丽水市白云山森林公园山地立体气候资源分析

　　摘要: 根据丽水市白云山森林公园 5 个不同海拔的气象自动站逐时气温、降水、风速资料，研究白云山气候资源随时间、海拔的变化规律，从而探究丽水白云山立体气候资源的分布特征。结果显示，丽水市白云山森林公园气温日( 年) 变化，日( 年) 最高出现在 14 时( 7 月) ，最低出现在 06 时( 1 月) ，随着海拔的增加，气温日( 年) 较差缩小。气温随海拔的递减率约 0. 6 ℃ /100 m，午后( 夏季) 递减率较高，夜间( 冬季) 较低。降水日( 年) 变化特征，午后至上半夜( 夏、秋季) 降水较多，17 时( 6 月) 出现峰值，20 时( 8—9 月) 次之。降水随海拔变化先增加后减少，最大降水量高度约为海拔 700 m。风速日( 年) 变化特征，白云山顶风速最大，林场风速最小，高海拔风速夜间( 3—8 月) 较大，低海拔风速受下垫面影响波动变化。

　　关键词: 气候学; 气温; 降水; 风速; 立体气候; 白云山

　　0 引 言

　　中国是多山的国家，山地类型多样复杂[1]，当前国内针对山地气候的研究主要集中在川藏、秦岭、南岭等大地形区，如胡继华等通过分析川西高原气候资源，得出亚热带、温带、寒带 3 个经济发展气候带[2]; 易新民等结合有关考察资料对川东南立体气候特征进行了分析[3]; 高翔等分析了秦岭南北坡半个世纪气温与降水的变化趋势及特征[4]; 刘尉等建立了粤北山区南岭各热量因子与海拔的线性回归模型[5]; 杜军等利用西藏色齐拉山地区不同海拔的近地面观测资料，探讨了东、西坡局地气候特征差异形成的原因[6]。目前对中国东南部的丘陵山地一带的研究较少，王国新等分析了浙江省临安市山地气候旅游资源时空分布特征[7]。山地气候是气候系统中最为复杂的类型系统[8]; 不仅气候要素的变异性和稳定性特征复杂，并且其组合类型多样，整个山地气候系统实际上是一个随机系统。正是由于山地气候的这些特点，使任何一个山地系统都能成为一个气候环境多样，气候资源丰富的多功能气候系统，对于人类社会经济发展来说，具有明显的优越性[9-10]。

　　丽水市地处浙江省西南部山区，属亚热带湿润气候，温暖湿润，雨量充沛，四季分明，无霜期长。地势以中山、丘陵地貌为主，由西南向东北倾斜。西南部以中山为主，有低山、丘陵和山间谷地; 东北部以低山为主，间有中山及河谷盆地，是个“九山半水半分田”的地区，具有明显的山地立体气候特征。丽水森林覆盖率 80. 79% ; 海拔 1000 m 以上山峰 3573 座。2014 年，丽水荣膺“中国气候养生之乡”; 2017 年 3 月，入选中国首批气候适应型城市，气候生态优势显著。以往的山地气象资料大多由周边地区有限的气象台站用离散点等值线、模型以及 DEM 空间模拟等方法求得[11]。这些方法虽然能反映山区气候的一般趋势，但是不能真实地显示复杂地形条件下的小气候特征。加上以前山地气候观测资料稀少，气候空间差异大，对山地气候变化的研究很少。随着气象现代化发展，丽水的自动气象站密度一直在增加，目前平均站点间隔已经达到 6 km，为研究丽水山地小气候变化提供了数据基础。丽水白云山森林公园位于丽水城北部 2 km 处，与城区接壤，森林茂密，绿海万象，是徒步健身、避暑休闲、旅游观光的好去处，总面积达 2666. 6 hm2 ，是丽水的后花园，也是城市的天然生态屏障。本研究结合地形实际，利用白云山森林公园的自动气象站数据，初探丽水白云山山地气候特点，分析其热量、降水、风速的立体气候资源分布，以便为打造宜居气候、推进丽水生态气候资源开发提供理论基础和科学依据。

　　1 资料与方法

　　近年来白云山森林公园山脚、山腰、山顶等不同海拔架设了自动气象监测站，为系统地对白云山进行山地立体气候方面的观测与研究提供了气象资料。

　　资料主要来源于白云山 5 个不同海拔自动气象站数据( 区域站点信息见表 1) ，由于区域站启用时间不一样，选取共有的时间段 2014— 2017 年 4 a 逐时、逐日的气温、降水、风速等气象要素资料，应用数理统计方法，研究不同时间尺度白云山立体气候资源随时间和高度的变化规律。

　　2 白云山森林公园气温立体气候变化特征

　　2. 1 气温立体日变化特征

　　图 1 给出了丽水白云山森林公园不同海拔温度的日变化趋势。图 1a 中可以明显看出，不同海拔的温度日变化特征基本一致，低海拔地区气温较高，高海拔地区气温较低。海拔 170 m 的绿谷庄园日平均气温 18. 9 ℃，随着海拔的升高，气温逐渐降低，450、640、756 m 处的日平均气温分别为 17. 0、16. 0 和 15. 4 ℃，而在接近白云山顶的 1072 m 日平均气温只有 13. 2 ℃。日平均气温从山脚( 170 m) 到山顶( 1072 m) 下降了约 5. 7 ℃，平均每 100 m 约降低 0. 63 ℃。但在一天的不同时刻，气温随海拔降低的幅度是不同 的，变 幅 较 大 的 是 在 午 后 13: 00—18: 00 时，海拔每升高 100 m，气温下降约 0. 8 ℃ ( 0. 76 ～ 0. 82 ℃ ) ，其中以 16: 00 时气温随海拔递减率最大( 0. 82 ℃ /100 m) ; 其次在 11: 00—12: 00 时和 19: 00—21: 00 时，海拔每升高 100 m，气温下降约 0. 7 ℃ ( 0. 66 ～ 0. 73 ℃ ) ; 随后在 09: 00— 10: 00 时和 22: 00—01: 00 时，海拔每升高 100 m，气温下降约 0. 6 ℃ ( 0. 55 ～ 0. 63 ℃ ) ; 而在夜间 02: 00—08: 00 时，海拔每升高 100 m，气温下降约 0. 5 ℃ ( 0. 46 ～ 0. 54 ℃ ) ，其中以 06: 00 时气温随海拔递减率最小( 0. 46 ℃ /100 m) 。图 1a 中 K9091 和 K9092 站的温度在09: 00 时有轻微的交叉，可能与两个站点所处的坡向相关，位于东坡的 K9091 站比西坡的 K9092 站接受太阳辐射更早。

　　不同海拔温度的日变化还可以看出，都是午后 14: 00 左右最高( 19. 5 ℃ ) ，早晨 06: 00 前后最低( 13. 6 ℃ ) ，但是随着海拔的增加，气温日较差逐渐缩小，在海拔 170 m 处气温日较差有 7. 5 ℃，在海拔 450 m 处气温日较差缩小为 6. 3 ℃，在海拔 640 m 和 756 m 处气温日较差分别为 5. 6 ℃和 5. 8 ℃，而在海拔 1072 m 处气温日较差只有 4. 4 ℃。说明山脚气温变化幅度较大，随着海拔升高，气温变幅缩小，山顶气温变幅最小，相对稳定少变。结合图 1b 可以看出，各海拔都是白天温度明显高于夜间，而且在低海拔白天和夜间的温度差更明显( 170 m 相差 4. 2 ℃ ) ，高海拔温度差明显缩小( 1072 m 山顶相差 2. 5 ℃ ) 。白天的气温随海拔的递减率 ( 0. 73 ℃ /100 m ) 明 显 大 于 夜 间 ( 0. 54 ℃ / 100 m) 。

　　2. 2 气温立体年变化特征

　　丽水白云山森林公园气温的年变化特征如图 2 所示。不同海拔的气温月变化曲线均呈单峰分布( 图 2a) ，峰值出现在 7 月，谷值出现在 1 月。气温随着海拔的升高而逐渐降低，海 拔 1072 m 的白云山气温最低 ( 年 平 均 气 温 13. 2 ℃ ) ，海拔 170 m 的绿谷庄园温度相对最高 ( 18. 9 ℃ ) ，其他3 站点气温居中。另外，随海拔升高，气温年较差减小，山顶的白云山站气温年较差 19. 5 ℃，山脚的绿谷庄园气温年较差 20. 7 ℃，但幅度不大( 1. 2 ℃ ) 。年平均气温随海拔递减率降低为0. 6 ℃ /100 m，不同月份气温随海拔递减率有所差异，以 7 月最高，1 月最低。海拔每升高 100 m，7—10 月份气温下降约0. 7 ℃ ( 递减率 0. 68 ～ 0. 70 ℃ /100 m) ，1—6 月和 11— 12 月气温随海拔的递减率约 0. 6 ℃ /100 m( 0. 57 ～ 0. 63 ℃ /100 m) 。

　　根据白云山森林公园四季温度随海拔变化特征( 图 2b) 可以看出，夏季温度最高( 5 站点平均温度 24. 6 ℃ ) ，冬季气温最低( 6. 5 ℃ ) ，秋季和 春 季 居 中，且 秋 季 ( 17. 7 ℃ ) 高 于 春 季 ( 15. 5 ℃ ) ，年平均气温也比较舒适( 16. 1 ℃ ) 。不同季节气温都是随海拔升高而降低的，四季温度递减率变幅也较为接近，分布在 0. 59 ℃ / 100 m ( 冬 季) ～ 0. 66 ℃ /100 m ( 夏 季) ，相 差不大。

　　3 白云山森林公园降水立体气候变化特征

　　3. 1 降水立体日变化特征

　　从丽水市白云山森林公园不同海拔降水的日变化特征( 图 3a) 可以看出，白云山森林公园降水主要集中在午后至上半夜时段( 13: 00— 23: 00) ，且在傍晚 17: 00( 5 站点平均小时降水量 0. 30 mm) 出现峰值; 除此以外，在上半夜 20: 00 也出现 1 个次峰值( 0. 26 mm) 。不同海拔的降水总体随时间变化趋势一致，只是变化幅度稍有差异，总体表现为中海拔的 3 个站点( 快活林 450 m，实验林场 640 m 和陈寮山756 m) 的降水量比高海拔站点( 白云山1072 m) 和低海拔站点( 绿谷庄园 170 m) 降水量偏高。

　　白天和夜间降水量对比( 图 3b) 来看，白天降水明显多于夜间，主要是因为午后降水较多，以及 17: 00 点最大降水出现在白天段( 08—20 时) 。降水随海拔变化，无论白天还是夜间，都呈现出“先增多，后减少”的变化趋势，中间 3 个海拔的降水量明显多于山顶和山脚，尤其是 640 m 高度降水量最为明显。

　　3. 2 降水立体年变化特征

　　根据白云山降水的年变化特征( 图 4a) 可以看出，不同海拔降水量的月变化趋势基本一致，降水量峰值都出现在 6 月，次峰值出现在 8—9 月。从天气形势角度出发，5—6 月又被称为主汛期，初夏梅雨期，多连阴雨天气，雨量集中，暴雨次数多，常造成洪涝灾害，降水比其他月份明显偏多; 8—9 月经常受到热带气旋的影响，是台风影响最频繁的时候，雨量较为充沛，因此也称这段时间为台汛期，降水也相对较多[12]。而秋、冬季则多受高压系统控制，天气晴朗少雨，降水明显偏少。不同海拔降水对比来看，整体表现为中间海拔的 3 个站点，快活林 450 m、实验林场 640 m 和陈寮山 756 m 的年降水量 ( 分 别 是 1665. 4 mm、1704. 9 mm 和 1680. 4 mm) ，比高海拔站点白云山 1072 m( 年降水 量 1458. 8 mm) 和低海拔站点绿谷庄园 170 m( 年降水量 1403. 3 mm) 降水量明显偏多。降水还与坡度有一定关系[13]，今后将结合 GIS 做进一步分析。

　　白云山森林公园季节降水随海拔变化特征 ( 图 4b) 可以看出，夏季( 6—8 月) 降水量最多，各海拔平均降水量 660. 8 mm，春季次之( 3—5 月 432. 9 mm) ，随之是秋季( 9—11 月331. 1 mm) ，冬季最少( 12—次年2 月162. 0 mm) 。另外，海拔较高观测点( 1072 m 的白云山) 和较低观测点( 170 m 的绿谷庄园) 降水比中间区域( 海拔在 450、 640 和 756 m 的快活林、实验林场和陈寮山) 的降水量明显偏少，即降水量随着海拔的增加都是先增大后减小的，在海拔 600 ～ 800 m 之间降水量较大。综合来看丽水白云山森林公园的最大降水高度约为海拔 700 m 左右，在最大降水量高度 700 m 以下降水量随海拔的增加而增大，其中以夏季降水量随海拔的递增率( 41. 0 mm /100 m) 最大，过了最大降水高度，降水量随海拔增加而减少。

　　4 白云山森林公园风速立体气候变化特征

　　4. 1 风速立体日变化特征

　　从白云山森林公园风速随海拔的日变化特征( 图 5a) 可以看出，1072 m 的白云山顶风速最大，日平均风速 4. 7 m /s，由于山顶地势空旷，下垫面摩擦作用小，风速在各时段都明显大于其他高度，夜间风速较为平稳，约 5. 2 m /s，在 21: 00 达到最大值 5. 4 m /s，但在白天段 08: 00— 20: 00 形成一个风速低谷，尤其是午后 14: 00 左右风速达到最低值( 3. 5 m /s，与最大风速相差 1. 8 m /s) 。756 m 的陈寮山站风速较山顶( 白云山站) 明显减小，日平均风速 2. 4 m /s，风速随时间也是“先减小，后增大”的变化趋势，但变幅明显减小，最大与最小风速仅相差 0. 8 m /s。3 个低海拔的风速日变化趋势较为相似，风速由高到低分别是 170 m 绿谷庄园( 1. 6 m /s) ，450 m 快活林( 1. 2 m /s) ，最低的是 640 m 的实验林场 ( 仅 1. 1 m /s) ，这与站点分布的地理位置、坡向坡度、植被密度等因素有关，实验林场周边植被茂密，一定程度上阻碍了空气的流通，从而降低了风速。低海拔的 3 站点，风速日变化特征与高海拔的相反，随时间“先增大，后减小”的变化趋势，在白天段 08: 00—20: 00 形成一个小高峰，从上午 08: 00 左右风速开始逐渐增大，在午后 15: 00 左右达到最大值，随后再逐渐减小，风速最低值出现在早晨 07: 00 左右。

　　白云山风速随海拔变化( 图 5b) 来看，风速都是随高度先减小后增大，其中夜间风速随海拔的变化幅度更大。另外，白天与夜间风速曲线在海拔 700 m 左右出现交叉，即 700 m 以上高度，夜间风速大于白天，700 m 以下高度，白天风速大于夜间。

　　4. 2 风速立体年变化特征

　　白云山风速年变化趋势如图 6a 所示，不同海拔月平均风速白云山顶最高( 7. 6 m /s) ，实验林场最低( 2. 8 m /s) ，这与林场周边植被茂密，下垫面风阻较大有一定关系。白云山顶植被较为稀疏，地势空旷，风速变化受下垫面的影响较小，比较有代表性，山顶风速随月份主要表现为 “先增大，后减小”的趋势，形成“两峰两谷”的分布特征，3—8 月风速相对较大，其中 6 月风速最大( 9. 0 m /s) ，次峰值在 4 月( 8. 5 m /s) ，2 月和 9 月风速最小( 均为 6. 7 m /s) 。而其他几个海拔风速受白云山森林公园茂密树林分布的影响较大，风速随月份波动变化为主，变化幅度不一致，风速峰值和谷值出现时间也不一致。

　　四季风速相差不大( 图 6b) ，春、夏季风速稍大( 4. 6 m /s) ，秋、冬季风速稍小( 4. 1 m /s) 。风速随海拔都表现为先减小后增大，640 m 实验林场是风速变化的转折点，640 m 以下风速递减率较小，随海拔每升高 100 m，风速下降 0. 1 m /s ( 冬、春季) ～ 0. 2 m /s( 夏、秋季) ; 640 m以上风速随海拔快速递增，每升高 100 m，风速约增加 1. 0 m /s( 冬季) ～ 1. 3 m /s( 夏季) 。随着海拔的增加，风速受下垫面的影响减小，风速增加也较为明显。

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