梯度气象观测站数据分析对农业的作用

郭书扬

（兰州大学大气科学院，甘肃兰州 730107）

农业是国民经济的基础，是经济发展的基础。农业是人类社会的衣食之源、生存之本。农业是工业等其他物质生产部门与一切非物质生产部门存在与发展的必要条件。农作物产量是影响农业经济的最主要原因。

农作物的产量除了内在的品种、科技等影响因素外，还有外在的环境因素，如特殊气候[1]。极端天气的出现，气象灾害对农业生产造成不利影响，使农民利益受损、农业经济发展受阻。为此，通过气象观测站的气象资料经过科学研究分析得出相关规律，为保障与提高农作物产量起到重要作用。

气象观测是气象工作和大气科学发展的基础。气象观测数据分析，为天气预报提供基础的气象参数，通过长期积累和统计，整理完善为气候资料，为农业、林业、工业、交通、军事、水文、医疗卫生和环境保护等部门进行规划、设计和研究，提供重要的数据依据。

梯度气象观测站是一个低层大气综合探测系统，集多层、多参量观测系统于一体，实现一定高度内的风温梯度信号参量的综合自动观测。气象数据为研究大气污染、大气边界层物理提供高质量的观测资料，同时提升公共气象服务能力、提高气象预报预测准确率也起着重要作用。

通过气象观测，可以提前了解当地气象状况，做好预防，避免或减轻气象灾害对农作物生产所带来的不利影响，促进农作物的增产增收。因此，气象观测是促进我国农业发展、提高农业经济效益的重要手段之一[2]。

1 梯度气象观测站的概况

1.1 气象站的地理位置

气象站位于甘肃酒泉市金塔县境内，地处东经98°30'00"，北纬 40°19'58.8"，北靠黑山，地处戈壁，地势平坦，场地开阔。金塔县位于甘肃省河西走廊中段北部边缘，东、北与内蒙古额济纳旗毗连，西面与甘肃嘉峪关、玉门、肃北接壤，南与酒泉市和张掖地区的高台县为邻。

气象站所在地的地貌为戈壁、绿洲相间的平缓沙丘，地形起伏较小、开阔。图1为半径40 km范围的地形情况，总体上以北开始有起伏山地出现，在半径40 km范围最大地形高差达500～600 m。

金塔气象站地理位置见图1。

图1 金塔气象站地理位置

1.2 气象站的设计与观测参数

梯度气象观测站主要包括102 m高度的气象铁塔与地面自动观测站。

气象铁塔主体为高102 m，边长至少为1 m的三角形钢结构拉线铁塔。在102 m铁塔上设置有5个气象观测高度10，30，50，75，100 m，安装有风向、风速、温湿度传感器，实现对应高度风向、风速、温度、湿度的观测，并通过变送器、信号线将电信号传输至数据采集器，完成对5层风温梯度信号的处理与转换，并记录每小时16个要素的平均值与极值数据。

地面自动观测站测量的气象要素主要有风向、风速、温度、湿度、气压、雨量、总辐射、净辐射、蒸发。可完成风向、风速、温度、湿度、地温、雨雪量、总辐射、净辐射、气压的实时测量，空气的水蒸气压和露点温度则由相对湿度和温度计算获得，利用实测数据计算出气象要素平均量、阶段时间内的极值等。

气象观测系统由气象铁塔风温梯度测量系统、地面气象诸要素自动观测系统、监控系统平台3个部分构成。该气象观测系统采用先进的观测设备对大气状况不间断、系统地观测和数据收集，并把所得数据存储和处理，提高观测准确性，对天气状况作出预警预报，为现代化农业生产提供及时准确的气象信息服务，帮助农业管理部门应对各种气象灾害，避免或降低气象灾害损失，为现代化农业发展撑起一把保护伞[3]。

2 梯度气象站的数据分析

通过气象塔观测系统获取了2010年9月1日至2012年8月31日2个整年的逐日观测数据，包括风向、风速、温度、湿度、气压等。整个观测系统采用CR3000采集器，结合气象梯度监测站，其中梯度观测指标包括对10，30，70，100 m处的风向、风速和温度。该系统可以用于多层梯度气象观测，每层均可测量风速、风向、温度、湿度平均场等常规参数。以下根据现有2个整年有效观测数据进行分析[4]。

2.1 气温

季、年平均气温（10 m高度）：年均9.58℃，春季10.73℃，夏季25.48℃，秋季9.95℃，冬季-8.19℃。

（1） 逐时气温变化。各高度早晨7:00～10:00出现一天中最低气温，午后的16:00～19:00出现1 d中的最高气温。月最高、月最低气温（10 m高度）：最高气温38.6℃，最低气温-28.5℃。温差变化分析表明，冬春两季各月温差较大，塔层各高度温度差异不大。

（2）逆温。四季中，冬季出现逆温的次数明显高于其他季节，夏季较少。逆温强度变化规律是春冬最强，夏秋季均较弱。时次变化：一般从夜晚21:00开始，逆温逐步增强，至凌晨8:00左右达到峰值，随后开始逐步减弱，4:00～8:00逆温强度较强。各层逆温 （100～10 m，70～10 m，50～10 m，30～10 m） 占观测期间观测总时数的频率分别为42.62%，42.51%，43.47%，42.70%。

（3）气温梯度。观测期间气温的一般时次变化规律为14:00～19:00振幅平缓，9:00～13:00气温变化较剧烈。平均气温下午16:00～19:00最高，早晨7:00～8:00气温最低。每日从7:00开始气温回升，至16:00～19:00达到最高温度后缓慢下降，直至次日早晨出现气温最低值。由各高度气温曲线比较分析表明，每个月都会有逆温出现。

2.2 湿度

四季平均相对湿度36.80%，春季22.18%，夏季32.15%，秋季46.78%，冬季46.49%，观测期间最高99.90%，最低3.68%。

2.3 降水

2010—2011年四季总降雨90h，总降雨量27.7mm，雨量年最大值为2.0 mm。该区春季4月降水偏多（1.0 mm），3月降水最少为0；夏季8月降水偏多（5.7 mm），6月降水最少（2.9 m）：秋季9月最 多（11.2 mm）；11月最少为0；冬季则降水为0。 夏秋季降水次数略多，春季降水次数较少，冬季则无降雨出现，降雨强度均以小雨为主。

2.4 辐射

总辐射年最大值为1 112.I7 W/m2：观测期间净辐射年平均 48.24 W/m2，春季 65.01 W/m2，夏季93.79 W/m2，秋季 30.39 W/m2，冬季 2.42 W/m2，最大 807.98 W/m2，最小 186.99 W/m2。

2.5 蒸发量

平均蒸发量0.49 mm/h，最大蒸发量4.94 mm/h，最小蒸发量0.02 mm/h。

2.6 风向风速

2010—2011年四季平均风速 4.91 m/s，春季5.43 m/s，夏季4.91 m/s，秋季4.44 m/s，冬季4.83 m/s，观测期间最大风速22.55 m/s，最小风速为0。 气象站塔层各高度年均分玫瑰图见图2。

图2 气象站塔层各高度年均分玫瑰图

年主导风向：10 m高度主导风向W，次主导风向WSW，主导和次主导风向的风频分别为14.64%，11.57%。年平均风速为100 m高度6.37 m/s，10 m高度4.60 m/s。显然，平均风速随高度增高而逐步加大。

各高度小风时风频结果表明，各高度E风向风频值略大，但同其他风频相差不大，小风时风频呈现均匀散布的状况。

观测期间该区除1月份大风天气出现较少外，其他各月均有大风天气出现，且主要为偏西气流所控制。

风观测特征：塔址观测点来风以偏西风与偏东风为主，平均风速较大。静风频率较小，100 m高度至10 m高度分别为1.0%，1.0%，1.1%，1.2%，1.8%。

通过2010年9月1日至2012年8月31日梯度气象观测站获取的气象数据分析：总的天气形势夏季气压低、风速小、辐射强、气温高、湿度较小、雨季时雨量较大：冬季气压高、温度低、雨量偏少。

梯度气象观场站：102 m气象观测铁塔与地面自动观测站，对各种气象要素进行观测，以此来分析未来天气的发展趋势，为农业生产作出预警。通过对气象数据分析，可以针对农业生产进行有效的分配，预测各种农作物的生长变化情况，采取相应的措施，对农作物进行干预及保护，提高农业收益。

3 结语

利用铁塔各层高度的风温观测与地面气象站各气象要素：风向、风速、温度、湿度、气压、雨量、总辐射、净辐射、蒸发等观测资料进行数据分析，可得到局地气候的一般性规律。根据此规律，也可以进行数值天气预报，给当地农业生产作出提示，减少农作物受到自然灾害的破坏，也可对当地农业气象部门提供重要的数据支持[5]。

总之，梯度气象观测为气象预报提供了准确、可靠的依据，为当地农业的发展起到了积极、重要的作用。根据梯度气象观测的实测数据，针对农业生产采取有效措施，采取分区分类的方式进行播种，因地制宜，使农业耕种适应气象规律以提高农业生产力，从而有效地促进当地农业的发展。