西南地區(qū)東部大官山溫濕梯度變化特征分析

陳志軍 , 李躍清 , 杜 欽 , 何澤能 , 趙興炳 , 高陽華

（1. 重慶市氣象科學(xué)研究所，重慶 401147；2. 中國氣象局成都高原氣象研究所，成都 610072）

引言

氣象要素是生態(tài)環(huán)境形成和演化重要驅(qū)動力，其中，氣溫和濕度是氣象要素的重要組成因子，不同的水熱狀況組合是形成不同生態(tài)環(huán)境并導(dǎo)致其發(fā)展變化的重要外在力量。山地氣候是大氣候背景和大、中、小地形共同作用形成的復(fù)雜氣候類型，了解山地氣象要素的梯度變化規(guī)律才能更好地模擬山地氣象要素的空間分布特征[1-2]。

為了揭示山地氣象要素時空分布規(guī)律，諸多學(xué)者開展了一系列相關(guān)研究并取得了豐碩成果。傅抱璞[3-4]和沈國權(quán)[5]結(jié)合海拔、地形等因素，采用回歸模型推算了小地形的氣溫空間分布；馬乃孚等[6]總結(jié)分析了大別山和神農(nóng)架氣候空間分布規(guī)律和特征；熊志強(qiáng)等[7]在四川亞熱帶丘陵山區(qū)多個地形坡面開展了氣象短期觀測，為亞熱帶坡面氣候要素的空間分布特征研究提供了參考；鄭征等[8]采用坡面觀測資料分析了西雙版納干、濕季節(jié)海拔變化導(dǎo)致的水濕變化特征；康雪等[9]利用彭州邊界層鐵塔的風(fēng)速風(fēng)向觀測資料，分析了該地區(qū)各季節(jié)風(fēng)廓線特征；盧萍等[10]基于九龍站加密探空資料，分析了該站的邊界層大氣溫度、濕度隨高度變化特征；楊瑜峰等[11]利用氣象觀測站降水?dāng)?shù)據(jù)結(jié)合數(shù)字高程模型（DEM）對甘南州1983~2012年降水量空間變化趨勢和突變特征進(jìn)行分析；陸福志等[12]采用薄盤光滑樣條函數(shù)建立了高分辨率氣候格點(diǎn)數(shù)據(jù)集。上述研究大多基于模型、插值、短時間考察或不同坡面的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行時空要素的變化分析，而本文則是利用巫溪大官山同一坡面相對均勻且密集分布的梯度觀測站逐小時連續(xù)實(shí)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行典型區(qū)域氣象要素的梯度變化分析，目前還未見類似的研究報(bào)道。

巫溪大官山地處大巴山脈南麓東部，東連神農(nóng)架山脈，南接巫山山脈，地形地貌復(fù)雜，氣候多樣，局地河谷南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶、中溫帶和寒溫帶均有分布，是重慶市境內(nèi)立體氣候最為突出的地區(qū)。在該區(qū)域典型坡面不同高度進(jìn)行立體氣象觀測試驗(yàn)研究，對于深入了解山地立體氣候特征、開展區(qū)域天氣氣候預(yù)測預(yù)報(bào)及氣候資源開發(fā)有著重要的科學(xué)意義。

1 資料與數(shù)據(jù)處理

1.1 資料來源

本研究所用氣象資料來源于巫溪大官山南坡由10個氣象自動觀測站構(gòu)成的觀測剖面2019~2020年氣溫和濕度逐小時觀測資料。10個氣象自動觀測站分別位于巫溪縣大官山南坡的不同海拔高度（圖1），均使用HYHMP155A型溫濕度傳感器進(jìn)行觀測。

圖1 梯度觀測站所在位置地形剖面

1.2 資料質(zhì)量控制

采用的觀測數(shù)據(jù)均通過地面測報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)軟件-ISOS實(shí)時自動站采集數(shù)據(jù)質(zhì)量控制組件進(jìn)行質(zhì)量控制[13-14]，通過文件格式檢查、氣候界限值或要素允許值檢查、內(nèi)部一致檢查、時間一致檢查等方法，修改并訂正了部分錯誤數(shù)據(jù)，經(jīng)過質(zhì)量控制，數(shù)據(jù)正確率在99%以上。

2 氣溫和日較差梯度變化分析

2.1 氣溫

2.1.1 氣溫逐月變化

如圖2所示，10個坡面自動觀測站各月氣溫隨海拔升高而降低，但某些月份的特定高度亦有逆溫或同溫現(xiàn)象。A6408（海拔1930 m）站2月平均氣溫為0.3℃，A6409（海拔2180 m）站2月平均氣溫為0.9℃，較前者高約0.6℃，說明該時期海拔1900~2200 m出現(xiàn)了較為穩(wěn)定的逆溫層；A6404（海拔1065 m）站4月平均氣溫為15.1℃與A6405（1222 m）站的14.9℃較為接近，A6408（海拔1930 m）站11月平均氣溫為3.0℃與A6409（海拔2180 m）站的2.8℃也比較接近，同樣A6408（海拔1930 m）12月平均氣溫為-3.3℃與A6409（海拔2180 m）站的-3.6℃也很接近，表明在這些高度出現(xiàn)了類似同溫的現(xiàn)象?？梢姡紫蠊偕侥掀略诤０?900~2200 m出現(xiàn)逆溫和同溫現(xiàn)象最為頻繁，這與熊志強(qiáng)等[7]研究指出米倉山-大巴山南坡西段海拔2200~2400 m處1月存在逆溫現(xiàn)象、10月存在同溫現(xiàn)象的結(jié)論類似。

圖2 梯度觀測站1~12月平均氣溫變化

2.1.2 氣溫垂直遞減率逐月變化

采用最小二乘法對A6401~A6410觀測站的氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到大官山南坡1~12月氣溫垂直遞減率，并對比了翟丹平等[15]關(guān)于秦嶺主峰太白山的研究（圖3）。大官山年平均氣溫直減率為0.57℃/100 m，較太白山的0.51℃/100 m高0.06℃/100 m，從季節(jié)角度看，春、夏、秋、冬大官山氣溫直減率分別為0.61℃/100 m、0.57℃/100 m、0.55℃/100 m、0.53℃/100 m；太白山南坡分別為0.55℃/100 m、0.53℃/100 m、0.47℃/100 m、0.45℃/100 m；兩個坡面氣溫直減率最大值均出現(xiàn)在春季，最小值出現(xiàn)在冬季，夏、秋次之；從月變化看，總體上，大官山氣溫直減率的月際變化與太白山有一定的相似性，但部分月份的變化也存在一定差異。

圖3 大官山與太白山年平均、逐月氣溫垂直遞減率對比

2.1.3 氣溫日較差梯度變化

日較差是日內(nèi)最高氣溫與最低氣溫的差值，表示氣溫的日變化幅度，日較差的大小對于動植物的生長、人類的生產(chǎn)生活、生態(tài)環(huán)境的形成和演變都有著重要的影響，也是氣候變化的一個重要指標(biāo)[16-18]。大官山日較差春季最大，夏季次之，冬季最低，總體上隨海拔升高而減小，與楊曉玲等[19]研究結(jié)果一致，即受不同海拔云量、日照時間及大氣穩(wěn)定度的影響，總體上日較差隨海拔升高而減?。▓D4）。

春季平均日較差（圖4a）：在海拔1065 m以下區(qū)域，平均為9.7℃，可分為海拔409~619 m和海拔840~1065 m兩區(qū)段，前者9.9~10℃，后者為9.5℃。海拔1065~1222 m為日較差突變區(qū)間，下降速率為1.16℃/100 m，幅度為1.6℃。海拔1222~2180 m為日較差相對穩(wěn)定層，平均為7.9℃，變化范圍為7.6~8.3℃，變幅為0.7℃。在海拔2180~2550 m，隨海拔升高日較差以0.4℃/100 m速率下降，幅度為1.5℃。春季由于氣溫回升快，早晚溫差大，是日較差最大的季節(jié)。

夏季平均日較差（圖4b）：在海拔1065 m以下區(qū)域，日較差平均為8.3℃；在海拔409~619 m，從8.1℃小幅下跌到7.8℃，幅度為0.3℃；在海拔619~1065 m，日較差穩(wěn)步上升，上升速率為0.27℃/100 m，幅度為1.2℃。海拔1065~1222 m為日較差突變區(qū)間，下降速率為1.53℃/100 m，幅度為2.4℃。在海拔1222~2180 m，日較差平均為6.6℃；在海拔1222~1394 m，日較差小幅上升，幅度為0.4℃。在海拔1394~2180 m，日較差以0.01℃/100 m速率下降，幅度為0.5℃。在海拔2180~2550 m，日較差從6.2℃減小到4.8℃，下降速率為0.38℃/100 m，幅度為1.4℃。

秋季平均日較差（圖4c）：在海拔1065 m以下區(qū)域，日較差平均為5.5℃，變化范圍5.3~5.7℃，海拔840 m為相對低值5.3℃；在海拔409~619 m，日較差從7.8℃小幅上升到8.1℃，幅度為0.3℃；在海拔619~1065 m，日較差穩(wěn)步上升，上升速率為0.27℃/100 m，幅度為1.2℃。海拔1065~1222 m為日較差突變區(qū)間，隨海拔升高下降速率為0.96℃/100 m，幅度為1.6℃。在海拔1222~2550 m，日較差平均為4.2℃，呈波動變化，為日較差相對穩(wěn)定層，變化范圍為4.1~4.5℃。

冬季平均日較差（圖4d）：在海拔1065 m以下區(qū)域，日較差平均為5.4℃，變化范圍5.0~5.7℃。海拔1065~1222 m為日較差突變區(qū)間，下降速率為1.01℃/100 m，幅度為2.1℃。在海拔1222~1670 m，日較差平均為3.8℃，變化范圍3.6~4.1℃。海拔1670~1930 m為突變區(qū)間，日較差隨海拔升高而上升，速率為0.37℃/100 m，幅度為0.9℃。在海拔1930~2550 m，日較差隨海拔升高而降低，下降速率為0.13℃/100 m，幅度為0.8℃。

年平均日較差（圖4e）：在海拔1065 m以下區(qū)域，氣溫相對較高，云量相對較少，輻射相對較好，年日較差相對平穩(wěn)，介于7.0~7.5℃，變幅為0.5℃；其中，海拔409~840 m日較差隨海拔升高緩慢減小，海拔840~1065 m由于受日照增加影響，日較差出現(xiàn)一個短暫的增加。海拔1065~1222 m是日較差的突變區(qū)間，日較差快速下降，下降速率為1.27℃/100 m，下降幅度達(dá)2℃，其原因是在海拔1222 m及以上地區(qū)接近低云云底或處云中，太陽輻射弱，氣溫穩(wěn)定少變，日較差陡然變小，這與四川盆地東北部大巴山區(qū)最大降水高度在海拔1800 m左右的結(jié)論一致[20]。 海拔1222~2180 m區(qū)域多處云底附近或處云中，日較差出現(xiàn)了一個相對穩(wěn)定層，介于5.5~6.0℃。海拔2180~2550 m區(qū)域常處云中，日較差進(jìn)一步減小到4.8℃，下降速率為0.24℃/100 m，幅度為0.9℃。

圖4 不同海拔高度日較差散點(diǎn)分布（a. 春季，b. 夏季，c. 秋季，d. 冬季，e. 年）

2.2 相對濕度

濕度是一個重要的氣象要素，深刻影響著動植物生長和人類的生產(chǎn)生活，一般說來高海拔地區(qū)氣溫較低、云霧多，相對濕度比低海拔地區(qū)略高[21-22]。

大官山剖面觀測資料表明，不同季節(jié)相對濕度隨海拔變化存在一定差異（圖5）。在海拔1670 m以下區(qū)域，年相對濕度為78.5%，夏季最大（85.3%）、秋季次之（82%）、冬季再次（74.3%）、春季最?。?2.3%）；隨著海拔升高云霧出現(xiàn)頻率增加，年和各季相對濕度均隨之增大。在海拔1670~1930 m，由云底進(jìn)入云的內(nèi)部，相對濕度隨海拔增高出現(xiàn)了跳躍性增長，是相對濕度突變區(qū)，年相對濕度由80.3%上升到85.2%，上升速率達(dá)1.88%/100 m，這與四川盆地東北部大巴山區(qū)最大降水高度在海拔1800 m左右的結(jié)論一致[20]；夏季相對濕度由86.3%上升到90.4%，上升速率為1.51%/100 m；秋季相對濕度由84.1%上升到86.9%，上升速率為1.07%/100 m；冬季相對濕度由77.5%上升到83.6%，上升速率為2.34%/100 m。在海拔1930 m以上的區(qū)域，年相對濕度為84.5%，夏季最大（91.1%）、秋季次之（86.8%）、冬季再次（80.1%）、春季最低（79.9%）。其中，在海拔1930~2550 m，年、春、夏、秋由于處于云中的時間較多，相對濕度變化不大；而冬季由于云層低，海拔較高的區(qū)域常常處于云的上方，相對濕度隨海拔升高反而降低，下降速率為2.34%/ 100 m，下降幅度為6.3%。

圖5 不同海拔高度相對濕度散點(diǎn)分布（a. 春季，b. 夏季，c. 秋季，d. 冬季，e. 年）

3 結(jié)論與討論

本文采用西南地區(qū)巫溪大官山同一坡面10個不同海拔高度梯度觀測站2019~2020年逐小時溫濕觀測資料，分析了氣溫、氣溫直減率、日較差和相對濕度的梯度變化特征，得到如下主要結(jié)論：

（1）大官山氣溫總體隨海拔的升高而降低，但不同高度也存在變化差異。2月在海拔1900~2200 m存在逆溫現(xiàn)象，4月在海拔1050~1250 m以及11月和12月在海拔1900~2200 m存在同溫現(xiàn)象。年氣溫平均直減率為0.57℃/100 m，春、夏、秋和冬分別為0.61℃/100 m、0.57℃/100 m、0.55℃/100 m和0.53℃/100 m，最大值出現(xiàn)在春季，最小值出現(xiàn)在冬季。

（2）大官山氣溫日較差春季最大、夏季次之、冬季最小，日較差隨海拔升高而減小，年和各季日較差隨海拔變化趨勢基本一致，但也存在一定季節(jié)差異。在海拔1065~1222 m，受到云霧的影響，日較差會出現(xiàn)突變。隨著海拔的增幅減小，年和春季在海拔1222~2180 m以及秋季在海拔1222~2550 m還出現(xiàn)了日較差相對穩(wěn)定層。

（3）大官山相對濕度夏季最大、秋季次之、冬季再次、春季最低。不同季節(jié)相對濕度隨海拔變化趨勢基本一致，各季相對濕度均隨海拔升高而增大。其中，海拔1670~1930 m是相對濕度變化的突變區(qū)，相對濕度隨著海拔升高呈現(xiàn)跳躍性增大；在海拔1930~2550 m，年、春季、夏季和秋季由于處于云中的時間較多則相對濕度變化不大，而在冬季由于云層相對更低，此海拔區(qū)間常處于云的上方，相對濕度呈現(xiàn)出隨海拔升高反而有較明顯降低的特殊現(xiàn)象。

本文對大官山氣溫、日較差、相對濕度的梯度變化分析結(jié)果與其它相關(guān)研究的結(jié)果基本一致，同時也揭示了大官山局地變化的特殊性，特別是指出了云霧對山地氣象要素梯度變化特征的重要影響，初步確定了氣溫日較差和相對濕度梯度變化的突變高度區(qū)間，并較好地解釋了大官山氣象要素出現(xiàn)梯度突變這一現(xiàn)象，與實(shí)際情況比較吻合，但由于缺少云霧的定量觀測資料，有些結(jié)論還有待進(jìn)一步分析驗(yàn)證。