青龍縣山谷風特征及其對污染物的影響

郭鴻鳴，毛智政，高 暢，曹 靖

秦皇島市氣象局，河北秦皇島 066000

山區地形是由各種地形單體組成的，有海拔、坡向、坡度、起伏程度等的差異。不同地形由于輻射條件差異，熱力條件也明顯不一致，并導致局地環流的形成，山谷風是最典型的例子[1-2]。山谷風是由于山坡上和坡前谷中同高度上自由大氣間有溫差而形成的地方性風。

1 山谷風形成原理和過程

山谷在晝夜受熱和放熱的條件不同，導致在它們之間形成溫度差，隨之引起空氣密度變化，山谷間構成壓力梯度，晝夜壓力梯度方向相反，從而形成了山谷風（圖1）。

圖1 山谷風示意圖

白天，山坡接受太陽光熱較多，成為一只“加熱爐”，空氣增溫較多；與山頂相同高度的山谷上空，因離地較遠，空氣增溫較少。山坡上的暖空氣不斷膨脹上升，在山頂近地面形成低壓，并在上空從山坡流向谷地上空，谷地上空空氣收縮下沉，在谷底近地面形成高壓，谷底的空氣則沿山坡向山頂補充，從而在山坡與山谷之間形成一個熱力環流。下層風由谷底吹向山坡，稱為谷風。夜間，山坡上的空氣受山坡輻射冷卻影響，“加熱爐”變成“冷卻器”，空氣降溫較多；而同高度的谷地上空，空氣因離地面較遠，降溫較少。山頂空氣收縮下沉，在近地面形成高壓，冷空氣下沉使空氣密度加大，順山坡流入谷地，谷底的空氣被迫抬升，并從上面向山頂上空流去，形成與白天相反的熱力環流。下層風由山坡吹向谷地，稱為山風。

簡而言之，日間在太陽輻射強烈的作用下，山坡和山頂的氣溫顯著上升，比谷中同高度自由大氣的溫度要高，形成水平方向的密度梯度，暖空氣上升，谷底冷空氣沿山谷和山坡向上輸入補充，形成谷風。夜間，則由于坡地輻射冷卻而降溫，坡地氣溫比谷中自由大氣的溫度低，密度較大，造成冷空氣向谷底流動而形成山風。

山谷風通常在一般環流微弱的少云天氣下最易發展。早上日出后2～3 h開始出現谷風，隨著地面不斷增溫風速逐漸加大，午后達最大。然后風速開始減弱，到傍晚平息下來并代之以山風，直到第二天早上日出后再轉為谷風，從而完成晝夜之間的風向轉換。山谷風現象在山區是比較普遍的，許多山區氣象站的風觀測記錄都能明顯地反映出來。

2 青龍山谷風分析

秦皇島北部地區為燕山山脈，青龍縣城處于地形為東西向的山谷中（圖2），這種地形可以產生明顯的山谷風。青龍縣氣象觀測站的位置位于谷底北側山脈的山腳下方，距離谷底中心約500 m，可以較好地觀測風向的變化特征，以及風向階段性保持不變的特點。由于青龍氣象站于2009年遷站，地理位置發生了一定的改變，為了提高統計結果的準確性，故利用遷站后2010—2022年13年的氣象數據統計分析了青龍縣山谷風的特點。

圖2 青龍縣城及周邊地形圖

大多研究者統計某一地的氣候特征時，都是用全部的氣象數據，未剔除大風、降雨等天氣對統計結果的影響。因此，為了提高統計結果的準確性，首先對氣象數據進行篩選，設定日最大風速不超過5.4 m/s，日降水量為0 mm，日照時數不≥7 h的閾值。以上氣象閾值的設定，可以確保統計得到的結果是小風速、晴天下青龍站的氣象日期數據庫。利用該日期數據庫，再對小時數據進行過濾，最終得到晴天、小風日情況下的小時數據氣象觀測資料。最后統計該資料中10 min風向風速的數據，將每日00:00的作為一組數據，統計其風向頻率特征，并將最大的風向頻率作為該時刻的主要風向（16方位風向）。按照此方法依次統計其余的01:00～23:00風向頻率，共得到24個時刻的最多風向結果，然后繪制成逐時最多風向頻率折線圖（圖3）。

圖3 2010—2022年青龍逐時最多風向圖

分析數據統計可以看出，2010—2022年期間00:00～08:00以N風為主（山風），09:00～12:00以E風為主，為山風向谷風轉變的過程，13:00～17:00以西南風為主（谷風），18:00～23:00轉為偏北風。山風（00:00～08:00和18:00～23:00）與谷風（13:00～17:00）這2個時段的風向約為145°的差別，山谷風特征十分明顯。

分別統計分析該地區4個季節的山谷風（圖4），可以發現，春季上午青龍山谷風轉換時間為08:00～11:00，夏季為07:00～11:00，秋季為09:00～12:00，冬季為09:00～14:00，夏季轉換時間最早，冬季轉換時間最晚。這是因為冬季夜間青龍山區氣溫低，白天需要太陽輻射加熱時間較長，才能產生冷暖空氣的流動[3]。從山谷風持續時間上統計，春、夏季谷風持續時間約9 h，秋、冬季為3～5 h，這可能由于秋、冬季青龍地區氣溫低，白天太陽輻射持續時間短造成的。由此可見，春、夏季由山風轉為谷風的時間比秋、冬季早，且持續時間更長。

圖4 2010—2022年春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）逐時最多風向圖

3 山谷風對城市環境的影響

山谷風的變化對城市空氣質量有不利影響，山谷風對污染物輸送有明顯的影響，可能會加劇空氣污染[4-5]。吹谷風時，排放的污染物向外流出，導致山谷中污染物濃度降低；吹山風時，污染的空氣在谷中聚集，可能導致山谷中污染加重。因此，工廠的建設和布局要考慮有規律性的風向變化問題[6]。

由前面的統計結果可以看出：春、夏季由山風轉為谷風的時間比秋、冬季早，且持續時間更長，說明秋、冬季青龍縣城內“谷風”持續時間短，這樣就會造成山谷中的污染物向外排放和擴散的時間較短，導致秋、冬季污染物的平均濃度高于春、夏季。

青龍氣象站處于山谷中的北側，“山風”發生時，該站的風向大約為西北、偏北、東北風；“谷風”發生時，該站的風向大約為西南、偏南、東南風。例如：2021年9月10—11日，青龍縣城內為晴天，且風速較小，日最大風速4.4 m/s（3級），具有明顯的山谷風特征。因此，同步分析10 min風向、10 min風速，以及PM2.5、污染物濃度數據的變化可以得到如下結論（圖5）：（1）10日00:00～07:00，PM2.5污染物濃度從16.6 μg/m3上升至35.8 μg/m3，此期間青龍氣象站為偏北風，山谷風特征表現為“山風”；（2）日出后，風向逐漸轉為偏東風，到10日11:00轉為偏南風，山谷風特征表現為“谷風”，一直持續至10日18:00。PM2.5污染物濃度從35.8 μg/m3持續下降升至4.9 μg/m3；（3）日落后，19:00到青龍氣象站風向再次轉為偏北風，并基本持續到11日10:00，山谷風特征表現為“山風”，PM2.5污染物濃度從4.9 μg/m上升至74.5 μg/m3；（4）11日日出后，09:00～10:00轉為偏東風，11:00風向轉為東南風或偏南風，山谷風特征表現為“谷風”，一直持續至17:00，PM2.5污染物濃度從75.5 μg/m3持續下降升至22.6 μg/m3。

圖5 2021年9月10—11日青龍氣象站和環境監測站數據

通過這次典型山谷風氣象和污染物濃度的詳細分析，可以明顯地看到，在山谷風的日變化過程中，PM2.5污染物的濃度也隨之出現了明顯的日變化特征。由于夜間“山風”的持續作用，導致污染物不斷聚集，日最大值出現在日出前后。白天隨著“谷風”的出現，污染物被空氣運動帶離縣城所在的山谷中，污染物的濃度出現快速下降，日最小值出現在日落前1～2 h。但總體來看白天污染物濃度降低并持續的時間較短。

4 結論

統計分析了2010—2022年秦皇島市青龍縣特殊地形下的山谷風氣候特征，并通過一個實際天氣過程，說明了青龍縣山谷風對污染物的影響。主要結論如下。

（1）青龍縣地處山谷中，具有明顯的山谷風氣象特征。“山風”出現在夜間一直持續到08:00，09:00～12:00為“山風”向“谷風”轉變的過程，13:00～17:00為“谷風”，18:00～23:00再次轉為“山風”。

（2）隨著季節的變化，由于日出、日落時間的改變，青龍縣山谷風特征表現為，白天“谷風”春、夏季最長，冬季最短，春、夏季山谷風轉化時間較早。

（3）在晴天、小風天氣的情況下，青龍縣城受到山谷風的影響，PM2.5污染物的濃度也相應地出現顯著的日變化特征。

（4）由于夜間“山風”的持續作用，導致污染物不斷聚集，日最大值出現在日出前后。白天隨著風向的轉變及“谷風”的出現，污染物被空氣運動帶離縣城所在的山谷中，污染物的濃度出現快速下降，日最小值出現在日落前1～2 h。