昭通大山包天文气象条件统计分析.doc
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1、CN 53 1189 / PISSN 1672 7673*昭通大山包天文气象条件统计分析 辑1 ,刘煜2 ,申远灯2 ,宋腾飞2 ,刘顺庆2 ,张雪飞2 ,段骁2 ,杨磊2 ,林隽2 ,刘忠2 ,王建成2温( 1 云南省昭通市昭阳区气象局,云南 昭通 657000; 2 中国科学院国家天文台 / 云南天文台,云南 昆明 650011)摘要: 采用云南省昭通市昭阳区气象局 1960 年到 1988 年间在大山包实地采集的气象数据资料,并根据优良太阳观测台址所要求的各项参数指标,对大山包 29 年来的气象资料进 行了系统的统计分析,发现该候选址点在干季 ( 10 月到次年 4 月) 具有年日照时间
2、增长、云 量减少、相对湿度降低、风速较小且风向稳定、气候变化具有明显的周期性等特征。考虑到 交通条件便利,初步判定它是一个具有潜力的优良太阳观测候选址点。关键词: 天文选址; 气象; 大山包中图分类号:P112文献标识码:A文章编号:1672 7673( 2012) 02 0184 19昭通位于云南省东北部,地处滇、川、黔三省结合部,是云南的北大门和滇、川、黔三省经济、文化的交汇重地。由公路、铁路、航空、水运组成的立体交通网已具雏形。昭通市昭阳区内两大山系横亘境内,东为乌蒙山脉西延伸尾端,山势磅礴,高峰林立; 西为横断 山脉凉山山系分支东伸边缘,山高坡陡,海拔悬殊; 昭阳区大山包乡独石包海拔
3、3 364 m,为境内最 高点。两山系之间为昭通坝子、洒渔坝子、靖安坝子,均是粮食主产区。金沙江流经境内 23 km。大 山包自然保护区地处五莲峰山脉脊部,距 离 昭 通 市 区 79 km,总 面 积 192 km2 ,地域范围覆盖东经 1031455 1032349 、北纬 271838 272915,目前为国家湿地保护区,是云贵高原上最大的 一级保护动物黑颈鹤越冬之地。大山包乡目前人口约 3 000 人,农业和牧业为经济主体,当地政府十 分重视保护该地自然条件和动植物资源。大山包附近地形相当特殊,方圆几十平方千米形成一个特殊的高地,大山包是主峰,最高海拔为 课车梁 3 364 m。云层通
4、常停留在 2 700 3 000 m 的高度。大山包是诸多河流的发源地,皆属长江上游 金沙江水系。境内主要河流跳墩河向西流入牛栏江。根据云南气象资料统计15,大山包属暖温性高原季风气候,冬寒夏凉。干湿季节分明,5 10月受南方气团影响,为湿季。11 4 月 受 北 方 气 团 影 响,为干季。年平均气温 6 2 ,1 月 平 均 气 温1 ,7 月平均气温 12 7 。无霜期年平均天数 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% 。平均大风天数 52 d,最高年达 82 d,冬春季多。据 1960 1988 年积 累的当地气象数据显示,该地年
5、日照时间较长,年均日照时数超过 2 300 h。由于 12 月中旬考察大山包,此地正处于干季节,雨水稀,植被浅,天空 晴 朗,大 气 能 见 度 高,适合野外踏勘。从 踏 勘 的 址 点( 海拔 3 200 m) 向西不到 2 km 便是海拔只有 500 m 左右的金沙江支流牛栏江,因 此 踏 勘 地点相对高度达到 2 700 m 左右,该地可能具备很好的 视宁度观测条件,值 得 仔细研究。另一方面,目 前大山包区域交 通 便 利,机动车可达山顶,方便了观测仪器设备的携带和 运送。* 基金项目:国家自然科学基金 ( 11078004,10933003,11073050) ; 科技部 973 项
6、目 ( MOST 2011CB811400) ; 中国科学院方向性项目 ( KJCX2-EW-T07) ; 国家天文台天文专项基金 ( 西部太阳选址) 资助2011 04 18; 修定日期: 2011 06 13段 辑,男,工程师,研究方向: 应用气象,Email: lyu ynao ac cn,duanji_zt163 com收稿日期:作者简介:1大山包地区地形特点详细介绍大山包为昭通地区海拔最高的山峰,最高海拔 3 364 m,最低海拔 494 m,位于昭通市西部大约79 km 处。图 1 是从谷歌地图上截取的大山包周边地形及交通状况。图中黑色曲线为昭通市通往大山 包的公路,机动车可顺利到
7、达山顶。昭通市昭阳区气象局数据采集点海拔 3 200 m,在该点以西不到 2 km 便是海拔只有 500 m 左右的金沙江支流牛栏江。因此该点相对高度达到 2 700 m 左右。2010 年 12 月中旬实地踏勘此点,发现此地为一平地,视野开阔,其西北方向有一高山,位于此点与牛栏 江之间,挡住来自河谷的气流。由于此点的特殊地形,导致此处的盛行风向主要为南风和西南风。考 察期间此地天空晴朗,大气能见度高。图 1 截取自谷歌地图的大山包地形及交通状况Fig 1 A screenshot of Mt Dashanbao from the Google Earth2大山包地区气象参数详细分析总的来讲,
8、大山包所处的滇东北地区是中国平均云量最多的区域之一。但由于云南省独特的地形特征可能导致局地相对较好的气候条件的产生。因此需要借助详细的气象资料对大山包进行典型个例 分析。本文主要针对昭通市昭阳区气象局于 1960 年到 1988 年间在大山包采集的气象数据资料,并依 据下一代优良太阳观测台址所确定的相关气象指标要求进行统计分析。该气象站建立在云南天文台太阳选址小组 2010 年 12 月踏勘过的大山包乡。本节对该地区的相对湿度、日照小时数、风速风向、总 云量和低云量以及温度等参量进行统计分析。文中,相对湿度、温度、日照时数、云量和其它气象物理量的定义均可参考 文3中 的 相 应 解 释。与传统
9、使用成数描述云量不同的是,本文使用百分率表示天空云面积覆盖率。一方面可以利用这些历史积累气象资料进行旬、月、年统计平均计算,另一方面也可以针对典型时刻,如正午附近 14时的数据进行单独统计研究,有助于初步考察该地区是否可以作为未来太阳观测候选址点。本文还使用小波分析等数学工具对统计结果进行周期性研究。186天 文 研 究 与 技 术9 卷2 1相对湿度图 2 图 4 是对相对湿度的统计结果。图 2a 是 29 年各年的月平均相对湿度。从图中可以看出,月平均相对湿度在夏秋季节( 5 月 10 月) 整体较高,而在冬春季节( 11 月 次年 4 月) 处于相对较低的水平,且每年变化规律基本保持稳定
10、。月平均湿度最大可达 90% ,最小低至 43% 。夏秋季节的整体平均相对湿度为 86 7% ,这个均值明显超过了人体感觉适宜的上限 80%( http: / / baike weathercom cn / index php? doc-view-1205 php) ,可以看出该季节的湿度较高。冬春季节的平均相对湿度下降了两成,达到 65 9% ,干燥程度相对较低。图 2a 月均相对湿度。横轴为月份,纵轴为相对湿度Fig 2a Monthly relative humidities The horizontal axis is for month,and the vertical axis i
11、s relative humidity为太阳选址需要,以每天 14 时的气象资料为依据对大山包白天的相对湿度进行了分析。图 2b 是白天 14 时的月平均相对湿度分布。结果为夏秋季节白天 14 时的均值 79 5% ,而冬春季节为 55 0% ,均分别显著小于图 2a 的整天平均值。由于水汽含量会影响该地区的大气透明度,因此每年的 11 月至次年 4 月之间应该是大山包白天大气透明度相对较好的月份。图 2b 基于白日 14 时资料的月均相对湿度。横轴为月份,纵轴为相对湿度Fig 2b Monthly relative humidities for local times of 14: 00 T
12、he horizontal axis is for month,and the vertical axis is relative humidity图 3 是对月平均湿度进行小波分析的结果。从整体上看,月均相对湿度呈现出一定的周期性特点( 图 3a) 。图 3b 中,等高线强度值越大,表示对应周期越强。从图中可以看出,主要变化周期为 1 年。188天文研究与技术9 卷图 3 月相对湿度( a) ; 小波功率谱( b) ; 全局功率谱( c)Fig 3( a) The monthly relative humidities,( b) the corresponding wavelet power
13、 spectrum,and ( c) the many-year average ( “global”)power spectrum从全局 功 率 谱 分 布 看,1 年周期的置信度高达 95% 以上( 图 3c) 。这说明大山包的大气湿度变 化具有很稳定的周年周期性。图 4 是年均相对湿度变化情况。从图中可以 看出,年均相对湿度最高在 80% ,最低为 72% 。 从对年平均相对湿度的线性拟合看,年平均相对 湿度处于 76% 左右。总的来看,大山包址点常年的平均相对湿度 不低,但冬春季节的白天平均相对湿度较低,适 合作为太阳观测备选址点继续进行监测研究。2 2日照时数与分析相对湿度类似,对该
14、点的日照时数进图 4 年均相对湿度,虚线是对实测数据的线性拟合Fig 4 Yearly average relative humidities The dotted line is the linear-fit to the data行系统的统计分析,分析结果见图 5 7。首先,图 5 中,对每月平均日照时数按年份进行分析。由图可见,各年间月均日照时数存在着类似的变化规律。一般在 1 5 月和 11 12 月日照时数较高,平均大约 220 h 每月,最高 330 h。而在 6 10 月,月均小时数较少。这一结果与相对湿度变化规律恰相反,即相对湿度高的月份对应日照时数少的月份,而相对湿度低的月份
15、则对应日照时数多的月份。这是理所当然的结果,因为在月均湿度高的季节,一般对应着云南特有的湿季时节( 夏秋) ,云量较多导致平均日照时数也相对减少。图 5 中的虚线代表理论上天空无云时的全晴日照时数,其变化规律与日照 时数观测值变化亦相反。这体现在湿季时论理全晴日照值对应着很低的实际日照百分率,有的甚至仅有25% 的日照率。但在干季( 冬春) ,日照百分率经常有超过 90% 的月份,如每年的 12 月和 1 月。图 5 月均日照小时数。虚线代表理论无云遮挡时的全晴日照时数,实线代表各年度观测值Fig 5 Monthly hours of sunshine The dashed lines rep
16、resent the total hours of sunshine if withoutcloud obscuration,and the solid lines represent the values under real weather conditions190天文研究与技术9 卷图 6 每十天平均日照小时数( a) ;小波功率谱( b) ;全局功率谱( c)Fig 6( a) The hours of sunshine in ten-day periods,( b) the corresponding wavelet power spectrum,and ( c) the many
17、-year average ( “global”)power spectrum图 6a 显示实际的最高值可达 120 h,几乎是理论的全晴天气。图 6b c 是对每旬的平均日照 时数进行小波分析。很明显,每旬平均日照时数 比月均日照时数显现出更加细致的变化特征。与 月均统计类 似,10 天平均日照时数也显现出非 常强的周期变化规律。从小波分析的结果看,每10 天平均日照小时数具有的最强周期为 1 年( 图6b) 。而从全局功 率 谱 看,1 年周期变化置信度 高达 95% 以上( 图 6c) 。图 7 是年均日照小 时 数 曲 线。这 29 年 的 平 均值大约 为 2 330 h 每 年。与
18、之参考对比的是, 过去的资料显示云南其它地区如昆明年均日照时 数为 2 500 h,宾川为 2 700 h6,澄江抚仙湖好 于 2 200 h。大山包年日照时数最高曾达到 2 570 h。而最低年均日照时数也能达到 2 000 h。通过图 7 年均日照时数,虚线是对数据的线性拟合。上方实线是理论全晴日照时数Fig 7Yearly sunshine hours The dotted line is the linear-fit to the data The upper solid line is the total hours of sunshine if without cloud obsc
19、uration对比理论全晴小时总数( 图 7 上部实线曲线) ,大山包的年均日照率大约在 50% 。较高的日照时数对于太阳观测来讲是一个非常重要的条件。对未来的巨型太阳望远镜建设和使用 来讲,超过 2 500 h 的年均日照时数更显得尤其重要。虽然大山包在 29 年中仅有 1 年( 1969 年) 的日 照时数超过了这一严格指标,但其 2 330 h 的年均日照时数不弱于目前国内最好的抚仙湖太阳观测基 地,仍具备成为较优秀太阳观测台址的潜力。2 3风速和风向风是建立天文观测站需要考虑的一 个重要影响因素。稳定的风速风向是产生良好视宁度的条件之一。对该地区的风速进行了月平均和年平均统计分析( 图
20、 8 9) 。图 8 为风速逐年月平均统计结果。图 8 月均风速。横轴为月份,纵轴为月均风速Fig 8 Monthly-averaged wind speeds The horizontal axis is for month,and the vertical axis is wind speed192天 文 研 究与技术9 卷在干季,月均风速普遍相对较大,而在湿季月均风速则较小。在资料中,干季月平均风速大约 7 m / s,湿季月平均风速大约 4 m / s。最大风速约 10 m / s,而最小风速约为 3 m / s。图 9 为年平均风速 统计结果。年均风速大致处于 4 7 m / s 的
21、 水 平。 总体来讲,风速都是处于相对较低的水平。图 10a 为风速、风向及频率统计图。图中大 圆圈代表风速大小等级; 叠加的每个小圆圈代表 某个月的平均,在坐标中的位置代表风向,小圆 圈的大小代表风向频率。另外,E、W、S、N 分 别代表正东、正西、正南、正北方向。从图中可 以看出,该地区主要盛行西南风,主要表现在西 南风速度相对大、频率相对高。整体平均风速为4 9 m / s 左右,极端时超过 10 m / s。像这样的风 速在气象上称为和风,顾名思义,这样的风速是 较弱的。偶尔会出现东南风、东风和东北风,但年均风速,虚线为对数据的线性拟合,星号代表数据点Fig 9 Yearly-aver
22、aged wind speed The dotted line is a linear-fit to the data ( asterisks)图 9这些风向的风速较小,出现频率也较低。值得注意的是,图 10a 上没有显示出西北风的任何优势。图 10b 是 14 时的统计结果。图中用小黑点代表月均风值。某区域内小黑点越密集,就代表该方 向风更占优势的月份就越多。若用 14 点的风速测量代表整个白天的真实情况,则与图 10a 比较可发 现白天优势风的确与整天平均风向和风速差异不大。大山包白天的平均风速为 5 2 m / s,与全天均值4 9 m / s 很接近。白天呈现出弱东南风、强西南风、正南
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