丘陵溝壑區(qū)4月日最低溫度的差異特征

孫智輝，劉志超，楊 麗，雷延鵬

(延安市氣象局，陜西延安 716000)

黃土高原丘陵溝壑區(qū)，土層深厚，海拔800～1 100 m，光照充足，晝夜溫差大，有利果實積累糖分，是“世界蘋果最佳優(yōu)生區(qū)之一”。截止2019年底，延安有蘋果種植面積26.2萬hm2，產(chǎn)量349.8萬t[1]，是農(nóng)民脫貧奔小康的支柱性產(chǎn)業(yè)。延安蘋果產(chǎn)區(qū)可分為延安南部塬區(qū)和北部山地。北部山地主要指甘泉以北的寶塔、安塞、延川、延長、子長、志丹、吳起等8縣(區(qū)、市)，溝壑縱橫、山峁相間，形成了綠色、有機蘋果生產(chǎn)的天然屏障，為生產(chǎn)綠色、有機蘋果提供了有利條件。南部指洛川、富縣、黃陵、宜川、黃龍等5縣，蘋果種植在塬面上。1999年以來，延安實施退耕還林草工程，坡度較大的山坡耕地變?yōu)榱植莸?，農(nóng)業(yè)用地大多處于川道溝谷、山頂梯田、塬面上。在20世紀50—70年代建設(shè)氣象觀測站時，考慮生活等諸多因素，氣象站只有洛川建在塬上，其他站普遍建在靠近縣城的河谷川道上，觀測的溫度只能代表川道溝谷，而山地地形支離破碎、局地小氣候明顯，蘋果大多種植在半山坡以上，用氣象站溫度來分析花期凍害影響偏差較大。

國內(nèi)學者對山地氣候進行了多年研究，如對青藏高原開展了大氣科學試驗，對天山、橫斷山等主要山脈開展了地形與氣象關(guān)系的研究[2-5]。國內(nèi)學者還研究了秦嶺對溫度、積雪、降水、氣候變化的影響[6-11]。黃土高原丘陵溝壑區(qū)由于相對高差小(200 m左右)，對氣候影響小，主要對夜間最低溫度產(chǎn)生影響。2007年，延安氣象科研人員在志丹、寶塔區(qū)進行了山地溫度觀測，總結(jié)出溫度的變化特征[12-14]；但由于觀測站點少，時間短，結(jié)論沒有應(yīng)用到業(yè)務(wù)服務(wù)中。隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣象站和蘋果園小氣候站的建立，積累了一定的山頂溫度數(shù)據(jù)，為開展最低溫度差異分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本文通過分析多站點4月溫度數(shù)據(jù)，揭示地形對最低溫度的影響，總結(jié)出分布特征，應(yīng)用到蘋果區(qū)劃、花期凍害風險區(qū)劃、凍害預(yù)報預(yù)警評估等業(yè)務(wù)服務(wù)，指導防災(zāi)減災(zāi)工作。

1 資料與方法

1.1 鄉(xiāng)鎮(zhèn)站的選擇

利用現(xiàn)有的山頂、半山坡果園氣象站，選擇距離果園站最近的1個鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣象站作為對比分析站，形成一組對比站，確定的對比站見表1、表2。

表1 延安市溫度分析對比站列表

表2 延安市溫度分析對比站列表

1.2 資料

延安蘋果花期主要出現(xiàn)在4月，溫度對其的影響尤為突出。通過延安市自動氣象站統(tǒng)一應(yīng)用平臺只能找到2018—2020年各站4月小時溫度數(shù)據(jù)，由于區(qū)域天氣站位置變動及其他原因，導致2018、2019年溫度數(shù)據(jù)不完整。高空數(shù)據(jù)由延安高空探測站提供。

1.3 方法

利用數(shù)理統(tǒng)計方法，分析山頂與河谷月平均溫度、平均最高和平均最低溫度、極端溫度，尋找其差異性規(guī)律。通過相關(guān)分析探尋影響差值的主要因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 4月溫度的年際差異

由于觀測數(shù)據(jù)不全，2018-2020年可獲得4組最低溫度對比數(shù)據(jù)。由表3可知，4組日最低溫度數(shù)據(jù)均表現(xiàn)出溝谷溫度低、山頂溫度高的分布特征，二者平均差值為1.5～3.2 ℃，但溫度差值在不同年份有所差異。4組對比數(shù)據(jù)均反映出月平均最低溫度越低差值越大，溫度低說明冷空氣影響頻繁，河谷由于冷空氣堆積造成溫差增大。2019年月極端最低溫度差值大于2018和2020年，月極端最低溫度越高，山頂與溝谷溫度差值越大。

表3 2018—2020年4月延安4 組山頂站和河谷站溫度對比分析表 單位：℃

2.2 平均溫度差異

2020年對比站數(shù)據(jù)完整，因此在后面分析時，主要利用2020年數(shù)據(jù)討論溫度差異特征。表4反映了2020年4月溫度對比情況?？梢钥闯鲈缕骄鶞囟壬巾敎囟雀哂跍瞎却ǖ溃町愝^小。最高溫度山頂?shù)陀诖ǖ?，而最低溫度山頂高于溝谷川道。最低溫度差值比較大，普遍在2.0 ℃以上，南部塬區(qū)差值小，基本在2.0～2.5 ℃之間，而北部丘陵溝壑區(qū)差值大，例如延川縣梁家河與禹居月平均最低溫度相差5.4 ℃，志丹縣張渠與牛寨相差4.3 ℃，子長市兩個對比站也相差4 ℃，北部丘陵溝壑區(qū)最低溫度差值約是南部塬區(qū)的兩倍。

表4 2020年4月延安10組山頂站和河谷站溫度對比表 單位：℃

2.3 極端溫度差異

比較2020年4月山頂站和河谷站極端最低溫度差值發(fā)現(xiàn)，最小差值是富縣北道德與張村驛，為1.6 ℃，最大差值出現(xiàn)在延川縣梁家河與禹居，為5.3 ℃。所有站點平均差值為3.4 ℃。地域分布上，也是南部塬區(qū)比較小，北部丘陵溝壑區(qū)比較大，差值約是南部塬區(qū)的兩倍。

2.4 半山坡溫度差異

從3組半山坡對比站數(shù)據(jù)分析，相對高差在100 m以下時，平均溫度、極端溫度沒有明顯差異(表5)。

表5 2020年4月延安3組半山坡站和河谷站溫度對比表 單位：℃

2.5 不同天氣背景下溫度差異

選取志丹縣張渠與牛寨、延川縣梁家河與禹居、黃陵縣隆坊與店頭等3組對比站，分析2020年4月山頂與河谷最低溫度差值的逐日演變。由圖1可以發(fā)現(xiàn)，3組站溫差雖然數(shù)值不同，但具有相同的變化趨勢；日差值變化幅度比較大，如延川縣梁家河與禹居的最低溫度差值，最小為-2.1 ℃，最大為11.2 ℃，差值也不完全是山頂高于溝谷，在特殊天氣條件下，山頂?shù)陀跍瞎取?/p>

圖1 2020年4月延安3組代表站最低溫度差值的逐日演變

山頂最低溫度低于河谷的日期為1日、2日、10日、11日、18日，其天氣情況為1日晚有降水，2日、10日、11日、18日晚為陰天，說明出現(xiàn)陰天時河谷不會出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象。進一步分析發(fā)現(xiàn)，當出現(xiàn)陰天時，山頂與河谷的溫差相對穩(wěn)定，如黃陵縣隆坊與店頭的溫差在-1.1～-1.6 ℃之間，延川縣梁家河與禹居的溫差在-0.9～-2.1 ℃之間，基本遵循對流層溫度下降規(guī)律。這與文獻[12]的研究結(jié)論一致。

對應(yīng)不同的天氣，山頂與溝谷呈現(xiàn)正負截然不同的溫差。統(tǒng)計2020年4月晴天溫差發(fā)現(xiàn)，晴天溫差均值比月平均值均偏高，南部塬區(qū)偏高0.8 ℃以上，而北部偏高了1.1～1.5 ℃。

2.6 溫度日變化

地形對溫度的日變化產(chǎn)生影響，并具有一定的規(guī)律性。用牛田寺與川口站為代表，分析4月山頂與河谷溫度的日變化特征(圖2)。在一日內(nèi)，山頂溫度變化比較平緩，溝谷比較劇烈。23時—次日11時河谷溫度高，12—22時山頂溫度高。

圖2 2020年4月延安山頂與河谷站(以牛田寺與川口為代表)平均小時溫度日變化圖

圖3為2020年4月牛田寺與川口站升溫與降溫變化圖(后一小時溫度減去前一小時溫度)。上午(08—11時)山頂溫度升溫明顯大于河谷，而在傍晚到前半夜(19—24時)，山頂降溫幅度也明顯大于河谷，其他時段的變化幅度基本一致。選擇明顯降溫時段的2020年4月19—24日梁家河與禹居小時溫度(圖4)，計算變溫，發(fā)現(xiàn)變化特征與圖3相同。變溫及溫差表現(xiàn)出的特征是相同的，但在不同地點有不同的起止時間，這與日出日落時間有關(guān)。

圖3 2020年4月延安山頂與河谷(以牛田寺與川口為代表)逐小時變溫圖

圖4 2020年4月19—24日梁家河與禹居站逐小時變溫圖

2.7 海拔高度和經(jīng)緯度對溫差的影響

表6是2020年4月不同海拔高度、經(jīng)緯度與月平均最低溫度和月極端最低溫度溫差統(tǒng)計表。隨著海拔高度升高，溫差逐漸加大。海拔高度<1 100 m時，兩組月平均最低溫度差值數(shù)據(jù)，表現(xiàn)卻截然不同，一個最小為1.7 ℃，一個為次大值；1 100m≤海拔高度<1 200 m時，溫差平均為2.3 ℃；1 200 m≤海拔高度<1 300 m時，只有一個數(shù)據(jù)，溫差為2.6 ℃；1 300 m≤海拔高度<1 400 m時，溫差平均為4 ℃；海拔高度≥1 400 m，溫差最大為5.6 ℃。緯度與溫差，也表現(xiàn)出緯度越高，溫差越大的特征，高差、經(jīng)度與溫差沒有統(tǒng)計規(guī)律。

表6 2020年4月延安10組高山站與河谷對比站溫差與不同海拔高度高差數(shù)據(jù)表

在以往的局地地形與溫度的研究中[13]發(fā)現(xiàn)高差與溫差是有關(guān)系的，高差越大溫差也越大。本文中沒有發(fā)現(xiàn)這一特征，主要原因可能是研究區(qū)域過大，地形條件不同造成的。當高差<100 m時，半山坡以下溫度是一致的，當高差≥100 m時，溫度差加大。

3 溫度差值與前期氣象因子的相關(guān)性

山頂與溝谷溫度的差異具有規(guī)律性，但其數(shù)值日變化很明顯，這就對業(yè)務(wù)應(yīng)用，特別是凍害的分析造成很大的困惑。北部山地果園大多沒有氣象站，準確預(yù)測果園最低溫度是預(yù)防凍害的第一步。

對延川縣梁家河與禹居站2019、2020年4月的山頂與溝谷溫差(簡稱溫差)與延安探空站前一日20時各高度層次的溫度進行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)溫差與500 hPa高度溫度相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)達到0.495 9，通過0.001的顯著性檢驗。當溫度越低時，溫差越大。溫差與高空溫、濕相關(guān)關(guān)系最好，對溫差與高空各層溫度露點差(T-Td)進行分析，發(fā)現(xiàn)延安探空站地面、850 hPa的T-Td與溫差相關(guān)系數(shù)達0.642 0，0.657 4。特別是對異常偏大的溫差，T-Td的反映更好，當850～500 hPa整層T-Td明顯大于平均值時，溫差也明顯偏大。溫差較小甚至為負值時，T-Td數(shù)值表現(xiàn)為單層或整層均較小，甚至接近于0，也可間接說明天空有云或有降水。用T-Td可以較好地反饋出溫差是否偏離平均狀況。

前期地面要素也可反映次日溫差大小，特別是溫度、風速、濕度等因素。用日地面最低溫度與溫差進行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為0.535 7，通過了0.001的顯著性檢驗。在有冷空氣影響時，下沉降溫更加明顯，加大了溫差。

對風速與溫差進行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為-0.302 7，通過0.001的顯著性檢驗。說明風速大，有利于空氣混合，降低山頂與溝谷之間溫差。

用前一日最小相對濕度與溫差進行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為-0.479 7，通過0.001的顯著性檢驗。

4 結(jié)論與討論

黃土高原丘陵溝壑區(qū)破碎的地形造成日最高溫度山頂?shù)陀诖ǖ?、而日最低溫度山頂高于溝谷川道的氣候特征。最低溫度差值與海拔高度、緯度有關(guān)，海拔高度低則差值小，海拔高度高則差值大，高緯度地區(qū)差值大。在高差100 m以下的河谷地帶，冷空氣的堆積比較深厚，山頂溫度與河谷一致。

日最低溫度差值有正有負，與天氣有關(guān)。在陰天時，山頂溫度低于溝谷，晴天時，山頂溫度高于溝谷。在延安不同地方，溫度差值具有相同的日變化趨勢，說明在春季4月，延安的影響天氣背景基本是一致的。

在一日內(nèi)，山頂溫度變化比較平緩，溝谷比較劇烈。23時—次日11時山頂溫度高，12—22時溝谷溫度高。在08—11時和19—24時，溝谷升降溫明顯大于山頂，其他時段二者變化幅度基本一致。變溫差異及溫度差異均與日出日落時間有關(guān)。

最低溫度差值與高空溫度、地面相對濕度、地面風速具有相關(guān)性，溫度越低、濕度越小而溫差越大，而風速大，有利于空氣混合，可減小溫差。分析發(fā)現(xiàn)，溫差與高空850～500 hPa之間溫度露點差具有明顯的相關(guān)關(guān)系，可以很好地反映出異常溫差。

由于丘陵溝壑區(qū)地形復雜，選取的氣象站數(shù)量有限，對分析結(jié)果有一定影響，還應(yīng)通過地面加密觀測和遙感手段，深入研究地形對溫度的影響。