梯度氣象觀測站數據分析對農業的作用

郭書揚

（蘭州大學大氣科學院，甘肅蘭州 730107）

農業是國民經濟的基礎，是經濟發展的基礎。農業是人類社會的衣食之源、生存之本。農業是工業等其他物質生產部門與一切非物質生產部門存在與發展的必要條件。農作物產量是影響農業經濟的最主要原因。

農作物的產量除了內在的品種、科技等影響因素外，還有外在的環境因素，如特殊氣候[1]。極端天氣的出現，氣象災害對農業生產造成不利影響，使農民利益受損、農業經濟發展受阻。為此，通過氣象觀測站的氣象資料經過科學研究分析得出相關規律，為保障與提高農作物產量起到重要作用。

氣象觀測是氣象工作和大氣科學發展的基礎。氣象觀測數據分析，為天氣預報提供基礎的氣象參數，通過長期積累和統計，整理完善為氣候資料，為農業、林業、工業、交通、軍事、水文、醫療衛生和環境保護等部門進行規劃、設計和研究，提供重要的數據依據。

梯度氣象觀測站是一個低層大氣綜合探測系統，集多層、多參量觀測系統于一體，實現一定高度內的風溫梯度信號參量的綜合自動觀測。氣象數據為研究大氣污染、大氣邊界層物理提供高質量的觀測資料，同時提升公共氣象服務能力、提高氣象預報預測準確率也起著重要作用。

通過氣象觀測，可以提前了解當地氣象狀況，做好預防，避免或減輕氣象災害對農作物生產所帶來的不利影響，促進農作物的增產增收。因此，氣象觀測是促進我國農業發展、提高農業經濟效益的重要手段之一[2]。

1 梯度氣象觀測站的概況

1.1 氣象站的地理位置

氣象站位于甘肅酒泉市金塔縣境內，地處東經98°30'00"，北緯 40°19'58.8"，北靠黑山，地處戈壁，地勢平坦，場地開闊。金塔縣位于甘肅省河西走廊中段北部邊緣，東、北與內蒙古額濟納旗毗連，西面與甘肅嘉峪關、玉門、肅北接壤，南與酒泉市和張掖地區的高臺縣為鄰。

氣象站所在地的地貌為戈壁、綠洲相間的平緩沙丘，地形起伏較小、開闊。圖1為半徑40 km范圍的地形情況，總體上以北開始有起伏山地出現，在半徑40 km范圍最大地形高差達500～600 m。

金塔氣象站地理位置見圖1。

圖1 金塔氣象站地理位置

1.2 氣象站的設計與觀測參數

梯度氣象觀測站主要包括102 m高度的氣象鐵塔與地面自動觀測站。

氣象鐵塔主體為高102 m，邊長至少為1 m的三角形鋼結構拉線鐵塔。在102 m鐵塔上設置有5個氣象觀測高度10，30，50，75，100 m，安裝有風向、風速、溫濕度傳感器，實現對應高度風向、風速、溫度、濕度的觀測，并通過變送器、信號線將電信號傳輸至數據采集器，完成對5層風溫梯度信號的處理與轉換，并記錄每小時16個要素的平均值與極值數據。

地面自動觀測站測量的氣象要素主要有風向、風速、溫度、濕度、氣壓、雨量、總輻射、凈輻射、蒸發。可完成風向、風速、溫度、濕度、地溫、雨雪量、總輻射、凈輻射、氣壓的實時測量，空氣的水蒸氣壓和露點溫度則由相對濕度和溫度計算獲得，利用實測數據計算出氣象要素平均量、階段時間內的極值等。

氣象觀測系統由氣象鐵塔風溫梯度測量系統、地面氣象諸要素自動觀測系統、監控系統平臺3個部分構成。該氣象觀測系統采用先進的觀測設備對大氣狀況不間斷、系統地觀測和數據收集，并把所得數據存儲和處理，提高觀測準確性，對天氣狀況作出預警預報，為現代化農業生產提供及時準確的氣象信息服務，幫助農業管理部門應對各種氣象災害，避免或降低氣象災害損失，為現代化農業發展撐起一把保護傘[3]。

2 梯度氣象站的數據分析

通過氣象塔觀測系統獲取了2010年9月1日至2012年8月31日2個整年的逐日觀測數據，包括風向、風速、溫度、濕度、氣壓等。整個觀測系統采用CR3000采集器，結合氣象梯度監測站，其中梯度觀測指標包括對10，30，70，100 m處的風向、風速和溫度。該系統可以用于多層梯度氣象觀測，每層均可測量風速、風向、溫度、濕度平均場等常規參數。以下根據現有2個整年有效觀測數據進行分析[4]。

2.1 氣溫

季、年平均氣溫（10 m高度）：年均9.58℃，春季10.73℃，夏季25.48℃，秋季9.95℃，冬季-8.19℃。

（1） 逐時氣溫變化。各高度早晨7:00～10:00出現一天中最低氣溫，午后的16:00～19:00出現1 d中的最高氣溫。月最高、月最低氣溫（10 m高度）：最高氣溫38.6℃，最低氣溫-28.5℃。溫差變化分析表明，冬春兩季各月溫差較大，塔層各高度溫度差異不大。

（2）逆溫。四季中，冬季出現逆溫的次數明顯高于其他季節，夏季較少。逆溫強度變化規律是春冬最強，夏秋季均較弱。時次變化：一般從夜晚21:00開始，逆溫逐步增強，至凌晨8:00左右達到峰值，隨后開始逐步減弱，4:00～8:00逆溫強度較強。各層逆溫 （100～10 m，70～10 m，50～10 m，30～10 m） 占觀測期間觀測總時數的頻率分別為42.62%，42.51%，43.47%，42.70%。

（3）氣溫梯度。觀測期間氣溫的一般時次變化規律為14:00～19:00振幅平緩，9:00～13:00氣溫變化較劇烈。平均氣溫下午16:00～19:00最高，早晨7:00～8:00氣溫最低。每日從7:00開始氣溫回升，至16:00～19:00達到最高溫度后緩慢下降，直至次日早晨出現氣溫最低值。由各高度氣溫曲線比較分析表明，每個月都會有逆溫出現。

2.2 濕度

四季平均相對濕度36.80%，春季22.18%，夏季32.15%，秋季46.78%，冬季46.49%，觀測期間最高99.90%，最低3.68%。

2.3 降水

2010—2011年四季總降雨90h，總降雨量27.7mm，雨量年最大值為2.0 mm。該區春季4月降水偏多（1.0 mm），3月降水最少為0；夏季8月降水偏多（5.7 mm），6月降水最少（2.9 m）：秋季9月最 多（11.2 mm）；11月最少為0；冬季則降水為0。 夏秋季降水次數略多，春季降水次數較少，冬季則無降雨出現，降雨強度均以小雨為主。

2.4 輻射

總輻射年最大值為1 112.I7 W/m2：觀測期間凈輻射年平均 48.24 W/m2，春季 65.01 W/m2，夏季93.79 W/m2，秋季 30.39 W/m2，冬季 2.42 W/m2，最大 807.98 W/m2，最小 186.99 W/m2。

2.5 蒸發量

平均蒸發量0.49 mm/h，最大蒸發量4.94 mm/h，最小蒸發量0.02 mm/h。

2.6 風向風速

2010—2011年四季平均風速 4.91 m/s，春季5.43 m/s，夏季4.91 m/s，秋季4.44 m/s，冬季4.83 m/s，觀測期間最大風速22.55 m/s，最小風速為0。 氣象站塔層各高度年均分玫瑰圖見圖2。

圖2 氣象站塔層各高度年均分玫瑰圖

年主導風向：10 m高度主導風向W，次主導風向WSW，主導和次主導風向的風頻分別為14.64%，11.57%。年平均風速為100 m高度6.37 m/s，10 m高度4.60 m/s。顯然，平均風速隨高度增高而逐步加大。

各高度小風時風頻結果表明，各高度E風向風頻值略大，但同其他風頻相差不大，小風時風頻呈現均勻散布的狀況。

觀測期間該區除1月份大風天氣出現較少外，其他各月均有大風天氣出現，且主要為偏西氣流所控制。

風觀測特征：塔址觀測點來風以偏西風與偏東風為主，平均風速較大。靜風頻率較小，100 m高度至10 m高度分別為1.0%，1.0%，1.1%，1.2%，1.8%。

通過2010年9月1日至2012年8月31日梯度氣象觀測站獲取的氣象數據分析：總的天氣形勢夏季氣壓低、風速小、輻射強、氣溫高、濕度較小、雨季時雨量較大：冬季氣壓高、溫度低、雨量偏少。

梯度氣象觀場站：102 m氣象觀測鐵塔與地面自動觀測站，對各種氣象要素進行觀測，以此來分析未來天氣的發展趨勢，為農業生產作出預警。通過對氣象數據分析，可以針對農業生產進行有效的分配，預測各種農作物的生長變化情況，采取相應的措施，對農作物進行干預及保護，提高農業收益。

3 結語

利用鐵塔各層高度的風溫觀測與地面氣象站各氣象要素：風向、風速、溫度、濕度、氣壓、雨量、總輻射、凈輻射、蒸發等觀測資料進行數據分析，可得到局地氣候的一般性規律。根據此規律，也可以進行數值天氣預報，給當地農業生產作出提示，減少農作物受到自然災害的破壞，也可對當地農業氣象部門提供重要的數據支持[5]。

總之，梯度氣象觀測為氣象預報提供了準確、可靠的依據，為當地農業的發展起到了積極、重要的作用。根據梯度氣象觀測的實測數據，針對農業生產采取有效措施，采取分區分類的方式進行播種，因地制宜，使農業耕種適應氣象規律以提高農業生產力，從而有效地促進當地農業的發展。