海陀山冬季降水天气分型及冬奥预报应用

基于2019—2021年1月1日至3月15日北京冬奥会延庆赛区(以下简称海陀山)降水观测资料和ERA5再分析资料,对期间34次降水过程进行天气分型,并对各天气型下不同海拔的降水实况特征开展统计分析。研究结果表明:冬季海陀山降水根据天气系统及地形影响可分为偏北气流型、偏东气流型、低涡低槽型、回流低涡低槽型四种天气型。不同天气型下海陀山地形高度以下主要气流方向和强度、水汽垂直分布等条件,以及与地形相互作用使得不同海拔之间降水量、持续时间等呈现显著差异。偏北气流型受500 hPa槽后整层强偏北气流控制,形成越山气流,降水集中在高海拔地区;偏东气流型受低层偏东气流影响,降水集中在低海拔地区,以上两种天气型无天气尺度系统配合,由地形强迫作用主导,降水量不大、持续时间相对较短。低涡低槽型受高空东移低涡低槽作用,配合低层西南气流,高海拔降水量更多,同时该型也是海陀山冬季最主要的降水天气型;回流低涡低槽型受高空东移低涡低槽影响,配合降水前东风回流对低层增湿并起到冷垫作用,低海拔降水量更多,以上两种天气型均存在天气尺度系统,并叠加海陀山地形作用,降水量显著且持续时间长,会对赛事运行造成较大影响。上述特征统计结果在2022年北京冬奥会期间一次强降雪预报服务中得到验证和应用,证明上述结果可以在冬季海陀山复杂地形降水预报中发挥作用。

海陀山冬奥气象综合观测平台及研究进展

气象保障是历届冬季奥林匹克运动会(冬奥会)成功举办的最重要条件之一。延庆赛区(位于延庆海陀山区)地形复杂、山高坡陡、垂直落差大,因而观测难度大、气象数据稀少,成为影响赛区精细化预报的核心因素,对冬奥气象服务提出了严峻挑战。为此,北京市气象局组织开展了冬奥海陀山综合气象观测,针对该区复杂地形和多尺度气象影响系统构建了包含中、小、微尺度的三维立体实时综合观测平台,观测要素涵盖了三维风场、温湿度场、云和能见度、近地面湍流与辐射等。综合观测将提高对复杂山区高影响天气特征和机理的认知,为改进和提高预报模式提供数据支撑。文中系统介绍了海陀山冬奥气象综合观测平台的科学目标、观测布局、观测内容以及观测平台在降雪过程中的初步应用,最后阐述了基于该观测进一步开展的研究计划。

北京海坨山区低槽降雪云系演变特征的观测研究

2019年2月14日在北京海坨山地区出现了一次由低槽云系产成的降雪过程。利用飞机、Ka波段云雷达、微波辐射计、降水粒子谱仪、雪晶显微观测仪等协同观测数据集,分析了此次降雪过程的天气形势、中尺度和微观结构的演变特征。协同观测显示:(1)降雪过程由高空低槽和地面倒槽槽前西南暖湿气流与低层东风回流干冷偏东风共同影响形成,西南风厚度和强度与地面降雪量以及降雪粒子数浓度成正相关。(2)降雪云系为冰云,地面降雪形状主要为片状、枝状和柱状单晶体,冰雪晶的凝华-聚并增长是降雪的主要形成机制。(3)大量枝状雪花的攀附现象出现在地形云爬升阶段,即低层东风回流减弱,转由倒槽槽前西南暖湿气流控制。(4)过冷水的出现与地形抬升有关,地形云爬升期间存在人工增雪潜力。

第24届冬奥会海坨山赛区近两年冬季地面风场特征

基于北京市海坨山赛区4个自动气象站2014、2015年冬半年地面风场资料,分析第24届冬奥会海坨山赛区冬季地面风场分布特征。结果表明:(1)各站冬季地面风场具有明显的风向取向以及风速值分布区间特征,其中海拔较高的A1492站风向呈明显的西西南至西北4个方位取向,10.0 m·s^(-1)以上风速的发生频率约为49.1%,月平均风速均>10.0 m·s^(-1);(2)各站月平均风速最大值均出现在1月,A1489、A1490和A1491站风速最小值均出现在11月,A1492站最小值出现在3月;(3)各站日逐小时平均风速呈典型的日变化特征,08:00—16:00风速逐渐增大、16:00—18:00缓慢减小。

北京海坨山典型林分土壤有机碳含量及有机碳密度垂直分布特征

[目的]探讨海坨山不同林分类型下土壤有机碳含量和有机碳密度的垂直分布特征及其与土壤性质相关关系,为华北地区森林土壤碳库准确评价及森林生态服务功能评估提供科学依据。[方法]选择不同5种典型林分(油松林、核桃秋林、蒙古栎林、针阔混交林、山杨林)分别设置3块标准样地,采集0~100 cm不同土层土样,并分析相关土壤理化性质,分析不同土壤理化因子对土壤有机碳含量的影响,研究该林区不同林分土壤碳含量及密度的分配特征。[结果]不同林分类型下土壤各层次有机碳含量为9.35~50.25 g·kg^−1,均值为27.42 g·kg^−1。林分类型对不同土层土壤有机碳含量影响显著(p<0.05),不同林分类型土壤有机碳平均含量由小到大排序:山杨林<针阔混交林<核桃楸林<蒙古栎林<油松林。不同林分类型土壤有机碳含量垂直变化趋势相同:从表层向下逐渐降低,表聚性明显,表层(A+AB)占土壤总有机碳含量约57%。不同林分类型100 cm深度土壤有机碳密度为21.4~76.6 t·hm^−2,均值为45.7 t·hm^−2。各林分间土壤总有机碳密度大小为:山杨林>核桃楸林>针阔混交林>蒙古栎林>油松林。单位cm厚度土壤有机碳密度的垂直变化规律与土壤有机碳含量相同,从表层向下逐渐降低,表层(A+AB)土壤有机碳密度占土壤总有机碳密度的35%~40%。不同林分土壤有机碳含量与全氮含量呈极显著正相关(r=0.923~0.985),与土壤密度呈极显著负相关(r=−0.971~−0.996)。[结论]林分类型是影响土壤有机碳垂直分配的重要因素之一,且其影响程度随土壤深度的增加而下降;仅山杨林下土壤有机碳含量与土壤黏粒含量呈极显著正相关,其它林分与黏粒含量相关性不显著。

北京海坨山典型林分土壤固氮菌群落特征研究

[目的]探讨北京海坨山不同林分类型下土壤固氮菌多样性和群落结构及其与土壤性质的相关关系,为暖温带森林土壤氮循环及森林植被恢复提供理论依据。[方法]选择4种典型林分类型(油松林(Pinus tabuliformis Carriere)、针阔混交林(Pine-poplar mixed)、蒙古栎林(Quercus mongolica Fisch)、核桃楸林(Juglans mandshurica Maxim))分别设置3块(20 m×20 m)标准样地,采集0~20 cm土层土样,分析相关土壤性质,采用高通量测序分析土壤固氮菌多样性和群落结构特征,并探究不同土壤特性对土壤固氮微生物群落特征的影响。[结果]4种林型下共测定出4门6纲13目16科29属。多样性分析显示,4种林型下土壤固氮菌α多样性存在显著差异,具体表现为油松林>针阔混交林>核桃楸林>蒙古栎林。β多样性分析显示,4种林型土壤固氮菌群落组间差异大于组内差异。在已鉴定的土壤固氮菌中,各林型以变形菌门为主,核心菌属为慢生根瘤菌属、广泛固氮氢自养单胞菌属和斯克尔曼氏菌属。RDA分析显示,土壤特性能解释固氮菌群落变异的65.48%,其中土壤有机质和全氮含量显著影响4种林型下土壤固氮菌群落组成。[结论]北京海坨山地区土壤固氮菌资源丰富,不同林型下土壤特性、固氮菌多样性和群落结构差异明显,其中土壤有机质和全氮含量是显著影响土壤固氮菌群落组成的主要因子。

2019年冬季北京海陀山局地环流特征及机理分析

海陀山作为北京冬(残)奥会的主要室外赛场之一,其复杂的地形对风场的精细化预报提出了严峻的挑战,亟需开展加密的风场观测提高对复杂地形下局地环流特征及其影响机理的认识,并为提升赛区精细化预报与服务提供数据支撑。基于2019年度海陀山观测试验,利用加密自动气象站、激光测风雷达、涡动相关仪、云高仪等多源数据,对海陀山风场的水平分布、垂直结构、山谷风转换时间和不同背景风场影响下的局地环流特征进行了统计分析;从地形动力、热力和背景风场三个方面探讨了海陀山局地环流的影响机理。结果表明:弱背景风场下,海陀山局地环流特征显著,以热力驱动的山谷风环流为主导,并叠加了背景气流过山的影响。低海拔(1650 m以下)站点,山风和谷风表现为近乎相反的方向;而在中(1650-1800 m)、高(1800 m以上)海拔的山脊或山峰附近的站点,山风和谷风均以偏西为主。中低海拔站点的谷风明显强于山风,高海拔站点则相反;而在强西北背景风影响下,海陀山局地环流特征消失,整个山谷风向趋于与背景风一致,昼夜风向的差异较小,山谷中风速随海拔高度降低而减小。

能见度仪在海陀山的应用

文章利用2020-03-22—2020-03-27北京延庆海陀山的能见度观测数据对比分析延庆站、佛爷顶站能见度的变化特征,选取期间的降雪天气过程,分析能见度变化与气温、气压、相对湿度、风速、降水量变化的关系。研究结果发现,前向散射式能见度仪在海陀山地区应用较好,能够监测到降雪天气过程时能见度的变化特征。