2019年張家口賽區風場特征分析

摘要 應用高空、地面等常規觀測資料、區域自動站資料及矢量法作為風向統計方法，通過分析2019年張家口賽區（冬奧會同期2019年2月4—20日）的溫度、小時平均風向風速以及極大風風向風速數據，并結合山地氣象學方面的知識，從冷空氣強度和復雜地形方面分別對賽區風的影響進行了研究，結果表明：（1）崇禮賽區風向風速受地形阻擋作用影響明顯，其中越野和冬季兩項比賽場地具有明顯的地形風特征，夜間的下谷（坡）風風向集中且風速較小，在2 m/s左右，而白天上坡（谷）風風向分散且風速相對較大，在4 m/s以下;跳臺和云頂比賽場地由于地形與系統風方向相對或一致的原因，地形風特征并不明顯，存在地形繞流影響;（2）在弱冷空氣或暖氣團條件下，越野和冬季兩項賽區的風從08：00開始轉為上坡（谷）風，但轉為下坡（谷）風的時間前后明顯受到地形影響，表現為接受太陽輻射時間越長、轉向時間越晚，反之則越早。

關鍵詞 冬奧會;山谷風;地形作用;風向風速

中圖分類號：P425 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2022）04–0028–03

2022年北京冬奧會在北京和張家口舉行，冬奧會所有比賽項目中，冰上項目約占30%，雪上項目約占70%。相比于冰上項目，雪上項目由于是在室外進行的，本身受氣象條件影響更大，當出現影響較大的天氣時，往往會臨時中斷比賽、調整賽程甚至取消比賽。此外，冬奧賽事對氣象預報精細化服務要求非常高，而山區缺乏觀測資料，且我國在冬季山地精細化氣象預報服務方面經驗不夠豐富，沒有成熟的短時臨近預報系統，這對氣象服務提出了很大的挑戰。

由于山地地形環流結構復雜，山地環流包含著不同尺度大小的系統。僅考慮山地地形的熱力效應時，大尺度山地中存在由坡風（slope wind）、谷風（valley wind）以及山地—平原風（mountain-plain wind）組成的山地風系統（mountain wind system），尺度各不相同（Ekhart[1]，1948;Zardi等[2]，2013）。其中，由于山脈與平原之間的熱力差異而產生的山地—平原風環流，空間尺度最大（Isaksson[3]，2016）;坡風沿山坡傾斜發展，坡風的環流時間、空間尺度最小（Vergeiner等[4]，1987;Whiteman[5]，1990）;谷風是由于山谷內部的環境容量小，溫度變化速度快于平原地區，一段時間后出現的沿山谷軸流動的上行風或下行風（Defant[6]，1949;Ekhart[7]，1944），其空間尺度介于三者中間。

霍文等[8]（2005）指出，山谷風轉換時期處于白天地面輻射差額正值與夜間負值的轉換期，常出現在太陽高度角為10°～15°時;山風在下滑過程中勢能轉化為動能，因此，山風下滑過程中風速增大，谷風反之，與傅抱璞[9]（1980）觀測到的“谷風在山坡上部最強，山風在山坡下部最強”的現象相印證。張人文等[10]（2012）根據廣州從化天湖地區基線小球觀測資料，利用矢量法將局地風與系統風分離，發現山谷風日一般無明顯天氣過程，系統風速在1.5 m/s以下;強冷空氣過境時，系統風大，不會出現山谷風。董群等[11]（2017）指出，谷風平均風速和高度均大于山風;谷風在11：00～13：00開始，持續6～9 h，山風在20：00～21：00持續13～16 h。目前，國內學者對山谷風的三維結構及其演變有一定的認知，但由于山脈地形的復雜性和下墊面對山谷風影響的多樣性，因地而異，因此許多結論不可一概而論。

張家口賽區包括云頂和古楊樹兩個場館群，其中越野、冬季兩項（下面簡稱冬兩）和跳臺比賽場地均位于古楊樹場館群中。由于賽區地形多樣而復雜，同一場館群內的站點風向風速往往有明顯差異，因此需要對各站點風向風速規律進行細致分析。

利用風向統計方法矢量法（呂明華等[12]，2012），通過分析賽場強冷空氣和弱冷空氣環境下風向、風速的特征以及弱冷空氣條件下山谷風的規律，進一步把握復雜地形下賽場風的特征。

1 冬兩賽區風向風速頻率統計分析

從國家冬季兩項中心地形圖和2019年冬奧同期（2019年2月4—20日）冬兩1、3、5號站的風向玫瑰圖，可以看出，冬兩1號站和2號站處于東西向山谷中，其中東高西低，受谷風影響明顯。以冬兩1號站平均風向頻率為例，可以看出，冬兩1號站主風向為東西風向;而冬兩3號站處于坐南朝北山坡上的凹槽處，周圍三面地勢較高，因此受地形阻擋作用和山坡風的影響較大，冬兩3號站主風向為南北風;同樣，冬兩4、5號站位于南北走向山谷中，也會受到地形阻擋作用和山谷風的影響。以冬兩5號站為例，可以看到其主風向為南北風向。

為了更好地區別地形風和系統風的影響，對2019年冬奧會同期冬兩賽區小時平均風向風速特征進行了分析，可以看出冬兩2號站除受系統風影響即風速較大的西北風外，還存在明顯受夜間下谷風影響的偏東風，風速較小，主要聚集在3 m/s以下;同樣可以從冬兩3號站看出，受系統風影響風速較大的偏北風和受夜間下谷風影響的偏南風，風速較小，在2 m/s以下。但由于這2個站點的上坡（谷）風與系統風風向一致，不能很好地區分白天地形風的特點。

由此選取冬兩5號站進行分析，冬兩5號站特殊在于其下谷風風向與系統風一致，但是，仍可以在散點圖中看出明顯聚集在2 m/s下受下谷風影響的偏北風，同時還可以看到受白天上谷風影響的偏南風，風速相對下谷風較大，基本在3 m/s以下，同時風向較為分散。

2 越野賽區風向風速頻率統計分析

通過國家越野中心地形圖和2019年冬奧同期（2019年2月4—20日）越野3個站點的風向玫瑰圖（圖略）可以看到，越野1號站和2號站處于東西向山谷中，越野1號站位于谷底主要受谷風影響，其主風向為東西風向;越野2號站處于南坡上，同時受到坡風影響，可以看到其南風分量的比例有所增大;越野3號站位置特殊，地處東西向和南北向兩山谷的交叉地帶，地形相對開闊，除盛行風西北風外，其他風向也有一定比例。

從越野賽區的散點圖（圖略）來看，越野1號站除受系統風影響風速較大的偏西風外，還有受地形風影響的夜間偏東下谷風;而越野2號站除了受谷風影響外，還受到坡風影響，因此可以看到2號站在夜間盛行風向為東南風，其中偏南風分量為主，即越野2號站夜間主導風向為坡風。

3 跳臺賽場風向風速頻率統計分析

通過分析跳臺賽場所在地形圖和2019年冬奧會同期（2019年2月4—20日）跳臺山頂、L站和起點站的風向玫瑰圖，可以看出跳臺站點分布在同一座山體背風坡上，其中跳臺山頂站及跳臺L站位于山頂，處于一定范圍內同一緯度上海拔最高的位置，受系統風影響較大，從風向玫瑰圖上可以看到其盛行風向為西北風或偏西風;而山坡或山底的站點如跳臺起點均受背風坡山體的阻擋，地形繞流影響較大，除盛行風向外其他風向規律并不明顯。

從散點圖（圖略）上看，海拔較高的跳臺山頂和跳臺L站風向風速的分布，可以看出除了盛行風向之外，還有受地形風影響的上坡偏東風，風速在3 m/s以下，特點與冬兩5號站一致，風向較為分散，同時散點密度較小，即發生上坡風的個例較少。而跳臺其他站點的散點圖分布較為分散，無明顯散點聚集特征，相對較難把握其地形風與系統風的特點。

4 云頂賽場風向風速頻率統計分析

通過分析云頂場館群地形圖和2019年冬奧會同期（2019年2月4—20日）云頂1、4、山底站的風向玫瑰圖，可以看到云頂站點基本處于西北—東南走向山坡上，盛行風向基本為西北風或偏西風，與系統風風向一致。而云頂山底站受南北向山谷影響盛行風為南北風向，其他站點的地形風特征并不明顯。

從位于北坡的云頂1號站和位于南坡上的云頂6號站的散點圖（圖略）看，2個站點除盛行風西北風外，還可以看到密度較小的地形風東南風和偏東風，同樣說明發生上坡風個例的情況較少，且風速較小，均在2 m/s以下。

5 強冷空氣和弱冷空氣環境對風速極值的影響

從張家口賽區在不同冷空氣強度背景下風速極值的空間分布圖，可以看到強冷空氣條件下，冬兩賽區站點的風速極值更大，且與弱冷空氣下風速極值的對比更加明顯，極值差分布在7～12 m/s之間;越野賽區站點的風速極值相對較小，強弱冷空氣環境下的極值對比也相對不明顯，極值差為4 m/s左右。

跳臺1、4號站處于同緯度海拔較高地勢，風速極值受強弱冷空氣影響較明顯，風速極值差在6～7 m/s之間。背風坡站點地形復雜，跳臺2、5、6號站西北象限均被高地勢阻擋，有風速繞流的影響，值得注意的是，跳臺2、5號站風速極值相對小，且風速極值差不明顯，為4 m/s，但同樣在山下的6號站風速極值則為7 m/s左右，考慮是地形影響不一導致，其中跳臺2號站盛行風為偏西風，5號站盛行風為偏北風，而6號站盛行風為西北風，與系統風風向一致，6號站可能受系統風的影響較大。

云頂賽區站點分布均為西北—東南向，強冷空氣環境下風速受地形影響較小，值得注意的是，云頂3號站地勢最高但風速極值并不是最大的。總體來看，云頂站點在強弱冷空氣條件下風速極值差分布在3～7 m/s，差距較大，規律較難把握，云頂站點極大風風速預報難度較大。

6 總結與討論

應用高空、地面等常規觀測資料、區域自動站資料，以及矢量法等風向統計方法，通過分析2018—2019年張家口崇禮賽區（冬殘奧會同期）的溫度、小時平均風向風速、極大風風向風速數據，從強冷空氣背景及弱冷空氣背景下對賽區的風向風速進行了研究，結合地形因素在內討論分析了弱冷空氣條件下山谷風的風向轉變特點以及風速變化特征，結果如下。

（1）崇禮賽區風向風速受地形阻擋作用的影響明顯，其中越野及冬季兩項比賽場地具有明顯的地形風特征，夜間的下谷（坡）風風向集中且風速較小，在2 m/s及以下，而白天上坡（谷）風風向較為分散，且風速相對較大，在4 m/s以下;跳臺場地所在山體與系統風相對，而云頂比賽場地所在山體走向與系統風方向一致，兩個場館中地形風的特征并不明顯，存在地形繞流影響。

（2）在弱冷空氣或暖氣團條件下，越野及冬季兩項賽區的風均從08：00開始轉向為上坡（谷）風，但轉為下坡（谷）風的時間前后明顯受到地形影響，主要表現為在地形開闊地帶或山脈溝壑為東西向內的站點接受太陽輻射時間更長，其轉向時間越晚，最晚在17：00前后;反之受地形阻擋作用明顯的站點轉向時間越早，最早出現在15：00前后。

（3）強冷空氣及弱冷空氣環境背景下，冬兩賽區風速極值更大，極值差更明顯，在7～12 m/s之間;越野則相對較小在4 m/s左右。跳臺站點中受系統風影響明顯的站點，其風速極值與極值差越大，背風坡的站點則相對較小;云頂賽區風速極值無明顯規律，值差分布較大，在3～7 m/s之間。

目前，在垂直方向上的山谷風的發展變化，以及在非強冷空氣或非弱冷空氣的大多數情況下賽區風向風速的特征規律有待進一步研究。

參考文獻

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責任編輯：黃艷飛

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 晉亮亮（1984—），男，河北武邑縣人，工程師，研究方向為短期天氣預報、強天氣預報。

收稿日期 2022-01-03