黃土高原丘陵溝壑區(qū)氣溫垂直變化特征

韓芳琴，孫智輝，劉志超，曹雪梅，雷延鵬

(延安市氣象局，陜西 延安 716000)

0 引言

氣候的變化體現(xiàn)了地形、地貌、植被和土壤等因素的綜合作用，這種作用反過來又影響土壤發(fā)育和植被生長。過去的山地氣象資料大多由周邊地區(qū)有限的氣象臺站用離散點等值線、模型［1，2］以及 DEM空間模擬［3，4］等方法求得。黃土高原由于特殊的地理地形和處于干旱半干旱氣候帶，是我國農(nóng)牧業(yè)交錯帶，農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展與氣候變化的關(guān)系非常密切，氣候的影響一直是人們關(guān)注和研究的熱點［5，6］。陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)海拔高度在800～1300m之間，西北高東南低，地形復(fù)雜，地貌以梁峁為主，溝壑縱橫，山峁的垂直高差一般在200m左右。改革開放以來，地處丘陵溝壑區(qū)的延安進行了農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，由單一的糧食生產(chǎn)向蘋果、梨為主的經(jīng)濟作物轉(zhuǎn)變，由于對山地氣候的認識不足，出現(xiàn)了種植結(jié)構(gòu)調(diào)整失敗的事例［7］。1999年，延安北部開始實施退耕還林草工程，人均耕地面積減少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式由廣種薄收向高效農(nóng)業(yè)發(fā)展，延安農(nóng)業(yè)產(chǎn)值最大的蘋果產(chǎn)業(yè)向北推進，迫切需要掌握山地溫度的變化信息。

延安北部丘陵溝壑區(qū)的氣象站均建在河谷川道上，上世紀80年代第一次農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃時，在多個鄉(xiāng)村進行短時間設(shè)點觀測，設(shè)點均未考慮山地溫度的垂直變化。2006年，在志丹縣李家灣山地陽坡果園進行為期一年溫度觀測［8］，與當(dāng)?shù)貧庀笳镜玫降拇ǖ販囟扔幸欢ú町悾才c人們傳統(tǒng)認識有差異。為了掌握山地溫度的變化特征，2007年7月開始，在寶塔區(qū)劉渠村山地西南坡從山谷到山頂設(shè)溫度觀測點6個，西北坡設(shè)溫度觀測點2個，進行了24 h連續(xù)不間斷的1a觀測。

針對亞熱帶地區(qū)的山地溫度變化，國內(nèi)學(xué)者進行了實地溫度觀測和分析［9，10］，掌握了溫度變化的基本特征，對指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)意義重大。黃土高原丘陵溝壑區(qū)地形多變，溫度變化大，但研究者較少，本文利用HOBO Pro Temp Logger自動溫度觀測記錄儀于2007年10月～2008年9月通過實地觀測和分析，對黃土高原丘陵溝壑區(qū)溫度的垂直變化等進行研究，對延安農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有參考價值。

1 數(shù)據(jù)收集

寶塔區(qū)劉渠村位于北緯36o31'，東徑109o34'，山谷海拔1100m，山頂海拔1315 m。在山谷、山頂和西南坡1150m、1200m、1240m、1275 m 處、東北坡1240m、背陰谷地1100m處分別安裝溫度自動記錄儀(HOBO Pro Temp Logger)，由于地勢限制，背陰坡只設(shè)置溫度觀測兩個，所有放置地點的海拔和經(jīng)緯度用GPS定位。儀器安裝在相對開闊的地方，距地高度為1.5 m，自動記錄儀每隔10min記錄一次數(shù)據(jù)，自動存貯，共獲取8個記錄點為期1a的數(shù)據(jù)。

根據(jù)每10min自動記錄的溫度數(shù)據(jù)，求算每日平均溫度;分別由每日最高、最低溫度求得月平均最高、最低溫度;由當(dāng)日最高溫度減去當(dāng)日最低溫度求得溫度日較差。由最熱月平均氣溫減去最冷月平均氣溫求得溫度年較差。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 平均溫度

從表1可以看出，黃土高原山地平均溫度隨著海拔高度的升高表現(xiàn)出先升后降的趨勢。陰坡和陽坡的平均氣溫均是山谷低，山坡中央最高，山頂略低于山坡。把距山谷50m高度以下劃分為坡底層，年平均溫度明顯低，距山谷100m以上劃分為上坡層，那么100m以上不同高度年平均氣溫基本相同，明顯高于坡底溫度，陽坡的上下坡之間相差0.7℃。距山谷50－100m的山坡之間溫度變化劇烈，出現(xiàn)從低到高的躍變。陰坡和陽坡的谷地溫度差異也很明顯，年平均溫度相差0.6℃，特別是在太陽高度角低的月份，上年11月～2月對陰陽谷地的溫度影響明顯，平均溫差為0.9℃。但在上坡高差140m相同高度上，陰坡和陽坡溫度基本相同，冬季的影響也較小。由于黃土高原丘陵溝壑區(qū)山體高度差異較小，坡向?qū)﹃幤碌屯萏帨囟扔绊戄^大，而對山上部影響較小。

在上年10月至次年3月的寒冷時段，各高度上年平均溫度低于10℃，山頂與山谷之間的溫度差異大，陽坡為1.1℃，陰坡為1.4℃。4至9月各高度層上的溫度均偏高，是一年中作物生長時段，山頂與山谷之間的溫度差異減小，陽坡為0.6℃，陰坡為0.8℃。

表1 黃土高原山地不同拔海高度月和年平均溫度

2.2 平均最高溫度

表2 黃土高原不同拔海高度月和年平均最高溫度

由表2可以看出，黃土高原月和年平均最高氣溫隨著海拔升高呈降低趨勢。陽坡年平均最高溫度由坡谷17.7℃降至山頂15.1℃，降幅達2.6℃，直減率為1.2℃/100m。陰坡年平均最高溫度直減率小，兩個觀測點相對高差140m，差值只有0.6℃，直減率為0.43℃/100m，是陽坡的四分之一。山頂平均最高溫度比陽坡面接近山頂處最高氣溫略高，并明顯高于陰坡面。陰坡最高溫度明顯低于同高度陽坡平均最高溫度，陰陽坡相同高度的兩個點平均最高溫度相差1.9℃，坡向成為影響最高氣溫的主要因子之一。陽坡谷地觀測點的平均最高溫度明顯偏高，比高差只有50m處觀測點的溫度高出1.7℃，這可能與山谷空氣流動交換少有關(guān)。如果拋開山谷觀測點溫度，用陽坡其余5個點溫度計算直減率，為0.67℃/100m，與對流層平均溫度直減率(0.65℃ /100m)非常接近。

陽坡月平均最高溫度在寒冷季節(jié)的直減率大，而溫暖季節(jié)的直減率小，陰坡月平均最高溫度的直減率在各季節(jié)基本無差異。

2.3 平均最低溫度和日較差

圖1 陽坡不同高度月和年平均最低溫度

由圖1可以看出，黃土高原月和年平均最低氣溫隨著海拔升高呈升高趨勢，陰陽坡之間差異較小，上升值為1.35℃/100m。陰谷與陽谷溫度月年均最低氣溫相同。在隨高度升高溫度變化趨勢上，與平均氣溫相同，在距谷地50－100m之間是溫度劇烈變化區(qū)，在50m之下的坡底地區(qū)，最低溫度基本相同，在100m之上山坡區(qū)域，溫度上升值為0.78℃/100m，上下層之間年平均最低氣溫相差1.9℃，山谷與山頂年平均最低氣溫相差2.9℃。逆溫現(xiàn)象的形成是由于夜間輻射降溫和山坡冷空氣下滑堆集，其中冷空氣下滑對坡底溫度影響非常大，因此陰谷與陽谷月與年均最低氣溫與坡向無關(guān)，兩者數(shù)值基本相同。最低溫度的上升率在冬季和春季的數(shù)值高于夏季和秋季，上年11月～5月山頂與山谷差值平均為3.5℃，6～10月兩者之間差值為2.1℃，說明冷空氣下滑堆集作用在冬春季反映明顯。

圖2 陽坡不同高度月和年平均日較差

圖3 陰坡和陽坡相同高度月平均氣溫日較差對比

由圖2，3可看出，陽坡山谷月和年平均日較差最大，隨著海拔升高，日較差逐漸減小，呈遞減趨勢。陰坡的日較差小于同高度陽坡的日較差，陰坡中部的日較差也小于山頂，是山體的最小值。山谷與山頂?shù)哪昶骄蛰^差差值達到5.6℃。50m以下山谷地的平均氣溫日較差明顯高于山體100m上部坡地，平均高出3.6℃。分析月平均日較差，各高度測點的日較差均是寒冷季節(jié)的小于溫暖季節(jié)，進一步統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)在氣溫由冷變暖的2－5月和由暖變冷的11月日較差大，在氣溫比較穩(wěn)定的夏季和寒冬氣溫日較差小。

溫度年較差隨海拔高度和坡向改變而無變化，8個測點年較差在30.2～30.7℃之間。

2.4 通過界限溫度的日期和積溫

分析不同高度觀測點日平均溫度穩(wěn)定通過0℃、5℃、10℃的初終日，均在相同時間通過，表明溫度趨勢變化主要受環(huán)流背景影響，地形因素的影響較小。統(tǒng)計各點≥10℃積溫，表現(xiàn)為100m以上山體上部5個點的積溫在3024～3064℃之間，陰陽坡之間無差距。50m以下山谷的3個觀測點積溫在2895～2949℃之間，與山體上部約有120℃的積溫差異，陰坡谷地的積溫最小。

由于沒有開展霜天氣現(xiàn)象的觀測，把日最低氣溫≤0℃的初終日做為霜出現(xiàn)的初終日進行分析。初日出現(xiàn)在兩個時段，高差50m以下山谷地區(qū)出現(xiàn)在10月14日，其它測點均在10月29日，終日結(jié)束在三個時段，高差50m以下山谷地區(qū)結(jié)束最遲，在4月25日，山體上部(相對高差140m以上)及山頂最早，在3月23日，山體中部處于中間，終止在4月3日。統(tǒng)計各測點無霜期，山體上部及山頂無霜期比山谷多45 d，山體中部比山谷約多20d。

2.5 極端氣溫

不同高度不同坡面的年極端最高氣溫值陽面山谷最高(圖4)，為35.3℃，隨海拔升高呈降低趨勢，但最低值并沒有出現(xiàn)在山頂，出現(xiàn)在接近山頂部，與陰坡陰谷的年最高氣溫同為最低，為32.3℃。年極端最低氣溫山谷最低，陰坡谷底和陽坡谷底溫度一致，為－24.3℃，隨海拔升高呈升高趨勢，山頂與山谷之間溫差為4.1℃。分析各日極端最高溫度出現(xiàn)時間，在不同高度上沒有規(guī)律，極端最低氣溫出現(xiàn)在凌晨，各高度點時間較為一致。

圖4 陽坡年極端最高溫和最低溫

2.6 不同天氣條件下日平均溫度變化

2007年10月1～13日，研究區(qū)出現(xiàn)持續(xù)陰雨相間天氣，之后天氣晴好，分析兩種天氣條件下不同高度日平均溫度變化。從圖5可看出，在陰雨相間的天氣條件下，隨著海拔升高，溫度呈遞減趨勢，直減率為0.49℃/100m;10月14～27日，天氣晴朗，平均氣溫山谷明顯低于山頂，可發(fā)現(xiàn)有兩個明顯分層，一層為山坡50m以下的山谷溫度，另一層為100m以上的上坡溫度，層內(nèi)溫度變化很小，由于溫度的連續(xù)性特征，兩層之間的溫度變化應(yīng)是非常大。

圖5 不同天氣條件下日平均溫度變化圖

分析2008年1月11～30持續(xù)20d陰雪相間天氣影響下各高度溫度變化，隨著海拔升高，溫度呈遞減趨勢，直減率為0.63℃/100m。對其它連續(xù)3 d以上的陰雨(雪)相間過程影響下日平均溫度分析，均表現(xiàn)出相同的特征，海拔升高，溫度降低。

2.7 溫度日變化

圖6 4月23－24日不同高度瞬間觀測溫度變化曲線

山地溫度觀測研究很重要目的之一就是分析春季冷空氣影響后氣溫的變化，為減災(zāi)提供依據(jù)。2008年4月21～22日，受冷空氣影響，出現(xiàn)了降溫天氣，局地出現(xiàn)果樹花期凍害。分析冷空氣過后22日20h～24日12 h不同高度溫度演變情況。從圖6可看出，不同高度升降溫開始時間基本相同，陽坡谷地白天溫度上升速度快，高溫持續(xù)時間長，溫度明顯高于其它測點，傍晚降溫速度也很快。陰坡白天最高溫度明顯低，持續(xù)時間短。夜間溫度曲線明顯分為兩層，整個夜間(20h～08 h)50m以下谷地溫度顯著低于山上，平均差值達5℃，最大時達6.4℃。山谷夜間長時間低溫差值是影響日平均溫度分為兩層的主要原因。

分析23日和24日最低溫度，23日受冷平流和輻射降溫共同影響，最低氣溫達－2.0℃，24日輻射增溫影響冷空氣變性增暖較快，夜間溫度主要受輻射降溫影響，最低氣溫為－0.6℃。

3 結(jié)果與討論

1)黃土高原丘陵溝壑區(qū)山地平均溫度隨著海拔高度的升高表現(xiàn)出先升后降的趨勢，陰坡和陽坡的平均氣溫均是山谷低，山坡中央最高，山頂略低于山坡，而陰坡谷地的溫度最低。山谷50m高度以下的坡底層，年平均溫度明顯低;距山谷100m以上的上坡地，不同高度年平均氣溫基本相同，明顯高于坡底溫度，陽坡的上下坡之間相差0.7℃。距山谷50－100m的山坡之間溫度變化劇烈，出現(xiàn)從低到高的躍變。

2)平均最高氣溫隨著海拔升高呈降低趨勢，陽坡直減率為1.2℃/100m，陰坡直減率為0.43℃/100m。陽坡山谷平均最高溫度明顯偏高，高出坡面溫度1.7℃，用陽坡50m以上5個點溫度計算直減率，為0.67℃/100m，與對流層平均溫度直減率非常接近。坡向?qū)ζ骄罡邭鉁赜绊懨黠@，陰坡與陽坡平均相差1.9℃。

3)平均最低氣溫隨著海拔上升呈升高趨勢，陰陽坡之間差異較小，上升值為1.35℃/100m，冬春季上升率大，夏季上升率小，冷空氣的堆集作用在冬春季更為明顯。陰谷與陽谷平均最低溫度與極端最低氣溫相同，說明最低氣溫主要受山谷地形影響，與坡向無關(guān)系。冷空氣的下滑堆集使50m以下山谷溫度明顯偏冷，100m以上山坡區(qū)域變化趨緩，溫度上升值為0.78℃/100m。

4)陽坡山谷日較差最大，隨著海拔升高，日較差呈遞減趨勢，山谷與山頂?shù)哪昶骄蛰^差差值達到5.6℃。陰坡的日較差小于山頂和陽坡，是山體的最小值。在氣溫轉(zhuǎn)折月份日較差大，氣溫比較穩(wěn)定的夏季和寒冬氣溫日較差小。

5)日平均溫度穩(wěn)定通過0℃、5℃、10℃的初終日，均在相同時間通過，表明溫度趨勢變化主要受大氣候背景影響，地形影響較小。山谷初霜早，終霜遲，山體上部初霜遲，終霜早，山體上部及山頂無霜期比山谷多45d，山體中部比山谷約多20d。

6)陰雨(雪)相間天氣背景下，日平均溫度山谷高，山頂?shù)?，直減率為0.63℃/100m。晴朗天氣影響下，山谷溫度低，山坡上部及坡頂溫度高，天氣越晴朗，差異越大。春季降溫天氣后，過程最低氣溫多出現(xiàn)在冷平流和強烈輻射降溫雙重影響時段。

黃土高原丘陵溝壑區(qū)地形支離破碎，對氣溫影響較大，上述研究只是一個地方觀測數(shù)據(jù)，有一定的局限性。由于受山形限制，設(shè)點較少，對陰坡和相對高差50～100m之間溫度變化分析不到位，有待今后進一步探討。

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