延吉地區(qū)稻田氣溫變化特征及推算模式初探

趙新宇 馬樹(shù)慶 余清波 鄧奎才

（1.通化市氣象局，吉林通化 134001；2.吉林省氣象服務(wù)中心，吉林長(zhǎng)春 130062；3.吉林省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心，吉林長(zhǎng)春 130062；4.延邊州農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，吉林延吉 133000）

1 引言

氣溫是影響水稻生長(zhǎng)發(fā)育與產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因子之一[1-4]。但由于我國(guó)目前稻田氣溫?cái)?shù)據(jù)獲取困難，所以在農(nóng)業(yè)氣象相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究中，一般都以鄰近氣象站氣溫代替稻田氣溫。然而由于氣象站與稻田的下墊面不同，氣象站所反應(yīng)的氣溫變化與稻田小氣候有所差異。分析稻田氣溫變化特征時(shí)，若簡(jiǎn)單套用氣象站資料，容易對(duì)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究結(jié)果造成影響。

國(guó)內(nèi)開(kāi)展了大量農(nóng)田小氣候分析及其氣象站數(shù)據(jù)關(guān)系的定量化應(yīng)用研究。蘇宏新[5]開(kāi)展了山地小氣候模擬研究。魏瑞江[6]利用回歸分析方法，分析了河北地區(qū)日光溫室冬季小氣候與附近氣象站觀測(cè)資料的關(guān)系。李軍[7]研究了上海四連棟塑料溫室內(nèi)外溫度的相關(guān)模型。劉可群[8]建立了武漢大棚內(nèi)溫度與太陽(yáng)高度角及大氣溫度的相關(guān)模型。呂佳佳[9]研究了黑龍江省日光溫室小氣候與外界大氣候的變化規(guī)律。薛曉萍[10]開(kāi)展了山東日光溫室小氣候預(yù)報(bào)技術(shù)研究。楊?lèi)?ài)萍[11]分析了晚稻大田氣溫變化特征及其與氣象站氣溫的關(guān)系。但目前這方面的研究以小麥田、日光溫室為主，稻田氣溫與臨近裸地氣溫關(guān)系研究甚少。

延吉市位于吉林省東部的延邊朝鮮族自治州，是傳統(tǒng)的水稻主產(chǎn)區(qū)。該地區(qū)東、南、北三面環(huán)山，西面開(kāi)闊，中間平坦，呈馬蹄狀盆地。平均海拔高度150m。地勢(shì)北高南低，地形為丘陵?duì)钇鸱?。?dāng)?shù)貧夂蚶錄?，積溫不足，水稻生產(chǎn)常發(fā)生低溫冷害，迫切需要掌握稻田溫度變化特征，以便監(jiān)測(cè)和防御冷害。此外，水稻調(diào)水、施肥、病蟲(chóng)害防控等也都需要了解稻田溫度信息。根據(jù)氣象監(jiān)測(cè)規(guī)范，區(qū)域氣象站監(jiān)測(cè)環(huán)境是為天氣氣候預(yù)測(cè)而設(shè)定的，與稻田環(huán)境差別很大，氣溫等氣象要素必定有較大差異。為此，為了滿(mǎn)足現(xiàn)代水稻生產(chǎn)精細(xì)化氣象服務(wù)迫切需要，掌握延吉市稻田小氣候變化規(guī)律，開(kāi)展稻田小氣候氣溫的預(yù)報(bào)，在延吉地區(qū)建立了小氣候自動(dòng)觀測(cè)站，開(kāi)展稻田小氣候氣溫等氣象要素觀測(cè)。本文采用2013年6—9月稻田氣溫觀測(cè)資料與附近裸地溫度資料，分析稻田氣溫日變化特征及其與裸地氣溫關(guān)系，按晴天、多云、陰雨天3種天氣類(lèi)型建立稻田日平均氣溫與裸地日平均氣溫轉(zhuǎn)換模型。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

在吉林省主要水稻產(chǎn)區(qū)——延吉市建立稻田小氣候自動(dòng)觀測(cè)站，監(jiān)測(cè)氣溫等氣象要素值。監(jiān)測(cè)基地經(jīng)度為129°20′59″E，緯度為42°50′45″N，海拔高度191m，為開(kāi)闊平地。稻田氣象數(shù)據(jù)采集器的型號(hào)為AMS-Ⅱ-N，采用1.5m高度值。裸地資料用附近的朝陽(yáng)川加密氣象站（距稻田3km）代替，氣象數(shù)據(jù)采集器的型號(hào)、溫度感應(yīng)高度、地勢(shì)和周?chē)h(huán)境條件與稻田的一致。溫度傳感器為Vaisala HMP155溫濕傳感器，數(shù)據(jù)傳輸頻率為1次/10min。監(jiān)測(cè)時(shí)段為2013年5月30日—9月30日。

2.2 天氣類(lèi)型劃分方法

利用延吉市氣象觀測(cè)站監(jiān)測(cè)的每日日照時(shí)數(shù)，參考天氣學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上按日照時(shí)數(shù)（SS）進(jìn)行天氣類(lèi)型分類(lèi)，將6—9月天氣劃分為晴天、多云、陰雨天3種類(lèi)型。具體劃分標(biāo)準(zhǔn)為：SS≥9.0h為晴天；9.0h＞SS≥2.5h為多云；SS＜2.5h為陰雨天。

2.3 溫度統(tǒng)計(jì)方法

稻田與裸地整點(diǎn)溫差（⊿Τi）計(jì)算方法：

式中，Τi為稻田氣溫；Τi′為裸地氣溫；i為整點(diǎn)時(shí)次。

日平均氣溫計(jì)算方法與普通地面氣象觀測(cè)一致[12]，即取每日02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)、20時(shí)氣溫的算術(shù)平均為每日平均氣溫。

3 結(jié)果與分析

3.1 稻田氣溫日變化特征

圖1為不同天氣類(lèi)型下稻田與裸地的氣溫逐小時(shí)變化特征曲線(xiàn)。由圖1可見(jiàn)，稻田的日最低氣溫一般出現(xiàn)在05時(shí)，日最高氣溫一般出現(xiàn)在14時(shí)。各時(shí)次的稻田氣溫均比裸地氣溫低。這主要是由于一方面二者下墊面不同；另一方面，裸地的凈輻射往往用于感熱多，潛熱少，而稻田凈輻射用于潛熱多，感熱少，且水稻生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期，蒸騰耗熱量要大于土壤的蒸發(fā)耗熱量[13]。晴天、多云天稻田氣溫與裸地氣溫差異明顯，陰雨天比較接近。這主要是由于不同天氣類(lèi)型下水稻蒸騰耗熱量不同，陰雨天空氣中的水汽比較豐富，吸收了大量的輻射能，同時(shí)植株葉片調(diào)節(jié)作用使水稻蒸騰耗熱量減少。

圖1 晴天（a）、多云（b）、陰雨天（c）稻田與裸地氣溫逐小時(shí)變化特征

不同天氣類(lèi)型下，05—14時(shí)為氣溫上升階段，14時(shí)—次日05時(shí)為氣溫下降階段。其中在14—24時(shí)為氣溫快速下降階段，24時(shí)—次日05時(shí)為氣溫緩慢下降階段。

圖2 為不同季節(jié)下稻田與裸地氣溫逐小時(shí)變化特征曲線(xiàn)。由圖2可見(jiàn)，6月最高氣溫25℃左右，最低氣溫12℃左右，晝夜溫差為13℃左右；7月、8月最高氣溫26℃左右，最低氣溫18℃左右，晝夜溫差為8℃左右；9月最高氣溫23℃左右，最低氣溫9℃左右，晝夜溫差加大，為14℃左右。

圖2 6月（a），7月、8月（b），9月（c）稻田與裸地氣溫逐小時(shí)變化特征

6月稻田與裸地氣溫差白天較大，白天稻田比裸地氣溫低，夜間稻田比裸地氣溫高；7月、8月稻田與裸地氣溫差白天較大，各時(shí)次稻田氣溫均比裸地氣溫低；9月稻田與裸地氣溫差夜間較大，各時(shí)次稻田氣溫均比裸地氣溫低。這主要是由于一方面不同季節(jié)稻田下墊面不同；另一方面水稻夜間蒸騰耗熱作用比白天弱。

圖3為不同天氣類(lèi)型和不同季節(jié)下稻田氣溫日變化曲線(xiàn)?？梢钥闯觯兆畹蜌鉁刂?，陰雨天＞多云＞晴天，7月、8月＞6月＞9月；日最高氣溫值，晴天＞多云＞陰雨天，7月、8月＞6月＞9月。

圖3 不同天氣類(lèi)型（a）和不同季節(jié)（b）稻田氣溫逐小時(shí)變化特征

3.2 稻田與裸地日平均氣溫對(duì)比分析

表1為不同天氣類(lèi)型和不同季節(jié)，稻田與裸地日平均氣溫差?？梢?jiàn)，在不同天氣類(lèi)型下，晴天、多云、陰雨天稻田日平均氣溫分別比裸地低0.9℃、0.9℃和0.2℃，稻田與裸地日平均氣溫差的平均值：晴天=多云＞陰雨天。在不同季節(jié)下，6月、7月和8月、9月稻田日平均氣溫分別比裸地低0.5℃、0.6℃和1.2℃，稻田與裸地日平均氣溫差的平均值：9月＞7月、8月＞6月。

表1 不同天氣類(lèi)型和不同季節(jié)稻田與裸地日平均氣溫差 ℃

3.3 相關(guān)模型的建立

不同天氣類(lèi)型下稻田氣溫（〒）與裸地氣溫(〒′)均有差異，但稻田氣溫變化趨勢(shì)與裸地一致。建立不同天氣類(lèi)型下稻田日平均氣溫與裸地日平均氣溫相關(guān)模型，模型均通過(guò)了0.01顯著性水平檢驗(yàn)，稻田日平均氣溫與裸地日平均氣溫相關(guān)系數(shù)R均達(dá)到0.98以上（表2）。

3.4 稻田日平均氣溫與裸地日平均氣溫相關(guān)模型的檢驗(yàn)

利用表2中的模型對(duì)2013年6—9月不同天氣狀況下日平均氣溫進(jìn)行檢驗(yàn)，分別計(jì)算逐日稻田日平均氣溫計(jì)算值與實(shí)際值之差（以⊿Τ表示），分析不同天氣類(lèi)型的稻田日平均氣溫轉(zhuǎn)換模型效果（表3）。表3表明，陰雨天氣類(lèi)型的稻田日平均氣溫轉(zhuǎn)化模型效果表現(xiàn)最好，有80%的樣本滿(mǎn)足⊿Τ絕對(duì)值＜0.5℃，但由于陰雨天天氣類(lèi)型樣本總數(shù)僅有10個(gè)，檢驗(yàn)結(jié)果可信度有一定影響；晴天天氣類(lèi)型中，有67%的樣本滿(mǎn)足⊿Τ絕對(duì)值≤0.5℃；多云天氣類(lèi)型中，有63%樣本滿(mǎn)足⊿Τ絕對(duì)值≤0.5℃?？傮w來(lái)看，陰雨天稻田日平均氣溫轉(zhuǎn)換模型效果最好，晴天天氣類(lèi)型次之，多云天氣類(lèi)型稍差，需進(jìn)一步改善。

表2 稻田日平均氣溫與裸地日平均氣溫相關(guān)模型

表3 不同天氣類(lèi)型稻田日平均氣溫的檢驗(yàn)

4 結(jié)語(yǔ)

（1）不同天氣類(lèi)型下，稻田日最低氣溫一般出現(xiàn)在05時(shí)左右，日最高氣溫大約出現(xiàn)在14時(shí)左右。05—14時(shí)為氣溫上升階段，14時(shí)—次日05時(shí)為氣溫下降階段。

（2）不同天氣類(lèi)型下，各時(shí)次的稻田氣溫均比裸地低，陰天時(shí)稻田與裸地的氣溫比較接近，晴天和多云天氣時(shí)稻田氣溫偏低明顯。稻田與裸地氣溫差值一般在白天較大、夜間較小。不同季節(jié)下，7月、8月和9月各時(shí)次稻田氣溫均比裸地低；6月白天稻田比裸地氣溫低，夜間稻田比裸地氣溫高。6月、7月、8月稻田與裸地氣溫差值一般在白天較大，夜間較小；9月稻田與裸地氣溫差值一般在白天較小，夜間較大。

（3）不同天氣類(lèi)型稻田與裸地的日平均氣溫雖有差異，但稻田日平均氣溫的變化趨勢(shì)與氣象站是一致的，因此，用一元線(xiàn)性回歸方程組建了稻田日平均氣溫與裸地日平均氣溫的相關(guān)模型，模型通過(guò)了0.01顯著性檢驗(yàn)。利用逐日稻田日平均氣溫計(jì)算值與實(shí)際值之差來(lái)檢驗(yàn)不同天氣類(lèi)型稻田日平均氣溫轉(zhuǎn)換模型效果，結(jié)果表明，陰雨天天氣類(lèi)型的稻田日平均氣溫轉(zhuǎn)換模型效果較好，多云次之，晴天最差。

（4）稻田氣溫的變化隨著天氣類(lèi)型不同有著明顯的差異，稻田氣溫一般低于鄰近裸地氣溫。采用裸地氣溫?cái)?shù)據(jù)分析稻田氣溫時(shí)，可以采用本文提出的轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本研究在一定程度上能夠滿(mǎn)足現(xiàn)代水稻生產(chǎn)精細(xì)化氣象服務(wù)需要。

（5）本研究采用線(xiàn)性回歸統(tǒng)計(jì)方法能比較好地反映稻田日平均氣溫與鄰近裸地的關(guān)系，針對(duì)不同天氣類(lèi)型分別建立預(yù)報(bào)模型，真實(shí)反映稻田日平均氣溫的特點(diǎn)。稻田日平均氣溫與裸地日平均氣溫變化關(guān)系隨著下墊面的不同而改變，若把水稻不同季節(jié)下墊面對(duì)小氣候的影響考慮進(jìn)來(lái)，則效果最佳，但由于本研究所用樣本數(shù)量較少，結(jié)論仍存在一定局限性。