冬季由于冷空气活动频繁，北方经常遭遇大风天气（钱维宏和张玮玮，2007）。强风过程产生的剪切、应力等对高层建筑物、民航飞行、桥梁以及人们的生命财产安全等均造成一定威胁（付丹红等，2003；刘香娥和郭学良，2012；涂小萍等，2014；徐海等，2014）。彭珍等 (2007)和刘熙明等 (2010)分别研究了北京地区不同天气条件时的边界层特征，发现大风过程是不同天气条件下边界层结构发生改变的重要因素。刘小红和洪钟祥 (1996)研究了1993年4月9日北京地区一次特大强风过程的边界层结构特征，发现低频的中大尺度涡旋对该次强风的影响较大。李倩等 (2003)根据大风条件时的资料，分析了北京城区下垫面空气动力学粗糙度的年际变化。2014年11月29日至12月5日北京一周内先后经历两次大风降温过程。第一次大风过程自11月30日中午起，风速逐渐加大，平均风速达到6级（10.8~13.9 m s^-1）左右，30日夜间，最高阵风达到8~9级。2014年12月2日，再次经历冷空气过程，平均风速达到4~5级，降温过程一直持续到12月5日。本文利用中国科学院大气物理研究所325 m气象观测塔（简称气象塔）得到的气象梯度资料和涡动相关法得到的湍流观测资料，分析了2014年11月29日至12月5日两次大风过程边界层主要气象要素的变化过程以及湍流通量输送过程。本研究对于高层建筑抗风设计有一定借鉴作用。

北京325 m气象塔包含15层气象梯度资料，高度分别为8 m、15 m、32 m、47 m、65 m、80 m、100 m、120 m、140 m、160 m、180 m、200 m、240 m、280 m和320 m，观测的气象要素有风速风向、气温以及相对湿度。气象塔观测仪器具体介绍见李倩等 (2004)。气象塔周边主要包含建筑物、道路和植被等土地利用类型，其中建筑物主要分布于塔南侧，平均高度约80 m；绿色植被平均高度约10~20 m，沿道路两侧分布，关于下垫面状况的具体介绍参见Liu et al.(2012)。气象要素每20 s观测一次，对资料进行去除野点等质量控制后，为去除湍流脉动的影响，对原始资料每10 min进行平均。湍流资料的观测分别为47 m、140 m和280 m，采样频率为10 Hz，利用eddpro软件对原始资料进行坐标旋转、密度脉动订正等处理和质量控制后，得到30 min的湍流平均资料。

本文分析了阵风系数I₁和阵风强度I₂的变化，它们的定义分别为

其中，U_max、U_min分别为某时段内最大、最小瞬时风速，U为该时段内平均风速（刘小红和洪钟祥，1996）。

风切变是指空间短距离两点间风速或风向的显著变化，风速垂直切变是指垂直方向上两点间风速的突然变化。风速垂直切变可表示为ΔU/Δh，其中U为风速，h为高度。

本文分析的边界层湍流特征包括特征尺度摩擦速度u_*、温度尺度T_*，湍流动能k'，平均动能k和湍流强度等，特征尺度具体的计算式分别为

其中，u、v表示水平风速，w为垂直风速，横上线“^—”表示时间平均，“′”表示脉动量。

湍流动能随时间的变化体现湍流动能的净收支，是衡量湍流发展或衰退的指标。本文分析了水平方向的湍流动能k'和平均动能k，计算公式为

其中，u'、v'分别表示u、v方向的风速脉动值，u、v分别表示u、v方向的平均风速。

风速的脉动均方根与平均风速的比值定义为湍流强度，是表征湍流发展强度的量，垂直方向的湍流强度和无量纲三维风速标准差分别为${\sigma _w}/U$和${\sigma _w}/{u_*}$，其中${\sigma _w} = \sqrt {\overline {{{w'}^2}} } $。

利用325 m气象塔10 min的平均资料，分析了2014年11月29日至12月5日期间风速、温度和相对湿度的时空分布（图 1），并挑选4层不同高度（320 m、160 m、80 m、8 m）的资料绘制风温湿随时间的变化（图 2）。一周时间内，北京经历两次大风过程，第一次大风过程从11月30日00:30（北京时间，下同）开始风速持续增大，持续到12月2日06:30，大风期间320 m的平均风速为10.92 m s^-1。此次大风过程中观测到的最大风速出现在11月30日20:20的160 m高度，风速瞬时值达到31.4 m s^-1。第二次大风过程从12月2日23:50开始持续到12月5日00:00，最大风速瞬时值出现在12月4日10:31的320 m高度，最大风速瞬时值为21.7 m/s，大风期间320 m平均风速为10.11 m s^-1。第二次大风过程的最大风速和持续时间均小于第一次大风过程。

图 1

Fig. 1

图 1 2014年11月29日至12月5日北京325 m气象塔10 min的平均资料（a）风速、（b）温度和（c）相对湿度的时空分布 Fig. 1 Spatial−temporal distributions of (a) wind speed, (b) air temperature, and (c) relative humidity from the 325-m observation tower in Beijing from 29 November to 5 December 2014

图 2

Fig. 2

图 2 2014年11月29日至12月5日北京325 m气象塔大风前后不同高度上（a）风速、（b）温度和（c）相对湿度的变化 Fig. 2 Variations of (a) wind speed, (b) temperature, and (c) relative humidity at different heights before and after the strong wind process from the 325-m observation tower in Beijing from 29 November to 5 December 2014

从平均温度的剖面分布和不同高度的时间变化来看（图 1、图 2），11月30日11:00的平均气温最高，8 m处的平均气温达到8.1 ℃。此后受大风过程影响，冷空气降温效果显著，平均气温迅速下降，降温一直持续到12月1日早上。12月1日白天由于太阳辐射加热，气温有所上升，但白天最高气温低于0 ℃，夜间由于辐射冷却，平均气温继续下降，8 m高度处的最低平均气温降到－6.2 ℃。12月2日早晨第一次大风过程结束，此次大风过程导致的降温达－14.3℃。12月3日开始平均气温缓慢上升，仅在12月4日夜间最低气温略有下降，12月5日伴随第二次大风过程结束，白天最高气温迅速回升到4.8 ℃，表明第二次大风过程的温度梯度较小，垂直方向的热量交换仍以湍流交换为主。

11月29~30日，由于中度雾霾的存在，空气相对湿度较高（图 1、图 2），且在50 m以上高度存在逆湿层，较高高度的空气湿度在90%以上。受大风影响，11月30日凌晨开始空气湿度迅速下降，11月30日20:20最大风速出现时，空气湿度已下降为7%左右，表明经过充分的湍流交换，此时干冷空气已完全入侵。此后空气湿度一直保持在较低水平，在第一次大风过程结束后，空气湿度略有上升，伴随第二次大风过程开始，空气湿度又略有下降并保持在较低水平。

研究大风过程中近地层的风速垂直切变对于保障飞行安全具有重要意义，我们分析了两次大风过程中风速垂直切变的时空变化（图 3）。在大于100 m的高度范围内，由于受天气系统的影响，风场分布较为均匀，因此风切变较小。强烈的风速垂直切变主要集中在距地面100 m高度范围内，风切变强度的变化与最大风速出现的时间相一致。两次大风过程中近地层的风速垂直切变均大于0.1 s^-1，最强风速垂直切变分别达到0.31 s^-1、0.26 s^-1。冷空气的入侵，使得近地层风速切变急剧增加，湍流运动迅速增强，对飞行安全会造成一定威胁。

图 3

Fig. 3

图 3 2014年11月29日至12月5日北京325 m气象塔风速垂直切变的时空变化 Fig. 3 The spatial−temporal variation of vertical wind shear from the 325-m observation tower in Beijing from 29 November to 5 December 2014

大风常为随机性和多阵性（程雪玲等，2007），在大风过程中，除平均风速外还需研究最大瞬时风速的变化，我们分析了两次大风过程中的最大瞬时风速以及“阵风系数”和“阵风强度”等随高度的变化（图 4）。由图 4可以看出，两次最大瞬时风速随高度的变化与平均风速有较大差异，并没有呈现随高度递增的规律。在50 m以下时，最大瞬时风速随高度先增加后减小，表明近地层风速受建筑物和地表粗糙度影响，阵性较强。而最大瞬时风速在200 m以上高度时风速随高度变化较小，表明此高度主要天气系统影响，风速差异较小。两次最大瞬时风速的阵风系数都呈现随高度减小的趋势，越接近地面，阵风系数愈大，由于越接近地面，风速的垂直梯度变化越快，湍流交换也越强烈，因此近地面的阵风系数最大。第一次最大瞬时风速的阵风系数明显高于第二次最大瞬时风速，表明阵风强度与风速密切相关。阵风强度的变化与阵风系数相似，100 m以下高度时，阵风强度随高度增大而减小。在100~200 m高度时，阵风强度受天气系统以及湍流输送的共同影响，阵风强度有所增加。在200 m以上高度，阵风强度随高度的变化不明显。

图 4

Fig. 4

图 4 2014年11月29日至12月5日北京两次大风过程中（a）最大瞬时风速、（b）平均风速以及最大风速出现时的（c）阵风系数和（d）阵风强度随高度的变化 Fig. 4 Variations of (a) the maximum wind speed, (b) average wind speed, and (c) the gust coefficient and (d) gust intensity at the occurrence time of maximum wind speed during the two strong wind processes in Beijing from 29 November to 5 December 2014

利用三层高度（47 m、140 m和280 m）的涡动相关法观测的资料，分析了两次大风过程（11月29日至12月5日）的湍流交换特征。图 5为三层高度的摩擦速度和温度尺度在两次大风过程中的时间变化。由图 5可以看出，在大风过程前后（11月29日、12月2日和12月5日）摩擦速度存在一定的日变化，摩擦速度白天比较高，夜间比较低，反映了湍流活动白天比夜间强烈，但此时的摩擦速度总体比较小（小于1 m s^-1），特别是11月29日大气边界层有稳定层结的存在，限制了湍流活动的强度。摩擦速度自11月30日大风过程开始后迅速增大，在11月30日夜间风速出现最高值时，三层高度的摩擦速度也达到最大值，表明此时湍流活动最为强烈，最高的摩擦速度（1.76 m s^-1）出现在140 m高度。随后摩擦速度逐渐下降，自12月3日第二次大风过程开始后，又逐渐增加。第二次大风过程摩擦速度存在两个峰值，均出现在280 m高度（1.57 m s^-1）。三层高度的摩擦速度较为接近，表明摩擦速度随高度的变化不明显，但在大风过程开始增大和将要结束时，280 m高度的摩擦速度比其他两层高，表明湍流活动最先从高层开始增强，大风过程自上而下改变边界层结构，近地面的湍流活动又因地面摩擦作用耗散更快。

图 5

Fig. 5

图 5 2014年11月29日至12月5日北京两次大风过程中不同高度的（a）摩擦速度和（b）温度尺度随时间的变化 Fig. 5 Variations of (a) friction velocity and (b) temperation scale at different heights during the two strong wind processes in Beijing from 29 November to 5 December 2014

由图 5b可以看出280 m高度的温度尺度变化比较杂乱，而低层（47 m和140 m）的温度尺度则存在明显的日变化特征，均呈现午后增强，夜间下降的现象。两层（47 m和140 m）的温度尺度基本为正值，在大风过程开始前和结束后的夜间会出现负值，表明在夜间稳定的边界层状态下，由于地面辐射冷却降温快，热量会出现自上而下的传输。在大风过程中（11月30日、12月1日和12月3日、4日）三层的温度尺度均为正值，表明冷峰入侵时，降温最先从上层开始，自上而下传递。

图 6显示了大风期间三层高度平均动能和湍流动能的变化过程。由图 6a可以看出，大风开始后，不同高度的平均动能均快速增加，其中280 m高度的平均动能最先增加且增长速度最快。当最大风速出现时，平均动能达到最大值，280 m高度的最大平均动能超过200 m²s^-2，远高于140 m和47 m的平均动能。表明天气系统最先改变上层高度的平均风场，进而通过湍流输送将能量传递到下层空气。湍流动能的变化与平均动能较为相似，均在大风过程中保持较高水平，但湍流动能在不同高度间的差异较小，表明大风过程中湍流输送十分强烈，不同高度的湍流混合较为充分。湍流动能在两次大风过程中出现数个峰值，表明湍流活动的间歇性。

图 6

Fig. 6

图 6 2014年11月29日至12月5日北京两次大风过程中不同高度的平均动能（单位：m2 s-2）和湍流动能（单位：m2 s-2）随时间的变化 Fig. 6 Variations of average kinetic energy (m2 s-2) and turbulent kinetic energy (m2 s-2) at different heights during the two strong wind processes in Beijing from 29 November to 5 December 2014

图 7反映了大风过程中垂直方向的湍流运动情况，由图 7a可以看出，第一次大风过程前，由于稳定层结的影响，湍流强度保持很低水平。大风过程开始后，280 m高度处的湍流强度先急剧增大，后迅速减小。表明冷空气入侵后，受天气系统控制，高层风速垂直方向上的脉动较小。47 m高度的湍流强度在大风过程中保持较高水平，高于另外两层，表明近地面层垂直方向的风速脉动较大，湍流运动在垂直方向的输送较为强烈。由图 7b可以看出σ_w/u_*在大风前后表现一定的日变化特征。在大风过程σ_w/u_*保持较高水平，不同高度间有一定的差异，近地面层（47 m）的σ_w/u_*较高，中间层（140 m）则较低。

图 7

Fig. 7

图 7 2014年11月29日至12月5日北京两次大风过程中不同高度垂直方向上的（a）湍流强度σw/U和（b）无量纲风速标准差σw/u*的变化 Fig. 7 Variations of (a) vertical turbulent intensity σw/U (b) and normalized velocity deviation σw/u* at different heights during the two strong wind processes in Beijing from 29 November to 5 December 2014

分别选取大风时（11月30日）和大风后（12月2日）11:00至14:00的湍流资料，绘制了水平风速功率谱在三层高度的分布。由图 8可以看出，大风后水平风速功率谱在三层高度的分布均符合－2/3方定律，而大风时功率谱只在47 m高度的分布符合此规律。大风过程中由于冷空气的入侵破坏了边界层的结构，上层空气受天气系统的影响更大。大风时各高度的功率谱均高于大风后，表明大风后各频率的能量均有所下降。大风时各功率谱在低频区（＜0.01 s^-1）达到峰值，表明此时主要受低频的大尺度涡旋影响。

图 8

Fig. 8

图 8 2014年11月29日至12月5日北京两次大风过程中大风时（2014年11月30日11:00至14:00）和大风后（2014年12月2日11:00至14:00）水平风速功率谱的分布：（a）47 m；（b）140 m；（c）280 m Fig. 8 Variation of power spectra of horizontal wind speed during the strong wind process (1100 LST to 1400 LST, 30 November 2014) and after the strong wind process (1100 LST to 1400 LST, 2 December 2014) in Beijing from 29 November to 5 December 2014:(a) 47 m; (b) 140 m; (c) 280 m

通过对2014年11月29日至12月5日北京两次大风过程气象要素分布和边界层特征的分析，主要得到以下结论：

（1）大风过程会显著改变气象要素的梯度分布。强冷空气的入侵迅速引起平均风场的变化。由于地表摩擦作用，近地面层的风速垂直梯度变化最快，近地面层的风切变最为强烈。近地面层的阵风系数和阵风强度都随平均风速的增大而迅速增大，且在一定高度范围内，随高度增加而减小。在200 m以上高度范围时，由于主要受天气系统的影响，风速分布较为均匀，风切变、阵风系数和阵风强度随高度的变化都较小。第一次大风过程导致温度和相对湿度的下降幅度明显大于第二次大风过程。

（2）大风过程自上而下改变边界层的结构。大风过程刚开始时，不同高度的平均动能、湍流动能和摩擦速度最先从上层（280 m）发生变化且增长极为迅速。平均动能主要受天气系统影响，存在较大的高度差异。湍流动能则经过充分的湍流交换将能量自上而下传递，不同高度间的差异很小。而近地层由于地表摩擦作用，湍流运动最先被耗散，因此大风过程即将结束时，高层的湍流强度和摩擦速度又比较高。

（3）大风过程中近地层在垂直方向的湍流强度最大。在较高的高度范围内，由于冷空气的入侵破坏了边界层的结构，天气系统的影响占主要地位，导致垂直方向的湍流输送较小。近地层由于风速垂直梯度的显著变化，湍流输送过程十分强烈，风速脉动较大，在大风过程中垂直方向的湍流输送始终保持较高水平。