奥尔德谷（法国比利牛斯山脉）下行谷流的空间变异性与湍流状态

《Atmospheric Research》：Spatial variability and turbulence regimes of down-valley flows in the Aure Valley (French Pyrenees)

　　

• 在中等天气尺度风作用下，下游气流因谷地遮蔽效应而持续存在。
• 谷口处地表湍流显著增强，可能与下游急流调整相关。
• 植被高度显著调制地表湍流的发生。

引言

山地地形中的风由多种机制共同作用而成，这些机制往往在不同时空尺度上共存并相互作用。压力驱动流源于天气尺度压力梯度，随后受到周围地形的修正、加速或偏转（这一过程通常称为强迫通道效应），而热力驱动环流则在很大程度上独立于天气尺度强迫，是山坡、谷底和相邻自由大气差异加热和冷却的响应结果（Whiteman, 2000, Zardi and Whiteman, 2013）。坡流构成这一热力驱动家族中更为局域化的组成部分，一旦山坡附近空气与同海拔、远离山坡边界层的空气之间发展出水平温度梯度，坡流便几乎立即出现（Vergeiner and Dreiseitl, 1987）。要将这些机制对某一特定谷地中近地表风场的相对贡献加以区分，往往并非易事，因为它们可能相互增强或相互抵消，具体取决于天气形势和本地地形（Vergeiner and Dreiseitl, 1987）。

本研究聚焦于这些环流中的热力驱动组分（TDF），该组分跨越多个空间尺度，范围从坡流到谷地环流和山地-平原环流（Mendonca, 1969, Vergeiner and Dreiseitl, 1987, Whiteman, 1990, Whiteman, 2000）。日间山风以日变化模式为特征：白天出现上坡风、上坡（谷内）风和平原到山地风，夜间则出现下坡风、下坡（谷内）风和山地到平原风，这是山地地形气象学中的常见现象。这些风源于山坡、谷底与相邻自由大气层之间的差异加热和冷却，导致明显的边界层结构，强烈影响天气、空气质量和局地微气候（Stull, 1988, Bossert and Cotton, 1994, Whiteman, 2000, Rampanelli et al., 2004, Zardi and Whiteman, 2013）。这些环流通常在夜间阶段于日落前后发展，日间阶段则于日出时发展（Whiteman, 2000）。

理论上，这些热力环流在高海拔处包含回流，以闭合环流回路。然而，这些回流通常较弱，经常被更强的天气尺度风所掩盖，使其在观测研究中难以探测（Zardi and Whiteman, 2013）。

除了设定局地环流之外，这些气流还能沿山谷高效地输送热量、水汽和大气污染物，调制边界层深度、局地气象、与自由对流层的交换以及沿谷扩散模式（Whiteman, 2000, Lehner and Gohm, 2010, Zardi and Whiteman, 2013, Giovannini et al., 2020）。

这些TDF的复杂性不仅在于其输送热量、水汽和污染物的能力，还在于其与更大尺度天气形势和地形因素（如侧壁陡峭程度、谷地走向以及山脊或隘口的存在）之间复杂的相互作用。深入理解这些环流对于改进复杂地形区域的边界层参数化和预报精度至关重要（Serafin et al., 2018）。

沿谷热力驱动风是这些日间山地环流的经向组分，由谷地尺度压力梯度驱动，该梯度形成于白天谷内气团增温和夜间冷却过程中（即谷地体积效应）。白天加热导致静压亏损和上坡（谷内）风；夜间辐射冷却逆转该梯度，产生下坡（谷内）风。这些风表现为每日两次方向反转，通常在最低数百米内发展出急流状最大风速，并受到谷地几何形态和背景天气强迫的调制（Whiteman, 2000, Zardi and Whiteman, 2013）。

Scorer（1958）指出，每种地貌都有其自身的动力学特征，尽管其底层的Navier–Stokes方程处处相同。谷内风流的局地性和可变性不仅源于谷地尺度本身，还因为山脉、平原、盆地、隘口的独特排列，所涉及气团的类型和频率各异，以及这些气流发育的不同气候背景（Vergeiner and Dreiseitl, 1987）。

不同野外实验和模式研究已被开展，以阐明不同山地背景下沿谷热力驱动风的动力学特征。例如，最近在不同谷地位置开展了一系列实验。因河河谷（奥地利）是众多相关研究的场址之一（因斯布鲁克盒子项目）。正在进行的因斯布鲁克盒子（i-Box）基础设施在支撑此前分析的同时，更广泛地关注谷地边界层与自由对流层之间的湍流和交换过程（Rotach et al., 2017）。Ward等人（2022）考察了四个连续年份（2017–2021）来自城市-乡村配对站点的涡动相关和地表观测数据，表明白天上坡（谷内）风每晚都会反转为一个持续但较弱的下坡（谷内）风状态，其季节性调制的强度同时支配湍流动能和地表-大气能量交换。Lehner等人（2021）利用沿谷轴分布的六座塔架扩展了空间视角，揭示了热量和动量通量中系统性的沿谷梯度，该梯度与谷风周期的相位进展相一致，并强调了夜间下坡（谷内）风在调控稳定度方面不可忽视的作用。为孤立纯粹案例，Lehner等人（2019）提出了一种客观滤波器，用于识别天气不受干扰、晴朗无云的日子，从而构建上坡（谷内）风与下坡（谷内）风事件的多季节气候态，可直接应用于其他长期地表数据集。这些研究共同表明，夜间下坡（谷内）风尽管较弱，但全年持续存在，并且对湍流、稳定度和标量收支具有可测量的控制作用。

其他长期谷风气候态已在多条山地谷地中得到记录。Giovannini等人（2015）分析了加尔达湖-阿迪杰走廊沿线两个地表站点的10年档案数据，表明耦合的湖-谷风"Ora del Garda"在80%的晴朗夏季可深入内陆30公里，中位风速达5 m s?1，阵风约10 m s?1。Schmid等人（2020）为西永深罗讷河谷制作了近乎一年的风廓线气候态，解析了夏季8-10 m s?1上坡（谷内）急流的完整垂直结构，以及冬季夜间下坡（谷内）急流可下沉至海拔1公里处的特征。在阿尔卑斯山之外，于亚热带地区，Webb和Park（2023）为澳大利亚亨特河谷构建了10年气候态（2010–2020），对主导通道效应状态进行了分类，并量化了它们的季节频率和压力梯度强迫。类似沿谷行为已在东河谷（Adler et al., 2025）、科罗拉多河/大峡谷系统（Whiteman et al., 1999）以及圣路易斯谷（Pillar-Little et al., 2021）中得到记录，分别突出了上坡风到下坡风的提前反转、良好天气条件下冬季持续性下坡（谷内）风，以及边界层日变化过渡的精细分辨特征。

这些多季节数据集共同证明，夜间下坡（谷内）风是持续的、季节性调制的，并强烈受天气尺度压力梯度和谷地几何形态影响。在比利牛斯山脉，多项观测和模式工作也类似地考察了山地风、排水流和中尺度环流。利用中尺度模式，Jiménez和Cuxart（2014）刻画了比利牛斯山脉北侧夜间下坡风和下坡（谷内）流的时间与空间尺度，表明在晴朗、弱天气强迫条件下，低层气流组织受局地效应（如地形和地表异质性）控制，且从上坡（谷内）风到下坡（谷内）风的反转越早发生在越靠近山脉的区域。Román-Cascón等人（2019）比较了同一区域与其他两个山地站点（西班牙瓜达拉马山脉和美国盐湖谷）的下坡（谷内）风和上坡（谷内）风气候态，表明至少在比利牛斯地区，奥勒谷内部的观测缺失使得无法获取更多关于谷内气流结构的信息。Jiménez等人（2019）还记录了比利牛斯山脉山麓处的出口急流，强调了谷地收窄对夜间排水风的加速效应，而Arrillaga等人（2019）则展示了在西班牙瓜达拉马山脉类似区域中，从弱到强的下坡风转换如何显著影响近地表CO?浓度。同样，Udina等人（2020）在BLLAST活动期间使用WRF开展了大涡模拟，指出了边界层结构对湍流闭合方案的敏感性以及高分辨率地形在捕捉关键流动特征中的重要性。如前所述，谷地区域内部缺乏观测，但山地到平原区域得到了深入研究（Lothon et al., 2024）。

尽管此前已有对比利牛斯山脉山风的研究，但奥勒谷内下坡（谷内）流的具体特征仍然知之甚少，主要原因是历史上缺乏谷底的原位观测。因此，这些气流如何在不同地点和不同季节条件下调制近地表湍流和能量交换，尚未得到充分量化。本研究通过分析一个近乎一年的观测数据集（2023年4月至2024年3月）来弥补这一空白，该数据集来自战略部署于奥勒谷内部的站点网络。

本研究的主要目标为：
1. 刻画奥勒谷下坡（谷内）流的发生和季节变化。
2. 利用站点网络分析其沿谷空间变化。
3. 利用曲棍球棒转变（HOST）框架探讨这些排水流的湍流特征。

排水流的湍流特征在此通过曲棍球棒转变（HOST）框架加以考察（Sun et al., 2012, Sun et al., 2015, Sun et al., 2025）。该框架描述了稳定边界层中近地表湍流与平均风速之间的关系，通过一个阈值风速区分两个状态：在弱风状态下，湍流与上方流动在很大程度上脱耦；在强风状态下，地表层与上方流动耦合并使湍流随整体剪切缩放。我们在此采用该框架，是因为它提供了一种简单且具有物理基础的方法，用于诊断下坡（谷内）流事件期间近地表产生的湍流是否由局地排水急流或更大尺度流动控制，以及评估这种耦合如何受到地表特征和谷地地形的调制。该框架的详细描述见第3.3节，其中将其应用于观测数据。

本文组织如下：第2节描述研究区域、实验装置和DVF检测方法。第3节呈现主要结果，从观测风状态的一般气候态开始。随后是基于空间范围的DVF事件分类及其沿谷和季节变化分析。最后探讨风速、湍流强度和地表粗糙度之间的物理关系。

分节摘要

数据与方法
我们对其在谷内的水平异质性、事件特征的季节差异以及相关的湍流状态进行了系统评估。本研究主要聚焦于下坡（谷内）风，因为在该区域它们通常比其白天对应物更强烈，且具有更大的空间相干性。

结果
结果组织如下：首先确立夜间风状态的一般气候特征（第3.1节）。其次，分析检测到的DVF事件的空间和时间变化，重点关注其沿谷轴的发生情况（第3.2节）。最后，利用HOST框架考察下坡（谷内）风在不同位置上产生的湍流（第3.3节）。

讨论与结论
本研究在近一年内刻画了奥勒谷的下坡（谷内）流，结合了站点网络和湍流分析。我们不在此处重复结果，而是关注它们告诉我们关于这一特定谷地排水流动力学的什么，以及哪些解释更为或较不确定。

首先一点是关于我们面对的是谷风还是坡风的问题。虽然谷底有平缓的纵向坡度，但……

CRediT作者贡献声明
P. Ortiz-Corral：撰写——初稿、可视化、软件、方法、调查、形式分析、数据管理、概念化。C. Román-Cascón：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法、调查、资金获取、形式分析、概念化。J. Sun：撰写——审阅与编辑、方法、形式分析。J.A. Jiménez-Rincón：数据管理。F.

Lohou：资源、项目管理、资金获取、数据整理
关于手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在本工作准备期间，作者使用了Gemini来准备图形摘要。在使用该工具/服务后，作者审阅并编辑了内容（根据需要），并对已发表文章的内容承担全部责任。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Pablo Ortiz Corral报告称获得了马德里康普顿斯大学的资助。如果有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或可能影响本文所述工作的个人关系。
致谢
本工作得到了西班牙国家I+D+i项目PID2023-149246OB-C22（MULTIURBAN-II）和PID2020-115321RB-100（LATMOS-i）的资助，由西班牙科学、创新与大学部（MCIU/AEI/10.13039/501100011033/FEDER，欧盟）提供资金。此外，本文发表是PID2024-159841OA-I00项目的一部分，由MICIU/AEI/10.13039/501100011033和欧盟下一代欧盟基金（NextGenerationEU/PRTR）资助。Pablo Ortiz-Corral由合同编号PRE2021-100929P资助。
Ortiz-Corral | C. Román-Cascón | J. Sun | J.A. Jiménez-Rincón | F. Lohou | M. Lothon | C. Yagüe