山区自动气象站选址分析

高 煜，杨家康，周元诚

(1.云南省大气探测中心，云南 昆明 650034；2.云南省气象科学研究所，云南 昆明 650034；3.云南机杨集团，云南 昆明 650200)

0 引言

云南地形复杂，高山深谷相间，相对高差较大，地势险峻，天气气候具有多样性和复杂性，国内外许多学者研究认为地形对天气有着显著影响。廖菲等[1]认为地形对气象要素的影响十分复杂，与地形尺度、海拔高度、地理位置等地理要素相关。穆振侠等[2]研究表明山脉常常成为气候带和气候区的分界线。云南机场集团所属机场大部份为山地机场，单站气象观测资料代表性差，重要天气对航班的影响及对机场正常运行的影响越来越明显，腾冲机场整个雨季平均有83天出现低云、低能见度天气，持续时间较长，对航班影响较大。泸沽湖机场2016～2017年就因天气原因造成26%的航班运行不正常，针对上述不利天气，根据《云南省综合防灾减灾规划》提出的云南省自然灾害风险防范主要对策，加强风险管理，加强综合减灾，加强科技创新[3]。作为云南机场集团加强科技创新的措施，2019年设立“山地机场雾、降水天气特征研究及预报产品研发应用”研究课题，选择在腾冲机场、泸沽湖机场周边各布设3个自动气象站。希望通过开展有针对性的山地气象观测，力求较好地反映出局地地形下气象要素的特征，应用新的技术并结合项目现场观测资料分析研究复杂地形对航空气象要素的影响，为提高数值模式在复杂地形区的预报能力提供科学依据。

云南是南亚季风和东亚季风的交汇区域，处于中国暖湿气流的最前沿；滇西北位于青藏高原东侧的横断山脉，是青藏高原冷空气进入云南的主要路径。由于云南复杂的地形使得水平和垂直方向的气象要素变化剧烈，宋连春等[4]指出按行政区域布局的观测站点不一定能完全具有代表性。陈志昆等[5]认为虽然地形的作用研究开展的较早，但仍然有很多问题尚未解决，严重阻碍了对高原复杂地形气象状况的认识，大大制约了当地天气气候预测业务水平的提升。所以，针对山地机场的局地气候，合理科学的布设自动气象站进行加密观测，有助于揭示地形对气象要素的影响，对提高气象预报业务水平是十分必要。

科学试验中自动气象站的选址关系到观测资料在研究中的作用。樊万珍等[6]分析表明，经订正后的自动气象站观测资料具有较好的均一性和延续性。说明自动气象站观测资料完全可以应用在科学研究及数值预报业务中。李丽光等[7]针对气象站点选择对城市热岛效应的影响作了详细分析，但该次布点与地形及天气系统关系不大，也未涉及到站点选择的合理性和科学性分析。段旭等[8]针对青藏高原东南侧从不同气候带的角度讨论了地面气象观测站点的布局问题，从宏观角度给出了一些有价值的论据。段玮等[9]利用水汽气候诊断方法结合区域地形研究了青藏高原东南侧水汽分布、输送与辐散辐合特征，并讨论了现有探空站点布局的局限。李跃清等[10]在夏季西南涡加密观测科学试验中，在观测站的布点中对西南涡的路径及地形作了考虑，保证了观测资料在科学试验项目中的效果，但未作进一步分析。彭骏等[11]曾对青藏高原东坡加密观测站址选取做过分析，主要考虑站点间的相关性和西南涡路径，选址具有较好的合理性及科学性，但未考虑地形和环境等因素。程晓龙等[12]，卢萍等[13]基于对四川盆地西南涡加密观测试验分析表明，结合加密观测能更好的表现四川盆地复杂地形下低涡附近的水汽来源及其与实际降雨的关系，西南涡加密观测资料在天气诊断及数值预报业务应用中都具有重要作用。然而，在复杂地形下不论是乡镇气象自动站的选点，还是科研观测点的选择均缺乏对选点的分析总结和科学指导，因此，有必要对气象自动站的选点进行全面科学的分析和总结，以期对今后自动气象站的选点起到一定的指导作用。

同时为了客观反映出局地地形下气象要素的特征，分析研究复杂地形对气象要素的影响，保障云南机场集团研究项目的顺利实施并达到预期目标，对腾冲机场、泸沽湖机场周边自动气象站进行科学选址和分析总结，是保障研究项目顺利实施的重要基础。为此，基于上述6个自动站选址设计和初步分析，对选址的合理性及科学性作了探讨。

1 站点概况

腾冲机场周边现有气象观测站点，除机场气象观测站外，尚有腾冲市气象局观测站和清水乡自动气象观测站可资利用，布点时作了整体考虑。本次布设的3个自动气象站及市气象局观测站、清水乡自动气象观测站基本情况如表1。布点区域地形及点位见图1。

表1 腾冲机场周边自动站基本信息

腾冲机场是横断山区复杂山地区域的较好代表。腾冲机场所在区域地形东北高，西部低，最高山顶为东部的大尖山，海拔2 281.8 m，最低为西部荷花乡的河谷区1 070～1 200 m。地形特征为由西向东抬升，布点区域具有典型的山地立体气候特征。本次腾冲机场布点充分考虑地理特征及天气气候条件，结合腾冲市气象局观测站，清水乡自动气象观测站，按由低到高、由西向东兼顾机场跑道方向的原则布点。

泸沽湖机场周边本次布设3个自动气象站，现有翠玉乡自动气象站可资利用。上述自动气象站基本情况如表2，布点区域地形及点位见图2。

图1 腾冲机场布点区域地形及点位图

图2 泸沽湖机场布点区域地形及点位图

表2 泸沽湖机场周边自动站基本信息

泸沽湖机场海拔高度3 293 m，属典型山原地貌，是云南省内海拔最高的机场。因受高原和高山峡谷地形的影响，立体气候显著，当地雨季雨量较大，冬季严寒漫长，结冰期长。绵绵山山体自北向南纵贯宁蒗县全境，所在区域地势西北高而东南低。本次泸沽湖机场布点充分考虑地理特征及天气气候条件，结合翠玉乡自动气象观测站，布点按由西南到东北，兼顾水汽输送方向的原则。所选地址应能较好的反映所在区域河谷呈西南—东北向的地理特征。

综上，选址应能较好的反映所在区域的地理特征。

2 选址规范性分析

自动气象站是目前最常见的气象站之一，《地面气象观测规范》中明确规定“地面观测场是取得地面气象资料的主要场所，地点应设在能较好地反映本地较大范围气象要素特点的地方，避免局部地形的影响。观测场四周必须空旷平坦，避免设在陡坡、洼地或邻近有丛林公路工矿烟囱、高大建筑物的地方。避开地方性雾、烟等大气污染严重的地方”。

结合本次观测的目的，腾冲机场3个站点、泸沽湖机场3个站点均位于山区，有5个站点位于自然村，1个站点位于一个独立的小山。选址充分考虑了《地面气象观测规范》的要求，站点周边空旷平坦，周边无三级以上公路及工矿烟囱，无高大建筑物，太阳能板可无障碍接受辐射，站点位于周围相对较高的位置。观测数据有较好的代表性。

3 选址天气气候条件分析

3.1 水汽

西风带系统是常年影响腾冲、宁蒗的大气环流系统。冬春季随着高纬度地区的冷空气频繁南下，相对而言，宁蒗受西风带系统的影响较大。夏秋季节，西风带冷空气的影响较弱。夏季，季风是影响滇西及滇西北地区降水最主要大气环流系统，夏季夏风将暖湿水汽由孟加拉湾源源不断地输送到云南，此时当北方有冷空气配合时，常形成降水。图3给出了云南多年平均整层大气水汽输送分布，图4为云南夏季平均整层大气水汽输送分布，由图可见，云南水汽来源主要为西南方的孟加拉湾，受地形影响，进入云南后水汽输送路径转为由西向东，云南包括滇西的腾冲，滇西北的宁蒗全年和夏季水汽输送均为自西向东路径。

图4 1981～2010年夏季平均整层大气水汽输送气候分布

3.2 风场

腾冲机场常年主导风向为西南风，泸沽湖机场常年主导风向为南风。采用NCEP/GFS(Globe Forecast System)的1°×1°，间隔3小时一次的资料，通过WRFDA-FSO系统计算可以得到每小时地面10 m风场，图5为腾冲机场2018年6月13日08时、11时、14时、17时地面10 m风场。图6为泸沽湖机场2018年6月23日08时、11时、14时、17时地面10 m风场，通过2018年雨季天气过程的分析，以腾冲2018年6月13日为个例，以泸沽湖机场2018年6月23日为个例分析，所选站址能较好的反映流场特征，并布设在该次天气系统的上游。

图5 腾冲机场2018年6月13日地面10 m风场图

图6 泸沽湖机场2018年6月23日地面10 m风场图

3.3 降水

腾冲机场和泸沽湖机场均位于滇西北，腾冲机场多年平均降水量为1 527.1 mm，泸沽湖机场多年平均降水量为932.6 mm，姚平等[14]分析指出滇西北冬季和年平均降水量随时间变化总体上均以增加趋势为主。

腾冲机场位于滇西高黎贡山西侧，高黎贡山山体呈南北走向，与孟加拉湾湿气流近乎于正交，王宇[15]根据云南省气象局1981年1月1日至1982年1月10日对高黎贡山西坡6个观测点的降水量分析，指出高黎贡山西坡年降水量随海拔升高而递增，此次腾冲机场布点按由低到高，由西向东选点，可以较好的反映降水的垂直变化及山地迎风坡的降水特点。

影响腾冲机场的主要天气系统有南亚高压、西太平洋副热带高压、南支槽、孟湾风暴、川滇切变线、西南低涡等。腾冲降水天气过程的典型个例分析，腾冲2018年6月7日～14日有一次明显降水天气过程，累积降水量达到194.9 mm，过程中10日～13日为大雨，累积降水量145.7 mm，9、14日为中雨量级。

天气形势：500 hPa图上(图7)6月7日08时在合作、达日、玉树、拉萨有一切变，在孟加拉湾北部为一弱588 hPa高压区，在高压区西南侧83.2 °E，14.5 °N有一风暴中心，腾冲为高压北侧弱偏西气流；到8日08时切变快速东南移到东南一带，前一日高压区减弱，风暴中心东偏北移到90°E、17.2°N附近，腾冲站转为西偏北气流；9日08时风暴中心北移到90.5°E，20°N附近，腾冲站转为西偏南气流。9日20时风暴中心东北方向移动后，10日到12日风暴沿着北偏东方向移动并减弱为低压，与高原槽相接形成一个低压槽区，腾冲站处于槽区东南侧的偏西南气流控制，降水从10日开始明显增大。在12日另一个风暴在东经90°E，20°N附近生成，然后沿东北方向移动，13日登陆后减弱成低压，于14日20时后减弱消失，随之腾冲一线西南气流减弱并转为偏西气流，继而受西北气流控制，降水随之停止。

700 hPa(图略)等压面上9日20时腾冲偏南风6 m/s，10日20时腾冲偏西南风14 m/s，11日20时腾冲西南风18 m/s，12日20时腾冲12 m/s，13日20时10 m/s，14日20时偏西风6 m/s。从西南气流的变化可以看出腾冲日降水量随西南风增大相应增强，反之则减弱，在11日20时西南风达到18 m/s，相应腾冲日降水量12日达到最大45.2 mm。

综上所述，由于孟加拉湾的两个热带风暴西北移登陆，其外围西南气流影响，低层有低空急流配合，在腾冲造成强降水，这一天气系统移动路径为自西南向东北。

图7 500 hPa天气系统变化示意图

本次腾冲机场布点充分考虑地理特征及天气气候条件，所选地址能较好的反映所在区域的地理特征，并布设在天气系统的上游。

泸沽湖机场位于丽江市宁蒗县绵绵山以东，受地形影响，常年主导风向为南风。影响泸沽湖机场的主要天气系统有两高(西太平洋副高和青藏高压)辐合、孟湾风暴、川滇切变线、西南低涡等。

王宇[15]分析云南山地气候特征指出，云南山脉降水量的分布基本随海拔升高而增大。王宇以邻近泸沽湖机场的玉龙山脉3个观测点的年降水量统计，得到玉龙山脉年降水量随海拔升高也呈递增状态，泸沽湖机场布点结合翠玉乡自动气象观测站，按河谷西南-东北走向并逐步抬升的特征布点，可以较好的反映出降水的垂直变化和地形的影响。

宁蒗县降水天气过程的典型个例分析，2018年6月23日～28日宁蒗有一次典型降水过程。

天气形势：500 hPa图上(图8)，22日08时滇西北外围有一586 hPa高压，在滇黔之间有一584 hPa低压，丽江是585 hPa，西北风8 m/s，处于低压西北侧，受低压影响，22日20时低压加强为583 hPa，高压也加强为587 hPa，23日08时583 hPa低压中心南压到滇桂黔之间，并加强，丽江为584 hPa，西北风6 m/s，高压减弱586 hPa，23日20时低压进一步东移加强为582 hPa，高压维持，24日08时583 hPa低压西南移到滇东南，在华坪、曲靖、文山是一切变，丽江584 hPa，西北风6 m/s，高压587 hPa，25日08时低压西移到滇南并加强为582 hPa，丽江是583 hPa，西北风8 m/s，西昌584 hPa，西南风8 m/s，丽江、西昌间有切变，华坪处于切变中心，高压减弱为584 hPa，26日08时低压略南移到滇边缘，丽江是584 hPa，偏南风12 m/s，华坪切变消失，高压为585 hPa。

700 hPa图上(图8)，21日08时在滇西北与四川之间生成一309 hPa低压环流，丽江在低压南部，偏西风8 m/s，高度309 hPa；22日08时低压中心南移到华坪、永仁附近，强度维持309 hPa，低压切变呈西北东南带状，丽江西偏北风6 m/s，高度309 hPa；23日08时低压加强为308 hPa并东移到贵阳以西，另在巴塘附近生成一307 hPa低压，丽江在其南部偏西风4 m/s，高度308 hPa；24日08时在巴塘的307 hPa低压南移到丽江以北，丽江仍为偏 西风4 m/s，高度307 hPa，在贵阳的308 hPa低压西移到滇桂之间。25日08时在丽江以北的低压北移加强为305 hPa，丽江为307 hPa，西北风4 m/s，另一低压西移到滇南，加强为307 hPa；26日08时丽江以北的低压减弱为306 hps，中心不动，丽江为308 hPa，偏西北同4 m/s，滇南低压西移减弱消失；27日08时北部低压进一步减弱东北移，丽江为311 hPa，东南风2 m/s。

图8 500和700 hPa天气系统变化示意图

从以上天气图的演变过程来看，宁蒗是受北部低压连续生成南移影响，低压22日南移出现大雨，24日北部又生成一更强的低压南移，也出现大雨，25日低压北退时也出现中雨降水，随后低压减弱降水很快减小。这一天气系统移动路径为自北向南。

本次泸沽湖机场布点充分考虑地理特征及天气气候条件，兼顾水汽输送方向，所选地址应能较好的反映所在区域河谷呈西南—东北向的地理特征，并布设在天气系统的上游。

3.4 能见度和云

腾冲机场、泸沽湖机场机场周边的能见度观测，对分析研究雾的生消规律及成因，提高雾的预报准确率十分必要。机场在跑道两端及中间已有3台能见度观测仪，此次两个机场布设的6个自动气象站均增加了能见度观测，其中在跑道的飞机起降端方向专门布设了一个点(腾冲机场68号点，泸沽湖机场90号点)，用于分析研究对飞机起降有直接影响的雾的生消规律。腾冲机场、泸沽湖机场属山地机场，地形形成的低云也会影响能见度，由于云量及云状需要人工观测，因此，布点没有考虑云的观测。

4 选址网络通讯条件分析

观测区域位于横断山脉，相对高差较大，地势险峻，复杂的地形使得布点必须考虑网络通讯条件。

自动气象站布设范围均在乡镇农村，采用无人值守自动采集气象要素，数据是通过4G通讯网络传输到固定IP地址端口接收，此次布点充分考虑了通讯网络信号的强弱和稳定，同时预防人为破坏，牲畜损坏等意外，避免对数据传输和接收的影响。该次布点的6个自动站安装运行后，从2019年1月到12月6站的数据到报率为100%，数据精度达到质量要求。

5 结论与讨论

腾冲机场、泸沽湖机场周边自动气象站的选址充分考虑了地理特征、选址规范性、水汽输送路径、流场特征、天气系统、网络通讯条件。按由低到高兼顾水汽输送方向及机场跑道方向的原则选点。分析表明所选地址能较好的反映所在区域的地理环境和流场特征，主要站点选择位于水汽输送方向和主要天气系统的上游，可以较好的反映降水的垂直变化，对分析研究机场雾的生消规律也有针对性，保障了观测质量和观测目标的实现。

气象预报技术和模式水平的提高依赖于观测系统的完善。云南省已有的126个国家级气象观测站主要是按县级行政区域布设，从空间分布来看，滇西北的迪庆、怒江和滇南的西双版纳、普洱、文山等区域观测站点相对稀疏。近年建设的乡镇自动气象站观测资料对气象业务起到了重要的补充作用，乡镇自动气象站的选址主要也是按行政区域布设，也有一些烟区、茶区等经济作物区的自动气象站选在山区或作物种植区；云南农业、水利、电力等其它部门和研究单位也建有或拟建山区自动气象站，山区自动气象站的选址是个有一定普遍性的问题，本文的分析由于针对性强，尚有局限性，因此，对山区气象自动站选址能进行更多方面的分析研究，将充分发挥气象观测资料在各行业中的应用。