科爾沁草原高空風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)氣候特征分析

趙洪偉，舒海龍，王 倩，劉鐵軍，沈彥燕

（1.63968部隊，吉林 白城 137001；2.75839部隊，廣東 廣州 510000；3.63850部隊，吉林 白城 137001）

風(fēng)廓線雷達以微波遙感的方式連續(xù)探測某一區(qū)域三維大氣風(fēng)場。國際上風(fēng)廓線雷達技術(shù)的應(yīng)用開始于20世紀60年代末期[1]，國內(nèi)利用風(fēng)廓線雷達對高空風(fēng)進行實時探測開始于20世紀80年代，1989年我國第一部對流層風(fēng)廓線雷達由原航天科工集團二院二十三所和中國氣象科學(xué)研究院共同研制完成，此后關(guān)于風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)的評估等研究工作相繼開展[2]。國內(nèi)有許多學(xué)者利用不同地點、不同時間段的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)氣球探空進行了比較，發(fā)現(xiàn)二者測風(fēng)結(jié)果有較好的一致性[3-8]；有研究發(fā)現(xiàn)在平穩(wěn)天氣下或特定高度范圍內(nèi)存在較好的相關(guān)性[9-12]；也有研究發(fā)現(xiàn)在與NCEP、ERA-Interim再分析資料中水平風(fēng)對比當中發(fā)現(xiàn)水平風(fēng)分量的一致性、相關(guān)性較好[13-14]。

風(fēng)廓線雷達在大氣風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)的研究當中起到了重要的作用。蔣德海[15]、張舒婷[16]、何清[17]等分別利用風(fēng)廓線雷達資料對廣州地區(qū)晴天條件下及北京、烏魯木齊等地的邊界層的日變化進行了分析；辛跳兒等[18]通過分析上海世博園規(guī)劃區(qū)上空三維風(fēng)場的日變化，表明該地區(qū)以海陸風(fēng)為主導(dǎo)的環(huán)流特征是這一地區(qū)的局地環(huán)流日變化的基本特征；董保舉等[19]對云南大理站低層風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)及其變化特征分析表明風(fēng)速存在明顯季節(jié)變化特征，日變化結(jié)構(gòu)隨高度的升高表現(xiàn)形式明顯不同。

科爾沁草原地處大興安嶺背風(fēng)坡，地勢平坦，海拔250~650 m，第四紀以來草原西部緩慢上升，東部輕微下沉，氣候上受大興安嶺阻擋效應(yīng)明顯。由于過去高時空分辨率探測資料缺乏，對該地區(qū)高空風(fēng)場的精細化研究較少。本文利用6 a高時空分辨的風(fēng)廓線雷達探測數(shù)據(jù)對科爾沁草原1 500~21 000 m上高空風(fēng)的時空變化規(guī)律進行分析，希望分析結(jié)果能夠?qū)α私獗镜貐^(qū)中高層大氣特點和天氣預(yù)報保障提供有益的參考。

1 資料方法

1.1 CFL20G風(fēng)廓線雷達簡介

本文數(shù)據(jù)來自CFL20G風(fēng)廓線雷達（主要參數(shù)見表1），該設(shè)備于1998年由原航天科工集團二院二十三所研制，分別于2008和2016年進行過兩次技術(shù)升級改造，是國內(nèi)研制最早的對流層風(fēng)廓線雷達之一。CFL20G風(fēng)廓線雷達向空中發(fā)射射頻脈沖調(diào)制信號，通過接收由大氣湍流產(chǎn)生的后向散射信號，得到回波信號中的多普勒信息，以確定大氣在發(fā)射波束方向上的徑向速度。通過移相控制使相控陣天線順序產(chǎn)生天頂和偏離垂直約15°的東、西、南、北4個方向上的波束，由5個方向上獲得的大氣徑向速度分解、合成得到天線上空的風(fēng)向風(fēng)速。

表1 CFL20G風(fēng)廓線雷達的主要參數(shù)

1.2 資料選取

資料選取2008年9月—2014年5月的大約11萬份風(fēng)廓線雷達探測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的時間單位均為北京時間，測站海拔198 m。由于設(shè)備歷次改造后根據(jù)實際保障需求探測默認層次設(shè)定有所改動，此次將所有層次進行整合，垂直高度上從1500~21 000 m選取了改造前后重合的70層，數(shù)據(jù)時間間隔為6 min。數(shù)據(jù)分布：計算日變化時每個時次平均為4879份，最多5466份，最少4688份；計算年變化時每月平均9630份，最多13 321份，最少5796份。對于缺測、探測高度上數(shù)據(jù)為空的層次不參與計算。

在分析主要高度層風(fēng)的特征時為了保持數(shù)據(jù)的可信度，沒有對資料進行插值，直接選取了天氣學(xué)中具有代表性的1500 m（約850 hPa）、2900 m（約700 hPa）、5100 m（約 500 hPa）、6900 m（約 400 hPa）、12 600 m（約 200 hPa）、19 800 m（約 50 hPa）6 個高度層進行研究。主要對水平風(fēng)速和垂直速度的平均年變化、年平均日變化及月變化進行分析。

圖1 四季各風(fēng)向出現(xiàn)頻率隨高度變化統(tǒng)計

2 風(fēng)向風(fēng)速統(tǒng)計特征

2.1 風(fēng)向統(tǒng)計特征

將所有數(shù)據(jù)按照不同的季節(jié)進行各風(fēng)向出現(xiàn)頻率統(tǒng)計（圖1）。由于科爾沁草原高空處于北半球西風(fēng)帶中，各季節(jié)2900 m以上總體風(fēng)向以典型的偏西風(fēng)為主，在上對流層和下平流層有較明顯的風(fēng)向季節(jié)轉(zhuǎn)換，這與利用NCEP再分析資料進行的分析結(jié)果類似[17]。

春季科爾沁草原1500~2900 m高度上風(fēng)向以西北偏北風(fēng)為主，最高頻率可以達到28.9%（出現(xiàn)在1900 m）；隨著高度的升高偏西風(fēng)風(fēng)向頻率開始增加，到15 000 m左右達到最大值38.9%（最大值出現(xiàn)在15 400 m）；在18 000 m以上風(fēng)向出現(xiàn)頻率最高值點開始轉(zhuǎn)為東南偏東方向，最大值為24.6%（出現(xiàn)在20 600 m）。

夏季風(fēng)向頻率分布比較分散。在18 000 m左右以下同樣有兩個風(fēng)向大值區(qū)，主要風(fēng)向以西南風(fēng)和偏西風(fēng)為主，最大頻率為24%（出現(xiàn)在14 200 m），次要風(fēng)向以西北到偏北風(fēng)為主；18 000 m以上風(fēng)向以東北到偏東風(fēng)為主，最大頻率為34%（出現(xiàn)在20 600 m）。

秋季風(fēng)向頻率分布較為集中。在4000 m以下以西北偏北風(fēng)為主，西南偏西風(fēng)次之，最大頻率為32.4%（出現(xiàn)在1700 m）；4000~8000 m以西北和偏西風(fēng)為主；8000~19 000 m風(fēng)向頻率主要集中在偏西風(fēng)，頻率為49.3%（出現(xiàn)在14 600 m）；19 000 m以上風(fēng)向頻率分布變得分散，在東北、偏東方向有較小的高值區(qū)。

冬季風(fēng)向頻率分布與秋季類似，但在大部分高度風(fēng)向頻率分布顯得更為集中。2900 m以下的西北偏北頻率分布的最大值達到47.8%（出現(xiàn)在1500 m）；8000 m以上風(fēng)向都以偏西風(fēng)為主，最大頻率為60.9%（出現(xiàn)在15 400 m）。

2.2 風(fēng)速統(tǒng)計特征

將所有數(shù)據(jù)按照不同季節(jié)進行各風(fēng)速段（0~4、4~8、8~12、12~20、20~40、40~60、60~80、80~100 及100 m/s以上）進行統(tǒng)計分析。從圖2中可以看出科爾沁草原四季高空風(fēng)速出現(xiàn)頻率最高的在20~40 m/s。

春季科爾沁草原1500~5000 m高度上風(fēng)速8~20 m/s的風(fēng)出現(xiàn)頻率最高，5000~18 000 m高度上風(fēng)速20~40 m/s的風(fēng)出現(xiàn)頻率最高，到18 000 m以上風(fēng)速40~80 m/s的風(fēng)出現(xiàn)頻率最高。

夏季科爾沁草原1500~5000 m高度上風(fēng)速8~12 m/s的風(fēng)出現(xiàn)頻率最高，5000~8000 m高度上風(fēng)速12~20 m/s的風(fēng)出現(xiàn)頻率最高，8000~17 000 m高度上風(fēng)速20~40m/s的風(fēng)出現(xiàn)頻率最高，到18000m以上風(fēng)速40~80 m/s的風(fēng)出現(xiàn)頻率最高。

秋季科爾沁草原1500~2500 m高度上風(fēng)速8~12 m/s的風(fēng)出現(xiàn)頻率最高，2500~5000 m高度上風(fēng)速12~20 m/s的風(fēng)出現(xiàn)頻率最高，5000~20 000 m高度上風(fēng)速20~40 m/s的風(fēng)出現(xiàn)頻率最高。

冬季科爾沁草原2500~5000 m高度上風(fēng)速8~12 m/s的風(fēng)出現(xiàn)頻率最高，2500~4000 m高度上風(fēng)速12~20 m/s的風(fēng)出現(xiàn)頻率最高，5000~20 000 m高度上風(fēng)速20~40 m/s的風(fēng)出現(xiàn)頻率最高。

圖2 四季風(fēng)速出現(xiàn)頻率隨高度變化統(tǒng)計

3 不同層次風(fēng)速變化特征

3.1水平風(fēng)速統(tǒng)計特征

選取天氣學(xué)及氣象保障中具有代表性的1500 m（約 850 hPa）、2900 m（約 700 hPa）、5100 m（約 500 hPa）、6900 m（約 400 hPa）、12 600 m（約 200 hPa）、19 800 m（約50 hPa）6個高度層上水平風(fēng)速的各月月平均日變化、年平均日變化及年變化的時間—月份剖面進行分析（圖3）。

在1500 m高度，年平均水平風(fēng)速日變化為：夜間維持在14 m/s，日出后風(fēng)速緩慢下降，午后達到最低值，16時之后風(fēng)速迅速增大，18時左右達到最大值之后緩慢下降維持在14 m/s左右。從各月平均日變化看：4月、10月平均風(fēng)速日變化最明顯，由于這兩個月為季節(jié)轉(zhuǎn)換月份，氣溫日較差大，能量上傳對該層影響較大，導(dǎo)致有明顯的風(fēng)速日變化；2月、8月平均風(fēng)速日變化不明顯，由于這兩個月份氣溫日較差小，能量上傳對該層影響不大，導(dǎo)致沒有明顯的風(fēng)速日變化。

水平風(fēng)速年變化為：春季（3—5月）為全年平均風(fēng)速最大季節(jié)，其中4月是平均風(fēng)速最大的月份，平均風(fēng)速可達15.24 m/s；夏季（6—8月）為全年平均風(fēng)速最小季節(jié)，其中8月是平均風(fēng)速最小的月份，平均風(fēng)速為11.33 m/s。秋冬季平均風(fēng)速維持在13 m/s左右。由于當?shù)靥幱谖黠L(fēng)帶控制，冬季西風(fēng)帶南壓，西風(fēng)強盛，導(dǎo)致高空風(fēng)速較大；夏季西風(fēng)帶北移，西風(fēng)影響相對減弱，導(dǎo)致了高空風(fēng)速變小。

圖3 主要高度層風(fēng)速（m/s）

在2900 m高度，年平均水平風(fēng)速日變化不明顯，各月平均風(fēng)速日變化也不明顯。

水平風(fēng)速年變化為：冬季（12月—次年2月）為全年平均風(fēng)速最大季節(jié)，其中1月是平均風(fēng)速最大的月份，平均風(fēng)速可達18.12 m/s；夏季（6—8月）為全年平均風(fēng)速最小季節(jié)，其中8月是平均風(fēng)速最小的月份，平均風(fēng)速為11.38 m/s。春、秋兩季平均風(fēng)速維持在15 m/s左右。這些變化特征都與西風(fēng)帶的季節(jié)性變化的影響有關(guān)。

在5100 m高度，年平均水平風(fēng)速日變化為：4時和14時為2個高峰，在2個時次之間平均風(fēng)速維持在17 m/s以上，19時之后風(fēng)速下降。到20—22時左右達到全天最低值，之后風(fēng)速緩慢增大。各月平均風(fēng)速中2、9、10月的日變化較明顯。

水平風(fēng)速年變化為：各月中11月—次年3月平均風(fēng)速較大，其中2月是平均風(fēng)速最大的月份，平均風(fēng)速可達22.4 m/s；夏季（6—8月）為全年平均風(fēng)速最小季節(jié)，其中7月是平均風(fēng)速最小的月份，平均風(fēng)速為10.27 m/s。表現(xiàn)出了與低層大氣相似的由西風(fēng)帶移動引起的變化特征。

在6900 m以上高度，年平均水平風(fēng)速日變化不明顯，各季節(jié)有一定的日變化趨勢，主要與大氣大尺度環(huán)流的季節(jié)性變化有關(guān)。各月平均風(fēng)速日變化中：6900 m高度上1月平均風(fēng)速后半夜至中午風(fēng)速較小，午后開始逐漸增大，至20—22時達到一天風(fēng)速最大值，2—3月有10—16時風(fēng)速增大的趨勢；在12 600 m高度上，2月有中午前后風(fēng)速增大的趨勢，在9月和11月有上午風(fēng)速減小的趨勢；在19 800 m高度上，1、2月有日出后風(fēng)速增大、中午達到最大值、午后風(fēng)速減小的趨勢。

水平風(fēng)速年變化：在6900 m高度上，與5100 m類似，冬半年平均風(fēng)速大，夏半年平均風(fēng)速小。在12 600 m高度上，各月中1—3月和9月平均風(fēng)速較大，其中1月是平均風(fēng)速最大的月份，平均風(fēng)速可達32.72 m/s，4—8月為全年平均風(fēng)速較小的月份，其中6月是平均風(fēng)速最小的月份，平均風(fēng)速為20.62 m/s。19 800 m高度與前幾層基本相反。冬半年（10月—次年3月）平均風(fēng)速小，夏半年（4—9月）平均風(fēng)速大。最大值出現(xiàn)在8月，最小值出現(xiàn)在1月。這些變化主要與中高層大氣大尺度環(huán)流變化有關(guān)。

3.2 垂直速度統(tǒng)計特征

選取天氣學(xué)及氣象保障中具有代表性的1500 m（約 850 hPa）、2900 m（約 700 hPa）、5100 m（約500 hPa）、6900 m（約 400 hPa）、12 600 m（約200 hPa）、19 800 m（約50 hPa）6個高度層上垂直速度的各月月平均日變化、年平均日變化及年變化的時間—月份剖面進行分析（圖4）。

2900 m高度以下，1500 m高度年平均垂直速度以上升氣流為主。日變化為：日出之后垂直速度緩慢增大，到14時達到最大值，之后緩慢下降，日落后維持在0.1 m/s左右。垂直速度年變化為：春季（3—5月）為全年平均垂直速度最大季節(jié)，其中4月是平均垂直速度最大的月份，平均垂直速度可達0.32 m/s；其他各月份平均垂直速度相當，1月最小，平均垂直速度為0.06 m/s。

2900 m高度年、各月平均垂直速度日變化及垂直速度年變化都與1500 m相似。垂直速度同樣以上升氣流為主，只是平均垂直速度的最大值與1500 m相差較多，年平均垂直速度日變化為前半夜比后半夜大，垂直速度年變化最大值為5月。

全年中1月、7月、11月、12月的垂直速度日變化不明顯，其他各月與年平均日變化趨勢相同。這與當?shù)貧鉁厝蛰^差有關(guān)，1月、7月、11月、12月當?shù)貧鉁厝蛰^差在10℃左右，由能量上傳引起的低層大氣對流活動變?nèi)酰吔鐚痈叨纫惶飚斨凶兓瘺]有其他月份大，導(dǎo)致垂直速度變化不明顯。春秋季節(jié)當?shù)貧鉁厝蛰^差大，有時可達20℃以上，這使得由能量上傳引起的低層大氣對流活躍，邊界層高度一天當中變化大，導(dǎo)致有明顯的垂直速度日變化。

5100 m高度以上，5100 m高度以上各層年平均垂直速度變化較小。5100 m和6900 m高度上平均垂直速度日變化有午夜至中午變化幅度較小，午后變化幅度開始增大。12 600 m和19 800 m高度上平均垂直速度日變化不明顯，兩層年最小垂直速度都出現(xiàn)在8月。19 800 m高度上夏季8—14時存在上升氣流的趨勢。

5100 m以上高度當?shù)匾晕黠L(fēng)帶控制為主，引起垂直速度變化的主要是天氣過程帶來的對流活動引起的。在5100 m高度上6月的平均上升速度較大，而且在日變化中10時至午后有明顯的增大趨勢。到了6900 m高度，當?shù)匾话爿^強對流才能達到此高度，由于這種天氣在數(shù)據(jù)中的樣本量較小，所以該層表現(xiàn)的垂直速度日變化、年變化都不明顯。12 600 m和19 800 m高度垂直速度的變化主要與平流層大氣大尺度環(huán)流變化有關(guān)。

4 垂直高度上風(fēng)速日變化

4.1 水平風(fēng)速日變化

通過垂直高度上水平風(fēng)速距平日變化（圖5）可以看出，從垂直剖面圖上表現(xiàn)出的水平風(fēng)速距平日變化特征與主要高度層中的基本一致。隨著高度的增加，高層水平風(fēng)速開始增大的時間有所推后，大約每升高1000 m風(fēng)速增大時間延遲約1 h，10 000 m以下風(fēng)速正距平維持大約10 h后開始減小，呈現(xiàn)出一種能量上傳的過程。在10 000 m以上水平風(fēng)速的日變化趨勢變得不太明顯。

圖5 垂直高度上風(fēng)速距平日變化

4.2 垂直速度日變化

通過垂直高度上垂直速度距平日變化（圖6）可以看出，從垂直剖面圖上表現(xiàn)出的水平風(fēng)速距平日變化特征與主要高度層中的基本一致。5500 m以下從0—10時垂直速度以負距平為主，隨著底層大氣溫度的逐漸升高，10時以后從1500~2900 m左右開始出現(xiàn)上升氣流，11時左右正距平開始逐漸增大，伸展高度也逐漸增高。到底層溫度最高的14時左右，正距平伸展高度達到最高，其中3500 m以下的垂直速度正距平增大最明顯，同時底層正距平也達到最大值。由于10時之后太陽輻射對地面加熱作用的積累使地面氣溫升高，能量逐漸向上傳遞，對流逐漸加強，邊界層大氣充分混合，垂直速度逐漸增大；到傍晚17時前后，地面因長波輻射冷卻溫度降低，對流減弱，邊界層大氣逐漸穩(wěn)定，垂直速度較小。

圖6 垂直高度上垂直速度距平日變化

5 結(jié)論

利用科爾沁草原6 a的風(fēng)廓線雷達高空風(fēng)探測數(shù)據(jù)對科爾沁草原高空風(fēng)場垂直特征進行了分析，得出以下結(jié)論。

（1）從各方位風(fēng)向分布頻率上看：2900 m~18 000 m科爾沁草原高空基本以偏西風(fēng)為主。其中冬季風(fēng)向頻率分布最為集中，在15 000 m高空偏西風(fēng)出現(xiàn)頻率60.9%；夏季高空風(fēng)向分布最為平均，14 000 m高空偏西風(fēng)出現(xiàn)24%。在14 000 m~20 000 m以東南偏東風(fēng)為主。

（2）從各風(fēng)速段出現(xiàn)頻率看：四季中20~40 m/s風(fēng)出現(xiàn)的頻率最高。其中秋冬季5000 m以上高空風(fēng)速達到20~40 m/s的可以達到65%以上，春季可達55%以上，夏季可達35%以上。在2000 m以下主要以8~12 m/s的風(fēng)速為主。春秋冬三季高空風(fēng)速2000~5000 m高度上以12~20 m/s為主，夏季5000 m以下以8~12 m/s為主。

（3）垂直高度上水平風(fēng)速呈一波一谷型變化。隨著高度的增加，高層水平風(fēng)速開始增大的時間有所推后，大約每升高1000 m風(fēng)速增大時間延遲約1 h，10 000 m以下風(fēng)速正距平維持大約10 h后開始減小，呈現(xiàn)出一種能量上傳的過程。在10 000 m以上水平風(fēng)速的日變化趨勢變得不太明顯。

（4）垂直高度上垂直速度在5500 m以下有明顯日變化，0—10時垂直速度以負距平為主，10時以后隨著底層大氣溫度的逐漸升高從1500~2900 m左右開始出現(xiàn)上升氣流，11時左右正距平開始逐漸增大，伸展的高度也逐漸增高。到底層溫度最高的14時左右，正距平伸展高度達到最高。其中3500 m以下的垂直速度正距平增大最明顯，同時底層正距平也達到最大值。

（5）科爾沁草原水平風(fēng)速年變化上看：12 600 m及以下各層平均風(fēng)速最小的月份出現(xiàn)在6—8月，1500 m和2900 m平均風(fēng)速最小的月份為8月，5000 m和7000 m平均風(fēng)速最小的月份為7月，12 000 m平均風(fēng)速最小的月份為6月。到了19 000 m平均風(fēng)速最小的月份轉(zhuǎn)變?yōu)槎镜?2月。而各層風(fēng)速最大的月份基本都是12月—次年5月，19 000 m風(fēng)速最大月份變?yōu)橄募镜?月。

（6）科爾沁草原垂直速度年變化上看：1500 m和2900 m有較為明顯的年變化，最大值出現(xiàn)在春夏交接的4—6月，最小值出現(xiàn)在12月。5000 m以上垂直速度沒有明顯的年變化。