麗水市白云山森林公園山地立體氣候資源分析*

吳昊旻 姜燕敏 強玉華 白云霞 張鑫

(麗水市氣象局,浙江 麗水 323000)

0 引 言

中國是多山的國家,山地類型多樣復雜[1],當前國內(nèi)針對山地氣候的研究主要集中在川藏、秦嶺、南嶺等大地形區(qū),如胡繼華等通過分析川西高原氣候資源,得出亞熱帶、溫帶、寒帶3個經(jīng)濟發(fā)展氣候帶[2];易新民等結(jié)合有關(guān)考察資料對川東南立體氣候特征進行了分析[3];高翔等分析了秦嶺南北坡半個世紀氣溫與降水的變化趨勢及特征[4];劉尉等建立了粵北山區(qū)南嶺各熱量因子與海拔的線性回歸模型[5];杜軍等利用西藏色齊拉山地區(qū)不同海拔的近地面觀測資料,探討了東、西坡局地氣候特征差異形成的原因[6]。目前對中國東南部的丘陵山地一帶的研究較少,王國新等分析了浙江省臨安市山地氣候旅游資源時空分布特征[7]。山地氣候是氣候系統(tǒng)中最為復雜的類型系統(tǒng)[8];不僅氣候要素的變異性和穩(wěn)定性特征復雜,并且其組合類型多樣,整個山地氣候系統(tǒng)實際上是一個隨機系統(tǒng)。正是由于山地氣候的這些特點,使任何一個山地系統(tǒng)都能成為一個氣候環(huán)境多樣,氣候資源豐富的多功能氣候系統(tǒng),對于人類社會經(jīng)濟發(fā)展來說,具有明顯的優(yōu)越性[9-10]。

麗水市地處浙江省西南部山區(qū),屬亞熱帶濕潤氣候,溫暖濕潤,雨量充沛,四季分明,無霜期長。地勢以中山、丘陵地貌為主,由西南向東北傾斜。西南部以中山為主,有低山、丘陵和山間谷地;東北部以低山為主,間有中山及河谷盆地,是個“九山半水半分田”的地區(qū),具有明顯的山地立體氣候特征。麗水森林覆蓋率80.79%;海拔1000 m以上山峰3573座。2014年,麗水榮膺“中國氣候養(yǎng)生之鄉(xiāng)”;2017年3月,入選中國首批氣候適應(yīng)型城市,氣候生態(tài)優(yōu)勢顯著。以往的山地氣象資料大多由周邊地區(qū)有限的氣象臺站用離散點等值線、模型以及DEM空間模擬等方法求得[11]。這些方法雖然能反映山區(qū)氣候的一般趨勢,但是不能真實地顯示復雜地形條件下的小氣候特征。加上以前山地氣候觀測資料稀少,氣候空間差異大,對山地氣候變化的研究很少。隨著氣象現(xiàn)代化發(fā)展,麗水的自動氣象站密度一直在增加,目前平均站點間隔已經(jīng)達到6 km,為研究麗水山地小氣候變化提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。麗水白云山森林公園位于麗水城北部2 km處,與城區(qū)接壤,森林茂密,綠海萬象,是徒步健身、避暑休閑、旅游觀光的好去處,總面積達2666.6 hm2,是麗水的后花園,也是城市的天然生態(tài)屏障。本研究結(jié)合地形實際,利用白云山森林公園的自動氣象站數(shù)據(jù),初探麗水白云山山地氣候特點,分析其熱量、降水、風速的立體氣候資源分布,以便為打造宜居氣候、推進麗水生態(tài)氣候資源開發(fā)提供理論基礎(chǔ)和科學依據(jù)。

1 資料與方法

近年來白云山森林公園山腳、山腰、山頂?shù)炔煌０渭茉O(shè)了自動氣象監(jiān)測站,為系統(tǒng)地對白云山進行山地立體氣候方面的觀測與研究提供了氣象資料。

資料主要來源于白云山5個不同海拔自動氣象站數(shù)據(jù)(區(qū)域站點信息見表1),由于區(qū)域站啟用時間不一樣,選取共有的時間段2014—2017年4 a逐時、逐日的氣溫、降水、風速等氣象要素資料,應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計方法,研究不同時間尺度白云山立體氣候資源隨時間和高度的變化規(guī)律。

表1 白云山森林公園區(qū)域自動站站點信息統(tǒng)計表

2 白云山森林公園氣溫立體氣候變化特征

2.1 氣溫立體日變化特征

圖1給出了麗水白云山森林公園不同海拔溫度的日變化趨勢。圖1a中可以明顯看出,不同海拔的溫度日變化特征基本一致,低海拔地區(qū)氣溫較高,高海拔地區(qū)氣溫較低。海拔170 m的綠谷莊園日平均氣溫18.9 ℃,隨著海拔的升高,氣溫逐漸降低,450、640、756 m處的日平均氣溫分別為17.0、16.0和15.4 ℃,而在接近白云山頂?shù)?072 m日平均氣溫只有13.2 ℃。日平均氣溫從山腳(170 m)到山頂(1072 m)下降了約5.7 ℃,平均每100 m約降低0.63 ℃。但在一天的不同時刻,氣溫隨海拔降低的幅度是不同的,變幅較大的是在午后13:00—18:00時,海拔每升高100 m,氣溫下降約0.8 ℃(0.76～0.82 ℃),其中以16:00時氣溫隨海拔遞減率最大(0.82 ℃/100 m);其次在11:00—12:00時和19:00—21:00時,海拔每升高100 m,氣溫下降約0.7 ℃(0.66～0.73 ℃);隨后在09:00—10:00時和22:00—01:00時,海拔每升高100 m,氣溫下降約0.6 ℃(0.55～0.63 ℃);而在夜間02:00—08:00時,海拔每升高100 m,氣溫下降約0.5 ℃(0.46～0.54 ℃),其中以06:00時氣溫隨海拔遞減率最小(0.46 ℃/100 m)。圖1a中K9091和K9092站的溫度在09:00時有輕微的交叉,可能與兩個站點所處的坡向相關(guān),位于東坡的K9091站比西坡的K9092站接受太陽輻射更早。

圖1 麗水白云山森林公園氣溫隨海拔的日變化特征

不同海拔溫度的日變化還可以看出,都是午后14:00左右最高(19.5 ℃),早晨06:00前后最低(13.6 ℃),但是隨著海拔的增加,氣溫日較差逐漸縮小,在海拔170 m處氣溫日較差有7.5 ℃,在海拔450 m處氣溫日較差縮小為6.3 ℃,在海拔640 m和756 m處氣溫日較差分別為5.6 ℃和5.8 ℃,而在海拔1072 m處氣溫日較差只有4.4 ℃。說明山腳氣溫變化幅度較大,隨著海拔升高,氣溫變幅縮小,山頂氣溫變幅最小,相對穩(wěn)定少變。結(jié)合圖1b可以看出,各海拔都是白天溫度明顯高于夜間,而且在低海拔白天和夜間的溫度差更明顯(170 m相差4.2 ℃),高海拔溫度差明顯縮小(1072 m山頂相差2.5 ℃)。白天的氣溫隨海拔的遞減率(0.73 ℃/100 m)明顯大于夜間(0.54 ℃/100 m)。

圖2 麗水白云山森林公園氣溫隨海拔的年變化特征

2.2 氣溫立體年變化特征

麗水白云山森林公園氣溫的年變化特征如圖2所示。不同海拔的氣溫月變化曲線均呈單峰分布(圖2a),峰值出現(xiàn)在7月,谷值出現(xiàn)在1月。氣溫隨著海拔的升高而逐漸降低,海拔1072 m的白云山氣溫最低(年平均氣溫13.2 ℃),海拔170 m的綠谷莊園溫度相對最高(18.9 ℃),其他3站點氣溫居中。另外,隨海拔升高,氣溫年較差減小,山頂?shù)陌自粕秸練鉁啬贻^差19.5 ℃,山腳的綠谷莊園氣溫年較差20.7 ℃,但幅度不大(1.2 ℃)。年平均氣溫隨海拔遞減率降低為0.6 ℃/100 m,不同月份氣溫隨海拔遞減率有所差異,以7月最高,1月最低。海拔每升高100 m,7—10月份氣溫下降約0.7 ℃(遞減率0.68～0.70 ℃/100 m),1—6月和11—12月氣溫隨海拔的遞減率約0.6 ℃/100 m(0.57～0.63 ℃/100 m)。

根據(jù)白云山森林公園四季溫度隨海拔變化特征(圖2b)可以看出,夏季溫度最高(5站點平均溫度24.6 ℃),冬季氣溫最低(6.5 ℃),秋季和春季居中,且秋季(17.7 ℃)高于春季(15.5 ℃),年平均氣溫也比較舒適(16.1 ℃)。不同季節(jié)氣溫都是隨海拔升高而降低的,四季溫度遞減率變幅也較為接近,分布在0.59 ℃/100 m(冬季)～0.66 ℃/100 m(夏季),相差不大。

3 白云山森林公園降水立體氣候變化特征

3.1 降水立體日變化特征

從麗水市白云山森林公園不同海拔降水的日變化特征(圖3a)可以看出,白云山森林公園降水主要集中在午后至上半夜時段(13:00—23:00),且在傍晚17:00(5站點平均小時降水量0.30 mm)出現(xiàn)峰值;除此以外,在上半夜20:00也出現(xiàn)1個次峰值(0.26 mm)。不同海拔的降水總體隨時間變化趨勢一致,只是變化幅度稍有差異,總體表現(xiàn)為中海拔的3個站點(快活林450 m,實驗林場640 m和陳寮山756 m)的降水量比高海拔站點(白云山1072 m)和低海拔站點(綠谷莊園170 m)降水量偏高。

白天和夜間降水量對比(圖3b)來看,白天降水明顯多于夜間,主要是因為午后降水較多,以及17:00點最大降水出現(xiàn)在白天段(08—20時)。降水隨海拔變化,無論白天還是夜間,都呈現(xiàn)出“先增多,后減少”的變化趨勢,中間3個海拔的降水量明顯多于山頂和山腳,尤其是640 m高度降水量最為明顯。

圖3 麗水白云山森林公園降水隨海拔的日變化特征

3.2 降水立體年變化特征

根據(jù)白云山降水的年變化特征(圖4a)可以看出,不同海拔降水量的月變化趨勢基本一致,降水量峰值都出現(xiàn)在6月,次峰值出現(xiàn)在8—9月。從天氣形勢角度出發(fā),5—6月又被稱為主汛期,初夏梅雨期,多連陰雨天氣,雨量集中,暴雨次數(shù)多,常造成洪澇災(zāi)害,降水比其他月份明顯偏多;8—9月經(jīng)常受到熱帶氣旋的影響,是臺風影響最頻繁的時候,雨量較為充沛,因此也稱這段時間為臺汛期,降水也相對較多[12]。而秋、冬季則多受高壓系統(tǒng)控制,天氣晴朗少雨,降水明顯偏少。不同海拔降水對比來看,整體表現(xiàn)為中間海拔的3個站點,快活林450 m、實驗林場640 m和陳寮山756 m的年降水量(分別是1665.4 mm、1704.9 mm和1680.4 mm),比高海拔站點白云山1072 m(年降水量1458.8 mm)和低海拔站點綠谷莊園170 m(年降水量1403.3 mm)降水量明顯偏多。降水還與坡度有一定關(guān)系[13],今后將結(jié)合GIS做進一步分析。

圖4 麗水白云山森林公園降水隨海拔的年變化特征

白云山森林公園季節(jié)降水隨海拔變化特征(圖4b)可以看出,夏季(6—8月)降水量最多,各海拔平均降水量660.8 mm,春季次之(3—5月432.9 mm),隨之是秋季(9—11月331.1 mm),冬季最少(12—次年2月162.0 mm)。另外,海拔較高觀測點(1072 m的白云山)和較低觀測點(170 m的綠谷莊園)降水比中間區(qū)域(海拔在450、640和756 m的快活林、實驗林場和陳寮山)的降水量明顯偏少,即降水量隨著海拔的增加都是先增大后減小的,在海拔600～800 m之間降水量較大。綜合來看麗水白云山森林公園的最大降水高度約為海拔700 m左右,在最大降水量高度700 m以下降水量隨海拔的增加而增大,其中以夏季降水量隨海拔的遞增率(41.0 mm/100 m)最大,過了最大降水高度,降水量隨海拔增加而減少。

4 白云山森林公園風速立體氣候變化特征

4.1 風速立體日變化特征

從白云山森林公園風速隨海拔的日變化特征(圖5a)可以看出,1072 m的白云山頂風速最大,日平均風速4.7 m/s,由于山頂?shù)貏菘諘?下墊面摩擦作用小,風速在各時段都明顯大于其他高度,夜間風速較為平穩(wěn),約5.2 m/s,在21:00達到最大值5.4 m/s,但在白天段08:00—20:00形成一個風速低谷,尤其是午后14:00左右風速達到最低值(3.5 m/s,與最大風速相差1.8 m/s)。756 m的陳寮山站風速較山頂(白云山站)明顯減小,日平均風速2.4 m/s,風速隨時間也是“先減小,后增大”的變化趨勢,但變幅明顯減小,最大與最小風速僅相差0.8 m/s。3個低海拔的風速日變化趨勢較為相似,風速由高到低分別是170 m綠谷莊園(1.6 m/s),450 m快活林(1.2 m/s),最低的是640 m的實驗林場(僅1.1 m/s),這與站點分布的地理位置、坡向坡度、植被密度等因素有關(guān),實驗林場周邊植被茂密,一定程度上阻礙了空氣的流通,從而降低了風速。低海拔的3站點,風速日變化特征與高海拔的相反,隨時間“先增大,后減小”的變化趨勢,在白天段08:00—20:00形成一個小高峰,從上午08:00左右風速開始逐漸增大,在午后15:00左右達到最大值,隨后再逐漸減小,風速最低值出現(xiàn)在早晨07:00左右。

圖5 麗水白云山森林公園風速隨海拔的日變化特征

白云山風速隨海拔變化(圖5b)來看,風速都是隨高度先減小后增大,其中夜間風速隨海拔的變化幅度更大。另外,白天與夜間風速曲線在海拔700 m左右出現(xiàn)交叉,即700 m以上高度,夜間風速大于白天,700 m以下高度,白天風速大于夜間。

4.2 風速立體年變化特征

白云山風速年變化趨勢如圖6a所示,不同海拔月平均風速白云山頂最高(7.6 m/s),實驗林場最低(2.8 m/s),這與林場周邊植被茂密,下墊面風阻較大有一定關(guān)系。白云山頂植被較為稀疏,地勢空曠,風速變化受下墊面的影響較小,比較有代表性,山頂風速隨月份主要表現(xiàn)為“先增大,后減小”的趨勢,形成“兩峰兩谷”的分布特征,3—8月風速相對較大,其中6月風速最大(9.0 m/s),次峰值在4月(8.5 m/s),2月和9月風速最小(均為6.7 m/s)。而其他幾個海拔風速受白云山森林公園茂密樹林分布的影響較大,風速隨月份波動變化為主,變化幅度不一致,風速峰值和谷值出現(xiàn)時間也不一致。

圖6 麗水白云山森林公園風速隨海拔的年變化特征

四季風速相差不大(圖6b),春、夏季風速稍大(4.6 m/s),秋、冬季風速稍小(4.1 m/s)。風速隨海拔都表現(xiàn)為先減小后增大,640 m實驗林場是風速變化的轉(zhuǎn)折點,640 m以下風速遞減率較小,隨海拔每升高100 m,風速下降0.1 m/s(冬、春季)～0.2 m/s(夏、秋季);640 m以上風速隨海拔快速遞增,每升高100 m,風速約增加1.0 m/s(冬季)～1.3 m/s(夏季)。隨著海拔的增加,風速受下墊面的影響減小,風速增加也較為明顯。

5 白云山森林公園氣象要素相關(guān)分析

表2為不同海拔的5個站點氣溫、風速和降水的相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計。日相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表明:平均風速與降水關(guān)系密切,在所有高度均呈現(xiàn)出顯著相關(guān)。由相關(guān)系數(shù)的符號判斷,在756 m海拔以上,隨著風速的增加,降水將減少,在640 m及以下則相反。氣溫與平均風速的相關(guān)系數(shù)尚可,除白云山站以外,其他4個站點均表現(xiàn)出顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。氣溫與降水的相關(guān)性則一般,5個站點均未通過顯著性檢驗。年相關(guān)系數(shù)顯示,氣溫和降水的相關(guān)性較好,5個站均通過顯著性檢驗,白云山站和快活林站甚至通過0.01顯著性水平,其他要素相關(guān)性一般。郭鳳霞[14]在研究中底層水平風速對降水影響數(shù)值模擬結(jié)果中指出中低層水平風速在一定范圍內(nèi)增長將使降水增多,但若風速過大,降水將減少,表2的研究結(jié)果進一步驗證了此結(jié)論。

表2 麗水白云山森林公園氣溫、風速和降水日變化相關(guān)特征

注:**代表P>0.01,*代表P>0.05。

6 結(jié) 語

1)麗水白云山森林公園氣溫日變化,午后14:00最高,早晨06:00最低。隨著海拔的增加,氣溫逐漸降低的同時氣溫日較差也隨之縮小。日平均氣溫隨海拔的遞減率約0.6 ℃/100 m,午后較高(0.8 ℃/100 m),夜間較低(0.5 ℃/100 m)。白天溫度明顯高于夜間,白天的溫度隨海拔遞減率(0.7 ℃/100 m)也明顯大于夜間。氣溫年變化,7月最高,1月最低,隨著海拔的升高,年平均氣溫降低,同時氣溫年較差也減小。年平均氣溫隨海拔遞減率0.6 ℃/100 m,其中7—10月較高(約0.7 ℃/100 m)。

2)麗水白云山森林公園降水量日變化,午后至上半夜降水較多,傍晚17:00出現(xiàn)峰值,20:00降水次之。降水峰值出現(xiàn)時段與華東初夏降水的日變化[15]分析中結(jié)論一致,麗水降水在午后至傍晚的峰值很明顯。降水量年變化,梅雨期雨量集中,6月出現(xiàn)峰值,臺汛期多熱帶氣旋的影響,次峰值出現(xiàn)在8—9月。降水量隨海拔先增加后減小,最大降水量高度約為700 m左右,在700 m以下降水量隨海拔的增加而增大,700 m以上降水量隨海拔的增加而減少。

3)麗水白云山森林公園風速日變化,山頂風速最大(地勢空曠),實驗林場最小(樹木茂密),風速隨高度先減小后增大,高海拔地區(qū)夜間風速大于白天,低海拔地區(qū)白天風速大于夜間。風速年變化,高海拔地區(qū)3—8月風速相對較大,2月和9月較小,風速隨海拔遞增率較大;低海拔地區(qū)風速受下墊面影響波動變化為主,隨海拔遞減率較小。顯著性檢驗結(jié)果表明,白云山森林公園的平均風速對氣溫和降水的影響均較大,尤其是降水。

4)王利溥[16]在研究地形對氣溫和降水的影響時指出:大氣水汽含量隨海拔增加而減少、地形起伏造成的局地環(huán)流能促進上升運動和地形對氣流的動力抬升作用對降水影響顯著;地形對氣溫的影響主要體現(xiàn)在地形對輻射分布和對氣流方向、速度的改變。關(guān)于山地地形風的分布特點,傅抱璞[17]指出,在起伏地形中,由于受局地環(huán)流和地形障礙的影響,即使在非常鄰近的地方,其風向也可以很不相同。因此,為了能夠進一步探討地形對氣溫、降水和風速等要素的影響,更加精細、更多樣的地形特征信息的應(yīng)用顯得愈發(fā)重要,這將在今后的研究中做深入探討。