度可达0.32 m/s；其他各月份平均垂直速度相当，1月最小，平均垂直速度为0.06 m/s。

2900 m高度年、各月平均垂直速度日变化及垂直速度年变化都与1500 m相似。垂直速度同样以上升气流为主，只是平均垂直速度的最大值与1500 m相差较多，年平均垂直速度日变化为前半夜比后半夜大，垂直速度年变化最大值为5月。

全年中1月、7月、11月、12月的垂直速度日变化不明显，其他各月与年平均日变化趋势相同。这与当地气温日较差有关，1月、7月、11月、12月当地气温日较差在10℃左右，由能量上传引起的低层大气对流活动变弱，边界层高度一天当中变化没有其他月份大，导致垂直速度变化不明显。春秋季节当地气温日较差大，有时可达20℃以上，这使得由能量上传引起的低层大气对流活跃，边界层高度一天当中变化大，导致有明显的垂直速度日变化。

5100 m高度以上，5100 m高度以上各层年平均垂直速度变化较小。5100 m和6900 m高度上平均垂直速度日变化有午夜至中午变化幅度较小，午后变化幅度开始增大。12 600 m和19 800 m高度上平均垂直速度日变化不明显，两层年最小垂直速度都出现在8月。19 800 m高度上夏季8—14时存在上升气流的趋势。

5100 m以上高度当地以西风带控制为主，引起垂直速度变化的主要是天气过程带来的对流活动引起的。在5100 m高度上6月的平均上升速度较大，而且在日变化中10时至午后有明显的增大趋势。到了6900 m高度，当地一般较强对流才能达到此高度，由于这种天气在数据中的样本量较小，所以该层表现的垂直速度日变化、年变化都不明显。12 600 m和19 800 m高度垂直速度的变化主要与平流层大气大尺度环流变化有关。

4 垂直高度上风速日变化

4.1 水平风速日变化

通过垂直高度上水平风速距平日变化（图5）可以看出，从垂直剖面图上表现出的水平风速距平日变化特征与主要高度层中的基本一致。随着高度的增加，高层水平风速开始增大的时间有所推后，大约每升高1000 m风速增大时间延迟约1 h，10 000 m以下风速正距平维持大约10 h后开始减小，呈现出一种能量上传的过程。在10 000 m以上水平风速的日变化趋势变得不太明显。

图5 垂直高度上风速距平日变化

4.2 垂直速度日变化

通过垂直高度上垂直速度距平日变化（图6）可以看出，从垂直剖面图上表现出的水平风速距平日变化特征与主要高度层中的基本一致。5500 m以下从0—10时垂直速度以负距平为主，随着底层大气温度的逐渐升高，10时以后从1500~2900 m左右开始出现上升气流，11时左右正距平开始逐渐增大，伸展高度也逐渐增高。到底层温度最高的14时左右，正距平伸展高度达到最高，其中3500 m以下的垂直速度正距平增大最明显，同时底层正距平也达到最大值。由于10时之后太阳辐射对地面加热作用的积累使地面气温升高，能量逐渐向上传递，对流逐渐加强，边界层大气充分混合，垂直速度逐渐增大；到傍晚17时前后，地面因长波辐射冷却温度降低，对流减弱，边界层大气逐渐稳定，垂直速度较小。

图6 垂直高度上垂直速度距平日变化

5 结论

利用科尔沁草原6 a的风廓线雷达高空风探测数据对科尔沁草原高空风场垂直特征进行了分析，得出以下结论。

（1）从各方位风向分布频率上看：2900 m~18 000 m科尔沁草原高空基本以偏西风为主。其中冬季风向频率分布最为集中，在15 000 m高空偏西风出现频率60.9%；夏季高空风向分布最为平均，14 000 m高空偏西风出现24%。在14 000 m~20 000 m以东南偏东风为主。

（2）从各风速段出现频率看：四季中20~40 m/s风出现的频率最高。其中秋冬季5000 m以上高空风速达到20~40 m/s的可以达到65%以上，春季可达55%以上，夏季可达35%以上。在2000 m以下主要以8~12 m/s的风速为主。春秋冬三季高空风速2000~5000 m高度上以12~20 m/s为主，夏季5000 m以下以8~12 m/s为主。

（3）垂直高度上水平风速呈一波一谷型变化。随着高度的增加，高层水平风速开始增大的时间有所推后，大约每升高1000 m风速增大时间延迟约1 h，10 000 m以下风速正距平维持大约10 h后开始减小，呈现出一种能量上传的过程。在10 000 m以上水平风速的日变化趋势变得不太明显。

（4）垂直高度上垂直速度在5500 m以下有明显日变化，0—10时垂直速度以负距平为主，10时以后随着底层大气温度的逐渐升高从1500~2900 m左右开始出现上升气流，11时左右正距平开始逐渐增大，伸展的高度也逐渐增高。到底层温度最高的14时左右，正距平伸展高度达到最高。其中3500 m以下的垂直速度正距平增大最明显，同时底层正距平也达到最大值。

（5）科尔沁草原水平风速年变化上看：12 600 m及以下各层平均风速最小的月份出现在6—8月，1500 m和2900 m平均风速最小的月份为8月，5000 m和7000 m平均风速最小的月份为7月，12 000 m平均风速最小的月份为6月。到了19 000 m平均风速最小的月份转变为冬季的12月。而各层风速最大的月份基本都是12月—次年5月，19 000 m风速最大月份变为夏季的8月。

（6）科尔沁草原垂直速度年变化上看：1500 m和2900 m有较为明显的年变化，最大值出现在春夏交接的4—6月，最小值出现在12月。5000 m以上垂直速度没有明显的年变化。