全 文 ：第 11卷 第 4期
2 0 0 3年 1 0月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
VO1．11 NO．4
Oct．． 2003
北京市门头沟山区农业气候资源细网格数值模拟研究
郭 文利
(北京 市气 候 中心 北 京 100089)
陈明轩 张洪涛
(中 国气 象局 北 京城 市 气象 研究 所 北 京 100089)(山西 省卫 星遥 感 中心 太 原 030002)
摘 要 采用地形追 随坐标 系 中三维 大气一土壤 耦合模 式对北京市 门头沟 山地 气候 效应进行模 拟试 验研 究表 明 ，山 区气
温和地 表温度随海拔 高度 的升高而 降低 ，温度 场等值线大体按地形 等高线方 向分布。 山区谷地冬 季温度 高于东部平 原地
区，夏季温度 日变化最 明显。地温场分布 与近地 层气温 变化 关系极 密切 ，二者分 布特征 相似。 山区地表 相对 湿度 向 山顶
方向逐 渐增大 ，山顶相 对湿度 较高 ，而 山谷相对湿度则较低 。低 层风矢 量分布 受 门头 沟山区“x”型 沟谷地形 的影响 ，白天
近地层风有向山脊、山顶辐合且形成谷风趋势，而夜晚则有向山谷辐合形成山风趋势。
关键词 山区农业气候资源 细网格 区划 数值模拟
Numerical simulation study of fine—mesh compartment of mountain agroclimatic l*esource in BeUing Mentougou area．
GUO W en—Li(Beijing Climate Center，Beijing 100089)，CHEN Ming-Xuan(Beijing Urban Meteorological Institute，Chi—
neNe Meteorological Bureau，Beijing 100089)，ZHANG Hong—Tao (Shanxi Satelite Remote Sensing Center，Taiyuan
030002)，CJEA，2003，11(4)：49～54
Abstract In this paper，a simulation experiment has been made tO indicate the mountain microclimate effect of M ento—
ugou area based on a three dimensional quasi—static equilibrium air-soil coupling model developed in G-Chen coordinates
system ．The study indicates that the mountain air temperature and surface soil temperature are almost opposite change tO
terrain height and temperature contours tendency is basicaly in accordance with terrain contours tendency．The tempera—
tore in the lower mountain valley is higher than that in the east plain in winter and the temperature diurnal variation is the
most obvious in summer．Surface soil temperature has close relationship with the air temperature and its distribution is sire—
ilar tO that of the air temperature．Relative humidity over mountain surface is increasing along with terain height．Owing
tO the effects of‘X”valley shape overlaying Mentougou area．the lower level wind vector has convergence tO mountain cap
and brings valey breeze during daytime and is opposite during nighttime．
Key words Mountain agroclimatic resource，Fine—mesh compartment，Numerical simulation
门头沟地区位于北京市西南郊 ，山区地形复杂多变导致气候复杂性 ，而门头沟地区原有限的气象观测资
料无法满足山区农业气候资源细网格区划的要求，数值模拟方法可较准确地获取无气象观测资料地区的连
续气候资料，本研究应用张洪涛等u 建立和发展的 1套准静力平衡的三维大气一土壤耦合模式，该模式分大
气系统 、土壤系统和山地森林植被 3部分，其突出特点是林冠及地表辐射 、能量平衡方程均采用推导出的山
地有坡度地形形式 。本试验选取春、夏、秋、冬季代表月份(1月、4月、7月、10月份)进行模拟 ，并对每月逐旬
模拟 能代 表各旬平 均状 态 的气 温 日变化过程 ，然后得 到月平 均气 候状况 的 日变化特征 ，通过对 比模拟 区域 内
气象站实测值与该点模拟值之间差异对模式模拟性能进行初步验证。
1 模式简介与初始场
大气系统模式。本研究主要考虑门头沟地区山地气候的变化特征，采用空间九点平滑方案对地形进行
平滑处理。由于平滑后的地形其坡度远<45。，且无强烈对流运动发生，因此大气在垂直方向以十分精确的
程 度满足准静力 平衡关系 。引入垂直坐标 z ，定义为 ：
*北京市科委项 目“气候资源在农业 中的应用与开发研究”和北京市财政局项目“北京山区小气候资源开发利用研究’共同资助
收稿 13期 ：2002—11．30 改回 13期 ：2002—12—31
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中 国 生 态 农 业 学 报 第 11卷
z = H[z— z。(1z， )]／[H 一 。(．32，Y)] (1)
式 中 ， 为模式计 算垂 直高度 坐标 ，z为实际高度 ，H 为模 式顶 高度 ，z。(．z， )为地表 海拔 高度 。有关三 维
大气 系统模 式参 见文献[1]。
土壤系统模 式 。因为描述 平行 于地 表方 向土壤物理 量 的特征 长度远大 于垂直 于地表方 向的土壤 特征深
度，故仅需建立一维土壤模式 ，此时土壤热传导方程为：
C ： + s L (2) ^ 一 1 ，～ 1 I L，t．Ii ＼-，
式中，T 为土壤温度 ，C为土壤容积热容量 ，S 为单位时间单位容积的融解水量，L为冻结融解潜热， 为
土壤导热率 。土壤水分传输方程为：
3O
= [D( ) ]一c。sa ( )+S (3)
式中，0为土壤容积含水量 ，K(0)为导水率 ，D(0)为土壤水的扩散率。土壤模式推导见文献[1]。
山地森林植 被 的辐射 与热量平衡 。森林植被 的存 在强 烈地改 变 了下垫 面辐射 和热量 平衡状 况 ，研究 表
明即使在植被稀少的干旱地区植被对热通量的影响也不容忽略。门头沟山区生长着北方山区常见的林木和
灌木及大量地表植被 ，因此森林植被的影响是模式必须考虑的因素。将地形坐标系中 z =0的平面定在森
林林冠零平面位移处 ，森林的热力作用通过林冠辐射、热量平衡以及林冠感热、潜热释放表现出来 ，森林的动
力作用则通过粗糙度描述 ，在此规定辐射、能量以向下为正。设林冠短波辐射平衡为 R 1林，则 ：
R1林 = R sWc—R tsWc一(R s 一R tsWG) (4)
式中，R 、Rt 分别为林冠顶面向下与向上的短波辐射 ，R 、Rt WG分别为地面向下与向上 的短波辐
射 。设林冠 长波 辐射平衡 为 R2林，则 ：
R2林 = R Wc—R t Wc一(R WG—R t WG) (5)
式中，R Wf、R t Wc分别为林冠顶面垂直于地表向下与向上的长波辐射，R WG、R t 分别为地面向下与向
上的长波辐射。设地表短波辐射平衡为 R1 ，则 ：
R1地 = R sWG—R tsWG (6)
设地表 长波辐射平衡 为 R2 ，则 ：
R2地 = R L 一R tLWG (7)
若忽略树 干及树 叶本身 的热容量 ，则林冠部 分能量平衡 可由下式表示 ：
(S州+D州+R ) ，(1一n，)一 ，e，F林一 ，R L + ，R tL = (LE，+P，) ， (8)
式中，LE，为林冠潜热通量 ，P，为林冠感热通量 ， ，为森林覆盖率 ，a，为林冠反射率，S 为山地直达太阳辐
射 ，D 为 山地散射 太 阳辐射 ，R 为周 围地 区的反射辐射 ，F林为考虑地形影 响林冠 的有效辐射 ，Rvl 和
RVt 分别为林冠覆盖区域下面 向下与向上的长波辐射通量 ，e，为林冠的灰体系数。设 R 为人为释放
热 ，则地表 能量平衡为 ：
(S +Dm+R ^ )(1一 ，)(1一n )一(1一 ，)eGF地 + ，_尺 LWG— ，_尺 tLWG (9)
： (1一 ，)(LE +P)+ Q 一R
式中，LE为地表蒸发(即潜热通量)，P为地表感热通量，Q 为土壤热通量 ，n 为地表反射率 ，e 为地表的灰
体系数 ，其他变量 意义 同上 。
模式动力学框架及其参数化。本研究采用建立在地形追随坐标系中的三维准静力平衡大气一土壤耦合
模式，模式中综合考虑了山区坡度 、坡向和地形遮蔽的动力 、热力效应 ，土壤水分冻结融解过程和森林植被的
影响及地形云物理过程。在垂直方向大气模式顶高为 5000m，大气高度分为 20m、50m、lOOm、200m、400m、
700m、lO00m、1300m、1600m、2000m、2500m、3000m、3500m、4000m 和 5000m15层 ；土 壤取 50cm 深 ，共分 为
Ocm、icm、2cm、5cm、lOcm、20cm、30cm、40cm 和 50cm9层 。模 式水平 网格距 为 500m，东 西向取 150个 网格 ，
南北 向取 102个 网格 ，模拟 区域 中心位 于北 纬 39．99。、东经 115．77。。考虑 到所模拟 的 M-7尺度系统动力 协
调性，模式积分步长取为 5s，模式 20m 以下各变量值由相似理论插值求得。
模式初始场。为模拟门头沟山区地形诱导的山地气候 日变化平均状况 ，利用地理信息系统(GIs)得到
门头沟地区网格距为 lOOm的地形等高线资料，并对驱动模式的门头沟地区地形等高线资料进行空间 9点
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第 4期 郭文利等 ：北京市门头沟山区农业气候资源细网格数值模拟研究 51
平滑处理，滤去特征尺度<500m且起伏高差很大的局地地形，使其尽可能满足准静力平衡条件。处理后的
门头沟地形见图 1。为模拟春、夏、秋、冬 4季门头沟山区气候 日变化状况 ，选取春 、夏 、秋 、冬 4季代表月份
(1月、4月 、7月和 10月份)进行模拟研究，每月逐句模拟能最大程度地代表各旬平均气温 日变化过程(即模
拟每 月 5日、15日和 25日的变化 )，然 后得 到月平 均气 候
日变化特征。每天 自早晨 7：00开始积分 ，计算至翌 日早
7：00止 ，研 究其 日变化状 况 。在 门头沟地 区内设 有 门头沟
气象观测站和斋堂气象观测站 ，其中门头沟气象站位于北
纬 39．92。，东经116．11。，海拔高度为 91．8m；斋堂气象站
位 于北 纬 39．97。，东经 115．68。，海拔 高度 为 440．3m。为 j}i
较真实地模拟门头沟山地气候特征，计算 了 2站上午8：00
定时观测气温的 30年(1971～2000年)旬平均气候值 ，然
后求 2站平均值作为模式的初始温度场。风场初始值是
将 5000m高度地转风按照指数率 内插到地面 ，为接近于
实 际 ，根据北京地 区 目前惟 一的探空站 ，即北京 观象 台(北
纬 39．80。，东经 116．47。)不 同时期早 晨 7：15时 5000m探
空风 资料的气候平 均值估算 出 5000m 高 度地 转风 ，同
疆蔫 静赣霸—— ■■— ■— —————■ ■■■■■■■I
撕 ●∞ ●∞ ●∞ O∞ 撕 ●∞ ●∞ ●∞ 椭
经度／(。)
图 1 f-1头沟 地形 图
Fig．1 M entougou terrain height
时 假设 在该高 度层 上 垂 直运 动 为0。土壤 容 积含 水 量 (土 *由空间9点滤波滤去特征尺度<500 的地形。
壤湿度)初始值主要参考北京市气候中心发布的《农业气象旬月报》和《农业气象服务专刊》中有关土壤信息
部分。植被叶面积指数和植被覆盖率根据门头沟山区下垫面情况定性给出。模式初始场参数见表 1。取模
拟计算的平均纬度为北纬 40．0。，接近模拟中心纬度北纬 39．99。；取站点高度为门头沟和斋堂 2气象站海拔
高度平均值即 266m；平均海拔高度取地理信息系统所得地形资料的平均值即675．3m，该高度比以往资料提
表 1 模式 初 始场 参数
Tab．1 Model initial field parameters
1月 上旬 22．0 —10．0 —8．5 0．10 1 0 0(h <100m)
中旬 25．0 —2．0 —9．3 0．10 1．0 0．3(100m~h<500m)
下旬 14 0 —8．0 —8 8 0．10 1 0 0．6(h~500m)
4月 上旬 19．0 —2．0 7．6 0 15 3．0 用于 1月、4月
中旬 20．0 —5．0 10 8 0．15 3 0
下旬 16．0 —3．0 13．3 0．15 3．0
7月 上旬 13．0 6．0 22．8 0．20 5．0 0(^ < 100m)
中旬 一10．0 10．0 23．3 0 20 5．0 0．4(100m≤^<500m)
下旬 12．0 —2．0 23．8 0．20 5．0 0．8(^ ≥500m)
10月 上旬 16．0 —5．0 11．6 0．15 3．0 用于 7月、10月
中旬 22．0 0 9．0 0．15 3．0
下旬 20．0 0 6．2 0．15 3．0
*h为海拔高度。
供的门头沟平均海拔高度 738m偏低，主要原因是为模拟的方便 ，模式所取覆盖范 围是规则的矩形 区域 ，比
门头沟地区实际范围稍偏大，包含了东部部分低地形信息 ，平均海拔高度虽有所偏低，但对模式积分结果无
甚影 响。
2 模拟结果与分析
本研究选取能典型代表白天的 14：00和夜间的 2：00时刻，对模拟所得各变量进行定性分析。
2．1 近地层气温与地表温度 、相对湿度的变化
地表 2m高度气温可很好地代表山地气温分布状况，对 山区农业资源区划和作物生长分布具有重要指
示意义。模拟结果表明春、夏 、秋 、冬 4季白天和夜间气温随海拔高度的升高而降低
，温度场等值线大体按等
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52 中 国 生 态 农 业 学 报 第 11卷
高线方向分布。由于山区地形的作用 ，温度最低处位于门头沟 山区海拔最高地方 ，即位于灵 山(海拔高度
2303m)及其周围山区和由百花 山(海拔高度 1991m)至白草畔(海拔高度 2035m)沿线 山区，而温度最高处位
于门头沟地区中部沟谷区，尤其冬季这种特征十分明显 ，白天山顶最低气温和山谷最高气温相差达 20*(2以
上(见图 2a)，夜间达 16"(2(见图 2b)。冬季山区谷地甚至比东部平原地区气温高 10℃左右 ，夏季温度 日变化
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图 2 模 拟所 得 冬季 地 表 2m 高度气 温 (℃ )分布
Fig．2 Simulated air temperature at 2m level above land surface during wintertime
*其 中a为白天 l4：00，b为夜间 2：00，等值线间隔为 2，阴影区为地形海拔高度。
2oo ．oo m m ’ooo ’2oo ’．o口 ’m 1Ⅻ m
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经度／(。)
图 3 模拟 所 得冬 季 地表 土壤 温 度 (℃ )分 布 *
Fig·3 Simulated soil temperature at Ocm level during wintertime
*其 中 a为 白天 14：00，b为夜 间 2：00，等值 线间 隔为 2
，阴影 区为地形海拔高度。
经度／(。)
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经度／(。)
图 4 模拟 所得 夏 季地 表 2m 高度相 对 湿 度 (％ )分 布 *
Fig-4 Simulated relative humidity at 2m leve1 aboye land surface dunng summertime
其中 a为白天 14：00，b为夜间 2：00
，等值线间隔为O．05，阴影区为地形海拔高度。
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第 4期 郭文 利 等 ：北京 市 门头 沟 山区 农业 气候 资 源细 网格 数 值模 拟研 究 53
最明显 ，白天和夜 间温差最大达 8"C以上 (图略 )。模拟地 表土壤温度变化 表 明 ，地 表温度 随海拔 高度 的升高
而降低 ，地表温度场等值线基本按等高线方向分布。海拔较高的山脊地表温度偏低 ，而海拔较低的山谷地表
温度则偏高，尤其冬季白天温差最大达 16"C以上(见图 3a)，夜间达 14"C(见图 3b)，较气温低 3～4"C。地温
与气 温分 布特征相 似 ，说 明地 温场分 布与近地层气温 变化关 系十分 密切 。冬 季 山谷地 区地表 温度 比东 部平
原地区高 8～10"(2，与气温变化相一致。 日间地表温度大于夜 间，特别是夏季由于辐射冷却的作用 ，白天与
夜 间地表温差达 20"C以上 (图略 )。 比较各 季节对 应时 段 的气 温 场和地 温场 可知 夏季 白天 地温 明显 高于气
温 ，冬 季夜 间气温则 明显高于地温 ，而其他 时段差异较小 ，这表 明夏 季 白天地表是热 源 ，释放 出更多 的长 波辐
射，加热大气 ；冬季夜晚地表明显是热汇。近地层气温和地表温度这种分布变化特征为山区气候资源的优
势 ，对有效利用门头沟山区气候资源以及合理开发配置农业气候资源有重要参考意义。
由地表 2m高度 空气相对湿度模 拟结果 可知 ，相对 湿度 向山顶方 向逐 渐增 大 ，山顶 相对 湿度较 高 ，夏 季
和秋季夜 间达 90％左右 ，而 山谷相对 湿度则较低 。相 对湿度夜 间大 于 白天 ，特 别是夏 季 (见 图 4)和秋 季 (图
略)相对湿度昼夜差异最大 >25％，相对湿度这种季节性昼夜差异与下垫面性质、山区局地环流等因素有关。
2．2 地表 20m高度风矢量变化
由模拟所 得地表 以上 20m高度 风矢 量场分布 可知 ，4季风矢 量分布均受 门头沟 山区 “X”型沟谷地形 的
影响 ，由于 山谷地形 的“狭 管效应”，风呈 沿山谷方 向走 势且 风速偏 大。 门头 沟地 区局地 地形 环流 十分 强盛 ，
地表 以上 20m 高度处 白天近地层 风呈向山脊 、山顶辐合且形成谷 风趋势 ，而夜晚则 有 山顶辐散 、山谷辐合形
成山风趋势 ，尤其夏 季这种规律较 明显 (见图 5a和 b)。夏季 白天 在强烈 太 阳辐 射作用 下 山坡 和 山顶气温 显
著上升 ，且高 于山谷 中 同高度气 温 ，于是 暖空气上升 ，山谷底部较 冷空气沿 山谷 和山坡 向上补充形 成谷风 ；夜
问坡地辐射降温冷却 ，且低于山谷中同高度气温 ，密度大造成冷空气向山谷流动而形成山风。
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经度／(。) 经度／(。)
图 5 模 拟所 得夏 季 地表 20m 高 度风 矢量 场 分布
Fig．5 Simulated wind vector field at 20m level above land surface during summertime
*其中 a为白天 l4：O0，b为夜间 2：00，风矢量标记单位 10m／s，阴影区为地形海拔高度。
2．3 山地逆 温 特 征模 拟 与模 拟 结果 检 验
经典理论认为 ，由于山坡辐射冷却的作用 ，山区存在所谓的“暖带”或“逆温层”_1]。对门头沟地区樱桃沟
和白虎头进行的人工山地气候加密观测表明冬季 2地区确实明显存在逆温层。模拟所得门头沟区域内冬季
平均气温随时间和高度的变化见 图 6a，由图 6a可知门头沟区域内从 10：00模式积分稳定开始 ，地表 以上
200m左右高度出现逆温 ，每 100m增温率约为 0．2"C。模拟所得樱桃沟定点(北纬 40．04。，东经 116．04。)冬
季气 温随时 间和高度 的变化 见图 6b，图 6b表 明樱 桃沟从 10：00～20：00地 表 以上 200m 左 右也 出现 幅度较
小的逆温现象 ，这表明所用模式能在一定程度上模拟山区逆温现象。但 由于所用模式其动力和热力过程过
于简单，未能真正很好地模拟出山地气候这一典型特征 ，如可能由于模式假设 5000m高度处垂直运动为 0，
导致模式未 能很好地模拟 出逆温层顶高 度 ，这有 待于对模 式边界 层方案 、湍流闭合 技术 、下垫 面辐射 参数 化
等方面深入研 究 。
为定性验证模 拟结果是 否可信 ，需对模拟结果 与观测记 录进行对 比分析 ，由对 比结果 (图略 )可 知经 过订
正 后模 拟结果较 好 ，除少数时次外 ，温度模 拟 和观测 结果 绝对误 差在 2"C内
，而 相对湿 度模 拟 和观测 结果 绝
对误差基本在 10％内。在对樱桃沟村和南庄村 2站观测资料与模拟结果进行对比(见图 7
，b)发现 ，在反 映
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54 中 国 生 态 农 业 学 报 第 1I卷
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时 间
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图 6 模 拟所 得 门头 沟 区域 内 (a)和 樱桃 沟定 点 (b)冬 季平 均气 温 (℃ )随 时间及 高 度 的变 化
Fig．6 Simulated winter mean temperature variations along with time and height over whole
simulated aTea at Mentougou(a)and at Yingtaogou(b)
*等值线间隔 0．2。
莹 § 墨 莩 量 莹 曼 詈 量
时 间 时 间
图 7 模 拟结 果 与 自动站 观测 结 果对 比
Fig．7 Contrast between simulated and observed results
*a为樱桃沟 2002年 i月观测值与对应时次模拟值 ，
b为南庄村 2001年 7月观测值与对应时次模拟值。
行 的 ，模拟结 果基本可信 。
3 小 结
山地气 候 连续 日变 化 特征 上 夏 季模拟 效 果
较好 ，春、秋 季次 之 ，冬 季较 差 ，且模 拟 结果
的 日变化 趋 势与 观 测 基本 一 致 。但 1月份
19：00前模拟结果与观测存在 1～2℃误差，
而 7月份 二 者误 差 较 小 。观测 和模 拟 结 果
均显示冬季 1月份气温在 13：00达最高 ，而
夏季 7月份 在 16：00达最 高 ，这 与太 阳高度
角的季节变化有关 。对 比分 析结 果均 表 明，
本研 究模拟 结果 一 定程 度 上 较好 地 反 映 了
门头沟山地气候变化特征 ，表明利用该模式
对门头沟山地气候效应进行模拟试验是可
本研究揭示了门头沟地区温度、湿度、风场等气象要素变化特征，若用模拟区域 内观测站气候平均值与
该点模拟值之间差值对模拟要素场进行整体平移订正，最终可在一定信度范围内得到门头沟山区农业气候
资源区划所需的气候平均要素场。受测点密度所限，若获得满足中 y尺度分辨率模式较精确的初始场资料
几乎不可能，因此中 y尺度数值模拟定性的研究较多 ，而与观测资料进行对 比的定量研究尚极少见，本研究
是中 y尺度数值模拟向定量对比研究的有益尝试。
参 考 文 献
1 张洪涛，傅抱璞 ．用三维大气一土壤耦合模式进行山地小气候模拟．气象学报，1992，50(4)：478～484
2 傅抱璞．山地气候．北京：科学出版社。1983
3 Pielke R．A．Mesoscale Meteorological Modeling．Academic Press，1984
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