山區(qū)自動氣象站選址分析

高 煜，楊家康，周元誠

(1.云南省大氣探測中心，云南 昆明 650034；2.云南省氣象科學研究所，云南 昆明 650034；3.云南機楊集團，云南 昆明 650200)

0 引言

云南地形復雜，高山深谷相間，相對高差較大，地勢險峻，天氣氣候具有多樣性和復雜性，國內外許多學者研究認為地形對天氣有著顯著影響。廖菲等[1]認為地形對氣象要素的影響十分復雜，與地形尺度、海拔高度、地理位置等地理要素相關。穆振俠等[2]研究表明山脈常常成為氣候帶和氣候區(qū)的分界線。云南機場集團所屬機場大部份為山地機場，單站氣象觀測資料代表性差，重要天氣對航班的影響及對機場正常運行的影響越來越明顯，騰沖機場整個雨季平均有83天出現(xiàn)低云、低能見度天氣，持續(xù)時間較長，對航班影響較大。瀘沽湖機場2016～2017年就因天氣原因造成26%的航班運行不正常，針對上述不利天氣，根據(jù)《云南省綜合防災減災規(guī)劃》提出的云南省自然災害風險防范主要對策，加強風險管理，加強綜合減災，加強科技創(chuàng)新[3]。作為云南機場集團加強科技創(chuàng)新的措施，2019年設立“山地機場霧、降水天氣特征研究及預報產(chǎn)品研發(fā)應用”研究課題，選擇在騰沖機場、瀘沽湖機場周邊各布設3個自動氣象站。希望通過開展有針對性的山地氣象觀測，力求較好地反映出局地地形下氣象要素的特征，應用新的技術并結合項目現(xiàn)場觀測資料分析研究復雜地形對航空氣象要素的影響，為提高數(shù)值模式在復雜地形區(qū)的預報能力提供科學依據(jù)。

云南是南亞季風和東亞季風的交匯區(qū)域，處于中國暖濕氣流的最前沿；滇西北位于青藏高原東側的橫斷山脈，是青藏高原冷空氣進入云南的主要路徑。由于云南復雜的地形使得水平和垂直方向的氣象要素變化劇烈，宋連春等[4]指出按行政區(qū)域布局的觀測站點不一定能完全具有代表性。陳志昆等[5]認為雖然地形的作用研究開展的較早，但仍然有很多問題尚未解決，嚴重阻礙了對高原復雜地形氣象狀況的認識，大大制約了當?shù)靥鞖鈿夂蝾A測業(yè)務水平的提升。所以，針對山地機場的局地氣候，合理科學的布設自動氣象站進行加密觀測，有助于揭示地形對氣象要素的影響，對提高氣象預報業(yè)務水平是十分必要。

科學試驗中自動氣象站的選址關系到觀測資料在研究中的作用。樊萬珍等[6]分析表明，經(jīng)訂正后的自動氣象站觀測資料具有較好的均一性和延續(xù)性。說明自動氣象站觀測資料完全可以應用在科學研究及數(shù)值預報業(yè)務中。李麗光等[7]針對氣象站點選擇對城市熱島效應的影響作了詳細分析，但該次布點與地形及天氣系統(tǒng)關系不大，也未涉及到站點選擇的合理性和科學性分析。段旭等[8]針對青藏高原東南側從不同氣候帶的角度討論了地面氣象觀測站點的布局問題，從宏觀角度給出了一些有價值的論據(jù)。段瑋等[9]利用水汽氣候診斷方法結合區(qū)域地形研究了青藏高原東南側水汽分布、輸送與輻散輻合特征，并討論了現(xiàn)有探空站點布局的局限。李躍清等[10]在夏季西南渦加密觀測科學試驗中，在觀測站的布點中對西南渦的路徑及地形作了考慮，保證了觀測資料在科學試驗項目中的效果，但未作進一步分析。彭駿等[11]曾對青藏高原東坡加密觀測站址選取做過分析，主要考慮站點間的相關性和西南渦路徑，選址具有較好的合理性及科學性，但未考慮地形和環(huán)境等因素。程曉龍等[12]，盧萍等[13]基于對四川盆地西南渦加密觀測試驗分析表明，結合加密觀測能更好的表現(xiàn)四川盆地復雜地形下低渦附近的水汽來源及其與實際降雨的關系，西南渦加密觀測資料在天氣診斷及數(shù)值預報業(yè)務應用中都具有重要作用。然而，在復雜地形下不論是鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣象自動站的選點，還是科研觀測點的選擇均缺乏對選點的分析總結和科學指導，因此，有必要對氣象自動站的選點進行全面科學的分析和總結，以期對今后自動氣象站的選點起到一定的指導作用。

同時為了客觀反映出局地地形下氣象要素的特征，分析研究復雜地形對氣象要素的影響，保障云南機場集團研究項目的順利實施并達到預期目標，對騰沖機場、瀘沽湖機場周邊自動氣象站進行科學選址和分析總結，是保障研究項目順利實施的重要基礎。為此，基于上述6個自動站選址設計和初步分析，對選址的合理性及科學性作了探討。

1 站點概況

騰沖機場周邊現(xiàn)有氣象觀測站點，除機場氣象觀測站外，尚有騰沖市氣象局觀測站和清水鄉(xiāng)自動氣象觀測站可資利用，布點時作了整體考慮。本次布設的3個自動氣象站及市氣象局觀測站、清水鄉(xiāng)自動氣象觀測站基本情況如表1。布點區(qū)域地形及點位見圖1。

表1 騰沖機場周邊自動站基本信息

騰沖機場是橫斷山區(qū)復雜山地區(qū)域的較好代表。騰沖機場所在區(qū)域地形東北高，西部低，最高山頂為東部的大尖山，海拔2 281.8 m，最低為西部荷花鄉(xiāng)的河谷區(qū)1 070～1 200 m。地形特征為由西向東抬升，布點區(qū)域具有典型的山地立體氣候特征。本次騰沖機場布點充分考慮地理特征及天氣氣候條件，結合騰沖市氣象局觀測站，清水鄉(xiāng)自動氣象觀測站，按由低到高、由西向東兼顧機場跑道方向的原則布點。

瀘沽湖機場周邊本次布設3個自動氣象站，現(xiàn)有翠玉鄉(xiāng)自動氣象站可資利用。上述自動氣象站基本情況如表2，布點區(qū)域地形及點位見圖2。

圖1 騰沖機場布點區(qū)域地形及點位圖

圖2 瀘沽湖機場布點區(qū)域地形及點位圖

表2 瀘沽湖機場周邊自動站基本信息

瀘沽湖機場海拔高度3 293 m，屬典型山原地貌，是云南省內海拔最高的機場。因受高原和高山峽谷地形的影響，立體氣候顯著，當?shù)赜昙居炅枯^大，冬季嚴寒漫長，結冰期長。綿綿山山體自北向南縱貫寧蒗縣全境，所在區(qū)域地勢西北高而東南低。本次瀘沽湖機場布點充分考慮地理特征及天氣氣候條件，結合翠玉鄉(xiāng)自動氣象觀測站，布點按由西南到東北，兼顧水汽輸送方向的原則。所選地址應能較好的反映所在區(qū)域河谷呈西南—東北向的地理特征。

綜上，選址應能較好的反映所在區(qū)域的地理特征。

2 選址規(guī)范性分析

自動氣象站是目前最常見的氣象站之一，《地面氣象觀測規(guī)范》中明確規(guī)定“地面觀測場是取得地面氣象資料的主要場所，地點應設在能較好地反映本地較大范圍氣象要素特點的地方，避免局部地形的影響。觀測場四周必須空曠平坦，避免設在陡坡、洼地或鄰近有叢林公路工礦煙囪、高大建筑物的地方。避開地方性霧、煙等大氣污染嚴重的地方”。

結合本次觀測的目的，騰沖機場3個站點、瀘沽湖機場3個站點均位于山區(qū)，有5個站點位于自然村，1個站點位于一個獨立的小山。選址充分考慮了《地面氣象觀測規(guī)范》的要求，站點周邊空曠平坦，周邊無三級以上公路及工礦煙囪，無高大建筑物，太陽能板可無障礙接受輻射，站點位于周圍相對較高的位置。觀測數(shù)據(jù)有較好的代表性。

3 選址天氣氣候條件分析

3.1 水汽

西風帶系統(tǒng)是常年影響騰沖、寧蒗的大氣環(huán)流系統(tǒng)。冬春季隨著高緯度地區(qū)的冷空氣頻繁南下，相對而言，寧蒗受西風帶系統(tǒng)的影響較大。夏秋季節(jié)，西風帶冷空氣的影響較弱。夏季，季風是影響滇西及滇西北地區(qū)降水最主要大氣環(huán)流系統(tǒng)，夏季夏風將暖濕水汽由孟加拉灣源源不斷地輸送到云南，此時當北方有冷空氣配合時，常形成降水。圖3給出了云南多年平均整層大氣水汽輸送分布，圖4為云南夏季平均整層大氣水汽輸送分布，由圖可見，云南水汽來源主要為西南方的孟加拉灣，受地形影響，進入云南后水汽輸送路徑轉為由西向東，云南包括滇西的騰沖，滇西北的寧蒗全年和夏季水汽輸送均為自西向東路徑。

圖4 1981～2010年夏季平均整層大氣水汽輸送氣候分布

3.2 風場

騰沖機場常年主導風向為西南風，瀘沽湖機場常年主導風向為南風。采用NCEP/GFS(Globe Forecast System)的1°×1°，間隔3小時一次的資料，通過WRFDA-FSO系統(tǒng)計算可以得到每小時地面10 m風場，圖5為騰沖機場2018年6月13日08時、11時、14時、17時地面10 m風場。圖6為瀘沽湖機場2018年6月23日08時、11時、14時、17時地面10 m風場，通過2018年雨季天氣過程的分析，以騰沖2018年6月13日為個例，以瀘沽湖機場2018年6月23日為個例分析，所選站址能較好的反映流場特征，并布設在該次天氣系統(tǒng)的上游。

圖5 騰沖機場2018年6月13日地面10 m風場圖

圖6 瀘沽湖機場2018年6月23日地面10 m風場圖

3.3 降水

騰沖機場和瀘沽湖機場均位于滇西北，騰沖機場多年平均降水量為1 527.1 mm，瀘沽湖機場多年平均降水量為932.6 mm，姚平等[14]分析指出滇西北冬季和年平均降水量隨時間變化總體上均以增加趨勢為主。

騰沖機場位于滇西高黎貢山西側，高黎貢山山體呈南北走向，與孟加拉灣濕氣流近乎于正交，王宇[15]根據(jù)云南省氣象局1981年1月1日至1982年1月10日對高黎貢山西坡6個觀測點的降水量分析，指出高黎貢山西坡年降水量隨海拔升高而遞增，此次騰沖機場布點按由低到高，由西向東選點，可以較好的反映降水的垂直變化及山地迎風坡的降水特點。

影響騰沖機場的主要天氣系統(tǒng)有南亞高壓、西太平洋副熱帶高壓、南支槽、孟灣風暴、川滇切變線、西南低渦等。騰沖降水天氣過程的典型個例分析，騰沖2018年6月7日～14日有一次明顯降水天氣過程，累積降水量達到194.9 mm，過程中10日～13日為大雨，累積降水量145.7 mm，9、14日為中雨量級。

天氣形勢：500 hPa圖上(圖7)6月7日08時在合作、達日、玉樹、拉薩有一切變，在孟加拉灣北部為一弱588 hPa高壓區(qū)，在高壓區(qū)西南側83.2 °E，14.5 °N有一風暴中心，騰沖為高壓北側弱偏西氣流；到8日08時切變快速東南移到東南一帶，前一日高壓區(qū)減弱，風暴中心東偏北移到90°E、17.2°N附近，騰沖站轉為西偏北氣流；9日08時風暴中心北移到90.5°E，20°N附近，騰沖站轉為西偏南氣流。9日20時風暴中心東北方向移動后，10日到12日風暴沿著北偏東方向移動并減弱為低壓，與高原槽相接形成一個低壓槽區(qū)，騰沖站處于槽區(qū)東南側的偏西南氣流控制，降水從10日開始明顯增大。在12日另一個風暴在東經(jīng)90°E，20°N附近生成，然后沿東北方向移動，13日登陸后減弱成低壓，于14日20時后減弱消失，隨之騰沖一線西南氣流減弱并轉為偏西氣流，繼而受西北氣流控制，降水隨之停止。

700 hPa(圖略)等壓面上9日20時騰沖偏南風6 m/s，10日20時騰沖偏西南風14 m/s，11日20時騰沖西南風18 m/s，12日20時騰沖12 m/s，13日20時10 m/s，14日20時偏西風6 m/s。從西南氣流的變化可以看出騰沖日降水量隨西南風增大相應增強，反之則減弱，在11日20時西南風達到18 m/s，相應騰沖日降水量12日達到最大45.2 mm。

綜上所述，由于孟加拉灣的兩個熱帶風暴西北移登陸，其外圍西南氣流影響，低層有低空急流配合，在騰沖造成強降水，這一天氣系統(tǒng)移動路徑為自西南向東北。

圖7 500 hPa天氣系統(tǒng)變化示意圖

本次騰沖機場布點充分考慮地理特征及天氣氣候條件，所選地址能較好的反映所在區(qū)域的地理特征，并布設在天氣系統(tǒng)的上游。

瀘沽湖機場位于麗江市寧蒗縣綿綿山以東，受地形影響，常年主導風向為南風。影響瀘沽湖機場的主要天氣系統(tǒng)有兩高(西太平洋副高和青藏高壓)輻合、孟灣風暴、川滇切變線、西南低渦等。

王宇[15]分析云南山地氣候特征指出，云南山脈降水量的分布基本隨海拔升高而增大。王宇以鄰近瀘沽湖機場的玉龍山脈3個觀測點的年降水量統(tǒng)計，得到玉龍山脈年降水量隨海拔升高也呈遞增狀態(tài)，瀘沽湖機場布點結合翠玉鄉(xiāng)自動氣象觀測站，按河谷西南-東北走向并逐步抬升的特征布點，可以較好的反映出降水的垂直變化和地形的影響。

寧蒗縣降水天氣過程的典型個例分析，2018年6月23日～28日寧蒗有一次典型降水過程。

天氣形勢：500 hPa圖上(圖8)，22日08時滇西北外圍有一586 hPa高壓，在滇黔之間有一584 hPa低壓，麗江是585 hPa，西北風8 m/s，處于低壓西北側，受低壓影響，22日20時低壓加強為583 hPa，高壓也加強為587 hPa，23日08時583 hPa低壓中心南壓到滇桂黔之間，并加強，麗江為584 hPa，西北風6 m/s，高壓減弱586 hPa，23日20時低壓進一步東移加強為582 hPa，高壓維持，24日08時583 hPa低壓西南移到滇東南，在華坪、曲靖、文山是一切變，麗江584 hPa，西北風6 m/s，高壓587 hPa，25日08時低壓西移到滇南并加強為582 hPa，麗江是583 hPa，西北風8 m/s，西昌584 hPa，西南風8 m/s，麗江、西昌間有切變，華坪處于切變中心，高壓減弱為584 hPa，26日08時低壓略南移到滇邊緣，麗江是584 hPa，偏南風12 m/s，華坪切變消失，高壓為585 hPa。

700 hPa圖上(圖8)，21日08時在滇西北與四川之間生成一309 hPa低壓環(huán)流，麗江在低壓南部，偏西風8 m/s，高度309 hPa；22日08時低壓中心南移到華坪、永仁附近，強度維持309 hPa，低壓切變呈西北東南帶狀，麗江西偏北風6 m/s，高度309 hPa；23日08時低壓加強為308 hPa并東移到貴陽以西，另在巴塘附近生成一307 hPa低壓，麗江在其南部偏西風4 m/s，高度308 hPa；24日08時在巴塘的307 hPa低壓南移到麗江以北，麗江仍為偏 西風4 m/s，高度307 hPa，在貴陽的308 hPa低壓西移到滇桂之間。25日08時在麗江以北的低壓北移加強為305 hPa，麗江為307 hPa，西北風4 m/s，另一低壓西移到滇南，加強為307 hPa；26日08時麗江以北的低壓減弱為306 hps，中心不動，麗江為308 hPa，偏西北同4 m/s，滇南低壓西移減弱消失；27日08時北部低壓進一步減弱東北移，麗江為311 hPa，東南風2 m/s。

圖8 500和700 hPa天氣系統(tǒng)變化示意圖

從以上天氣圖的演變過程來看，寧蒗是受北部低壓連續(xù)生成南移影響，低壓22日南移出現(xiàn)大雨，24日北部又生成一更強的低壓南移，也出現(xiàn)大雨，25日低壓北退時也出現(xiàn)中雨降水，隨后低壓減弱降水很快減小。這一天氣系統(tǒng)移動路徑為自北向南。

本次瀘沽湖機場布點充分考慮地理特征及天氣氣候條件，兼顧水汽輸送方向，所選地址應能較好的反映所在區(qū)域河谷呈西南—東北向的地理特征，并布設在天氣系統(tǒng)的上游。

3.4 能見度和云

騰沖機場、瀘沽湖機場機場周邊的能見度觀測，對分析研究霧的生消規(guī)律及成因，提高霧的預報準確率十分必要。機場在跑道兩端及中間已有3臺能見度觀測儀，此次兩個機場布設的6個自動氣象站均增加了能見度觀測，其中在跑道的飛機起降端方向專門布設了一個點(騰沖機場68號點，瀘沽湖機場90號點)，用于分析研究對飛機起降有直接影響的霧的生消規(guī)律。騰沖機場、瀘沽湖機場屬山地機場，地形形成的低云也會影響能見度，由于云量及云狀需要人工觀測，因此，布點沒有考慮云的觀測。

4 選址網(wǎng)絡通訊條件分析

觀測區(qū)域位于橫斷山脈，相對高差較大，地勢險峻，復雜的地形使得布點必須考慮網(wǎng)絡通訊條件。

自動氣象站布設范圍均在鄉(xiāng)鎮(zhèn)農村，采用無人值守自動采集氣象要素，數(shù)據(jù)是通過4G通訊網(wǎng)絡傳輸?shù)焦潭↖P地址端口接收，此次布點充分考慮了通訊網(wǎng)絡信號的強弱和穩(wěn)定，同時預防人為破壞，牲畜損壞等意外，避免對數(shù)據(jù)傳輸和接收的影響。該次布點的6個自動站安裝運行后，從2019年1月到12月6站的數(shù)據(jù)到報率為100%，數(shù)據(jù)精度達到質量要求。

5 結論與討論

騰沖機場、瀘沽湖機場周邊自動氣象站的選址充分考慮了地理特征、選址規(guī)范性、水汽輸送路徑、流場特征、天氣系統(tǒng)、網(wǎng)絡通訊條件。按由低到高兼顧水汽輸送方向及機場跑道方向的原則選點。分析表明所選地址能較好的反映所在區(qū)域的地理環(huán)境和流場特征，主要站點選擇位于水汽輸送方向和主要天氣系統(tǒng)的上游，可以較好的反映降水的垂直變化，對分析研究機場霧的生消規(guī)律也有針對性，保障了觀測質量和觀測目標的實現(xiàn)。

氣象預報技術和模式水平的提高依賴于觀測系統(tǒng)的完善。云南省已有的126個國家級氣象觀測站主要是按縣級行政區(qū)域布設，從空間分布來看，滇西北的迪慶、怒江和滇南的西雙版納、普洱、文山等區(qū)域觀測站點相對稀疏。近年建設的鄉(xiāng)鎮(zhèn)自動氣象站觀測資料對氣象業(yè)務起到了重要的補充作用，鄉(xiāng)鎮(zhèn)自動氣象站的選址主要也是按行政區(qū)域布設，也有一些煙區(qū)、茶區(qū)等經(jīng)濟作物區(qū)的自動氣象站選在山區(qū)或作物種植區(qū)；云南農業(yè)、水利、電力等其它部門和研究單位也建有或擬建山區(qū)自動氣象站，山區(qū)自動氣象站的選址是個有一定普遍性的問題，本文的分析由于針對性強，尚有局限性，因此，對山區(qū)氣象自動站選址能進行更多方面的分析研究，將充分發(fā)揮氣象觀測資料在各行業(yè)中的應用。