秦嶺主峰太白山高山區(qū)氣候季節(jié)劃分

雷向杰，李亞麗，雷楊娜，于 冰

(1.陜西省氣候中心，西安 710014；2.陜西省氣象信息中心，西安 710014；3.寶雞文理學院，陜西寶雞 721013)

秦嶺山體高大，氣候垂直差異顯著，低山區(qū)四季分明，高山區(qū)常年無夏。科學考察發(fā)現(xiàn)秦嶺存在“超級垂直帶”[1]。秦嶺主峰太白山高山氣候寒冷自古以來聞名于世，其3 400 m以上高山為亞寒氣候[2-3]；縱貫鰲山與太白山的“鰲太線”，幾乎每年都有戶外旅游者因遭遇暴風雪等惡劣天氣被困，最終因為天氣寒冷，失溫而失去生命[4]。太白山山勢陡峭，環(huán)境復雜，高山積雪封山時間長，2012年之前3 000 m以上高山無氣象站，限制了人們對高山氣候的深入研究。2012年8月，氣象部門建成包括太白山文公廟(3 378 m)和湯峪1號(3 213 m)氣象站共19個氣象站構成的秦嶺太白剖面觀測系統(tǒng)；2019年6月，建成太白山拔仙臺(簡稱拔仙臺)氣象站(3 730 m)。2021年9月，建成鰲山氣象站(3 474 m)。2021年1月17日，拔仙臺氣象站最低氣溫-25.9 ℃；2016年1月24日，文公廟氣象站最低氣溫-32.0 ℃，湯峪1號氣象站最低氣溫-30.5 ℃；2022年1月31日鰲山氣象站最低氣溫-20.1 ℃。氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示太白山高山氣候十分寒冷。

近60 a，秦嶺及其主峰太白山氣溫升高，積雪面積、積雪日數(shù)和積雪深度、穩(wěn)定積雪事件都呈減少趨勢[5-8]；2000—2017年冷季太白山積雪面積消減率24.15%，積雪覆蓋率在2 500 m以上大幅減少[9]。氣候變暖背景下，拔仙臺氣象站2019年6月至2022年2月氣溫序列的5 d滑動平均氣溫序列無連續(xù)5 d≥10 ℃，依據(jù)中國氣象局發(fā)布的《氣候季節(jié)劃分》行業(yè)標準(簡稱標準)[10]判定其建站至2022年2月只有冬季，其常年氣候季節(jié)極有可能為常冬區(qū)。

我國常冬區(qū)主要分布在祁連山、天山、喀喇昆侖山、岡底斯山山脈以及喜馬拉雅山脈海拔高于4 000 m的地區(qū)[11]。太白山海拔高度3 771.2 m，為我國青藏高原以東大陸第一高山。至2022年2月，拔仙臺氣象站已有近3 a的資料；秦嶺太白剖面觀測系統(tǒng)氣象站資料超過9 a。太白山境內的太白氣象站1956年10月建站，位于太白山與渭河之間，距離拔仙臺較近的眉縣氣象站1958年11月建站，兩站都有完整的常年平均氣溫序列。目前，對太白山氣溫垂直變化規(guī)律已有充分認識。綜上所述，分析太白山高山區(qū)常年氣候季節(jié)的條件已經具備。準確劃分太白山高山區(qū)氣候季節(jié)，對研究和細化太白山自然地理、氣候和生態(tài)環(huán)境分類及區(qū)劃，細化生態(tài)保護措施具有重要意義，可為相關研究提供參考和借鑒。

1 資料與方法

1.1 資料

所用資料為太白山4個高山氣象站(圖1)建站至2022年2月日氣溫資料，包括拔仙臺氣象站2019年6月—2022年2月的日平均氣溫和日最高氣溫、日最低氣溫，文公廟、湯峪1號等氣象站2012年8月—2022年2月的日平均氣溫，鰲山氣象站2021年9月—2022年2月的日平均氣溫。太白、眉縣氣象站1961—1990年、1971—2000年、1981—2010年和1991—2020年常年氣溫資料，來源于地面氣候資料30 a整編結果中未經諧波處理的30 a日平均氣溫資料[12]。

圖1 太白山4個高山氣象站和太白、眉縣氣象站位置示意圖

1.2 方法

常年氣候季節(jié)劃分方法：計算1981—2010年30 a同日平均氣溫常年值，得到常年氣溫序列(365 d，不統(tǒng)計閏年2月29日)，某日平均氣溫常年值計算公式為

(1)

(2)

當常年滑動平均氣溫序列連續(xù)5 d≥10 ℃，則以其所對應的常年氣溫序列中第一個≥10 ℃的日期作為春季起始日；當常年滑動平均氣溫序列連續(xù)5 d≥22 ℃時，則以其所對應的常年氣溫序列中第一個≥22 ℃的日期作為夏季起始日；當常年滑動平均氣溫序列連續(xù)5 d<22 ℃時，則以其所對應的常年氣溫序列中第一個<22 ℃的日期作為秋季起始日；當常年滑動平均氣溫序列連續(xù)5 d<10 ℃時，則以其所對應的常年氣溫序列中第一個<10 ℃的日期作為冬季起始日。以某一氣候季節(jié)常年起始日的前一日，作為上一個季節(jié)的常年終止日。以某一氣候季節(jié)常年起始日到終止日之間的日數(shù)，作為常年氣候季節(jié)長度(日數(shù))。

如果某地常年滑動平均氣溫序列無連續(xù)5 d≥22 ℃，則該地為無夏區(qū)，只做春季、秋季和冬季的劃分；如果某地常年滑動平均氣溫序列無連續(xù)5 d≥10 ℃，則該地為常冬區(qū)，不做季節(jié)劃分。

當年氣候季節(jié)劃分方法：基于當年氣溫序列計算5 d滑動平均氣溫序列，四季分明區(qū)和無夏區(qū)參照前面常年氣候季節(jié)劃分方法依次進行當年春季、夏季、秋季和冬季起始日期的初次判斷。如果初次判斷的起始日期比常年日期偏早15 d以上，需進行起始日的二次判斷。

如果初次滿足季節(jié)指標的5 d連續(xù)過程后至常年起始日之間，滑動平均氣溫序列均滿足季節(jié)指標，則當年季節(jié)起始日按初次判斷的日期確定。如果初次5 d連續(xù)過程后滑動平均氣溫序列有不滿足季節(jié)指標的，則需計算至序列再次連續(xù)5 d滿足季節(jié)指標。當兩次連續(xù)過程之間，滿足季節(jié)指標的累計日數(shù)≥不滿足的日數(shù)，則以初次判斷的起始日作為該氣候季節(jié)的開始日期；否則，按第二次判斷的起始日確定。

2 歷年氣候季節(jié)劃分

2.1 拔仙臺建站以來歷年氣候季節(jié)

2019年6月19日—2022年2月23日，拔仙臺氣象站歷年氣溫序列5 d滑動平均氣溫序列最大值為2019年9.6 ℃(對應氣溫序列日期(下同)為7月26—30日)、2020年9.4 ℃(8月6—10日)、2021年10.4 ℃(7月30—8月3日)，3 a均無連續(xù)5 d≥10 ℃，每年都只有冬季(圖2a)。拔仙臺氣象站日平均氣溫有缺測，日最高、最低氣溫缺測較少。為減少日平均氣溫缺測影響，計算日最高氣溫和日最低氣溫平均值序列作為輔助氣溫序列。輔助氣溫序列5 d滑動平均氣溫序列最大值2019年9.8 ℃(7月26—30日)、2020年9.3 ℃(8月2—6日)、2021年11.2 ℃(7月30—8月3日)，3 a均無連續(xù)5 d≥10 ℃，每年都只有冬季(圖2b)。

圖2 拔仙臺氣象站2019-06-19—2022-02-23日平均氣溫序列及其5 d滑動平均氣溫序列(a)，輔助氣溫5 d滑動平均氣溫序列與日平均氣溫5 d滑動平均氣溫序列(b)

2.2 文公廟、湯峪1號、鰲山氣象站歷年氣候季節(jié)

文公廟和湯峪1號氣象站部分年份日平均氣溫資料缺測較多。從現(xiàn)有監(jiān)測資料可以看出，文公廟氣象站2012年、2013年、2016—2018年當年氣候季節(jié)有春季和秋季，其中2017年資料最齊全。2017年7月8日入春，10日入秋，8月7日入冬，春秋季共30 d，冬季335 d；湯峪1號氣象站2012—2014年、2016—2018年當年氣候季節(jié)有春季和秋季，2013年、2016年和2017年資料最齊全。2013年6月15日入春，8月9日入秋，28日入冬，春秋季共74 d，冬季291 d。2016年6月17日入春，7月28日入秋，8月26日入冬，春秋季共70 d，冬季296 d(2016年366 d)；2017年7月7日入春，11日入秋，8月24日入冬，春秋季共48 d，冬季317 d(表1)。鰲山氣象站2021年9月建站至2022年2月只有冬季。

表1 太白山高山氣象站氣溫監(jiān)測資料季節(jié)劃分結果與推算劃分結果比較

續(xù)表

2.3 高山氣象站歷年氣候季節(jié)劃分結果與推算劃分結果比較

表1給出太白山3個高山氣象站氣溫監(jiān)測資料季節(jié)劃分結果與推算劃分結果的比較(因鰲山氣象站監(jiān)測資料不足1 a，未做比較)，其中針對拔仙臺氣象站分析了氣溫垂直遞減率分別采用0.6、0.5、0.4 ℃/100 m時，太白和眉縣兩站的推算劃分結果(氣溫垂直遞減率取0.6 ℃/100 m時，太白和眉縣兩站推算劃分拔仙臺氣象站2019年、2020年、2021年均只有冬季；氣溫垂直遞減率取0.5 ℃/100 m時，太白推算劃分拔仙臺氣象站2019年只有冬季，與拔仙臺本站監(jiān)測資料劃分結果一致，表1未再單獨列出。)，其余高山站給出氣溫垂直遞減率采用0.5 ℃/100 m時的推算劃分結果。從表1 可以看出，氣溫垂直遞減率使用0.5 ℃/100 m和0.4 ℃/100 m時，所有推算劃分結果的冬季長度均比高山區(qū)氣象站本站資料劃分結果短，且氣溫垂直遞減率使用0.5 ℃/100 m時偏差較小。太白氣象站推算劃分結果的冬季長度偏差均比眉縣氣象站推算劃分結果的偏差小。

如前所述，秦嶺主峰太白山高山區(qū)氣候季節(jié)劃分的重點之一是研究高山區(qū)是否存在常冬區(qū)，所采取的方法要使研究得到的常冬區(qū)合理可靠，即在偏差小的前提下確定有無常冬區(qū)時盡量選擇無，有常冬區(qū)時劃分范圍盡量選擇小。表1結果說明氣溫垂直遞減率使用0.5 ℃/100 m符合這樣的思路和要求。

3 常年氣候季節(jié)劃分

3.1 拔仙臺氣象站常年氣候季節(jié)

標準規(guī)定用常年氣溫序列計算5 d滑動平均氣溫序列，作為常年滑動平均氣溫序列劃分常年氣候季節(jié)。拔仙臺氣象站2019年建成，無法直接計算常年氣溫序列。太白山境內太白氣象站有常年氣溫序列，因此利用太白氣象站與拔仙臺氣象站之間的海拔高度差和氣溫隨海拔高度遞減率推算拔仙臺氣象站常年氣溫序列。

表2為拔仙臺、文公廟、湯峪1號、鰲山4個高山氣象站建站至2022年2月23日日平均氣溫與太白、眉縣氣象站日平均氣溫的相關系數(shù)和樣本數(shù)。表中相關系數(shù)均通過了0.001的顯著性檢驗，表明太白山4個高山氣象站與太白、眉縣氣象站日平均氣溫顯著相關。太白、眉縣氣象站氣溫資料均經過嚴格審核，4個高山氣象站日平均氣溫與其顯著相關，說明高山氣象站日平均氣溫觀測結果可靠。從表2還可以看出，4個高山氣象站與太白氣象站日平均氣溫的相關系數(shù)均大于其與眉縣氣象站的相關系數(shù)，這一點與上節(jié)所得太白氣象站推算劃分的拔仙臺等高山氣象站冬季長度偏差小于眉縣氣象站推算劃分結果偏差相互印證。統(tǒng)計結果表明，4個高山氣象站同時段日平均氣溫樣本標準差均小于太白、眉縣氣象站，太白氣象站日平均氣溫樣本標準差小于眉縣氣象站。這與太白氣象站位于太白山區(qū)域內、海拔高度超過1 500 m，而眉縣氣象站位于山前洪積平原、太白山區(qū)域外，海拔高度低于520 m有關。太白山4個高山氣象站也呈現(xiàn)海拔高度越高，同時段樣本標準差越小的特點。

表2 太白山4個高山氣象站建站至2022年2月23日日平均氣溫與太白、眉縣氣象站日平均氣溫相關系數(shù)(r)

太白山高山區(qū)一年中最暖的時期是6—8月。秦嶺1981—2010年5—9月平均氣溫隨海拔高度遞減率均>0.5 ℃/100 m[13]；太白山3—9月平均氣溫遞減率均>0.5 ℃/100 m，全年平均0.5 ℃/100 m[14-15]；秦嶺太白剖面氣象觀測系統(tǒng)19個氣象站氣溫監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結果表明，太白剖面日平均氣溫隨海拔高度遞減率6—8月均>0.5 ℃/100 m。因此，用0.5 ℃/100 m作為推算的遞減率。利用太白氣象站1981—2010年常年氣溫序列和太白氣象站(1 543.6 m)與拔仙臺氣象站高度差推算出拔仙臺氣象站常年氣溫序列，其常年滑動平均氣溫序列最大值9.4 ℃(7月23—27日)，無連續(xù)5 d≥10 ℃，因此拔仙臺氣象站常年氣候季節(jié)劃分結果為常冬區(qū)(圖3)。

圖3 由太白和眉縣氣象站1981—2010年常年氣溫序列推算的拔仙臺氣象站常年滑動平均氣溫序列

太白山6—8月氣溫遞減率的最小值為0.5 ℃/100 m，用其作為推算的遞減率，可保證不會低估6—8月太白山高山區(qū)的氣溫，進而保證推算劃分的太白山常冬區(qū)合理可信，無夏區(qū)無夏時段可能偏長。太白山一年中，12月、1—2月等氣溫低的時段氣溫垂直遞減率小，用0.5 ℃/100 m作為推算的遞減率，可能導致該時段氣溫被低估；因此，在此給出由推算遞減率偏差導致的日平均氣溫高估和低估范圍，以及對氣候季節(jié)劃分結果影響的程度。例如，拔仙臺氣象站與太白氣象站的海拔高度差為2 186.4 m，氣溫遞減率偏差±0.03、±0.06、±0.10 ℃/100 m將分別導致約±0.7、±1.3、±2.2 ℃的日平均氣溫偏差。平均氣溫的偏差幅度與兩個氣象站之間的高度差成正比。將0.53、0.56、0.60、0.47 ℃/100 m作為推算的遞減率，由太白氣象站常年氣溫序列推算劃分的拔仙臺氣象站常年氣候季節(jié)均為常冬區(qū)。

眉縣氣象站位于太白山與渭河之間，距離拔仙臺氣象站較近。使用眉縣氣象站1981—2010年常年氣溫序列，利用眉縣氣象站(517.6 m)與拔仙臺氣象站高度差，推算拔仙臺氣象站常年氣溫序列，計算得到常年滑動平均氣溫序列，其最大值為10.0 ℃(7月23—27日)，無連續(xù)5 d≥10 ℃，拔仙臺氣象站常年氣候季節(jié)為常冬區(qū)(圖3)。

3.2 文公廟、湯峪1號、鰲山氣象站常年氣候季節(jié)

利用太白、眉縣氣象站1981—2010年常年平均氣溫序列，兩站高度差和氣溫隨海拔高度遞減率((0.5±0.1)℃/100 m)分別推算3個高山氣象站常年氣溫序列，計算常年滑動平均氣溫序列，劃分高山氣象站常年氣候季節(jié)。將0.6 ℃/100 m作為氣溫隨海拔高度遞減率時，由太白氣象站推算劃分3個高山氣象站常年氣候季節(jié)，僅高度最低的湯峪1號氣象站為無夏區(qū)，其余2站為常冬區(qū)；眉縣氣象站推算劃分結果是3個高山氣象站均為常冬區(qū)。可見，太白和眉縣兩站均推算劃分鰲山、文公廟氣象站為常冬區(qū)。將0.5 ℃/100 m作為氣溫隨海拔高度遞減率時，兩站均推算劃分3個高山站為無夏區(qū)且冬季長度均在300 d以上；將0.4 ℃/100 m作為氣溫隨海拔高度遞減率時，兩站推算判定3個高山站均為無夏區(qū)(表3)。

表3 基于太白、眉縣氣象站1981—2010年常年氣溫序列和不同氣溫垂直遞減率推算劃分的太白山高山氣象站常年氣候季節(jié)

3.3 太白山常冬區(qū)下邊界高度

將0.5 ℃/100 m作為氣溫垂直遞減率，使用太白氣象站1981—2010年常年氣溫序列推算太白山常年滑動平均氣溫序列恰好出現(xiàn)連續(xù)5 d≥10 ℃時的海拔高度，確定常冬區(qū)下邊界海拔高度為3 565 m，即太白山海拔高度3 565 m及以上山區(qū)為常冬區(qū)。同理，使用眉縣氣象站1981—2010年常年氣溫序列推算太白山常冬區(qū)下邊界海拔高度為3 723 m。因此將拔仙臺氣象站所處高度(海拔3 730 m)及以上劃分為常冬區(qū)是穩(wěn)妥合理的。

4 氣候變暖對氣候季節(jié)劃分結果的影響

使用太白氣象站1961—1990年、1971—2000年、1981—2010年常年氣溫序列分別推算拔仙臺氣象站常年氣溫序列，計算得到的常年滑動平均氣溫序列最大值分別為8.9、9.4、9.4 ℃(圖4)，最大值出現(xiàn)時間對應的常年氣溫序列日期依次為7月20—24日、23—27日、23—27日。1981—2010年與1961—1990年比，序列最大值升高了0.5 ℃，出現(xiàn)時間推遲了3 d。使用眉縣氣象站1961—1990年、1971—2000年、1981—2010年常年氣溫序列推算拔仙臺氣象站常年氣溫序列，計算得到的常年滑動平均氣溫序列最大值及其出現(xiàn)時間變化與太白氣象站推算結果相似(圖4)。

圖4 使用太白和眉縣氣象站不同常年氣溫序列推算的拔仙臺氣象站常年滑動平均氣溫序列

2022年啟用1991—2020年常年值。使用太白氣象站1991—2020年常年氣溫序列推算拔仙臺氣象站常年氣溫序列，計算得到的常年滑動平均氣溫序列最大值為10.0 ℃，出現(xiàn)時間對應的常年氣溫序列日期為7月25—29日。常年滑動平均氣溫10 ℃僅出現(xiàn)1 d，無連續(xù)5 d≥10 ℃，拔仙臺氣象站常年氣候季節(jié)為常冬區(qū)(圖4)。使用眉縣氣象站1991—2020年常年氣溫序列推算拔仙臺氣象站常年氣溫序列，計算得到的常年滑動平均氣溫序列最大值為10.4 ℃，出現(xiàn)時間對應的常年氣溫序列日期為7月25—29日。常年滑動平均氣溫序列≥10 ℃日數(shù)超過5 d，拔仙臺氣象站常年氣候季節(jié)為無夏區(qū)(圖4)。如前所述，太白氣象站位于太白山境內的中山區(qū)，其推算結果更為可信。所以，1991—2020年常年值啟用后，拔仙臺氣象站常年氣候季節(jié)仍然劃分為常冬區(qū)，但氣候變暖使拔仙臺氣象站常年氣候季節(jié)指標趨近無夏區(qū)，常冬區(qū)變得更加脆弱。

預計未來10～20 a秦嶺氣溫仍然為上升趨勢[16]，拔仙臺氣象站常年氣候季節(jié)很可能轉為無夏區(qū)。

5 結論與討論

氣候變暖背景下，拔仙臺氣象站2019年建站后連續(xù)3 a只有冬季，說明太白山高山區(qū)氣候十分寒冷。將太白山最熱時段6—8月氣溫垂直遞減率的最小值0.5 ℃/100 m作為推算用氣溫垂直遞減率，利用太白、眉縣氣象站1981—2010年常年氣溫序列，推算劃分拔仙臺氣象站常年氣候季節(jié)，結果均為常冬區(qū)。拔仙臺科學考察發(fā)現(xiàn)高山積雪時間長、植被以草甸苔蘚為主，因此，在太白山高山區(qū)劃分常冬區(qū)是合理的。推算常冬區(qū)下邊界海拔高度在3 565～3 723 m之間，將拔仙臺氣象站所處高度3 730 m作為常冬區(qū)下邊界是穩(wěn)妥的。

使用太白氣象站1991—2020年常年氣溫序列推算得到的拔仙臺氣象站常年滑動平均氣溫序列最大值較1981—2010年上升0.6 ℃，無連續(xù)5 d≥10 ℃，常年氣候季節(jié)為常冬區(qū)。預計未來10～20 a拔仙臺氣象站常年氣候季節(jié)很可能轉為無夏區(qū)。根據(jù)《地面標準氣候值統(tǒng)計方法》，30 a氣候資料整編時通常用諧波分析等濾波分析方法對30 a逐日氣溫進行處理。常年氣候季節(jié)劃分使用未經諧波處理30 a日平均氣溫資料。

“太白積雪六月天”是古人對太白山高山寒冷氣候的生動描述。太白山常冬區(qū)范圍雖然比較小，卻使太白山同時擁有四季分明區(qū)、無夏區(qū)和常冬區(qū)，體現(xiàn)了太白山氣候垂直差異大、氣候類型多，氣候資源豐富，生物多樣性基礎條件優(yōu)越的特點，在自然地理、氣候資源評價和分類方面有重要意義。如果太白山常冬區(qū)消失，變?yōu)闊o夏區(qū)；雖然有利于部分生物活動和生長時間延長，范圍上移，但會改變寒冷山區(qū)特有的自然環(huán)境，導致高山積雪時間縮短，積雪量減少，蓄水和調節(jié)水資源分配能力減弱，影響太白山垂直氣候多樣性和獨特性。加快建立綠色發(fā)展經濟體系，減少溫室氣體排放，可以減緩氣候變暖，進而減緩太白山常冬區(qū)的消失，保護太白山獨有的氣候資源。氣候變暖對太白山高山區(qū)氣候季節(jié)的影響需要持續(xù)監(jiān)測和評估。

致謝：羅慧、肖舜、王毅勇博士和陜西師范大學王雨萌，寶雞文理學院丁鵬程，審稿專家和編輯喬旭霞給予該項工作支持和幫助，在此表示衷心感謝。