【类型】期刊

【作者】杜文涛，秦翔，孙维君，刘宇硕，侯典炯（中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室祁连山冰川与生态环境综合观测研究站）

【作者单位】中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室祁连山冰川与生态环境综合观测研究站

【刊名】冰川冻土

【关键词】 老虎沟积累区；风速；风向；变化

【资助项】...（2007CB411501）；国家自然科学基金项目　　（47011046）；国家自然科学基金委基础人才培养基金冰川学冻土学特殊学科点　　（J0630966/J0109）；中国科学院寒区旱区环境与工程研究所青年基金项目...

【ISSN号】1000-0240

【页码】P29-36

【年份】2019

【期号】第1期

【期刊卷】1;|7;|8;|2

【摘要】基于2008年11月—2009年10月祁连山老虎沟12号冰川积累区的风速、风向观测资料,分析了年内季节和日变化特征.结果表明:全年日平均风速波动较大,介于1～8.8m.s-1.日均值以冬季最大,春、秋季次之,夏季最小,分别为5.1m.s-1,3.4m.s-1,3.7m.s-1,2.6m.s-1,表现出典型的"高山型"风速特征.秋、冬季节,无论昼夜,以偏南风为主,风速始终保持在较为稳定的高值状态,属于典型的冰川风;春、夏季节,冰川风场依旧强劲,而且伴有山谷风出现.受山系-河谷地形及雪冰下垫面的共同作用,春、夏、秋三季表现出一定的偏东风,柴达木低压可能对此也有贡献.

【全文】 文献传递

祁连山老虎沟冰川积累区风速、风向变化特征研究

杜文涛，秦 翔，孙维君，刘宇硕，侯典炯

（中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 冰冻圈科学国家重点实验室 祁连山冰川与生态环境综合观测研究站，甘肃 兰州 730000）

摘 要：基于2008年11月—2009年10月祁连山老虎沟12号冰川积累区的风速、风向观测资料，分析了年内季节和日变化特征.结果表明：全年日平均风速波动较大，介于1～8.8m·s－1.日均值以冬季最大，春、秋季次之，夏季最小，分别为5.1m·s－1，3.4m·s－1，3.7m·s－1，2.6m·s－1，表现出典型的“高山型”风速特征.秋、冬季节，无论昼夜，以偏南风为主，风速始终保持在较为稳定的高值状态，属于典型的冰川风；春、夏季节，冰川风场依旧强劲，而且伴有山谷风出现.受山系－河谷地形及雪冰下垫面的共同作用，春、夏、秋三季表现出一定的偏东风，柴达木低压可能对此也有贡献.

关键词：老虎沟积累区；风速；风向；变化

0 引言

在冰川与大气的相互作用中，冰川的存在对其所在地区小气候的影响是一个很有意义的问题［1－2］.但是长期以来，由于观测手段和冰川区特定的自然环境，人们只注意了冰川表面反射率大而形成的冷源问题，而对冰川区独有的局地环流——冰川风探讨还较少［3－5］.

在积雪或冰川覆盖的山区，风场主要由三部分组成，即大尺度天气系统、山谷风和冰川风.其中，地表的加热和冷却作用及山区地形作用形成了山谷风；积雪或冰川导致其表面空气冷却，密度增加，在重力作用下使气流沿山坡表面下沉而形成了冰川风［6－7］.冰川风现象早为人们认识［8］，但对于高海拔地区的冰川风研究却很少.汤懋苍等［9－10］曾于1960年在祁连山区发现有冰川风因素存在；沈志宝等［11］、高登义［8］、马舒坡等［3］及孙方林等［4］曾对珠穆朗玛峰北坡的冰川风地面特征作了描述.在山地冰川研究中，风是引起冰川表面物质性变、重分布及转移的关键因素之一［8－12］.认知山谷风与冰川风的变化特征将有助于我们认知高山环境特别是地面大气与对流层大气的相互作用［3］.同时，了解冰川下垫面风要素的变化特征对于我们深入探讨雪冰演变、冰川变化及物质转移有着重要的意义.正是基于上述研究背景，本文拟对老虎沟12号冰川积累区的风速风向进行不同尺度上的变化特征研究.

1 研究区概况

研究区位于祁连山西段北坡疏勒河流域内，其北面是昌马乡山间盆地，南面隔着野马河与野马山遥遥相望，东面连接托赖南山，西部已经处于祁连山山脉边缘.老虎沟12号冰川长9.8km，高差约1 200m，分东西两支，呈复式形态［13］.该冰川下部多为冰丘，起伏较大，两侧山体高大狭长；冰川中下部汇合处则较为宽大，冰川东支整体表现平缓，随山谷摆动.其粒雪盆三面环峰（朝向为北），开阔平坦（东西距约2km），下垫面终年为雪冰，本文所用之气象数据均在此处采集所得.

本区气温年较差较大，日交差较小.最暖月出现在7月，1月为最冷月，年平均气温达－11.8℃.降水主要出现在5—9月，占到全年降水的91%.6—9相对湿度较大，比湿无明显季节特征，气压季节变化呈现单峰单谷，日变化呈双峰双谷［14］.

2 数据来源

自动气象站（AWS）架设在老虎沟12号冰川的积累 区 （39°25′39.5″ N，96°33′21.8″E，海 拔5 040m）（图1），气象传感器型号及架设高度见表1，观测项目包括两层气温、相对湿度和风速风向、一层大气压、辐射四分量表（向上、向下短波辐射、长波辐射）和雪深等气象要素.气象仪器传感器经过气象计量检定站的标定后，参照《地面气象观测规范》架设.所有气象仪器传感器都与美国Campbell公司生产的耐低温（－55℃）数据采集器CR1000连接，数据采集器每10s采集1次数据，30m输出一次平均值.本文选用了架高1.5m处的风速风向资料，分析了年内季节及日变化变化特征.在统计气候学上，通常以3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月至翌年2月为冬季，气象站地方时比北京时间约晚1h34min，文中的时间均采用北京时间.

3 分析结果

3.1 季节变化特征

全年以春、夏、秋、冬四季统计风速显示（图2），日均值风速在年内波动较大，介于1～8.8m·s－1之间.其中，冬季风速波动最大（1.7～8.8m·s－1），春秋两季次之，分别介于1.5～7.7m·s－1和1～7.3m·s－1之间.本文引进用变差系数来描述随机变量相对于均值离散程度，四季计算所得的变差系数分别为：冬季为0.355，秋季为0.352，春季为0.351，夏季为0.285，也得到了相同的变化特征.夏季风速波动最小，介于1.4～4.9m·s－1.日均值与其波动表现出同样的变化特征：冬季最大，春、秋次之，夏季最小，分别为5.1m·s－1、3.4 m·s－1、3.7m·s－1和2.6m·s－1，其变差系数表现类同.上述分析表明，本区具有典型的“高山型”风速特征［15－16］.此外，风速全年日均值为3.7m·s－1，与秋季风速日均值刚好吻合，秋季日均值变化对年日均值变化可能存在代表性.昼夜风速变化以秋冬两季最为相关，变化最为相似，夏季的差异性最大.已有研究表明，净辐射是不同区域风向转变或风速变化过程中的决定性因子.本文将风速、风向与同期的气温、气压和湿度进行了比较，分析发现在春夏秋三季气温与风速风向变化较为相关，冬季风变化则未表现出明显的相关性.作为指代能量变化最直接的反映，也可以体现出能量的变化影响.本区净辐射在秋冬季节受雪冰下垫面影响表现为负值［14］，即冰川释放的能量对风的变化影响较大.考虑到秋、冬环境的相似性，秋冬两季昼夜变化的相似性可能与雪冰下垫面因素有关，该这特征在珠峰地区也有表现［15］.

风向方面（图3），全年各季节中，春、夏、秋、冬四季均以偏南风为主，分别占到总风向的50.9%、40.8%、65.2%和77.5%.其中，除冬季次风向为偏西风外，春、夏、秋季次风向皆为偏东风，分别占到总风向的22.1%、21.8%和15.8%.各季节都不同程度上出现较为微弱的偏北风，其中夏季最盛，春、秋季相当，冬季表现最为微弱，仅占到总风向的5.5%.从昼夜来看季节风向变化，冬季风向保持最为稳定，其他各季偏南风及偏东风皆夜间大于白昼具体分析见讨论部分.

3.2 日变化特征

近地面层是大气边界层中最靠近地面的气层，受下垫面的影响最直接，各种气象要素的日变化规律最为明显.受地表摩擦的直接影响，近地面层存在很强的风速切变［17］，这一特征在以雪冰为下垫面的环境中表现尤为明显.

资料分析显示（图4）：从日逐时风速变化过程来看，秋冬季节风速处于大值稳定状态，而春夏季节则表现为风速值小、有一定波动的变化特征.由图4可知，冬季风速保持最为稳定，始终处于一个较为稳定、有微小波动的大值状态，秋季特征类同，但风速较冬季小.春、夏两季日逐时过程表现出一定的变化趋势，均出现一个减小－增大－减小的变化过程.以夏季为例，整日中，00：00—06：00时风速保持在一个较为稳定的状态；06：00—12：00这一时段风速出现较为明显的递减状态，而后风速出现回升，至16：00时达到最大，为3.02m·s－1；随后风速又开始减小，至20：00时风速变至2m·s－1，20：00—23：00时段均保持在这一范围值内，表现较为稳定.整个日变化过程表现为增加－减小的变化特点.春季风速的逐时变化过程则表现较为复杂：日出（08：00时）风速即开始减小，12：00时出现一天中的最小值，而后风速又开始增大，至16：30时达到最大；而后又经历了一个减小的过程，至19：00时风速降至另一个低值状态，此后其余时间均保持在这一范围内.整日经历了一个减小－增大－减小的变化过程.春夏两季最小值均出现在日末时刻，最大值春季出现在日出前，而夏季则出现在16：00时.

风向方面（图4），冬季全天表现较为稳定一致，主要以南西南风向为主.秋季较冬季表现出一定的变化特征，具体而言，从11：30开始风向由南风逐渐向西风转变，16：30达到风向拐点，而后风向开始出现一天中的第二次变化，由西风向南风转变，至19：30达到一个较为稳定的风向值，其余时间均保持在此范围内.夏季风向变化特点主要表现为：09：00时开始风向由南东南向西风逐渐转变，至17：30达至变化拐点，而后复向南东南风向变化，22：30后风向保持在较为稳定的风向范围内，主要以南风为主.春季10：30开始风向由南向西西南逐渐改变，至17：30达到风向拐点，此后即开始向南东南变化，至22：00时风向开始表现较为稳定，以南东南为主.除冬季外，其余三季均表现出一定的风向变化过程：其中，以秋季变化最弱、历时最短，春季次之，夏季变化最大、耗时最长.

4 分析和讨论

太阳辐射是大气运动最根本的能量来源，山谷地形在太阳辐射作用下引起的热力差异是局地环流系统形成和发展的驱动力，因此，有必要对热力状况进行分析［4］.由于春夏两季日变化较为明显，故本文以此展开讨论（图5）.夏季07：30之前温度一直在降低，谷地较粒雪区降温迅速，降温使得粒雪盆区与山谷的温差增大，风速随之增大.06：30—07：30时段，风速开始减小，分析认为此段时间长波辐射开始增大，大气得以增温，温差减小所致.07：30开始至14：00时，温度开始上升，山谷的升温较粒雪区快，温差减小，风速在此时段开始减小，由于此前气温上升引起雪冰消融，使得大气温度开始降低，故至12：00时，尽管气温仍在上升，但粒雪区与正在升温的谷地温度开始拉大，风速开始增大.14：00之后至21：00时，温度一直降低，而风速则经历了一个较为复杂的过程，至16：00之前，风速始终处于增大势态，16：00时之后，由于雪冰以蒸发/升华形式转移到大气中经过一段延时开始释放长波辐射，使大气逆辐射达到最大［14］，温室效应明显，抑制了粒雪区的大气温度的降低，而谷地一直处于降温状态，这一状况使得两地温差减小，导致风速变小.该减小状态一直保持至20：00时.21：00之后，气温风速皆波动较小.风向在这变化过程中表现为：日出后1h风向持续转向，至18：00时变为西西南，而后2h迅速转回南东南风向.这一变化可能受太阳高度变化、云量及表面雪冰形态的变化等多因素作用所致.

春季风速日变化过程与夏季变化相似.近峰值时间有所差异，即风速日出开始减小，随后12：00时开始增大，至日落前2.50h复开始减小.整个过程起止时间较夏季长.此外，日出后2h风向开始发生较为明显的变化趋势，但该变化较日末前2h风向变化表现缓慢.

控制冰川表面的大气环流系统，依其发育的空间规模可分为：1）大型大气环流系统，多由冰川所在地区域性环流系统影响，其空间规模大于1 000km.例如，青藏高原的高原季风环流［15］，祁连山区北坡位于青藏高原的边缘山区，夏季为热低压，冬季为冷高压控制；夏季在热低压控制时，西风气流受到青藏高原阻挡被迫分支，分别沿高原绕行，在高原西北侧为暖平流，本区主要受西风气流的影响；2）发育于冰川所在的山谷或山峰的地方性环流，如山谷风等.众所周知，山谷风的特点是白天吹谷风，夜晚吹山风.谷风在日出以后2～3h开始，午后达到最大（12：00—14：00），山风在日没前1～2h开始，20：00左右达最大.而且山风和谷风的频率一般相等［1］；3）冰川流域尺度的小型环流系统，发生于冰川消融期.因贴地气层向冰川表面以湍流交换方式输送热量消耗于冰面消融，而使其温度低于同高度自由大气，从而形成冰川表面向下的风场，称之为冰川风.在地形复杂的山区，由于地形高度与下垫面特性差异而导致的下垫面动力和热力特性不均匀性易于激发诸如山谷风、冰川风、山坡风等局地环流，如在珠穆朗玛峰北坡绒布河谷中可以观测到来自珠穆朗玛峰方向的沉降风及其反方向的爬坡气流［18］，在阿尔卑斯山的诸多山谷中存在下山风和谷风［19］.也许源于山体的差异及其地理位置的不同，不同山谷中山谷风环流的日变化特征可以相差很远，如阿尔卑斯山区山风和谷风每日交替，二者速度相当；绒布河谷中地面风场存在明显的日变化，凌晨至正午前后基本为＜2m·s－1的小风，午后至午夜则盛行来自珠穆朗玛峰方向的偏南下山气流［4］；而在喜玛拉雅南坡的Kali Gandaki河谷，山风和谷风的日变化具有很强的不对陈性，谷风是山风的5倍［20］.

老虎沟冰川区自动气象站架设于粒雪盆海拔5 040m，是西风环流的作用区.该区三面环峰，朝向为北，受冰川下垫面与地形作用，有形成南北向的山谷风的前提条件.此外，自动气象站下垫面常年为冰雪，反照率高，具有强大的反射能力，使其表面对短波辐射的吸收量大大低于非冰川区下垫面.冰川表面夏季至冬季短波辐射平衡下降的同时，长波辐射平衡值急剧增加，使净辐射从11月至来年3月的5个月时间均为负值［21］.这一热力学特征表现在消融期冰川表面冰雪的融化过程及其消耗的巨大能量上.冰川风属于小尺度的局地系统，它既受较大尺度天气系统的支配，也受具体制约的中尺度局地环流系统的影响.

叶笃正等［16］和高登义等［8］对珠穆朗玛峰北坡绒布河谷中的下山风作了描述，把河谷中距地面1 km以下，几乎昼夜横吹的下山风称作珠峰北坡的冰川风.观测分析表明（表2）：12号冰川粒雪盆记录下来的冬季风向较为稳定，昼夜变化不大，加之粒雪盆坐南朝北，认为是典型的冰川风.秋季，偏南风占据了整个风向的65.2%，此间偏西风仅为8.7%，说明这一时期西风环流对其影响不大.全年四季中自动气象站所在粒雪盆区三面环山，坐南朝北，受下垫面及地形作用，南风较为盛行，此间也不同程度表现出一定的偏北风，即冰川上行风.老虎沟冰川区秋、冬季降水较小，仅占全年降水的9%，不足30mm［14］，故这一时期的冰川风就成为冰川物质转移再分配的主要驱动因子.因此，认知冰川区风场特征可以为深入探讨冰川物质平衡奠定基础.

春、夏两季仍然表现出较为强劲的偏南风，不同之处，在于夏季其他风向频次相当，说明影响风要素的多样性和复杂性.全年中，除冬季受西风作用明显外，其他季节皆表现出较为显著的偏东风.结合已有研究成果，我们认为形成偏东因素可能与受以下几种因素共同作用所致：1）中尺度地形作用.由于祁连山为东南－西北走向，故受山系影响所致，可能形成偏东方向的气流运动；2）冰川区与非冰川区的下垫面差异作用.老虎沟冰川东侧为冰川集中分布区，而西侧则为开阔河地，受雪冰下垫面影响，对应上空气流密度较非冰川区大，在气压梯度力作用下，可形成偏东风.统计发现：老虎沟粒雪区以偏南风为代表的冰川下行风和的次主风向偏东风，在春、夏、秋季节均表现出夜间较白天风向比重增加，该事实间接说明了偏南风与偏东风作用因素的相关性.由于偏南风主要为冰川下行风，故偏东风极有可能受冰川集中区作用影响所致；3）受柴达木低压作用，在低压较甚的作用下，在其北部地区可形成偏东风［22］，本区在此影响范围内.这一作用在夏季表现较为显著.此外，以偏北风为代表的冰川上行风及大尺度环流影响作用的偏西风均表现为白天较夜间比重增加.

5 结论

基于2008—2009年度架设在积累区（海拔5 040m）自动气象站观测得到的一个完整年的风向风速资料进行分析.通过研究得到以下几点：

（1）风速特征：日平均风速在一年里波动较大，介于1～8.8m·s－1.日均值以冬季最大，春秋次之，夏季最小，分别为5.1m·s－1、3.4m·s－1、3.7m·s－1和2.6m·s－1，表现出典型的“高山型”风速特征.此外，风速全年日均值为3.71m·s－1，与秋季风速日均值刚好吻合，说明秋季风速在全年的代表性.

（2）风向特征：春、夏、秋、冬四季以偏南风为主，分别占到总风向的50.9%、40.8%、65.2%及77.5%.除冬季外，其余三季还表现为一定的偏东风.

（3）受大尺度天气系统、特殊河谷地形及冰川尺度的微系统共同作用.本区风要素表现为：秋冬季节，无论昼夜，风向以偏为主，风速始终保持在较为稳定的高值状态，属于典型的冰川风；春夏季节，冰川下行风场依旧强劲，且表现出一定的山谷风特征.受山系－河谷地形及雪冰下垫面（冰川区与非冰川区）共同作用，春、夏、秋三季表现出一定的偏东风，柴达木低压可能对此也有贡献.

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Wind Characteristics in Accumulation Area of the Laohugou Glacier No.12，Qilian Mountains

DU Wen-tao，QIN Xiang，SUN Wei-jun，LIU Yu-shuo，HOU Dian-jiong
（Qilianshan Station of Glaciology and Ecologic Environment，State Key Laboratory of Cryospheric Sciences，Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou Gansu 730000，China）

Abstract：Base on the observations of wind speed and direction in the accumulation area of the Laohugou Glacier No.12，Qilian Mountains （39°25′39.5″N，96°33′21.8″E，and 5 040ma.s.l.），from November 2008to October 2009，the characteristics of averaged diurnal and seasonal variations of wind speed and direction are analyzed.It is found that the diurnal fluctuation is obvious，ranging from 1to 8.8m⋅s－1.The maximum diurnal average speed is found in winter （5.1m⋅s－1 ），smaller speeds are observed in spring（3.4m⋅s－1）and autumn（3.7m⋅s－1），and the minimum is de-tected in summer（2.6m⋅s－1），showing a typical alps wind speed characteristics.In autumn and winter，controlled by partial-south wind direction and stable high wind speed，the accumulation area prevails typical glacier wind，whereas，in spring and summer the glacier wind field is strong and sometimes accompanied with valley wind.Affected by the terrain （mountain-valley）and land cover condition （snow-ice underlying surface），easterly wind may appear in spring，summer and autumn，which is possibly attributed to the Qaidam low pressure.

Key words：accumulation area of the Laohugou Glacier No.12；wind speed；wind direction；variation

中图分类号：P425.5

文献标识码：A

文章编号：1000-0240（2012）01-0029-08

收稿日期：2011-08-11；

修订日期：2011-11-16

基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2007CB411501）；国家自然科学基金项目（47011046）；国家自然科学基金委基础人才培养基金冰川学冻土学特殊学科点（J0630966/J0109）；中国科学院寒区旱区环境与工程研究所青年基金项目（51O984821）资助

作者简介：杜文涛（1980—），男，陕西西安人，工程师，2008年在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所获硕士学位，现主要从事冰川与气候变化研究.E-mail：duwentao＠lzb.ac.cn