三江平原佳木斯草溫和雪溫變化分析

呂紅玉　張宏茹　李文?！∥河?/p>

摘要利用2007～2011年佳木斯逐日草溫、雪溫、0 cm地溫、氣溫資料，研究草溫和雪溫變化規(guī)律。結(jié)果表明，近5年佳木斯年平均草溫和雪溫分別為5.7和-11.7 ℃，草溫最高出現(xiàn)在夏季，雪溫在春季；1年中5～10月觀測(cè)草溫，其他季節(jié)雪溫和草溫交替觀測(cè)，月平均草溫最高在7月，雪溫在4月，最低均出現(xiàn)在1月；1 d中草溫和雪溫的最大值均出現(xiàn)在12：00，到次日日出前后出現(xiàn)最小值。草溫和雪溫各季晴天時(shí)日較差最大，且明顯大于氣溫日較差；月平均草溫（或雪溫）與氣溫、地溫變化趨勢(shì)基本一致，草溫和雪溫與氣溫、地溫呈明顯的正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.990、0.999。

關(guān)鍵詞草溫；雪溫；0 cm地溫；氣溫；變化特征；佳木斯

中圖分類號(hào)S162.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）12-03659-04

作者簡(jiǎn)介呂紅玉（1970-），女，黑龍江寶清人，高級(jí)工程師，從事地面、酸雨、生態(tài)氣象等研究。

自1968年起，儀器和觀測(cè)方法委員會(huì)開始收集儀器開發(fā)信息和業(yè)務(wù)化經(jīng)驗(yàn)，在技術(shù)會(huì)議期間會(huì)舉辦氣象儀器展覽，展出廠家最新開發(fā)的產(chǎn)品[1]。自動(dòng)氣象站傳感器可達(dá)到業(yè)務(wù)要求的準(zhǔn)確度，2007年佳木斯國(guó)家基準(zhǔn)站新增了草溫（或雪溫）傳感器，進(jìn)行草溫或雪溫觀測(cè)。由于近地面層的氣象要素存在空間分布的不均勻性和時(shí)間變化上的脈動(dòng)性，因此下墊面溫度觀測(cè)包括裸露土壤表面的地面溫度、草溫（或雪溫）[2]。近年來，許多學(xué)者對(duì)草溫（雪溫）、地溫、氣溫及其之間關(guān)系進(jìn)行了研究，并取得了一些成果[3-7]。如趙艷玲等研究指出草溫在夜間比地面溫度低，在秋冬季更容易達(dá)到0 ℃以下，草溫能更好地反映出形成霜的溫度變化過程[5]；周曉香等研究發(fā)現(xiàn)草溫與地面溫度為正相關(guān)，草溫在不同季度的升溫和降溫速度與地面溫度不一致[6-8]。佳木斯自1948年建站以來，已經(jīng)積累了60多年地溫和氣溫資料，筆者利用2007～2011年佳木斯逐日草溫、雪溫、0 cm地溫、氣溫資料，通過分析草溫、雪溫與0 cm地溫、氣溫間變化關(guān)系，進(jìn)一步了解草溫和雪溫的變化規(guī)律，對(duì)判斷天氣現(xiàn)象（如露、霜）很有意義[9]。

1 資料與方法

在沒有積雪的季節(jié)，依據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》儀器安裝的規(guī)定人工站地面0 cm地溫表安放在地溫場(chǎng)內(nèi)，草溫傳感器安裝在地溫場(chǎng)西側(cè)，氣溫安裝在百葉箱內(nèi)[2] 。在冬季，降雪后人工站地面0 cm溫度表安放在雪面上；當(dāng)積雪淹沒草層，草溫觀測(cè)轉(zhuǎn)換為雪溫觀測(cè)。

在此使用2007～2011年三江平原佳木斯國(guó)家基準(zhǔn)氣候站（130°18′E、46°47′N）逐日人工站地面0 cm溫度、草溫、雪溫、氣溫觀測(cè)資料，經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制得到原始數(shù)據(jù)，符合氣象探測(cè)環(huán)境和《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》的要求，數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確、真實(shí)。按12月～次年2月為冬季、3～5月為春季、6～8月為夏季、9～11月為秋季生成逐季序列以及年序列，通過變溫、變率、相關(guān)、回歸分析草溫和雪溫的變化規(guī)律，以及與其他氣象要素的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1草溫和雪溫變化特征分析

2.1.1 年和季變化。由表1可知，佳木斯2007～2011年平均草溫為5.7 ℃，年平均雪溫為-11.7 ℃；季平均草溫在夏季最高，為23.9 ℃，春季次之，為7.8 ℃，秋季為5.9 ℃，冬季草溫最低，為-14.4 ℃；雪溫在夏季沒有出現(xiàn)，春季平均雪溫最高，為-5.1 ℃，秋季次之，為-11.5 ℃，冬季雪溫最低，為-18.5 ℃。

2.1.2 月變化。由圖1可知， 一年中5～10月沒有降雪全部觀測(cè)草溫，2月積雪淹沒草層全部進(jìn)行雪溫觀測(cè)，其他月草溫和雪溫交替觀測(cè)，雪溫比同季節(jié)的草溫低。佳木斯月平均草溫變化范圍為-18.0～25.1 ℃，月平均草溫最高出現(xiàn)在7月，為25.1 ℃，月平均草溫最低出現(xiàn)在1月，為-18.0 ℃；月平均雪溫變化范圍為-0.1～-20.0 ℃，月平均雪溫最高出現(xiàn)在4月，為-0.1 ℃，月平均雪溫最低出現(xiàn)在12和1月，為-20.0 ℃。采用變溫（當(dāng)月草面溫度-上月草面溫度）來說明草溫月變化幅度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4～6月草溫呈升高趨勢(shì)，其中4月變溫最大，為8.8 ℃；9月～次年1月草溫呈下降趨勢(shì)，其中11月變溫最大，為-11.0 ℃，這是由于秋季受蒙古冷高壓影響，深秋多東北風(fēng)，時(shí)有寒潮發(fā)生，這與王琳琳等研究石景山站草面溫度變化特征分析相一致[10]。

由佳木斯2007～2011年11月～次年4月平均積雪深度和雪溫實(shí)際觀測(cè)日期（表2）可以看出，佳木斯11月中、下旬開始降雪，月平均積雪深度2.9 cm，在2009年11月14日和2010年11月12～13日降雪量大，造成積雪淹沒草層，轉(zhuǎn)換為雪溫觀測(cè)。隨著季節(jié)變化，氣溫逐步下降，冬季積雪融化圖12007～2011年佳木斯草溫和雪溫月變化慢，隨著降雪量的增加，12月平均積雪深度逐步增加至8.4 cm，觀測(cè)員應(yīng)隨時(shí)巡視積雪深度變化，保證雪溫傳感器一半密貼雪中一半露在雪面。1和2月平均積雪深度達(dá)17.2和18.5 cm，1月大部分時(shí)間和2月份全部時(shí)間均觀測(cè)雪溫，3月隨著氣溫上升，積雪開始融化，如果露出草層應(yīng)轉(zhuǎn)為草溫觀測(cè)，所以在初春、初冬季節(jié)，隨時(shí)注意早溫和雪溫觀測(cè)的轉(zhuǎn)換。

2.1.3 日變化。利用佳木斯2007～2011年逐時(shí)草溫和雪溫資料分析發(fā)現(xiàn)草溫和雪溫日變化基本一致（圖2），草溫和雪溫的最大值均出現(xiàn)在12：00，以后溫度逐漸下降到次日日出前后出現(xiàn)最小值。由草溫日變化曲線可以看出，05：00～11：00草面溫度呈升高趨勢(shì)，其中06：00～10：00升幅較大，這是由于日出后隨著太陽高度的升高，太陽直接輻射和散射輻射逐步增加[11-13]，草層由于吸收的熱量大于草面所支出的熱量，輻射差額為正，使草面升溫，08：00變溫最大，為3.94 ℃；13：00～次日03：00草面溫度呈下降趨勢(shì)，其中15：00～19：00降幅較大，16：00變溫最大，為-2.87 ℃，21：00～次日03：00降幅較為平緩，04：00變溫最小，為0 ℃，這是由于午后太陽輻射的進(jìn)一步減弱，草層所吸收能量逐漸減少，草溫逐步下降，到日出前后，草層由于草面水汽凝結(jié)所收入的熱量與草面所支出的熱量接近平衡，使草面溫度變化平緩[14]。比較草溫和氣溫日變化曲線可以看出，夜間草溫比氣溫低，在日出后06：00左右草溫和氣溫基本相同，草溫比氣溫升溫速度快，在11：00～12：00，草溫比氣溫高出8.0 ℃，午后草溫逐漸下降，在17：00左右草溫和氣溫基本一致，隨后草溫快速下降，草溫比氣溫低2.1～2.9 ℃。

由雪面溫度日變化曲線（圖2）可以看出，08：00～12：00雪溫呈升高趨勢(shì)，其中08：00～11：00升幅較大，09：00變溫最大，為5.63 ℃， 03：00～次日03：00雪面溫度呈下降趨勢(shì)，其中14：00～18：00降幅較大，16：00變溫最大，為-4.03 ℃，雪溫降溫速度比草溫快；20：00～次日06：00降幅較為平緩，04：00～06：00變溫最小，為-0.01 ℃。比較雪溫和氣溫日變化曲線可以看出，夜間雪溫比氣溫低，這是由于積雪層相當(dāng)于土壤和空氣之間的一個(gè)圖22007～2011年佳木斯草溫、雪溫和氣溫日變化42卷12期呂紅玉等三江平原佳木斯草溫和雪溫變化分析絕熱層，使雪溫迅速下降，在04：00～06：00雪面溫度變化才平緩[15-17]；在08：00左右雪溫和氣溫基本相同，雪溫傳感器一半裸露在空氣中，受太陽直接輻射的影響，比氣溫升溫速度快，在11：00～12：00雪溫比氣溫高出5.8 ℃，午后雪溫逐漸下降，在15：00左右雪溫和氣溫基本一致，隨后雪溫繼續(xù)下降，比氣溫低-4.1～-4.8 ℃。

將2007～2011年逐時(shí)草溫（或雪溫）資料分晴天、多云、陰天、雨天，以1、4、7、10月代表冬、春、夏、秋季，給出各季不同天氣狀況時(shí)雪溫、草溫和氣溫極值日變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表3）。由表3可見，草溫和雪溫各季晴天時(shí)日較差最大，云越多日較差越小，雨天日較差最小，與氣溫變化一致；晴天時(shí)草溫夏季日較差最大，為34.1 ℃。最高草面溫度在一年四季比氣溫高，最低雪面溫度比氣溫低，草溫和雪溫日較差明顯大于氣

2.2 草溫、雪溫與氣溫、地面0 cm溫度關(guān)系分析

2.2.1草溫（或雪溫）、氣溫、地面0 cm溫度的變化特征。由圖3可見，2007～2011年佳木斯月平均草溫（或雪溫）與氣溫、人工站地面0 cm溫度變化趨勢(shì)基本一致[16]，年平均人工站地面0 cm地溫（5.2 ℃）>草溫和雪溫（4.6 ℃）>氣溫（4.1 ℃）。從季節(jié)分析，草溫（或雪溫）與氣溫的季平均值絕對(duì)差值夏季最大、冬季次之、秋季最小，這是由于夏季人工站0 cm地溫傳感器在土壤表面，太陽直接輻射地面溫度表升溫速度快，但也會(huì)有相當(dāng)大的輻射誤差[14]；草溫傳感器放置于草面或草層中（草高6～10 cm），植物覆蓋草溫傳感器使其溫度變化減小，造成人工站地面0 cm地溫變化大于草面溫度，而氣溫傳感器放置在離地1.5 m高度處的百葉箱內(nèi)（防止太陽對(duì)儀器的直接輻射和地面對(duì)儀器的反射輻射），所以夏季草溫比地面溫度變化小，比氣溫變化大；冬季雪溫傳感器放置在雪面上，由于雪面對(duì)太陽輻射的反輻射作用很強(qiáng)，雪的導(dǎo)熱率小，積雪層就相當(dāng)于土壤和空氣之間的一個(gè)絕熱層，所以雪溫比它上面的空氣溫度低，也比裸露土壤表面及雪下土壤表面的溫度低[10]。冬季人工站地面0 cm地溫和雪溫傳感器均放置在雪面上，所以冬季雪溫和地面0 cm地溫變化基本一致。春秋季節(jié)草溫變化與氣溫和地面溫度變化相一致，季平均值絕對(duì)差值最小。

圖32007～2011年佳木斯草溫、雪溫、氣溫、地面溫度月變化2.2.2 草溫（或雪溫）與氣溫的關(guān)系。利用佳木斯2007～2011年逐日平均草溫（或雪溫）與日平均氣溫進(jìn)行回歸分析（圖4a），得到線性回歸方程為：Y=0.884 7X+1.183，式中，Y為逐日平均草溫（或雪溫），X為當(dāng)日的日平均氣溫，其相關(guān)系數(shù)0.990，說明二者呈明顯的正相關(guān)，氣溫越高，草溫和雪溫也越高。年平均草溫比氣溫高0.5 ℃，從季節(jié)分析，草溫（或雪溫）與氣溫的季平均值之差，夏季相差最大，為2.3 ℃，冬季次之，為-1.9 ℃，春季為1.5 ℃，秋季相差最小，為0.3 ℃。

圖42007～2011年佳木斯日平均草溫（或雪溫）與氣溫（a）和地溫（b）線性擬合2.2.3 草溫、雪溫與地溫的關(guān)系。利用佳木斯2007～2011年逐日平均草溫（或雪溫）與逐日平均人工站地面0 cm溫度進(jìn)行回歸分析（圖4b），得到線性回歸方程為：Y=0.934 6X-0.397 9，式中，Y為逐日平均草溫（或雪溫），X為當(dāng)日的日平均地溫，其相關(guān)系數(shù)為0.999，說明二者呈明顯的正相關(guān)，人工站地面溫度越高，草溫（或雪溫）也越高。年平均草溫比人工站地面0 cm地溫低-0.6 ℃，從季節(jié)分析，草溫比人工站地面0 cm地溫的季平均值夏季相差最大，為-2.1 ℃，秋季次之，為-0.7 ℃，冬季為0.6 ℃，春季相差最小，為-0.2 ℃。利用2007～2011年02：00、08：00、14：00、20：00草溫、雪溫與同時(shí)間人工站地面0 cm地溫比較分析（表4），發(fā)現(xiàn)草溫在08：00與地溫相差最大，比地溫高4.2 ℃，14：00次之，20：00與地面溫度一致；雪溫在08：00與地溫相差最大，比地溫高2.0 ℃，14：00次之，02：00與地面溫度一致。

3小結(jié)

（1） 2007～2011年佳木斯觀測(cè)資料表明， 佳木斯草溫年平均為5.7 ℃，雪溫年平均為-11.7 ℃。季平均草溫在夏季最高、春季次之、冬季最低；雪溫在夏季沒有出現(xiàn)，春季平均雪溫最高，秋季次之，冬季最低。一年中5～10月份沒有降雪全部觀測(cè)草溫，2月積雪淹沒草層全部進(jìn)行雪溫觀測(cè)，其他季節(jié)是雪溫和草溫交替觀測(cè)，雪溫比同期的草溫低。佳木斯月平均草溫變化范圍為-18.0～25.1 ℃，月平均草溫最高出現(xiàn)在7月，最低出現(xiàn)在1月；月平均雪溫變化范圍為-0.1～-20.0 ℃，月平均雪溫最高出現(xiàn)在4月，最低出現(xiàn)在12和1月。

（2） 草溫和雪溫日最大值均出現(xiàn)在12：00，以后溫度逐漸下降到次日日出前出現(xiàn)最小值。草溫和雪溫在晴天時(shí)日較差最大，云越多日較差越小，雨天日較差最小；最高草面溫度在一年四季比氣溫高，最低比氣溫低，草溫和雪溫日較差明顯大于氣溫的日較差。

（3）月平均草溫（或雪溫）與氣溫、人工站地面0 cm溫度變化趨勢(shì)基本一致，從季節(jié)分析夏季草溫比地面溫度變化小，比氣溫變化大；冬季雪溫比它上面的空氣溫度低，也比裸露土壤表面及雪下土壤表面的溫度低；冬季人工站地面地溫和雪溫變化基本一致；春秋季節(jié)草溫變化與氣溫和地面溫度變化相一致，季平均值絕對(duì)差值最小。形成差異的主要原因是近地面層傳感器和溫度表安裝高度、不同下墊面、儀器不同等造成的。

（4）草溫、雪溫與氣溫、人工站地面0 cm地溫呈明顯的正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.990、0.999，氣溫和地面溫度越高，草溫和雪溫也越高。夜間草溫比氣溫低，在日出后06：00、17：00左右草溫和氣溫基本相同，夜間草溫比氣溫低2.1～2.9 ℃；夜間雪溫比氣溫低-4.1～-4.8 ℃，在08：00、15：00左右雪溫和氣溫基本相同，11：00～12：00雪溫比氣溫高出5.8 ℃。草溫在08：00與地溫相差最大， 20：00與地面溫度一致；雪溫在08：00與地溫相差最大，02：00與地面溫度一致。

（5）夏季草溫傳感器的下墊面植被的性質(zhì)、高度以及傳感器在草面、草中的位置、太陽直接輻射傳感器、溫度表等原因是否對(duì)草溫、地溫觀測(cè)數(shù)據(jù)帶來誤差影響，以及這些影響的大小有待進(jìn)一步研究。另外，草溫觀測(cè)場(chǎng)要求草高小于10 cm，冬季積雪淹沒草層就開始雪溫觀測(cè)，此時(shí)草高也許在1～10 cm，造成每年可能積雪深度不一，雪溫觀測(cè)高度也不一就開始雪溫觀測(cè)，這些影響將帶來多大偏差，也有待進(jìn)一步研究。建議對(duì)草溫傳感器多層安裝、各種植被安裝、冬季雪深不同高度安裝進(jìn)行對(duì)比分析，得出儀器安裝的正確方法，減少因下墊面植被和儀器安裝錯(cuò)誤帶來的誤差。

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