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(qiáng)，柴闖闖

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

山地氣候的垂直變化是一個(gè)經(jīng)典的地理學(xué)和氣候?qū)W問題，對(duì)生態(tài)學(xué)研究也十分重要，是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)、城市熱島、天氣預(yù)報(bào)、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(chǔ)資料．一般認(rèn)為，在對(duì)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(fù)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(gè)溫度較高的地方，地表溫度遞減率可能會(huì)發(fā)生變化[5]．

目前，國內(nèi)外學(xué)者非常重視山區(qū)氣候變化，也對(duì)溫度垂直遞減率進(jìn)行過研究，Pepin[6]對(duì)美國落基山脈地表遞減率的系統(tǒng)變化進(jìn)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(dòng)；鄭成洋等[9]對(duì)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(zhǎng)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(shì)，取得一定的研究成果，但山地氣候因復(fù)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(jié)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(tái)(站)條件監(jiān)測(cè)的限制，溫度的連續(xù)觀測(cè)一般難以實(shí)現(xiàn)，從而很難準(zhǔn)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(gè)(經(jīng)過質(zhì)量控制后，剩余1 802個(gè)站點(diǎn))加密的區(qū)域自動(dòng)站的資料，彌補(bǔ)了以前觀測(cè)資料的不足且避免了遙感資料的誤差，對(duì)重慶溫度垂直遞減率的時(shí)空分布特征做了較詳細(xì)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(xué)地開發(fā)及可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)參考和科學(xué)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(gè)國家氣象觀測(cè)站點(diǎn)和重慶市所有2 055個(gè)(經(jīng)過質(zhì)量控制后，剩余1 802個(gè)站點(diǎn))區(qū)域自動(dòng)站資料，具體區(qū)域和站點(diǎn)情況如圖1所示．

1.2 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)與處理

由于自動(dòng)站資料存在缺測(cè)或觀測(cè)錯(cuò)誤，因此必須對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量控制．參考江志紅等[12]的研究成果對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度極值檢驗(yàn)、時(shí)間連續(xù)性檢驗(yàn)、空間連續(xù)性檢驗(yàn)．

1.2.1 溫度極值檢驗(yàn)

首先直接剔除數(shù)據(jù)已標(biāo)識(shí)為缺測(cè)的數(shù)據(jù)，然后通過判斷要素?cái)?shù)據(jù)是否位于特定閾值范圍內(nèi)，從而進(jìn)一步對(duì)可疑數(shù)據(jù)進(jìn)行篩除．根據(jù)重慶本地的氣候狀況，日平均溫度的閾值設(shè)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(shí)間連續(xù)性檢驗(yàn)

溫度變化與時(shí)間存在較為顯著的相關(guān)性，鄰近日期的要素值應(yīng)當(dāng)是連續(xù)均勻變化的，時(shí)間連續(xù)性檢驗(yàn)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(jìn)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(chǔ)，若某一站點(diǎn)4 d的平均變率超過15 ℃或小于0.5 ℃，則設(shè)置為缺省值．

1.2.3 空間連續(xù)性檢驗(yàn)

同一區(qū)域范圍內(nèi)的站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)可表現(xiàn)出相似的空間分布特征，若某個(gè)測(cè)站的要素值與鄰近站差異較大，則可判斷此站點(diǎn)的要素為可疑數(shù)據(jù)．將距離質(zhì)控站點(diǎn)周圍一定范圍內(nèi)的所有站點(diǎn)作為樣本，根據(jù)Barnes客觀分析法插值[13]到質(zhì)控站點(diǎn)位置，然后判斷站點(diǎn)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(cè)．相關(guān)計(jì)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(diǎn)原始值和周圍站點(diǎn)值，ωi為周圍站點(diǎn)權(quán)重，r為周圍站點(diǎn)到質(zhì)控站點(diǎn)的距離，R為影響半徑．

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

由于進(jìn)行空間連續(xù)性檢查需要使用周邊站點(diǎn)進(jìn)行插值，若某個(gè)還未進(jìn)行質(zhì)控的可疑站點(diǎn)也參與到插值中勢(shì)必會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響，因此研究中采用了二次迭代方案，即首先對(duì)所有站點(diǎn)進(jìn)行1次空間連續(xù)性檢驗(yàn)，然后在第2次檢驗(yàn)中只使用通過了第1次檢驗(yàn)的站點(diǎn)進(jìn)行插值．若某個(gè)站點(diǎn)在第2次空間連續(xù)性檢驗(yàn)中依然被判斷為可疑值，便剔除；反之，則保留．進(jìn)行質(zhì)控時(shí)，影響半徑設(shè)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(gè)站點(diǎn)作為本文的基礎(chǔ)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(guān)系，這個(gè)線性關(guān)系的系數(shù)就是溫度垂直遞減率，簡(jiǎn)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(diǎn)、季節(jié)、晝夜的不同而變化．本文為了準(zhǔn)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(jì)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(duì)觀測(cè)的溫度垂直廓線進(jìn)行線性擬合，即可求得對(duì)應(yīng)觀測(cè)時(shí)刻的溫度遞減率[14]．

(4)

2 結(jié)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(gè)自動(dòng)氣象觀測(cè)站的逐小時(shí)溫度資料，根據(jù)以上溫度遞減率的計(jì)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(zhǎng)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(shí)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(dòng)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(duì)較大，為0.016 ℃/km；變化趨勢(shì)分為3個(gè)階段，1時(shí)-10時(shí)為變化不大的平穩(wěn)期，11時(shí)-19 時(shí)為上升期，10時(shí)-24 時(shí)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(shí)左右，大氣湍流運(yùn)動(dòng)最劇烈，地表溫度遞減率最高；而在11時(shí)左右，大氣層結(jié)相對(duì)穩(wěn)定，常有逆溫發(fā)生，這時(shí)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(gè)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(jì)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(dòng)幅度存在差異．秋季的地表溫度垂直遞減率為4個(gè)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(jì)算結(jié)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(gè)季節(jié)的平均地表溫度垂直遞減率在日內(nèi)(1時(shí)-24時(shí))變化形式基本一致，大致可劃分為3個(gè)階段： 平穩(wěn)期(1時(shí)-10時(shí))，上升期(11時(shí)-19時(shí))，下降期(20時(shí)-24時(shí))，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(gè)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(shí)(0.071 ℃/km)，最小值是秋季的11時(shí)(0.047 ℃/km)，差值達(dá)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(shì)一致，從1時(shí)開始至9時(shí)，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(shí))，最小值出現(xiàn)在上午(10時(shí)和11時(shí))，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(shí))的差值最大，高達(dá)0.076 ℃/km，最小值是10月(12時(shí))，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(shì)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(shí)開始至9時(shí)，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(shí))，最小值出現(xiàn)在上午(10時(shí)和11時(shí))．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(dǎo)致其溫度遞減率最小．

3 結(jié) 語

3.1 主要結(jié)論

本文利用重慶市2008-2019年34個(gè)國家氣象觀測(cè)站和1 802個(gè)區(qū)域自動(dòng)站的逐小時(shí)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(shí)空分布特征．主要結(jié)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(shì)，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(shì)基本一致，大致可劃分為3個(gè)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(shí)-9時(shí)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(shí))，最小值出現(xiàn)在上午(10時(shí)和11時(shí))．

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(shí)空分布，其中空氣濕度、大氣穩(wěn)定度對(duì)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(duì)溫度遞減率產(chǎn)生影響，因此未來還需要做進(jìn)一步探討．