丘陵地區(qū)地表溫度垂直遞減率的變化特征
——以重慶市為例

廖代強，柴闖闖

1. 重慶市氣候中心，重慶 401147；2. 重慶舍特氣象應用研究所，重慶 401147

山地氣候的垂直變化是一個經(jīng)典的地理學和氣候?qū)W問題，對生態(tài)學研究也十分重要，是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)、城市熱島、天氣預報、水溫循環(huán)和環(huán)境演化等分析研究和模型模擬的重要變量和基礎資料．一般認為，在對流層內(nèi)自由大氣的溫度遞減率為0.065 ℃/km．但在不同的環(huán)境條件下，溫度遞減率往往有所差異．影響溫度遞減率變化的要素復雜多樣[1-3]，包括下墊面條件、海拔、空氣濕度、云量、能量平衡組成等，其中空氣濕度扮演著重要的角色[4]．而且自由大氣與地面遞減率不同．在一個溫度較高的地方，地表溫度遞減率可能會發(fā)生變化[5]．

目前，國內(nèi)外學者非常重視山區(qū)氣候變化，也對溫度垂直遞減率進行過研究，Pepin[6]對美國落基山脈地表遞減率的系統(tǒng)變化進行了研究；劉偉剛等[7]研究了喜馬拉雅山中段地區(qū)氣溫直減率變化特征；方精云[8]的研究顯示我國地面溫度垂直遞減率在0.025～0.063 ℃/km范圍內(nèi)波動；鄭成洋等[9]對福建黃崗山東南坡溫度的垂直變化分析得出年均溫的遞減率為0.043 ℃/km；田杰等[10]研究了長白山北坡溫度的垂直變化．這些方法雖然能反映山區(qū)氣候的一般趨勢，取得一定的研究成果，但山地氣候因復雜的地理、地形等條件具有明顯的區(qū)域小氣候特征，因此傳統(tǒng)意義上的溫度遞減率結果并不適用于山地氣候區(qū)[11]，特別是丘陵地區(qū)，由于受氣象臺(站)條件監(jiān)測的限制，溫度的連續(xù)觀測一般難以實現(xiàn)，從而很難準確地獲得連續(xù)、多年的溫度變化信息．

本文利用重慶市2008-2019年2 055個(經(jīng)過質(zhì)量控制后，剩余1 802個站點)加密的區(qū)域自動站的資料，彌補了以前觀測資料的不足且避免了遙感資料的誤差，對重慶溫度垂直遞減率的時空分布特征做了較詳細的分析研究，為山地丘陵地區(qū)水文、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、旅游和生態(tài)等合理地、科學地開發(fā)及可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)參考和科學依據(jù)．

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域： 重慶市地處中國內(nèi)陸西南部，地貌以丘陵、山地為主，其山地丘陵占76%，東鄰湖北、湖南，南靠貴州，西接四川，北連陜西．地跨東經(jīng)105°11′-110°11′、北緯28°10′-32°13′之間．研究數(shù)據(jù)選取34個國家氣象觀測站點和重慶市所有2 055個(經(jīng)過質(zhì)量控制后，剩余1 802個站點)區(qū)域自動站資料，具體區(qū)域和站點情況如圖1所示．

1.2 數(shù)據(jù)檢驗與處理

由于自動站資料存在缺測或觀測錯誤，因此必須對其進行質(zhì)量控制．參考江志紅等[12]的研究成果對數(shù)據(jù)進行溫度極值檢驗、時間連續(xù)性檢驗、空間連續(xù)性檢驗．

1.2.1 溫度極值檢驗

首先直接剔除數(shù)據(jù)已標識為缺測的數(shù)據(jù)，然后通過判斷要素數(shù)據(jù)是否位于特定閾值范圍內(nèi)，從而進一步對可疑數(shù)據(jù)進行篩除．根據(jù)重慶本地的氣候狀況，日平均溫度的閾值設置為-20～40 ℃，超過該閾值的數(shù)據(jù)便判斷為缺省值．

1.2.2 時間連續(xù)性檢驗

溫度變化與時間存在較為顯著的相關性，鄰近日期的要素值應當是連續(xù)均勻變化的，時間連續(xù)性檢驗就是將出現(xiàn)過度變化或變化過小的氣象要素值判斷為可疑數(shù)據(jù)進行剔除處理．本研究中以溫度連續(xù)4 d的平均變率為基礎，若某一站點4 d的平均變率超過15 ℃或小于0.5 ℃，則設置為缺省值．

1.2.3 空間連續(xù)性檢驗

同一區(qū)域范圍內(nèi)的站點觀測數(shù)據(jù)可表現(xiàn)出相似的空間分布特征，若某個測站的要素值與鄰近站差異較大，則可判斷此站點的要素為可疑數(shù)據(jù)．將距離質(zhì)控站點周圍一定范圍內(nèi)的所有站點作為樣本，根據(jù)Barnes客觀分析法插值[13]到質(zhì)控站點位置，然后判斷站點原數(shù)據(jù)與插值數(shù)據(jù)間的殘差，若超過特定閾值則該要素值判斷為缺測．相關計算方程為

(1)

(2)

式(1)中x′為殘差值，xj和xi分別為質(zhì)控站點原始值和周圍站點值，ωi為周圍站點權重，r為周圍站點到質(zhì)控站點的距離，R為影響半徑．

審圖號： GS(2019)3333號．圖1 重慶市2018年地面氣象觀測站點分布

由于進行空間連續(xù)性檢查需要使用周邊站點進行插值，若某個還未進行質(zhì)控的可疑站點也參與到插值中勢必會對結果造成影響，因此研究中采用了二次迭代方案，即首先對所有站點進行1次空間連續(xù)性檢驗，然后在第2次檢驗中只使用通過了第1次檢驗的站點進行插值．若某個站點在第2次空間連續(xù)性檢驗中依然被判斷為可疑值，便剔除；反之，則保留．進行質(zhì)控時，影響半徑設為20 km，溫度的最大殘差值為6 ℃．利用經(jīng)過質(zhì)量控制后的資料，剩余1 802個站點作為本文的基礎數(shù)據(jù)樣本(表1)．

表1 不同坡向和水體的樣本數(shù)

1.3 研究方法

溫度的垂直變化與高度有著較吻合的線性關系，這個線性關系的系數(shù)就是溫度垂直遞減率，簡稱溫度遞減率．由于溫度受緯度、下墊面、氣流等因素的影響，溫度遞減率隨地點、季節(jié)、晝夜的不同而變化．本文為了準確分析丘陵地區(qū)溫度垂直變化特征，建立不同海拔的溫度(T)和海拔(H)之間的一元回歸方程，方程的斜率即是溫度遞減率(δ)．計算公式為：

T=Ts+δH

(3)

式(3)中，Ts為地表溫度，單位為℃；δ為溫度遞減率，單位為℃/km．

將溫度遞減率作為待擬合參數(shù)，采用最小二乘法原理對觀測的溫度垂直廓線進行線性擬合，即可求得對應觀測時刻的溫度遞減率[14]．

(4)

2 結果分析

2.1 年、季、月的溫度遞減率公式

利用重慶市2008-2019年1 802個自動氣象觀測站的逐小時溫度資料，根據(jù)以上溫度遞減率的計算公式，采用最小二乘法擬合得到重慶市不同坡向、水體邊(與長江和嘉陵江距離1 km以內(nèi)[15-16)、年、季、月的溫度遞減率公式(表2)．

表2 不同屬性和時間尺度的溫度遞減率公式

2.2 年內(nèi)月、日分布特征

為了探討地表溫度垂直遞減率在各月的變化特征，根據(jù)選取的全市自動站資料分析得到年內(nèi)不同月份和日內(nèi)地表溫度垂直遞減率變化特征折線圖，分別見圖2、圖3.總體來看，各月的地表溫度遞減率變化幅度不大，其中最大值出現(xiàn)在8月(0.063 ℃/km)，最小值出現(xiàn)在9月(0.053 ℃/km)，相差僅0.01 ℃/km．相比年月變化而言，年內(nèi)日變化幅度相對較大，為0.016 ℃/km；變化趨勢分為3個階段，1時-10時為變化不大的平穩(wěn)期，11時-19 時為上升期，10時-24 時為下降期．地表溫度遞減率的日變化是地表大氣湍流交換過程的具體體現(xiàn)[7]，在19時左右，大氣湍流運動最劇烈，地表溫度遞減率最高；而在11時左右，大氣層結相對穩(wěn)定，常有逆溫發(fā)生，這時地表溫度遞減率最低．

圖2 年內(nèi)地表溫度遞減率月變化分布

圖3 年內(nèi)地表溫度遞減率日變化分布

2.3 不同季節(jié)分布特征

為了解1年內(nèi)4個季節(jié)中的變化情況，按照春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)和冬季(12-翌年2月)分別統(tǒng)計地表溫度垂直遞減率在不同季節(jié)的分布特征．從圖4可以明顯看出，地表溫度垂直遞減率在不同季節(jié)波動幅度存在差異．秋季的地表溫度垂直遞減率為4個季節(jié)中最低(0.054 ℃/km)，其次是冬季、春季和夏季，其中夏季最高(0.059 ℃/km)．

圖4 年內(nèi)季節(jié)變化

2.4 不同季節(jié)日內(nèi)分布特征

為分析不同季節(jié)地表溫度垂直遞減率在日內(nèi)的變化特征，根據(jù)計算結果繪制不同季節(jié)日內(nèi)地表溫度垂直遞減率變化特征折線圖(圖5)．總體來說，4個季節(jié)的平均地表溫度垂直遞減率在日內(nèi)(1時-24時)變化形式基本一致，大致可劃分為3個階段： 平穩(wěn)期(1時-10時)，上升期(11時-19時)，下降期(20時-24時)，變化過程均呈“勺子”形；其中夏季變化幅度最大，冬季最小．從平均尺度上看，丘陵地區(qū)的地表溫度垂直遞減率從大到小依次為夏季和春季、冬季、秋季，其中春季和夏季平均變化情況基本相同；各個季節(jié)的地表溫度垂直遞減率日變化特征差異較大，最大值出現(xiàn)在夏季19時(0.071 ℃/km)，最小值是秋季的11時(0.047 ℃/km)，差值達到0.024 ℃/km．

圖5 不同季節(jié)地表溫度遞減率日內(nèi)分布

2.5 不同月份日內(nèi)分布特征

圖6是各月份地表溫度遞減率在日內(nèi)的起伏情況，與圖3、圖5的基本趨勢一致，從1時開始至9時，基本保持不變，然后先上升后下降．最大值均出現(xiàn)在下午(19時)，最小值出現(xiàn)在上午(10時和11時)，其中7月的變化幅度最大，11月、12月幅度最小．由此可知，丘陵地區(qū)地表月份溫度垂直遞減率的日內(nèi)變化與季節(jié)、年的日變化相似．其中7月份(19時)的差值最大，高達0.076 ℃/km，最小值是10月(12時)，僅為0.046 ℃/km．

圖6 各月份地表溫度遞減率日內(nèi)分布

2.6 不同坡向和水體邊日內(nèi)分布特征

圖7是不同坡向和水體邊日內(nèi)地表溫度遞減率的分布特征，與圖3、圖5和圖6的基本趨勢一致．

圖7 不同坡向和水體邊地表溫度遞減率日內(nèi)分布

從1時開始至9時，基本保持不變，然后先上升后下降．最大值均出現(xiàn)在下午(19時)，最小值出現(xiàn)在上午(10時和11時)．其中東坡是所有坡向中地表溫度遞減率最大的，其次是南坡，北坡和西坡最小且變化特征基本一致；水體邊的溫度遞減率由于水的熱容量大，導致其溫度遞減率最小．

3 結 語

3.1 主要結論

本文利用重慶市2008-2019年34個國家氣象觀測站和1 802個區(qū)域自動站的逐小時地表溫度資料，分析得到丘陵地區(qū)(重慶)地表溫度遞減率的時空分布特征．主要結論如下：

1) 重慶市平均溫度隨著海拔梯度升高呈明顯的下降趨勢，年平均溫度遞減率為0.058 ℃/km．一年之中，8月份溫度遞減率最大，9月份最小．

2) 重慶市年、季、月地表溫度垂直遞減率的變化趨勢基本一致，大致可劃分為3個階段： 平穩(wěn)期、上升期，下降期；不同坡向中，東坡在所有坡向中地表溫度遞減率最大，水體邊的溫度遞減率最小．

3) 年、月、坡向和水體邊的地表溫度遞減率在日內(nèi)的變化情況都是1時-9時基本保持不變，然后先上升后下降．最大值出現(xiàn)在下午(19時)，最小值出現(xiàn)在上午(10時和11時)．

3.2 存在的不足

本文主要研究丘陵地區(qū)(重慶市)地表溫度垂直遞減率的時空分布，其中空氣濕度、大氣穩(wěn)定度對地表溫度遞減率的影響明顯．由于地形、下墊面條件、降水等均可能對溫度遞減率產(chǎn)生影響，因此未來還需要做進一步探討．