昭通大山包天文气象条件统计分析 精品.docx
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昭通大山包天文气象条件统计分析精品
CN53-1189/PISSN1672-7673
*
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3364m,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23km。
大山包自然保护区地处五莲峰山脉脊部,距离昭通市区79km,总面积192km2,地域范围覆盖东经
103°14'55″~103°23'49″、北纬27°18'38″~27°29'15″,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3000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3364m。
云层通常停留在2700~3000m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[1-5],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134d。
年降雨量1165mm,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52d,最高年达82d,冬春季多。
据1960~1988年积累的当地气象数据显示,该地年日照时间较长,年均日照时数超过2300h。
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3200m)向西不到2km便是海拔只有500m左右的金沙江支流
牛栏江,因此踏勘地点相对高度达到2700m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项目(MOST2011CB811400);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_zt@163.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3364m,最低海拔494m,位于昭通市西部大约
79km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,机动车可顺利到达山顶。
昭通市昭阳区气象局数据采集点海拔3200m,在该点以西不到2km便是海拔只有500m左右的金沙江支流———牛栏江。
因此该点相对高度达到2700m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.1AscreenshotofMt.DashanbaofromtheGoogleEarth
2
大山包地区气象参数详细分析
总的来讲,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。
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.weather.
com.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.2aMonthlyrelativehumidities.Thehorizontalaxisisformonth,andtheverticalaxisisrelativehumidity
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.2bMonthlyrelativehumiditiesforlocaltimesof14:
00.Thehorizontalaxisisformonth,andtheverticalaxisisrelativehumidity
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)Themonthlyrelativehumidities,(b)thecorrespondingwaveletpowerspectrum,
and(c)themany-yearaverage(“global”)
powerspectrum
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.4Yearlyaveragerelativehumidities.Thedottedlineisthelinear-fittothedata
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220h每月,最高330h。
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.5Monthlyhoursofsunshine.Thedashedlinesrepresentthetotalhoursofsunshineifwithout
cloudobscuration,andthesolidlinesrepresentthevaluesunderrealweatherconditions
190
天
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技
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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)Thehoursofsunshineinten-dayperiods,(b)thecorrespondingwaveletpowerspectrum,
and(c)themany-yearaverage(“global”)
powerspectrum
图6a显示实际的最高值可达120h,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2330h每年。
与之参考对比的是,过去的资料显示云南其它地区如昆明年均日照时数为2500h,宾川为2700h[6],澄江抚仙湖好于2200h。
大山包年日照时数最高曾达到2570h。
而最低年均日照时数也能达到2000h。
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.7
Yearlysunshinehours.Thedottedlineisthelinear-
fittothedata.Theuppersolidlineisthetotalhoursofsunshineifwithoutcloudobscuration
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2500h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2330h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.8Monthly-averagedwindspeeds.Thehorizontalaxisisformonth,andtheverticalaxisiswindspeed
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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7m/s,湿季月平均风速大约4m/s。
最大风速约10m/s,而最小风速约为3m/s。
图9为年平均风速统计结果。
年均风速大致处于4.7m/s的水平。
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
4.9m/s左右,极端时超过10m/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.9Yearly-averagedwindspeed.Thedottedlineisalinear-fittothedata(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5.2m/s,与全天均值
4.9m/s很接近。
白天呈现出弱东南风、强西南风、正南风次数比夜晚增加、无北风(包括东北、北、
西北向)的特征。
图10a风速、风向及频率统计图。
每个小圆圈代表一个
月平均值,共348个小圆圈。
小圆圈直径大小表示方向频率,频率越大,直径越大。
圆圈所在坐标位置表示某月风向与风速
图10b
基于14时观测的风速、风向统计图。
每个小
圆点代表某一个月,共348个小圆点。
小圆圈所在坐标位置表示某月风向与风速
Statisticaldiagramofwindspeedanddirection
basedonobservationsatlocaltimesof14:
00.Eachofthe348pointsrepresentsamonth.Thelocationofapointcorrespondstothevaluesofwinddirectionandspeed
Fig.10b
Statisticaldiagramofwindspeed,direction,and
frequency.Eachcirclerepresentsamonth,andthereare348circlesintotal.Thelocationofacirclecorrespondstothevaluesofwinddirectionandspeed,andthesizeisproportionaltowind-directionfrequency
Fig.10a
综上所述,大山包不论夜晚还是白天的风速都不大,风向盛行西南风。
因此大山包观测点的风是
既稳又弱,值得进一步天文视宁度因子的测量试验。
2.4云量云量即云的天空覆盖面积率,它对天文观测的影响亦尤为显著。
一般来讲,按云层外形特征、结
构特点和云底高度可将云分为3类,即低云、中云和高云。
低云影响光传播效率和视场,高云对红外、亚毫米波观测的影响更大。
因此云量是考察观测址点优劣的一个重要气象因素。
图11~14对大山包云量数据进行了系统分析。
图11a是月均总云量的统计结果。
月平均值为61.4%。
从图中还可以看出,在干季云量覆盖率相对很低,平均值为43.1%,最低月份能达到20%以下(如1968
图11a月均总云量。
横轴为月份,纵轴为各年月均总云量
Fig.11aMonthlycloudamount.Thehorizontalaxisisformonth,andtheverticalaxisiscloudamount
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天文研究与技术
9卷
年12月的13%,1974年1月的14%);而在湿季总云量值则较高,均值约79.7%,最高能达到90%
以上(如1960、1964、1965、1982年的6月均值都超过95%)。
图11b类似图11a,但它们是建立在14
时的观测数据之上,即仅针对白天中午的总云量的统计分析。
大山包中午月均总云量的统计均值为
61.6%,比全时月均值略高0.2%。
在干季云量覆盖率相对低两成,平均值40.9%,最低云量月份达到15%以下的就有5个月;而在湿季中午总云量值亦较高,均值约82.3%,超过了全时均值。
中午云量超过90%以上的月份数量达到了67个,占所有湿季月份的38.5%。
图11b基于14时观测值的月均总云量。
横轴为月份,纵轴为各年月均总云量
Fig.11bMonthlycloudamontsbasedonobservationsoflocaltimesof14:
00.Thehorizontalaxisisformonth,andtheverticalaxisisthecloudamount
将基于全时和14时数据的年平均总云量覆盖率变化分别显示在图12a和12b中。
比较之后可发
现这两种统计分布结果的差异很小。
它们的年均值都在55%~70%间变化,两组数据相关性很好,
而且在1960~1988年都随年份增长呈现出一定的下降趋势,这个结果比较有意思。
可惜1988年之
后,大山包乡的气象站被撤销,这种局地总云量下降趋势在随后年代无法直接得到检验数据。
图12a年均总云量。
虚线为对数据的线性拟合,
星号代表数据点
Fig.12aYearlytotalcloudamounts.Thedottedlineisalinear-fittothedata(asterisks)
图12b
基于14时观测的年均总云量。
虚线为对数据
的线性拟合,星号代表数据点
Yearlytotalcloudamountsbasedonobservationsatlocaltimesof14:
00.Thedottedlineisalinear-fittothedata(asterisks)
Fig.12b
低云量会更直接地影响望远镜的有效观测视场、消减太阳辐射和增加天空背景散射光。
图13a和
13b是对低云量的统计分析,其中前者为全时月平均低云量,后者是针对白天14时的统计。
直接比较可见,这两种统计的变化趋势一致,相关性很好。
这种统计相关性其实也反映了整天4个气象观测
时刻的低云量变化差异不大。
结合图12的结果认为大山包的日云量变化应当比较小。
通常如果发现
早上云很多,那当天的其它时刻云量不会减少。
这个规律十分有利于把握大山包地区的当日云量,从而合理安排高精度观测日期。
年均低云量的统计结果见图14。
从图14a可知,年平均低云量变化范围在40%~55%,均值
47.3%。
这种长期监测结果显示,其变化较为稳定,且与总云量一样亦呈逐年下降趋势。
为方便比较,将白天14时的低云量统计结果显示在图14b中。
白天与全天低云量的年均统计结果类似,均值
47.2%,非常接近全时年均值。
这说明大山包地区的白天和夜晚的低云量年均值一致,非常平衡。
再
次印证了图12~13的结果,即大山包地区的云量昼夜变化小。
因此,结合上述资料统计结果,可以得到3个初步结论:
(1
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