丁燁毅 高益波 胡 波 楊 棟
(1.寧波市氣象臺,浙江 寧波 315012;2.余姚市氣象局,浙江 余姚 315400)
山地氣候的垂直變化主要取決于所處地理緯度和海拔高度[1],其體現(xiàn)了地形、地貌、植被和土壤等因素的綜合作用,但又反作用于植被生長和土壤發(fā)育[2]。目前,國內(nèi)外學(xué)者非常重視山區(qū)氣候變化,已對廣西大青山[1]、福建黃崗山[2]和武夷山[3]、吉林長白山[4]、西藏色齊拉山[5]和喜馬拉雅山[6]等地區(qū)的垂直變化進(jìn)行研究分析,取得一定的研究成果,但山地氣候因復(fù)雜地理、地形等條件具有明顯的區(qū)域小氣候特征,研究結(jié)論局域性較強。因此,在加快推進(jìn)四明山區(qū)域生態(tài)發(fā)展的背景下,開展該區(qū)域山地氣候觀測工作,分析氣溫隨海拔高度的變化規(guī)律,可為該區(qū)域農(nóng)業(yè)、林業(yè)、旅游和生態(tài)等合理、科學(xué)地開發(fā)和可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)參考和科學(xué)依據(jù)。另外,四明山區(qū)域的山地氣候包括氣溫及其相關(guān)氣象要素的垂直分布規(guī)律研究也鮮見報道。
四明山區(qū)域位于浙江省寧波市,主要包括余姚市、奉化市和鄞州區(qū)的四明山區(qū)范圍,涉及以山地為主的13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道),總面積1337.93 km2;其林地資源極其豐富,林地面積925.80 km2,森林覆蓋率高達(dá)72.1%,是寧波最重要的綠色生態(tài)屏障,有“浙東綠肺”之稱。
四明山區(qū)域地處北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),冬夏季風(fēng)交替明顯;年平均氣溫在12.5~17.5 ℃,雨量充沛,為浙江雨量偏多地區(qū),尤其是臺風(fēng)暴雨受其地形影響,增雨明顯,年降水量一般為1400~1900 mm。
在四明山區(qū)域不同高度處布設(shè)氣象站(表1),其觀測環(huán)境、設(shè)備安裝和儀器精度及穩(wěn)定性均符合中國氣象局標(biāo)準(zhǔn),氣溫儀器設(shè)置在距地面1.5 m處的小百葉箱內(nèi),避免太陽的直接輻射和地面的反射輻射對其造成的影響;因山區(qū)建設(shè)條件限制,未充分考慮站點坡向,但海拔高度是影響氣溫的最主要因素,因此該5個測站在各自高度具有一定的氣溫觀測代表性;另外,站點觀測儀器逐年標(biāo)定校準(zhǔn),數(shù)據(jù)可信度高;2008年1月1日—2015年12月31日,逐時自動記錄氣溫,包括小時平均氣溫、小時最高氣溫和小時最低氣溫,各站數(shù)據(jù)完整率在97%以上。
表1 四明山區(qū)域氣象站概況
根據(jù)小時觀測數(shù)據(jù),求算逐日氣溫,包括日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫;季和年的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫分別由季和年的日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫采用平均計算法求得。
一般而言,氣溫的垂直變化與高度有著較吻合的線性關(guān)系,這個線性關(guān)系的系數(shù)就是氣溫垂直遞減率,簡稱氣溫直減率[7]。由于氣溫受緯度、下墊面、氣流等因素影響,氣溫直減率隨地點、季節(jié)、晝夜的不同而變化;自由大氣氣溫直減率約為0.65 ℃/100 m[7]。
T=T0+α·ΔH,其中α為氣溫直減率,ΔH為氣溫和氣溫T0的高度差,即α=(T-T0)/ΔH。
因氣溫垂直觀測存在多個高度的氣溫數(shù)據(jù),根據(jù)上式可計算出不同高度間的氣溫直減率,本文為了準(zhǔn)確分析四明山區(qū)域氣溫垂直變化特征,建立不同高度間的T-T0和ΔH兩變量之間的一元回歸方程,方程的斜率即是氣溫直減率。
從表2可以看出,四明山區(qū)域年平均氣溫隨海拔高度升高而降低,且下降趨勢明顯,年平均氣溫從海拔25 m的17.3 ℃下降到海拔820 m的13.1 ℃,直減率為0.51 ℃/100 m;四季平均氣溫隨海拔高度的變化趨勢與年平均氣溫相似,但垂直變化幅度存在較大差異,夏季直減率最大(0.63 ℃/100 m),春季和秋季直減率較大,冬季直減率最小(0.39 ℃/100 m);在夏季,輻射加熱作用顯著,直減率明顯偏大,在冬季,多冷空氣影響,直減率減小,形成夏季大冬季小的變化特征。
表2四明山區(qū)域不同海拔高度的季和年平均氣溫℃
從圖1可以看出,2008—2015年氣溫直減率呈波動變化,最小2010年0.44 ℃,最大2011年0.54 ℃,年平均直減率為0.5 ℃,范圍在0.49±0.5 ℃。
圖1 四明山區(qū)域平均氣溫直減率年際變化
四明山區(qū)域平均氣溫直減率日變化呈單峰型分布(圖1),最大直減率出現(xiàn)在下午17時,主要原因可能是午后隨太陽高度角減小,太陽輻射對高層空氣的增溫作用逐漸減弱,高海拔地區(qū)大氣湍流加強,進(jìn)而高海拔地區(qū)氣溫較低海拔地區(qū)下降明顯;最小直減率出現(xiàn)在早晨5—6時,直減率從5—6時0.33 ℃/100 m上升到17時0.74 ℃/100 m,隨后持續(xù)下降,氣溫直減率變化上升速率較下降速率快;與氣溫日變化相比,氣溫直減率變化屬于慢變過程,12h內(nèi)僅變化0.41 ℃。
圖2 四明山區(qū)域平均氣溫直減率日變化
一般來說,地面是近地層大氣主要的直接熱源,白天地面吸收大量太陽輻射,地溫高,地面輻射強度大,近地面空氣層受熱多,低海拔氣溫較高海拔地區(qū)高,氣溫直減率大;反之,夜晚氣溫直減率小。
從表3可以看出,四明山區(qū)域平均最高氣溫隨海拔高度的變化趨勢與平均氣溫相似,但季、年平均最高氣溫直減率較平均氣溫大,平均最高氣溫直減率較平均氣溫直減率增幅在0.04~0.12 ℃/100 m,說明平均最高氣溫隨海拔高度升高變化更明顯,其中夏季增幅最大,冬季增幅最小。
表3 四明山區(qū)域不同海拔高度的季和年平均最高氣溫 ℃
從表4可以看出,四明山區(qū)域平均最低氣溫隨海拔高度的變化趨勢與平均氣溫相似,但季、年平均最低氣溫直減率較平均氣溫小,說明海拔高度對平均最低氣溫作用較平均氣溫小。
表4 四明山區(qū)域不同海拔高度的季和年平均最低氣溫 ℃
積溫是研究氣溫與作物發(fā)育速度之間關(guān)系的重要指標(biāo),可由一年內(nèi)日平均氣溫大于等于界限溫度的日平均氣溫累積求得。從圖2可以看出,日平均氣溫≥0 ℃、≥5 ℃和≥10 ℃的積溫變化趨勢相似,均隨著海拔的升高變化十分明顯,且成二次曲線性下降顯著?!?0 ℃的積溫從海拔25 m的5780 ℃下降到海拔820 m的4417 ℃,減少近1400 ℃,≥5 ℃的積溫從海拔25 m到海拔820 m減少1423 ℃,≥0 ℃的積溫從海拔25 m到海拔820 m減少1410 ℃,≥0 ℃、≥5 ℃和≥10 ℃的積溫直減率較為接近。
文中的研究基于四明山區(qū)域連續(xù)8 a氣溫觀測,得到如下結(jié)論:
1)四明山區(qū)域年平均氣溫隨海拔高度增加呈明顯下降趨勢,直減率為0.51 ℃/100 m;夏季直減率最大,為0.63 ℃/100 m,春季和秋季直減率較大,冬季直減率最小,為0.39 ℃/100 m。
2)四明山區(qū)域平均氣溫直減率日變化呈單峰型分布,最大直減率出現(xiàn)在下午17時,最小直減率出現(xiàn)在早晨5—6時,直減率變化上升速率較下降速率快。
3)四明山區(qū)域平均最高氣溫、平均最低氣溫均隨海拔高度的變化趨勢與平均氣溫相似,但平均最高氣溫直減率較平均氣溫大,平均最低氣溫直減率較平均氣溫小。
4)日平均氣溫≥0 ℃、≥5 ℃和≥10 ℃的積溫變化趨勢相似,均隨著海拔的升高變化十分明顯,且成二次曲線性下降顯著。
山地氣候因其坡向、植被等因素,具有明顯局地區(qū)域性,本文研究成果存在一定的局限性,但仍可對四明山區(qū)域的持續(xù)和諧發(fā)展、森林防火和生態(tài)建設(shè)等具有十分重要的指導(dǎo)意義。
[1] 黃承標(biāo),盧立華,溫遠(yuǎn)光,等.大青山林區(qū)不同海拔高度主要氣象要素的變化[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2011(1):90-955.
[2] 鄭成洋,方精云.福建黃崗山東南坡氣溫的垂直變化[J].氣象學(xué)報,2004(2):251-255.
[3] 林之光,安順清,吳其劻,等.武夷山區(qū)氣溫垂直梯度的研究[J].氣象,1983(4):18-19.
[4] 田杰,王慶偉,于大炮,等.長白山北坡氣溫的垂直變化[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2013(4):65-69.
[5] 杜軍,高榮,馬鵬飛,等.西藏色齊拉山地區(qū)立體氣候特征初步分析[J].高原山地氣象研究,2009(1):14-18.
[6] 劉偉剛,張東啟,柳景峰,等.喜馬拉雅山中段地區(qū)氣溫直減率變化特征[J].干旱氣象,2013(2):240-245.
[7] 伍光和,王乃昂.自然地理學(xué)(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2008.