基于探空秒級數據的鄂西南高空風特征分析

張 明，杜 裕＊，廖雪萍

（1.湖北省宜昌市氣象局，湖北 宜昌 443000；2.廣西氣象減災研究所，南寧 530022）

引 言

風是重要的氣候要素之一［1］，亦是研究大氣動力學和氣候變化的一個重要參量。利用風的數據，可以認識大氣運動狀態的變化，提高氣候分析和預測的能力，同時，高空風又在大氣中的動能、熱量、水汽和氣溶膠等能量和物質輸送、交換中發揮著關鍵作用［1，2］。從國內學者對探空氣球漂移特征的研究［3-5］中可了解到：中國高空風以緯向風為絕對優勢，高空風的變化基本上反映了緯向平均風的變化。分析高空風的變化亦對深入理解區域氣候變化機理具有重要幫助［14］。

目前，國內學者對風的研究主要集中在近地層風［6-13］，而對高空風特征的研究較少。張愛英、任國玉等［14-15］分別研究了中國高空風速的變化趨勢及其氣候學特征，指出中國高空風速變化存在區域差異，其在各高度的變化情況亦存在差異。為深入理解高空風在不同區域的特征，各地相繼開展區域高空風特征研究［16-19］。

鄂西南地區屬亞熱帶季風氣候，天氣變化劇烈，境內地貌以山地為主，地形錯綜復雜，海拔落差較大，高低懸殊，導致氣候要素隨地域、海拔高度的分布很不規律，風的地域分布受地形的影響較明顯。目前，對該區域風的研究不多，特別是對高空風的分析比較缺乏。因此，文章利用鄂西南2個探空站的最新觀測資料，對該區域的高空風特征進行分析，以期為深入理解該區域的氣候變化提供依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源及說明

文章所用數據為鄂西南2個探空站 （恩施、宜昌，地理分布如圖1）2014～2016年每天08時、14時（加密時次）、20時的探空秒級數據資料，來源于中國高空 L 波段秒級觀測基礎數據集（V1.0）［20］，資料不僅經過臺站本級的質量控制，同時也由國家氣象信息中心進行了相應的質量控制［21］。為分析各高度的風特征，從資料中提取各規定層［22］的風向風速數據，經統計，在距海平面位勢高度30.0kgpm以上的樣本數特別是恩施站明顯減少，故本文僅使用30.0kgpm以下共24個規定層的資料，最終整理共形成數據107952對。各站的相關信息及各規定層的樣本數分別見表1和圖2。

圖1 鄂西南及2個探空站地理位置

圖2 各規定層的樣本數

表1 探空站相關信息

1.2 方法

按照氣象學上四季的劃分（春季：3～5月，夏季：6～8 月，秋季：9～11 月，冬季：12 月～次年 2 月）進行高空風特征分析。在研究過程中，各規定層風的風速統計僅考慮其大小，即以標量形式進行統計；而對于風向，邱傳濤等［23］指出單位矢量法是一種比較好的風向統計方法，它不像矢量法那樣依賴于風速，只需根據風標的記錄就可得到平均風向，且與矢量法求得的結果一致，故本文選用單位矢量法統計風向，其計算方法如下［23］：

Au為單位矢量的平均風向，u為單位風速矢量在東西方向上的平均分量，v為單位風速矢量在南北方向上的平均分量，Ai為第i次的風向度數。

2 結果分析

從圖3鄂西南兩個探空站（宜昌、恩施）各高度平均風向風速隨高度的變化情況所示，（1）兩站平均風速變化曲線幾乎重合，平均風速大小及變化情況都非常一致。（2）兩站平均風向在低層（3.0kgpm以下）受近地層的影響略有差異，在3.0kgpm以上兩站平均風向隨高度變化幾乎無差異。

圖3 各規定層平均風向風速變化

2.1 風速特征

由于兩站高空風四季特征無明顯差異，文中以恩施站為代表，分析鄂西南高空風四季變化特征。

2.1.1 各季節風速隨高度變化特征

各規定層的平均風速及分季節的平均風速如圖4（a、b）。 由圖 4（a）可知，總體上平均風速表現出明顯的先增大后減小最后略增加的趨勢。在距海平面位勢高度12.0kgpm以下時，其隨高度迅速增大至約40m.s-1；而在位勢高度在12.0～20.0kgpm時，其隨高度迅速減小至10m.s-1左右，之后隨高度變化較小。由圖4（b）可知，在距海平面位勢高度20.0kgpm以下時，四季平均風速變化趨勢基本一致，即先增大后減小，但其大小有所區別，表現為明顯的冬季最大，春秋次之，夏季最??；而在20.0kgpm以上時，除夏季表現為明顯的增大趨勢外，其余三季平均風速隨高度基本保持不變且大小幾乎一樣，同時夏季平均風速明顯較其余三季要大。

圖4 各規定層總體及分季節平均風速變化

2.1.2 不同風速在各高度比例特征

為了了解在各規定層不同大氣風速的差異情況，文章將各季節各高度的風速進行分組，分為≤10m.s-1、10～20m.s-1、20～30m.s-1、＞30m.s-1共 4 組，各高度上不同風速所占比例的累計情況如圖5所示。圖中各顏色的高度即為相應大氣風速所占的比例，高度越高，代表所占比例越大。

由圖可知，春秋季各高度層各大氣風速所占的比例變化情況較為一致，即在4.0kgpm以下時，風速主要集中在10m.s-1以下；在5.0～8.0kgpm時，風速主要集中在10～20m.s-1，保持占40%～50%左右，同時隨著高度增加，20～30m.s-1的比例隨之增大，而10m.s-1的比例迅速減??；在9.0～16.0kgpm時，風速則主要集中在30m.s-1以上，低于10m.s-1的幾乎沒有；在20.0kgpm時，風速又主要集中在10m.s-1以下，占70%～80%，而在20m.s-1以上的極少，僅占5%左右，且30m.s-1以上比例幾乎為0。

從夏季各高度層的不同大氣風速所占的比例圖可以看出夏季與春秋季完全不同，即在距海平面位勢高度6kgpm以下時，風速以≤10m.s-1為主，所占比例均在60%以上；在 7.0～20kgpm時，風速低于 10m.s-1的比例與10～20m.s-1的幾乎一樣且占主要部分；在20kpgm以上時則風速以10～20m.s-1為主；同時，由夏季圖可知，在夏季整個高度層風速均極少超過30m.s-1。而從冬季圖可以看出其與春夏季除在9～16kgpm有所不同外，其他高度基本一致，即在9～16kgpm時，冬季風速幾乎全部超過30m.s-1。

圖5 分季節不同風速在各規定層所占比例情況

2.2 風向特征

2.2.1 各季節風向隨高度變化特征

圖6 （a、b）給出了總體平均風向及分季節的平均風向隨高度的變化情況。由圖6（a）可知，總體而言，從距海平面位勢高度1.0kgpm往上，隨著高度的上升，風向基本是由NE以順時針方向逐漸變化，至4.0kgpm轉偏W風后趨于穩定，之后在22.0kgpm高度及以上又轉為偏E風。

圖6 各規定層總體及分季節平均風向變化

由圖6（b）可知在1.0～3.0kgpm的平均風向均是以順時針方向逐漸變化，但各季跨度不一，其中夏季跨度最小，其平均風向以順時針方向由E逐漸轉為S，春秋次之，平均風向以順時針方向由NE轉為SW，冬季則是以順時針方向由N轉為WSW；在4.0kgpm及以上時，春冬季隨著高度上升，平均風向基本維持偏W風不變至26.0kgpm高度，之后春季平均風向突變至偏E風后又逐漸轉為偏N風，而冬季則是以逆時針方向轉為偏E風；秋季在4.0～20.0kgpm時與春冬季平均風向基本一致，而在20kgpm以上時，平均風向則以逆時針方向轉為偏E風后趨于穩定；夏季與其他三季差異較大，即在4.0kgpm以上時，其平均風向由偏W風以順時針方向逐漸變化，至22.0kgpm時轉為偏E風后趨于穩定。

2.2.2 各季節各高度層風向頻率特征

統計各季節各規定層的最多、次多風向如表2。由表可知，在距海平面3.0kgpm以下時，四季的最多風向、次多風向表現明顯不同，但各季的風向除在近地層偏N稍多外基本以偏S為主；在4.0～16.0kgpm，四季最多、次多風向基本均為偏W風，而在18.0kgpm以上時，四季最多、次多風向均逐漸轉為偏E，但變化情況有所不同，即春、冬季最多、次多風向僅在個別高度時為偏E外，其余均仍為偏W，而夏、秋季則22.0kgpm高度以上時，最多、次多風向已基本轉為偏E。

表2 各季節各規定層的最多、次多風向

3 結論

利用鄂西南兩個探空站（宜昌、恩施）的L波段雷達近三年探空的秒級數據，對各規定層的風向風速分季節進行統計分析，其結果顯示：

（1）鄂西南高空平均風速隨高度為先迅速增大后迅速減小，至20.0kgpm后隨高度趨于穩定的變化趨勢，其在12.0kgpm時最大，可達約40m.s-1；平均風向則隨高度由NE以順時針方向逐漸變化，至4.0kgpm轉偏W風后趨于穩定，之后在22.0kgpm高度及以上又轉為偏E風。

（2）在距海平面位勢高度20.0kgpm以下時，高空平均風速冬季明顯較大，特別是9～16kgpm，冬季風速幾乎全部超過30m.s-1，四季風速大小具體表現為冬季＞春秋＞夏季，而在20.0kgpm以上時，則夏季明顯大于其余三季；

（3）在1.0～3.0kgpm時四季的平均風向隨高度均是以順時針方向逐漸變化，但各季跨度不一；4.0kgpm及以上時，春冬季較為相似，平均風向基本維持偏W風不變至26.0kgpm高度，但之后春季突變至偏E風后又逐漸轉為偏N風，冬季則是以逆時針方向轉為偏E風；秋季則是維持偏W風不變至20kgpm以上后以逆時針方向轉為偏E風；夏季與其他三季差異較大，即在4.0kgpm以上時，其平均風向由偏W風以順時針方向逐漸變化，至22.0kgpm時轉為偏E風后趨于穩定。

（4）在低層四季的最多風向、次多風向表現明顯不同，但基本以偏S為主；在中層四季最多、次多風向基本均為偏W風，而在18.0kgpm以上時，四季最多、次多風向均逐漸轉為偏E風。

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