摘 要：為了解朔州市6個(gè)區(qū)縣淺層地溫變化規(guī)律與地溫氣溫之間的關(guān)系，并更好地為大田作物地溫預(yù)報(bào)服務(wù)，保障糧食生產(chǎn)安全，利用朔州市6個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)1991—2020年近30年逐月0、5、10、20 cm淺層地溫及氣溫?cái)?shù)據(jù)，分析地溫和氣溫的年變化、月均變化規(guī)律，進(jìn)一步建立朔州市春播期（4、5月）地溫預(yù)報(bào)模型并進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證模型的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：淺層地溫；預(yù)報(bào)；模型研究

中圖分類號(hào)：S165 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）10–0-03

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，水、肥、氣、光、溫等因素會(huì)直接影響作物的生長(zhǎng)，決定作物最終的產(chǎn)量[1-3]。氣溫和地溫都是影響糧食作物生長(zhǎng)和收成的重要因素，只有在合適的溫度條件下，作物才能生根發(fā)芽，植株健壯生

長(zhǎng)[4]。特別是地溫，農(nóng)作物播種后，種子發(fā)芽要求地溫高于一定的數(shù)值[5-6]。在實(shí)際生產(chǎn)中，種子播種深度一般＜10 cm，地溫指的是地表以下10 cm深處的溫度。在研究農(nóng)作物生長(zhǎng)情況時(shí)，往往只觀測(cè)地表5、10、15、20 cm的數(shù)值[7]。地溫不僅與氣溫相關(guān)，還與太陽(yáng)輻射、各層土壤濕度、風(fēng)速等氣象要素息息相關(guān)。在朔州市，春季播種的氣象條件通常較為適宜，滿足農(nóng)作物的生長(zhǎng)需求。將主要探討地溫與氣溫之間的關(guān)系，分析其變化規(guī)律，并建立地溫預(yù)測(cè)模型，為朔州市農(nóng)作物的春季種植和耕作提供參考，確保糧食豐收。

1 資料和方法

選取朔州市1991—2020年逐月氣溫、0、5、10、20 cm

地溫觀測(cè)資料。

2 研究方法

利用朔州市6個(gè)區(qū)縣國(guó)家基本氣象站1991—2020年4—10月逐月地溫和氣溫?cái)?shù)據(jù)，運(yùn)用氣候傾向率、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法，研究近30年來(lái)0～20 cm地溫和氣溫的變化規(guī)律，并建立氣溫影響下的春播期4、5月地溫預(yù)報(bào)模型，用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證模型的實(shí)

用性。

3 結(jié)果與分析

3.1 地溫和氣溫的年代際變化

對(duì)1991—2020年朔州市不同土層深度4—10的月數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從表1可以看出，1991—2010年，21世紀(jì)10年代較21世紀(jì)00年代氣溫上升0.2 ℃，21世紀(jì)00年代較20世紀(jì)90年代上升0.5 ℃。年代際平均氣溫與各土層溫度均呈上升趨勢(shì)，21世紀(jì)00年代升溫幅度更明顯，氣溫的變化導(dǎo)致地溫的變化也更明顯。

表1" 1991—2020年朔州地溫和氣溫均值的年代際變化" " " " " " " " " " " " " " " " " ℃

年代 氣溫 0 cm地溫 5 cm地溫 10 cm地溫 20 cm地溫

20世紀(jì)90年代 15.6 18.8 17.1 16.7 16.7

21世紀(jì)00年代 16.1 19.4 18 17.6 17.2

21世紀(jì)10年代 16.3 19.9 18.4 18.2 17.8

21世紀(jì)00年代與20世紀(jì)90年代差 0.5 0.6 0.9 0.9 0.5

21世紀(jì)10年代與21世紀(jì)00年代差 0.2 0.5 0.4 0.6 0.6

3.2 地溫和氣溫的年變化

從1991—2020年朔州市地溫和氣溫逐年變化（圖1）可知，氣溫和地溫的變化趨勢(shì)基本保持一致，整體呈現(xiàn)起伏上揚(yáng)的波動(dòng)趨勢(shì)。1995、2000、2003、2008、2017年是0～20 cm土層異常偏低年份，與年平均氣溫的變化趨勢(shì)相吻合。土壤表面至20 cm地溫呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)，這對(duì)朔州市的作物種植結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響。隨著土壤深度的增加，氣溫和地溫之間表現(xiàn)出遞減的關(guān)系，20 cm深度時(shí)兩者之間的差異最小，僅為1.3 ℃。氣溫和各深度土層地溫的氣候傾向率在0.3～0.68變動(dòng)，每10年變化一次。

3.3 地溫的月際變化

從1991—2020年4—10月朔州市地溫月均變化趨勢(shì)（圖2）可以看到，各層土壤溫度的變化規(guī)律大致相同，從4月開始逐漸上升，直至7月達(dá)到峰值，隨后在10月降至最低點(diǎn)。觀察曲線可以發(fā)現(xiàn)，9月與10月之間各深度土層的溫度出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，0 cm地溫由高峰轉(zhuǎn)為低谷，這種特殊現(xiàn)象與太陽(yáng)輻射和土壤導(dǎo)熱規(guī)律密切相關(guān)。0 cm地溫與氣溫關(guān)聯(lián)最緊密，降溫速度最快且影響最直接，而對(duì)5、10和20 cm地溫的影響則存在滯后效應(yīng)。從月份變化的角度來(lái)看，10月各深度的溫度會(huì)有所差異，其中，20 cm地溫最高，而0 cm地溫最低。

圖1" 1991—2020年朔州市地溫和氣溫的年變化

圖2" 1991—2020年4—10月朔州市地溫的月均變化

3.4 氣溫和地溫突變分析

對(duì)1991—2020年4—10月朔州市逐年氣溫和0～20 cm

地溫進(jìn)行突變分析，分別采用M-K和滑動(dòng)t檢驗(yàn)2種方法進(jìn)行檢驗(yàn)分析。從檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，M-K突變檢驗(yàn)地溫和氣溫的突變年份有所不同。氣溫M-K檢驗(yàn)突變點(diǎn)在1999年，而滑動(dòng)t檢驗(yàn)這一年份沒(méi)有超過(guò)臨界值。地溫中除0 cm突變點(diǎn)不一致外，其他土層從M-K檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，突變點(diǎn)均發(fā)生在2003年前后，而滑動(dòng)t檢驗(yàn)5～20 cm土層在2004年前后超過(guò)了臨界值。

3.5 地氣溫差的地理分布

地氣溫差是指相同地點(diǎn)地溫和氣溫的差值，4—5月朔州市正值春播期，凍土解凍，地溫回升，地溫一般情況下要高于氣溫，但個(gè)別站點(diǎn)地溫低于氣溫，導(dǎo)致差值有正有負(fù)，故經(jīng)過(guò)絕對(duì)值處理后可以更加直觀地分析地氣溫的差值變化。

從0 cm地氣溫差值來(lái)看，4月差值小于5月，說(shuō)明

0 cm地溫不斷升高，地氣溫差值增大。從5～20 cm地氣溫差值來(lái)看，5月地氣溫差值增大，差值較大地區(qū)主要集中在北部（表2）。總體來(lái)看，0、5、10 cm地氣溫差變化過(guò)程基本一致，西部、西南部地氣溫差較小，北部差值較大。而20 cm地溫因土較厚，升溫有滯后性，20 cm地氣溫差值與0、5、10 cm地氣溫差值變化過(guò)程有所不同。

表2" 1991—2020年朔州不同深度地氣溫差的絕對(duì)值" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " ℃

站點(diǎn) 0 cm 5 cm 10 cm 20 cm

4月 5月 4月 5月 4月 5月 4月 5月

朔城區(qū) 2.7 3.9 0.5 1.6 0.1 0.8 0.9 0.1

山陰 2.9 4.0 0.7 1.6 0.2 0.9 0.7 0.0

應(yīng)縣 3.5 4.4 1.1 1.6 0.7 1.0 0.1 0.1

平魯 2.8 3.9 0.7 1.4 0.0 0.6 1.0 0.2

右玉 3.5 4.7 1.7 2.6 1.2 2.0 0.1 0.9

懷仁 3.4 4.4 1.1 1.9 0.5 1.0 0.1 0.7

3.6 春播期地溫預(yù)報(bào)模型

在朔州市，4月和5月是大田農(nóng)作物的主要播種季節(jié)，因此，春季播種期地溫預(yù)報(bào)模型根據(jù)該市的6個(gè)區(qū)縣進(jìn)行劃分，共涉及6組模型。每組預(yù)報(bào)模型進(jìn)一步基于不同月份和土層深度進(jìn)行劃分，共8個(gè)預(yù)報(bào)模型。利用各區(qū)縣的氣溫和地溫?cái)?shù)據(jù)，建立了針對(duì)不同土層深度地溫的預(yù)測(cè)模型（表3）。

表3" 1991—2020年朔州市4月和5月不同土層深度地溫預(yù)報(bào)模型

月份 距地表深度 朔城區(qū) 山陰 應(yīng)縣 平魯 懷仁 右玉

4 0 cm Y=3.162+0.93X Y=4.081+0.89X Y=3.937+0.96X Y=3.541+0.90X Y=3.791+0.95X Y=3.304+1.02X

5 cm Y=1.122+0.92X Y=1.601+0.91X Y=1.939+0.92X Y=2.173+0.81X Y=1.847+0.93X Y=1.895+0.97X

10 cm Y=0.855+0.89X Y=1.477+0.87X Y=1.876+0.89X Y=1.535+0.81X Y=1.787+0.87X Y=1.696+0.92X

20 cm Y=1.127+0.78X Y=1.751+0.76X Y=2.385+0.79X Y=1.354+0.70X Y=1.671+0.85X Y=0.967+0.84X

5 0 cm Y=-0.829+1.27X Y=-2.780+1.38X Y=-1.444+1.33X Y=-5.392+1.62X Y=-0.065+1.25X Y=1.194+1.24X

5 cm Y=1.095+1.02X Y=-4.633+1.35X Y=-0.653+1.12X Y=-4.017+1.37X Y=-2.191+1.23X Y=0.514+1.14X

10 cm Y=-0.105+1.04X Y=-4.469+1.30X Y=-1.220+1.12X Y=-3.510+1.28X Y=-1.064+1.12X Y=0.704+1.08X

20 cm Y=-1.918+1.11X Y=-1.491+1.08X Y=2.370+0.87X Y=-2.700+1.17X Y=-1.989+1.15X Y=0.024+1.05X

注：Y為4月和5月不同土層深度地溫，X為4月和5月氣溫，單位均為℃。

將2022—2023年4月、5月各區(qū)縣氣溫分別代入預(yù)報(bào)模型，得到不同土層氣溫影響下的地溫?cái)?shù)據(jù)預(yù)測(cè)值，并根據(jù)模型準(zhǔn)確率計(jì)算，回代檢驗(yàn)與實(shí)況差異（表4）?？梢钥闯?，準(zhǔn)確率最低的是山陰2022年4月10 cm預(yù)報(bào)模型（75.8%），最高的是懷仁2022年5月0 cm預(yù)報(bào)模型（99.7%），總體來(lái)看，基于關(guān)鍵因子氣溫的預(yù)報(bào)模型對(duì)不同土層地溫的預(yù)報(bào)效果良好，可以投入業(yè)務(wù)應(yīng)用。

模型準(zhǔn)確率/%=1-×100

表4" 2022—2023年朔州市4—5月不同土層深度地溫預(yù)報(bào)模型回代檢驗(yàn)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率 %

年份 距地表深度 4月 5月

朔城區(qū) 山陰 應(yīng)縣 平魯 懷仁 右玉 朔城區(qū) 山陰 應(yīng)縣 平魯 懷仁 右玉

2022 0 cm 92.3 91.1 93.0 83.8 96.3 98.5 95.2 93.3 93.2 99.3 99.7 96.1

5 cm 87.2 83.2 97.8 84.2 94.9 89.0 98.0 93.7 97.3 99.5 98.3 97.7

10 cm 89.3 75.8 83.5 83.0 82.1 85.7 94.6 97.8 98.0 91.0 95.4 98.3

20 cm 92.4 93.4 94.2 88.8 82.7 92.4 94.1 97.2 99.0 98.1 97.2 90.7

2023 0 cm 95.0 89.5 98.2 80.1 99.5 84.0 98.9 92.3 99.1 94.9 95.8 97.4

5 cm 93.1 96.2 97.6 81.0 88.4 93.4 99.1 94.2 96.6 98.2 97.5 95.2

10 cm 99.4 83.1 93.0 81.4 89.2 99.2 98.2 99.6 95.2 93.6 98.3 91.3

20 cm 89.3 93.1 94.7 84.8 86.1 88.2 96.9 99.8 94.8 99.6 95.5 85.3

4 結(jié)論

（1）氣溫和地溫變化趨勢(shì)基本一致，曲線整體呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)；地溫0～20 cm呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)，氣溫與地溫之間隨著地層的厚度呈現(xiàn)遞減的關(guān)系。4—10月地溫平均值從4月開始逐漸上升，7月達(dá)到峰值，隨后在10月降至最低點(diǎn)。9月與10月之間各深度土層的溫度出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，0 cm地溫由高峰轉(zhuǎn)為低谷，從月份變化的角度來(lái)看，10月各深度的溫度會(huì)有所差異，其中，20 cm地溫最高，而0 cm地溫最低。

（2）M-K突變檢驗(yàn)地溫和氣溫的突變年份有所不同。氣溫M-K檢驗(yàn)突變點(diǎn)在1999年，而滑動(dòng)t檢驗(yàn)這一年份沒(méi)有超過(guò)臨界值。地溫中除0 cm突變點(diǎn)不一致外，其他土層從M-K檢驗(yàn)結(jié)果看，突變點(diǎn)均發(fā)生在2003年前后，而滑動(dòng)t檢驗(yàn)表明5～20 cm土層在2004年前后超過(guò)了臨界值，較為一致。

（3）從0 cm地溫差值來(lái)看，4月差值小于5月，說(shuō)明

0 cm地溫不斷升高，地氣溫差值增大。從5～20 cm地氣溫差值來(lái)看，5月地氣溫差值增大，差值較大地區(qū)主要集中在北部?？傮w來(lái)看，0、5、10 cm地氣溫差變化過(guò)程基本一致，西部、西南部地氣溫差較小，北部差值較大。而20 cm地溫因土較厚，升溫有滯后性，20 cm地氣溫差值與0、5、10 cm地氣溫差值變化過(guò)程有所不同。

（4）建立了基于關(guān)鍵因子氣溫的預(yù)報(bào)模型，實(shí)測(cè)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，總體模型準(zhǔn)確率相對(duì)較高，對(duì)不同土層地溫的預(yù)報(bào)效果良好，可以投入業(yè)務(wù)應(yīng)用。但對(duì)地溫預(yù)報(bào)的研究?jī)H考慮了氣溫，較為單一，還需要考慮光照、降水、干旱災(zāi)害等因素，才能更好地為提高糧食產(chǎn)量提供參考。

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收稿日期：2024-06-19

作者簡(jiǎn)介：王文娟（1986—），女，山西朔州人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榫C合氣象觀測(cè)及為農(nóng)氣象服務(wù)。