鄱陽湖區(qū)域關(guān)鍵氣候要素變化特征

吳 瓊，張超美，許 彬，謝佳杏

(江西省氣候中心，江西 南昌 330096)

引 言

水陸地表性質(zhì)的不均勻性導(dǎo)致地表的熱力差異，往往會對區(qū)域氣溫、降水等天氣氣候要素產(chǎn)生影響[1]。國外有關(guān)湖泊對氣候的影響研究起步較早[2]，主要集中在北美五大湖地區(qū)，研究表明五大湖對周邊區(qū)域的氣壓場、降水和風(fēng)場的季節(jié)性影響明顯，對冬季低壓和降水有加強(qiáng)作用，對夏季午后陣雨有抑制作用[3]；湖陸間的地表性質(zhì)不同導(dǎo)致形成的風(fēng)稱為湖陸風(fēng)，五大湖地區(qū)春夏季節(jié)會出現(xiàn)明顯的湖陸風(fēng)，且東岸湖陸風(fēng)比西岸出現(xiàn)頻率高[4]；白天和夜間五大湖對氣候的影響也存在不同，湖效應(yīng)降水主要發(fā)生在午后到夜間[5]。

鄱陽湖是我國最大的淡水湖，是重要濕地和候鳥越冬地，具有極其重要的氣候、水文與生態(tài)調(diào)節(jié)功能，維系著長江流域中下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境平衡和資源的高效、有序利用。氣候變化對區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量會產(chǎn)生明顯影響[6-7]，因此研究和揭示鄱陽湖地區(qū)的氣候變化特征具有重要價值。湖泊對天氣過程的影響多通過個例分析開展[8-11]，而研究湖泊對氣候的影響則需要一定歷史長度的資料，有關(guān)鄱陽湖氣候的最早資料可追溯到流域地方志、奏折等古文獻(xiàn)記載，研究發(fā)現(xiàn)鄱陽湖流域及各子流域的干旱、洪澇頻次呈明顯周期性變化[12]。近年來鄱陽湖流域平均氣溫呈上升趨勢且低于全國平均氣溫傾向率[13-14]，其中冬季升溫趨勢明顯，夏季升溫則不顯著[15]；鄱陽湖流域的降水集中度在增加[16]，相比年降水量而言，其極端降水的變化趨勢更明顯[17]；鄱陽湖湖陸風(fēng)存在季節(jié)變化，夏季湖陸風(fēng)相對更強(qiáng)，同時東西方向湖陸風(fēng)強(qiáng)度更強(qiáng)[18-20]。針對鄱陽湖及其子流域整體氣候特征的研究相對較多，不同時間尺度的區(qū)域內(nèi)差異分析則涉及較少，本文通過鄱陽湖東西兩側(cè)氣象站點氣候要素的對比，揭示鄱陽湖湖東與湖西區(qū)域不同時間尺度的氣候差異特征，以期為鄱陽湖地區(qū)局地天氣預(yù)報、風(fēng)能資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)等提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資 料

鄱陽湖地區(qū)東西方向湖陸風(fēng)強(qiáng)度比南北方向更強(qiáng)[20]，當(dāng)鄱陽湖地區(qū)出現(xiàn)關(guān)鍵天氣活動如夏季汛期西南氣流建立、冬季西北冷空氣南下時，由于鄱陽湖主體呈南北走向，南部為主湖區(qū)，湖體的冷熱源作用往往容易造成東西側(cè)的氣候要素差異，綜合考慮氣象臺站的位置分布，以及臺站資料是否連續(xù)一致(南昌氣象站1997年進(jìn)行了搬遷)，最終選取湖西3個氣象站(德安、永修和新建)和湖東3個氣象站(都昌、鄱陽和余干)開展鄱陽湖區(qū)域的氣候差異性對比分析，圖1為鄱陽湖位置和選取的國家氣象站分布。

圖1 鄱陽湖(藍(lán)色陰影)和氣象站點分布Fig.1 The location of the Poyang Lake (the blue shaded) and distribution of selected national meteorological stations

鄱陽湖周邊6個國家氣象站1961—2018年逐日降水量、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、一日四次(02:00、08:00、14:00、20:00，北京時，下同)風(fēng)速風(fēng)向資料和1978—2018年逐時降水觀測資料來源于江西省氣象信息中心；1979—2018年分辨率為0.125°×0.125°的全球大氣再分析格點資料來自歐洲中期數(shù)值預(yù)報中心(ERA-Interim)。

1.2 研究方法

高溫日數(shù)是指日最高氣溫≥35 ℃的日數(shù)；氣溫日較差為日最高氣溫減最低氣溫：

ΔT=Tmax-Tmin

(1)

式中：ΔT(℃)為氣溫日較差；Tmax、Tmin(℃)分別為日最高氣溫和最低氣溫。

小時降水事件：定義初始1 h降水量≥0.1 mm的時次記為降水事件發(fā)生時刻，降水發(fā)生后出現(xiàn)連續(xù)2 h無降水，則判定降水事件結(jié)束，結(jié)束時刻為最后出現(xiàn)降水的時刻。降水事件歷時為降水開始時刻至結(jié)束時刻的持續(xù)時間，降水事件歷時1～6 h、7～12 h、13～18 h分別稱為短歷時、中歷時、長歷時降水事件。

對風(fēng)向分16個羅盤方位觀測，累計某一時期內(nèi)(一季、一年或多年)各個方位風(fēng)向的次數(shù)，風(fēng)向頻率為各個風(fēng)向發(fā)生的次數(shù)占該時期內(nèi)各方位總次數(shù)的百分比。

2 氣溫差異

2.1 氣溫日較差

圖2為1961—2018年江西省平均氣溫日較差空間分布?？梢钥闯?，鄱陽湖地區(qū)平均氣溫日較差較小為6.7～8.0 ℃，較江西省山區(qū)偏小2.0～4.0 ℃。江西省邊界山區(qū)平均氣溫日較差較大，其中最大地區(qū)達(dá)10 ℃以上。分析江西省各月平均氣溫日較差空間分布(圖略)也發(fā)現(xiàn)，鄱陽湖區(qū)域各月平均氣溫日較差均最小、江西省邊界山區(qū)大；6月平均氣溫日較差相對較小，4月和10月相對較大。

圖2 1961—2018年江西省平均氣溫日較差分布(單位：℃)Fig.2 Distribution of mean diurnal temperature range in Jiangxi Province from 1961 to 2018 (Unit: ℃)

鄱陽湖不同時期的冷熱源作用，在地區(qū)氣溫的變化中具有減緩器作用，使得鄱陽湖地區(qū)氣溫日較差變小，同時極端氣溫出現(xiàn)概率也大大降低。圖3為1961—2018年江西省年平均高溫日數(shù)分布。可以看出，鄱陽湖及其偏北地區(qū)和贛南南部丘陵山區(qū)年平均高溫日數(shù)較少，約11～20 d，較其他大值區(qū)域偏少20～40 d。與平均氣溫日較差分布特征不同的是，年平均高溫日數(shù)小值區(qū)分布在鄱陽湖以北地區(qū)，查看全國氣候整編資料發(fā)現(xiàn)，鄱陽湖地區(qū)全年多盛行北風(fēng)，但夏季南風(fēng)頻率明顯增加，即7月高溫時期主要盛行南風(fēng)，因而湖面空氣向北輸送更多，形成鄱陽湖以北區(qū)域高溫日數(shù)較少的分布特征。

圖3 1961—2018江西省年平均高溫日數(shù)分布(單位：d)Fig.3 Distribution of annual average high temperature days in Jiangxi Province from 1961 to 2018 (Unit: d)

水體和陸地的比熱容差異，導(dǎo)致水體溫度和水面氣溫存在差異，湖泊影響鄰近陸地氣溫，使整個湖區(qū)及周邊區(qū)域氣溫場發(fā)生變化，同時氣溫場的差異導(dǎo)致湖陸風(fēng)的形成，從而對周邊區(qū)域進(jìn)行冷暖輸送。

2.2 湖東、湖西月平均氣溫差異

圖4為1961—2018年鄱陽湖湖西與湖東平均氣溫的月變化?？梢钥闯?，鄱陽湖區(qū)域7月氣溫最高，平均氣溫為30.0 ℃左右，1月氣溫最低，平均氣溫5.0 ℃左右。同時，鄱陽湖東側(cè)氣溫始終比西側(cè)偏高0.2～0.5 ℃，其中8月溫差最大，為0.5 ℃。

圖4 1961—2018年鄱陽湖湖西與湖東平均氣溫的月變化Fig.4 Monthly variation of average temperature in the west and east side of the Poyang Lake from 1961 to 2018

湖西德安站的氣溫日較差最大，選取湖東與德安站緯度相當(dāng)?shù)亩疾具M(jìn)行對比，分析鄱陽湖兩側(cè)最高氣溫、最低氣溫變化差異(圖5)。由圖5可以看出，德安站各月平均最高氣溫均高于都昌站，但差異較小，而都昌站各月最低氣溫均高于德安站，且7、8月差異較明顯，可見夏季鄱陽湖冷源作用對都昌站的影響更明顯。

圖5 1961—2018年德安與都昌站平均最高氣溫(a)、最低氣溫(b)逐月變化Fig.5 The monthly changes of mean maximum temperature (a) and minimum temperature (b) at De’an station and Duchang station from 1961 to 2018

3 降水差異

3.1 年均降水量

圖6為1961—2018年江西省年平均降水量的空間分布?？梢钥闯觯∧杲邓糠植疾痪?，總體呈南北少東西多的分布。江西降水量主要集中在雨季(4—6月)，此時江西地區(qū)多盛行東北或者西南風(fēng)，東西部山脈區(qū)存在迎風(fēng)坡地形容易發(fā)生降水，年平均降水量達(dá)1600～1900 mm，而鄱陽湖平原地區(qū)年平均降水量偏少，為800～1500 mm。分析江西省各地區(qū)年均降水小時數(shù)(圖略)發(fā)現(xiàn)鄱陽湖地區(qū)最少，為800～900 h，較贛東北部偏少3～4成；小時降水強(qiáng)度鄱陽湖地區(qū)較江西省其他地區(qū)偏大(圖略)，其值為1.7～1.9 mm·h-1。

圖6 1961—2018年江西省年均降水量空間分布(單位：mm)Fig.6 Spatial distribution of annual average precipitation in Jiangxi Province from 1961 to 2018 (Unit: mm)

3.2 湖東、湖西月降水量差異

圖7為1961—2018年各年代鄱陽湖湖東與湖西的年均降水差百分比逐月變化。可以看出，各年代湖東與湖西降水均呈年內(nèi)周期性差異變化，湖兩側(cè)1—12月降水差呈現(xiàn)“V”型分布：1月湖東降水偏多明顯，其中2011—2018年1月差異最大，偏多26.5%，隨后降水差異逐月縮小直至夏季湖西降水開始偏多，8、9月最明顯，其中2001—2010年9月湖西降水最大偏多23.6%，之后湖東降水開始逐月增多。

不同季節(jié)鄱陽湖對區(qū)域降水影響不同，6月底前鄱陽湖主要以熱源作用為主，進(jìn)入7月則以冷源作用為主[11]。江西地區(qū)汛期前后水汽多為由西向東輸送，冬春季鄱陽湖對降水具有促進(jìn)作用，熱源作用對湖東側(cè)降水有利，而夏秋季鄱陽湖對降水的抑制作用則導(dǎo)致東側(cè)降水減少。不僅如此，鄱陽湖冷熱源在不同時期的作用大小也有差異，在隆冬、盛夏對湖兩側(cè)降水的影響更大。

3.3 湖東、湖西不同歷時降水差異

挑選湖東、湖西降水差異明顯的1月和9月，識別降水事件，統(tǒng)計分析降水事件歷時特征(圖略)，發(fā)現(xiàn)鄱陽湖區(qū)域1月主要為中歷時降水，占比26.9%；9月短歷時降水明顯偏多，占比35.9%。

圖8為1978—2018年1月、9月湖兩側(cè)不同歷時降水的降水量差。可以看出，1月湖兩側(cè)短歷時的降水量幾乎無差異，而中、長歷時降水湖東明顯偏多，降水量平均偏多16.1、21.6 mm；9月湖兩側(cè)中、長歷時降水的降水量差異不明顯，而短歷時降水的降水量湖西明顯偏多，且平均偏多29.4 mm?？梢姡?月鄱陽湖促進(jìn)湖東側(cè)降水主要表現(xiàn)為中、長歷時降水事件增多，9月鄱陽湖抑制湖東側(cè)降水主要體現(xiàn)在短歷時降水事件的減少。

圖7 1961—2018年各年代鄱陽湖湖東與湖西年均降水差百分比逐月變化Fig.7 Monthly variation of percentage of average annual precipitation difference between the east and west side of the Poyang Lake in each decade during 1961-2018

圖8 1978—2018年1月(a)、9月(b)鄱陽湖湖東與湖西不同歷時降水事件的降水量差Fig.8 The difference of precipitation with different durations between the east and west side of the Poyang Lake in January (a) and September (b) from 1978 to 2018

鄱陽湖對降水的影響大小并不僅僅受制于冷(熱)季湖泊熱(冷)源的強(qiáng)弱，湖泊對降水產(chǎn)生影響需要滿足一定的條件，如低層氣流必須要較長時間經(jīng)過鄱陽湖水面，從而保證水面與低層大氣之間的相互作用時間足夠長，天氣系統(tǒng)相對較弱或移過湖面較慢時，湖體作用會更加明顯[2]。1月鄱陽湖地區(qū)主要為中、長歷時降水事件，湖面作用時間更長，9月則多為短歷時降水事件，兩個月湖兩側(cè)的降水差異均較明顯，可見鄱陽湖對區(qū)域降水不同月份所呈現(xiàn)的促進(jìn)和抑制作用均比較明顯。

3.4 湖東、湖西逐時降水量差異

圖9為1978—2018年1月和9月鄱陽湖兩側(cè)降水量的逐時變化?？梢钥闯?，1月，湖東夜間降水比湖西明顯偏多，尤其在18:00至次日07:00較明顯；9月，湖西白天降水比湖東明顯偏多，偏多時段主要在10:00—16:00。

除了季節(jié)變化影響外，由于水陸比熱差異導(dǎo)致湖溫和氣溫的晝夜變化亦會使鄱陽湖對過湖天氣系統(tǒng)產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為白天鄱陽湖呈冷源作用，夜間呈熱源作用。1月，鄱陽湖夜間的熱源作用更明顯，夜間對東側(cè)降水的促進(jìn)更明顯，因此18:00至次日07:00湖東側(cè)降水明顯偏多，而9月白天冷源作用更強(qiáng)，鄱陽湖對東側(cè)降水的抑制作用更強(qiáng)，其中10:00—16:00湖東降水偏少明顯。

4 風(fēng)場差異

4.1 近地面風(fēng)

4.1.1 湖東、湖西近地面風(fēng)速差異

鄱陽湖冷熱源作用對周邊風(fēng)場也會產(chǎn)生影響，水體和陸地冷熱變化的不同形成鄱陽湖地區(qū)風(fēng)的輻合輻散，形成湖陸風(fēng)，會影響局地大氣的上升(下沉)運(yùn)動。根據(jù)夏季和冬季盛行風(fēng)向，選取鄱陽湖兩側(cè)的永修站和都昌站進(jìn)行一日四次(02:00、08:00、14:00、20:00)風(fēng)速的月平均變化分析。從圖10可以看出，永修站和都昌站各月14:00平均風(fēng)速均最大，大部分月份02:00平均風(fēng)速最小；5—10月湖東都昌站14:00平均風(fēng)速比湖西永修站明顯偏大，且8月偏大最明顯，但相應(yīng)月02:00兩站平均風(fēng)速差異不明顯；11月至次年5月湖西永修站02:00平均風(fēng)速均大于都昌站，且1月最明顯，而相應(yīng)月份14:00兩站平均風(fēng)速幾乎無差異。

圖9 1978—2018年1月(a)、9月(b)鄱陽湖湖西與湖東降水量的逐時變化Fig.9 The hourly variation of precipitation in the west and east side of the Poyang Lake in January (a) and September (b) from 1978 to 2018

圖10 1961—2018年永修與都昌站02:00、08:00、14:00、20:00風(fēng)速月平均變化Fig.10 The monthly variation of mean wind speed at 02:00 BST, 08:00 BST, 14:00 BST, 20:00 BST at Yongxiu and Duchang station from 1961 to 2018

鄱陽湖屬亞熱帶濕潤季風(fēng)型氣候，冬春季常受西伯利亞冷氣流影響，盛行偏北風(fēng)，此時凌晨鄱陽湖熱源作用明顯，湖西側(cè)的永修站出現(xiàn)西風(fēng)分量的湖陸風(fēng)，因而永修站西北風(fēng)加強(qiáng)；秋季為太平洋副熱帶高壓控制，盛行偏南風(fēng)，午后鄱陽湖為較強(qiáng)冷源作用，湖主體北側(cè)的都昌站受南風(fēng)分量的湖陸風(fēng)影響，風(fēng)速加強(qiáng)。

4.1.2 湖東、湖西近地面風(fēng)向頻率差異

根據(jù)永修站和都昌站風(fēng)速月平均差異特征，分別討論1月和8月兩個時次(02:00、14:00)的平均風(fēng)向頻率差異。從圖11可以看出，永修站1月02:00 SSW至NNW風(fēng)向頻率大于14:00，其中W、NNW風(fēng)向偏大明顯；02:00 NNE至SE風(fēng)向頻率小于14:00，其中NNE、NE、ENE風(fēng)向偏小明顯。永修站8月02:00 SSW至N風(fēng)向頻率基本都大于14:00，其中SSW、NW、NNW、N風(fēng)向偏大明顯；02:00 NNE至SE風(fēng)向頻率基本小于14:00，其中NNE、NE、ENE、E偏小明顯。都昌站1月02:00 NNE至ESE風(fēng)向頻率基本大于14:00，其中NNE、NE風(fēng)向偏大明顯，其余風(fēng)向頻率基本小于14:00，其中S風(fēng)向偏小最明顯。都昌站8月02:00 N至ESE風(fēng)向頻率基本大于14:00，其中NNE、NE偏大明顯；02:00 SE至SW風(fēng)向頻率基本小于14:00，其中SE至S風(fēng)向偏小明顯。

鄱陽湖1月受西伯利亞冷氣流影響，盛行偏北風(fēng)，夜間02:00比午后14:00熱源作用更明顯，永修站位于鄱陽湖西側(cè)，受西風(fēng)分量的湖陸風(fēng)影響，因而西風(fēng)和西北風(fēng)頻率增大；8月鄱陽湖為太平洋副熱帶高壓控制，盛行偏南風(fēng)，午后14:00鄱陽湖冷源作用比夜間02:00明顯，都昌站位于鄱陽湖主體的北側(cè)，受南風(fēng)分量的湖陸風(fēng)影響，南風(fēng)頻率明顯增大。

4.2 等壓面風(fēng)場

圖12為1979—2018年1月和8月水平風(fēng)場兩個時次(02:00、14:00)的差值場分布?？梢钥闯?，1月和8月呈現(xiàn)明顯相反的差值場分布特征。1月(02:00減14:00)鄱陽湖區(qū)域近地面風(fēng)場輻合，湖主體部分以及東北側(cè)東北風(fēng)明顯，鄱陽湖區(qū)域以西西風(fēng)明顯。8月(14:00減02:00)水平風(fēng)場差值分布則呈相反特征，由于午后鄱陽湖的冷源作用，鄱陽湖區(qū)域近地面風(fēng)場輻散，湖東側(cè)西風(fēng)明顯，區(qū)域以西東風(fēng)明顯，而湖以南地區(qū)北風(fēng)明顯。

4.3 大氣垂直運(yùn)動

圖13為1979—2018年1月、8月大氣垂直速度差值場緯向分布。可以看出，1月(02:00減14:00)，由于鄱陽湖凌晨熱源作用明顯，鄱陽湖湖面低壓加強(qiáng)，區(qū)域地面氣流輻合加強(qiáng)，鄱陽湖主湖區(qū)(115.8°E—116.8°E)低層為上升運(yùn)動，湖東西兩側(cè)均為下沉運(yùn)動；8月(14:00減02:00)，鄱陽湖午后為冷源作用，鄱陽湖湖面高壓加強(qiáng)，區(qū)域地面氣流輻散加強(qiáng)，鄱陽湖主湖區(qū)(115.8°E—116.8°E)低層為下沉運(yùn)動，湖東西兩側(cè)均為上升運(yùn)動。

圖11 1961—2018年永修站(a、b)與都昌站(c、d)1月(a、c)、8月(b、d)02:00與14:00平均風(fēng)向頻率(單位：%)Fig.11 The monthly mean wind direction frequency at 02:00 BST, 14:00 BST in January (a, c) and August (b, d) at Yongxiu (a, b) and Duchang (c, d) station from 1978 to 2018 (Unit: %)

圖12 1979—2018年1月02:00與14:00(a)、8月14:00與02:00(b)1000 hPa水平風(fēng)差值場(單位：m·s-1)Fig.12 The difference field of horizontal wind on 1000 hPa in January between 02:00 BST and 14:00 BST (a), and in August between 14:00 BST and 02:00 BST (b) from 1979 to 2018 (Unit: m·s-1)

5 結(jié)論與討論

(1)受鄱陽湖冷熱源作用的影響，鄱陽湖地區(qū)氣溫日較差最小，較江西省山區(qū)偏小2～4 ℃；高溫日數(shù)是江西同緯度其他地區(qū)的一半；各月鄱陽湖東側(cè)平均氣溫始終比西側(cè)偏高0.2～0.5 ℃。

(2)鄱陽湖地區(qū)降水量較江西其他區(qū)域偏少，由于鄱陽湖不同季節(jié)呈現(xiàn)的不同作用，湖兩側(cè)降水呈現(xiàn)年內(nèi)周期性差異變化，8—10月湖西降水偏多，其中9月最明顯，其他月份湖東降水偏多，其中1月最明顯；湖兩側(cè)降水歷時也存在明顯差異，1月湖東中長歷時降水事件明顯偏多，而9月湖西短歷時降水事件明顯偏多；同時，湖兩側(cè)白天和夜晚的降水也存在差異，1月湖東夜間降水明顯偏多，9月湖西白天降水明顯偏多。

(3)鄱陽湖地區(qū)存在湖陸風(fēng)，湖兩側(cè)近地面風(fēng)場存在差異，1月湖西(永修站)02:00平均風(fēng)速比湖東(都昌站)明顯偏大，8月湖東14:00平均風(fēng)速明顯偏大。白天和夜晚鄱陽湖對風(fēng)場的影響不同，1月02:00相較于14:00湖西(永修站)W和NNW方向風(fēng)向頻率偏大明顯，8月14:00相較于02:00湖東(都昌站)SE至S方向風(fēng)向頻率偏大明顯。鄱陽湖主湖區(qū)1月02:00較14:00大氣上升運(yùn)動明顯，鄱陽湖區(qū)域近地面差值風(fēng)場輻合，8月14:00較02:00下沉運(yùn)動明顯，鄱陽湖區(qū)域近地面差值風(fēng)場輻散。

鄱陽湖的冷熱源作用以及湖兩側(cè)氣候差異事實，在指導(dǎo)氣象預(yù)報和服務(wù)上具有一定的意義。鄱陽湖地區(qū)溫差小、高溫日數(shù)少，適合天然氧吧等生態(tài)舒適區(qū)的建立；鄱陽湖不同時間尺度上兩側(cè)降水差異對預(yù)報預(yù)測業(yè)務(wù)提供一定的技術(shù)參考，同時易出現(xiàn)長歷時降水的地區(qū)需要更多關(guān)注洪澇以及衍生災(zāi)害的發(fā)生；風(fēng)速風(fēng)向的差異分布可為鄱陽湖平原地區(qū)風(fēng)能資源的利用開發(fā)提供一定技術(shù)支撐。本文從氣候尺度上揭示鄱陽湖地區(qū)的氣候特征，以及區(qū)域內(nèi)的氣候差異，一些認(rèn)識處于揭示現(xiàn)象階段，相應(yīng)的理論需要進(jìn)一步完善。