2019年张家口赛区风场特征分析

摘要 应用高空、地面等常规观测资料、区域自动站资料及矢量法作为风向统计方法，通过分析2019年张家口赛区（冬奥会同期2019年2月4—20日）的温度、小时平均风向风速以及极大风风向风速数据，并结合山地气象学方面的知识，从冷空气强度和复杂地形方面分别对赛区风的影响进行了研究，结果表明：（1）崇礼赛区风向风速受地形阻挡作用影响明显，其中越野和冬季两项比赛场地具有明显的地形风特征，夜间的下谷（坡）风风向集中且风速较小，在2 m/s左右，而白天上坡（谷）风风向分散且风速相对较大，在4 m/s以下;跳台和云顶比赛场地由于地形与系统风方向相对或一致的原因，地形风特征并不明显，存在地形绕流影响;（2）在弱冷空气或暖气团条件下，越野和冬季两项赛区的风从08：00开始转为上坡（谷）风，但转为下坡（谷）风的时间前后明显受到地形影响，表现为接受太阳辐射时间越长、转向时间越晚，反之则越早。

关键词 冬奥会;山谷风;地形作用;风向风速

中图分类号：P425 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2022）04–0028–03

2022年北京冬奥会在北京和张家口举行，冬奥会所有比赛项目中，冰上项目约占30%，雪上项目约占70%。相比于冰上项目，雪上项目由于是在室外进行的，本身受气象条件影响更大，当出现影响较大的天气时，往往会临时中断比赛、调整赛程甚至取消比赛。此外，冬奥赛事对气象预报精细化服务要求非常高，而山区缺乏观测资料，且我国在冬季山地精细化气象预报服务方面经验不够丰富，没有成熟的短时临近预报系统，这对气象服务提出了很大的挑战。

由于山地地形环流结构复杂，山地环流包含着不同尺度大小的系统。仅考虑山地地形的热力效应时，大尺度山地中存在由坡风（slope wind）、谷风（valley wind）以及山地—平原风（mountain-plain wind）组成的山地风系统（mountain wind system），尺度各不相同（Ekhart[1]，1948;Zardi等[2]，2013）。其中，由于山脉与平原之间的热力差异而产生的山地—平原风环流，空间尺度最大（Isaksson[3]，2016）;坡风沿山坡倾斜发展，坡风的环流时间、空间尺度最小（Vergeiner等[4]，1987;Whiteman[5]，1990）;谷风是由于山谷内部的环境容量小，温度变化速度快于平原地区，一段时间后出现的沿山谷轴流动的上行风或下行风（Defant[6]，1949;Ekhart[7]，1944），其空间尺度介于三者中间。

霍文等[8]（2005）指出，山谷风转换时期处于白天地面辐射差额正值与夜间负值的转换期，常出现在太阳高度角为10°～15°时;山风在下滑过程中势能转化为动能，因此，山风下滑过程中风速增大，谷风反之，与傅抱璞[9]（1980）观测到的“谷风在山坡上部最强，山风在山坡下部最强”的现象相印证。张人文等[10]（2012）根据广州从化天湖地区基线小球观测资料，利用矢量法将局地风与系统风分离，发现山谷风日一般无明显天气过程，系统风速在1.5 m/s以下;强冷空气过境时，系统风大，不会出现山谷风。董群等[11]（2017）指出，谷风平均风速和高度均大于山风;谷风在11：00～13：00开始，持续6～9 h，山风在20：00～21：00持续13～16 h。目前，国内学者对山谷风的三维结构及其演变有一定的认知，但由于山脉地形的复杂性和下垫面对山谷风影响的多样性，因地而异，因此许多结论不可一概而论。

张家口赛区包括云顶和古杨树两个场馆群，其中越野、冬季两项（下面简称冬两）和跳台比赛场地均位于古杨树场馆群中。由于赛区地形多样而复杂，同一场馆群内的站点风向风速往往有明显差异，因此需要对各站点风向风速规律进行细致分析。

利用风向统计方法矢量法（吕明华等[12]，2012），通过分析赛场强冷空气和弱冷空气环境下风向、风速的特征以及弱冷空气条件下山谷风的规律，进一步把握复杂地形下赛场风的特征。

1 冬两赛区风向风速频率统计分析

从国家冬季两项中心地形图和2019年冬奥同期（2019年2月4—20日）冬两1、3、5号站的风向玫瑰图，可以看出，冬两1号站和2号站处于东西向山谷中，其中东高西低，受谷风影响明显。以冬两1号站平均风向频率为例，可以看出，冬两1号站主风向为东西风向;而冬两3号站处于坐南朝北山坡上的凹槽处，周围三面地势较高，因此受地形阻挡作用和山坡风的影响较大，冬两3号站主风向为南北风;同样，冬两4、5号站位于南北走向山谷中，也会受到地形阻挡作用和山谷风的影响。以冬两5号站为例，可以看到其主风向为南北風向。

为了更好地区别地形风和系统风的影响，对2019年冬奥会同期冬两赛区小时平均风向风速特征进行了分析，可以看出冬两2号站除受系统风影响即风速较大的西北风外，还存在明显受夜间下谷风影响的偏东风，风速较小，主要聚集在3 m/s以下;同样可以从冬两3号站看出，受系统风影响风速较大的偏北风和受夜间下谷风影响的偏南风，风速较小，在2 m/s以下。但由于这2个站点的上坡（谷）风与系统风风向一致，不能很好地区分白天地形风的特点。

由此选取冬两5号站进行分析，冬两5号站特殊在于其下谷风风向与系统风一致，但是，仍可以在散点图中看出明显聚集在2 m/s下受下谷风影响的偏北风，同时还可以看到受白天上谷风影响的偏南风，风速相对下谷风较大，基本在3 m/s以下，同时风向较为分散。

2 越野赛区风向风速频率统计分析

通过国家越野中心地形图和2019年冬奥同期（2019年2月4—20日）越野3个站点的风向玫瑰图（图略）可以看到，越野1号站和2号站处于东西向山谷中，越野1号站位于谷底主要受谷风影响，其主风向为东西风向;越野2号站处于南坡上，同时受到坡风影响，可以看到其南风分量的比例有所增大;越野3号站位置特殊，地处东西向和南北向两山谷的交叉地带，地形相对开阔，除盛行风西北风外，其他风向也有一定比例。

从越野赛区的散点图（图略）来看，越野1号站除受系统风影响风速较大的偏西风外，还有受地形风影响的夜间偏东下谷风;而越野2号站除了受谷风影响外，还受到坡风影响，因此可以看到2号站在夜间盛行风向为东南风，其中偏南风分量为主，即越野2号站夜间主导风向为坡风。

3 跳台赛场风向风速频率统计分析

通过分析跳台赛场所在地形图和2019年冬奥会同期（2019年2月4—20日）跳台山顶、L站和起点站的风向玫瑰图，可以看出跳台站点分布在同一座山体背风坡上，其中跳台山顶站及跳台L站位于山顶，处于一定范围内同一纬度上海拔最高的位置，受系统风影响较大，从风向玫瑰图上可以看到其盛行风向为西北风或偏西风;而山坡或山底的站点如跳台起点均受背风坡山体的阻挡，地形绕流影响较大，除盛行风向外其他风向规律并不明显。

从散点图（图略）上看，海拔较高的跳台山顶和跳台L站风向风速的分布，可以看出除了盛行风向之外，还有受地形风影响的上坡偏东风，风速在3 m/s以下，特点与冬两5号站一致，风向较为分散，同时散点密度较小，即发生上坡风的个例较少。而跳台其他站点的散点图分布较为分散，无明显散点聚集特征，相对较难把握其地形风与系统风的特点。

4 云顶赛场风向风速频率统计分析

通过分析云顶场馆群地形图和2019年冬奥会同期（2019年2月4—20日）云顶1、4、山底站的风向玫瑰图，可以看到云顶站点基本处于西北—东南走向山坡上，盛行风向基本为西北风或偏西风，与系统风风向一致。而云顶山底站受南北向山谷影响盛行风为南北风向，其他站点的地形风特征并不明显。

从位于北坡的云顶1号站和位于南坡上的云顶6号站的散点图（图略）看，2个站点除盛行风西北风外，还可以看到密度较小的地形风东南风和偏东风，同样说明发生上坡风个例的情况较少，且风速较小，均在2 m/s以下。

5 强冷空气和弱冷空气环境对风速极值的影响

从张家口赛区在不同冷空气强度背景下风速极值的空间分布图，可以看到强冷空气条件下，冬两赛区站点的风速极值更大，且与弱冷空气下风速极值的对比更加明显，极值差分布在7～12 m/s之间;越野赛区站点的风速极值相对较小，强弱冷空气环境下的极值对比也相对不明显，极值差为4 m/s左右。

跳台1、4号站处于同纬度海拔较高地势，风速极值受强弱冷空气影响较明显，风速极值差在6～7 m/s之间。背风坡站点地形复杂，跳台2、5、6号站西北象限均被高地势阻挡，有风速绕流的影响，值得注意的是，跳台2、5号站风速极值相对小，且风速极值差不明显，为4 m/s，但同样在山下的6号站风速极值则为7 m/s左右，考虑是地形影响不一导致，其中跳台2号站盛行风为偏西风，5号站盛行风为偏北风，而6号站盛行风为西北风，与系统风风向一致，6号站可能受系统风的影响较大。

云顶赛区站点分布均为西北—东南向，强冷空气环境下风速受地形影响较小，值得注意的是，云顶3号站地势最高但风速极值并不是最大的。总体来看，云顶站点在强弱冷空气条件下风速极值差分布在3～7 m/s，差距较大，规律较难把握，云顶站点极大风风速预报难度较大。

6 总结与讨论

应用高空、地面等常规观测资料、区域自动站资料，以及矢量法等风向统计方法，通过分析2018—2019年张家口崇礼赛区（冬残奥会同期）的温度、小时平均风向风速、极大风风向风速数据，从强冷空气背景及弱冷空气背景下对赛区的风向风速进行了研究，结合地形因素在内讨论分析了弱冷空气条件下山谷风的风向转变特点以及风速变化特征，结果如下。

（1）崇礼赛区风向风速受地形阻挡作用的影响明显，其中越野及冬季两项比赛场地具有明显的地形风特征，夜间的下谷（坡）风风向集中且风速较小，在2 m/s及以下，而白天上坡（谷）风风向较为分散，且风速相对较大，在4 m/s以下;跳台场地所在山体与系统风相对，而云顶比赛场地所在山体走向与系统风方向一致，两个场馆中地形风的特征并不明显，存在地形绕流影响。

（2）在弱冷空气或暖气团条件下，越野及冬季两项赛区的风均从08：00开始转向为上坡（谷）风，但转为下坡（谷）风的时间前后明显受到地形影响，主要表现为在地形开阔地带或山脉沟壑为东西向内的站点接受太阳辐射时间更长，其转向时间越晚，最晚在17：00前后;反之受地形阻挡作用明显的站点转向时间越早，最早出现在15：00前后。

（3）强冷空气及弱冷空气环境背景下，冬两赛区风速极值更大，极值差更明显，在7～12 m/s之间;越野则相对较小在4 m/s左右。跳台站点中受系统风影响明显的站点，其风速极值与极值差越大，背风坡的站点则相对较小;云顶赛区风速极值无明显规律，值差分布較大，在3～7 m/s之间。

目前，在垂直方向上的山谷风的发展变化，以及在非强冷空气或非弱冷空气的大多数情况下赛区风向风速的特征规律有待进一步研究。

参考文献

[1] Ekhart E. De la structure thermique de l'atmosphere dans lamontagne（On the thermal structure of the mountain atmosphere）[J]. La Meteorol-ogie， 1948， 4（9）： 3-26.

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责任编辑：黄艳飞

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 晋亮亮（1984—），男，河北武邑县人，工程师，研究方向为短期天气预报、强天气预报。

收稿日期 2022-01-03