第二节　农业小气候观测方法

小气候观测具有本身的特点，这种特点是由小气候现象的特殊性所决定的。

小气候与大气候相比较具有范围小、差别大和很稳定的特点：

范围小是指小气候现象的铅直和水平尺度都很小。它的铅直尺度主要在2m以下的气层内，少数可达100m以内高度，也就是在人类活动和动植物生存的主要空间之内。它的水平尺度只有几毫米或者到几十公里。由于小气候范围小，所以通常气象台站的分布密度和观测项目都不能满足小气候观测工作的需要。因此，小气候观测属于特殊的观测，测点密度大，观测次数多，观测项目随研究目的不同而不同。

差别大是指小气候现象中各个气象要素无论在水平方向或铅直方向差异都很大，具有更显著的日变化和脉动现象。因此，在小气候观测中要进行梯度观测，同时也要进行日变化观测和对比观测，并且对观测仪器也有特殊要求。

很稳定是指小气候规律的相对稳定性。由于小气候尺度小，所产生的小气候差异不易被混合，只要各种作用面的构造特性存在差异，就会形成不同的小气候特点。因此，各种小气候差异是比较稳定的，经常如此。这就使我们有可能通过短时间的实地观测来了解它，而且还可能作适当外推。所以小气候观测总是短时期的、季节性的，一般不必像气象台、站一样成年累月进行观测。故小气候观测一般是采取非定位观测（也称短期流动观测）的方法，只有在某些特殊情况下，例如研究森林生长发育整个过程与小气候的关系；研究森林的水文气象效益等问题时，才采用较长时间的定位观测方法。

一、非定位观测方法（短期流动观测方法）

短期流动观测没有统一的方法，它随研究目的和任务的不同采用不同的方法。通常采用的方法有：

1.目测法

是通过对物象、物候、植被、树木年轮等自然景物的观察推断，间接获得小气候资料，或者通过对小气候现象的直接目测的一种方法。例如利用物象推定盛行风向，可用因长期受盛行风吹袭而形成的偏形树，了解当地盛行风向，由偏形树的偏形度也能反映盛行风力；利用物候现象推断气温，如北京地区榆树开花时平均气温为7℃，刺槐花盛时为20℃～23℃等；可从调查自然植被情况和分布，推断小气候的干湿状况；也可根据树木年轮宽窄，推断小气候的温湿状况。直接目测小气候状况，可用在对霜和霜冻等个别气象要素上，例如在霜和霜冻发生时，目测勾绘霜和霜冻的范围、强度等等。

2.路线考察法

根据需要观测者可以徒步、骑自行车、用汽车甚至飞机等交通工具，携带一定仪器，沿一定路线对某些小气候要素进行巡回流动观测。

3.定点短期对比观测法

根据任务的需要设立若干固定观测点，安装仪器进行短期的观测，同时一定设立对比点，便于资料的比较和找出小气候特点。

在进行定点短期对比观测时，目的性必须明确，任务必须具体，并且根据目的任务选好测点、确定观测项目、观测时间和观测高度。

（1）测点选择原则及测点描述。

测点选择原则：

①研究目的不同，测点选择出发点不同。例如研究防护林带的防风效应，测点要选在不同结构林带的向风面和背风面，不同防风效应的距离内；研究各种林型小气候特征时，测点应选在各典型林型里；研究坡地小气候特征，测点应选在不同坡向、坡度和部位上；研究不同采伐方式的小气候，测点应设在不同方式的采伐迹地上；研究不同造林措施的小气候效应，则应分别各种措施设立测点等等。

②测点应具有典型性或代表性。因为我们要研究的问题，都是通过测点观测所得的资料反映出来的，因此测点的典型性或代表性具有决定性的作用。例如为了研究华北低山干旱阳坡的小气候特点，选择测点位置时，就应选在地形、土壤、植被条件等在华北低山有代表性的阳坡上；又如为了研究整地方式对造林地小气候改善作用，就应把测点选在不同整地方式的地段上，而这些地段的其他条件则应尽量一致或接近。为了使测点有代表性，还要避免将测点选在转折或过渡地带，如从一种树种组成的森林变为另一树种或另几种树种组成的森林边界地区；地形转折地区；土壤或植被明显变化的过渡地区；水陆分界区等。因为这些地区具有非独立小气候特点，除了特殊的研究目的外（例如研究林缘小气候等），应尽量避免在这些地区设立测点。

③测点应具有比较性。如研究苗圃地灌溉效果，则除了必须在灌溉地中心设置测点外，为了对比，应在其他条件与灌溉地完全相同的非灌溉区设立对比点，进行同样的观测，才能说明灌溉引起的小气候改变。在小气候观测中，设立对比点的原则是十分重要的。

在具体选择测点时，可将测点分为基本测点与辅助测点。基本测点是为了达到研究目的不可缺少的主要测点，小气候特征主要通过基本测点来取得。该测点应设在最有代表性的地段上，观测项目较完善，观测时间较固定，且要正点进行。辅助测点的设置目的是为了补充基本测点资料的不足，以便更加完善了解基本测点气象要素的特征，达到研究目的。辅助测点可以是固定的，也可以是移动的，观测项目、次数、时间可与基本测点相同，也可不同，依要求而定。不过为了与基本测点衔接和比较，最好观测高度和时间与基本测点一致。

测点描述：测点选好后，应进行测点描述。它是分析测点小气候特点的重要依据，测点描述纲要如下：

①测点名称(编号)、地理位置、海拔高度。

②地形及附近水体，当地地形一般特征，是平原区、丘陵区或是山地，山脉走向及高度，谷地走向及宽度，测点附近有无水体（海、河、湖，水塘或水库等），它们距测点距离，注明大小及位于测点那一面，以及海岸线方向等。

③测点地形特征，如测点位于山坡上，就要注明它的坡向、坡度、部位（上、中、下部，凹下或凸出那部分）。当测点位于谷底时，要注明测点周围山坡坡度和方向，谷地有河流或水域要写明大小和距测点距离。当测点位于高地时，要注明是丘陵、孤山或山脊、谷底到测点高度，高地如是平坦的，要注明平坦部分大小和形状。

④植被状况、植被特征、森林组成、树种、林龄、地位级，郁闭度、平均直径、平均高、冠层厚度、层次结构等。果园应注明大小和果树高度、密度。草地或沼泽地，应说明大小、植物盖度。防护林则要写清结构、类型、高度等。

⑤土壤状况、土壤名称、种类、腐殖质层厚度、土壤组成、湿度和地下水位深度等，如有雪覆盖应写明它的密度和厚度。

⑥周围建筑物状况，如测点位于城市哪一部分，是广场、居民点，还是市中心、近郊等，周围建筑物层次、密集情况、高度及测点距离绿化情况及工厂存在情况。

（2）绘制测点地平面遮蔽图为了了解测点遮蔽情况，可照时间可绘制地平遮蔽图。其具体做法是：

①绘出成辐射状等距同心圆。同心圆距圆心O点的距离表示仰角，O点的仰角为90°，依次向外，最外一个圆的仰角为0°。一般每10°仰角绘一个同心圆。辐射状的辐射线表示方位角正北为0°，顺时针每隔10°进行标定，在图上定出东、南、西，北方向，见图8-1。

图8-1　地平面遮蔽图

1-北坡测点；2-南坡测点

A-夏至；B-春、秋分；C-冬至

②用经纬仪或罗盘仪或倾斜仪，在测点上由北起顺时针每10°方位角测一仰角（即可蔽视角），记下来并记下遮蔽物种类如房屋、森林、山等等。如每隔10°中间还有明显遮蔽物时，还应进行补测。然后在图上点绘遮蔽折线，并用不同符号表示遮蔽物种类。

③在图上绘出太阳视轨道：通常绘春分、秋分、夏至和冬至的太阳视轨道，还可绘出观测时期的太阳视轨道。绘法是先算出日出、正午和日没三个点的太阳高度角（h）和太阳方位角（A），然后在图上点出这三个点，以这三个点作圆可近似表示太阳视轨道。h、A和ω（时角）计算式为：

式中φ为测点纬度；δ为太阳赤纬；ω0为日出或日没时角。由太阳视轨道以（3）式可求出日出或日没时间，计算出一天的可照时间。

（3）观测项目的确定

根据研究目的不同，选择不同的项目。短期流动观测项目不必包罗万象，只需对主要气象要素进行观测即可。因此，项目不可过多，要从实际出发，考虑人力物力条件，保证重点必测项目的观测。如研究林带防风效应，则以测风为主；研究森林的能量交换状况，则应以辐射平衡和热量平衡观测为主；研究霜冻则以测地面附近最低温度为主；研究类型小气候则以反映该类型主要小气候特征的项目为主，通常包括辐射、温度、湿度和风等气象要素。

（4）观测高度和深度的选择

①观测高度主要决定于下垫面状况（如草地、农田、森林、水面、山地等），也要考虑人力及仪器种类和数量。由于温、湿、风等气象要素在近地层自上向作用面急剧增大，且一般遵守指数律，故在选择各观测高度时，不应等距离平均分布，应是离作用面近的地方观测点要多，随离作用面远的地方，观测点数量减少。在进行小气候观测中；如限于人力和仪器不可能在较多高度观测时，需保证在固定高度即作用面上0.2m和1.5m或0.5m和2.0m处进行梯度观测。风速在距作用面1.0m和2.0m高度观测。

一般选0.2m和1.5m高度进行观测，是由于0.2m高度上通风干湿表的辐射误差与通风误差互相抵消了，而1.5m高度与气象站百叶箱内高度所取资料一致，便于与台、站气象资料比较，可将小气候资料订正和延长。0.2m和1.5m或者0.5m和2.0m这两对高度，是许多小气候计算公式中固定的计算高度。所以是经常采用的高度。

进行森林小气候观测，因森林有2个作用面，一个在林冠、一个在林地，故常选林地上0.2m、1.5m、树干中部、林冠底部、林冠枝叶密集处（林冠作用面处），林冠作用面上0.2m、1.5m等，测风时，最好测到林冠上10m高度。

此外，还应根据某些特殊研究目的，设置观测高度。如研究苗木日灼害，则应在苗木受害严重高度设点；又如在某些病虫害危害高度设观测点等等；

②观测土壤深度的选择一般采用0、5、10、15、20cm深度，这是因为表土层的温湿度对于种子生根、发芽、病虫害发生、冻害等关系密切。为了了解深耕的气象效应，除上述深度外，还可选取更深的深度。为了了解根系分布与土壤深度和湿度的关系，可随树种根系集中分布层的不同，采用不同深度。

（5）观测日期和观测时间的选择

1）观测日期的选择：因为流动观测是短期的，必须考虑到观测日期的典型性和代表性，它包括：

①各个季节或林木的各个生长期。季节可按春、夏、秋、冬来分，生长期可按生长季与非生长季，生长季中又可分为发芽期、旺盛生长期、开花期、种子种熟期等划分。

②某个季节或生长期的典型天气，包括晴天（有风与无风）、阴天和多云天来进行。尤其晴天更为重要，因为晴天条件下，小气候表现最明显。

2）观测时间的选择：因项目和人力情况有所不同，可根据下列原则来选择：(www.daowen.com)

①观测时间所测得记录的日平均值应接近于实际日平均值。

②一日中所选定时间应有1～4次的观测时间与气象站观测时间相同，以便比较。

③根据这些观测时间可表现出气象要素的日变化，其中包括极值出现的时间。

④如进行梯度观测，则要能表示出各个要素的铅直分布类型。如气温的日射型和辐射型；空气湿度的干型和湿型等。

⑤为特殊研究目的而选择的时间。如研究昆虫活动的时间等。

以下介绍几种观测时间：

每小时观测一次。可得到气象要素日平均值和分析气象要素随时间的变化。但这种观测耗费人力过多，不能经常进行，只能在最典型的天气条件下进行。

一日6～8次观测，即02、08、10、12、14、16、18、20时观测。与气象站有4次观测时间相同，便于比较，还可测得日变化及极值。

一日4次观测，即02、08、14、20时观测。完全与气象站观测时间一样，所得记录可进行比较。

一日2次（08、14时）或1次（14时）观测。观测点远离居民点，不便较长时间在点上观测；或者是由特殊目的进行的特殊固定时间观测。

（6）观测仪器的选择

由于短期观测的流动性大，对仪器要求则最好是小型轻便的，便于携带和搬运。为了减少人力和避免在观测中损坏观测点的现场环境和植被，最好用自记仪器和遥测仪器。除了特殊研究，如研究气象要素的脉动和微变时仪器应具有高的灵敏度和最小惰性外，在其他研究中，一般惰性太小的仪器是不适用的，因为它将使观测资料变得很复杂，不能反映小气候特点的平均水平。由于小气候观测中经常都要进行梯度观测，这就要求仪器有较高的精度，如温度表的误差不超过±0.1℃。

（7）观测资料的整理分析

对各个气象要素的分析，一般有两种方法，即单点表示法和多点表示法。

①单点表示法：是根据一个测点的观测记录分析小气候各要素，阐明要素随时间和空间的变化，并以时间变化图和空间变化图表示。通过这种图可分析出要素随时间、高度（深度）的变化规律。

时间变化图，以纵坐标表示要素，横坐标表示时间。空间变化图以纵坐标表示高度或深度，横坐标表示要素。

②多点表示法：为了阐述各测点间相互关系，进行比较分析而用多点表示法。它可分为2种：

a.不同测点同一时间相同高度的要素变化图，这种图以纵坐标为要素，横坐标表示测点；

b.各测点同一时间不同高度同一要素相同值的分布图即等值线图。这种图的纵坐标表示高度或深度，横坐标表示测点。

除了用图表示小气候特征外，还可以以列表形式，根据观测资料绘制各种表格。为了将原始资料用表的形式表示出来，事先对资料要进行必要整理和统计，求出要素平均值、较差、极值、频率、保证率、标准差、变幅等。

最后根据资料统计、整理和分析结果，写出小气候研究报告。报告内容包括研究目的、意义、观测和研究方法，研究所得成果及初步结论等。

二、定位观测方法（长期固定观测方法）

定位观测是为了一定特殊研究任务而设立的。例如为研究森林小气候而设置的定位观测，它的任务是为了长年进行观测，积累林区的气候、水文、物候等方面资料，研究小气候对林木生长的影响，为护林防火、防治病虫害、霜冻害的预报及育苗、更新和抚育等经营措施服务；或者研究森林生态系统功能和效益以维持生态平衡为改善环境服务。

1.定位观测场地的选择

为了使观测结果具有足够代表性，观测场地的选择是十分重要的。如森林小气候观测场地应选在当地主要类型内。观测地段的树种应是当地主要优势树种。观测场的位置距林缘、建筑物、道路、河流等要有一定距离，尽量避免或者减少这些障碍物对观测场地小气候的附加影响。由于定位观测是较长期的，因此选点要经过周密的反复调查研究，一旦建立起来，就要较长期的固定下来，不要轻易变动，以便获得的资料具有连续性和比较性。

为建立森林小气候定位观测站，要做一系列准备工作。首先要对该地区地形、气候、水文、林分、土壤等状况全面了解，如果资料不足，就要进行普查，可采用流动观测形式进行路线考查，首先把研究地区分为若干小区，求出各小区中各要素值（如气温、土温、空气湿度等）与整个区域平均值的离差（，按统计学方法，找出标准离差δ，即

式中x_i为各小区某一要素值，不同小区用附标i表示；x_i为该要素全区的平均值；n为小区数。通常规标两倍标准离差(2δx)是各个要素的定振幅。这样可分别求出气温、土温等要素的定振幅，然后绘制等温离差分布图（各小区平均和全区平均之差叫离差）、温度振幅离差分布图（各小区变率和全区平均变率之差叫振幅离差）以及其他要素的等离差分布图和等振幅离差分布图，然后把各个离差未超过定振幅的区域分别标上特殊记号，将各图重叠，求出各要素未超过定振幅的几个点，从这些点中综合考虑社会情况（如交通条件、居民点等）、地形、土壤、林分组成等，最后确定最有代表性的观测点。应当指出，定位观测点的选择一定要与研究目的结合起来，研究对象不同，考虑因素也不完全一样，必须选择对观测项目起主导或决定性作用的那些因素，对次要因素可不考虑。

2.观测项目的确定

要根据研究目的来确定项目，也要从实际出发，考虑人力物力条件。但是，因为是长期定位观测，应尽可能包括项目多些。

森林小气候定位观测项目主要有：

（1）气象要素的观测：主要有太阳辐射、热量平衡、土温、气温、湿度、蒸发、降水风、云、气压、日照、CO₂浓度、天气现象等。

（2）水文观测：地下水及动态、地表径流、渗漏水、土壤湿度、林木蒸散、林木及地被物含水率、土壤冻结等。

（3）土壤理化性质测定：土壤容重、比重、孔隙度、结构、组成、pH值和土壤渗透强度测定等。

（4）物候观测：主要林木不同生育期的观测如树液流动、出芽、放叶、开花、结实等。

（5）林木气象灾害观测：风倒、风折、冻拔、日灼、霜冻、雪折、雾凇，旱涝、雷击等。

3.观测场内仪器布设

森林小气候定位观测场仪器正确位置对观测记录代表性和准确性影响很大。为了使观测值真正有代表性，应遵守下面原则：

（1）观测场内不能破坏植被情况，林内必须保持原始状态。

（2）多点观测仪器要分别安装在有代表性的地方，使其观测结果能反应平均情况。

（3）仪器安装高度与一般气象站相同。林内设置梯度观测塔时，其高度以森林特征高度为准，即林冠上下、灌木层平均高、草本植物顶等等。

（4）把主要要素集中在一个区内进行，其他一些项目可在区外进行。

主要观测区内设置项目如温、湿、风、辐射、梯度观测塔等。场地大小可取10m×10m，四周最好用铁丝网围栏。仪器安置顺序由北向南，从高到矮可参照气象站的布置。

4.观测时间和程序

森林小气候定位观测，可每天在地方平均时08、14和20时进行。交通不便地区可每天2次观测，即08和14时。尽量用自记及遥控仪器，以便获得更多资料。

观测程序根据研究目的和观测项目多少来定，可参考气象站观测顺序进行。观测程序和时间定下来后，就不能随意改变。

5.做好记录初步整理

日观测手簿、月报表和年报表可参照气象站用表，只是观测项目在森林小气候定位观测中更多更复杂，故要加以补充。观测员要及时做好报表，分析员则要根据观测资料作初步整理，并以一定方法作出规定的非定期或专业预报，如火险预报、霜冻预报等等。也为林业生产，科研和教学提供一定服务和资料。