丘陵沟壑区4月日最低温度的差异特征

2022-07-13孙智辉刘志超雷延鹏

陕西气象 2022年4期

孙智辉，刘志超，杨丽，雷延鹏

(延安市气象局，陕西延安 716000)

黄土高原丘陵沟壑区，土层深厚，海拔800～1 100 m，光照充足，昼夜温差大，有利果实积累糖分，是“世界苹果最佳优生区之一”。截止2019年底，延安有苹果种植面积26.2万hm2，产量349.8万t[1]，是农民脱贫奔小康的支柱性产业。延安苹果产区可分为延安南部塬区和北部山地。北部山地主要指甘泉以北的宝塔、安塞、延川、延长、子长、志丹、吴起等8县(区、市)，沟壑纵横、山峁相间，形成了绿色、有机苹果生产的天然屏障，为生产绿色、有机苹果提供了有利条件。南部指洛川、富县、黄陵、宜川、黄龙等5县，苹果种植在塬面上。1999年以来，延安实施退耕还林草工程，坡度较大的山坡耕地变为林草地，农业用地大多处于川道沟谷、山顶梯田、塬面上。在20世纪50—70年代建设气象观测站时，考虑生活等诸多因素，气象站只有洛川建在塬上，其他站普遍建在靠近县城的河谷川道上，观测的温度只能代表川道沟谷，而山地地形支离破碎、局地小气候明显，苹果大多种植在半山坡以上，用气象站温度来分析花期冻害影响偏差较大。

国内学者对山地气候进行了多年研究，如对青藏高原开展了大气科学试验，对天山、横断山等主要山脉开展了地形与气象关系的研究[2-5]。国内学者还研究了秦岭对温度、积雪、降水、气候变化的影响[6-11]。黄土高原丘陵沟壑区由于相对高差小(200 m左右)，对气候影响小，主要对夜间最低温度产生影响。2007年，延安气象科研人员在志丹、宝塔区进行了山地温度观测，总结出温度的变化特征[12-14]；但由于观测站点少，时间短，结论没有应用到业务服务中。随着乡镇气象站和苹果园小气候站的建立，积累了一定的山顶温度数据，为开展最低温度差异分析提供了数据基础。本文通过分析多站点4月温度数据，揭示地形对最低温度的影响，总结出分布特征，应用到苹果区划、花期冻害风险区划、冻害预报预警评估等业务服务，指导防灾减灾工作。

1 资料与方法

1.1 乡镇站的选择

利用现有的山顶、半山坡果园气象站，选择距离果园站最近的1个乡镇气象站作为对比分析站，形成一组对比站，确定的对比站见表1、表2。

表1 延安市温度分析对比站列表

表2 延安市温度分析对比站列表

1.2 资料

延安苹果花期主要出现在4月，温度对其的影响尤为突出。通过延安市自动气象站统一应用平台只能找到2018—2020年各站4月小时温度数据，由于区域天气站位置变动及其他原因，导致2018、2019年温度数据不完整。高空数据由延安高空探测站提供。

1.3 方法

利用数理统计方法，分析山顶与河谷月平均温度、平均最高和平均最低温度、极端温度，寻找其差异性规律。通过相关分析探寻影响差值的主要因子。

2 结果与分析

2.1 4月温度的年际差异

由于观测数据不全，2018-2020年可获得4组最低温度对比数据。由表3可知，4组日最低温度数据均表现出沟谷温度低、山顶温度高的分布特征，二者平均差值为1.5～3.2 ℃，但温度差值在不同年份有所差异。4组对比数据均反映出月平均最低温度越低差值越大，温度低说明冷空气影响频繁，河谷由于冷空气堆积造成温差增大。2019年月极端最低温度差值大于2018和2020年，月极端最低温度越高，山顶与沟谷温度差值越大。

表3 2018—2020年4月延安4 组山顶站和河谷站温度对比分析表单位：℃

2.2 平均温度差异

2020年对比站数据完整，因此在后面分析时，主要利用2020年数据讨论温度差异特征。表4反映了2020年4月温度对比情况。可以看出月平均温度山顶温度高于沟谷川道，差异较小。最高温度山顶低于川道，而最低温度山顶高于沟谷川道。最低温度差值比较大，普遍在2.0 ℃以上，南部塬区差值小，基本在2.0～2.5 ℃之间，而北部丘陵沟壑区差值大，例如延川县梁家河与禹居月平均最低温度相差5.4 ℃，志丹县张渠与牛寨相差4.3 ℃，子长市两个对比站也相差4 ℃，北部丘陵沟壑区最低温度差值约是南部塬区的两倍。

表4 2020年4月延安10组山顶站和河谷站温度对比表单位：℃

2.3 极端温度差异

比较2020年4月山顶站和河谷站极端最低温度差值发现，最小差值是富县北道德与张村驿，为1.6 ℃，最大差值出现在延川县梁家河与禹居，为5.3 ℃。所有站点平均差值为3.4 ℃。地域分布上，也是南部塬区比较小，北部丘陵沟壑区比较大，差值约是南部塬区的两倍。

2.4 半山坡温度差异

从3组半山坡对比站数据分析，相对高差在100 m以下时，平均温度、极端温度没有明显差异(表5)。

表5 2020年4月延安3组半山坡站和河谷站温度对比表单位：℃

2.5 不同天气背景下温度差异

选取志丹县张渠与牛寨、延川县梁家河与禹居、黄陵县隆坊与店头等3组对比站，分析2020年4月山顶与河谷最低温度差值的逐日演变。由图1可以发现，3组站温差虽然数值不同，但具有相同的变化趋势；日差值变化幅度比较大，如延川县梁家河与禹居的最低温度差值，最小为-2.1 ℃，最大为11.2 ℃，差值也不完全是山顶高于沟谷，在特殊天气条件下，山顶低于沟谷。

图1 2020年4月延安3组代表站最低温度差值的逐日演变

山顶最低温度低于河谷的日期为1日、2日、10日、11日、18日，其天气情况为1日晚有降水，2日、10日、11日、18日晚为阴天，说明出现阴天时河谷不会出现逆温现象。进一步分析发现，当出现阴天时，山顶与河谷的温差相对稳定，如黄陵县隆坊与店头的温差在-1.1～-1.6 ℃之间，延川县梁家河与禹居的温差在-0.9～-2.1 ℃之间，基本遵循对流层温度下降规律。这与文献[12]的研究结论一致。

对应不同的天气，山顶与沟谷呈现正负截然不同的温差。统计2020年4月晴天温差发现，晴天温差均值比月平均值均偏高，南部塬区偏高0.8 ℃以上，而北部偏高了1.1～1.5 ℃。

2.6 温度日变化

地形对温度的日变化产生影响，并具有一定的规律性。用牛田寺与川口站为代表，分析4月山顶与河谷温度的日变化特征(图2)。在一日内，山顶温度变化比较平缓，沟谷比较剧烈。23时—次日11时河谷温度高，12—22时山顶温度高。

图2 2020年4月延安山顶与河谷站(以牛田寺与川口为代表)平均小时温度日变化图

图3为2020年4月牛田寺与川口站升温与降温变化图(后一小时温度减去前一小时温度)。上午(08—11时)山顶温度升温明显大于河谷，而在傍晚到前半夜(19—24时)，山顶降温幅度也明显大于河谷，其他时段的变化幅度基本一致。选择明显降温时段的2020年4月19—24日梁家河与禹居小时温度(图4)，计算变温，发现变化特征与图3相同。变温及温差表现出的特征是相同的，但在不同地点有不同的起止时间，这与日出日落时间有关。

图3 2020年4月延安山顶与河谷(以牛田寺与川口为代表)逐小时变温图

图4 2020年4月19—24日梁家河与禹居站逐小时变温图

2.7 海拔高度和经纬度对温差的影响

表6是2020年4月不同海拔高度、经纬度与月平均最低温度和月极端最低温度温差统计表。随着海拔高度升高，温差逐渐加大。海拔高度<1 100 m时，两组月平均最低温度差值数据，表现却截然不同，一个最小为1.7 ℃，一个为次大值；1 100m≤海拔高度<1 200 m时，温差平均为2.3 ℃；1 200 m≤海拔高度<1 300 m时，只有一个数据，温差为2.6 ℃；1 300 m≤海拔高度<1 400 m时，温差平均为4 ℃；海拔高度≥1 400 m，温差最大为5.6 ℃。纬度与温差，也表现出纬度越高，温差越大的特征，高差、经度与温差没有统计规律。

表6 2020年4月延安10组高山站与河谷对比站温差与不同海拔高度高差数据表

在以往的局地地形与温度的研究中[13]发现高差与温差是有关系的，高差越大温差也越大。本文中没有发现这一特征，主要原因可能是研究区域过大，地形条件不同造成的。当高差<100 m时，半山坡以下温度是一致的，当高差≥100 m时，温度差加大。

3 温度差值与前期气象因子的相关性

山顶与沟谷温度的差异具有规律性，但其数值日变化很明显，这就对业务应用，特别是冻害的分析造成很大的困惑。北部山地果园大多没有气象站，准确预测果园最低温度是预防冻害的第一步。

对延川县梁家河与禹居站2019、2020年4月的山顶与沟谷温差(简称温差)与延安探空站前一日20时各高度层次的温度进行相关分析，发现温差与500 hPa高度温度相关性较好，相关系数达到0.495 9，通过0.001的显著性检验。当温度越低时，温差越大。温差与高空温、湿相关关系最好，对温差与高空各层温度露点差(T-Td)进行分析，发现延安探空站地面、850 hPa的T-Td与温差相关系数达0.642 0，0.657 4。特别是对异常偏大的温差，T-Td的反映更好，当850～500 hPa整层T-Td明显大于平均值时，温差也明显偏大。温差较小甚至为负值时，T-Td数值表现为单层或整层均较小，甚至接近于0，也可间接说明天空有云或有降水。用T-Td可以较好地反馈出温差是否偏离平均状况。

前期地面要素也可反映次日温差大小，特别是温度、风速、湿度等因素。用日地面最低温度与温差进行相关分析，相关系数为0.535 7，通过了0.001的显著性检验。在有冷空气影响时，下沉降温更加明显，加大了温差。

对风速与温差进行相关分析，相关系数为-0.302 7，通过0.001的显著性检验。说明风速大，有利于空气混合，降低山顶与沟谷之间温差。

用前一日最小相对湿度与温差进行相关分析，相关系数为-0.479 7，通过0.001的显著性检验。