中国西宁高原谷地台站多普勒风激光雷达观测低空急流的事件尺度多样性与降水响应

《Atmospheric Research》：Event-scale diversity and precipitation responses of low-level jets observed by Doppler wind lidar at a plateau-valley site in Xining, China

　　

•在青藏高原西宁河谷采集了激光雷达风廓线数据，该区域观测数据稀缺。
•一种基于事件的方法捕获了西宁高原河谷中连续的低压急流生命周期。
•三种急流形态在强度、深度、持续时间和对降水的响应上存在差异。
•强急流通过水汽输送和本地辐合产生最高的降水概率。

引言
低压急流（LLJ）是对流层低层的最大风速特征，其上方及有时下方伴有强垂直切变。低压急流是夜间和低对流层环流中动态重要的特征，因为它调节动量、热量、水汽、湍流和大气组分的交换（Blackadar, 1957; Bonner, 1968; Stensrud, 1996）。低压急流的形成可由多种机制产生。经典的夜间低压急流通常归因于日落后湍流混合减弱以及非地转风的惯性振荡（Blackadar, 1957; Shapiro et al., 2016）。在倾斜地形上，由差异加热和冷却引起的日变化气压梯度也可能促成急流的形成（Holton, 1967; Du and Rotunno, 2014）。天气尺度气压梯度、斜压性、地形阻挡以及河谷或沿海通道效应同样可以引发低压急流或调节其强度、高度、持续性和方向（Banta et al., 2002; Lima et al., 2019; Shapiro et al., 2016; Shu et al., 2024）。这些路径表明，低压急流的特征强烈依赖于区域环境和事件演变。

气候学研究报告了平原、沿海边缘、盆地、沙漠、季风区和复杂地形中低压急流的分布。在美国大平原，低压急流是暖季夜间的优势特征，探空、风廓线和再分析研究建立了许多广泛使用的识别标准（Banta et al., 2002; Bonner, 1968; Rife et al., 2010; Whiteman et al., 1997）。在南美洲，南美低压急流是拉普拉塔盆地的主要水汽输送路径，其季节和年际变率与大尺度环流和水气候相关联（Jones et al., 2023; Montini et al., 2019）。沿海低压急流，包括本格拉急流和北部湾急流，展示了海陆热力对比、沿海地形和天气尺度气压梯度如何塑造急流频率、核心高度和季节迁移（Kong et al., 2020; Lima et al., 2019）。在中国，风廓线和探空气候学显示北京、广州、云贵高原、淮河流域、东南沿海、塔里木盆地和东北平原频繁出现低压急流（Miao et al., 2018; Yan et al., 2021）。这些发现证明了低压急流的广泛空间多样性以及区域地形和边界层结构对低压急流形态和天气影响的重要性。

在青藏高原，河谷地形中与低压急流相关的研究仍然有限。拉萨贡嘎机场的长期多普勒风激光雷达观测表明，稳定的夜间边界层可伴随低压急流并增强低层垂直风切变（Ding et al., 2026）。在青海东部河谷，对流可分辨模拟识别了沿谷上行的急流，其与细尺度下坡流的相互作用影响低层辐合以及对流降水的时空分布（Su et al., 2026）。雅鲁藏布大峡谷的研究表明，高原深谷可作为低对流层水汽输送通道并调节区域降水（Yuan et al., 2023）。综合来看，这些研究指出地形对青藏高原河谷中低层气流和水汽输送具有强控制作用。然而，这些研究主要关注风切变、河谷环流、水汽通道或个别降水案例，完整的低压急流生命周期和形态依赖的降水响应观测不足。

低压急流与降水特别相关，因为它们组织了对流层低层的水汽和动量场，有利于上升运动和对流。急流可以输送水汽、增强暖湿平流、加强其末端附近的低层辐合，并改变垂直风切变和对流不稳定度（Higgins et al., 1997; Maddox, 1983; Monaghan et al., 2010; Tuttle and Davis, 2006）。在美国大平原，夜间低压急流与暖季降水通道和中尺度对流系统密切相关（Higgins et al., 1997; Tuttle and Davis, 2006）。在南美洲，低压急流的持续性和空间范围影响季风区和下游盆地的降水（Jones et al., 2023; Montini et al., 2019）。在东亚，低压急流与夏季降水日变化、夜间或清晨降水极大值以及季风雨带和复杂地形沿线的强降水相关联（Chen et al., 2009, Chen et al., 2010, Chen et al., 2017; Du et al., 2014; Fu et al., 2019; Xue et al., 2018）。华南的研究区分了边界层急流和天气系统相关的低压急流：前者通常在其出口区域附近提供低层辐合，而后者增强了更大尺度的水汽供应和中层强迫（Du and Chen, 2018, Du and Chen, 2019; Li and Du, 2021; Liu et al., 2020）。两者的耦合可以形成有利的低层辐合、中层辐散、持续的水汽输送和对流触发（Liu et al., 2020; Luo and Du, 2023）。

尽管取得了这些进展，但仍有若干问题尚未解决。首先，许多低压急流研究通过瞬时风廓线或固定气压层，利用急流核心速度、垂直切变和核心高度的阈值来识别急流（Baas et al., 2009; Banta et al., 2002; Bonner, 1968; Rife et al., 2010; Whiteman et al., 1997）。这些方法支持气候学和区域间比较，但可能无法保留单个急流的连续性。一个短命的风速极大值和一个经历形成、增强、中断、垂直位移和衰减的持续急流可能满足相同的基于廓线的标准，尽管它们对降水的影响不同。其次，低压急流分类通常强调一两个静态属性，如高度、强度或方向。然而，降雨响应取决于急流强度、持续时间、深度、切变、方向稳定性、背景湿度以及输送水汽转化为本地辐合和上升运动的共同作用（Du and Chen, 2019; Li and Du, 2021; Li et al., 2024; Liu et al., 2023）。第三，大多数事件尺度的低压急流-降水研究聚焦于平原、沿海地区或季风低地，高原河谷研究不足。这一点至关重要，因为河谷和山地可以改变低层气流方向、重塑水汽通道、改变垂直混合，并决定抬升和辐合的位置（He et al., 2016; Smith, 1979; Shu et al., 2024; Su et al., 2024; Xue et al., 2018）。

复杂地形进一步复杂化了低压急流的影响。强低压急流可以通过剪切驱动的混合增强近地表和边界层湍流，将影响延伸至急流核心层以下（Brunell et al., 2021）。在高原河谷环境中，这种耦合可能与地形波、河谷环流、排水流和本地辐合区相互作用。一个持续急流可能主要充当水汽走廊，通过河谷输送水汽而不产生本地降雨。相反，一个较浅、寿命较短的急流可能输送较少水汽，但当足够的水汽、切变或辐合以及地形抬升同时满足时，却可能触发强降水。因此，低压急流相关的降水不仅取决于急流强度或持续时间，还取决于水汽供应、低层辐合和地形强迫抬升的空间匹配程度。

由于地形限制、后勤困难和稀少的探空系统，高原河谷地区持续垂直分辨观测仍然稀缺。西宁位于青藏高原东北部靠近黄土高原的群山环抱河谷盆地中，主要河谷出口朝向东南。这种地形有利于区域低对流层气流、地形通道效应和本地河谷环流之间的相互作用。在西宁，西宁曹家堡机场的多普勒风激光雷达提供了唯一连续高分辨率垂直风廓线记录，适合解析低压急流生命周期。本研究利用西宁曹家堡机场的多普勒风激光雷达观测、ERA5再分析数据和ERA5-Land降水数据，调查低压急流事件（LLJE）。研究目标为：（a）发展一种连续约束的LLJE识别方法，捕获完整的急流生命周期而非孤立的风廓线极大值；（b）按多维形态对LLJE进行分类，包括强度、深度、持续时间、切变和时间演变；（c）量化不同LLJE类型相关的降水响应和物理机制。通过将LLJE形态与水汽输送、本地水汽通量辐合、垂直运动和地形相关抬升联系起来，本研究旨在阐明为什么一些西宁高原河谷低压急流能有效触发降雨，而另一些则主要充当输送通道。

数据集
多普勒风激光雷达数据由南京迈视激光技术有限公司部署在西宁曹家堡机场（36°31′42″N, 102°02′49″E；海拔2184米）的激光雷达采集。西宁位于青藏高原东北部和黄土高原之间，处于黄水河及其三条支流交汇处的河谷盆地中。群山环绕该盆地，盆地东南方向有一个出口。激光雷达记录覆盖2024年4月28日至2025年3月31日，包含132,102个质量控制

西宁低压急流事件的特征和降水响应
基于事件的聚类将西宁低压急流事件分为三种不同的形态：I型（N=63）、II型（N=52）和III型（N=63）（图4）。归一化时-高度合成图揭示，这些类型不仅在急流强度上不同，在垂直组织和生命周期演变上也有差异。I型事件的特征是具有相对较浅且局部化的风速极大值，主要高速区域局限于对流层低层约0.5–1.0公里以上

结论
本研究利用多普勒风激光雷达观测、ERA5场和ERA5-Land降水数据，考察了西宁高原河谷的事件尺度LLJE形态和降水。主要结论如下。
1. 一种连续约束方法通过以下阈值将LLJE识别为连贯的生命周期：急流核心速度≥10 m s?1，相邻核心高度变化≤500 m，相邻风向变化≤50°，中断时间≤2.5小时，持续时间≥3.5小时。
2. 西宁LLJE分为三种形态：I型

讨论
本研究提供了西宁高原河谷低压急流结构和降水响应的事件尺度观测。然而，使用单一风激光雷达限制了低压急流空间演变的分析。单站观测可以解析观测站点上空低压急流的垂直结构和时间演变，但无法确定其水平范围、传播方向或沿谷演变。在解释推论时需要考虑这些局限性。

开放研究
用于识别低压急流的风场数据集可从Zhao等（2026）提供的公开数据集获得。原始ERA5气压层数据来自Hersbach等（2023），原始ERA5-Land数据来自Mu?oz Sabater（2019）。

CRediT作者贡献声明
肖军泽：撰写——初稿，概念构思。赵世军：项目管理。刘宇迪：监督指导。山宇龙：调查研究。朱飞：数据管理。

利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

肖军泽|赵世军|刘宇迪|山宇龙|朱飞