郭書揚(yáng)

（蘭州大學(xué)大氣科學(xué)院，甘肅蘭州 730107）

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)是人類社會(huì)的衣食之源、生存之本。農(nóng)業(yè)是工業(yè)等其他物質(zhì)生產(chǎn)部門與一切非物質(zhì)生產(chǎn)部門存在與發(fā)展的必要條件。農(nóng)作物產(chǎn)量是影響農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的最主要原因。

農(nóng)作物的產(chǎn)量除了內(nèi)在的品種、科技等影響因素外，還有外在的環(huán)境因素，如特殊氣候[1]。極端天氣的出現(xiàn)，氣象災(zāi)害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成不利影響，使農(nóng)民利益受損、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展受阻。為此，通過氣象觀測站的氣象資料經(jīng)過科學(xué)研究分析得出相關(guān)規(guī)律，為保障與提高農(nóng)作物產(chǎn)量起到重要作用。

氣象觀測是氣象工作和大氣科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。氣象觀測數(shù)據(jù)分析，為天氣預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)的氣象參數(shù)，通過長期積累和統(tǒng)計(jì)，整理完善為氣候資料，為農(nóng)業(yè)、林業(yè)、工業(yè)、交通、軍事、水文、醫(yī)療衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)等部門進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)和研究，提供重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。

梯度氣象觀測站是一個(gè)低層大氣綜合探測系統(tǒng)，集多層、多參量觀測系統(tǒng)于一體，實(shí)現(xiàn)一定高度內(nèi)的風(fēng)溫梯度信號(hào)參量的綜合自動(dòng)觀測。氣象數(shù)據(jù)為研究大氣污染、大氣邊界層物理提供高質(zhì)量的觀測資料，同時(shí)提升公共氣象服務(wù)能力、提高氣象預(yù)報(bào)預(yù)測準(zhǔn)確率也起著重要作用。

通過氣象觀測，可以提前了解當(dāng)?shù)貧庀鬆顩r，做好預(yù)防，避免或減輕氣象災(zāi)害對農(nóng)作物生產(chǎn)所帶來的不利影響，促進(jìn)農(nóng)作物的增產(chǎn)增收。因此，氣象觀測是促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)發(fā)展、提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)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(nèi)，地處東經(jīng)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(nèi)蒙古額濟(jì)納旗毗連，西面與甘肅嘉峪關(guān)、玉門、肅北接壤，南與酒泉市和張掖地區(qū)的高臺(tái)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(xiàn)，在半徑40 km范圍最大地形高差達(dá)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(shè)計(jì)與觀測參數(shù)

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(dòng)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(jié)構(gòu)拉線鐵塔。在102 m鐵塔上設(shè)置有5個(gè)氣象觀測高度10，30，50，75，100 m，安裝有風(fēng)向、風(fēng)速、溫濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)高度風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度的觀測，并通過變送器、信號(hào)線將電信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集器，完成對5層風(fēng)溫梯度信號(hào)的處理與轉(zhuǎn)換，并記錄每小時(shí)16個(gè)要素的平均值與極值數(shù)據(jù)。

地面自動(dòng)觀測站測量的氣象要素主要有風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓、雨量、總輻射、凈輻射、蒸發(fā)。可完成風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、地溫、雨雪量、總輻射、凈輻射、氣壓的實(shí)時(shí)測量，空氣的水蒸氣壓和露點(diǎn)溫度則由相對濕度和溫度計(jì)算獲得，利用實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算出氣象要素平均量、階段時(shí)間內(nèi)的極值等。

氣象觀測系統(tǒng)由氣象鐵塔風(fēng)溫梯度測量系統(tǒng)、地面氣象諸要素自動(dòng)觀測系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)3個(gè)部分構(gòu)成。該氣象觀測系統(tǒng)采用先進(jìn)的觀測設(shè)備對大氣狀況不間斷、系統(tǒng)地觀測和數(shù)據(jù)收集，并把所得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理，提高觀測準(zhǔn)確性，對天氣狀況作出預(yù)警預(yù)報(bào)，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供及時(shí)準(zhǔn)確的氣象信息服務(wù)，幫助農(nóng)業(yè)管理部門應(yīng)對各種氣象災(zāi)害，避免或降低氣象災(zāi)害損失，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展撐起一把保護(hù)傘[3]。

2 梯度氣象站的數(shù)據(jù)分析

通過氣象塔觀測系統(tǒng)獲取了2010年9月1日至2012年8月31日2個(gè)整年的逐日觀測數(shù)據(jù)，包括風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓等。整個(gè)觀測系統(tǒng)采用CR3000采集器，結(jié)合氣象梯度監(jiān)測站，其中梯度觀測指標(biāo)包括對10，30，70，100 m處的風(fēng)向、風(fēng)速和溫度。該系統(tǒng)可以用于多層梯度氣象觀測，每層均可測量風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度平均場等常規(guī)參數(shù)。以下根據(jù)現(xiàn)有2個(gè)整年有效觀測數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)氣溫變化。各高度早晨7:00～10:00出現(xiàn)一天中最低氣溫，午后的16:00～19:00出現(xiàn)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(xiàn)逆溫的次數(shù)明顯高于其他季節(jié)，夏季較少。逆溫強(qiáng)度變化規(guī)律是春冬最強(qiáng)，夏秋季均較弱。時(shí)次變化：一般從夜晚21:00開始，逆溫逐步增強(qiáng)，至凌晨8:00左右達(dá)到峰值，隨后開始逐步減弱，4:00～8:00逆溫強(qiáng)度較強(qiáng)。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(shí)數(shù)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(shí)次變化規(guī)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?xì)鉁鼗厣?，?6:00～19:00達(dá)到最高溫度后緩慢下降，直至次日早晨出現(xiàn)氣溫最低值。由各高度氣溫曲線比較分析表明，每個(gè)月都會(huì)有逆溫出現(xiàn)。

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(qū)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(shù)略多，春季降水次數(shù)較少，冬季則無降雨出現(xiàn)，降雨強(qiáng)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(fā)量

平均蒸發(fā)量0.49 mm/h，最大蒸發(fā)量4.94 mm/h，最小蒸發(fā)量0.02 mm/h。

2.6 風(fēng)向風(fēng)速

2010—2011年四季平均風(fēng)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(fēng)速22.55 m/s，最小風(fēng)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(dǎo)風(fēng)向：10 m高度主導(dǎo)風(fēng)向W，次主導(dǎo)風(fēng)向WSW，主導(dǎo)和次主導(dǎo)風(fēng)向的風(fēng)頻分別為14.64%，11.57%。年平均風(fēng)速為100 m高度6.37 m/s，10 m高度4.60 m/s。顯然，平均風(fēng)速隨高度增高而逐步加大。

各高度小風(fēng)時(shí)風(fēng)頻結(jié)果表明，各高度E風(fēng)向風(fēng)頻值略大，但同其他風(fēng)頻相差不大，小風(fēng)時(shí)風(fēng)頻呈現(xiàn)均勻散布的狀況。

觀測期間該區(qū)除1月份大風(fēng)天氣出現(xiàn)較少外，其他各月均有大風(fēng)天氣出現(xiàn)，且主要為偏西氣流所控制。

風(fēng)觀測特征：塔址觀測點(diǎn)來風(fēng)以偏西風(fēng)與偏東風(fēng)為主，平均風(fēng)速較大。靜風(fēng)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(shù)據(jù)分析：總的天氣形勢夏季氣壓低、風(fēng)速小、輻射強(qiáng)、氣溫高、濕度較小、雨季時(shí)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(dòng)觀測站，對各種氣象要素進(jìn)行觀測，以此來分析未來天氣的發(fā)展趨勢，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作出預(yù)警。通過對氣象數(shù)據(jù)分析，可以針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行有效的分配，預(yù)測各種農(nóng)作物的生長變化情況，采取相應(yīng)的措施，對農(nóng)作物進(jìn)行干預(yù)及保護(hù)，提高農(nóng)業(yè)收益。

3 結(jié)語

利用鐵塔各層高度的風(fēng)溫觀測與地面氣象站各氣象要素：風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓、雨量、總輻射、凈輻射、蒸發(fā)等觀測資料進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可得到局地氣候的一般性規(guī)律。根據(jù)此規(guī)律，也可以進(jìn)行數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)作出提示，減少農(nóng)作物受到自然災(zāi)害的破壞，也可對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)氣象部門提供重要的數(shù)據(jù)支持[5]。

總之，梯度氣象觀測為氣象預(yù)報(bào)提供了準(zhǔn)確、可靠的依據(jù)，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展起到了積極、重要的作用。根據(jù)梯度氣象觀測的實(shí)測數(shù)據(jù)，針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)采取有效措施，采取分區(qū)分類的方式進(jìn)行播種，因地制宜，使農(nóng)業(yè)耕種適應(yīng)氣象規(guī)律以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，從而有效地促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展。