燕山南北兩側氣候差異性探究

柴博語

摘要 本文將研究著眼于燕山的坡向、海拔、與海的距離等地理因素，探究產生如溫度降水等這些氣象因子上的較大差異的原因。得到如下的結論：（1）燕山的存在加大了南、北坡氣溫和降水上的差距，坡向為影響氣溫和降水的主要因子，與年平均溫度的相關系數達到了0.824，與年降水量的相關系數達到了0.818。（2）燕山起到了阻擋水汽的作用，使北坡降水量明顯小于南坡，燕山地區夏季易出現暴雨，受海陸因素影響，燕山地區年降水量較大值出現在南坡東段，受地形因素影響，極端降水較大值出現在南坡西段。（3）根據水熱條件，燕山山脈沿線站點可分為3類。

關鍵詞 燕山;氣象因子;溫度;降水

中圖分類號：P462

文獻標識碼：B

文章編號：2095-3305（2021）02-087-03

1研究背景

通過對燕山南北坡之間各氣象因子如溫度、降水等的研究，使燕山附近的居民更好地利用氣候條件來進行生產生活，并合理利用開發山區，同時對北京及附近地區的氣候研究、防災減災具有一定的參考價值。

前人針對燕山及其他山脈在氣候變化背景下發生的氣候條件的變化進行了許多研究，也有些研究著眼于山脈的氣候對農業生產的影響進行研究，發現我國多地普遍存在積溫帶移、上移的特點，而燕山地區西部積溫帶移動不明顯，東部地勢較緩和地區暖溫帶北界明顯北移。燕山山脈處在一個比較重要的位置——北京附近，有了燕山山脈的影響，才出現了類似“7·21”這類極端的天氣事件，而人們當時對這類暴雨的預報和應對還存在定的問題，所以研究燕山的各項氣候因子，對老百姓的生活生產具有實際意義的。研究大地形對局部地區天氣和氣候產生的影響的預測，是當下困擾人們的難題，如果把這件事解決，其在將來的應用將遍布農業生產、防災減災等各個方面，有著廣泛的應用前景。再加上燕山同我國其他很多山脈一樣，南北兩側的氣候條件大不相同，所以，有必要對燕山山脈對各項氣象因子的影響進行研究。本文針對過去研究不足的方向，對燕山具體溫度、降水等情況進行了研究分析。

2資料與方法

2.1研究資料來源

本文所用研究氣象資料包括每日最高溫度、最低溫度、平均溫度、降水量等，均來自中國氣象數據網（htpe：//data.cma.cn），海拔、地形、與海的距離等地理資料來自地理空間數據云（gscloud.cn）。氣象數據選取19512017年燕山南北坡共8個站的數據，所選測站均為基準站或基本站，已經過訂正，具有較高的精度，缺測數據已篩除。

2.2研究方法

進行同緯度無山（或少山）情況下的對照實驗和顯著性假設檢驗，然后進行主成分分析，找出影響燕山山脈地區各地溫度差異的最主要因素，之后，繼續利用上述步驟對降水量數據進行處理，找出影響降水量的最主要的影響因素，之后將各站降水數據進行聚類。最后，將得出的所有結論進行總結。

3結果與分析

3.1燕山山脈對溫度的影響探究

在研究燕山山脈對各氣象因子的影響的過程中，發現了燕山山脈南坡北京、唐山、秦皇島等地的年平均氣溫要遠遠高于北坡懷來、承德、建昌等地的年平均氣溫這一現象，而在相同緯度無山或少山的遼寧鞍山（41°N，與燕山北坡緯度相似）與遼寧瓦房店（39.6°N，與燕山南坡緯度相似）之間，年平均氣溫的差距則較小南坡選取北京、唐山、秦皇島、綏中4個測站;北坡選取懷來、承德、建昌、朝陽4個測站，省略氣象資料的前期處理過程（如求年平均值、月平均值的過程），進行的探究如下。

3.1.1燕山山脈對年、月平均溫度的影響探究利用上述站點的每日溫度數據共60a左右）求出平均值，計算平均溫度，并進行插值計算出圖，所求結果如表1、圖1所示。

燕山山脈南、北坡溫度在冬季月差距明顯，北坡各項指標明顯低于南坡，1月平均最高氣溫，南坡各站均為正值，北坡各站均為負值。燕山山脈坡向在1月對溫度的影響通過了95%顯著性假設檢驗。7月燕山山脈南、北坡溫度在夏季7月同樣有一定差距，但差距縮小。在不同的月份，各測站之間溫度的變化趨勢不相同。燕山南坡各站除北京外，均為秋溫大于春溫，而北坡各站均為春溫大于秋溫。

3.1.2燕山山脈附近地區年平均溫度的對照實驗將影響溫度的因子分為海拔、與海的距離、坡向、經度、緯度5種。計算燕山地區南北坡與對照地區的年平均溫度的溫差，并進行顯著性檢驗。由此可看出，燕山南坡與北坡之間年平均氣溫相差很大，南坡各站年平均溫度的平均值為10.9℃，北坡各站年平均溫度的平均值為9.0℃，南、北坡平均溫度差值為1.9℃，同樣緯度差距下鞍山與瓦房店之間年平均溫度的差值為0.2℃，Sig=0.027《0.05，落入95%置信區間，證明燕山的存在加大了南北溫差。并且，燕山北坡地區年平均氣溫比同緯度地區低，燕山南坡地區年平均氣溫比同緯度地區高。這是因為燕山起到了阻擋冷空氣的作用，并且冷空氣翻越燕山會下沉增溫。

3.1.3對于影響各站溫度的因子的主成分分析對于燕山南、北坡不同地區、不同時段，影響其溫度的主要地理因子是不同的，對表1中各項溫度要素進行主成分分析，確定對燕山地區來說哪種因子對其溫度的影響更大。選取方差貢獻率最大的兩個成分矩陣列于表2，這兩個成分矩陣的累積方差貢獻率達到了92.7%6，各成分公因子方差的提取均超過了80%。

選取第一主成分矩陣進行分析，發現坡向為影響燕山地區溫度的最主要因子。經計算，坡向與年平均溫度的相關系數達到了0.824，與年最低溫度的相關系數達到了0.907。南、北坡各測站的年平均溫度與海拔高度也存在相關性。還有一個現象值得關注，無論南坡還是北坡，東段在冬季都出現了比西段冷的現象，產生這種現象的原因可能是地形。西段山脈的海拔要高于東段山脈，對冷空氣的阻擋和下沉作功作用也更強，且在山脈東段有很多缺口，內蒙古高原方向的冷空氣可以從這些缺口直接越過燕山，到達遼西走廊和葉東平原，而且東段受遼西走廊和渤海影響，有時會有狹口效應出現，使風速增大冷平流增強，所以南坡東段比西段冷，東北平原南部比緯度相近的燕山沿線要冷，也是這個道理。東段距離強冷空氣的平均入侵路徑也更近2。同時，東段冬季氣溫的波動也比西段要大，冷空氣較強時甚至可能出現東段南坡氣溫低于西段北坡的現象。

此外，燕山還有阻擋水汽的作用，冬季北坡水汽輸送很差，各站水汽壓很低，幾乎不受海陸因子的影響，無論東段還是西段，氣溫均具有很強的大陸性特征。

3.2燕山山脈對降水的影響探究

仍采用上述站點資料，將各地年平均降水量歷史數據進行比較。

3.2.1燕山山脈對年總降水量、月降水量的影響探究

將燕山地區各地年平均降水量與對照組進行對比，并進行顯著性檢驗。

之后插值得出燕山地區各地年平均降水量地理分布圖（圖2）。

燕山南坡各站年降水量的平均值為613.0mm，北坡各站年降水量的平均值為487.6mm，南北坡年降水量的平均值相差125.4mm，大于對照組鞍山、瓦房店之間相差的75.2mm。Sg-0.028《0.05，可證明燕山山脈加大了降水量在緯向上的差距。燕山南坡的年降水量大于北坡，且自西向東有逐漸增加的趨勢，受海陸因素和地形影響，這種趨勢在北坡比較明顯。根據我國主要的水汽輸送路徑，在夏季，燕山地區盛行偏南暖濕氣流，自南向北輸送的水汽經燕山的抬升作用促進了上升運動，水汽配合上升運動易產生降水，而山脈南坡的一些朝華北平原開口的山谷或河谷也促進了水汽的充分灌入形成“喇叭口”地形，也加強了這種上升運動，在南坡形成河北省的一個多雨中，而北坡由于受到山脈阻擋，減少了部分水汽輸送，所以水汽輸送不如南坡充沛。

將各站各月降水量進行統計可知，各地降水的月變化趨勢一致，均為7月最多，1月最少，冬季各測站降水均稀少，夏季降水最多，主要集中在68月，秋季降水比春季多一些。在夏季降水量上南、北坡的差距比較明顯，降水量越多的月份，南、北坡各測站間降水量的差距也越大。例如秦皇島與懷來，月降水量都不多，降水量只相差1mm，7月降水量卻相差82.1mm，差不多是懷來站年降水量的五分之一。選取各項降水要素進行主成分分析，確定哪種因子對降水的影響更大。選取方差貢獻率最大的兩個成分矩陣列于表3，累積方差貢獻率達到了91.5%，各成分因子方差的提取均超過了909%。

選取第一、第二主成分矩陣進行分析，發現坡向對燕山地區降水的正影響最大，經計算，坡向與年降水量的相關系數達到了0.818，海陸因子對燕山地區各地的降水量也起到了影響的作用。而且，第二主成分中經度的數值為正，這可能是因為燕山東段山地缺口比西段多，山勢不如西段險，來自南方的水汽可以沿缺口深入北坡更多一些，所以北坡東段比西段降水多。而西段的阻擋作用更強，也是造成懷來降水較少的重要原因。

3.2.2燕山地區極端降水天氣分析研究

夏季的燕山地區時常受到極端降水的侵擾，著名的北京“7·21”暴雨天氣過程就是一次典型的北方雨季極端降水過程。這次強降水是在東南洋面上的臺風帶來的強水汽輸送和西側的強氣旋性切變，燕山、太行山的強烈抬升作用以及東側日本海高壓穩定維持的情況下發生的，燕山的抬升作用為這次暴雨提供了有利條件。而且，山區的地形可能會使氣流產生一定的氣旋性切變，所以說雖然燕山地區年降水總量并不算多，但極端降水卻一點也不少。各測站無論北坡、南坡，單日最大降水量均高于沈陽、石家莊這類平原站點，且單日最大降水量占年降水量的百分比都大于平原地區的站點。而且，燕山南坡單日最大降水量是西段大于東段，很可能與西段山勢更險、抬升作用更強有關。

3.3燕山附近地區溫度、降水聚類分析

將整理所得的各項溫度、降水數據進行聚類分析，得到的結果如表4所示。

根據各站溫度、降水特征來看，可分為3類：1類是水熱條件較好，2類是水熱條件一般，3類是熱量條件較2類好但水汽條件均較1、2類差。懷來自成類，可能與其遠離海洋、水汽受山脈阻擋作用較強等因素有關。

4結論與討論

4.1結論

（1）燕山的存在加大了南、北坡氣溫的差距，坡向為影響燕山地區溫度的最顯著因子，與各項溫度指標均存在一定的相關性，其中與年平均溫度的相關系數達到了0.824，與年最低溫度的相關系數達到了0.907。不同的月份影響各測站溫度的主要因子也不相同。

（2）燕山地區的溫度還受海陸因素、地形因素、地理位置影響。燕山南坡地區，冷空氣沿地形下沉増溫，使該地區冬季比中國同緯度季風區溫暖;無論南坡還是北坡，東段在冬季都出現了比西段冷的現象，且氣溫年較差東段大于西段;燕山南坡東段夏季最高氣溫低于北坡，且氣溫日、年較差北坡大于南坡。

（3）在降水量方面，燕山起到了阻擋水汽的作用，坡向仍為最主要的影響因素，坡向與年降水量的相關系數達到了0.818，且與各項降水指標都存在著一定的相關性。海陸因素、地理位置、地形因素對燕山地區降水量也有影響。燕山地區夏季易出現暴雨，受地形因素影響，極端降水較大值出現在南坡西段。

（4）通過對溫度、降水情況的分析，可將燕山地區的氣候條件分為3類。

4.2討論

在坡向方面，只將山脈坡向分為南坡、北坡進行了初步研究，由于條件有限，沒有將坡向化為具體的角度，并且忽略了地形遮蔽、太陽輻射、坡度方面的研究。且沒有把海陸因素與經度因素、坡向因素與緯度因素之間存在的相互影響剔除，一些研究通過其他方法減輕了這種影響。

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責任編輯：黃艷飛