农业地形气候nongye dixing qihouagrotopoclimatology

在同一大气候区内由地形因素的作用所形成的、对农业生产有影响的局地气候和小气候。研究农业地形气候的目的， 在于了解地形对气候影响的特点和规律，以及它们和农业生产的相互作用；并确定其数量关系，以便合理开发利用山区气候资源， 更经济而有效地进行各种农业生产建设， 特别是因地制宜地规划和设计农业生产布局。影响气候的地形因素有大地形 (包括山脉走向、总体高度和长度等)、海拔高度、坡地方位（包括坡向和坡度）及地形类型。其中大地形能影响大气环流和天气过程， 使山脉两边的天气气候和农业生产截然不同(见气候、大气环流、下垫面)。
地方海拔高度的影响 随着地方海拔高度上升，一般太阳直接辐射、总辐射和辐射差额增加， 漫射辐射减小， 空气温度降低， 年较差减小， 无霜期缩短，空气绝对湿度减小， 但相对湿度随海拔高度的变化，情况比较复杂， 有的地方和季节是先增后减， 有的是先减后增， 无一定规律。空气温度随海拔高度变化的递减率， 一般是夏季大 (大多在5～8℃/千米之间), 冬季小 (大多在3～5℃/千米之间), 全年平均为5～6℃/千米左右。有时随着高度范围而变化，特别是冬季，由于冷空气沉积， 在山体的下部出现逆温，使气温递减率变为负值。在某些地区，由于地形和气候特点的原因， 气温递减率有冬大夏小或全年少变的情况。山地降水随海拔高度的分布大多呈抛物型，即降水先随海拔升高而增加， 在达到最大降水量高度以后再转为向上减少。气候越干燥， 出现最大降水量的高度越高。在中国新疆一带年最大降水量大多出现在2000～4000米拔海高度之间， 秦岭为2000米左右，且北坡高于南坡， 皖、浙山地大致在1000米左右。在气候湿润的印度西南沿海一带， 出现最大年降水量的高度可降低到500～600米之间。但是有些地方由于地形和气候特点， 也有非抛物型的变化。在其他条件相似的情况下， 山地的风速一般是随地方海拔升高而增大， 但其变化的快慢与具体地形情况有关。
坡地方位的影响 坡地方位不同， 坡地上每天的可照时间和所接受的太阳辐射量就有差异， 这种差异随纬度和季节不同而不同。在中国纬度范围内， 夏季南坡的可照时间一般都比平地和北坡短， 在冬半年则与平地相同而比北坡长。就坡面对可照时间和天文太阳辐射通量的影响来说， 在夏半年南坡的坡度增加一度相当于纬度降低一度， 在冬半年北坡的坡度增加一度相当于纬度升高一度。
根据理论计算结果(图1), 坡地方位对直接太阳辐射影响的规律是： 北半球夏半年在赤道附近的低纬度是北坡接受辐射最多， 南坡接受辐射最少， 随着坡度增大， 南坡上接受的辐射量急剧减少， 北坡上接受辐射量的变化则相对地小得多。在回归线附近则以东坡和西坡接受辐射最多， 北坡接受辐射最少， 南坡次之。随纬度升高， 接受辐射最多的坡向便逐渐转向南坡， 且辐射量随坡度的变化在南向坡地上变得比较缓和， 在北向坡地上则变得愈来愈急剧， 同时南向坡地在一定坡度范围内可以获得比平地较多的太阳辐射量， 而北向坡地比平地获得更少的太阳辐射量， 且坡度愈大，所接受的太阳辐射愈少。冬半年，坡地上的太阳辐射特点与夏半年很不一样，北半球不论在任何纬度都是南坡接受太阳辐射最多，北坡最少，且纬度愈高，坡度愈大，相差愈大。同时，南向坡地当坡度在一定范围内由小增大时，辐射总量增加，且纬度愈高，增加愈快，待至越过一定坡度以后，坡地上的辐射才转为随着坡度增大而减少。在北向坡地上的辐射量，不论在任何纬度都随着坡度增大而减少。

图1 北半球坡地上的可能直接辐射总量Wa与平地上的可能直接辐射总量W₀的比值Wa/W0随坡向、坡度及纬度和季节的变化（曲线上的数字代表坡地的坡度）

不同方位坡地上的温度差异，主要是由辐射的差异而引起，在其他条件相似的情况下，凡是接受太阳辐射少的坡地，其温度也低；凡是接受太阳辐射多的坡地，其温度也高。因此，坡地上温度随坡向、坡度及季节和纬度而变化的规律，一般是与坡地上的辐射变化相类似，而且气候愈干燥、植被愈稀少、天气愈晴稳，不同方位之间的温度差异愈显著。但是由于不同坡地上的风速差异很大，特别是在大地形下， 云雾和降水的差异，会在不同程度上加强或减弱这种由于辐射分布特点所造成的温度差异。在中纬度地区，就相对高度差几十米到二、三百米的中等坡度的小地形来说，南坡的平均气温在冬季可比北坡高1～2℃，在夏季一般只高零点几度，东坡和西坡的温度介于南坡和北坡之间，而与平地相接近。但随着地形尺度增大，不同方位之间的温度差异也相应增大。冬季，特别是有冷平流时，南北坡地的温度可以相差好几度。坡地方位对土温的影响比对气温的影响要大得多，在冬季晴天南坡表层土壤的平均温度可比北坡高4～6℃, 比平地高3～4℃，地面最高温度南坡可比北坡高十多度，最低温度可比北坡高3～5℃(图2)。
坡地方位对湿度的影响比较复杂，对足以影响天气系统或过程的大地形来说，一般是向风坡降水多，湿度大，背风坡降水少，湿度小。但是高度不大的地形，因为对降水本身影响不大，其土壤湿度和空气湿度的相对大小主要决定于蒸发的强弱以及降水的分布和地面保水情况。所以在小地形中，坡地方位对土壤湿度的影响， 一般正好与对太阳辐射的影响相反。凡是接受太阳辐射多、温度高的坡地，因为蒸发能力强， 土壤水分消耗快，其土壤湿度一般都比较小；凡是接受太阳辐射少，温度低的坡地， 由于蒸发能力弱，土壤水分消耗慢，其土壤湿度一般都比较大。坡地方位对空气湿度的影响与气候条件有关，在气候湿润的地区，因为各种坡向土壤水分都比较充足，坡地上的蒸发主要决定于热力条件，所以接受太阳辐射多的坡地，随着蒸发到空气中的水汽多，其空气湿度也大。反之， 则小。在气候比较干燥的地区， 由于接受太阳辐射多的坡地，土壤湿度小，其蒸发能力虽强，但实际蒸发到空气中的水汽少，空气湿度就反比接受太阳辐射少，而土壤湿度较大的坡地小，特别是相对湿度在上述两种坡地上，可出现很大的差异。

图2 10厘米深度的土温与坡向的关系(南京方山， 冬季晴天)

综上所述，夏半年在回归线以外以及冬半年在极圈以外的地区，北半球南向坡地的小气候特点是太阳辐射较强、温度较高、温度较差大，冬季土壤冻结较浅，霜冻少而轻，但蒸发能力较强， 土壤比较干燥；北向坡地的小气候特点是太阳辐射较弱、温度较低、温度较差小， 冬季土壤冻结较深， 霜冻多而重， 但蒸发能力较弱， 土壤湿度较大。纬度愈高， 南北坡向之间的小气候差异愈大， 而冬季的差异又远大于夏季。因此， 在气候比较湿润而温度条件不足的地区是南向坡地的小气候条件对植物生长比较有利， 北向坡地最差。但是在日射丰富而水分不足的地区， 则是北向坡地的小气候条件比南向坡地对植物生长更为有利。
地形形态的影响 地形形态对温度的影响在很大程度上与天气条件有关。在辐射型天气下， 在周围山坡围绕的谷地与盆地， 由于风速小和乱流交换弱， 对白天增温和夜间冷却都造成有利条件， 且夜间周围山坡上的冷空气都向低处注泻， 更加强了谷中的冷却，可以形成“冷湖”。在高地的顶部和坡地上， 因为风速较大， 乱流交换较强， 且夜间地面附近的冷空气可以沿坡流失， 而换来自由大气中较暖的空气， 所以不论白天增温或夜间冷却都比谷地或盆地大为缓和， 夜间在谷坡上常可出现暖带。因此， 谷地、盆地以及其他避风低洼地白天温度较高， 夜间温度较低， 温度振幅较大， 辐射霜冻较重； 高凸地和迎风的坡地白天温度较低， 夜间温度较高， 温度振幅较小，辐射霜冻较轻。但是在冷平流天气下， 由于风速愈大， 降温愈快， 则地形低洼和避风的地方昼夜温度都比高凸和迎风的地方高， 平流霜冻比较轻。纬度愈高、地面植被愈低矮稀少， 地形对温度的影响愈大， 且冬季的影响远大于夏季。根据观测， 在纬度较高的地方， 周围山坡上植被稀少的谷地和盆地冬季月份的平均气温可比平地低2～10℃，无霜期可比平地短20～30天， 甚至更多。高地顶部和坡地的平均气温可比平地高2～4℃, 无霜期可比平地长10～25天。但在夏季月份， 各种地形与平地温度的偏差一般只有1～3℃, 甚至更小。在纬度较低的地方， 特别是当地面有高而密的植被时， 不同地形下的温度差异就大为减小， 即使在冬季月份， 也只有零点几度到1～2℃(见彩图105)。
在起伏地形的坡地， 因为降水容易流失， 土壤一般比较干燥； 凹洼的低地， 因为周围坡上的径流向此注集， 土壤最为湿润； 高地的顶部和梯田， 因为地面比较平缓， 径流减小， 土壤湿度亦大。空气湿度因为和土壤湿度、风速以及温度有关， 一般谷地和盆地空气湿度比较大， 高地的顶部和坡地空气湿度比较小，且前者日变幅大， 后者日变幅小。根据中国福建省丘陵地的观测资料， 那里分布在比较开阔的谷地或盆地底部的农田与同海拔较高的开旷地相比， 1月平均气温低0.7℃, 平均最低气温低1.2℃, 年平均气温低0.5℃, 大于10℃的积温少138℃，年日照时数少281小时， 平均相对湿度偏高2%；而分布在狭谷底部的山垄田， 冬季平均气温又比开阔谷地或盆地底部的农田低1.0～1.5℃, 最低气温低3℃以上，而相对湿度高2%，初霜期早20多天。山垄走向不同，其小气候也有差异，南北走向的山垄田1月平均气温和最低气温比东西走向的山垄田约低0.3℃, 平均土温低2℃左右， 而相对湿度高6%。在夏季山垄田（水稻田）的平均气温和最低气温均比开阔谷地的农田低0.8℃, 最高气温低1.1℃，而相对湿度高4%。因此， 山垄田是当地山区主要低产田类型之一。

图 3 小山岗的风速分布

地形对风速影响的规律一般是： 凸出地形的顶部风速最大， 侧风坡的中部其次， 向风坡又次之， 背风坡和低洼地形的底部风速最小(图3), 且地形对风速影响的程度和距离是背风面大， 向风面小。在比较平直的河谷内， 当一般环流风近乎垂直河谷吹时， 由于气流受阻， 河谷内的风速照例是比平地减小； 当风近乎平行河谷吹时， 由于流区压缩， 产生 “狭管效应”，河谷内的风速要比平地增强， 风向和河谷走向交角愈小， 风速增强愈多。河谷愈深愈窄， 河谷内风速的减弱或增强愈厉害。在山地、在晴稳的天气下， 常见山谷风和坡风（见山谷风）。地形相对高度愈大， 地面植被愈低矮稀少， 山谷风和坡风的强度愈大。
对大地形来说， 降水的分布一般是向风坡多， 背风坡少。但在一般像小山岗和丘陵地之类的起伏地形中， 由于地形高差不大， 对气流上升运动影响有限，其降水的分布主要受风的影响，风速大的地方降水少，风速小的地方降水多。