河北冬奧賽區一次夜間增溫過程的數值模擬及診斷

章鳴 連志鸞 平凡 祝善友

1 南京信息工程大學遙感與測繪工程學院, 南京 210044

2 中國科學院大氣物理研究所云降水物理與強風暴重點實驗室, 北京 100029

3 河北省氣象局, 石家莊 050021

1 引言

一般來說，夜間近地面大氣由于地表輻射冷卻作用氣溫會逐漸降低，在日出前后達到最低值，但國內外很多研究發現部分地面氣象站點會觀測到夜間增溫現象，即日落后的一段時間內，溫度以一定的速率下降，但在某一時刻出現溫度突然升高的現象（甘茹蕙等，2016）。夜間增溫現象的出現常伴隨其他氣象要素的突發性不連續變化，如露點溫度、濕度、風向風速等（White，2009），影響近地面霧和霜凍的形成、冰雪融化、改變能見度（楊曉亮等，2018），強增溫加上強風還易導致林火。河北冬奧賽區夜間增溫現象頻發，夜間晴空條件下小時最大增溫幅度在2°C～3°C（錢敏偉和李軍，1996）。因此，有必要開展夜間增溫形成特征、原因及機理的相關研究，以提高其預報準確度，為冬奧比賽提供氣象服務保障。

目前有關夜間增溫事件的研究主要集中在澳大利亞和美國的部分地區，澳洲中部HartsRange 曾出現溫度突然升高7°C（Smith et a1., 1995）的極端現象，美國俄克拉荷馬州記錄最大增溫幅度達10°C（Nallapareddy et al., 2011），密西西比州Newton 也曾觀測到10 分鐘內增溫幅度達3°C 的現象（White, 2009）。不同地區夜間增溫事件增溫幅度大小不一，其伴隨的氣象要素變化和產生的原因也不相同。以往研究學者已經討論了夜間變暖事件可能發生的幾種可能機制（White, 2009），包括：鋒面過境、湍流混合作用、天氣系統驅動的熱暴流（McPherson et al., 2011；Bernstein and Johnson,1994）、輻射平衡變化、近地表熱通量的變化、水汽過程的潛熱釋放、地形作用所致的下坡風（即焚風）等。研究顯示冷鋒過境造成風速增大可能會將高空中相對較暖的空氣和地表附近較冷的空氣混合，增加近地表溫度，并且冷鋒到達前強的逆溫更容易引發夜間增溫事件（Sanders and Kessler, 1999；Doswell III and Haugland, 2007；Nallapareddy et al.,2011）。夜間風切變觸發的間歇性湍流在近地層增強并向上傳播，引起并加強不同高度大氣的垂直向下混合，也會造成低層氣溫異常升高（Ma et al.,2015）。同樣，沿逆溫表面傳播的波也可能混合冷暖空氣，造成不同振幅的短暫變暖（Clarke,1981）。此外，在地形復雜區域，地形造成空氣壓縮或膨脹會引起局地氣溫改變（黃少妮等，2015），迎風坡水汽凝結導致潛熱加熱，山頂干暖空氣沿山坡干絕熱下沉，是地形造成背風坡溫度異常升高（焚風效應）的原因（Brinkmann, 1971；Elvidge and Renfrew, 2016），其中干暖空氣等熵下沉才是產生該現象的最主要原因（趙世林等，1993；盛裴軒等，2003；李萬彪，2010）。

迄今為止，對地面氣溫變化的研究主要都是基于再分析資料或站點觀測數據從大氣環流形勢、氣候學及統計學角度進行分析（周國華，2011；周宇，2012），對于夜間增溫事件的熱力學、動力學特征、時空演變情況及其形成原因的理解仍然是不確定的，特別是在中國北部地區，如華北這些具有獨特地形和氣候的地區，導致這些夜間變暖事件的因素仍然不清楚。如今，數值模式已經成為氣象工作者研究天氣、氣候的重要手段之一，利用高分辨數值模式模擬重現此類夜間增溫過程，有利于詳細分析其過程變化特征，探究其主要影響因素。本文擬利用WRF4.1.5 模式對河北冬奧賽區2020 年2 月8 日夜間至9 日凌晨的一次夜間增溫過程進行高分辨率模擬，根據高分辨率模擬數據對該過程進行針對性研究，以進一步加深對夜間增溫事件的認識，尤其是厘清該區域夜間溫度異常升高現象的主要原因，從而為提高賽區夜間增溫事件的預報能力提供參考依據。

2 資料和方法

利用河北崇禮冬奧賽區15 個自動氣象觀測站逐時地面觀測數據開展2020 年2 月8 日夜間至9日凌晨異常增溫的天氣實況分析；作為對比，統計了2018～2019 年兩個冬半年（11 月至次年4 月）自動站觀測的夜間增溫情況。采用美國國家氣候環境預測中心 NCEP（ National Centers of Environmental Research）全球預報系統GFS 提供的0.25°×0.25°的再分析資料進行天氣形勢分析，并以該數據作為初始背景場驅動中尺度天氣模式WRF4.1.5 進行三維模擬，用以研究冬奧賽區夜間增溫事件的形成機制及其相關的熱力和動力學特征。此外，本次模擬引入了日本METI 和美國NASA基于“現今星載熱發射和反輻射計（ASTER）”數據聯合研制的第三版30 m 空間分辨率的ASTER GDEM（ Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model）地形數據，如圖1 所示，更新后的地形高程數據能夠更好地反映冬奧賽區復雜的地形特征，其水平分辨率及垂直精度均高于模式默認數據，能夠滿足百米級數值模擬需求。

圖1 河北崇禮冬奧賽區地形對比圖：（a）模式默認高程數據；（b）ASTER GDEM 第三版高程數據。單位：mFig. 1 Topographic comparison map of the Chongli Winter Olympic Games area in Hebei Province: (a) Model default elevation data; (b) ASTER GDEM third edition elevation data. Units: m

3 過程增溫概況

2020 年2 月8 日夜間至9 日凌晨，河北冬奧賽區氣溫出現異常變化，賽區內地面自動站觀測到了大范圍的異常增溫現象，整個區域6 h 內持續出現了不同程度的增溫，其增溫情況受地形影響明顯，累計溫度增幅較大的站點主要分布在山谷，尤其是冬兩站點（代表以冬兩開頭的全部站點，下文云頂站點代表以云頂開頭的全部站點），小時增溫幅度在2°C～3°C，累計增溫均超過5°C，最大累計增溫幅度超過8°C（圖2a）。從時間演變來看，區域內站點逐小時溫度變化曲線（圖2b）顯示一天氣溫的最大值出現在8 日中午14:00（北京時，下同），隨后氣溫開始下降，云頂站點在8 日19:00左右開始出現小幅度的增溫，此后氣溫開始保持上升趨勢，而冬兩站點均在8 日21:00 后開始出現增溫現象，增溫幅度較大，特別是在9 日01:00，小時增溫幅度超2°C。結合地理分布及時間演變可以看出，此次增溫事件先從賽區的西北部開始，逐漸向東南方向蔓延，且增溫幅度呈現加強的趨勢。

圖2 冬奧賽區2020 年2 月8 日08:00 至9 日08:00（北京時，下同）（a）實測站點累積增溫幅度及其位置分布以及（b）實測站點氣溫逐時變化曲線Fig. 2 Geographical distribution and automatic stations of temperature increase in the Winter Olympic Games area from 0800 BT (Beijing time)February 8 to 0800 BT February 9, 2020: (a) Cumulative temperature increase amplitude and location distribution of the measuring stations; (b) hourly variation curve of temperature at the measuring stations

為判斷本次夜間增溫過程的代表性，統計了2018～2019 年冬半年冬奧賽區內自動氣象站點的逐時氣溫數據。結果發現，賽區內出現夜間增溫是一種常見現象，夜間增溫事件在冬半年出現概率達到78%，增溫開始時間主要集中在00:00 與01:00前后，一小時內溫度增幅在1°C～2°C。2020 年2月8 日夜間至9 日凌晨的增溫過程符合其統計特征，且增溫過程較為明顯，具有一定代表性，可用來研究該區域增溫現象成因。

高空500 hPa 環流形勢可見，8 日14:00～20:00，在北緯50°N 附近存在高空冷渦，并在緩緩向東移動（圖3a、b），8 日14:00，河北冬奧賽區位于槽后，為西北氣流（圖3a），8 日20:00，高空槽加深加強，高空急流區向東移動，賽區風速增大，等溫線與等高線夾角較大，冷平流非常顯著（圖3b）。700 hPa 環流形勢與500 hPa 較為相似，08 日20:00 冬奧賽區處于槽后低空急流區，有明顯的負渦度平流，中高緯急流在其前側輻合，有利于大氣產生強下沉運動（圖3d）。8 日14:00～20:00，800 hPa 冬奧賽區位勢高度呈東高西低型，受冷渦影響較小，賽區位于槽前較弱的西南氣流中（圖3e、f），同時，可以看到8 日2000 時賽區在海平面處于高壓控制下，風速減小，并且較8 日14:00 來看，海平面氣溫已出現異常升高現象（圖3g、h）。綜上可知，受冷渦影響，冬奧賽區高空處于渦后強冷平流中，大氣下沉作用強，并且高低層風切變以及溫度平流的差異容易造成垂直混合加強（孫永剛等，2014），從而導致近地面氣溫出現異常升高現象。此外，從張家口站的探空曲線（圖4），可以看出張家口近地面有明顯的逆溫現象，大氣層結穩定，從低層至高層為干—濕—干，風向從東南向西北逆時針變化，750 hPa 以上干冷空氣較強，且750 hPa附近逆溫層具有湍流逆溫特征（羅然，2020）。

圖3 2020 年2 月8 日14:00（左列）、20:00（右列）天氣形勢圖：（a, b）500 hPa、（c, d）700 hPa、（e, f）850 hPa 和（g, h）1000 hPa。藍線為位勢高度，單位：dagpm；紅線為氣溫，單位：°C；箭頭為風場，單位：m s-1；橘色粗線為槽線。打點區域為急流區，單位：m s-1，（a、b）中為200 hPa 高空急流，（c、d）中為700 hPa 低空急流Fig. 3 (a, b) 500 hPa, (c, d) 700 hPa, (e, f) 850 hPa, and (g, h) 1000 hPa at 1400 BT (left column) and 2000 BT (right column) February 8, 2020 weather situation map. The blue lines are the geopotential height, units: dagpm; the red lines are the temperature, units: °C; the arrow is the wind field,units: m s-1; the thick orange lines are the trough lines. The dotted area is the jet flow area, units: m s-1, (a) and (b) are 200-hPa upper-level jet, (c) and(d) are 700-hPa lower-level jet

圖4 2020 年2 月8 日20:00 張家口站的探空曲線圖，其中綠線為露點溫度曲線，藍線為溫度曲線，紅線為狀態曲線Fig. 4 Sounding curve of Zhangjiakou station at 2000 BT February 8, 2020, the green line is the dew point temperature curve, the blue line is the temperature curve, and the red line is the state curve

4 模式設置

本次研究采用WRF-ARW 模式4.1.5 版本對冬奧賽區夜間增溫個例進行模擬，模式采用單向四重嵌套，垂直方向為120 層，最高層氣壓為50 hPa，水平分辨率分別為4.05 km、1.35 km、0. 45 km、0.15 km，網格數均為361×361。模擬區域設置如圖5 所示，最內層包含整個冬奧賽區。模式模擬時間為2021 年2 月8 日08:00 至2 月9 日08:00，積分時長為24 h，時間分辨率為0.5h，能夠更好地捕捉溫度的變化情況。初始條件和邊界條件采用美國國家氣候環境預測中心NCEP（National Centers of Environmental Research）全球預報系統GFS 提供的0.25°×0.25°的再分析資料，每6 h 輸入一次。已有研究表明夜間增溫現象與地形及邊界層活動密切相關，因此，本文在引入高精度地形數據的基礎上，通過批量的敏感性實驗，優選出最優的參數化方案，參數化方案配置為Morrison 2-mom 微物理方案（Morrison et al., 2009）、RRTMG短波輻射方案、RRTMG 長波輻射方案（Iacono et al. 2008）、thermal diffusion scheme 陸面方案以及適合復雜地形的YSU 邊界層方案（Hong et al., 2006）。

5 模擬結果分析

5.1 實驗結果驗證

圖5a 給出了實驗方案模擬的冬奧賽區15 個自動氣象站24 h （8 日08:00 至9 日08:00）平均氣溫絕對偏差。可以看出，本文實驗方案模擬的15個測站的24 h 氣溫平均絕對偏差均在1.5°C 左右，說明本文試驗設置在冬奧賽區內模擬結果較為穩定，無異常情況出現。與此同時，根據云頂山底、冬兩1 號與冬兩2 號3 站的氣溫逐時對比可以看出，本次實驗方案可以較好的模擬出08 日夜間至09 日凌晨的氣溫異常演變現象（圖6b、c、d），較好地再現了08 日23:00 至09 日03:00 氣溫不降反增的變化特征，但模擬值與實測值存在一定偏差，模擬的增溫強度弱于實測增溫強度。此外，模擬的氣溫升高時間比觀測到的數據落后1 h 左右，對后期短時增溫幅度較高的冬兩站點模擬結果較好。總的來說，本次WRF 模式設置較好的再現了此次夜間異常增溫過程，可以用來分析該過程的演變特征以及可能原因。

圖5 模擬區域設置Fig. 5 Simulation area setting

圖6 2020 年2 月8 日08:00 至9 日08:00 冬奧賽區內（a）15 個站點模擬的24 h 平均氣溫的絕對偏差，（b）冬兩1 號、（c）云頂山底以及（d）冬兩2 號三個站點模擬的氣溫與實測逐時對比Fig. 6 (a) Absolute deviation of the simulated 24-h average temperature of 15 stations, and hourly comparison of the simulated and measured temperature of (b) Dongliang NO.1, (c) Yundingshandi, and (d) Dongliang NO.2 stations in the competition area from 1400 BT February 8 to 0800 BT February 9, 2020

5.2 增溫過程中近地面氣象要素特征

夜間增溫現象的出現常伴隨其他氣象要素的突發性不連續變化，如露點溫度、濕度、風向風速等（White, 2009），通過高分辨率數值模擬的結果可以更好地看出增溫事件發生時地面氣象要素的變化情況。根據圖7 給出的9 日00:00 與02:00 近地面氣象要素的差值場可以看出，9 日00:00～02:00 時冬奧賽區溫度突然升高，尤其是冬兩站點，氣溫升高超過2°C，同時，地面2 m 相對濕度降低、海平面氣壓降低、地面10 m 風速顯著增大、風向向西北方向偏轉。此次夜間氣溫出現異常升高的區域與相對濕度降低、風速增大、海平面氣壓降低區域在位置上有較好的對應，并且在變化強度上也有較好的對應，說明氣溫異常升高與近地面氣象要素變化存在對應關系。此外，9 日00:00～02:00 區域內近地面10 m 風向為穩定的西北風，風速增加達到6 m s-1左右，這一快速增強現象與晴朗天空下近地面夜間大氣的典型特征相反（White, 2009），風速突然增大有利于增大山區近地面摩擦，引起湍流混合（羅然，2020），導致氣溫出現異常變化。綜上可知，近地面氣象要素的變化特征可以在一定程度上反映出此次夜間增溫過程。

5.3 夜間增溫可能影響機制

根據大氣熱力學能量方程可知溫度平流、垂直運動、非絕熱加熱作用以及變壓和氣壓平流是造成大尺度天氣系統中局地氣溫變化的原因，由于變壓和氣壓平流相較于其他幾項量級很小，在零級簡化方程中被忽略不計（朱乾根等，1981；梁新蘭，2007），方程如公式（1）所示：

此外，賽區復雜地形對氣流影響較大，山區夜間邊界層湍流垂直混合作用也不可忽視。本文將從以上幾個方面分析此次增溫過程的可能成因及其影響因素。

5.3.1 溫度平流及垂直運動的影響

根據9 日01:00 與02:00 氣溫差值分布（圖7a）可以看出9 日01:00～0200 時河北冬奧賽區出現大范圍異常增溫現象，幅度大于1°C。通過WRF 模擬的該區域的水平風場和垂直運動的時間高度剖面可以看出（圖8a），8 日17:00 前，冬奧賽場上空整個對流層都受西風控制，除近地面及500～700 hPa為西風（暖平流），其他高度都為西北風（冷平流），存在明顯的風切變。8 日17:00～24:00，受低渦移動影響，600～700 hPa 西風逐漸轉為西北風，風速從5 m s-1增至15 m s-1，與此同時，低層800 hPa附近風速也增至15 m s-1左右，可見存在明顯的動量下傳。此外，9 日00:00 左右，冬奧賽區上空下沉運動范圍從700～800 hPa 擴展到300～800 hPa，下沉運動隨時間加強，氣團上升冷卻，下沉增溫，因此整層的強下沉運動可能是造成此次溫度局地異常變化的一個原因。為了進一步分析溫度平流及垂直運動的影響，通過計算公式（1）大氣熱力學能量方程中的平流項?(u·?T/?x+v·?T/?y)和垂直運動項?w(γd?γ)來定量反映溫度平流及垂直運動對此次溫度異常過程的作用。根據圖8c、d 計算的冬奧賽區平流項及垂直運動項的時間高度演變可以看出，冬奧賽場高低層存在平流差異（圖8b），低層850 hPa附近均為暖平流，其增溫作用強度高于垂直運動的降溫作用（圖8c）。8 日23:00，賽區上空800～700 hPa 冷平流增強，而垂直運動的增溫作用弱于冷平流，并且此時為下沉運動（圖8a），上層冷平流影響低層溫度，造成低層暖平流有一個先減弱再加強的現象（圖8b），這一現象導致其前后暖平流加熱作用差距增大，使得其在9 日01:00 之后氣溫異常升高現象更加顯著。此外，9 日01:00 左右，冬奧賽區上空冷平流及垂直運動強度均出現明顯增強，但垂直運動增溫效率高于1×10-3°C s-1的范圍高層擴展至400 hPa，高于2×10-3°C s-1的也擴展至550 hPa 左右，影響范圍均大于冷平流，強下沉運動作用強于冷平流，導致低層溫度升高，造成夜間溫度異常升高。

圖7 2020 年2 月9 日00:00 與02:00 近地面氣象要素差值場分布：（a）2 m 氣溫，單位：°C；（b）2 m 相對濕度；（c）海平面氣壓（填色），單位：hPa；（d）10 m 風速（填色），單位：m s-1。黑色圓點為自動站，黑色方框為冬奧賽區范圍；（c、d）中矢量箭頭分別表示9 日01:00 和02:00 地面10 m 風場Fig. 7 Difference field of the near-surface meteorological elements between 0000 BT and 0200 BT February 9, 2020: (a) 2-m temperature, units: °C;(b) 2-m relative humidity; (c) sea level pressure (shaded), units: hPa; (d) 10 m wind speed (coloring), units: m s-1. The black dot is the automatic station and the black box is the scope of the Winter Olympic Games area; the arrows in (c, d) represent surface 10-m wind field at (c) 0100 BT and (d) 0200 BT February 9, 2020

圖8 2020 年2 月8 日14:00 至9 日14:00 冬奧賽區（圖7 黑色方框范圍）區域平均（a）水平風場及垂直速度隨時間演變（風羽桿為水平風場，單位：m s-1；填色表示垂直速度，單位：m s-1）以及公式（1）中（b）溫度平流項和（c）垂直運動項的時間—高度剖面，單位：10-3 °C s-1Fig. 8 Regional average of the Winter Olympic Games area (black box in Figure 7) from 1400 BT February 8 to 0800 BT February 9, 2020: (a)horizontal wind field and vertical velocity evolution with time (wind plume: horizontal wind field, units: m s-1; shaded: vertical velocity, units: m s-1),time-height profiles of (b) temperature advection and (c) vertical movement in Equation (1), units: 10-3 °C s-1

5.3.2 非絕熱因子的影響

非絕熱加熱（diabatic heating）是系統和外界之間的熱量交換過程。非絕熱加熱過程主要包括輻射、感熱輸送、潛熱釋放這三項（呂健，2017）。因此，計算冬奧賽場異常增溫區域感熱通量、潛熱通量以及到達地面的長短波輻射隨時間變化的曲線，可用以研究非絕熱加熱過程對賽區內溫度異常變化的影響。一般來說，白天地表吸收太陽短波輻射，能量升高，地面給大氣輸送熱量造成近地面溫度升高，夜間地表釋放長波輻射，能量減少，造成近地面氣溫降低。根據冬奧賽區區域平均的感熱通量、潛熱通量（圖9a）可知感熱通量影響較大，夜間地表感熱通量為負，大氣向地表輸送熱量，氣溫降低，在9 日01:00～03:00（夜間溫度升高時段），賽區內向下的感熱通量減少、向上的潛熱通量增加，說明大氣向地表輸送熱量減少，起到緩解氣溫下降作用，并且賽區內多植被等自然地表，夜間潛熱釋放增加，給大氣傳輸熱量。同時，到達地表的長波輻射變化曲線（圖9b）顯示，從8 日23:00 開始，由于850 hPa 附近暖平流的暖濕輸送和弱上升運動的影響（圖8a、b），低云增多，大氣反向輻射增強，到達地表的長波輻射明顯增強，在02:00 達到最高值，與增溫幅度最大現象出現時間一致，說明其對此次夜間增溫過程有一定正貢獻。進一步觀察非絕熱因子在增溫過程中變化分布情況（圖9b1、b2、b3）發現，區域內站點增溫幅度與感熱通量、潛熱通量以及到達地表的長波輻射增強量級對應情況較好，但在增溫幅度較大的冬兩5 號站點其感熱通量減少，對增溫存在負貢獻，說明非絕熱因子在此次過程中具有一定作用，但并不是造成大幅增溫的主要原因，并且冬奧賽區內不同位置的增溫幅度變大的原因也不完全相同。

圖9 冬奧賽場異常增溫區域地表能量及輻射隨時間變化的曲線：（a1）藍線為潛熱通量LH、紅線為感熱通量HFX，單位：W m-2；（a2）藍線為到達地面的長波輻射GLW、紅線為到達地面的短波輻射SWDOWN，單位：W m-2。冬奧賽區2020 年2 月9 日00:00 與02:00 地表通量及輻射差值場（b1）感熱通量，單位：W m-2、（b2）潛熱通量，單位：W m-2、（b3）到達地表的長波輻射，單位：W m-2Fig. 9 Curve of the surface energy and radiation with time in the abnormal warming area of the Winter Olympic Games area: (a1) the blue line is the latent heat flux, the red line is the sensible heat flux, (a2) the blue line is the long-wave radiation to the ground, and the red line is the short-wave radiation to the ground, units: W m-2. The difference between 0100 BT and 0200 BT February 9, 2020, in the Winter Olympic Games area: (b1)sensible heat flux, (b2) latent heat flux, and (b3) long-wave radiation, units: W m-2

5.3.3 逆溫與湍流垂直混合的影響

逆溫層與大氣運動密切相關，如圖10a 所示，在氣溫出現異常升高的9 日01:00，氣溫垂直廓線開始出現明顯的逆溫現象，逆溫從地表開始出現，在逆溫層附近，溫度廓線與露點溫度廓線（圖10a、b 中的紫線）形成一“V”型結構，說明近地面輻射冷卻、高空下沉運動及湍流垂直混合均可能是造成此次逆溫出現的原因（盛裴軒等，2003；李萬彪，2010）。夜間出現逆溫情況，表現出強烈的熱力學穩定和穩定邊界層環境的存在。此外，在1750～1850 m 范圍內有一個大致中性層。同時，9 日01:00 時空氣中的水汽含量高于00:30（圖10d 中的紫線和紅線），表明水汽在邊界層中積累。隨著不同高度處溫度的升高，1800 m 以上的氣溫梯度減小，近似中性層由于垂直混合而消失（圖10a 中的紫線和紅線）。與增溫前相比，位溫的垂直結構也發生了變化，可以清楚地看到00:30 與01:00（增溫前）近地面位溫相差較小高空相差較大，但在溫度異常升高的時間段（01:00～01:30）表現為近地面位溫相差較大高空位溫梯度明顯減小（圖10c）。同時，比濕的梯度變化更明顯，01:30 后，高空水汽含量明顯減少（圖10d），在沒有增溫現象的情況下，比濕的垂直分布應該與00:30 相似，空氣的含水量應該更高。夜間邊界層內變得干燥，氣溫中性層消失，高層位溫梯度減少，氣溫、位溫和比濕的垂直廓線變化表明邊界層內有明顯的垂直混合作用，高空較暖、較干的空氣與近地表空氣混合，造成了溫度異常升高現象。

圖10 冬兩1 號站點不同氣象要素垂直廓線：（a）氣溫，單位：°C；（b）露點溫度，單位：°C；（c）位溫，單位：K；（d）比濕，單位：g kg-1Fig. 10 Vertical profiles of different meteorological elements at Dongliang NO.1 station: (a) Air temperature, units: °C; (b) dew point temperature,units: °C; (c) potential temperature, units: K; and (d) specific humidity, units: g kg-1

根據增溫前后位溫及風場的垂直剖面（圖11）可以看出賽區9 日02:00 低層的位溫較8 日23:30顯著升高，等熵面的波動特征從地面至750 hPa 均表現得較為明顯，這種波動會造成對流層湍流（李子良和黃儀方，2006）。在夜間晴空條件下，湍流活動與溫度變化密切相關，增強的湍流觸發垂直混合（錢敏偉和李軍，1996；Ma et al., 2015），從而反映在溫度的變化中。摩擦速度表征了湍流運動中水平動量的垂直通量，根據冬奧賽區站點摩擦速度的時間變化曲線（圖12a）可以看出，在增溫出現前1 h 左右（9 日00:00），摩擦速度突然開始升高，表明地表附近湍流運動增強，其與增溫過程相對應。進一步地，利用湍流動能來評價增溫過程中湍流是否加強（Sun et al.，2012），由圖12b 可以看出從9 日01:00～02:30，近地面至2300 m 湍流動能隨時間變化明顯升高，峰值出現在2000 m 高度處，這些升高的數值說明增溫期間湍流活動增強。此外，根據梯度輸送理論（Hong，2006；吳志鵬，2021），計算湍流運動熱通量在垂直方向上的輸送。由上文已知此次過程存在明顯的逆溫現象，冷空氣上方具有暖空氣，為穩定的夜間邊界層環境，由圖12c 可知站點運動熱通量為負，說明湍流使暖空氣沿梯度向冷空氣移動，模擬的運動熱通量從01:30 開始突然增大，說明湍流加強熱量輸送，造成近地面溫度升高。綜上可知，湍流增強觸發垂直混合造成高層高位溫空氣與低層低位溫空氣混合，同時湍流加強熱量輸送，使得近地面溫度升高。

圖11 2020 年（a）2 月8 日23:30 與（b）9 日02:00 位溫沿40.91°N 緯向—垂直剖面，單位：K。圖中黑色區域為地形Fig. 11 Potential temperature distribution along 40.91°N profile at (a) 2330 BT February 9 and (b) 0200 BT February 8, 2020, units: K. The black area is the terrain

圖12 2020 年2 月8 日20:00 至9 日08:00 河北冬奧賽區冬兩1 號站點（a）摩擦速度（單位：m s-1）隨時間演變曲線；2020 年2 月9 日00:30 至02:30 河北冬奧賽區冬兩1 號站點垂直分布變化（b）湍流動能（單位：m2 s-2）以及（c）運動熱通量（單位：K m s-1）Fig. 12 Time evolution curves of Dongliang NO.1 station in the Hebei Winter Olympic Games area from 2000 BT February 8 to 0800 BT February 9, 2020: (a) Friction velocity (units: m s-1); vertical distribution of Dongliang NO.1 station in the Hebei Winter Olympic Games area from 0030 BT to 0800 BT February 9, 2020: (b) Turbulent kinetic energy (TKE) (units: m2 s-2), (c) kinetic heat flux (KHF) (units: K m s-1)

6 總結與討論

河北冬奧賽區冬半年多次發生大范圍的夜間增溫事件，為研究該區域此類事件主要氣象特征及成因，本文利用WRF 中尺度數值模式，引入高精度地形資料，對2020 年2 月8 日夜間至9 日凌晨冬奧賽區一次典型的夜間強增溫過程進行模擬，詳細分析了此次過程中氣象要素的水平及垂直變化特征，探究了其可能成因。主要結論如下：

（1）河北冬奧賽區冬半年夜間異常增溫事件頻發，此次增溫現象在凌晨最為明顯，小時增溫幅度在2°C～3°C，具有該區域夜間溫度異常升高的典型特征。此次過程受高空冷渦的影響，大氣中高層為西北氣流，冷平流顯著，大氣低層為西風和西南風，帶來一定暖空氣，中高層強冷平流有利于強下沉運動，高低層風切變及溫度平流差異容易造成垂直混合作用，這是導致氣溫出現異常升高的大環流背景。

（2）此次夜間增溫事件覆蓋范圍較廣，從賽區的西北部開始，逐漸向東南方向蔓延，且增溫幅度呈現加強的趨勢，近地面氣象要素對此次過程有很好的指示意義，夜間氣溫出現異常升高的區域與相對濕度降低、風速增大、海平面氣壓降低區域在位置上有較好的對應，并且在變化強度上也有較好的對應。

（3）賽區夜間到達地表的長波輻射升高，減緩了地表對大氣的降溫效果；高空下沉增溫作用強于冷平流；近地面暖空氣輸送；高低空存在風切變，湍流運動加強觸發垂直混合，湍流垂直輸送熱通量，以上共同作用造成了此次夜間溫度異常升高現象。此外，根據文中分析可知，此次過程中強下沉運動以及邊界層內的湍流增強占主導地位，冷平流作用弱于下沉運動帶來的增溫效果，而非絕熱因子僅起到減緩降溫作用，并非主要原因。

本文雖然對河北冬奧賽區2020 年2 月8 日夜間至9 日凌晨的溫度異常升高過程進行了較為詳細的分析，但本文數值模擬結果時間分辨率仍不能完全反映此次夜間異常升溫過程的變化情況，其中地形、非絕熱因子及湍流運動對于地面增溫的貢獻大小等問題，仍需要精細可靠的數值模擬資料來進行定量分析。此外，結合區域地理及氣候特征對此類過程進行分型分析也有利于提高對此類事件的預報能力。