清鎮(zhèn)市水熱變化分區(qū)及氣團分類

張 皓，金昭貴，張學(xué)彬，徐 曉，袁仕鋒

(貴州省清鎮(zhèn)市氣象局，貴州 清鎮(zhèn) 550014)

0 引言

近年來對氣候要素時空變化研究的不斷深入，張先恭[1]探討了我國氣溫的等級劃分，王紹武[2]在此基礎(chǔ)上針對中國近百年來的溫度序列開展了進一步的研究，丁一匯[3]則著重對氣溫的變化趨勢進行了相應(yīng)的概述。屠其璞[4]分析了20世紀(jì)中國年平均氣溫變化。借助GIS、馬克威軟件，張翀[5]總結(jié)出中國近40 a來氣候變化的時空特征。隨著氣候變化日益深刻，眾多學(xué)者開始跨領(lǐng)域關(guān)注氣候因子變化與土壤有機碳庫分子結(jié)構(gòu)特征的關(guān)系[6]，評估氣候變化對跨境水資源影響的適應(yīng)性[7]，開展氣候變化對大氣污染影響分析[8]，可見社會、生物和環(huán)境的某些現(xiàn)象與氣候變化的綜合狀況有關(guān)。而氣團分類作為研究氣候變化的基礎(chǔ)手段，在上世紀(jì)80年代末至21世紀(jì)初短暫復(fù)興，張永強[9]提出了氣團客觀分類實施方案，李玉柱[10]對貴州氣團分類與氣象災(zāi)害相關(guān)性進行了分析。目前來看，作為基礎(chǔ)研究的氣團分類依然具有實際價值，但是在2001年以后相關(guān)研究鮮見報道。本文運用地理信息系統(tǒng)統(tǒng)計方法對水熱變化進行分區(qū)，并采用李玉柱的氣團分類方法分析清鎮(zhèn)市近10 a間氣團活動特征。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文以2006—2015年，清鎮(zhèn)國家一般氣象觀測站、區(qū)域站(紅楓、站街、犁倭、流長、新店、王莊、暗流、衛(wèi)城、麥格)數(shù)據(jù)為研究對象。選取國家站及區(qū)域站年數(shù)據(jù)(氣溫、降水)進行水熱變化分區(qū)；選取國家站逐日數(shù)據(jù)(海平面氣壓、氣溫、相對濕度)進行氣團分類。數(shù)據(jù)均來自貴州省氣象局信息中心。

1.2 研究方法

1.2.1 變化傾向率 運用線性趨勢線分析氣象要素的變化趨勢，即利用氣象要素的時間序列[11]，以時間為自變量，要素為因變最，建立一元回歸方程。

1.2.2 水熱變化分區(qū) 運用GS7.0，確定半方差函數(shù)模型、基臺值、塊金值、步長。在ArcGIS10.0中將離散數(shù)據(jù)點按照經(jīng)緯度導(dǎo)入生成shp文件，調(diào)用Kriging工具箱將氣溫、降水變化傾向率柵格數(shù)據(jù)層繪制成圖，對區(qū)域化變量的未知樣點進行無偏估值[12]。

1.2.3 氣團分類 貴州受東亞和南亞季風(fēng)的共同影響，形成冬干、夏濕，干濕季節(jié)較為分明的區(qū)域降水季節(jié)特征[14]。同時，特殊地貌和高海拔的地理現(xiàn)狀造就了貴州與同緯度季風(fēng)區(qū)相比氣壓相對較低的氣象背景。因此選擇了壓、溫、濕3個氣象因子的20時資料進行分類。分類時，如果相對濕度≥75%定為較濕天氣型，小于75%為較干類；溫度與前1 d相比，若升溫2 ℃為暖型類天氣，降溫2 ℃為冷型天氣，如果升溫或降溫不到2 ℃，但其前1 d為暖型，則定該天為暖型,若前1 d為冷型則定該天為冷型；氣壓劃分則因季節(jié)而定：冬季以1 015 hPa為分界值，大于1 015 hPa為高壓類，小于1 015 hPa為低壓類，春、秋季以1 010 hPa，夏季以1 005 hPa為分界值。如此規(guī)定后，將各月、各季氣團分為8類: 低壓冷干型(1類)、低壓冷濕型(2類)、低壓暖干型(3類) 、低壓暖濕型(4類) 、高壓冷干型(5類)、高壓冷濕型(6類)、高壓暖干型(7類)、高壓暖濕型(8類)[10]。

2 結(jié)果分析

2.1 水熱變化及類型分布

運用GS7.0，進行半方差函數(shù)分析，得到各類模型參數(shù)，如表1所示。通過對殘差和系數(shù)的綜合考慮，氣溫傾向率插值選取Gaussian模型，降水傾向率插值選取Spherical模型。

表1 半方差函數(shù)模型參數(shù)統(tǒng)計Tab.1 Parameter statistics of the semivariance function model

利用 ArcGIS對年平均降水、溫度傾向率進行插值，依據(jù)降水、溫度傾向率的正負(fù)組合將水熱變化類型劃分為4類(表2)，得到近10 a水熱變化類型圖。10 a間清鎮(zhèn)市平均降水的傾向率為13.36 mm/10 a，氣溫的傾向率為-0.38 ℃/10 a。城區(qū)、站街東南部、紅楓湖東北部、暗流東南部、衛(wèi)城北部增溫趨勢明顯，其他大部分地區(qū)均有一定程度降溫，城區(qū)北部邊緣變暖少雨區(qū)域有零星分布，麥格鄉(xiāng)10 a氣溫降低-0.862 ℃；2006—2015年，清鎮(zhèn)5—10月降水占全年總量的75.15%～84.72%，而西南低渦多發(fā)于5—10月是造成我國西南地區(qū)夏半年暴雨洪澇等氣象災(zāi)害的主要影響系統(tǒng)， 據(jù)統(tǒng)計2007年(68 次)和 2009年(72 次)為多發(fā)年[15]，同時中小尺度天氣系統(tǒng)多發(fā)，成為氣候趨勢多雨的主要誘因。流長、衛(wèi)城、暗流等北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)與南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)相比降水減少，傾向率分別為：-10.96 mm/10 a、-2.78 mm/10 a、-10.48 mm/10 a，這一結(jié)果與短時強降水以及暴雨呈南多北少態(tài)勢密切相關(guān)，陳海鳳[16]通過分析得出：≥30 mm/h 短時強降水的頻率分布集中于清鎮(zhèn)南部；總體趨勢變冷與冷氣團的頻繁襲擾密不可分，下文針對氣團活動特征進行了詳細(xì)統(tǒng)計；而隨著城鎮(zhèn)化進程的推進，城區(qū)及暗流與衛(wèi)城交界部分地區(qū)，10 a來構(gòu)建筑物、交通設(shè)施的不斷興建，人群聚居，是氣候呈現(xiàn)變暖趨勢的最重要影響因素。

表2 水熱變化類型劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Standard for classification of types of hydrothermal changes

圖1 2006—2015年水熱變化類型分區(qū)圖Fig.1 Partition map of hydrothermal change types from 2006 to 2015

2.2 氣團活動特征

10 a來以清鎮(zhèn)為代表的黔中地區(qū)，受高壓冷濕型氣團(6類)影響最為頻繁，高壓暖干型氣團(7類)、低壓暖干型氣團(3類)、高壓暖濕型氣團(8類)影響依次遞減，低壓冷濕型氣團(2類)和低壓暖濕型氣團(4類)相當(dāng)，低壓冷干型氣團(1類)和高壓冷干型氣團(5類)的影響較少。

冬半年高壓冷濕型氣團(6類)在各月活動最頻繁如表3所示，10月和1月頻率高達52.3%、51.0%，最低也達到了23.2%(3月)；高壓暖濕型氣團(8類)與高壓暖干型氣團(7類)頻率介于25.0%～43.0%之間，二者的活躍程度基本相當(dāng)；高壓型氣團(5、6、7、8類)的整體頻率分布達到了52.3%～99.7%，表現(xiàn)最為突出的是12月。

夏半年4—8月2、3、4、6類氣團出現(xiàn)較多,6月最為明顯，頻率為36.3%～98.0%，各類氣團中低壓暖干型氣團(3類)活動穩(wěn)定，總體活躍性最強；9月高壓暖干型(7類)、高壓冷濕型(6類)、高壓暖濕型氣團(8類)頻率分別達到了31.3%、27.0%和25.7%(表4)。

表3 冬半年氣團活動頻率(%)Tab.3 Air mass activity frequency in winter half year (%)

表4 夏半年氣團活動頻率(%)Tab.4 Air mass activity frequency in summer half year (%)

從各類氣團活動頻率的逐月分布圖看，低壓冷干型氣團(1類)7、8月頻率較高，多數(shù)因高空槽東移影響導(dǎo)致；5—8月低壓冷濕氣團(2類)頻繁襲擾，主要受高空冷平流及中低層切變控制，該時段的累計頻率為76.8%；低壓暖干型氣團(3類)帶來的天氣多受西南熱低壓或副熱帶高壓影響，主要出現(xiàn)在3—8月；低壓暖濕氣團(4類)5—7月累計頻率為65.8%，主要是受副熱帶高壓邊緣西南氣流影響產(chǎn)生；高壓冷干氣團(5類)屬于強冷空氣影響后冷高壓控制的氣團，多為倒春寒、秋季降溫及冬季低溫誘因，4月頻率為12.0%，8月為15%，12月為14.8%；高壓冷濕型氣團(6類)出現(xiàn)時一般溫度相對低、濕度偏大，很多情況下是由于地面冷空氣或靜止鋒影響所致，頻率分布呈“V”字形，以6月為最低點；1月(14.4%)和10(14.8%)月最高；在偏北氣流影響下，高壓暖干型氣團(7類)在8月—次年4月較為活躍，多數(shù)為冷空氣過境后變性較深的氣團，9月頻率最高達到17.4%；高壓暖濕氣團(8類)的產(chǎn)生與貴州省從低層到高空受西南氣流影響密不可分，10—12月出現(xiàn)頻率為12%～16.5%。

圖2 氣團月度頻率分布圖Fig.2 Air mass monthly frequency distribution diagram

3 結(jié)論與討論

①基于GIS的地統(tǒng)計分析表明，10 a間清鎮(zhèn)呈降溫增雨趨勢，這一結(jié)果與10 a逐日氣團出現(xiàn)頻次密切相關(guān)，2006—2015年高壓冷濕型氣團出現(xiàn)1 095次，占全部氣團總數(shù)的29.98%，冷濕氣團出現(xiàn)1 414次，占全部氣團總數(shù)的38.72%。

②研究區(qū)域全年受高壓冷濕型氣團影響最為頻繁，與1956— 1995年黔中氣團活動特征一致[10]。冬半年高壓型氣團的整體頻率分布達到了52.3%～99.7%；夏半年4—8月2、3、4、6類氣團出現(xiàn)頻次較高，6月最為明顯頻率為36.3%～98.0%，各類氣團中低壓暖干型氣團活動穩(wěn)定，總體活躍性最強。

本文水熱變化總體趨勢與史培軍[17]研究結(jié)果不一致，可能的原因為：研究范圍小，結(jié)果不能完全反應(yīng)黔中乃至貴州整體狀況；區(qū)域站數(shù)據(jù)累計時段相對較短，造成了研究的局限性；隨著經(jīng)濟與社會發(fā)展，人為進行的環(huán)境整治對氣候變化產(chǎn)生了一定影響。本文雖然存在不足，但是將氣團分類與GIS結(jié)合討論水熱條件變化很少見，研究結(jié)果對于了解黔中氣團影響及氣候變化具有實際意義，筆者下一步將從空間廣度與時間的維度上進行拓展，以期獲得貴州省數(shù)十年氣團活動及氣候變化的相關(guān)性研究成果。