昭通大山包天文氣象條件統計分析*

段 輯，劉 煜，申遠燈，宋騰飛，劉順慶，張雪飛，溫 驍，楊 磊，林 雋，劉 忠，王建成

(1.云南省昭通市昭陽區氣象局，云南 昭通 657000;2.中國科學院國家天文臺/云南天文臺，云南 昆明 650011)

昭通位于云南省東北部，地處滇、川、黔三省結合部，是云南的北大門和滇、川、黔三省經濟、文化的交匯重地。由公路、鐵路、航空、水運組成的立體交通網已具雛形。

昭通市昭陽區內兩大山系橫亙境內，東為烏蒙山脈西延伸尾端，山勢磅礴，高峰林立;西為橫斷山脈涼山山系分支東伸邊緣，山高坡陡，海拔懸殊;昭陽區大山包鄉獨石包海拔3 364 m，為境內最高點。兩山系之間為昭通壩子、灑漁壩子、靖安壩子，均是糧食主產區。金沙江流經境內23 km。大山包自然保護區地處五蓮峰山脈脊部，距離昭通市區79 km，總面積192 km2，地域范圍覆蓋東經103°14'55″～103°23'49″、北緯27°18'38″～27°29'15″，目前為國家濕地保護區，是云貴高原上最大的一級保護動物黑頸鶴越冬之地。大山包鄉目前人口約3000人，農業和牧業為經濟主體，當地政府十分重視保護該地自然條件和動植物資源。

大山包附近地形相當特殊，方圓幾十平方千米形成一個特殊的高地，大山包是主峰，最高海拔為課車梁3364 m。云層通常停留在2700～3000 m的高度。大山包是諸多河流的發源地，皆屬長江上游金沙江水系。境內主要河流跳墩河向西流入牛欄江。

根據云南氣象資料統計［1－5］，大山包屬暖溫性高原季風氣候，冬寒夏涼。干濕季節分明，5～10月受南方氣團影響，為濕季。11～4月受北方氣團影響，為干季。年平均氣溫6.2℃，1月平均氣溫－1℃，7月平均氣溫12.7℃。無霜期年平均天數134 d。年降雨量1 165 mm，雨量分布不均，5～10月降雨量占全年降雨量的88%。平均大風天數52 d，最高年達82 d，冬春季多。據1960～1988年積累的當地氣象數據顯示，該地年日照時間較長，年均日照時數超過2 300 h。

由于12月中旬考察大山包，此地正處于干季節，雨水稀，植被淺，天空晴朗，大氣能見度高，適合野外踏勘。從踏勘的址點(海拔3200 m)向西不到2 km便是海拔只有500 m左右的金沙江支流牛欄江，因此踏勘地點相對高度達到2 700 m左右，該地可能具備很好的視寧度觀測條件，值得仔細研究。另一方面，目前大山包區域交通便利，機動車可達山頂，方便了觀測儀器設備的攜帶和運送。

1 大山包地區地形特點詳細介紹

大山包為昭通地區海拔最高的山峰，最高海拔3 364 m，最低海拔494 m，位于昭通市西部大約79 km處。圖1是從谷歌地圖上截取的大山包周邊地形及交通狀況。圖中黑色曲線為昭通市通往大山包的公路，機動車可順利到達山頂。昭通市昭陽區氣象局數據采集點海拔3200 m，在該點以西不到2 km便是海拔只有500 m左右的金沙江支流——牛欄江。因此該點相對高度達到2 700 m左右。2010年12月中旬實地踏勘此點，發現此地為一平地，視野開闊，其西北方向有一高山，位于此點與牛欄江之間，擋住來自河谷的氣流。由于此點的特殊地形，導致此處的盛行風向主要為南風和西南風。考察期間此地天空晴朗，大氣能見度高。

圖1 截取自谷歌地圖的大山包地形及交通狀況Fig.1 A screenshot of Mt.Dashanbao from the Google Earth

2 大山包地區氣象參數詳細分析

總的來講，大山包所處的滇東北地區是中國平均云量最多的區域之一。但由于云南省獨特的地形特征可能導致局地相對較好的氣候條件的產生。因此需要借助詳細的氣象資料對大山包進行典型個例分析。本文主要針對昭通市昭陽區氣象局于1960年到1988年間在大山包采集的氣象數據資料，并依據下一代優良太陽觀測臺址所確定的相關氣象指標要求進行統計分析。該氣象站建立在云南天文臺太陽選址小組2010年12月踏勘過的大山包鄉。本節對該地區的相對濕度、日照小時數、風速風向、總云量和低云量以及溫度等參量進行統計分析。

文中，相對濕度、溫度、日照時數、云量和其它氣象物理量的定義均可參考文［3］中的相應解釋。與傳統使用成數描述云量不同的是，本文使用百分率表示天空云面積覆蓋率。一方面可以利用這些歷史積累氣象資料進行旬、月、年統計平均計算，另一方面也可以針對典型時刻，如正午附近14時的數據進行單獨統計研究，有助于初步考察該地區是否可以作為未來太陽觀測候選址點。本文還使用小波分析等數學工具對統計結果進行周期性研究。

2.1 相對濕度

圖2～圖4是對相對濕度的統計結果。圖2a是29年各年的月平均相對濕度。從圖中可以看出，月平均相對濕度在夏秋季節(5月～10月)整體較高，而在冬春季節(11月～次年4月)處于相對較低的水平，且每年變化規律基本保持穩定。月平均濕度最大可達90%，最小低至43%。夏秋季節的整體平均相對濕度為86.7%，這個均值明顯超過了人體感覺適宜的上限80%(http://baike.weather.com.cn/index.php?doc-view-1205.php)，可以看出該季節的濕度較高。冬春季節的平均相對濕度下降了兩成，達到65.9%，干燥程度相對較低。

圖2a 月均相對濕度。橫軸為月份，縱軸為相對濕度Fig.2a Monthly relative humidities.The horizontal axis is for month，and the vertical axis is relative humidity

為太陽選址需要，以每天14時的氣象資料為依據對大山包白天的相對濕度進行了分析。圖2b是白天14時的月平均相對濕度分布。結果為夏秋季節白天14時的均值79.5%，而冬春季節為55.0%，均分別顯著小于圖2a的整天平均值。由于水汽含量會影響該地區的大氣透明度，因此每年的11月至次年4月之間應該是大山包白天大氣透明度相對較好的月份。

圖2b 基于白日14時資料的月均相對濕度。橫軸為月份，縱軸為相對濕度Fig.2b Monthly relative humidities for local times of 14:00.The horizontal axis is for month，and the vertical axis is relative humidity

圖3是對月平均濕度進行小波分析的結果。從整體上看，月均相對濕度呈現出一定的周期性特點(圖3a)。圖3b中，等高線強度值越大，表示對應周期越強。從圖中可以看出，主要變化周期為1年。從全局功率譜分布看，1年周期的置信度高達95%以上(圖3c)。這說明大山包的大氣濕度變化具有很穩定的周年周期性。

圖3 月相對濕度(a);小波功率譜(b);全局功率譜(c)Fig.3 (a)The monthly relative humidities，(b)the corresponding wavelet power spectrum，and(c)the many-year average(“global”)power spectrum

圖4是年均相對濕度變化情況。從圖中可以看出，年均相對濕度最高在80%，最低為72%。從對年平均相對濕度的線性擬合看，年平均相對濕度處于76%左右。

總的來看，大山包址點常年的平均相對濕度不低，但冬春季節的白天平均相對濕度較低，適合作為太陽觀測備選址點繼續進行監測研究。

2.2 日照時數

圖4 年均相對濕度，虛線是對實測數據的線性擬合Fig.4 Yearly average relative humidities.The dotted line is the linear-fit to the data

與分析相對濕度類似，對該點的日照時數進行系統的統計分析，分析結果見圖5～7。首先，圖5中，對每月平均日照時數按年份進行分析。由圖可見，各年間月均日照時數存在著類似的變化規律。一般在1～5月和11～12月日照時數較高，平均大約220 h每月，最高330 h。而在6～10月，月均小時數較少。這一結果與相對濕度變化規律恰相反，即相對濕度高的月份對應日照時數少的月份，而相對濕度低的月份則對應日照時數多的月份。這是理所當然的結果，因為在月均濕度高的季節，一般對應著云南特有的濕季時節(夏秋)，云量較多導致平均日照時數也相對減少。圖5中的虛線代表理論上天空無云時的全晴日照時數，其變化規律與日照時數觀測值變化亦相反。這體現在濕季時論理全晴日照值對應著很低的實際日照百分率，有的甚至僅有25%的日照率。但在干季(冬春)，日照百分率經常有超過90%的月份，如每年的12月和1月。

圖5 月均日照小時數。虛線代表理論無云遮擋時的全晴日照時數，實線代表各年度觀測值Fig.5 Monthly hours of sunshine.The dashed lines represent the total hours of sunshine if without cloud obscuration，and the solid lines represent the values under real weather conditions

圖6 每十天平均日照小時數(a);小波功率譜(b);全局功率譜(c)Fig.6 (a)The hours of sunshine in ten-day periods，(b)the corresponding wavelet power spectrum，and(c)the many-year average(“global”)power spectrum

圖6a顯示實際的最高值可達120 h，幾乎是理論的全晴天氣。圖6b～c是對每旬的平均日照時數進行小波分析。很明顯，每旬平均日照時數比月均日照時數顯現出更加細致的變化特征。與月均統計類似，10天平均日照時數也顯現出非常強的周期變化規律。從小波分析的結果看，每10天平均日照小時數具有的最強周期為1年(圖6b)。而從全局功率譜看，1年周期變化置信度高達95%以上(圖6c)。

圖7是年均日照小時數曲線。這29年的平均值大約為2 330 h每年。與之參考對比的是，過去的資料顯示云南其它地區如昆明年均日照時數為2 500 h，賓川為2 700 h［6］，澄江撫仙湖好于2200 h。大山包年日照時數最高曾達到2 570 h。而最低年均日照時數也能達到2000 h。通過對比理論全晴小時總數(圖7上部實線曲線)，大山包的年均日照率大約在50%。

圖7 年均日照時數，虛線是對數據的線性擬合。上方實線是理論全晴日照時數Fig.7 Yearly sunshine hours.The dotted line is the linearfit to the data.The upper solid line is the total hours of sunshine if without cloud obscuration

較高的日照時數對于太陽觀測來講是一個非常重要的條件。對未來的巨型太陽望遠鏡建設和使用來講，超過2 500 h的年均日照時數更顯得尤其重要。雖然大山包在29年中僅有1年(1969年)的日照時數超過了這一嚴格指標，但其2 330 h的年均日照時數不弱于目前國內最好的撫仙湖太陽觀測基地，仍具備成為較優秀太陽觀測臺址的潛力。

2.3 風速和風向

圖8 月均風速。橫軸為月份，縱軸為月均風速Fig.8 Monthly-averaged wind speeds.The horizontal axis is for month，and the vertical axis is wind speed

風是建立天文觀測站需要考慮的一個重要影響因素。穩定的風速風向是產生良好視寧度的條件之一。對該地區的風速進行了月平均和年平均統計分析(圖8～9)。圖8為風速逐年月平均統計結果。在干季，月均風速普遍相對較大，而在濕季月均風速則較小。在資料中，干季月平均風速大約7 m/s，濕季月平均風速大約4 m/s。最大風速約10 m/s，而最小風速約為3 m/s。圖9為年平均風速統計結果。年均風速大致處于4.7 m/s的水平。總體來講，風速都是處于相對較低的水平。

圖10a為風速、風向及頻率統計圖。圖中大圓圈代表風速大小等級;疊加的每個小圓圈代表某個月的平均，在坐標中的位置代表風向，小圓圈的大小代表風向頻率。另外，E、W、S、N分別代表正東、正西、正南、正北方向。從圖中可以看出，該地區主要盛行西南風，主要表現在西南風速度相對大、頻率相對高。整體平均風速為4.9 m/s左右，極端時超過10 m/s。像這樣的風速在氣象上稱為和風，顧名思義，這樣的風速是較弱的。偶爾會出現東南風、東風和東北風，但這些風向的風速較小，出現頻率也較低。值得注意的是，圖10a上沒有顯示出西北風的任何優勢。

圖9 年均風速，虛線為對數據的線性擬合，星號代表數據點Fig.9 Yearly-averaged wind speed.The dotted line is a linear-fit to the data(asterisks)

圖10b是14時的統計結果。圖中用小黑點代表月均風值。某區域內小黑點越密集，就代表該方向風更占優勢的月份就越多。若用14點的風速測量代表整個白天的真實情況，則與圖10a比較可發現白天優勢風的確與整天平均風向和風速差異不大。大山包白天的平均風速為5.2 m/s，與全天均值4.9 m/s很接近。白天呈現出弱東南風、強西南風、正南風次數比夜晚增加、無北風(包括東北、北、西北向)的特征。

圖10a 風速、風向及頻率統計圖。每個小圓圈代表一個月平均值，共348個小圓圈。小圓圈直徑大小表示方向頻率，頻率越大，直徑越大。圓圈所在坐標位置表示某月風向與風速Fig.10a Statistical diagram of wind speed，direction，and frequency.Each circle represents a month，and there are 348 circles in total.The location of a circle corresponds to the values of wind direction and speed，and the size is proportional to wind-direction frequency

圖10b 基于14時觀測的風速、風向統計圖。每個小圓點代表某一個月，共348個小圓點。小圓圈所在坐標位置表示某月風向與風速Fig.10b Statistical diagram of wind speed and direction based on observations at local times of 14:00.Each of the 348 points represents a month.The location of a point corresponds to the values of wind direction and speed

綜上所述，大山包不論夜晚還是白天的風速都不大，風向盛行西南風。因此大山包觀測點的風是既穩又弱，值得進一步天文視寧度因子的測量試驗。

2.4 云量

云量即云的天空覆蓋面積率，它對天文觀測的影響亦尤為顯著。一般來講，按云層外形特征、結構特點和云底高度可將云分為3類，即低云、中云和高云。低云影響光傳播效率和視場，高云對紅外、亞毫米波觀測的影響更大。因此云量是考察觀測址點優劣的一個重要氣象因素。

圖11a 月均總云量。橫軸為月份，縱軸為各年月均總云量Fig.11a Monthly cloud amount.The horizontal axis is for month，and the vertical axis is cloud amount

圖11～14對大山包云量數據進行了系統分析。圖11a是月均總云量的統計結果。月平均值為61.4%。從圖中還可以看出，在干季云量覆蓋率相對很低，平均值為43.1%，最低月份能達到20%以下(如1968年12月的13%，1974年1月的14%);而在濕季總云量值則較高，均值約79.7%，最高能達到90%以上(如1960、1964、1965、1982年的6月均值都超過95%)。圖11b類似圖11a，但它們是建立在14時的觀測數據之上，即僅針對白天中午的總云量的統計分析。大山包中午月均總云量的統計均值為61.6%，比全時月均值略高0.2%。在干季云量覆蓋率相對低兩成，平均值40.9%，最低云量月份達到15%以下的就有5個月;而在濕季中午總云量值亦較高，均值約82.3%，超過了全時均值。中午云量超過90%以上的月份數量達到了67個，占所有濕季月份的38.5%。

圖11b 基于14時觀測值的月均總云量。橫軸為月份，縱軸為各年月均總云量Fig.11b Monthly cloud amonts based on observations of local times of 14:00.The horizontal axis is for month，and the vertical axis is the cloud amount

將基于全時和14時數據的年平均總云量覆蓋率變化分別顯示在圖12a和12b中。比較之后可發現這兩種統計分布結果的差異很小。它們的年均值都在55%～70%間變化，兩組數據相關性很好，而且在1960～1988年都隨年份增長呈現出一定的下降趨勢，這個結果比較有意思。可惜1988年之后，大山包鄉的氣象站被撤銷，這種局地總云量下降趨勢在隨后年代無法直接得到檢驗數據。

圖12a 年均總云量。虛線為對數據的線性擬合，星號代表數據點Fig.12a Yearly total cloud amounts.The dotted line is a linear-fit to the data(asterisks)

圖12b 基于14時觀測的年均總云量。虛線為對數據的線性擬合，星號代表數據點Fig.12b Yearly total cloud amounts based on observations at local times of 14:00.The dotted line is a linear-fit to the data(asterisks)

低云量會更直接地影響望遠鏡的有效觀測視場、消減太陽輻射和增加天空背景散射光。圖13a和13b是對低云量的統計分析，其中前者為全時月平均低云量，后者是針對白天14時的統計。直接比較可見，這兩種統計的變化趨勢一致，相關性很好。這種統計相關性其實也反映了整天4個氣象觀測時刻的低云量變化差異不大。結合圖12的結果認為大山包的日云量變化應當比較小。通常如果發現早上云很多，那當天的其它時刻云量不會減少。這個規律十分有利于把握大山包地區的當日云量，從而合理安排高精度觀測日期。

年均低云量的統計結果見圖14。從圖14a可知，年平均低云量變化范圍在40%～55%，均值47.3%。這種長期監測結果顯示，其變化較為穩定，且與總云量一樣亦呈逐年下降趨勢。為方便比較，將白天14時的低云量統計結果顯示在圖14b中。白天與全天低云量的年均統計結果類似，均值47.2%，非常接近全時年均值。這說明大山包地區的白天和夜晚的低云量年均值一致，非常平衡。再次印證了圖12～13的結果，即大山包地區的云量晝夜變化小。

因此，結合上述資料統計結果，可以得到3個初步結論:(1)大山包濕季的白天總云量比較高，但是可以充分利用較優秀的干季少云期進行太陽紅外和其它相關測量;(2)大山包低云量均值40%～50%;(3)大山包總云量、低云量的晝夜變化差異非常小。

2.5 氣溫

通常環境溫度能夠影響天文觀測設備中關鍵部件的工作性能、調制模式。因此充分了解候選址點的溫度及變化規律對設計和利用大型觀測設備也十分重要。

圖15、16是對大山包地區29年的溫度統計分析結果。在圖15中，對溫度的旬均值作小波變換分析。可以看出每10天平均溫度變化呈現出較強的周期性簡諧振蕩變化規律(圖15a)，29年的平均溫度為6.5℃。根據小波功率譜顯示(圖14b)，10天平均溫度變化具有最為明顯的周期為1年左右的特點。這一周期在全局功率譜圖上可以看出，其置信水平達到95%以上。因此，它與前面討論的相對濕度和平均日照時數變化規律基本一致。

從每年全時月均溫度各年變化情況很容易看出各年的變化也存在類似的規律(圖16a)。即在干季月均晝夜溫差變化較大，在20℃左右，而在濕季晝夜溫差變化小，在10℃左右。年均氣溫6.5℃。年均最高溫度16.3℃，而年均最低溫度－3.1℃。極端年份最低氣溫可達－16.8℃，最高氣溫可達23.1℃。圖16b為基于14時的逐年月均溫度變化曲線圖。年均14時氣溫8.9℃。極端14時最高氣溫16.3℃，極端14時最低氣溫－2.1℃。

圖13a 月均低云量，橫軸為月份，縱軸為月均低云量Fig.13a Monthly low-cloud amounts.The horizontal axis is for month，and the vertical axis is low-cloud amount

圖13b 基于14時觀測的月均低云量，橫軸為月份，縱軸為月均低云量Fig.13b Monthly low-cloud amounts based on observations of local times of 14:00.The horizontal axis is for month，and the vertical axis is low-cloud amount

圖14a 年均低云量。虛線為對數據的線性擬合，星號代表數據點Fig.14a Yearly low-cloud amounts.The dotted line is a linear-fit to the data(asterisks)

圖14b 基于14時觀測的年均低云量。虛線為對數據的線性擬合，星號代表數據點Fig.14b Yearly low-cloud amounts based on observations of local times of 14:00.The dotted line is a linear-fit to the data(asterisks)

圖15 每10天平均溫度(a)，小波功率譜(b)，全局功率譜(c)Fig.15 (a)Average temperatures in ten-day periods，(b)the corresponding wavelet power spectrum，and(c)the many-year average(“global”)power spectrum

圖16a 月均溫度，橫軸為月份，縱軸為月均溫度。“◇”和“+”表示當月最高溫度和最低溫度Fig.16a Monthly-averaged temperatures.The horizontal axis is for month，and the vertical axis is for temperatures.The symbols“◇”and“+”indicate the lowest and highest temperature of each month，respectively

圖16b 基于14時觀測的月均溫度，橫軸為月份，縱軸為月均溫度。“◇”和“+”表示當月最高溫度和最低溫度Fig.16b Monthly-averaged temperatures based on observations of local times of 14:00.The horizontal axis is for month，and the vertical axis is for temperatures.The symbols“◇”and“+”indicate the lowest and highest temperatures of each month，respectively

總體來看，該地區晝夜溫度變化范圍比較正常，正午溫度也正常。

3 討論

基于前文對大山包地區長達29年的定點氣象監測資料的統計分析，可以看到，當地的全時和14時的相對濕度、平均日照時數和平均溫度均呈現出非常強的一年周期性變化。而且這一周期性變化非常穩定，可以非常準確地把握當地的天氣變化情況，從而可對望遠鏡的觀測時間針對不同觀測目標進行恰當的分配利用。把該地區在每年中的氣候特點分為兩個時段進行討論。其中一個時段是每年的11月到次年4月，稱之為干季。在這段時間內，相對濕度、月平均溫度和月平均云量(包括低云量和高云量)均比較低，而平均日照小時數高，同時風速也相對較高。雖然較大的風速會影響望遠鏡的觀測，但是從長年監測的統計結果看，整體平均風速相對不算太大，對太陽觀測應該影響不大。而且該地區的晝夜盛行風向基本上是西南風，如此穩定的風向容易采取一般技術處理。總體來講，這一時期比較適合太陽觀測。另外一個時段就是每年的5月到10月，稱之為濕季。這段時間內，平均相對濕度、月平均溫度和平均云量均保持較高的水平，平均風速低，平均日照小時數較少。這樣的氣象條件容易造成大氣透明度差和水汽含量嚴重，不利于高精度天文觀測和紅外波段觀測。當然，也不排除期間會有較好的短時段內適合觀測的天氣出現，畢竟長期資料只能說明一定的統計效應。

交通狀況和離已有天文臺距離遠近也是一個值得考慮的問題，如果交通欠佳，離已有天文臺距離過遠，那么對將來建設望遠鏡來講，會投入更多的人力、物力和財力。大山包不存在這方面的問題，因為目前大山包已有公路到達考察點，而且距離昭通市區較近，離中國科學院云南天文臺也不算太遠。大山包的年均日照時數為2 312 h，略多于目前國內最優秀的撫仙湖太陽觀測站(2200 h)。總體來講，大山包地區的氣候條件比較適合作為一個太陽觀測址點的候選地點。近期采用其它設備和儀器對該點進行長期監測，準確考察當地是否符合將來巨型太陽望遠鏡的各頂指標要求，為今后的西部太陽選址工作打下堅實的基礎。

［1］云南天文臺選址組.麗江高美古的天文觀測條件 ［J］.天文學報，1999，40(3):319－325.Site Testing Group of Yunnan Astronomical Observatory.Site Testing at Gaomeigu in Lijiang County—Seeing，Sky Brightness and Extinction Coefficient［J］.Acta Astronomica Sinica，1999，40(3):319－325.

［2］中央氣象局.全國地面基本氣候資料統計方法 ［M］.北京:氣象出版社，1979.

［3］張永婧，王盤興，姚永強，等.中國天文氣象條件的地域分布 ［J］.中國科學(G輯)，2010，40(10):1302－1314.Zhang Yongjing，Wang Panxing，Yao Yongqiang，et al.Climate Regionalization in China for Astronomical Observations ［J］.Scientia Sinica(G)，2010，40(10):1302－1314.

［4］張家誠.中國氣候總論 ［M］.北京:高等教育出版社，1991.

［5］艾爾肯，艾力·伊.奎先達坂概況及天文氣象條件 ［J］.天文學進展，1997，15(3):279－281.Ar kin，Aili·Yi.Survey of Kuixianda Mountain Slope and Meteorological Situation for Astronomical Observation at This Region ［J］.Progress in Astronomy，1997，15(3):279－281.

［6］云南天文臺恒星物理研究室.滇西賓川選址(I)——觀測結果與初步分析 ［J］.天文學報，1981，22(2):195.Stellar Division of Yunnan Observatory.Site Testing in Binchuan(I)——Observations ［J］.Acta Astronomica Sinica，1981，22(2):195.