黄土高原丘陵沟壑区气温垂直变化特征

2011-01-24韩芳琴孙智辉刘志超曹雪梅雷延鹏

延安大学学报（自然科学版） 2011年2期

韩芳琴，孙智辉，刘志超，曹雪梅，雷延鹏

(延安市气象局，陕西延安 716000)

0 引言

气候的变化体现了地形、地貌、植被和土壤等因素的综合作用，这种作用反过来又影响土壤发育和植被生长。过去的山地气象资料大多由周边地区有限的气象台站用离散点等值线、模型［1，2］以及 DEM空间模拟［3，4］等方法求得。黄土高原由于特殊的地理地形和处于干旱半干旱气候带，是我国农牧业交错带，农牧业的发展与气候变化的关系非常密切，气候的影响一直是人们关注和研究的热点［5，6］。陕北黄土高原丘陵沟壑区海拔高度在800～1300m之间，西北高东南低，地形复杂，地貌以梁峁为主，沟壑纵横，山峁的垂直高差一般在200m左右。改革开放以来，地处丘陵沟壑区的延安进行了农业结构调整，由单一的粮食生产向苹果、梨为主的经济作物转变，由于对山地气候的认识不足，出现了种植结构调整失败的事例［7］。1999年，延安北部开始实施退耕还林草工程，人均耕地面积减少，农业生产方式由广种薄收向高效农业发展，延安农业产值最大的苹果产业向北推进，迫切需要掌握山地温度的变化信息。

延安北部丘陵沟壑区的气象站均建在河谷川道上，上世纪80年代第一次农业气候区划时，在多个乡村进行短时间设点观测，设点均未考虑山地温度的垂直变化。2006年，在志丹县李家湾山地阳坡果园进行为期一年温度观测［8］，与当地气象站得到的川地温度有一定差异，也与人们传统认识有差异。为了掌握山地温度的变化特征，2007年7月开始，在宝塔区刘渠村山地西南坡从山谷到山顶设温度观测点6个，西北坡设温度观测点2个，进行了24 h连续不间断的1a观测。

针对亚热带地区的山地温度变化，国内学者进行了实地温度观测和分析［9，10］，掌握了温度变化的基本特征，对指导当地农业生产意义重大。黄土高原丘陵沟壑区地形多变，温度变化大，但研究者较少，本文利用HOBO Pro Temp Logger自动温度观测记录仪于2007年10月～2008年9月通过实地观测和分析，对黄土高原丘陵沟壑区温度的垂直变化等进行研究，对延安农业生产有参考价值。

1 数据收集

宝塔区刘渠村位于北纬36o31'，东径109o34'，山谷海拔1100m，山顶海拔1315 m。在山谷、山顶和西南坡1150m、1200m、1240m、1275 m 处、东北坡1240m、背阴谷地1100m处分别安装温度自动记录仪(HOBO Pro Temp Logger)，由于地势限制，背阴坡只设置温度观测两个，所有放置地点的海拔和经纬度用GPS定位。仪器安装在相对开阔的地方，距地高度为1.5 m，自动记录仪每隔10min记录一次数据，自动存贮，共获取8个记录点为期1a的数据。

根据每10min自动记录的温度数据，求算每日平均温度;分别由每日最高、最低温度求得月平均最高、最低温度;由当日最高温度减去当日最低温度求得温度日较差。由最热月平均气温减去最冷月平均气温求得温度年较差。

2 数据分析

2.1 平均温度

从表1可以看出，黄土高原山地平均温度随着海拔高度的升高表现出先升后降的趋势。阴坡和阳坡的平均气温均是山谷低，山坡中央最高，山顶略低于山坡。把距山谷50m高度以下划分为坡底层，年平均温度明显低，距山谷100m以上划分为上坡层，那么100m以上不同高度年平均气温基本相同，明显高于坡底温度，阳坡的上下坡之间相差0.7℃。距山谷50－100m的山坡之间温度变化剧烈，出现从低到高的跃变。阴坡和阳坡的谷地温度差异也很明显，年平均温度相差0.6℃，特别是在太阳高度角低的月份，上年11月～2月对阴阳谷地的温度影响明显，平均温差为0.9℃。但在上坡高差140m相同高度上，阴坡和阳坡温度基本相同，冬季的影响也较小。由于黄土高原丘陵沟壑区山体高度差异较小，坡向对阴坡低洼处温度影响较大，而对山上部影响较小。

在上年10月至次年3月的寒冷时段，各高度上年平均温度低于10℃，山顶与山谷之间的温度差异大，阳坡为1.1℃，阴坡为1.4℃。4至9月各高度层上的温度均偏高，是一年中作物生长时段，山顶与山谷之间的温度差异减小，阳坡为0.6℃，阴坡为0.8℃。

表1 黄土高原山地不同拔海高度月和年平均温度

2.2 平均最高温度

表2 黄土高原不同拔海高度月和年平均最高温度

由表2可以看出，黄土高原月和年平均最高气温随着海拔升高呈降低趋势。阳坡年平均最高温度由坡谷17.7℃降至山顶15.1℃，降幅达2.6℃，直减率为1.2℃/100m。阴坡年平均最高温度直减率小，两个观测点相对高差140m，差值只有0.6℃，直减率为0.43℃/100m，是阳坡的四分之一。山顶平均最高温度比阳坡面接近山顶处最高气温略高，并明显高于阴坡面。阴坡最高温度明显低于同高度阳坡平均最高温度，阴阳坡相同高度的两个点平均最高温度相差1.9℃，坡向成为影响最高气温的主要因子之一。阳坡谷地观测点的平均最高温度明显偏高，比高差只有50m处观测点的温度高出1.7℃，这可能与山谷空气流动交换少有关。如果抛开山谷观测点温度，用阳坡其余5个点温度计算直减率，为0.67℃/100m，与对流层平均温度直减率(0.65℃ /100m)非常接近。

阳坡月平均最高温度在寒冷季节的直减率大，而温暖季节的直减率小，阴坡月平均最高温度的直减率在各季节基本无差异。

2.3 平均最低温度和日较差

图1 阳坡不同高度月和年平均最低温度

由图1可以看出，黄土高原月和年平均最低气温随着海拔升高呈升高趋势，阴阳坡之间差异较小，上升值为1.35℃/100m。阴谷与阳谷温度月年均最低气温相同。在随高度升高温度变化趋势上，与平均气温相同，在距谷地50－100m之间是温度剧烈变化区，在50m之下的坡底地区，最低温度基本相同，在100m之上山坡区域，温度上升值为0.78℃/100m，上下层之间年平均最低气温相差1.9℃，山谷与山顶年平均最低气温相差2.9℃。逆温现象的形成是由于夜间辐射降温和山坡冷空气下滑堆集，其中冷空气下滑对坡底温度影响非常大，因此阴谷与阳谷月与年均最低气温与坡向无关，两者数值基本相同。最低温度的上升率在冬季和春季的数值高于夏季和秋季，上年11月～5月山顶与山谷差值平均为3.5℃，6～10月两者之间差值为2.1℃，说明冷空气下滑堆集作用在冬春季反映明显。

图2 阳坡不同高度月和年平均日较差

图3 阴坡和阳坡相同高度月平均气温日较差对比

由图2，3可看出，阳坡山谷月和年平均日较差最大，随着海拔升高，日较差逐渐减小，呈递减趋势。阴坡的日较差小于同高度阳坡的日较差，阴坡中部的日较差也小于山顶，是山体的最小值。山谷与山顶的年平均日较差差值达到5.6℃。50m以下山谷地的平均气温日较差明显高于山体100m上部坡地，平均高出3.6℃。分析月平均日较差，各高度测点的日较差均是寒冷季节的小于温暖季节，进一步统计分析，发现在气温由冷变暖的2－5月和由暖变冷的11月日较差大，在气温比较稳定的夏季和寒冬气温日较差小。

温度年较差随海拔高度和坡向改变而无变化，8个测点年较差在30.2～30.7℃之间。

2.4 通过界限温度的日期和积温

分析不同高度观测点日平均温度稳定通过0℃、5℃、10℃的初终日，均在相同时间通过，表明温度趋势变化主要受环流背景影响，地形因素的影响较小。统计各点≥10℃积温，表现为100m以上山体上部5个点的积温在3024～3064℃之间，阴阳坡之间无差距。50m以下山谷的3个观测点积温在2895～2949℃之间，与山体上部约有120℃的积温差异，阴坡谷地的积温最小。

由于没有开展霜天气现象的观测，把日最低气温≤0℃的初终日做为霜出现的初终日进行分析。初日出现在两个时段，高差50m以下山谷地区出现在10月14日，其它测点均在10月29日，终日结束在三个时段，高差50m以下山谷地区结束最迟，在4月25日，山体上部(相对高差140m以上)及山顶最早，在3月23日，山体中部处于中间，终止在4月3日。统计各测点无霜期，山体上部及山顶无霜期比山谷多45 d，山体中部比山谷约多20d。

2.5 极端气温

不同高度不同坡面的年极端最高气温值阳面山谷最高(图4)，为35.3℃，随海拔升高呈降低趋势，但最低值并没有出现在山顶，出现在接近山顶部，与阴坡阴谷的年最高气温同为最低，为32.3℃。年极端最低气温山谷最低，阴坡谷底和阳坡谷底温度一致，为－24.3℃，随海拔升高呈升高趋势，山顶与山谷之间温差为4.1℃。分析各日极端最高温度出现时间，在不同高度上没有规律，极端最低气温出现在凌晨，各高度点时间较为一致。

图4 阳坡年极端最高温和最低温

2.6 不同天气条件下日平均温度变化

2007年10月1～13日，研究区出现持续阴雨相间天气，之后天气晴好，分析两种天气条件下不同高度日平均温度变化。从图5可看出，在阴雨相间的天气条件下，随着海拔升高，温度呈递减趋势，直减率为0.49℃/100m;10月14～27日，天气晴朗，平均气温山谷明显低于山顶，可发现有两个明显分层，一层为山坡50m以下的山谷温度，另一层为100m以上的上坡温度，层内温度变化很小，由于温度的连续性特征，两层之间的温度变化应是非常大。

图5 不同天气条件下日平均温度变化图

分析2008年1月11～30持续20d阴雪相间天气影响下各高度温度变化，随着海拔升高，温度呈递减趋势，直减率为0.63℃/100m。对其它连续3 d以上的阴雨(雪)相间过程影响下日平均温度分析，均表现出相同的特征，海拔升高，温度降低。

2.7 温度日变化

图6 4月23－24日不同高度瞬间观测温度变化曲线

山地温度观测研究很重要目的之一就是分析春季冷空气影响后气温的变化，为减灾提供依据。2008年4月21～22日，受冷空气影响，出现了降温天气，局地出现果树花期冻害。分析冷空气过后22日20h～24日12 h不同高度温度演变情况。从图6可看出，不同高度升降温开始时间基本相同，阳坡谷地白天温度上升速度快，高温持续时间长，温度明显高于其它测点，傍晚降温速度也很快。阴坡白天最高温度明显低，持续时间短。夜间温度曲线明显分为两层，整个夜间(20h～08 h)50m以下谷地温度显著低于山上，平均差值达5℃，最大时达6.4℃。山谷夜间长时间低温差值是影响日平均温度分为两层的主要原因。

分析23日和24日最低温度，23日受冷平流和辐射降温共同影响，最低气温达－2.0℃，24日辐射增温影响冷空气变性增暖较快，夜间温度主要受辐射降温影响，最低气温为－0.6℃。

3 结果与讨论

1)黄土高原丘陵沟壑区山地平均温度随着海拔高度的升高表现出先升后降的趋势，阴坡和阳坡的平均气温均是山谷低，山坡中央最高，山顶略低于山坡，而阴坡谷地的温度最低。山谷50m高度以下的坡底层，年平均温度明显低;距山谷100m以上的上坡地，不同高度年平均气温基本相同，明显高于坡底温度，阳坡的上下坡之间相差0.7℃。距山谷50－100m的山坡之间温度变化剧烈，出现从低到高的跃变。

2)平均最高气温随着海拔升高呈降低趋势，阳坡直减率为1.2℃/100m，阴坡直减率为0.43℃/100m。阳坡山谷平均最高温度明显偏高，高出坡面温度1.7℃，用阳坡50m以上5个点温度计算直减率，为0.67℃/100m，与对流层平均温度直减率非常接近。坡向对平均最高气温影响明显，阴坡与阳坡平均相差1.9℃。

3)平均最低气温随着海拔上升呈升高趋势，阴阳坡之间差异较小，上升值为1.35℃/100m，冬春季上升率大，夏季上升率小，冷空气的堆集作用在冬春季更为明显。阴谷与阳谷平均最低温度与极端最低气温相同，说明最低气温主要受山谷地形影响，与坡向无关系。冷空气的下滑堆集使50m以下山谷温度明显偏冷，100m以上山坡区域变化趋缓，温度上升值为0.78℃/100m。

4)阳坡山谷日较差最大，随着海拔升高，日较差呈递减趋势，山谷与山顶的年平均日较差差值达到5.6℃。阴坡的日较差小于山顶和阳坡，是山体的最小值。在气温转折月份日较差大，气温比较稳定的夏季和寒冬气温日较差小。

5)日平均温度稳定通过0℃、5℃、10℃的初终日，均在相同时间通过，表明温度趋势变化主要受大气候背景影响，地形影响较小。山谷初霜早，终霜迟，山体上部初霜迟，终霜早，山体上部及山顶无霜期比山谷多45d，山体中部比山谷约多20d。

6)阴雨(雪)相间天气背景下，日平均温度山谷高，山顶低，直减率为0.63℃/100m。晴朗天气影响下，山谷温度低，山坡上部及坡顶温度高，天气越晴朗，差异越大。春季降温天气后，过程最低气温多出现在冷平流和强烈辐射降温双重影响时段。

黄土高原丘陵沟壑区地形支离破碎，对气温影响较大，上述研究只是一个地方观测数据，有一定的局限性。由于受山形限制，设点较少，对阴坡和相对高差50～100m之间温度变化分析不到位，有待今后进一步探讨。

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