本文利用2016-2017两个冬季高密度地面自动气象站逐时观测资料以及张家口的探空资料,分类型、分区域统计分析了包括延庆—张家口一带复杂地形在弱背景风场下的风持续性、风速、温度、比湿的日变化特征以及山谷风局地环流的水平分布特征;选取弱背景风场下的典型山谷风日,利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式进行中尺度数值模拟,进而加深对复杂地形垂直环流特征和局地环流对边界层温湿风结构影响的理解。分析表明:1.山脉、沟壑、斜坡、盆地、平原等不同地形特征下,风持续性、风速、风向、温度以及比湿的日变化特征具有显著差异,其中风持续性可作为区分不同地形特征对近地面风场影响的指标,以风持续性的日变化特征为依据将整个区域内所有自动站划分为10种不同类型。2.复杂地形中不同区域的山风和谷风盛行风向、转换时间、风速大小、温湿变化等特征并不相同,而且不同尺度的斜坡、峡谷、盆地和平原能产生尺度不同的斜坡风、峡谷风以及山区平原环流。其中:海拔较高的山顶受背景风场影响显著;山脉斜坡和过渡区以及尺度较小的沟壑和峡谷之中风向与地形轴线平行,温度日较差主要决定于地形尺度,尺度越小,温度日较差越大;中部盆地风温受地形影响作用显著,盆地的地形效应以及盆地上空空气的夜间下沉增温使得盆地温度日较差比周围平原和山区更大;平原与西北山区显著的热力差异形成影响北京城区的山区—平原环流。3.小风天实测风可以反映局地环流的实际特征,而从实际风中分离出的整个冬季的局地风,则可弱化大尺度天气背景风场以及部分地形动力作用的影响,从而可作为仅由热力作用产生的理想局地山谷风环流,其日变化特征更显著,在实际风场中没有明显日变化的高海拔山区,以及受地形动力作用较大的峡谷盆地之中也能体现局地环流变化的特征。4.WRF模式模拟的水平风场能较好体现出山谷风环流特征,模拟的风向和山谷风转换时段与观测有较好的一致性;WRF模式模拟垂直方向上局地环流影响高度和风廓线的日变化特征与观测也较一致,误差在可接受范围内。5.不同类型代表站点位温、风速、温度、湿度以及垂直风廓线的日变化特征能够反映不同地形特征对边界层高度和风温湿结构的影响。按照边界层温度的变化规律可以将温度廓线分为三种类型:a.贴地逆温型,即只存在贴地逆温层或者近地面弱等温层而无高空逆温,该类型主要分布在海拔较高的山顶和山顶沟壑附近、山前斜坡处。b.高空逆温型,即只存在高空逆温,该类型在平原区,小峡谷区和山谷深处区较为明显。c.双层逆温型,即贴地逆温和高空逆温同时存在,该类型主要集中在中部盆地周围。逆温的形成原因主要是地形作用、辐射作用以及高空的下沉运动作用。根据夜间高空风速廓线的变化规律也可以将代表站点分为三种类型:a.低空急流型,即夜间存在低空急流,该类型于小峡谷、山前斜坡、盆地中部和平原较为明显。b.风速递增型,即夜间风速随高度增加,没有形成低空急流,山谷深处、海拔较高的山顶和山顶沟壑较为明显。c.风速递减型,即近地表风速较大,低空风速随高度递减,在小峡谷与盆地的过渡区和中部盆地入口处较为明显。夜间低空急流可以用于判断山风的强度。综上可知:复杂地形的热动力作用对冬季弱天气背景风场下山谷风环流和气象要素分布特征以及边界层垂直风温湿结构的演变特征影响显著,该研究对于理解地形引导气流的动力作用和地形抬升空气的热动力作用有一定的指导意义,并为复杂地形局地环流和气象要素的精细预报提供参考。