燕山南北兩側(cè)氣候差異性探究

柴博語

摘要 本文將研究著眼于燕山的坡向、海拔、與海的距離等地理因素，探究產(chǎn)生如溫度降水等這些氣象因子上的較大差異的原因。得到如下的結(jié)論：（1）燕山的存在加大了南、北坡氣溫和降水上的差距，坡向為影響氣溫和降水的主要因子，與年平均溫度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.824，與年降水量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.818。（2）燕山起到了阻擋水汽的作用，使北坡降水量明顯小于南坡，燕山地區(qū)夏季易出現(xiàn)暴雨，受海陸因素影響，燕山地區(qū)年降水量較大值出現(xiàn)在南坡東段，受地形因素影響，極端降水較大值出現(xiàn)在南坡西段。（3）根據(jù)水熱條件，燕山山脈沿線站點可分為3類。

關(guān)鍵詞 燕山;氣象因子;溫度;降水

中圖分類號：P462

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：2095-3305（2021）02-087-03

1研究背景

通過對燕山南北坡之間各氣象因子如溫度、降水等的研究，使燕山附近的居民更好地利用氣候條件來進(jìn)行生產(chǎn)生活，并合理利用開發(fā)山區(qū)，同時對北京及附近地區(qū)的氣候研究、防災(zāi)減災(zāi)具有一定的參考價值。

前人針對燕山及其他山脈在氣候變化背景下發(fā)生的氣候條件的變化進(jìn)行了許多研究，也有些研究著眼于山脈的氣候?qū)r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)我國多地普遍存在積溫帶移、上移的特點，而燕山地區(qū)西部積溫帶移動不明顯，東部地勢較緩和地區(qū)暖溫帶北界明顯北移。燕山山脈處在一個比較重要的位置——北京附近，有了燕山山脈的影響，才出現(xiàn)了類似“7·21”這類極端的天氣事件，而人們當(dāng)時對這類暴雨的預(yù)報和應(yīng)對還存在定的問題，所以研究燕山的各項氣候因子，對老百姓的生活生產(chǎn)具有實際意義的。研究大地形對局部地區(qū)天氣和氣候產(chǎn)生的影響的預(yù)測，是當(dāng)下困擾人們的難題，如果把這件事解決，其在將來的應(yīng)用將遍布農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、防災(zāi)減災(zāi)等各個方面，有著廣泛的應(yīng)用前景。再加上燕山同我國其他很多山脈一樣，南北兩側(cè)的氣候條件大不相同，所以，有必要對燕山山脈對各項氣象因子的影響進(jìn)行研究。本文針對過去研究不足的方向，對燕山具體溫度、降水等情況進(jìn)行了研究分析。

2資料與方法

2.1研究資料來源

本文所用研究氣象資料包括每日最高溫度、最低溫度、平均溫度、降水量等，均來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（htpe：//data.cma.cn），海拔、地形、與海的距離等地理資料來自地理空間數(shù)據(jù)云（gscloud.cn）。氣象數(shù)據(jù)選取19512017年燕山南北坡共8個站的數(shù)據(jù)，所選測站均為基準(zhǔn)站或基本站，已經(jīng)過訂正，具有較高的精度，缺測數(shù)據(jù)已篩除。

2.2研究方法

進(jìn)行同緯度無山（或少山）情況下的對照實驗和顯著性假設(shè)檢驗，然后進(jìn)行主成分分析，找出影響燕山山脈地區(qū)各地溫度差異的最主要因素，之后，繼續(xù)利用上述步驟對降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，找出影響降水量的最主要的影響因素，之后將各站降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行聚類。最后，將得出的所有結(jié)論進(jìn)行總結(jié)。

3結(jié)果與分析

3.1燕山山脈對溫度的影響探究

在研究燕山山脈對各氣象因子的影響的過程中，發(fā)現(xiàn)了燕山山脈南坡北京、唐山、秦皇島等地的年平均氣溫要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于北坡懷來、承德、建昌等地的年平均氣溫這一現(xiàn)象，而在相同緯度無山或少山的遼寧鞍山（41°N，與燕山北坡緯度相似）與遼寧瓦房店（39.6°N，與燕山南坡緯度相似）之間，年平均氣溫的差距則較小南坡選取北京、唐山、秦皇島、綏中4個測站;北坡選取懷來、承德、建昌、朝陽4個測站，省略氣象資料的前期處理過程（如求年平均值、月平均值的過程），進(jìn)行的探究如下。

3.1.1燕山山脈對年、月平均溫度的影響探究利用上述站點的每日溫度數(shù)據(jù)共60a左右）求出平均值，計算平均溫度，并進(jìn)行插值計算出圖，所求結(jié)果如表1、圖1所示。

燕山山脈南、北坡溫度在冬季月差距明顯，北坡各項指標(biāo)明顯低于南坡，1月平均最高氣溫，南坡各站均為正值，北坡各站均為負(fù)值。燕山山脈坡向在1月對溫度的影響通過了95%顯著性假設(shè)檢驗。7月燕山山脈南、北坡溫度在夏季7月同樣有一定差距，但差距縮小。在不同的月份，各測站之間溫度的變化趨勢不相同。燕山南坡各站除北京外，均為秋溫大于春溫，而北坡各站均為春溫大于秋溫。

3.1.2燕山山脈附近地區(qū)年平均溫度的對照實驗將影響溫度的因子分為海拔、與海的距離、坡向、經(jīng)度、緯度5種。計算燕山地區(qū)南北坡與對照地區(qū)的年平均溫度的溫差，并進(jìn)行顯著性檢驗。由此可看出，燕山南坡與北坡之間年平均氣溫相差很大，南坡各站年平均溫度的平均值為10.9℃，北坡各站年平均溫度的平均值為9.0℃，南、北坡平均溫度差值為1.9℃，同樣緯度差距下鞍山與瓦房店之間年平均溫度的差值為0.2℃，Sig=0.027《0.05，落入95%置信區(qū)間，證明燕山的存在加大了南北溫差。并且，燕山北坡地區(qū)年平均氣溫比同緯度地區(qū)低，燕山南坡地區(qū)年平均氣溫比同緯度地區(qū)高。這是因為燕山起到了阻擋冷空氣的作用，并且冷空氣翻越燕山會下沉增溫。

3.1.3對于影響各站溫度的因子的主成分分析對于燕山南、北坡不同地區(qū)、不同時段，影響其溫度的主要地理因子是不同的，對表1中各項溫度要素進(jìn)行主成分分析，確定對燕山地區(qū)來說哪種因子對其溫度的影響更大。選取方差貢獻(xiàn)率最大的兩個成分矩陣列于表2，這兩個成分矩陣的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了92.7%6，各成分公因子方差的提取均超過了80%。

選取第一主成分矩陣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)坡向為影響燕山地區(qū)溫度的最主要因子。經(jīng)計算，坡向與年平均溫度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.824，與年最低溫度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.907。南、北坡各測站的年平均溫度與海拔高度也存在相關(guān)性。還有一個現(xiàn)象值得關(guān)注，無論南坡還是北坡，東段在冬季都出現(xiàn)了比西段冷的現(xiàn)象，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是地形。西段山脈的海拔要高于東段山脈，對冷空氣的阻擋和下沉作功作用也更強(qiáng)，且在山脈東段有很多缺口，內(nèi)蒙古高原方向的冷空氣可以從這些缺口直接越過燕山，到達(dá)遼西走廊和葉東平原，而且東段受遼西走廊和渤海影響，有時會有狹口效應(yīng)出現(xiàn)，使風(fēng)速增大冷平流增強(qiáng)，所以南坡東段比西段冷，東北平原南部比緯度相近的燕山沿線要冷，也是這個道理。東段距離強(qiáng)冷空氣的平均入侵路徑也更近2。同時，東段冬季氣溫的波動也比西段要大，冷空氣較強(qiáng)時甚至可能出現(xiàn)東段南坡氣溫低于西段北坡的現(xiàn)象。

此外，燕山還有阻擋水汽的作用，冬季北坡水汽輸送很差，各站水汽壓很低，幾乎不受海陸因子的影響，無論東段還是西段，氣溫均具有很強(qiáng)的大陸性特征。

3.2燕山山脈對降水的影響探究

仍采用上述站點資料，將各地年平均降水量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

3.2.1燕山山脈對年總降水量、月降水量的影響探究

將燕山地區(qū)各地年平均降水量與對照組進(jìn)行對比，并進(jìn)行顯著性檢驗。

之后插值得出燕山地區(qū)各地年平均降水量地理分布圖（圖2）。

燕山南坡各站年降水量的平均值為613.0mm，北坡各站年降水量的平均值為487.6mm，南北坡年降水量的平均值相差125.4mm，大于對照組鞍山、瓦房店之間相差的75.2mm。Sg-0.028《0.05，可證明燕山山脈加大了降水量在緯向上的差距。燕山南坡的年降水量大于北坡，且自西向東有逐漸增加的趨勢，受海陸因素和地形影響，這種趨勢在北坡比較明顯。根據(jù)我國主要的水汽輸送路徑，在夏季，燕山地區(qū)盛行偏南暖濕氣流，自南向北輸送的水汽經(jīng)燕山的抬升作用促進(jìn)了上升運動，水汽配合上升運動易產(chǎn)生降水，而山脈南坡的一些朝華北平原開口的山谷或河谷也促進(jìn)了水汽的充分灌入形成“喇叭口”地形，也加強(qiáng)了這種上升運動，在南坡形成河北省的一個多雨中，而北坡由于受到山脈阻擋，減少了部分水汽輸送，所以水汽輸送不如南坡充沛。

將各站各月降水量進(jìn)行統(tǒng)計可知，各地降水的月變化趨勢一致，均為7月最多，1月最少，冬季各測站降水均稀少，夏季降水最多，主要集中在68月，秋季降水比春季多一些。在夏季降水量上南、北坡的差距比較明顯，降水量越多的月份，南、北坡各測站間降水量的差距也越大。例如秦皇島與懷來，月降水量都不多，降水量只相差1mm，7月降水量卻相差82.1mm，差不多是懷來站年降水量的五分之一。選取各項降水要素進(jìn)行主成分分析，確定哪種因子對降水的影響更大。選取方差貢獻(xiàn)率最大的兩個成分矩陣列于表3，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了91.5%，各成分因子方差的提取均超過了909%。

選取第一、第二主成分矩陣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)坡向?qū)ρ嗌降貐^(qū)降水的正影響最大，經(jīng)計算，坡向與年降水量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.818，海陸因子對燕山地區(qū)各地的降水量也起到了影響的作用。而且，第二主成分中經(jīng)度的數(shù)值為正，這可能是因為燕山東段山地缺口比西段多，山勢不如西段險，來自南方的水汽可以沿缺口深入北坡更多一些，所以北坡東段比西段降水多。而西段的阻擋作用更強(qiáng)，也是造成懷來降水較少的重要原因。

3.2.2燕山地區(qū)極端降水天氣分析研究

夏季的燕山地區(qū)時常受到極端降水的侵?jǐn)_，著名的北京“7·21”暴雨天氣過程就是一次典型的北方雨季極端降水過程。這次強(qiáng)降水是在東南洋面上的臺風(fēng)帶來的強(qiáng)水汽輸送和西側(cè)的強(qiáng)氣旋性切變，燕山、太行山的強(qiáng)烈抬升作用以及東側(cè)日本海高壓穩(wěn)定維持的情況下發(fā)生的，燕山的抬升作用為這次暴雨提供了有利條件。而且，山區(qū)的地形可能會使氣流產(chǎn)生一定的氣旋性切變，所以說雖然燕山地區(qū)年降水總量并不算多，但極端降水卻一點也不少。各測站無論北坡、南坡，單日最大降水量均高于沈陽、石家莊這類平原站點，且單日最大降水量占年降水量的百分比都大于平原地區(qū)的站點。而且，燕山南坡單日最大降水量是西段大于東段，很可能與西段山勢更險、抬升作用更強(qiáng)有關(guān)。

3.3燕山附近地區(qū)溫度、降水聚類分析

將整理所得的各項溫度、降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，得到的結(jié)果如表4所示。

根據(jù)各站溫度、降水特征來看，可分為3類：1類是水熱條件較好，2類是水熱條件一般，3類是熱量條件較2類好但水汽條件均較1、2類差。懷來自成類，可能與其遠(yuǎn)離海洋、水汽受山脈阻擋作用較強(qiáng)等因素有關(guān)。

4結(jié)論與討論

4.1結(jié)論

（1）燕山的存在加大了南、北坡氣溫的差距，坡向為影響燕山地區(qū)溫度的最顯著因子，與各項溫度指標(biāo)均存在一定的相關(guān)性，其中與年平均溫度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.824，與年最低溫度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.907。不同的月份影響各測站溫度的主要因子也不相同。

（2）燕山地區(qū)的溫度還受海陸因素、地形因素、地理位置影響。燕山南坡地區(qū)，冷空氣沿地形下沉増溫，使該地區(qū)冬季比中國同緯度季風(fēng)區(qū)溫暖;無論南坡還是北坡，東段在冬季都出現(xiàn)了比西段冷的現(xiàn)象，且氣溫年較差東段大于西段;燕山南坡東段夏季最高氣溫低于北坡，且氣溫日、年較差北坡大于南坡。

（3）在降水量方面，燕山起到了阻擋水汽的作用，坡向仍為最主要的影響因素，坡向與年降水量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.818，且與各項降水指標(biāo)都存在著一定的相關(guān)性。海陸因素、地理位置、地形因素對燕山地區(qū)降水量也有影響。燕山地區(qū)夏季易出現(xiàn)暴雨，受地形因素影響，極端降水較大值出現(xiàn)在南坡西段。

（4）通過對溫度、降水情況的分析，可將燕山地區(qū)的氣候條件分為3類。

4.2討論

在坡向方面，只將山脈坡向分為南坡、北坡進(jìn)行了初步研究，由于條件有限，沒有將坡向化為具體的角度，并且忽略了地形遮蔽、太陽輻射、坡度方面的研究。且沒有把海陸因素與經(jīng)度因素、坡向因素與緯度因素之間存在的相互影響剔除，一些研究通過其他方法減輕了這種影響。

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責(zé)任編輯：黃艷飛