地表溫度與氣溫的關(guān)系研究

徐昌龍 太松花 崔日權(quán)

作者簡介：徐昌龍（1973-），男，吉林省和龍市人，本科，高級工程師，研究方向：天氣預(yù)報(bào)。

摘 要： 本文對地表溫度和氣溫進(jìn)行相關(guān)分析，分別建立各季節(jié)氣溫和地表溫度線性回歸模型，然后對模型進(jìn)行驗(yàn)證，給氣溫預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 地表溫度;氣溫;關(guān)系

【中圖分類號】P407 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.33.253

1 引言

氣溫是表示大氣冷熱程度的物理量，受地面增熱與冷卻作用而發(fā)生日變化，如白天地表吸收太陽輻射能逐漸增熱，通過輻射、分子運(yùn)動(dòng)、湍流及對流運(yùn)動(dòng)和潛熱輸送等方式將熱量傳遞給邊界層大氣，使大氣溫度升高;夜間地表面因放射長波輻射而冷卻，使邊界層大氣溫度也降低，因此地表溫度和氣溫具有明確的物理關(guān)系。本文利用全州近三年0cm地表溫度和氣溫觀測資料，按季節(jié)和站點(diǎn)比較，探討兩者內(nèi)在關(guān)系，摸索氣溫變化規(guī)律，給氣溫預(yù)報(bào)提供重要參考信息。

2 地表溫度和氣溫關(guān)系

2.1 地表溫度和氣溫物理關(guān)系

根據(jù)能量守恒定律，地表接收的能量以不同方式轉(zhuǎn)換為其他運(yùn)動(dòng)形式，以使能量保持平衡。這一能量交換過程表示為：Rn=G+H+LE式中Rn 為地表全波段凈輻射通量;G 為土壤熱通量，即下墊面土壤中熱交換;H 為感熱通量，即下墊面與大氣間湍流形式的熱交換;LE 為潛熱通量，即下墊面與大氣間水汽熱交換。因此地表溫度和氣溫具有明確物理關(guān)系，基于地表溫度氣溫估計(jì)方法理論上可行[1]。

2.2 地表溫度數(shù)據(jù)和氣溫?cái)?shù)據(jù)一致性分析

將延吉站點(diǎn)2018年5月1日逐小時(shí)地表0cm溫度和氣溫比較（圖1）得出，地表溫度和氣溫關(guān)系密切，夜晚地表溫度與氣溫一致性較高，白天則較低。造成這種差異的是，夜晚熱紅外波段不受太陽輻射影響，而白天太陽輻射使地表能量平衡系統(tǒng)交換更復(fù)雜。

2.3 地表溫度數(shù)據(jù)和氣溫?cái)?shù)據(jù)回歸分析

為進(jìn)一步了解地表溫度和氣溫關(guān)系，抽出近3年全州各站點(diǎn)每日02時(shí)氣溫和前一天14時(shí)地表0cm溫度，利用統(tǒng)計(jì)軟件分站點(diǎn)分季節(jié)進(jìn)行分析，建立回歸方程。

2.3.1 冬季

建立冬季地表溫度和氣溫回歸方程，延吉Y=0.34x-11.838、敦化Y=0.714x-11.706、安圖Y=0.44x-14.223、和龍Y=0.357x-12.689、龍井Y=0.232x-13.263、圖們Y=0.369x-11.209、琿春Y=0.288x-10.39、汪清Y=0.417x-15.036，相關(guān)系數(shù)分別為0.392、0.482、0.347、0.318、0.248、0.358、0.295和0.367。回歸方程均通過0.05顯著性T型檢驗(yàn)，因冬季沒有植被，地表冰凍，太陽輻射較弱，氣溫和地表溫度相關(guān)系數(shù)較小，以敦化最大。

2.3.2 春季

建立春季地表溫度和氣溫回歸方程，延吉Y=0.388x-5.363、敦化Y=0.473x-6.26、安圖Y=0.409x-6.597、和龍Y=0.389x-6.151、龍井Y=0.380x-5.335、圖們Y=0.384x-4.186、琿春Y=0.346x-3.9、汪清Y=0.359x-5.851，相關(guān)系數(shù)分別為0.73、0.795、0.726、0.752、0.74、0.747、0.685和0.724。春季地表開始融化，植被差，太陽輻射加強(qiáng)，有利于地表和空氣之間熱量交換，與冬季相比相關(guān)系數(shù)明顯變大，西部相關(guān)性較好于東部。

2.3.3 夏季

建立夏季地表溫度和氣溫回歸方程，延吉Y=0.159x+11.14、敦化Y=0.168x+10.43、安圖=0.157x+10.812、和龍Y=0.119x+11.717、龍井Y=0.144x+11.727、圖們Y=0.139x+12.082、琿春Y=0.135x+12.953、汪清Y=0.109x+12.586，相關(guān)系數(shù)分別為0.475、0.429、0.43、0.356、0.436、0.4、0.374和0.289。夏季太陽輻射量大，但植被茂密、高度高，地表面濕度大，使得地表和空氣之間熱量交換更加復(fù)雜，相關(guān)系數(shù)明顯變小。

2.3.4 秋季

建立秋季地表溫度和氣溫回歸方程，延吉Y=0.498x-6.318、敦化Y=0.507x-7.161、安圖Y=0.541x-8.032、和龍Y=0.525x-7.552、龍井Y=0.501x-7.243、圖們Y=0.519x-5.943、琿春Y=0.525x-5.003、汪清Y=0.541x-8.656，相關(guān)系數(shù)分別為0.862、0.813、0.816、0.81、0.844、0.839、0.855和0.799。秋季太陽輻射量依然較強(qiáng)，但植被差，近地面濕度也小，氣溫和地表溫度擬合度最高，以延吉相關(guān)系數(shù)最大。

2.4 地表溫度數(shù)據(jù)和氣溫?cái)?shù)據(jù)回歸方程檢驗(yàn)

根據(jù)回歸方程對2018年春季（3月1日-5月31日）02時(shí)氣溫預(yù)報(bào)進(jìn)行抽檢，結(jié)果看出，延吉、敦化、安圖、和龍、龍井、圖們、琿春、汪清平均誤差分別為0.3、-0.1、-0.1、-1.1、-0.2、-0.1、0.7和0，絕對誤差分別為2.7、2.5、2.6、2.6、2.7、2.1、2.7和3，各縣市平均誤差都很小，絕對誤差較大，且誤差大小較一致，給最低氣溫預(yù)報(bào)提供參考信息。氣溫變化除地面輻射，還受溫度平流、非絕熱因子、垂直運(yùn)動(dòng)等影響，方程中應(yīng)增加天空狀況、風(fēng)向風(fēng)速等因子，減小誤差。

3 小結(jié)

（1）通過分析延吉8站點(diǎn)各季氣溫和地溫，得出氣溫與地表溫度有很好相關(guān)性，且季節(jié)性明顯，這是因?yàn)楦骷咎栞椛浜偷乇碇脖幻芏?、高度，及地表面濕度不一樣所致，其中秋季和春季相關(guān)系數(shù)大于冬季和夏季;空間分布上，中西部好于東部。

（2）在天空狀況、風(fēng)向風(fēng)速同等環(huán)境下，建立回歸方程可作出最低氣溫預(yù)報(bào)，將溫度平流、風(fēng)向風(fēng)速等多因子參與到回歸方程，模擬效果會更好，給溫度預(yù)報(bào)提供更好參考信息。

參考文獻(xiàn)

[1] 袁敏，肖鵬峰，等.應(yīng)用MODIS地表溫度產(chǎn)品估計(jì)新疆地區(qū)典型氣溫.遙感信息，2015，30（1）：81-89.