2025, Vol. 51 
2. 河北省人工影响天气中心, 石家庄 050021；
3. 北京城市气象研究院, 北京 100089
2. Hebei Weather Modification Center, Shijiazhuang 050021;
3. Bejing Institute of Urban Meteorology, CMA, Beijing 100089
大气边界层是以湍流为主，在距离地面1~2 km范围内，湍流输送发挥重要作用并导致气象要素日变化显著的低层大气(盛裴轩等，2003)，其通过湍流交换维持地球与大气系统之间动量、热量、水汽及其他微量气体的平衡，是地气系统相互作用的桥梁(胡非等，2003；张强和胡隐樵，2001)。同时边界层也是人类从事生活、生产活动的重要场所，与人类日常息息相关(张强，2003；Garratt，1994)。
边界层急流是大气边界层内频发的一种重要现象，是大气边界层研究中的主要内容，其是指对流层低层1500 m以下风速廓线呈“鼻状”结构分布，且最大风速上方存在明显风速切变，风速差至少在3 m·s-1以上的一种天气现象(Andreas et al，2000；Banta et al，2002)。研究结果表明，边界层以上天气或次天气尺度低空急流(925~700 hPa)和边界层急流的建立及增强会使得上下层垂直风切变增大，并增大正涡度环流，为极端降水的产生提供很好的动力条件，同时低空急流携带的暖湿气流会为降水的触发提供充足的水汽条件(雷蕾等，2020；钤伟妙等，2022；李青春等，2022；孔期等，2022)。同时，急流强烈的风切变作用又会影响湍流分布状况，进而改变下垫面与自由大气间动量、热量、水汽及物质的交换过程(Hu et al，2013；Lin et al，2022)。此外，边界层急流还与空气污染(Klein et al，2014；景翠雯等，2022)、飞行安全(Balmez and Stefan, 2014；陈健伟等，2018)、风能利用(Gadde and Stevens, 2021；Storm et al，2009)、森林火灾(Fromm and Servranckx, 2003)、沙尘暴(张春燕等，2022)等诸多天气、气候现象存在密切关联。因此，自Goualt(1938)在非洲首次发现这一特殊现象起就引起了人们的广泛关注(陶诗言等，1979；斯公望等，1982；曾庆存等，2007；张文龙等，2007；刘鸿波等，2014；苏洋等，2023)。
大量研究表明，经典边界层急流通常出现在夜间，急流强度在凌晨前后达到最大，最大风速>20 m· s-1 (Blackadar，1957；Hoecker，1963)。急流轴高度多在400~500 m，且与伴随的逆温层有较好的对应关系(李兴生等，1981；李炬和舒文军，2008；何松蔚，2019)。此外，急流风向在北半球还表现出显著的顺时针旋转特征，即经典的惯性振荡机制(Bonner，1968；Klein et al，2016)。
除了经典型边界层急流外，在地形、天气系统的强迫作用下急流还可表现为其他形式(Holton，1967；Uccellini et al，1987；孙继松，2005；Jiang et al，2007)。如Lundquist and Mirocha(2008)在模拟俄克拉何马城市上空的边界层急流过程发现，部分急流核存在向上或向下的发展趋势。Du and Rotunno(2014)的模拟结果也表明美国大平原的夜间边界层急流存在倾斜向上的延展结构。王嘉鑫等(2024)发现北京地区边界层急流还表现出间歇型、下沉型及抬升型等多种急流特征。另外，还有一种特殊的急流类型，即弱风速带包裹型边界层急流。在北京地区，这种急流的发生频率仅次于经典型急流，且这两种急流特征存在明显差异。弱风速带包裹型边界层急流主要发生于北京城区西部近地面的后半夜时段，在加速底层污染物扩散，改善北京城区空气质量，优化夜间城市热岛结构，提高城市舒适度等方面均具有重要意义。现阶段有关这种特殊急流的研究相对较少，形成机制不明确。因此本文利用多普勒测风激光雷达资料、地面自动站资料及数值模拟方法对该急流的基本特征及形成发展机制进行讨论。
1 数据与方法 1.1 数据资料采用2018年3月至2019年2月北京宝联站多普勒测风激光雷达数据。仪器为法国LEOSPERE公司生产的WINDCUBE多普勒测风激光雷达，空间分辨率为15 m，时间分辨率为1 s，探测盲区为50 m。雷达以75°仰角分别扫描东、南、西、北4个方位及垂直方向，在此基础上可获取1000 m范围内的瞬时风场。对获得的观测数据采用滑动窗口平均法进行质量控制，并利用北京南郊观象台的秒级探空数据与雷达数据进行个例对比(图略)，风速的相关系数达到0.85，风向的相关系数达到0.92，此雷达数据能有效地反映观测期间的垂直风场结构。除此之外，文中还用到了观测期间的实况观测资料，其中，高空资料用于天气形势的分析，地面资料用于模式结果的对比验证。
1.2 数值模式本文采用的数值模拟工具为天气研究和预报(WRF)模式，模拟区域中心为40.30°N、115.76°E，其采用3层嵌套，水平分辨率分别为27、9、3 km，网格数分别为112×112、160×160、260×260，最内层包括北京全部区域。模式垂直方向分为52个σ层，为了更好地模拟低空急流的形成演变过程，在1500 m高度以下加密至25层，模式起始时间为2018年10月18日16时(北京时，下同)，结束时间为23日16时。初始气象场采用NCEP-FNL全球再分析资料，模式中各种参数化方案的选择列于表 1。图 1为3层模拟嵌套区域及北京周边地形分布。
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表 1 WRF模式中各物理过程参数化方案选择 Table 1 Physical process parameterization scheme in WRF model |
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图 1 (a) WRF模式中模拟嵌套区域及(b)北京周边地形分布 注：图a中黑色方框表示嵌套区域边界；图b中黑点为宝联观测点，黑线为垂直剖面位置。 Fig. 1 (a) Simulation nesting in WRF model and (b) terrain around Beijing |
为更好地说明经典型与弱风速带包裹型边界层急流的区别，图 2给出了两种急流的对比。由图 2a可见，2018年10月16日经典型急流开始于14时，结束于21时，急流厚度约1000 m，急流轴高度约位于300 m，急流最大风速可达7 m·s-1以上，急流开始时为东南风，之后逐渐转向正南，有明显的顺时针旋转特征。由图 2b可见，2018年10月19—20日弱风速带包裹型边界层急流的出现和结束时间要略晚于经典型急流，强度较弱，仅6 m·s-1，急流轴高度也仅有250 m，急流风向基本保持不变且也与高空背景风有明显差异，在风向转换高度处形成一条明显的弱风速带(图 2b中深蓝色区域)，该区域将下层的低空急流进行了包裹，故将该急流称为弱风速带包裹型边界层急流。表 2列出了北京地区边界层急流的研究情况，可见急流风速多分布在5~15 m·s-1，急流风向多为西南风，观测到的弱风速带包裹型边界层急流表现出不同的特征。
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图 2 北京地区2018年10月(a)16日经典型急流和(b)19—20日弱风速带包裹型边界层急流风速(填色)对比 注：箭头表示水平风方向；图b中黑框位置为观测到的弱风速带包裹型边界层急流。 Fig. 2 Wind speed (colored) comparison of (a) typical low-level jet on 16 and (b) weak wind speed zone boundary layer low-level jet in 19-20 October 2018 |
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表 2 北京边界层急流的研究情况 Table 2 Research results of boundary layer low-level jet in Beijing |
图 3给出了观测期间经典型急流与弱风速带包裹型边界层急流发生的背景天气形势统计结果。经典型急流主要发生于均压场(37.5%)、高压底部(25%)、高压前部(20.8%)、高压顶部(12.5%)及高压后部(4.2%)，而弱风速带包裹型边界层急流主要发生于均压场(42.9%)、高压控制(21.4%)、高压顶部(17.6%)、高压后部(10.7%)及高压前部(7.1%)。两种低空急流在均压场下均表现出最高的发生频数，二者的差异在于弱风速带包裹型边界层急流在高压控制下有明显的发生情况，而经典型急流却很少发生。此外，本文还统计了弱风速带包裹型边界层急流发生时的天气状况，其中75%的个例表现为晴天，25%的个例为阴或多云，即急流现象在晴天或阴天状况下均会发生。
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图 3 2018年3月至2019年2月北京经典型急流与弱风速带包裹型边界层急流发生背景天气形势统计结果 Fig. 3 Synoptic situation of typical low-level jet and weak wind speed zone boundary layer low-level jet in Beiijng from March 2018 to February 2019 |
为了更好地说明弱风速带包裹型边界层急流的总体特征，对观测期间的北京28个个例进行了统计分析(图 4)。由图 4a可见，弱风速带包裹型边界层急流主要发生于10—12月，即在秋冬季的弱天气背景下多发。由图 4b可见，这种特殊急流的开始时间多集中于02时前后，在09时前后结束，生命史约7 h。由图 4c可见，弱风速带包裹型边界层急流的强度主要集中在5~7 m·s-1，风向以东北风为主。由图 4d可知，弱风速带包裹型边界层急流轴高度主要出现在150~350 m，弱风速带高度则主要出现在约500 m。
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图 4 2018年3月至2019年2月北京弱风速带包裹型边界层急流的(a)发生月份，(b)起始、结束时刻，(c)最大风速与风向的玫瑰图，(d)急流轴及弱风速带高度 Fig. 4 (a) The occurrence month, (b) the beginning and end of time, (c) rose diagram of the maximum wind speed and wind direction, (d) heights of jet axis and weak wind speed zone for the weak wind speed zone boundary layer low-level jet in Beiijng from March 2018 to February 2019 |
为了探究弱风速带包裹型边界层急流的形成机制，利用WRF模式对2018年10月19日夜间出现的弱风速带包裹型边界层急流过程进行了模拟。由19日的天气图(图略)可知，受500 hPa高压脊控制，北京地区晴朗少云，气温7~19℃，风向西南，风速1~2级。
2.2.1 模拟结果验证图 5给出了2018年10月19日20时与20日05时北京弱风速带包裹型边界层急流模拟结果与观测结果的对比。由图可见，两个时刻的模拟结果都很好地呈现出了急流的鼻状结构。此外，急流轴高度、急流强度的模拟结果和观测值也有很好的一致性。在距地高度1 km以下，两个时刻风速观测结果与模拟结果的平均相关系数为0.77，500 m以下的平均相关系数可达0.84，风向的平均相关系数可达0.91，表明此次模拟很好地反映了此过程的主要特征。
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图 5 2018年10月(a)19日20时，(b)20日05时北京弱风速带包裹型边界层急流的风速、风向观测与模拟结果 Fig. 5 Comparison of wind speed and wind direction between observation and the simulation result for the weak wind speed zone boundary layer low-level jet in Beiijng at (a) 20:00 BT 19 and (b) 05:00 BT 20 October 2018 |
图 6为2018年10月19—20日北京地区不同高度、不同时刻弱风速带包裹型边界层急流风场的模拟结果水平分布。由图 6a1可见，在19日22时200 m高度上，当气流远离太行山及燕山山脉时，风向为一致的西南风，风速也相对较大。但当气流靠近山脉时气流速度明显减慢，同时还伴有风向转变，这主要是由低层西南风受地形阻挡效应所致。再加上夜间“下坡风”作用的增强，在形成了一条风速较强(约5 m·s-1)的东北风气流带(图 6a1黑框范围内)，且此高度风速明显大于地面及400 m以上的风速，由此可知，该区域即为弱风速带包裹型边界层急流出现的位置与高度。图 6a2和6a3中风场的水平分布特征与图 6a1类似。图 6a4中，由于水平剖面高度已经超过北京地区大部分山顶，故地形阻挡作用明显减弱，气流可以越山，全域基本都为西南风。
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图 6 2018年10月19—20日北京地区不同高度、不同时刻弱风速带包裹型边界层急流的风向(箭头)、风速(填色)的水平分布 注：白色区域为地形阻挡作用下的无风速区；黑色方框为东北风气流带。 Fig. 6 Horizontal distribution of wind direction (arrow) and wind speed (colored) at different heights and different moments for the weak wind speed zone boundary layer low-level jet in Beijing from 19 to 20 October 2018 |
由图 6b1可见，至20日02时，东北风气流带进一步向西南方向延伸，覆盖范围增大，同时气流带内的风速明显增强，最大风速可达7 m·s-1左右。与此同时，该气流带也在垂直方向上不断延展，在400 m高度上也可见一条较大的东北风气流带，风速5 m·s-1左右(图 6b2)，表明随时间推移弱风速带包裹型边界层急流迅速变强、变大，与观测结果有很好的对应关系。图 6b3和6b4中风场分布特征分别与同高度19日22时风场分布类似。
由图 6c1可见，至20日06时，东北风气流带继续向南延伸，影响范围进一步扩大，200 m高度上的影响区域已至北京地区以外。垂直厚度也不断加高，400 m、600 m高度上都能看到一定范围的东北风气流带，强度约4 m·s-1左右(图 6c2和6c3)。综合分析可知，整条东北风气流带(长130 km×宽10 km×高600 m)即为弱风速带包裹型边界层急流在空间上的所在位置。
2.2.3 弱风速带包裹型边界层急流垂直结构特征为了说明不同时段弱风速带包裹型边界层急流的垂直结构特征，图 7给出了2018年10月19日20时、23时，及20日02时、05时、08时、11时风向、风速沿图 1b黑线所做的垂直剖面。
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图 7 2018年10月19—20日风速(填色)、风向(箭头)沿图 1b黑线的垂直剖面 Fig. 7 Vertical profiles of wind speed (colored) and wind direction (arrow) along the black line in Fig. 1b from 19 to 20 October 2018 |
由图 7a可见，19日20时，平原地区200 m高度内及靠近燕山山脉的区域，气流方向已转为东北风，其余高度处都为西南风，表明地形的阻挡和绕流作用已影响了背景风的走向，图中深蓝区域即为风向转换区，同时也是弱风速区。同时，还可以看到在200 m高度内与右侧山体相接的位置处有一小块悬浮的风速大值区，最大风速约为4 m·s-1，且其上层有大面积弱风速区，该区域即为弱风速带包裹型边界层急流初始形成时的状态及位置。由图 7b可见，随着时间的推移，弱风速带包裹型边界层急流有了明显的发展，急流水平范围由靠近山体的区域迅速蔓延至平原区域，急流厚度由200 m发展到400 m，急流强度增加至近7 m·s-1。与此同时，随着东北风气流带的增强，弱风速带在水平和垂直方向也都得到了快速发展。至20日02时和05时，急流与弱风速带继续发展，并在05时达到最强，急流最大风速可达8 m·s-1左右，急流轴高度为250 m左右，弱风速带抬升至600 m左右，厚度约100 m(图 7c和7d)。08时后，急流进入消散期(图 7e)，急流厚度(近600 m)虽然有了进一步增加，但急流强度开始迅速减弱，仅5 m·s-1左右。此时，受地形高度影响弱风速带也开始减弱变薄，且无法继续抬升，至11时，急流完全消失(图 7f)。
综上分析可知，模拟结果中弱风速带包裹型边界层急流的起止时间、急流强度、急流厚度、急流轴高度、急流风向、急流演变过程都与观测结果有很好的一致性。同时，模拟结果还给出了急流时空演变特征，以及与弱风速带的相互关系，进一步证明了地形的阻挡和绕流作用是急流形成的一个关键因素。
图 8给出了与图 7相同时刻的风向、温度剖面。由图 8a可见，19日20时在“下坡风”作用下，在燕山山脚的位置处已有明显逆温层，逆温层顶高约150 m，逆温强度2.6℃·(100 m)-1。逆温的位置、高度与弱风速带包裹型边界层急流有很好的一致性。这主要是由于在逆温层的作用下大气湍流运动迅速减弱，当湍流摩擦作用削弱后，逆温层上方气流与地面解耦形成急流。由图 8b~8d可见，随着时间的推移，北部燕山地区温度下降明显，地形冷泄流在东北风的作用下不断楔入平原地区，地面冷池的不断增厚及向南扩展致使逆温层在水平和垂直方向得到充分发展，并在20日05时近燕山山脉处逆温梯度达到最大，为6.9℃·(100 m)-1。与同时刻风速、风向垂直剖面图对比可知，逆温层的高度、范围、强度的发展过程正是急流增大、增强过程。08时日出以后，随着太阳辐射增加，地面温度升高，逆温层开始消散，至11时逆温层已完全不存在(图 8e、8f)，相对应的急流过程也逐渐消散。
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图 8 2018年10月19—20日风向(箭头)、温度(填色)沿图 1b黑线的垂直剖面 Fig. 8 Vertical profiles of wind direction (arrow) and temperature (colored) along the black line in Fig. 1b from 19 to 20 October 2018 |
综上可知，地形逆温的形成、发展、消散过程是影响边界层急流演变的另一主要因素。
3 结论与讨论本文利用观测资料与数值模拟方法对弱风速带包裹型边界层急流的基本特征与形成机制进行了研究，得到如下结论。
(1) 弱风速带包裹型边界层急流是发生在北京独特地形条件下的一种天气现象，主要发生于02—09时，急流强度为6 m·s-1左右，急流厚度约500 m，急流轴高度为200~300 m，急流风向基本都为东北风，发生位置主要为燕山山脉与太行山脉接壤的平原地区。此急流与其上空背景风之间的风向转换区是一层弱风速区，该弱风速区对低层急流进行了“包裹”。
(2) 在太行山脉与燕山山脉阻挡作用下，靠近山体的背景西南风会转向为东北风。同时，入夜后，北侧山脉地形区降温明显，在东北风作用下地形冷泄流会不断楔入平原地区，形成明显的逆温层。在逆温层作用下，气流与地面解耦，惯性振荡机制下形成急流。逆温层的形成、发展、消散过程正是急流时空演变的主要原因。
由于现有观测条件的限制，未来尚需更长时间维度观测资料来说明弱风速带包裹型边界层急流的特征情况。
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