山区农业气候资源

第三章　山区农业气候资源

3.1　蓟县山区地形地貌

蓟县位于天津市最北部，跨度从东经117°15′—117°78′，北纬39°76′—40°25′，其中，山区面积796km²，占总面积的47.6％。蓟县地势北高南低，山区、平原、洼区自北向南依次分布，境内山脉属燕山支脉，主要山峰有九山顶，八仙山、盘山等，海拔均在800m以上，其中，九山顶为最高点，海拔1078.5m。海拔最低处为南部的太河洼底，仅为1.5m，全县地势落差较大，森林覆盖率37.1％。地貌类型主要有中山、低山、丘陵、宽谷、盆地和坎谷等构成。中、低山主要分布在长城沿线及其以北地区的石英岩分布区，山高、坡陡，气势磅礴。丘陵主要分布在县城以北的石灰岩、白云岩、砂页岩分布区，海拔一般在300～500m。山体浑圆，坡度缓，土层较厚。北部山区自然资源丰富，林木繁茂，野生植物有被子、裸子、蕨类、苔藓等，其中还有被列为国家重点保护的银杏、杜仲、水杉、核桃树、黄耆、黄檗、珊菜等名贵稀有植物。山区还生长大量的果树，主要以苹果、桃、梨、柿子等为主。

山区气候资源丰富，蓟县地区属暖温带半湿润季风型大陆性气候，四季分明，年平均气温11.5℃，平均年降雨量678.6mm，全年日照百分率63％，年平均相对湿度60％，年平均风速2.2m/s，无霜期195天。光、温、水资源充沛。山区地形复杂多样，高大山脉、丘陵、河谷、季节河等纵横交错，局地小气候特征显著，开展蓟县山区气候要素观测试验，模拟和推算山区热量资源及其分布，对于充分开发利用山区气候资源，促进山区经济发展，具有非常重大的意义。

3.2　蓟县山区气候要素监测方法

由于山区地形多变，局地气候特征显著，考虑现有气象站点多设置在地势平坦，海拔较低的地方，观测资料不能准确反映山区气候特点，因此选择在蓟县山区设立十个监测点进行加密气象观测，观测周期两年。观测仪器采用清华同方股份有限公司生产的RHLOG智能型温度自记仪。该自记仪能定时对目标环境温度进行自动测量，并把测量结果保存在内部的存储器中。测温使用热敏电阻型温度测头，测头由一根引线引出，外加装防水塑封。记录温度的范围-20～75℃，精度为±0.3℃（25℃时）。

监测点位置的选取原则主要有以下四点：1.安全性。为确保仪器能够长期有效的记录数据，仪器安装地点多选取单位、学校、旅游景点等有人居住的地区。2.代表性。为了能较好的反映出地理、地形因子对局地小气候的影响特点，监测点的位置选取应尽可能包含山区主要的地形特点。3.准确性。为了保证记录的数据客观有效，仪器放置地点应符合气象观测要求，选取开阔，周围没有较高建筑物遮挡的地点。4.交通便利。仪器内设有存储器，自动存储监测数据。要对数据进行分析处理时，需人工携带计算机将数据拷贝出来。因此为保证数据的顺利获取，监测点所在位置应交通便利，人员易于到达。

表3.1　蓟县山区各气温监测点概况

3.3　蓟县山区气候资源特点

3.3.1　气温观测数据分析

表3.2　十个样本点月平均气温（℃）

图3.1　蓟县山区十个监测点月平均气温随海拔高度变化

表3-3　十个样本点月平均最高气温（℃）

图3.2　蓟县山区十个监测点月平均最高气温随海拔高度变化

表3.4　十个样本点月平均最低气温（℃）

图3.3　蓟县山区十个监测点月平均最低气温随海拔高度变化

由上述三种气温类型与海拔高度变化图可以看出，各样本点三种气温随海拔高度变化差异总体不大，其中月平均气温差异最小，月平均最高气温次之，月平均最低气温最大；月平均气温与月平均最高气温样本点间全年差异趋势基本一致；月平均最低气温样本点间冬季差异较大，夏季较小。这主要是因为地理地形因子对气温的影响在冬季最为显著。

表3.5　十个样本点积温（℃）

图3.4　蓟县山区十个监测点≥0℃积温、≤0℃积温随海拔高度变化

分析十个海拔高度不同样本点的正、负积温变化，此处的积温指活动积温。正积温最大值是海拔302m的测点，最小值是海拔175m的测点；负积温绝对值的最大值是海拔175m的测点，最小值是海拔56m的测点，积温高低的分布与海拔高度的分布趋势不完全一致。这主要是由于山区气温的分布不仅受到海拔高度的影响，还受到坡度坡向等局地地形因子的影响，

表3.6　十个样本点月平均日温差（℃）

图3.5　蓟县山区十个监测点月平均日较差随海拔高度变化

由上述曲线图可以看出，月平均日较差的时间分布特征为：春季和秋季最大，冬季次之，夏季最小，其中60％最大值出现在秋季，十个点中的极端最大值出现在海拔175m样本点的十月。空间分布特征为：月平均日较差的大小与海拔高度基本呈反比，海拔较高的山顶由于空气流动性强，与地面接触面积小，不易与地面形成频繁的热交换，气温受地表影响小而主要受周围空气的调节，白天不易升高，夜晚也不容易降低，日较差较小；低凹地形（盆地、山谷）空气与地面接触面积大，通风不良，热量不易散失，并且在夜间常为冷空气沿山坡下沉汇合之处，加上辐射冷却，故气温日较差大，平地介于两者之间。日较差最大的样本点是海拔175m的观测点，该样本点位于罗庄子林业站内，地形上属于北部泃河流域南端的山谷地带；日较差最小的样本点是海拔477m的观测点，该样本点位于盘山山顶，海拔高，地形开阔，空气流动性强。

3.3.2　蓟县山区气温分布模拟

3.3.2.1　模拟原理与方法

依据统计学原理，将十个监测点的气温观测数据作为因变量Y_j（j=1，2，…，10），各点的海拔高度、坡向、坡度作为自变量X_j1、X_j2、X_j3，则可得出一系列多元回归方程：Y_j=A₀+A₁X_i1+A₂X_i2+A₃X_i3+ε_j（j=1，2，…，10）

式中：A₀、A₁、A₂、A₃为回归系数，ε_j是遵从正态分布N（0，σ²）的随机误差。运用最小二乘法，即可将上述回归系数求出，得出关于气温的统计计算方程。

由于山区地势起伏多变，小地形差异对气候资源分布影响较大，为了准确描述小地形因子对局地气候条件产生的影响，利用大比例尺地形图以固定长度为间距将山区划分为若干网格，将各网格点上的地形资料引入气候要素方程，完成网格点上气候资源空间分布的计算，计算结果可代表每个网格区域内的实际气候资源情况。目前气候资源的区域细网格推算成为新一代农业气候区划工作的主要研究方向之一。

本项目网格地形资料以蓟县山区1∶5万DEM数据为基础地理数据，借助地理信息系统软件完成。经度（纬度）：直接从DEM数据上读出。海拔高度：相邻8个格网点（见图1）平均高程的平均值即为中心网格点的海拔高度。坡度：中心网格点与相邻8个格网点高程的最大变化率即为该部分表面的坡度。坡向：坡向为用于计算坡度的那条线的方向。

图3.6　中心网格点与相邻8个网格点位置示意图

3.3.2.2　模型构建

蓟县山区热量资源主要受地形因子（坡度、坡向）和海拔高度的影响。坡度、坡向对气温的影响主要是由于不同的坡度、坡向接受的太阳辐射不同，阳坡接受辐射多，气温高；阴坡接受辐射少，气温低；同一坡向，坡度越大，接受辐射越少，气温越低。海拔高度对气温的影响原理为：随着海拔高度的增加，气温一般总是递减的。这主要是由于大气中的热量主要是由地面供给的，越远离地表，空气所获地面长波辐射越少，因而海拔越高气温越低。

采用统计学的多元逐步回归方法对观测数据进行旬、月时段统计分析，以观测数据为因变量，以观测点所在位置的局地地形因子（经度、纬度、海拔高度、坡向、坡度）为自变量，构建模型，考虑蓟县面积较小，坡向、坡度值选用以观测点为中心距周边12.5m，面积25m×25m正方形网格点上的高度计算得出的平均坡向坡度值。模式均通过F_0.01显著性检验，回归关系显著。下表为模型种类和数量。

表3.7　统计模型种类和数量

①由于蓟县面积较小，监测点经纬度变化不大，故模型中经纬度数据未被选入，仅海拔高度、坡度、坡向三个地理地形因子进入方程。

②从方程的复相关系数大小分析，春季和夏季最大，都在0.8以上，秋、冬季较小，在0.5～0.7之间，这表明春夏季节，由于太阳高度角较高，局地地形因子对气温影响作用比较简单，海拔高度、坡度、坡向三因子能较好的反映地形对气温的影响；反之秋冬季节二者之间关系较复杂，仅上述三个因子不能准确的反映地形对气温的影响作用。

③从时间尺度上分析，对比旬、月不同时段模型效果，月的效果要好于旬的，短时间时、日、旬的气象要素值的分布，往往受气压分布、变化规模、路径等气象学因子的支配，因此用地形因子也不可能表示出全部影响因子。

3.3.3　蓟县山区气温分布特点

将模型结果运用地理信息系统软件ArcGIS进行由点到面上的插值推算，可以计算出蓟县北部山区热量资源的时空分布特征。为方便描述，以一月、四月、七月、十月作为代表月，分析山区冬、春、夏、秋四季的气温变化特点。

表3.8　蓟县山区气温分布及其主要地形影响因子

3.3.3.1　月平均气温　月平均气温是气候学上的重要温度指标，它可以描绘出某一地区热量资源的基本特征，常被广泛应用于农事生产活动中。

分析月平均气温的时间变化特点，从一、四、七、十，四个月的平均气温分布图中可以看出。冬季由于太阳高度角较低，气温受地形的遮蔽作用影响明显，海拔高度、坡度、坡向均对气温有显著影响，气温分布较杂乱。

夏季由于太阳高度角较高，坡度、坡向对气温的影响减小，海拔高度的影响作用凸显，地形立体效果显著，气温分布区域性较强；春秋两季主要影响因子不同，春季以海拔高度和坡度为主；秋季以坡向为主，海拔高度和坡度为辅，部分地区受河谷等低凹地形影响，出现逆温现象。

图3.7　蓟县7月平均温度分布

从空间分布来看，蓟县北部山区月平均气温呈现北部（九山顶、八仙山）、西北部（盘山）两个小低值区；北部泃河流域、中北部山区和平原交界处、于桥水库南岸三个主要高值区的分布特点。除秋冬季节个别月份出现地形逆温现象外，其他各月气温均遵循上述分布特点。

3.3.3.2　月平均最高气温　最高气温表明一个地区的炎热程度，是喜凉作物安全渡夏的重要考虑因子。分析月平均最高气温的时空分布特点，与月平均气温相比，最高气温各月分布差别不大，气温变化主要受海拔高度的影响，分布趋势与海拔高度基本一致，空间分布特点与月平均气温基本近似。在时间分布上，冬、春、秋三季均呈现两个低值区和三个高值区的特点，但夏季气温分布受坡向影响显著，高值区不明显，除海拔500m以上的山区外，其他山区气温变化幅度较小。

图3.8　蓟县7月平均最高温度分布

山区各月最高气温变化范围从冬到夏，不断增大，在8月达到最大，为9.4℃，然后开始减小，在11月达到最小，为5.0℃。蓟县北部山区夏季较平原地区凉爽，不仅能够保证喜凉作物安全渡夏，同时也是避暑休闲的圣地。

3.3.3.3　月极端最高　极端最高气温是作物高温危害发生程度的评判依据。与平均最高气温相比，极端最高气温受地形影响的季节特征不明显，各月变化特点差别较大。蓟县山区极端最高气温的最大值出现在六月，为33.4～44.1℃，40℃以上的高温区主要分布在海拔较低的河谷、丘陵以及山峰的阳坡处，分布零散，与平均最高气温相比，极端最高气温数值显著上升，因此，可以看出山区夏季虽然平均气温不高，但极端气温较高，突发高温危害的可能性较大。

图3.9　蓟县6月极端最高温度分布

3.3.3.4　月平均最低气温　最低气温反映一个地区的寒冷程度，也是作物引种考虑的关键因子。是喜温作物安全越冬的重要考虑因子。分析月平均最低气温的时间变化特点，可以看出全年各月均出现逆温，气温分布趋势大体一致，夏季逆温现象不明显。除夏季外，其他季节受坡向影响显著，其中坡度对秋冬季的影响大于春季。从空间分布来看，总的分布特点为，北部（九山顶、八仙山）、西北部（盘山）两个小高值区；中北部山区和平原交界处的低山丘陵地区、泃河流域最南端、于桥水库南岸三个主要低值区的分布特点。

月平均最低气温的最低值出现在一月，为-14.3～-1.3℃，蓟县山区海拔300m以下的地区是林木和果树的主要生长区，一月平均最低气温均在-15℃以上，果树能够不用覆盖安全越冬。

3.3.3.5　月极端最低气温　极端最低气温是越冬作物低温危害发生程度的评判依据。分析月极端最低气温的变化特点，与平均气温相比，极端气温规律性较差，突发性较强。时空分布特点不明显。月极端最低气温的最低值出现在一月，为-22.3～-15.3℃。-20℃以上的极低温区主要分布在海拔500米以上的九山顶、八仙山和盘山的部分山区，这部分地区基本无果树生长。海拔300米以下的果树生长区，极端最低气温都在-17℃以上，低温危害发生程度较轻。

图3.10　蓟县1月平均最低温度分布

图3.11　蓟县1月极端最低温度分布

3.3.3.6　月平均气温日较差　气温日较差指日最高气温与最低气温之差，能反映当地日温度的变化程度。在农业上它能反映当地作物光合积累的多少，白天温度高，光合物质积累多，晚上温度低，呼吸消耗少，因此，日较差大则光合营养积累多，利于品质提高，反之，品质降低。气温日较差的大小主要对作物生长后期产量形成期有显著影响，以十月作为作物产量形成的主要时期，分析月平均气温日较差的分布，可以看出，蓟县日较差最大的区域主要包括三个区域，一个是中北部山区与平原交界处的山前地区，沿许家台乡、官庄镇、城关镇、于桥水库以北、穿芳峪乡、孙各庄乡以北的地区；另一个是罗庄子乡西北部海拔较低的山谷地带；还有一个是于桥水库以南包括翠屏山镇、九百户乡，西龙虎峪乡的狭长地区，此地区南面为河北省部分山脉。这些区域海拔高度较低，多在200m以下，周边有山脉环绕，形成低凹地形，地形作用使得白天暖空气和夜晚冷空气易聚集，因此日较差大，可达13～16℃，个别地区可达18℃；日较差的次高值区为海拔500m以下中低山区，包括了北部山区的大部分地区，日较差达10～13℃；海拔500m以上的较高山脉，主要分布在蓟县最北部与河北毗邻的一部分山脉和西北部的盘山，日较差达5～10℃；海拔800m以上的山峰顶端，由于风大散热快，方圆面积小，气温受地表影响小而主要受周围空气的调节，白天不易升高，夜晚也不容易降低，日较差较小，在5℃以下。

图3.12　蓟县10月平均日较差分布（见彩插图3.12）

其他各月日较差空间分布与十月相似，其中秋季气温日较差最大，可达18.0℃，其次是春季，夏季最小。蓟县山区秋季日较差大于春季，主要是因为山区春季云量较秋季多造成的。

3.3.3.7　积温　积温是某一时段内逐日平均气温之和。它是研究作物生长、发育对热量的要求和评价热量资源的一种指标。

≥0℃积温是表示该地区平均气温从0℃以上开始，截止至0℃以下为止的平均气温的总和。可表示该地区热量的多寡，是安排作物品种布局、种植制度的重要参考依据。蓟县北部泃河流域、盘山南部的官庄、许家台、小屯的马蹄形区域、八仙山和九龙山东南部两条西北至东南走向季节河、于桥水库南北两岸为高值区，积温为4630～4945℃，其他九山顶、八仙山、九龙山、洪水庄等山区，≥0℃积温为3927～4630℃·d。

≥5℃积温也是农业生产中的重要热量指标。5℃是喜凉作物开始或停止生长和多数树木开始萌动的界限温度。与≥0℃积温分布特点相比，≥5℃积温分布受海拔高度影响减小，坡度、坡向地形因子的影响增强，地形立体效果显著。九山顶和八仙山为明显低值区，积温值为3895～4200℃·d；高值区部分与≥0℃积温分布相同，仅数值存在差异而已，高值区积温为4461～4637℃·d。其他盘山、九龙山和县城以北的山区，积温为4200～4461℃·d．

≥10℃积温是衡量喜温作物生长期间热量条件的重要指标。蓟县山区≥10℃积温数值为3549～4348℃，由分布图可以看出，≥10℃积温与≥0℃积温分布特点基本一致，≥10℃积温高值区数值为4103～4348℃·d，其他山区积温为3549～4103℃·d。

≤0℃积温，日平均≤0℃的温度总称负积温，表示冬季寒冷程度。负积温值的大小，持续时间的长短是鉴定作物能否越冬的基本条件。对于天津地区的种植结构，冬小麦和果树的越冬条件与负积温大小密切相关。分析日平均气温≤0℃的积温分布图可知，≤0℃积温分布与≥0℃积温分布趋势基本一致。北部泃河流域、盘山南部的马蹄形区域、八仙山东南部和九龙山东南部两条山谷地带、于桥水库南北两岸为高值区，积温为-250～-197℃·d，其他九山顶、八仙山、九龙山、盘山等山区积温值略偏低为-396～-250℃·d。

3.3.4　山区典型地形气温变化特征

蓟县山区地形复杂多变，高山、河谷、坡地、丘陵纵横交错，不同地形的气温分布随海拔高度的变化有显著差异，为了更好的研究山区气温的垂直变化特征，将蓟县山区分成五大区域，从北到南可依次分为：

①蓟县北部泃河流域最南端的河谷地带。该河谷地带北面是海拔170米左右的山谷，南面地势迅速抬升至250m，地势北低南高，冷空气从北向南吹时，在此处遭地形阻挡，冷空气下沉堆积，形成”冷湖效应”，温度较周边海拔高的地区反而偏低，出现逆温。逆温现象冬季最显著，秋季和春季次之。夏季盛行东南风，逆温现象消失，气温随海拔高度增加而递减，气温直减率0.68/100℃m。

②高大山脉。蓟县最北部与河北省兴隆交界处的山区，海拔均在500m以上，主峰九山顶海拔1078m，是天津最高峰。该山区气温直减率一月：0.49/100℃m；四月：0.64/100℃m；七月：0.25/100℃m；十月：0.40/100℃m。

③中、低山区。泃河流域以南是蓟县著名的九龙山森林公园，海拔大都在300米左右。研究区域位于背风南坡处，气温直减率较大，一月：0.63/100℃m，四月：0.78/100℃m，七月：0.4/100℃m，十月：0.78/100℃m。

④盘山南部的马蹄形区域。地势北高南低，冷空气难进易出，暖湿空气易进难出，气温直减率偏小，一月：0.55/100℃m。四月：0.46/100℃m。七月：0.25/100℃m。十月：0.11/100℃m。

⑤于桥水库周边。我国是大陆性季风气候，冬季盛行西北风，夏季盛行东南风。冬季由于水体温度高于陆地温度，水体南岸将会受西北风从水面上吹来的暖空气的影响，温度较北岸偏高；夏季水体温度较陆地偏低，北岸将会受东南风从水面吹来的冷空气的影响，温度较南岸偏低。春秋季节同理。故水体南岸温度全年较北岸均偏高。不同月份二者差异不同，一月：偏高1.31℃，四月：偏高0.4℃，七月：偏高1.03℃，十月：偏高2.01℃，秋冬较大，春夏较小。

3.4　降水资源

蓟县多年平均降水量678.6mm（蓟县气象站数据）。年内降水量分配极不均匀，全年降水量主要集中在夏季7、8、9三个月。

山区降水是山区重要的气候资源，由于地形复杂多变，山区降水量分布也较平原地区更加复杂。地形对降水的影响主要表现在海拔高度、坡向、坡度对局地降水量的影响。前人研究表明当山体高度低于最大降水高度时，迎风坡和背风坡降水差别较小。因此在气候比较干燥的东部山区，当山体高度在500m以下时，可以不考虑坡向对降水的影响。

本研究采用蓟县周边九个水文站1968-2000年汛期（6～9月）降水资料作为样本进行分析。十个样本点海拔高度均在500m以下，依据上述理论，此处仅考虑海拔高度和坡度对地形降水的影响。

降水样本点地理位置如下表，对于海拔高度低于50m的地区，可认为是平原：

表3-9　降水样本点地理资料

对上述样本点降水资料从海拔高度、坡度两个方面进行分析。首先从海拔高度的影响来说，由于地形的抬升作用，山区普遍比平原降水多，九个水文站中四个山区站，汛期降水量均在550mm以上，平原站大部地区降水均在510mm以下。而在平原地区，受夏季季风和地形抬升影响，靠近山体的山南平原和盆地降水又比远离山体的地区多，例如于桥水库和前毛庄水文站，降水量均比其他三个平原站多。其次从坡度的影响作用来说，九个水文站中只有罗庄子、黄崖关、盘山三个站坡度不为零，当坡度在30°～60°之间变化时，坡度对降水大小无显著影响。因此黄崖关坡度虽然最大，但降水量与罗庄子差不多。因此，总结分析结果，九个水文站降水量主要受海拔高度和夏季季风的影响，坡度影响较小。

3.5　风资源

蓟县山区多年平均风速平均为2.2m/s，由于受到燕山山脉的阻挡作用，风速明显小于天津东部和中南部地区，加之山区沟谷幽深，山高坡大，故风力又较缓、较弱。风速的年际变化较大，其中从20世纪60年代初至70年代，大多数年份的年平均风速均达到或超过2.0m/s；80年代至目前年平均风速维持在1.8m/s左右，风向以东南风为主。