鄱阳湖区域关键气候要素变化特征

吴 琼，张超美，许 彬，谢佳杏

(江西省气候中心，江西 南昌 330096)

引 言

水陆地表性质的不均匀性导致地表的热力差异，往往会对区域气温、降水等天气气候要素产生影响[1]。国外有关湖泊对气候的影响研究起步较早[2]，主要集中在北美五大湖地区，研究表明五大湖对周边区域的气压场、降水和风场的季节性影响明显，对冬季低压和降水有加强作用，对夏季午后阵雨有抑制作用[3]；湖陆间的地表性质不同导致形成的风称为湖陆风，五大湖地区春夏季节会出现明显的湖陆风，且东岸湖陆风比西岸出现频率高[4]；白天和夜间五大湖对气候的影响也存在不同，湖效应降水主要发生在午后到夜间[5]。

鄱阳湖是我国最大的淡水湖，是重要湿地和候鸟越冬地，具有极其重要的气候、水文与生态调节功能，维系着长江流域中下游地区的生态环境平衡和资源的高效、有序利用。气候变化对区域农业生产和生态环境质量会产生明显影响[6-7]，因此研究和揭示鄱阳湖地区的气候变化特征具有重要价值。湖泊对天气过程的影响多通过个例分析开展[8-11]，而研究湖泊对气候的影响则需要一定历史长度的资料，有关鄱阳湖气候的最早资料可追溯到流域地方志、奏折等古文献记载，研究发现鄱阳湖流域及各子流域的干旱、洪涝频次呈明显周期性变化[12]。近年来鄱阳湖流域平均气温呈上升趋势且低于全国平均气温倾向率[13-14]，其中冬季升温趋势明显，夏季升温则不显著[15]；鄱阳湖流域的降水集中度在增加[16]，相比年降水量而言，其极端降水的变化趋势更明显[17]；鄱阳湖湖陆风存在季节变化，夏季湖陆风相对更强，同时东西方向湖陆风强度更强[18-20]。针对鄱阳湖及其子流域整体气候特征的研究相对较多，不同时间尺度的区域内差异分析则涉及较少，本文通过鄱阳湖东西两侧气象站点气候要素的对比，揭示鄱阳湖湖东与湖西区域不同时间尺度的气候差异特征，以期为鄱阳湖地区局地天气预报、风能资源开发、环境保护等提供一定的科学依据。

1 资料与方法

1.1 资 料

鄱阳湖地区东西方向湖陆风强度比南北方向更强[20]，当鄱阳湖地区出现关键天气活动如夏季汛期西南气流建立、冬季西北冷空气南下时，由于鄱阳湖主体呈南北走向，南部为主湖区，湖体的冷热源作用往往容易造成东西侧的气候要素差异，综合考虑气象台站的位置分布，以及台站资料是否连续一致(南昌气象站1997年进行了搬迁)，最终选取湖西3个气象站(德安、永修和新建)和湖东3个气象站(都昌、鄱阳和余干)开展鄱阳湖区域的气候差异性对比分析，图1为鄱阳湖位置和选取的国家气象站分布。

图1 鄱阳湖(蓝色阴影)和气象站点分布Fig.1 The location of the Poyang Lake (the blue shaded) and distribution of selected national meteorological stations

鄱阳湖周边6个国家气象站1961—2018年逐日降水量、平均气温、最高气温、最低气温、一日四次(02:00、08:00、14:00、20:00，北京时，下同)风速风向资料和1978—2018年逐时降水观测资料来源于江西省气象信息中心；1979—2018年分辨率为0.125°×0.125°的全球大气再分析格点资料来自欧洲中期数值预报中心(ERA-Interim)。

1.2 研究方法

高温日数是指日最高气温≥35 ℃的日数；气温日较差为日最高气温减最低气温：

ΔT=Tmax-Tmin

(1)

式中：ΔT(℃)为气温日较差；Tmax、Tmin(℃)分别为日最高气温和最低气温。

小时降水事件：定义初始1 h降水量≥0.1 mm的时次记为降水事件发生时刻，降水发生后出现连续2 h无降水，则判定降水事件结束，结束时刻为最后出现降水的时刻。降水事件历时为降水开始时刻至结束时刻的持续时间，降水事件历时1～6 h、7～12 h、13～18 h分别称为短历时、中历时、长历时降水事件。

对风向分16个罗盘方位观测，累计某一时期内(一季、一年或多年)各个方位风向的次数，风向频率为各个风向发生的次数占该时期内各方位总次数的百分比。

2 气温差异

2.1 气温日较差

图2为1961—2018年江西省平均气温日较差空间分布。可以看出，鄱阳湖地区平均气温日较差较小为6.7～8.0 ℃，较江西省山区偏小2.0～4.0 ℃。江西省边界山区平均气温日较差较大，其中最大地区达10 ℃以上。分析江西省各月平均气温日较差空间分布(图略)也发现，鄱阳湖区域各月平均气温日较差均最小、江西省边界山区大；6月平均气温日较差相对较小，4月和10月相对较大。

图2 1961—2018年江西省平均气温日较差分布(单位：℃)Fig.2 Distribution of mean diurnal temperature range in Jiangxi Province from 1961 to 2018 (Unit: ℃)

鄱阳湖不同时期的冷热源作用，在地区气温的变化中具有减缓器作用，使得鄱阳湖地区气温日较差变小，同时极端气温出现概率也大大降低。图3为1961—2018年江西省年平均高温日数分布。可以看出，鄱阳湖及其偏北地区和赣南南部丘陵山区年平均高温日数较少，约11～20 d，较其他大值区域偏少20～40 d。与平均气温日较差分布特征不同的是，年平均高温日数小值区分布在鄱阳湖以北地区，查看全国气候整编资料发现，鄱阳湖地区全年多盛行北风，但夏季南风频率明显增加，即7月高温时期主要盛行南风，因而湖面空气向北输送更多，形成鄱阳湖以北区域高温日数较少的分布特征。

图3 1961—2018江西省年平均高温日数分布(单位：d)Fig.3 Distribution of annual average high temperature days in Jiangxi Province from 1961 to 2018 (Unit: d)

水体和陆地的比热容差异，导致水体温度和水面气温存在差异，湖泊影响邻近陆地气温，使整个湖区及周边区域气温场发生变化，同时气温场的差异导致湖陆风的形成，从而对周边区域进行冷暖输送。

2.2 湖东、湖西月平均气温差异

图4为1961—2018年鄱阳湖湖西与湖东平均气温的月变化。可以看出，鄱阳湖区域7月气温最高，平均气温为30.0 ℃左右，1月气温最低，平均气温5.0 ℃左右。同时，鄱阳湖东侧气温始终比西侧偏高0.2～0.5 ℃，其中8月温差最大，为0.5 ℃。

图4 1961—2018年鄱阳湖湖西与湖东平均气温的月变化Fig.4 Monthly variation of average temperature in the west and east side of the Poyang Lake from 1961 to 2018

湖西德安站的气温日较差最大，选取湖东与德安站纬度相当的都昌站进行对比，分析鄱阳湖两侧最高气温、最低气温变化差异(图5)。由图5可以看出，德安站各月平均最高气温均高于都昌站，但差异较小，而都昌站各月最低气温均高于德安站，且7、8月差异较明显，可见夏季鄱阳湖冷源作用对都昌站的影响更明显。

图5 1961—2018年德安与都昌站平均最高气温(a)、最低气温(b)逐月变化Fig.5 The monthly changes of mean maximum temperature (a) and minimum temperature (b) at De’an station and Duchang station from 1961 to 2018

3 降水差异

3.1 年均降水量

图6为1961—2018年江西省年平均降水量的空间分布。可以看出，全省年降水量分布不均，总体呈南北少东西多的分布。江西降水量主要集中在雨季(4—6月)，此时江西地区多盛行东北或者西南风，东西部山脉区存在迎风坡地形容易发生降水，年平均降水量达1600～1900 mm，而鄱阳湖平原地区年平均降水量偏少，为800～1500 mm。分析江西省各地区年均降水小时数(图略)发现鄱阳湖地区最少，为800～900 h，较赣东北部偏少3～4成；小时降水强度鄱阳湖地区较江西省其他地区偏大(图略)，其值为1.7～1.9 mm·h-1。

图6 1961—2018年江西省年均降水量空间分布(单位：mm)Fig.6 Spatial distribution of annual average precipitation in Jiangxi Province from 1961 to 2018 (Unit: mm)

3.2 湖东、湖西月降水量差异

图7为1961—2018年各年代鄱阳湖湖东与湖西的年均降水差百分比逐月变化。可以看出，各年代湖东与湖西降水均呈年内周期性差异变化，湖两侧1—12月降水差呈现“V”型分布：1月湖东降水偏多明显，其中2011—2018年1月差异最大，偏多26.5%，随后降水差异逐月缩小直至夏季湖西降水开始偏多，8、9月最明显，其中2001—2010年9月湖西降水最大偏多23.6%，之后湖东降水开始逐月增多。

不同季节鄱阳湖对区域降水影响不同，6月底前鄱阳湖主要以热源作用为主，进入7月则以冷源作用为主[11]。江西地区汛期前后水汽多为由西向东输送，冬春季鄱阳湖对降水具有促进作用，热源作用对湖东侧降水有利，而夏秋季鄱阳湖对降水的抑制作用则导致东侧降水减少。不仅如此，鄱阳湖冷热源在不同时期的作用大小也有差异，在隆冬、盛夏对湖两侧降水的影响更大。

3.3 湖东、湖西不同历时降水差异

挑选湖东、湖西降水差异明显的1月和9月，识别降水事件，统计分析降水事件历时特征(图略)，发现鄱阳湖区域1月主要为中历时降水，占比26.9%；9月短历时降水明显偏多，占比35.9%。

图8为1978—2018年1月、9月湖两侧不同历时降水的降水量差。可以看出，1月湖两侧短历时的降水量几乎无差异，而中、长历时降水湖东明显偏多，降水量平均偏多16.1、21.6 mm；9月湖两侧中、长历时降水的降水量差异不明显，而短历时降水的降水量湖西明显偏多，且平均偏多29.4 mm。可见，1月鄱阳湖促进湖东侧降水主要表现为中、长历时降水事件增多，9月鄱阳湖抑制湖东侧降水主要体现在短历时降水事件的减少。

图7 1961—2018年各年代鄱阳湖湖东与湖西年均降水差百分比逐月变化Fig.7 Monthly variation of percentage of average annual precipitation difference between the east and west side of the Poyang Lake in each decade during 1961-2018

图8 1978—2018年1月(a)、9月(b)鄱阳湖湖东与湖西不同历时降水事件的降水量差Fig.8 The difference of precipitation with different durations between the east and west side of the Poyang Lake in January (a) and September (b) from 1978 to 2018

鄱阳湖对降水的影响大小并不仅仅受制于冷(热)季湖泊热(冷)源的强弱，湖泊对降水产生影响需要满足一定的条件，如低层气流必须要较长时间经过鄱阳湖水面，从而保证水面与低层大气之间的相互作用时间足够长，天气系统相对较弱或移过湖面较慢时，湖体作用会更加明显[2]。1月鄱阳湖地区主要为中、长历时降水事件，湖面作用时间更长，9月则多为短历时降水事件，两个月湖两侧的降水差异均较明显，可见鄱阳湖对区域降水不同月份所呈现的促进和抑制作用均比较明显。

3.4 湖东、湖西逐时降水量差异

图9为1978—2018年1月和9月鄱阳湖两侧降水量的逐时变化。可以看出，1月，湖东夜间降水比湖西明显偏多，尤其在18:00至次日07:00较明显；9月，湖西白天降水比湖东明显偏多，偏多时段主要在10:00—16:00。

除了季节变化影响外，由于水陆比热差异导致湖温和气温的昼夜变化亦会使鄱阳湖对过湖天气系统产生影响，表现为白天鄱阳湖呈冷源作用，夜间呈热源作用。1月，鄱阳湖夜间的热源作用更明显，夜间对东侧降水的促进更明显，因此18:00至次日07:00湖东侧降水明显偏多，而9月白天冷源作用更强，鄱阳湖对东侧降水的抑制作用更强，其中10:00—16:00湖东降水偏少明显。

4 风场差异

4.1 近地面风

4.1.1 湖东、湖西近地面风速差异

鄱阳湖冷热源作用对周边风场也会产生影响，水体和陆地冷热变化的不同形成鄱阳湖地区风的辐合辐散，形成湖陆风，会影响局地大气的上升(下沉)运动。根据夏季和冬季盛行风向，选取鄱阳湖两侧的永修站和都昌站进行一日四次(02:00、08:00、14:00、20:00)风速的月平均变化分析。从图10可以看出，永修站和都昌站各月14:00平均风速均最大，大部分月份02:00平均风速最小；5—10月湖东都昌站14:00平均风速比湖西永修站明显偏大，且8月偏大最明显，但相应月02:00两站平均风速差异不明显；11月至次年5月湖西永修站02:00平均风速均大于都昌站，且1月最明显，而相应月份14:00两站平均风速几乎无差异。

图9 1978—2018年1月(a)、9月(b)鄱阳湖湖西与湖东降水量的逐时变化Fig.9 The hourly variation of precipitation in the west and east side of the Poyang Lake in January (a) and September (b) from 1978 to 2018

图10 1961—2018年永修与都昌站02:00、08:00、14:00、20:00风速月平均变化Fig.10 The monthly variation of mean wind speed at 02:00 BST, 08:00 BST, 14:00 BST, 20:00 BST at Yongxiu and Duchang station from 1961 to 2018

鄱阳湖属亚热带湿润季风型气候，冬春季常受西伯利亚冷气流影响，盛行偏北风，此时凌晨鄱阳湖热源作用明显，湖西侧的永修站出现西风分量的湖陆风，因而永修站西北风加强；秋季为太平洋副热带高压控制，盛行偏南风，午后鄱阳湖为较强冷源作用，湖主体北侧的都昌站受南风分量的湖陆风影响，风速加强。

4.1.2 湖东、湖西近地面风向频率差异

根据永修站和都昌站风速月平均差异特征，分别讨论1月和8月两个时次(02:00、14:00)的平均风向频率差异。从图11可以看出，永修站1月02:00 SSW至NNW风向频率大于14:00，其中W、NNW风向偏大明显；02:00 NNE至SE风向频率小于14:00，其中NNE、NE、ENE风向偏小明显。永修站8月02:00 SSW至N风向频率基本都大于14:00，其中SSW、NW、NNW、N风向偏大明显；02:00 NNE至SE风向频率基本小于14:00，其中NNE、NE、ENE、E偏小明显。都昌站1月02:00 NNE至ESE风向频率基本大于14:00，其中NNE、NE风向偏大明显，其余风向频率基本小于14:00，其中S风向偏小最明显。都昌站8月02:00 N至ESE风向频率基本大于14:00，其中NNE、NE偏大明显；02:00 SE至SW风向频率基本小于14:00，其中SE至S风向偏小明显。

鄱阳湖1月受西伯利亚冷气流影响，盛行偏北风，夜间02:00比午后14:00热源作用更明显，永修站位于鄱阳湖西侧，受西风分量的湖陆风影响，因而西风和西北风频率增大；8月鄱阳湖为太平洋副热带高压控制，盛行偏南风，午后14:00鄱阳湖冷源作用比夜间02:00明显，都昌站位于鄱阳湖主体的北侧，受南风分量的湖陆风影响，南风频率明显增大。

4.2 等压面风场

图12为1979—2018年1月和8月水平风场两个时次(02:00、14:00)的差值场分布。可以看出，1月和8月呈现明显相反的差值场分布特征。1月(02:00减14:00)鄱阳湖区域近地面风场辐合，湖主体部分以及东北侧东北风明显，鄱阳湖区域以西西风明显。8月(14:00减02:00)水平风场差值分布则呈相反特征，由于午后鄱阳湖的冷源作用，鄱阳湖区域近地面风场辐散，湖东侧西风明显，区域以西东风明显，而湖以南地区北风明显。

4.3 大气垂直运动

图13为1979—2018年1月、8月大气垂直速度差值场纬向分布。可以看出，1月(02:00减14:00)，由于鄱阳湖凌晨热源作用明显，鄱阳湖湖面低压加强，区域地面气流辐合加强，鄱阳湖主湖区(115.8°E—116.8°E)低层为上升运动，湖东西两侧均为下沉运动；8月(14:00减02:00)，鄱阳湖午后为冷源作用，鄱阳湖湖面高压加强，区域地面气流辐散加强，鄱阳湖主湖区(115.8°E—116.8°E)低层为下沉运动，湖东西两侧均为上升运动。

图11 1961—2018年永修站(a、b)与都昌站(c、d)1月(a、c)、8月(b、d)02:00与14:00平均风向频率(单位：%)Fig.11 The monthly mean wind direction frequency at 02:00 BST, 14:00 BST in January (a, c) and August (b, d) at Yongxiu (a, b) and Duchang (c, d) station from 1978 to 2018 (Unit: %)

图12 1979—2018年1月02:00与14:00(a)、8月14:00与02:00(b)1000 hPa水平风差值场(单位：m·s-1)Fig.12 The difference field of horizontal wind on 1000 hPa in January between 02:00 BST and 14:00 BST (a), and in August between 14:00 BST and 02:00 BST (b) from 1979 to 2018 (Unit: m·s-1)

5 结论与讨论

(1)受鄱阳湖冷热源作用的影响，鄱阳湖地区气温日较差最小，较江西省山区偏小2～4 ℃；高温日数是江西同纬度其他地区的一半；各月鄱阳湖东侧平均气温始终比西侧偏高0.2～0.5 ℃。

(2)鄱阳湖地区降水量较江西其他区域偏少，由于鄱阳湖不同季节呈现的不同作用，湖两侧降水呈现年内周期性差异变化，8—10月湖西降水偏多，其中9月最明显，其他月份湖东降水偏多，其中1月最明显；湖两侧降水历时也存在明显差异，1月湖东中长历时降水事件明显偏多，而9月湖西短历时降水事件明显偏多；同时，湖两侧白天和夜晚的降水也存在差异，1月湖东夜间降水明显偏多，9月湖西白天降水明显偏多。

(3)鄱阳湖地区存在湖陆风，湖两侧近地面风场存在差异，1月湖西(永修站)02:00平均风速比湖东(都昌站)明显偏大，8月湖东14:00平均风速明显偏大。白天和夜晚鄱阳湖对风场的影响不同，1月02:00相较于14:00湖西(永修站)W和NNW方向风向频率偏大明显，8月14:00相较于02:00湖东(都昌站)SE至S方向风向频率偏大明显。鄱阳湖主湖区1月02:00较14:00大气上升运动明显，鄱阳湖区域近地面差值风场辐合，8月14:00较02:00下沉运动明显，鄱阳湖区域近地面差值风场辐散。

鄱阳湖的冷热源作用以及湖两侧气候差异事实，在指导气象预报和服务上具有一定的意义。鄱阳湖地区温差小、高温日数少，适合天然氧吧等生态舒适区的建立；鄱阳湖不同时间尺度上两侧降水差异对预报预测业务提供一定的技术参考，同时易出现长历时降水的地区需要更多关注洪涝以及衍生灾害的发生；风速风向的差异分布可为鄱阳湖平原地区风能资源的利用开发提供一定技术支撑。本文从气候尺度上揭示鄱阳湖地区的气候特征，以及区域内的气候差异，一些认识处于揭示现象阶段，相应的理论需要进一步完善。