丽水市白云山森林公园山地立体气候资源分析*

吴昊旻 姜燕敏 强玉华 白云霞 张鑫

(丽水市气象局,浙江 丽水 323000)

0 引 言

中国是多山的国家,山地类型多样复杂[1],当前国内针对山地气候的研究主要集中在川藏、秦岭、南岭等大地形区,如胡继华等通过分析川西高原气候资源,得出亚热带、温带、寒带3个经济发展气候带[2];易新民等结合有关考察资料对川东南立体气候特征进行了分析[3];高翔等分析了秦岭南北坡半个世纪气温与降水的变化趋势及特征[4];刘尉等建立了粤北山区南岭各热量因子与海拔的线性回归模型[5];杜军等利用西藏色齐拉山地区不同海拔的近地面观测资料,探讨了东、西坡局地气候特征差异形成的原因[6]。目前对中国东南部的丘陵山地一带的研究较少,王国新等分析了浙江省临安市山地气候旅游资源时空分布特征[7]。山地气候是气候系统中最为复杂的类型系统[8];不仅气候要素的变异性和稳定性特征复杂,并且其组合类型多样,整个山地气候系统实际上是一个随机系统。正是由于山地气候的这些特点,使任何一个山地系统都能成为一个气候环境多样,气候资源丰富的多功能气候系统,对于人类社会经济发展来说,具有明显的优越性[9-10]。

丽水市地处浙江省西南部山区,属亚热带湿润气候,温暖湿润,雨量充沛,四季分明,无霜期长。地势以中山、丘陵地貌为主,由西南向东北倾斜。西南部以中山为主,有低山、丘陵和山间谷地;东北部以低山为主,间有中山及河谷盆地,是个“九山半水半分田”的地区,具有明显的山地立体气候特征。丽水森林覆盖率80.79%;海拔1000 m以上山峰3573座。2014年,丽水荣膺“中国气候养生之乡”;2017年3月,入选中国首批气候适应型城市,气候生态优势显著。以往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、模型以及DEM空间模拟等方法求得[11]。这些方法虽然能反映山区气候的一般趋势,但是不能真实地显示复杂地形条件下的小气候特征。加上以前山地气候观测资料稀少,气候空间差异大,对山地气候变化的研究很少。随着气象现代化发展,丽水的自动气象站密度一直在增加,目前平均站点间隔已经达到6 km,为研究丽水山地小气候变化提供了数据基础。丽水白云山森林公园位于丽水城北部2 km处,与城区接壤,森林茂密,绿海万象,是徒步健身、避暑休闲、旅游观光的好去处,总面积达2666.6 hm2,是丽水的后花园,也是城市的天然生态屏障。本研究结合地形实际,利用白云山森林公园的自动气象站数据,初探丽水白云山山地气候特点,分析其热量、降水、风速的立体气候资源分布,以便为打造宜居气候、推进丽水生态气候资源开发提供理论基础和科学依据。

1 资料与方法

近年来白云山森林公园山脚、山腰、山顶等不同海拔架设了自动气象监测站,为系统地对白云山进行山地立体气候方面的观测与研究提供了气象资料。

资料主要来源于白云山5个不同海拔自动气象站数据(区域站点信息见表1),由于区域站启用时间不一样,选取共有的时间段2014—2017年4 a逐时、逐日的气温、降水、风速等气象要素资料,应用数理统计方法,研究不同时间尺度白云山立体气候资源随时间和高度的变化规律。

表1 白云山森林公园区域自动站站点信息统计表

2 白云山森林公园气温立体气候变化特征

2.1 气温立体日变化特征

图1给出了丽水白云山森林公园不同海拔温度的日变化趋势。图1a中可以明显看出,不同海拔的温度日变化特征基本一致,低海拔地区气温较高,高海拔地区气温较低。海拔170 m的绿谷庄园日平均气温18.9 ℃,随着海拔的升高,气温逐渐降低,450、640、756 m处的日平均气温分别为17.0、16.0和15.4 ℃,而在接近白云山顶的1072 m日平均气温只有13.2 ℃。日平均气温从山脚(170 m)到山顶(1072 m)下降了约5.7 ℃,平均每100 m约降低0.63 ℃。但在一天的不同时刻,气温随海拔降低的幅度是不同的,变幅较大的是在午后13:00—18:00时,海拔每升高100 m,气温下降约0.8 ℃(0.76～0.82 ℃),其中以16:00时气温随海拔递减率最大(0.82 ℃/100 m);其次在11:00—12:00时和19:00—21:00时,海拔每升高100 m,气温下降约0.7 ℃(0.66～0.73 ℃);随后在09:00—10:00时和22:00—01:00时,海拔每升高100 m,气温下降约0.6 ℃(0.55～0.63 ℃);而在夜间02:00—08:00时,海拔每升高100 m,气温下降约0.5 ℃(0.46～0.54 ℃),其中以06:00时气温随海拔递减率最小(0.46 ℃/100 m)。图1a中K9091和K9092站的温度在09:00时有轻微的交叉,可能与两个站点所处的坡向相关,位于东坡的K9091站比西坡的K9092站接受太阳辐射更早。

图1 丽水白云山森林公园气温随海拔的日变化特征

不同海拔温度的日变化还可以看出,都是午后14:00左右最高(19.5 ℃),早晨06:00前后最低(13.6 ℃),但是随着海拔的增加,气温日较差逐渐缩小,在海拔170 m处气温日较差有7.5 ℃,在海拔450 m处气温日较差缩小为6.3 ℃,在海拔640 m和756 m处气温日较差分别为5.6 ℃和5.8 ℃,而在海拔1072 m处气温日较差只有4.4 ℃。说明山脚气温变化幅度较大,随着海拔升高,气温变幅缩小,山顶气温变幅最小,相对稳定少变。结合图1b可以看出,各海拔都是白天温度明显高于夜间,而且在低海拔白天和夜间的温度差更明显(170 m相差4.2 ℃),高海拔温度差明显缩小(1072 m山顶相差2.5 ℃)。白天的气温随海拔的递减率(0.73 ℃/100 m)明显大于夜间(0.54 ℃/100 m)。

图2 丽水白云山森林公园气温随海拔的年变化特征

2.2 气温立体年变化特征

丽水白云山森林公园气温的年变化特征如图2所示。不同海拔的气温月变化曲线均呈单峰分布(图2a),峰值出现在7月,谷值出现在1月。气温随着海拔的升高而逐渐降低,海拔1072 m的白云山气温最低(年平均气温13.2 ℃),海拔170 m的绿谷庄园温度相对最高(18.9 ℃),其他3站点气温居中。另外,随海拔升高,气温年较差减小,山顶的白云山站气温年较差19.5 ℃,山脚的绿谷庄园气温年较差20.7 ℃,但幅度不大(1.2 ℃)。年平均气温随海拔递减率降低为0.6 ℃/100 m,不同月份气温随海拔递减率有所差异,以7月最高,1月最低。海拔每升高100 m,7—10月份气温下降约0.7 ℃(递减率0.68～0.70 ℃/100 m),1—6月和11—12月气温随海拔的递减率约0.6 ℃/100 m(0.57～0.63 ℃/100 m)。

根据白云山森林公园四季温度随海拔变化特征(图2b)可以看出,夏季温度最高(5站点平均温度24.6 ℃),冬季气温最低(6.5 ℃),秋季和春季居中,且秋季(17.7 ℃)高于春季(15.5 ℃),年平均气温也比较舒适(16.1 ℃)。不同季节气温都是随海拔升高而降低的,四季温度递减率变幅也较为接近,分布在0.59 ℃/100 m(冬季)～0.66 ℃/100 m(夏季),相差不大。

3 白云山森林公园降水立体气候变化特征

3.1 降水立体日变化特征

从丽水市白云山森林公园不同海拔降水的日变化特征(图3a)可以看出,白云山森林公园降水主要集中在午后至上半夜时段(13:00—23:00),且在傍晚17:00(5站点平均小时降水量0.30 mm)出现峰值;除此以外,在上半夜20:00也出现1个次峰值(0.26 mm)。不同海拔的降水总体随时间变化趋势一致,只是变化幅度稍有差异,总体表现为中海拔的3个站点(快活林450 m,实验林场640 m和陈寮山756 m)的降水量比高海拔站点(白云山1072 m)和低海拔站点(绿谷庄园170 m)降水量偏高。

白天和夜间降水量对比(图3b)来看,白天降水明显多于夜间,主要是因为午后降水较多,以及17:00点最大降水出现在白天段(08—20时)。降水随海拔变化,无论白天还是夜间,都呈现出“先增多,后减少”的变化趋势,中间3个海拔的降水量明显多于山顶和山脚,尤其是640 m高度降水量最为明显。

图3 丽水白云山森林公园降水随海拔的日变化特征

3.2 降水立体年变化特征

根据白云山降水的年变化特征(图4a)可以看出,不同海拔降水量的月变化趋势基本一致,降水量峰值都出现在6月,次峰值出现在8—9月。从天气形势角度出发,5—6月又被称为主汛期,初夏梅雨期,多连阴雨天气,雨量集中,暴雨次数多,常造成洪涝灾害,降水比其他月份明显偏多;8—9月经常受到热带气旋的影响,是台风影响最频繁的时候,雨量较为充沛,因此也称这段时间为台汛期,降水也相对较多[12]。而秋、冬季则多受高压系统控制,天气晴朗少雨,降水明显偏少。不同海拔降水对比来看,整体表现为中间海拔的3个站点,快活林450 m、实验林场640 m和陈寮山756 m的年降水量(分别是1665.4 mm、1704.9 mm和1680.4 mm),比高海拔站点白云山1072 m(年降水量1458.8 mm)和低海拔站点绿谷庄园170 m(年降水量1403.3 mm)降水量明显偏多。降水还与坡度有一定关系[13],今后将结合GIS做进一步分析。

图4 丽水白云山森林公园降水随海拔的年变化特征

白云山森林公园季节降水随海拔变化特征(图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),随之是秋季(9—11月331.1 mm),冬季最少(12—次年2月162.0 mm)。另外,海拔较高观测点(1072 m的白云山)和较低观测点(170 m的绿谷庄园)降水比中间区域(海拔在450、640和756 m的快活林、实验林场和陈寮山)的降水量明显偏少,即降水量随着海拔的增加都是先增大后减小的,在海拔600～800 m之间降水量较大。综合来看丽水白云山森林公园的最大降水高度约为海拔700 m左右,在最大降水量高度700 m以下降水量随海拔的增加而增大,其中以夏季降水量随海拔的递增率(41.0 mm/100 m)最大,过了最大降水高度,降水量随海拔增加而减少。

4 白云山森林公园风速立体气候变化特征

4.1 风速立体日变化特征

从白云山森林公园风速随海拔的日变化特征(图5a)可以看出,1072 m的白云山顶风速最大,日平均风速4.7 m/s,由于山顶地势空旷,下垫面摩擦作用小,风速在各时段都明显大于其他高度,夜间风速较为平稳,约5.2 m/s,在21:00达到最大值5.4 m/s,但在白天段08:00—20:00形成一个风速低谷,尤其是午后14:00左右风速达到最低值(3.5 m/s,与最大风速相差1.8 m/s)。756 m的陈寮山站风速较山顶(白云山站)明显减小,日平均风速2.4 m/s,风速随时间也是“先减小,后增大”的变化趋势,但变幅明显减小,最大与最小风速仅相差0.8 m/s。3个低海拔的风速日变化趋势较为相似,风速由高到低分别是170 m绿谷庄园(1.6 m/s),450 m快活林(1.2 m/s),最低的是640 m的实验林场(仅1.1 m/s),这与站点分布的地理位置、坡向坡度、植被密度等因素有关,实验林场周边植被茂密,一定程度上阻碍了空气的流通,从而降低了风速。低海拔的3站点,风速日变化特征与高海拔的相反,随时间“先增大,后减小”的变化趋势,在白天段08:00—20:00形成一个小高峰,从上午08:00左右风速开始逐渐增大,在午后15:00左右达到最大值,随后再逐渐减小,风速最低值出现在早晨07:00左右。

图5 丽水白云山森林公园风速随海拔的日变化特征

白云山风速随海拔变化(图5b)来看,风速都是随高度先减小后增大,其中夜间风速随海拔的变化幅度更大。另外,白天与夜间风速曲线在海拔700 m左右出现交叉,即700 m以上高度,夜间风速大于白天,700 m以下高度,白天风速大于夜间。

4.2 风速立体年变化特征

白云山风速年变化趋势如图6a所示,不同海拔月平均风速白云山顶最高(7.6 m/s),实验林场最低(2.8 m/s),这与林场周边植被茂密,下垫面风阻较大有一定关系。白云山顶植被较为稀疏,地势空旷,风速变化受下垫面的影响较小,比较有代表性,山顶风速随月份主要表现为“先增大,后减小”的趋势,形成“两峰两谷”的分布特征,3—8月风速相对较大,其中6月风速最大(9.0 m/s),次峰值在4月(8.5 m/s),2月和9月风速最小(均为6.7 m/s)。而其他几个海拔风速受白云山森林公园茂密树林分布的影响较大,风速随月份波动变化为主,变化幅度不一致,风速峰值和谷值出现时间也不一致。

图6 丽水白云山森林公园风速随海拔的年变化特征

四季风速相差不大(图6b),春、夏季风速稍大(4.6 m/s),秋、冬季风速稍小(4.1 m/s)。风速随海拔都表现为先减小后增大,640 m实验林场是风速变化的转折点,640 m以下风速递减率较小,随海拔每升高100 m,风速下降0.1 m/s(冬、春季)～0.2 m/s(夏、秋季);640 m以上风速随海拔快速递增,每升高100 m,风速约增加1.0 m/s(冬季)～1.3 m/s(夏季)。随着海拔的增加,风速受下垫面的影响减小,风速增加也较为明显。

5 白云山森林公园气象要素相关分析

表2为不同海拔的5个站点气温、风速和降水的相关系数统计。日相关系数统计表明:平均风速与降水关系密切,在所有高度均呈现出显著相关。由相关系数的符号判断,在756 m海拔以上,随着风速的增加,降水将减少,在640 m及以下则相反。气温与平均风速的相关系数尚可,除白云山站以外,其他4个站点均表现出显著或极显著正相关关系。气温与降水的相关性则一般,5个站点均未通过显著性检验。年相关系数显示,气温和降水的相关性较好,5个站均通过显著性检验,白云山站和快活林站甚至通过0.01显著性水平,其他要素相关性一般。郭凤霞[14]在研究中底层水平风速对降水影响数值模拟结果中指出中低层水平风速在一定范围内增长将使降水增多,但若风速过大,降水将减少,表2的研究结果进一步验证了此结论。

表2 丽水白云山森林公园气温、风速和降水日变化相关特征

注:**代表P>0.01,*代表P>0.05。

6 结 语

1)丽水白云山森林公园气温日变化,午后14:00最高,早晨06:00最低。随着海拔的增加,气温逐渐降低的同时气温日较差也随之缩小。日平均气温随海拔的递减率约0.6 ℃/100 m,午后较高(0.8 ℃/100 m),夜间较低(0.5 ℃/100 m)。白天温度明显高于夜间,白天的温度随海拔递减率(0.7 ℃/100 m)也明显大于夜间。气温年变化,7月最高,1月最低,随着海拔的升高,年平均气温降低,同时气温年较差也减小。年平均气温随海拔递减率0.6 ℃/100 m,其中7—10月较高(约0.7 ℃/100 m)。

2)丽水白云山森林公园降水量日变化,午后至上半夜降水较多,傍晚17:00出现峰值,20:00降水次之。降水峰值出现时段与华东初夏降水的日变化[15]分析中结论一致,丽水降水在午后至傍晚的峰值很明显。降水量年变化,梅雨期雨量集中,6月出现峰值,台汛期多热带气旋的影响,次峰值出现在8—9月。降水量随海拔先增加后减小,最大降水量高度约为700 m左右,在700 m以下降水量随海拔的增加而增大,700 m以上降水量随海拔的增加而减少。

3)丽水白云山森林公园风速日变化,山顶风速最大(地势空旷),实验林场最小(树木茂密),风速随高度先减小后增大,高海拔地区夜间风速大于白天,低海拔地区白天风速大于夜间。风速年变化,高海拔地区3—8月风速相对较大,2月和9月较小,风速随海拔递增率较大;低海拔地区风速受下垫面影响波动变化为主,随海拔递减率较小。显著性检验结果表明,白云山森林公园的平均风速对气温和降水的影响均较大,尤其是降水。

4)王利溥[16]在研究地形对气温和降水的影响时指出:大气水汽含量随海拔增加而减少、地形起伏造成的局地环流能促进上升运动和地形对气流的动力抬升作用对降水影响显著;地形对气温的影响主要体现在地形对辐射分布和对气流方向、速度的改变。关于山地地形风的分布特点,傅抱璞[17]指出,在起伏地形中,由于受局地环流和地形障碍的影响,即使在非常邻近的地方,其风向也可以很不相同。因此,为了能够进一步探讨地形对气温、降水和风速等要素的影响,更加精细、更多样的地形特征信息的应用显得愈发重要,这将在今后的研究中做深入探讨。