青龙县山谷风特征及其对污染物的影响

郭鸿鸣，毛智政，高 畅，曹 靖

秦皇岛市气象局，河北秦皇岛 066000

山区地形是由各种地形单体组成的，有海拔、坡向、坡度、起伏程度等的差异。不同地形由于辐射条件差异，热力条件也明显不一致，并导致局地环流的形成，山谷风是最典型的例子[1-2]。山谷风是由于山坡上和坡前谷中同高度上自由大气间有温差而形成的地方性风。

1 山谷风形成原理和过程

山谷在昼夜受热和放热的条件不同，导致在它们之间形成温度差，随之引起空气密度变化，山谷间构成压力梯度，昼夜压力梯度方向相反，从而形成了山谷风（图1）。

图1 山谷风示意图

白天，山坡接受太阳光热较多，成为一只“加热炉”，空气增温较多；与山顶相同高度的山谷上空，因离地较远，空气增温较少。山坡上的暖空气不断膨胀上升，在山顶近地面形成低压，并在上空从山坡流向谷地上空，谷地上空空气收缩下沉，在谷底近地面形成高压，谷底的空气则沿山坡向山顶补充，从而在山坡与山谷之间形成一个热力环流。下层风由谷底吹向山坡，称为谷风。夜间，山坡上的空气受山坡辐射冷却影响，“加热炉”变成“冷却器”，空气降温较多；而同高度的谷地上空，空气因离地面较远，降温较少。山顶空气收缩下沉，在近地面形成高压，冷空气下沉使空气密度加大，顺山坡流入谷地，谷底的空气被迫抬升，并从上面向山顶上空流去，形成与白天相反的热力环流。下层风由山坡吹向谷地，称为山风。

简而言之，日间在太阳辐射强烈的作用下，山坡和山顶的气温显著上升，比谷中同高度自由大气的温度要高，形成水平方向的密度梯度，暖空气上升，谷底冷空气沿山谷和山坡向上输入补充，形成谷风。夜间，则由于坡地辐射冷却而降温，坡地气温比谷中自由大气的温度低，密度较大，造成冷空气向谷底流动而形成山风。

山谷风通常在一般环流微弱的少云天气下最易发展。早上日出后2～3 h开始出现谷风，随着地面不断增温风速逐渐加大，午后达最大。然后风速开始减弱，到傍晚平息下来并代之以山风，直到第二天早上日出后再转为谷风，从而完成昼夜之间的风向转换。山谷风现象在山区是比较普遍的，许多山区气象站的风观测记录都能明显地反映出来。

2 青龙山谷风分析

秦皇岛北部地区为燕山山脉，青龙县城处于地形为东西向的山谷中（图2），这种地形可以产生明显的山谷风。青龙县气象观测站的位置位于谷底北侧山脉的山脚下方，距离谷底中心约500 m，可以较好地观测风向的变化特征，以及风向阶段性保持不变的特点。由于青龙气象站于2009年迁站，地理位置发生了一定的改变，为了提高统计结果的准确性，故利用迁站后2010—2022年13年的气象数据统计分析了青龙县山谷风的特点。

图2 青龙县城及周边地形图

大多研究者统计某一地的气候特征时，都是用全部的气象数据，未剔除大风、降雨等天气对统计结果的影响。因此，为了提高统计结果的准确性，首先对气象数据进行筛选，设定日最大风速不超过5.4 m/s，日降水量为0 mm，日照时数不≥7 h的阈值。以上气象阈值的设定，可以确保统计得到的结果是小风速、晴天下青龙站的气象日期数据库。利用该日期数据库，再对小时数据进行过滤，最终得到晴天、小风日情况下的小时数据气象观测资料。最后统计该资料中10 min风向风速的数据，将每日00:00的作为一组数据，统计其风向频率特征，并将最大的风向频率作为该时刻的主要风向（16方位风向）。按照此方法依次统计其余的01:00～23:00风向频率，共得到24个时刻的最多风向结果，然后绘制成逐时最多风向频率折线图（图3）。

图3 2010—2022年青龙逐时最多风向图

分析数据统计可以看出，2010—2022年期间00:00～08:00以N风为主（山风），09:00～12:00以E风为主，为山风向谷风转变的过程，13:00～17:00以西南风为主（谷风），18:00～23:00转为偏北风。山风（00:00～08:00和18:00～23:00）与谷风（13:00～17:00）这2个时段的风向约为145°的差别，山谷风特征十分明显。

分别统计分析该地区4个季节的山谷风（图4），可以发现，春季上午青龙山谷风转换时间为08:00～11:00，夏季为07:00～11:00，秋季为09:00～12:00，冬季为09:00～14:00，夏季转换时间最早，冬季转换时间最晚。这是因为冬季夜间青龙山区气温低，白天需要太阳辐射加热时间较长，才能产生冷暖空气的流动[3]。从山谷风持续时间上统计，春、夏季谷风持续时间约9 h，秋、冬季为3～5 h，这可能由于秋、冬季青龙地区气温低，白天太阳辐射持续时间短造成的。由此可见，春、夏季由山风转为谷风的时间比秋、冬季早，且持续时间更长。

图4 2010—2022年春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）逐时最多风向图

3 山谷风对城市环境的影响

山谷风的变化对城市空气质量有不利影响，山谷风对污染物输送有明显的影响，可能会加剧空气污染[4-5]。吹谷风时，排放的污染物向外流出，导致山谷中污染物浓度降低；吹山风时，污染的空气在谷中聚集，可能导致山谷中污染加重。因此，工厂的建设和布局要考虑有规律性的风向变化问题[6]。

由前面的统计结果可以看出：春、夏季由山风转为谷风的时间比秋、冬季早，且持续时间更长，说明秋、冬季青龙县城内“谷风”持续时间短，这样就会造成山谷中的污染物向外排放和扩散的时间较短，导致秋、冬季污染物的平均浓度高于春、夏季。

青龙气象站处于山谷中的北侧，“山风”发生时，该站的风向大约为西北、偏北、东北风；“谷风”发生时，该站的风向大约为西南、偏南、东南风。例如：2021年9月10—11日，青龙县城内为晴天，且风速较小，日最大风速4.4 m/s（3级），具有明显的山谷风特征。因此，同步分析10 min风向、10 min风速，以及PM2.5、污染物浓度数据的变化可以得到如下结论（图5）：（1）10日00:00～07:00，PM2.5污染物浓度从16.6 μg/m3上升至35.8 μg/m3，此期间青龙气象站为偏北风，山谷风特征表现为“山风”；（2）日出后，风向逐渐转为偏东风，到10日11:00转为偏南风，山谷风特征表现为“谷风”，一直持续至10日18:00。PM2.5污染物浓度从35.8 μg/m3持续下降升至4.9 μg/m3；（3）日落后，19:00到青龙气象站风向再次转为偏北风，并基本持续到11日10:00，山谷风特征表现为“山风”，PM2.5污染物浓度从4.9 μg/m上升至74.5 μg/m3；（4）11日日出后，09:00～10:00转为偏东风，11:00风向转为东南风或偏南风，山谷风特征表现为“谷风”，一直持续至17:00，PM2.5污染物浓度从75.5 μg/m3持续下降升至22.6 μg/m3。

图5 2021年9月10—11日青龙气象站和环境监测站数据

通过这次典型山谷风气象和污染物浓度的详细分析，可以明显地看到，在山谷风的日变化过程中，PM2.5污染物的浓度也随之出现了明显的日变化特征。由于夜间“山风”的持续作用，导致污染物不断聚集，日最大值出现在日出前后。白天随着“谷风”的出现，污染物被空气运动带离县城所在的山谷中，污染物的浓度出现快速下降，日最小值出现在日落前1～2 h。但总体来看白天污染物浓度降低并持续的时间较短。

4 结论

统计分析了2010—2022年秦皇岛市青龙县特殊地形下的山谷风气候特征，并通过一个实际天气过程，说明了青龙县山谷风对污染物的影响。主要结论如下。

（1）青龙县地处山谷中，具有明显的山谷风气象特征。“山风”出现在夜间一直持续到08:00，09:00～12:00为“山风”向“谷风”转变的过程，13:00～17:00为“谷风”，18:00～23:00再次转为“山风”。

（2）随着季节的变化，由于日出、日落时间的改变，青龙县山谷风特征表现为，白天“谷风”春、夏季最长，冬季最短，春、夏季山谷风转化时间较早。

（3）在晴天、小风天气的情况下，青龙县城受到山谷风的影响，PM2.5污染物的浓度也相应地出现显著的日变化特征。

（4）由于夜间“山风”的持续作用，导致污染物不断聚集，日最大值出现在日出前后。白天随着风向的转变及“谷风”的出现，污染物被空气运动带离县城所在的山谷中，污染物的浓度出现快速下降，日最小值出现在日落前1～2 h。