文登市地面溫度與氣溫的關(guān)系分析

孫鵬鵬 周浩亮 許可 叢源

摘要

運(yùn)用氣象統(tǒng)計(jì)學(xué)和氣候?qū)W的原理和方法，分析文登市地面氣象觀測站1981～2010年的逐月及逐日平均地面溫度及氣溫資料，建立了以氣溫為基礎(chǔ)的地溫預(yù)測模型，并探索地氣溫差的年變化規(guī)律。結(jié)果表明，1981～2010年文登市年平均地氣溫差為2.1 ℃，農(nóng)作物生長季（3～11月）平均地氣溫差為2.8 ℃;地氣溫差以6月上中旬最大，12月中下旬最小。

關(guān)鍵詞 地面溫度;氣溫;關(guān)系模型;文登市

中圖分類號(hào) S161.2 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A ?文章編號(hào) 0517-6611（2015）03-259-02

作者簡介

孫鵬鵬（1983-），女，山東威海人，助理工程師，從事氣象業(yè)務(wù)工作。

收稿日期 20141211

地面溫度也叫0 cm溫度，是裸露土壤表面的溫度，即大氣與地表結(jié)合部的溫度。而氣溫是表示大氣冷熱程度的物理量^[1]。地面氣象觀測中測定的氣溫是離地面1.50 m高度處的溫度，脫離了局部地表的影響。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中，經(jīng)常用到地溫資料。地溫的高低對近地面氣溫和植物的種子發(fā)芽及其生長發(fā)育、微生物的繁殖及其活動(dòng)有很大影響。地溫資料對農(nóng)、林、牧業(yè)的區(qū)域規(guī)劃有重大意義，但目前獲取地溫的唯一途徑就是實(shí)地觀測，而地溫與氣溫有著直接的依賴關(guān)系。如果能用通風(fēng)干濕表觀測得到的氣溫估算地溫，或利用中長期天氣預(yù)報(bào)的氣溫準(zhǔn)確地估算地溫，對于調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、合理安排播期、預(yù)測作物生長發(fā)育和科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理實(shí)踐活動(dòng)提供理論指導(dǎo)將具有重要的實(shí)踐意義^[2]。筆者利用氣象統(tǒng)計(jì)學(xué)與氣候?qū)W的原理和方法，分析文登市氣象觀測站1981～2010年多年平均地面溫度和平均氣溫資料，建立以氣溫為基礎(chǔ)的地面溫度模型，并探索地氣溫差的年變化規(guī)律。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

利用文登市氣象觀測站1981～2010年月平均地面溫度、月平均氣溫資料及逐日平均地面溫度、逐日平均氣溫資料，分析1981～2010年多年平均最高最低地、氣溫度及地、氣溫度的月變化幅度，并作出地氣溫差日變化圖。

1.2 研究方法

回歸分析法（regression analysis）是一種處理變量之間相關(guān)關(guān)系的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，它以統(tǒng)計(jì)回歸概念為基礎(chǔ)，采用多種類型的回歸方法建立預(yù)測方程?；貧w分析是最常用的解決地理問題的數(shù)學(xué)分析方法，它主要是用于回答一些定義明確的度量單位的數(shù)值變量之間的關(guān)系問題，探討因變量與自變量之間變動(dòng)的比例關(guān)系，并建立某種回歸模型，根據(jù)自變量給定的值預(yù)測因變量的值，進(jìn)一步揭示地理要素間的相互關(guān)系^[3]。

在此主要選用一元線性回歸方法，表達(dá)式為：

yi=ax+b，

設(shè)y為實(shí)際值，yi為估算值，滿足∑（y-yi）=0;∑（y-yi）²最小;a、b為要確定的系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 地氣溫差的日變化

對地面溫度和氣溫求取多年日平均值，算出地氣溫差。據(jù)1981～2010年日平均資料統(tǒng)計(jì)（圖1），1月14日～11月11日期間地面溫度恒大于氣溫，即地氣溫差>0 ℃;11月13日～次年1月1日期間，地面溫度恒小于氣溫，即地氣溫差<0 ℃;11月12日和1月2～13日期間，出現(xiàn)地面溫度有時(shí)大于氣溫，有時(shí)等于氣溫，也有時(shí)小于氣溫的波動(dòng)情況。文登市日均地面溫度最高值為28.8 ?℃，出現(xiàn)在7月30日，日均氣溫最高值為25.6 ?℃，出現(xiàn)在7月28日;日均地面溫度最低值為-2.5 ℃，出現(xiàn)在1月13日，日均氣溫最低值為-2.6 ℃，出現(xiàn)在1月14日。日平均地氣溫差最大值為4.8 ℃，出現(xiàn)在6月6～7、9～10日，其中5月12日～7月2日地氣溫差較大，這段時(shí)間地氣溫差均≥4.0 ?℃;日平均地氣差最小值為-0.7 ℃，出現(xiàn)在12月10日，其中10月18日～次年2月11日地氣溫差較小，這段時(shí)間地氣溫差≤1.0 ℃。由此可以得出，地氣溫差最大值和最小值比地溫、氣溫的最高值和最低值出現(xiàn)時(shí)間提前，且地面溫度最高值的出現(xiàn)比氣溫最高值的出現(xiàn)有時(shí)間的滯后性。

圖1 ?1981～2010年文登市平均地氣溫差日變化

2.2 地氣溫差的月變化

對地面溫度和氣溫求取多年月平均值，算出地氣溫差。據(jù)1981～2010年月平均資料統(tǒng)計(jì)（表1），3～12月地面溫度和氣溫均為正值，且3～10月地面溫度始終高于氣溫;其中，地面溫度4月比3月升高了8.0 ?℃，5月比4月升高了6.4 ℃，6月比5月升高了5.1 ℃，7月比6月升高了2.1 ℃，8月開始下降;氣溫4月比3月升高了6.6 ℃，5月比4月升高了5.8 ℃，6月比5月升高了4.6 ℃，7月比6月升高了3.2 ℃，8月比7月升高了0.1 ℃，9月開始下降;2～7月地面溫度在上升，2～8月氣溫也在上升，但隨著時(shí)間的推移，上升幅度卻均明顯下降;8月～次年1月地面溫度下降，9月～次年1月氣溫下降。地面溫度8月比7月下降了0.4 ℃，9月比8月下降了4.6 ℃，10月比9月下降了7.2 ℃，11月比10月下降了9.0 ℃，12月比11月下降了6.8 ℃，1月比12月下降了2.3 ?℃，2月溫度回升;氣溫9月比8月下降了4.3 ℃，10月比9月下降了6.1 ℃，11月比10月下降了7.3 ℃，12月比11月下降了6.5 ?℃，1月比12月下降了2.8 ℃，2月也開始回升。

表1 1981～2010年文登市地、氣溫差多年月平均值及地氣溫差月平均值

℃

月份地面溫度氣溫溫差

1-2.2-2.30.1

20.8-0.31.1

36.54.42.1

414.511.03.5

520.916.84.1

626.021.44.6

728.124.63.5

827.724.73.0

923.120.42.7

1015.914.31.6

116.97.0-0.1

120.10.5-0.4

2.3 地溫與氣溫的關(guān)系模型

利用文登市1981～2010年逐月及逐日平均地面溫度和氣溫?cái)?shù)據(jù)，建立地面溫度和氣溫月平均序列、日平均地氣溫序列，并用統(tǒng)計(jì)回歸的方法分別建立地氣溫的關(guān)系模型。由文登市1981～2010年地、氣溫月平均資料得出回歸線性方程為

y=1.13x+0.55（R²=0.991），

地、氣溫逐日的回歸方程為

y=1.13x+0.56（R²=0.991），

式中，y為地面溫度，x為氣溫，月平均回歸系數(shù)和日平均回歸系數(shù)均為1.13。

地、氣溫月平均和逐日平均回歸得到的模擬方程為直線型，為一次線性方程，且斜率>0，回歸系數(shù)相等（圖2）。由此得出，氣溫與地面溫度有較好的相關(guān)性關(guān)系，且呈正相關(guān)的關(guān)系，即地面溫度隨著氣溫的升高而升高，隨著氣溫的降低而降低;相關(guān)系數(shù)均在0.784以上且均通過0.001顯著性檢驗(yàn)，說明地溫與氣溫的變化趨勢具有較好的一致性。

2.4 地氣溫模型的檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)文登市逐月平均地氣溫關(guān)系模型的正確性，選取2009年各月平均氣溫實(shí)測數(shù)據(jù)分別代入公式y(tǒng)=1.13x+0.55，得出2009年各月平均地面溫度的計(jì)算值，并算出該計(jì)算值與各月平均地面溫度實(shí)測值之間的誤差（表2）。

由表2可見，2009年最大絕對誤差為2.2 ℃，出現(xiàn)在6月;最小絕對誤差為0.1 ℃，出現(xiàn)在1、9月;全年平均絕對誤差為0.9 ℃，絕對誤差的均方差為0.7 ℃，方差值不大，說明計(jì)算值與實(shí)測值比較吻合，多年月平均地面溫度的模擬方程較準(zhǔn)確。

圖2 1981～2010年文登市多年月平均（a）和日平均（b）地氣溫關(guān)系

表2 ?2009年文登市多年月平均地面溫度的計(jì)算值與實(shí)測值及誤差

℃

月份計(jì)算值實(shí)測值誤差

1-0.9-1.00.1

22.13.3-1.2

35.47.1-1.7

413.915.8-1.9

521.221.9-0.7

625.427.6-2.2

727.026.70.3

828.328.5-0.2

924.324.20.1

1019.118.30.8

116.95.41.5

120.20.6-0.4

利用2010年逐日平均氣溫實(shí)測數(shù)據(jù)，來檢驗(yàn)多年日平均地氣溫模型的準(zhǔn)確性。將逐日平均氣溫實(shí)測值代入公式y(tǒng)=1.13x+0.56，得出2010年逐日平均地面溫度的計(jì)算值，并算出該計(jì)算值與逐日平均地面溫度實(shí)測值之間的誤差，作出逐日地面溫度計(jì)算值與實(shí)測值的對比圖（圖3）。

圖3 2010年文登市逐日平均地面溫度計(jì)算值與實(shí)測值對比

從圖3可以看出，1月上中旬、5～8月地面溫度的計(jì)算值與實(shí)測值誤差較大，其他時(shí)間誤差較小。一般地氣溫差較大的時(shí)期地溫計(jì)算值與實(shí)測值的誤差也較大，地氣溫差較小的時(shí)期地溫計(jì)算值與實(shí)測值的誤差也較小。全年曲線計(jì)算值與實(shí)測值的吻合程度較好，全年平均絕對誤差為2.2 ℃，

絕對誤差的均方差

為1.5 ℃，說明預(yù)測模型效果較好，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，為滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的需要提供一種工具。

3 結(jié)論

文登市有4/5的時(shí)間日平均地溫一般高于氣溫;1981～2010年年平均地氣溫差為2.1 ℃，農(nóng)作物生長季（3～11月）平均溫差為2.8 ℃;地氣溫差以6月上中旬最大，12月中下

旬最小;氣溫與地面溫度有較好的相關(guān)性，地溫實(shí)測值與預(yù)測值之間的誤差較小。一般情況下，可以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和試驗(yàn)研究的需要。

參考文獻(xiàn)

[1]

中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2003：35-41.

[2] 姜會(huì)飛，廖樹華，葉爾克江，等.地面溫度與氣溫關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2004，25（3）：1-4.

[3] 劉賢趙，張安定，李嘉竹.地理學(xué)數(shù)學(xué)方法[M].北京：科學(xué)出版社，2008：43-44.