從預(yù)報角度探討烏鞘嶺山區(qū)大氣溫差成因

李巖瑛，張愛萍，謝萬銀，3，劉曙紅，段云峰

（1.武威市氣象局，甘肅 武威 733000；2.民勤縣氣象站，甘肅 民勤 733300；3.烏鞘嶺氣象站，甘肅 天祝 733200；4.天祝縣氣象站，甘肅 天祝 733200）

從預(yù)報角度探討烏鞘嶺山區(qū)大氣溫差成因

李巖瑛1，張愛萍2，謝萬銀1，3，劉曙紅4，段云峰4

（1.武威市氣象局，甘肅 武威 733000；2.民勤縣氣象站，甘肅 民勤 733300；3.烏鞘嶺氣象站，甘肅 天祝 733200；4.天?？h氣象站，甘肅 天祝 733200）

利用2009年7月—2015年12月河西走廊東部烏鞘嶺和天祝逐時氣溫、日照、地面2 min風場及每隔6 h云量資料，詳細分析烏鞘嶺山區(qū)大氣溫差、云量特征的時間變化及其預(yù)報關(guān)系，旨在提高天祝最低氣溫的預(yù)報準確率。結(jié)果表明：冬季08時氣溫烏鞘嶺高于天祝的頻率超過50%，溫差強度達4～6℃；春夏季5—9月氣溫烏鞘嶺高于天祝的頻率低于40%，溫差強度較弱在2℃以下。云量中夜間至清晨（02—08時）少，傍晚較多；5—9月較多，冬季較少。天空狀況除冬季晴天多，出現(xiàn)頻率高于50%外，其它季節(jié)陰天較多，晴天次之，多云較少，不足20%。烏鞘嶺谷風多，而天祝山風多。氣溫烏鞘嶺高于天祝的頻率和強度與云量、山谷風、太陽照射時間、季節(jié)和天氣系統(tǒng)密切相關(guān)。晴天和陰雨天氣報準，天祝最低氣溫預(yù)報準確率最多可能提高30%，晴天報準時預(yù)報準確率最多可提高10%以上。

大氣溫差；云量；山谷風；預(yù)報關(guān)系；烏鞘嶺山區(qū)

隨著中國氣象局對氣溫預(yù)報質(zhì)量考核標準的提高，如何較為準確地做好極端氣溫預(yù)報已成為預(yù)報員日常工作中的主要任務(wù)之一。烏鞘嶺地處青藏高原東北坡和河西走廊最東端，其氣象觀測資料對中國大部分地區(qū)的天氣預(yù)報具有舉足輕重的指示意義。由于位于海拔3044 m高山，受近地面人為和環(huán)境因素影響較少，在武威市氣象臺近幾年的氣溫預(yù)報中，烏鞘嶺EC數(shù)值預(yù)報釋用結(jié)果良好，24 h氣溫預(yù)報準確率較高在80%左右，質(zhì)量較穩(wěn)定。

楊萍[1]通過近40 a我國極端溫度變化趨勢和季節(jié)特征分析得出，極端冷指數(shù)冬季變化趨勢最為明顯，而且西北地區(qū)減幅最為明顯。大量研究表明[2-8]，在山谷地形中大氣逆溫層的形成，夜間主要靠地表輻射冷卻效應(yīng)及山谷地形和干旱環(huán)境下裸露地表形成的強下坡風作用，白天主要靠太陽對地表加熱所形成的上坡風作用和山頂?shù)膹娂訜嵝?yīng)，干旱環(huán)境下裸露地表使得地形作用更加明顯。天祝位于烏鞘嶺東南坡，海拔較烏鞘嶺低600 m，天祝藏族自治縣氣象局舊址位于華藏寺鎮(zhèn)中街社區(qū)范圍內(nèi)，2009年1—6月觀測站還未建成，故無觀測數(shù)據(jù)。2009年6月底建成天?？h氣象局觀測站，測站地處天祝藏族自治縣華藏寺鎮(zhèn)南山村，36°59′N，103°11′E，觀測場海拔高度2 484.8 m。由于山區(qū)云量的影響，天祝氣溫預(yù)報準確率較烏鞘嶺偏低10%，尤其是最低氣溫EC數(shù)值預(yù)報釋用結(jié)果顯著偏低，比烏鞘嶺偏低20%左右，因而近幾年的預(yù)報質(zhì)量也是明顯偏低的(圖1)。最低氣溫預(yù)報方法是應(yīng)用2010—2013年EC08時和EC20時實時資料中甘肅省武威市附近（35°～40°N，100°～105°E）的850～500 hPa高度、氣溫、濕度等資料，采用2.5×2.5格點插值方法插到9個格點上，計算出每個格點上的動力、熱力和濕度等37個因子，應(yīng)用PRESS準則選出相關(guān)性、物理意義較好的因子，再用最優(yōu)子集回歸做出分站點、分月的最低氣溫預(yù)報方程，在實際業(yè)務(wù)運行中代入EC 1～7 d預(yù)報場資料就可得出未來7 d內(nèi)的最低氣溫預(yù)報結(jié)果。經(jīng)2010—2014年運行檢驗，烏鞘嶺效果好，但天祝的最低氣溫預(yù)報評分一直較烏鞘嶺低10%左右，成了預(yù)報短板。本文的出發(fā)點是對比和分析兩站的氣溫差異和成因，以烏鞘嶺最低氣溫為基礎(chǔ)，旨在提高天祝的最低氣溫預(yù)報準確率。實際預(yù)報中發(fā)現(xiàn)，在夜晚至清晨天氣晴朗的時候存在明顯的烏鞘嶺高于天祝的溫差特征，冬季高達7℃左右。2014年12月天祝站預(yù)報質(zhì)量正式列入中國氣象局目標管理考核中，文中利用2009年7月—2014年12月逐時氣溫、地面風場及每隔6 h云量資料，詳細分析烏鞘嶺山區(qū)大氣溫差、云量特征的時間變化及其成因關(guān)系。

圖1 武威市氣象臺2010—2014年烏鞘嶺山區(qū)最低氣溫預(yù)報準確率逐月變化

1 大氣溫差逐月變化特征

資料中的氣溫、云量、風場及日照時數(shù)主要來源于天祝、烏鞘嶺2009年7月—2015年12月的地面A文件。應(yīng)用2009年7月—2014年2月天祝、烏鞘嶺逐時氣溫，以及02時、08時、14時和20時低云量和總云量（天祝缺02時，2014年以來云量不觀測），重點分析了每隔6 h不同時段大氣溫差值≥0℃（（烏鞘嶺—天祝）氣溫差）的頻率和強度，以及云量的影響。

圖2 每隔6 h不同時段極端氣溫溫差（（烏鞘嶺—天祝）≥0）的頻率逐月變化

圖2為不同時段極端氣溫正溫差（（Tw-Tz）≥0）的頻率月變化分析，最高氣溫主要集中時段為20—08時，出現(xiàn)在冬半年的10月至次年3月，隆冬12月至1月頻率較高在40%以上；而最低氣溫除14—20時只在冬半年10月—翌年3月出現(xiàn)外，其它時段全年各月都會出現(xiàn)，隆冬12月—1月頻率較高在60%以上。全天20—20時最高氣溫正溫差只在1—2月出現(xiàn)，頻率不足10%，而最低氣溫正溫差冬季11月—翌年2月出現(xiàn)頻率較高超過50%，隆冬12月—翌年1月頻率高達80%左右，其它月份在40%左右。

大氣溫差強度冬季11月—翌年2月最強，最強最高氣溫溫差出現(xiàn)在02—08時，最強最低氣溫溫差出現(xiàn)在02—14時，強度均達4～6℃；春夏季5—9月溫差強度較弱在2℃以下。最高氣溫溫差除02—08時全年出現(xiàn)外，其他時段只在冬季出現(xiàn)，強度明顯減弱在2℃以下。全天20—20時最高氣溫正溫差只在1—2月出現(xiàn)，強度在2℃以下，而最低氣溫溫差冬季12月—翌年4月較強超過3℃，隆冬12月—翌年1月最強在4℃左右，其它月份強度小于2℃（圖3）。

圖3 不同時段極端氣溫溫差的強度月變化

2 云量分布

云量是影響氣溫的最主要因素，楊明[9]通過西部近50 a氣溫和云量變化特征分析指出，我國整個西部地區(qū)年均總云量和低云量均呈線性減少趨勢，同時，總輻射也呈減少趨勢，青藏高原區(qū)減少最多。烏鞘嶺山區(qū)位于青藏高原東北邊坡，山區(qū)天氣氣候特征表現(xiàn)顯著。

2.1 云量日變化

夜間至清晨02—08時云量少，白天云量逐漸增多，傍晚云量較多，全天云量天祝較烏鞘嶺略多（圖4）。

2.2 云量逐月變化

云量整體白天多于夜間，20時云量較多，5—9月較多，冬季較少，其中在月際分布上總云量呈雙峰型，5—6月和9月較多，而低云量呈單峰型，9月較多（圖5）。

2.3 天空狀況日數(shù)頻率分布

將總云量≤3成定為晴天，4～8成多云，9～10成定為陰天，統(tǒng)計計算烏鞘嶺山區(qū)不同時次天空狀況日數(shù)的頻率分布（圖6）。

圖4 烏鞘嶺山區(qū)與天祝站不同時次云量對比

烏鞘嶺山區(qū)陰天較多，晴天次之，多云較少低于20%。冬季11月—翌年1月晴天多，出現(xiàn)頻率高于50%，最高達60%以上，陰天少低于40%；2—10月中夜間至清晨晴天出現(xiàn)頻率在40%左右，陰天60%左右，午后到傍晚晴天出現(xiàn)頻率在20%左右，陰天60%～80%左右，天祝云量與烏鞘嶺云量反映大致相同，相比天祝全天陰天多8%，而晴天少5%。

3 天空狀況、云量對溫差的影響

從上述分析中，由于正的大氣溫差主要出現(xiàn)在最低氣溫中，我們關(guān)注的是最低氣溫預(yù)報，因而文中重點計算烏鞘嶺山區(qū)最低氣溫正溫差條件下天空狀況、云量的變化特征。

正溫差條件下天祝清晨08時晴天出現(xiàn)頻率較高在60%以上，陰天在20%～40%，多云低于20%；中午14時除冬季11月—翌年2月晴天超過50%，其余月較低于40%，天空狀況無顯著差別；傍晚20時僅10月—翌年3月有逆溫存在。晴天除2月較低為39%外，其它均在65%以上，10—12月高達90%以上（圖7）。這說明烏鞘嶺山區(qū)有正的大氣溫差時天空狀況多為晴天，冬季和清晨較顯著。

圖5 烏鞘嶺山區(qū)與天祝站不同時次云量逐月分布

正溫差主要出現(xiàn)在08—14時，冬季11月—翌年2月正溫差頻率高超過60%，強度強在3℃以上，云量少小于4成，其中隆冬12月—翌年1月正溫差頻率最多達80%、強度最強在4～6℃之間，5—7月正溫差頻率較低不足20%，強度較弱不足1℃（圖8、圖9）。日變化中，08時正溫差頻率較高、強度較強、云量較少。

進一步分析最低氣溫大氣溫差強度在5℃以上時天空狀況、云量的變化。

圖9～10表明：烏鞘嶺山區(qū)大氣溫差＞5℃主要發(fā)生在冬半年的08—14時，以晴天為主在80%左右，其次是陰天，多云最少不足10%，5—6月無。隆冬12月—翌年1月的晴天，春季3—4月和夏秋季7—9月有強冷空氣來臨的陰雨天也會出現(xiàn)5℃以上的強溫差。

4 山谷風效應(yīng)

應(yīng)用烏鞘嶺和天祝2009年7月—2014年12月逐時地面2 min風場，計算24個時次17個風向風速頻率，分析其山谷風效應(yīng)。風向說明：22.5×（k-1）≤風向＜22.5×k，k=1，16，k=1時是北風（N），風向每隔22.5°。k=17時為靜風，0≤風速＜3 m/s。

圖6 烏鞘嶺山區(qū)不同時次天空狀況日數(shù)頻率逐月分布

圖7 08時天祝最低氣溫正溫差條件下天空狀況日數(shù)頻率逐月變化

從圖11～13看出由于地形作用烏鞘嶺、天祝山區(qū)存在明顯的山谷風效應(yīng)，日出升溫（7—11時）和日落降溫（19—20時）后風場有明顯改變，烏鞘嶺午后的谷風多，而天祝夜間的山風多，天祝的山風較強。天祝測站夜間19—09時吹東北東風，凌晨至日出前04—07時出現(xiàn)頻次最多，白天10—18時吹西南西風，13—19時風速較大為3～4 m/s，午后至傍晚的谷風較強，冬季12月—翌年1月的山谷風效應(yīng)最顯著，山風月均日數(shù)達15 d以上；全年各月出現(xiàn)最多風向均為東北東風，冬季較多，這說明天祝夜間至日出前較顯著的山風將山頂?shù)睦淇諝鈳氲孛嫘纬奢^強的溫差效應(yīng)，可進一步解釋冬季溫差最大的成因。對山谷風影響最大的是位于測站東—東南至西南方的轉(zhuǎn)嘴山，東南方最大相對高度110 m，西南方地勢較低；年均最大風速6.7 m/s，以偏南風為主，時間集中在15—17時。

圖8 08時天祝最低氣溫正溫差＞5℃條件下天空狀況日數(shù)頻率逐月變化

圖9 烏鞘嶺山區(qū)正溫差條件下不同時次頻率（a）、強度（b）和總云量（c）逐月變化

烏鞘嶺地處祁連山地冷龍嶺分支的雷公山-毛毛山和馬牙雪山之間，周圍地形以山地為主，地形起伏，地勢高聳；山谷風效應(yīng)相對沒有天祝顯著（圖1 1），夜間22—08時吹南南東風，白天09—21時吹北北西風，午后至傍晚14—17時出現(xiàn)頻次最多，12—18時風速較大為6～7 m/s（圖1 2）。春夏季北風較多，即午后到傍晚的谷風較顯著。影響較大的是正南方向的馬牙山，水平距離15.5 km，垂直相對高度為1401 m；年均最大風速10.4 m/s，以西南西風為主，時間集中在14—15時。月際變化中，天祝山區(qū)4—5月風速最強，烏鞘嶺以西風為主，天祝以南風為主（圖13）。

圖10 烏鞘嶺山區(qū)大氣溫差＞5℃條件下不同時次頻率（a）、強度（b）和總云量（c）逐月變化

進一步應(yīng)用2010—2015年6 a兩站逐時日照資料對比說明：3—8月天祝日出早，在06—07時；9月—冬半年1月烏鞘嶺日出早，在07—08時，冬季11—12月早10 min以上，烏鞘嶺較天祝日照時間多半小時以上。

圖11 烏鞘嶺山區(qū)山谷風月均日數(shù)

圖12 烏鞘嶺山區(qū)山谷風風向分布

分析正溫差原因是由山區(qū)云量、地形形成的山谷風、太陽照射時間、季節(jié)和天氣系統(tǒng)造成的。天祝位于烏鞘嶺的東南坡，比烏鞘嶺海拔低600 m，在夜晚由于天祝山區(qū)的山風效應(yīng)使山坡冷空氣沉至谷底，形成逆溫，在晴空輻射作用下，地面降溫較快，逆溫增強；冬季因冷空氣和西北風較強，空氣濕度小，云量少，夜晚時間最長，山風持續(xù)時間長達15～18 h，逆溫增強，最強逆溫常常出現(xiàn)在強冷空氣過后轉(zhuǎn)晴之日[10-11]；夏季偏南季風和高原對流云團發(fā)展，祁連山晝間的谷風向山頂輻合,抬升作用容易形成對流云帶,使午后至夜晚云量豐富；夜間向山谷輻散的山風持續(xù)時間較短為10～12 h[12-14]，因而逆溫頻率低，強度較弱。

5 預(yù)報意義

結(jié)合武威市氣象臺2010年3月—2013年12月天祝最低氣溫逐日預(yù)報結(jié)果和天祝08時總云量（2010年3月開始考核預(yù)報質(zhì)量，2014年開始天祝云量不觀測），計算逐月預(yù)報準確率分析得出：天祝山區(qū)早晨主要以陰天居多占53%，其次是晴天占41%，多云占6%。不同天氣狀況下的最低氣溫24 h報錯率陰天中較多，有36%報錯，晴天中27%報錯，多云中僅有2%報錯；7 d綜合報錯率陰天中較多有39%，晴天有35%，多云有26%（圖14）。

進一步計算不同天氣狀況最低氣溫可能提高的月平均最多預(yù)報準確率：24 h陰天19%，晴天11%，多云2%，而7 d綜合預(yù)報中陰天21%，晴天14%，多云2%（圖15）。利用2014年1月—2015年12月烏鞘嶺08時逐日總云量及同期天祝最低氣溫預(yù)報結(jié)果分析得出：烏鞘嶺山區(qū)早晨主要以陰天居多占51%，其次是晴天占41%，多云占8%。不同天氣狀況下的最低氣溫24 h報錯率陰天較多占37%，晴天24%，多云33%；7 d綜合報錯率陰天較多占43%，晴天36%，多云有33%。計算不同天氣狀況最低氣溫可能提高的月平均最多預(yù)報準確率：24 h陰天18%、晴天10%、多云3%，而7 d綜合預(yù)報中陰天22%、晴天14%、多云3%?？梢娮畹蜌鉁仡A(yù)報中要重點考慮陰雨天氣過程和晴天的預(yù)報，若這兩種天氣都報準，預(yù)報準確率最多可能提高30%左右，有一半天氣報準，也可提高15%，晴天報準最多可提高10%以上。由此可見，陰雨天氣和晴天報準，預(yù)報效果還是十分顯著的。

圖13 2010—2015年烏鞘嶺、天祝山區(qū)最多風向（a）和頻率（b）日變化

圖14 天祝山區(qū)不同天氣狀況下的最低氣溫報錯率

圖15 天祝不同天氣狀況下最低氣溫可能提高的最多預(yù)報準確率

6 結(jié)論

烏鞘嶺減天祝的正溫差強度冬季11月—2月最強，最強最低氣溫正溫差出現(xiàn)在02—14時，強度均達4～6℃；春夏季5—9月強度較弱在2℃以下，由此可以在晴天時用烏鞘嶺最低氣溫預(yù)報天祝最低氣溫。

烏鞘嶺山區(qū)云量白天多于夜間，20時云量較多，5—9月較多，冬季較少，其中在季節(jié)分布上總云量呈雙峰型，5—6月和9月較多，而低云量呈單峰型，9月較多。

5℃以上強溫差主要發(fā)生在冬季的清晨，晴天居多。分析正溫差原因是由云量、山區(qū)地形形成的山谷風、太陽照射時間、季節(jié)和天氣系統(tǒng)造成的。

提高天祝最低氣溫預(yù)報的關(guān)鍵在于：晴天和陰雨天氣過程的預(yù)報，預(yù)報準確率最多可能提高30%，晴天報準時預(yù)報準確率最多可提高10%以上。因此，在日常預(yù)報中，注意結(jié)合云圖和天氣形勢對晴天的出現(xiàn)和持續(xù)時間做出正確預(yù)報；降水天氣過程結(jié)束后做準轉(zhuǎn)晴的預(yù)報。

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Discussion on Formation Causes of Atmospheric Temperature Difference over Wushaoling Mountains for Prediction

LI Yanying1，2，ZHANG Aiping1，XIE Wanyin3，LIU Shuhong4，DUAN Yunfeng4
（1.Wuwei Meteorological Bureau，Wuwei 733000，China；2.Minqin Weather Station，Minqin 733300，China；3.Wushaoling Weather Station，Tianzhu 733200，China；4.Tianzhu Weather Station，Tianzhu 733200，China）

Using data of hourly temperature,sunlight and every 2 minutes surface wind,every 6 hours’cloud cover of Tianzhu and Wushaoling from July 2009 to December 2015 in eastern Hexi Corridor,temporal variations of atmosphere temperature difference,cloud cover characteristics and their forecast relations were analyzed in detail over Wushaoling Mountain to improve minimum temperature forecast accuracy in Tianzhu.The result showed that the percentage of temperature of Wushaoling is higher than that of Tianzhu over 50%at morning 8:00 in winter,and the temperature difference is about 4～6℃.The percentage that Wushaoling temperature is higger than Tianzhuis less than 40%in spring and summer,and the temperature difference is less than 2℃. For cloud cover,it was less from night to morning but more at dusk,and more from May to September but less in winter.For sky conditions,clear days were the most in winter,whose frequencies were higher than 50%.while cloudy days were more than clear days in other seasons. partly cloudy days were the lest,below 20%in other seasons.Valley breeze is more in Wushaoling, but mountain breeze is more in Tianzhu.Temperature frequencies and intensities of Wushaoling are bigger than that of Tianzhu，it were closely related to cloud cover,mountainous terrain mountain and valley breezes,and solar irradiation time,season and weather system.If the minimum temperatures of sunny and rainy weather would be forecasted accurately,minimum temperature forecast accuracy may be improved by 30%，sunny time forecast accuracy may be improved by more than 10%.

atmosphere temperature difference；cloud cover；mountain and valley breeze；forecast relations；Wushaoling Mountains

P468.0+21

B

1002-0799（2017）01-0058-09

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.01.008

2016-05-25

甘肅省氣象局氣象科研項目（人才專項）“干旱風沙區(qū)小型機場候選地的近地面氣象條件分析”資助。

李巖瑛（1970－），女，正研級高級工程師，主要從事天氣預(yù)報及研究工作。E-mail：lyyqxj@163.com

李巖瑛，張愛萍，謝萬銀，等.從預(yù)報角度探討烏鞘嶺山區(qū)大氣溫差成因[J] .沙漠與綠洲氣象，2017，11（1）：58-66.