近5年仁化縣生態(tài)氣象監(jiān)測與評估分析

付炳秀，黃觀榮

（1.仁化縣氣象局，廣東仁化 512300，2.韶關市氣象局，廣東韶關 512000）

仁化縣位于廣東省北部、南嶺山脈南麓，是粵、湘、贛3省交接地，屬亞熱帶季風氣候，為亞熱帶典型常綠闊葉林分布區(qū)，是國家重點生態(tài)功能區(qū)。仁化縣南嶺生態(tài)氣象中心座落在縣城南郊3 km的黃屋村老馬屋小組月尾嶺，中心建有國家標準氣象觀測場以及種類繁多的生態(tài)氣象特種觀測設備。近年來，國內的生態(tài)氣象監(jiān)測和評估業(yè)務服務工作［1－4］逐見成效，生態(tài)氣象業(yè)務的基礎不斷鞏固和發(fā)展。隨著仁化縣南嶺生態(tài)氣象中心［5］建設完成，生態(tài)觀測數據開始了逐步的資料累積，付炳秀等［6］開展了2016年仁化縣生態(tài)氣象的監(jiān)測與評估工作，為地方政府提供了決策依據；黃觀榮等［7］對韶關生態(tài)旅游氣候舒適度進行了分析，但對連續(xù)時間序列的生態(tài)氣象條件進行綜合分析成果依舊缺乏。在全球氣候變暖背景下，氣候變化對生態(tài)環(huán)境影響日益明顯，而生態(tài)氣象監(jiān)測是改善、保護生態(tài)環(huán)境的重要依據，本研究利用南嶺生態(tài)氣象中心國家站及仁化各鄉(xiāng)鎮(zhèn)自動站氣象資料以及MODIS衛(wèi)星遙感資料，對近5年仁化縣氣候、氣溶膠光學厚度、植被覆蓋度等生態(tài)氣象條件進行分析評估，進一步豐富南嶺生態(tài)氣象中心服務產品，為地方政府的生態(tài)可持續(xù)性發(fā)展及生態(tài)保護工作提供決策依據。

1 資料與方法

本研究采用的氣象資料為氣象觀測站常規(guī)觀測資料，以及歐洲中心的ERA5再分析數據，采用的遙感數據均為NASA的MODIS產品，其中氣溶膠光學厚度（簡稱AOD）數據為MODIS空間分辨率為3 km的氣溶膠產品MYD04_3K，植被指數 NDVI為空間分辨率250 m 的MOYD13Q1產品，NDVI數據1—12月每16 d一景，在利用NDVI計算植被覆蓋度前對NDVI求取年平均、臨近值插值法重采樣等預處理后，得到空間分辨率為0.01°的NDVI網格數據。

①常規(guī)氣象資料：1981—2019年仁化國家氣象觀測站常規(guī)氣象資料，其中近5年的降雨量空間分布圖采用了近5年仁化國家氣象觀測站以及仁化縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)自動站的降雨量，通過克里克空間插值后所繪制。

②通風系數：混合層高度（即邊界層高度）與混合層內10 m平均風速的乘積，可反映大氣邊界層內垂直與水平擴散能力，其中混合層高度與混合層內10 m平均風速為歐洲中心空間分辨率0.75°×0.75°的ERA5再分析數據。

③氣溶膠光學厚度（AOD）數據：NASA的MODIS空間分辨率為3 km 的氣溶膠產品MYD04_3K，通過臨近值插值進行重采樣獲得空間分辨率為0.03°的AOD網格數據，用于分析仁化縣域的AOD時間變化特征，再通過克里克插值繪制仁化近5年的AOD空間分布圖。

④植被覆蓋度數據：本研究中植被覆蓋度通過式（1）求得，其中f為植被覆蓋度（%），NDVI為計算象元經過求取年平均、重采樣后獲得的年植被指數平均值，NDVImax和NDVImin分別為研究區(qū)域內NDVI的最大值、最小值。本研究在繪制植被覆蓋度曲線變化和空間分布圖前，對植被覆蓋度小于0的值進行了剔除處理。

2 生態(tài)氣候條件

2.1 氣溫、日照

從1981—2019年仁化縣年平均氣溫數變化圖（圖1a）可知，1981—1997年的氣溫總體較平均值偏低，1998—2019年的氣溫總體較平均值偏高。1981—2019年氣溫變化趨勢曲線顯示，仁化年平均氣溫處于逐步上升的趨勢，從線性變化趨勢看平均每年上升0.017 8℃。近5年仁化年平均氣溫處于20.1～20.3℃范圍，均高于常年平均值（19.9℃）。為進一步分析仁化近5年的生態(tài)氣象條件，本研究對近5年的平均氣溫進行了線性變化趨勢分析，求出線性變化趨勢方程為y＝－0.02x＋20.3，表示近5年期間仁化年平均氣溫平均每年下降0.02℃。

1981—2019年日照時數變化圖（圖1b）顯示，日照逐年變化波動較大，年較差最大達到511.2 h，在1981—2003年呈波動上升趨勢，在2004—2017年呈波動下降趨勢。從線性變化趨勢看，日照時數整體呈現(xiàn)緩慢減少的趨勢，日照時數平均每年減少0.127 h。近5年的日照時數處于1 399.8～1 621.2 h范圍，均低于常年平均值（1 719.8 h），本研究對近5年的日照時數進行了線性變化趨勢分析所求出線性變化趨勢方程為y＝49.89x＋1 394.2，顯示近5年日照時數平均每年上升49.89 h，與1981—2019年的長期變化趨勢相反。

圖1 1981—2019年仁化縣年平均氣溫（a）和日照時數（b）變化

2.2 降雨

1981—2019年仁化年降雨量變化（圖2）顯示，年降雨量波動變化明顯。

圖2 1981—2019年仁化縣年降雨量變化

從線性變化趨勢看，1981—2019年仁化年降雨量平均每年增加0.245 5 mm。近5年降雨量變化趨勢整體在正常范圍內波動，其中2016年較常年平均偏多近40%，2019年較常年平均偏多10%。本研究對近5年的降雨量進行了線性變化趨勢分析，所求出線性變化趨勢方程為y＝－14.49x＋1 850.8，表示近5年降雨量平均每年下降14.49 mm，與1981—2019年的長期變化趨勢相反。從2015—2019年仁化縣年降雨量分布（圖略）可知，近5年仁化逐年的降雨量空間分布不均勻，降雨集中區(qū)域的局地性特征明顯。

從2015—2019年仁化縣汛期、非汛期降雨量變化（圖略）可知，近5年前汛期降雨量呈現(xiàn)正弦規(guī)律變化。從線性變化趨勢看，平均每年減少0.05 mm，后汛期降雨量整體呈現(xiàn)逐年增加趨勢。從線性變化趨勢看平均每年增加21.23 mm，但在近5年中仍有3年低于1981—2010年后汛期降雨量平均值。近5年1—3月降雨量整體呈現(xiàn)準正弦規(guī)律變化，從線性變化趨勢看平均每年增加51.42 mm；近5年10—12月降雨量則呈現(xiàn)減少趨勢，從線性變化趨勢看平均每年減少87.09 mm，下降的趨勢較為明顯。整體來看，降雨量在1—3月和后汛期有上升趨勢，在前汛期和10—12月有下降趨勢，下降趨勢尤以10—12月最為明顯。近5年仁化降雨量在時空分布上不均勻，其中2018和2019年這種時空分布不均勻的特性尤為明顯，對各山塘水庫的科學蓄水和水資源的調度管理工作極為不利。在2018年的上半年和2019年的下半年，因降雨偏少，森林防火形勢變得極為嚴峻，其中在2019年下半年，仁化縣還出現(xiàn)了較長時間的氣象干旱天氣。

3 大氣環(huán)境

3.1 大氣通風條件

本研究采用小風日數和通風系數來評估大氣通風條件，小風日數為一段時間內日平均風速＜2.0 m／s的天數，年小風日數越少，則表明水平擴散條件越好，越有利于污染物的擴散。通風系數為混合層高度（即邊界層高度）與混合層內10 m平均風速的乘積，可反映大氣邊界層內垂直與水平擴散能力。通風系數值越大，則越有利于空氣污染物的擴散。

從2015—2019年仁化縣小風日數及通風系數變化（圖3）可知，近5年仁化小風日數在317～336 d范圍，均遠低于常年平均日數（353.4 d），期間有緩慢上升的趨勢，平均每年增加3.8 d，表明近5年有利于污染物擴散的水平擴散條件整體在不斷的提高。近5年仁化通風系數介于571.8～685.6 m2·s，均遠低于常年平均值（690.18 m2·s），并且下降幅度較大，平均每年下降18.616 m2·s，表明近5年大氣邊界層內垂直與水平擴散能力年際變化幅度略大，從2017年開始出現(xiàn)下降，不利于污染物擴散。近5年大氣水平擴散能力提高，但垂直擴散能力趨于減弱，大氣擴散條件整體處于良好狀態(tài)。

圖3 2015—2019年仁化縣小風日數及通風系數變化

3.2 灰霾日數

本研究按日平均值統(tǒng)計方法中霾日的標準進行統(tǒng)計，即當日平均能見度＜10 km且日平均相對濕度≤90%時定為灰霾日。從2015—2019年灰霾日數變化（圖略）可知，近5年仁化灰霾日數在40～74 d范圍，期間呈現(xiàn)上升趨勢，平均每年增加3.4 d。此外，2019年仁化縣灰霾日數較2018年減少34 d，隨著大氣污染防治工作逐步發(fā)揮作用，灰霾日數有望在未來得到進一步的降低。

灰霾是懸浮在大氣中的大量微小塵粒、煙粒或鹽粒的集合體，雨水的沖刷作用會對大氣中的塵粒起到清潔作用。本研究對近5年仁化灰霾日數和降雨量、平均風速以及相對濕度做相關性分析，得到灰霾日數與降雨量的相關系數為－0.542，與相對濕度的相關系數為－0.419，均呈現(xiàn)一定的負相關變化特征，表明降雨量的多寡以及相對濕度的大小會對灰霾日數產生較大的影響，在粉塵污染輸出源無變化的提前下，在降雨量較多的年份，相對濕度較大，空氣質量會有一定程度的提高?；姻踩諗蹬c平均風速的相關系數為0.393，呈現(xiàn)一定的正相關變化特征，表明風速的增大有利于污染物的擴散。

3.3 氣溶膠光學厚度

氣溶膠光學厚度（簡稱AOD）是指氣溶膠的消光系數在垂直方向上的積分，反映整層大氣中，氣溶膠對直接太陽輻射的衰減能力。AOD越小，大氣越清潔；反之，則大氣越渾濁。

從2015—2019年仁化縣AOD變化（圖4）可知，近5年仁化AOD在0.259～0.361范圍，整體呈現(xiàn)下降趨勢，平均每年下降0.007。仁化AOD與日照時數的相關系數為－0.427，兩者存在一定的負相關性，日照時數增多的年份AOD值減小。

圖4 2015—2019年仁化縣AOD變化

從2015—2019年仁化縣AOD空間分布圖（圖5）可知，AOD≥0.372的區(qū)域面積在近5年中呈現(xiàn)下降趨勢，表明大氣質量處于逐步改善階段。仁化近5年AOD高值區(qū)主要集中在城鎮(zhèn)等工業(yè)園地區(qū)，表明城鎮(zhèn)以及工業(yè)的發(fā)展對空氣質量的影響較大，在經濟發(fā)展中，需注意協(xié)調城鎮(zhèn)工業(yè)發(fā)展與生態(tài)承載力的關系，避免失衡。

圖5 2015—2019年仁化縣AOD空間分布圖

4 植被覆蓋度

植被覆蓋度是指植被（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比。2015—2019年仁化縣植被覆蓋度變化（圖略）顯示，2015—2019年仁化縣植被覆蓋度介于73.1%～77.9%。2015—2019年植被覆蓋度變化趨勢曲線顯示，平均每年上升0.114 6%，表明仁化縣陸表生態(tài)環(huán)境基本維持緩慢上升的良好趨勢。

從2015—2019年仁化縣植被覆蓋度空間分布（圖略）可知，仁化植被覆蓋度結構整體均衡，城鎮(zhèn)、工業(yè)園區(qū)等發(fā)展區(qū)域的植被覆蓋度相對較低，整體的植被覆蓋度維持在70%以上，且達到80%以上的高覆蓋度區(qū)域面積在不斷增加。

在近5年中，高覆蓋度區(qū)域的占比在89.82%～96.16%范圍（表1），其中2016年達到96.16%，表明對森林等高覆蓋度區(qū)域的保護工作完成很好；中覆蓋度區(qū)域在3.57%～9.57%范圍，年變化幅度相對較大；低覆蓋度區(qū)域在0.27%～0.66%范圍，年變化幅度較中覆蓋區(qū)域變化小。近5年來，仁化植被覆蓋結構呈現(xiàn)以高覆蓋度為主體、中覆蓋度區(qū)域隨經濟發(fā)展用地變化略有浮動的結構特征，表明仁化縣植被覆蓋結構整體良好。

表1 2015—2019年仁化縣植被覆蓋度結構 %

5 綜合評述與建議

1）近5年仁化平均氣溫處于20.1～20.3℃范圍，均高于常年平均值，建議關注氣候變暖對農業(yè)生產、生態(tài)環(huán)境的影響。降雨量在正常范圍內波動，但時空分布不均，不利于各山塘水庫的科學蓄水和水資源的調度管理工作以及森林防火工作，建議各山塘水庫要根據氣候的變化，科學安排蓄水、用水的調度工作。

2）近5年仁化縣大氣擴散條件整體良好。仁化AOD近5年在0.259～0.361范圍，期間呈現(xiàn)下降趨勢，AOD≥0.372的區(qū)域面積呈下降趨勢，表明大氣環(huán)境質量處于逐步改善階段。灰霾在近5年呈現(xiàn)上升趨勢，但2019年仁化縣灰霾日數較上一年減少34 d，隨著大氣污染防治工作逐步發(fā)揮作用，灰霾日數有望在未來得到進一步的降低。在經濟發(fā)展中，建議關注城鎮(zhèn)工業(yè)發(fā)展與生態(tài)承載力的平衡關系，繼續(xù)做好大氣污染防治工作，重點加強大氣污染源排放方面的管理工作。

3）近5年仁化植被覆蓋結構呈現(xiàn)以高覆蓋度為主體、中覆蓋度區(qū)域隨經濟發(fā)展用地變化略有浮動的結構特征，植被覆蓋度結構整體均衡，陸表生態(tài)環(huán)境維持良好，表明仁化縣采取生態(tài)環(huán)境保護工作、森林防火等各項工作具有明顯成效，但仍需關注由降雨時空分布不均導致的干旱災害等問題，建議加強對陸表生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測，適時開展人工增雨作業(yè)。