近5年仁化县生态气象监测与评估分析

付炳秀，黄观荣

（1.仁化县气象局，广东仁化 512300，2.韶关市气象局，广东韶关 512000）

仁化县位于广东省北部、南岭山脉南麓，是粤、湘、赣3省交接地，属亚热带季风气候，为亚热带典型常绿阔叶林分布区，是国家重点生态功能区。仁化县南岭生态气象中心座落在县城南郊3 km的黄屋村老马屋小组月尾岭，中心建有国家标准气象观测场以及种类繁多的生态气象特种观测设备。近年来，国内的生态气象监测和评估业务服务工作［1－4］逐见成效，生态气象业务的基础不断巩固和发展。随着仁化县南岭生态气象中心［5］建设完成，生态观测数据开始了逐步的资料累积，付炳秀等［6］开展了2016年仁化县生态气象的监测与评估工作，为地方政府提供了决策依据；黄观荣等［7］对韶关生态旅游气候舒适度进行了分析，但对连续时间序列的生态气象条件进行综合分析成果依旧缺乏。在全球气候变暖背景下，气候变化对生态环境影响日益明显，而生态气象监测是改善、保护生态环境的重要依据，本研究利用南岭生态气象中心国家站及仁化各乡镇自动站气象资料以及MODIS卫星遥感资料，对近5年仁化县气候、气溶胶光学厚度、植被覆盖度等生态气象条件进行分析评估，进一步丰富南岭生态气象中心服务产品，为地方政府的生态可持续性发展及生态保护工作提供决策依据。

1 资料与方法

本研究采用的气象资料为气象观测站常规观测资料，以及欧洲中心的ERA5再分析数据，采用的遥感数据均为NASA的MODIS产品，其中气溶胶光学厚度（简称AOD）数据为MODIS空间分辨率为3 km的气溶胶产品MYD04_3K，植被指数 NDVI为空间分辨率250 m 的MOYD13Q1产品，NDVI数据1—12月每16 d一景，在利用NDVI计算植被覆盖度前对NDVI求取年平均、临近值插值法重采样等预处理后，得到空间分辨率为0.01°的NDVI网格数据。

①常规气象资料：1981—2019年仁化国家气象观测站常规气象资料，其中近5年的降雨量空间分布图采用了近5年仁化国家气象观测站以及仁化县各乡镇自动站的降雨量，通过克里克空间插值后所绘制。

②通风系数：混合层高度（即边界层高度）与混合层内10 m平均风速的乘积，可反映大气边界层内垂直与水平扩散能力，其中混合层高度与混合层内10 m平均风速为欧洲中心空间分辨率0.75°×0.75°的ERA5再分析数据。

③气溶胶光学厚度（AOD）数据：NASA的MODIS空间分辨率为3 km 的气溶胶产品MYD04_3K，通过临近值插值进行重采样获得空间分辨率为0.03°的AOD网格数据，用于分析仁化县域的AOD时间变化特征，再通过克里克插值绘制仁化近5年的AOD空间分布图。

④植被覆盖度数据：本研究中植被覆盖度通过式（1）求得，其中f为植被覆盖度（%），NDVI为计算象元经过求取年平均、重采样后获得的年植被指数平均值，NDVImax和NDVImin分别为研究区域内NDVI的最大值、最小值。本研究在绘制植被覆盖度曲线变化和空间分布图前，对植被覆盖度小于0的值进行了剔除处理。

2 生态气候条件

2.1 气温、日照

从1981—2019年仁化县年平均气温数变化图（图1a）可知，1981—1997年的气温总体较平均值偏低，1998—2019年的气温总体较平均值偏高。1981—2019年气温变化趋势曲线显示，仁化年平均气温处于逐步上升的趋势，从线性变化趋势看平均每年上升0.017 8℃。近5年仁化年平均气温处于20.1～20.3℃范围，均高于常年平均值（19.9℃）。为进一步分析仁化近5年的生态气象条件，本研究对近5年的平均气温进行了线性变化趋势分析，求出线性变化趋势方程为y＝－0.02x＋20.3，表示近5年期间仁化年平均气温平均每年下降0.02℃。

1981—2019年日照时数变化图（图1b）显示，日照逐年变化波动较大，年较差最大达到511.2 h，在1981—2003年呈波动上升趋势，在2004—2017年呈波动下降趋势。从线性变化趋势看，日照时数整体呈现缓慢减少的趋势，日照时数平均每年减少0.127 h。近5年的日照时数处于1 399.8～1 621.2 h范围，均低于常年平均值（1 719.8 h），本研究对近5年的日照时数进行了线性变化趋势分析所求出线性变化趋势方程为y＝49.89x＋1 394.2，显示近5年日照时数平均每年上升49.89 h，与1981—2019年的长期变化趋势相反。

图1 1981—2019年仁化县年平均气温（a）和日照时数（b）变化

2.2 降雨

1981—2019年仁化年降雨量变化（图2）显示，年降雨量波动变化明显。

图2 1981—2019年仁化县年降雨量变化

从线性变化趋势看，1981—2019年仁化年降雨量平均每年增加0.245 5 mm。近5年降雨量变化趋势整体在正常范围内波动，其中2016年较常年平均偏多近40%，2019年较常年平均偏多10%。本研究对近5年的降雨量进行了线性变化趋势分析，所求出线性变化趋势方程为y＝－14.49x＋1 850.8，表示近5年降雨量平均每年下降14.49 mm，与1981—2019年的长期变化趋势相反。从2015—2019年仁化县年降雨量分布（图略）可知，近5年仁化逐年的降雨量空间分布不均匀，降雨集中区域的局地性特征明显。

从2015—2019年仁化县汛期、非汛期降雨量变化（图略）可知，近5年前汛期降雨量呈现正弦规律变化。从线性变化趋势看，平均每年减少0.05 mm，后汛期降雨量整体呈现逐年增加趋势。从线性变化趋势看平均每年增加21.23 mm，但在近5年中仍有3年低于1981—2010年后汛期降雨量平均值。近5年1—3月降雨量整体呈现准正弦规律变化，从线性变化趋势看平均每年增加51.42 mm；近5年10—12月降雨量则呈现减少趋势，从线性变化趋势看平均每年减少87.09 mm，下降的趋势较为明显。整体来看，降雨量在1—3月和后汛期有上升趋势，在前汛期和10—12月有下降趋势，下降趋势尤以10—12月最为明显。近5年仁化降雨量在时空分布上不均匀，其中2018和2019年这种时空分布不均匀的特性尤为明显，对各山塘水库的科学蓄水和水资源的调度管理工作极为不利。在2018年的上半年和2019年的下半年，因降雨偏少，森林防火形势变得极为严峻，其中在2019年下半年，仁化县还出现了较长时间的气象干旱天气。

3 大气环境

3.1 大气通风条件

本研究采用小风日数和通风系数来评估大气通风条件，小风日数为一段时间内日平均风速＜2.0 m／s的天数，年小风日数越少，则表明水平扩散条件越好，越有利于污染物的扩散。通风系数为混合层高度（即边界层高度）与混合层内10 m平均风速的乘积，可反映大气边界层内垂直与水平扩散能力。通风系数值越大，则越有利于空气污染物的扩散。

从2015—2019年仁化县小风日数及通风系数变化（图3）可知，近5年仁化小风日数在317～336 d范围，均远低于常年平均日数（353.4 d），期间有缓慢上升的趋势，平均每年增加3.8 d，表明近5年有利于污染物扩散的水平扩散条件整体在不断的提高。近5年仁化通风系数介于571.8～685.6 m2·s，均远低于常年平均值（690.18 m2·s），并且下降幅度较大，平均每年下降18.616 m2·s，表明近5年大气边界层内垂直与水平扩散能力年际变化幅度略大，从2017年开始出现下降，不利于污染物扩散。近5年大气水平扩散能力提高，但垂直扩散能力趋于减弱，大气扩散条件整体处于良好状态。

图3 2015—2019年仁化县小风日数及通风系数变化

3.2 灰霾日数

本研究按日平均值统计方法中霾日的标准进行统计，即当日平均能见度＜10 km且日平均相对湿度≤90%时定为灰霾日。从2015—2019年灰霾日数变化（图略）可知，近5年仁化灰霾日数在40～74 d范围，期间呈现上升趋势，平均每年增加3.4 d。此外，2019年仁化县灰霾日数较2018年减少34 d，随着大气污染防治工作逐步发挥作用，灰霾日数有望在未来得到进一步的降低。

灰霾是悬浮在大气中的大量微小尘粒、烟粒或盐粒的集合体，雨水的冲刷作用会对大气中的尘粒起到清洁作用。本研究对近5年仁化灰霾日数和降雨量、平均风速以及相对湿度做相关性分析，得到灰霾日数与降雨量的相关系数为－0.542，与相对湿度的相关系数为－0.419，均呈现一定的负相关变化特征，表明降雨量的多寡以及相对湿度的大小会对灰霾日数产生较大的影响，在粉尘污染输出源无变化的提前下，在降雨量较多的年份，相对湿度较大，空气质量会有一定程度的提高。灰霾日数与平均风速的相关系数为0.393，呈现一定的正相关变化特征，表明风速的增大有利于污染物的扩散。

3.3 气溶胶光学厚度

气溶胶光学厚度（简称AOD）是指气溶胶的消光系数在垂直方向上的积分，反映整层大气中，气溶胶对直接太阳辐射的衰减能力。AOD越小，大气越清洁；反之，则大气越浑浊。

从2015—2019年仁化县AOD变化（图4）可知，近5年仁化AOD在0.259～0.361范围，整体呈现下降趋势，平均每年下降0.007。仁化AOD与日照时数的相关系数为－0.427，两者存在一定的负相关性，日照时数增多的年份AOD值减小。

图4 2015—2019年仁化县AOD变化

从2015—2019年仁化县AOD空间分布图（图5）可知，AOD≥0.372的区域面积在近5年中呈现下降趋势，表明大气质量处于逐步改善阶段。仁化近5年AOD高值区主要集中在城镇等工业园地区，表明城镇以及工业的发展对空气质量的影响较大，在经济发展中，需注意协调城镇工业发展与生态承载力的关系，避免失衡。

图5 2015—2019年仁化县AOD空间分布图

4 植被覆盖度

植被覆盖度是指植被（包括叶、茎、枝）在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比。2015—2019年仁化县植被覆盖度变化（图略）显示，2015—2019年仁化县植被覆盖度介于73.1%～77.9%。2015—2019年植被覆盖度变化趋势曲线显示，平均每年上升0.114 6%，表明仁化县陆表生态环境基本维持缓慢上升的良好趋势。

从2015—2019年仁化县植被覆盖度空间分布（图略）可知，仁化植被覆盖度结构整体均衡，城镇、工业园区等发展区域的植被覆盖度相对较低，整体的植被覆盖度维持在70%以上，且达到80%以上的高覆盖度区域面积在不断增加。

在近5年中，高覆盖度区域的占比在89.82%～96.16%范围（表1），其中2016年达到96.16%，表明对森林等高覆盖度区域的保护工作完成很好；中覆盖度区域在3.57%～9.57%范围，年变化幅度相对较大；低覆盖度区域在0.27%～0.66%范围，年变化幅度较中覆盖区域变化小。近5年来，仁化植被覆盖结构呈现以高覆盖度为主体、中覆盖度区域随经济发展用地变化略有浮动的结构特征，表明仁化县植被覆盖结构整体良好。

表1 2015—2019年仁化县植被覆盖度结构 %

5 综合评述与建议

1）近5年仁化平均气温处于20.1～20.3℃范围，均高于常年平均值，建议关注气候变暖对农业生产、生态环境的影响。降雨量在正常范围内波动，但时空分布不均，不利于各山塘水库的科学蓄水和水资源的调度管理工作以及森林防火工作，建议各山塘水库要根据气候的变化，科学安排蓄水、用水的调度工作。

2）近5年仁化县大气扩散条件整体良好。仁化AOD近5年在0.259～0.361范围，期间呈现下降趋势，AOD≥0.372的区域面积呈下降趋势，表明大气环境质量处于逐步改善阶段。灰霾在近5年呈现上升趋势，但2019年仁化县灰霾日数较上一年减少34 d，随着大气污染防治工作逐步发挥作用，灰霾日数有望在未来得到进一步的降低。在经济发展中，建议关注城镇工业发展与生态承载力的平衡关系，继续做好大气污染防治工作，重点加强大气污染源排放方面的管理工作。

3）近5年仁化植被覆盖结构呈现以高覆盖度为主体、中覆盖度区域随经济发展用地变化略有浮动的结构特征，植被覆盖度结构整体均衡，陆表生态环境维持良好，表明仁化县采取生态环境保护工作、森林防火等各项工作具有明显成效，但仍需关注由降雨时空分布不均导致的干旱灾害等问题，建议加强对陆表生态环境的监测，适时开展人工增雨作业。