遼寧西部春季淺層地溫變化特征及預(yù)報(bào)模型

馬成芝沙 莉張晶丹楊 勁季賀成

(1.遼寧省喀左縣氣象局,遼寧 喀左 122300; 2.遼寧省氣象裝備保障中心,遼寧 沈陽(yáng) 110016; 3.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué),遼寧 沈陽(yáng) 110866)

朝陽(yáng)市地處遼寧省西部,地理坐標(biāo)為東經(jīng)118°50′～121°17′,北緯 40°35′～42°22′,總面積為 19 698 km2,占遼寧省總面積的13.1%,位居全省第一位。氣候條件適宜玉米、高梁、谷子等作物生長(zhǎng)。其中春玉米種植面積最大,玉米總產(chǎn)量占當(dāng)?shù)丶Z豆總產(chǎn)量的85%以上[1],每年種植面積達(dá)26.7萬hm2左右。

春季適時(shí)播種能減少低溫凍害或者早霜危害,地溫是決定播種日期的關(guān)鍵氣象指標(biāo),是關(guān)系到大田作物播種日期、保證出苗率、正常生長(zhǎng)的先決條件,也是關(guān)系到作物產(chǎn)量形成的重要因素之一。所以,掌握播種期地溫的變化規(guī)律,較為精準(zhǔn)做出地溫預(yù)報(bào)模型,是非常必要的氣象服務(wù)內(nèi)容。為播種期預(yù)報(bào)提供科學(xué)的氣象數(shù)據(jù)依據(jù),為糧食生產(chǎn)提供精準(zhǔn)的氣象服務(wù)。

近年來,地溫的研究和分析多是地表溫度的研究,周斌做出遼寧省表層地溫變化規(guī)律與氣溫的關(guān)系[2]、周刊社做出青藏高原地溫對(duì)氣溫的變化響應(yīng)[3],謝華光分析了遼寧西部地面溫度變化特征[4]。但對(duì)耕層地溫的變化規(guī)律研究較少,目前,筆者還未發(fā)現(xiàn)對(duì)遼寧省西部播種層地溫進(jìn)行逐日預(yù)報(bào)的研究。為了能更好的做好春播期氣象服務(wù),本文從分析遼西6個(gè)國(guó)家地面氣象觀測(cè)站淺層地溫(0～20 cm)的變化規(guī)律為基礎(chǔ),以大田作物播種5 cm地溫為預(yù)報(bào)量,分別建立6個(gè)觀測(cè)站春季不同月份的逐日預(yù)報(bào)模型[5]。通過2016～2017年春季逐日氣象數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)報(bào)模型實(shí)時(shí)的檢驗(yàn),證明預(yù)報(bào)模型可以應(yīng)用于平時(shí)業(yè)務(wù),可為確定遼西春季大田作物播種期、指導(dǎo)本地大田作物生產(chǎn)提供氣象依據(jù)[6]。

1 資料與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用遼寧西部(朝陽(yáng)地區(qū))6個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站(建平、北票、朝陽(yáng)、葉柏壽、凌源、喀左)的 2005～2017年3～5月氣象資料。資料來源于遼寧省信息中心。

1.2 數(shù)據(jù)分析與處理

本文采用相關(guān)分析、回歸分析等統(tǒng)計(jì)方法,以5 cm地溫做為春季大田播種的預(yù)報(bào)量,利用逐日氣溫、0～20 cm地溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、日照百分率、相對(duì)濕度、風(fēng)速、總云量等氣象要素為預(yù)報(bào)因子,建立預(yù)報(bào)方程。表1分析出5 cm地溫與各要素的相關(guān)系數(shù),雖然降水量、相對(duì)濕度、風(fēng)速、總云量等也是影響地溫的氣象因子,但實(shí)際預(yù)報(bào)中,這些要素值不易獲得,所以,選取在業(yè)務(wù)中容易獲得的預(yù)報(bào)量——?dú)鉁亍⑷照諘r(shí)數(shù)做為預(yù)報(bào)因子,對(duì)5 cm地溫進(jìn)行分月逐日的預(yù)報(bào)。

2 結(jié)果與分析

春季大田作物的播種指標(biāo):玉米適宜播種期的農(nóng)業(yè)氣象指標(biāo)是土壤相對(duì)含水量在60%～70%[7],5 cm地溫穩(wěn)定通過 8～10℃[8];高梁當(dāng) 5 cm地溫穩(wěn)定通過10～12℃,即可播種;大豆當(dāng)5 cm溫穩(wěn)定通過12℃,土壤濕度為65%～75%播種較適宜;谷子當(dāng)5 cm地溫達(dá)到15～20℃即可播種。

2.1 遼西春季淺層地溫(0～20 cm)變化特征

2.1.1 淺層地溫空間分布特征

將朝陽(yáng)地區(qū)6個(gè)氣象觀測(cè)站春季各月逐日數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理,分析得知春季淺層平均地溫排次為:葉柏壽11.7℃＞朝陽(yáng)11.6℃＞喀左11.5℃＞凌源11.3℃＞北票10.5℃＞建平8.5℃。北票和建平春季淺層地溫明顯低于其它站,這2站所處緯度偏北,導(dǎo)致溫度偏低。

2.1.2 淺層地溫時(shí)間分布特征

春季淺層地溫隨氣溫的升高而升高,變化趨勢(shì)與氣溫一致,而且高度擬合,見圖 1。從 2005～2017年春季朝陽(yáng)地區(qū)各月的淺層地溫年際變化分析,各層地溫均呈緩慢長(zhǎng)升的趨勢(shì)。3月淺層平均地溫趨勢(shì)方程為:y=3.965+0.141x;4月為y=11.25+0.159x;5月為y=19.87+0.076x,式中x為日平均氣溫。雖然整體呈上升趨勢(shì),但春季淺層地溫依然出現(xiàn)明顯的低溫年,2010年春季比歷年低2.6℃,2005、2013年也出現(xiàn)低溫年,決定播種期考慮春季低溫仍不可忽視。

表1 5 cm地溫與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)

2.2 淺層地溫與氣溫的差值分析

春季 0～20 cm逐日地溫與氣溫的差隨時(shí)間逐漸降低。地表溫度高于氣溫2.8～3.7℃之間,是與氣溫差值最大層;5 cm地溫高于氣溫0.2～1.9℃;10 cm地溫與日平均氣溫差介于-0.6～0.5℃之間,是最接近氣溫值的層次;15 cm、20 cm地溫均低于日平均氣溫(葉柏壽站15 cm除外),差值在-1.8～-0.2℃,但 20 cm差值明顯低于15 cm差值。淺層日平均地溫與日平均氣溫差值見表2。

表2 朝陽(yáng)各站春季淺層地溫與平均氣溫差值 (℃)

2.3 春季淺層地溫穩(wěn)定通過8℃日期

2005～2017年春季朝陽(yáng)地區(qū)6個(gè)觀測(cè)站氣溫穩(wěn)定通過8℃的日期有5個(gè)站在4月3～4日,建平站晚于其它5個(gè)站10 d左右,在4月13日穩(wěn)定通過。

0 cm地溫在3月25～26日穩(wěn)定通過8℃,建平站在4月4日通過,均早于氣溫8～9 d。

除建平站外其它5個(gè)臺(tái)站5 cm地溫穩(wěn)定通過8℃日期在4月3～4日,建平在4月9日,和氣溫通過日期同日或晚1 d。

10 cm地溫穩(wěn)定通過8℃日期在4月4～5日,晚于氣溫1～2 d;15 cm 地溫穩(wěn)定通過在4月5～9日,晚于氣溫1～5 d;20 cm在4月 5～11日,晚于氣溫2～7 d。

從氣溫與地溫穩(wěn)定通過8℃的日期可以粗略的估算大田玉米的春播日期(表3)。

表3 春季日平均溫度和淺層地溫穩(wěn)定通過8℃日期(月-日)

3 春季逐日5 cm地溫預(yù)報(bào)模型及檢驗(yàn)

3.1 建立春季逐日5 cm預(yù)報(bào)模型

春季淺層地溫與氣溫、日照時(shí)數(shù)、日照百分率、風(fēng)向風(fēng)速、降水、相對(duì)濕度、總云量等氣象要素關(guān)系密切,5 cm地溫是大田作物播種的氣象服務(wù)指標(biāo),以5 cm地溫為預(yù)報(bào)量,考慮到其它預(yù)報(bào)因子值不容易獲得,故選取平均氣溫和日照時(shí)數(shù)容易獲得的要素值做為預(yù)報(bào)因子建立預(yù)報(bào)模型。利用2005～2015年各站氣象數(shù)據(jù),采用回歸分析方法對(duì)5 cm地溫進(jìn)行分月逐日預(yù)報(bào)。通過2016～2017年各站春季數(shù)據(jù),在溫差絕對(duì)值≤2℃、≤1℃2個(gè)范圍對(duì)各站預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率依次進(jìn)行檢驗(yàn)。采用分月逐日建立預(yù)報(bào)方程,分月預(yù)報(bào)使預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率更有針對(duì)性,經(jīng)對(duì)比準(zhǔn)確率明顯高于以春季為整體建個(gè)1個(gè)的預(yù)報(bào)模型。準(zhǔn)確率高于更有利于為農(nóng)業(yè)大田播種提供精準(zhǔn)的氣象決策,朝陽(yáng)6個(gè)觀測(cè)站建立的預(yù)報(bào)模型決定系數(shù)R普遍在0.88以上,各預(yù)報(bào)方程均呈顯著性,P＜0.01,各站逐月逐日預(yù)報(bào)方程見表4。

表4 遼西各氣象觀測(cè)站3～5月5 cm地溫預(yù)報(bào)方程

3.2 預(yù)報(bào)模型的檢驗(yàn)

建平、北票、朝陽(yáng)、葉柏壽3月日照時(shí)數(shù)因子對(duì)地溫影響不明顯,所以,只選氣溫做為預(yù)報(bào)因子。4、5月氣溫、日照時(shí)數(shù)均做為預(yù)報(bào)因子,預(yù)報(bào)效果明顯好于氣溫單一1個(gè)氣象預(yù)報(bào)因子。利用2016～2017年各站春季逐月逐日的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn),從表4可以看出:3月各站在≤2℃預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率平均為 87.33%,≤1℃預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率平均為68.45%;4月≤2℃預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率平均為86.20%,≤1

℃預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率平均為 65.22%;5月≤2℃預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率平均為78.81%,≤1℃預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率平均為60.48%。春季5 cm地溫≤2℃預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率平均為84.11%,說明回歸預(yù)報(bào)模型與預(yù)報(bào)方面擬合性強(qiáng),可用于平時(shí)業(yè)務(wù)中。在≤1℃范圍內(nèi)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低,預(yù)報(bào)模式有待提升。

4 結(jié)論與討論

4.1 遼西春季淺層地溫與氣溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系;春季淺層地溫呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì);地溫由上層至下層變化幅度越來越小,與氣溫差值也相對(duì)減小。0 cm、5 cm地溫平均分別高于氣溫3.3℃、0.9℃;10 cm地溫與氣溫接近,平均差值為0.0℃;15 cm、20 cm地溫分別低于氣溫0.6℃、1.1℃。

4.2 春季0 cm地溫于3月25～26日穩(wěn)定通過8℃,建平站在4月4日通過,均早于氣溫8～9 d;除建平站外其它5站5 cm、10 cm地溫穩(wěn)定通過8℃日期在4月3～4日、4月4～5日,比氣溫通過日期晚1 d或同日;15 cm 地溫在4月5～9日,晚于氣溫1～5 d;20 cm在4月5～11日,晚于氣溫2～7 d。

4.3 挑選易獲得氣溫、日照時(shí)數(shù)為預(yù)報(bào)因子,分月逐日預(yù)報(bào)春季5 cm地溫值。通過2年的實(shí)際數(shù)據(jù)檢驗(yàn),春季各站在≤2℃預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率在77.40%～91.94%范圍內(nèi),≤1℃預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率在61.29%～74.19%范圍內(nèi)。≤2℃預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率平均為84.11%,說明回歸預(yù)報(bào)模型與預(yù)報(bào)方面擬合性強(qiáng),可用于平時(shí)業(yè)務(wù)中。但在≤1℃預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低,預(yù)報(bào)模型有待提升。