朔州市近30年淺層地溫變化特征及播種期地溫預(yù)報模型研究

摘 要：為了解朔州市6個區(qū)縣淺層地溫變化規(guī)律與地溫氣溫之間的關(guān)系，并更好地為大田作物地溫預(yù)報服務(wù)，保障糧食生產(chǎn)安全，利用朔州市6個氣象觀測站點1991—2020年近30年逐月0、5、10、20 cm淺層地溫及氣溫數(shù)據(jù)，分析地溫和氣溫的年變化、月均變化規(guī)律，進一步建立朔州市春播期（4、5月）地溫預(yù)報模型并進行檢驗，驗證模型的實用性。

關(guān)鍵詞：淺層地溫；預(yù)報；模型研究

中圖分類號：S165 文獻標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）10–0-03

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，水、肥、氣、光、溫等因素會直接影響作物的生長，決定作物最終的產(chǎn)量[1-3]。氣溫和地溫都是影響糧食作物生長和收成的重要因素，只有在合適的溫度條件下，作物才能生根發(fā)芽，植株健壯生

長[4]。特別是地溫，農(nóng)作物播種后，種子發(fā)芽要求地溫高于一定的數(shù)值[5-6]。在實際生產(chǎn)中，種子播種深度一般＜10 cm，地溫指的是地表以下10 cm深處的溫度。在研究農(nóng)作物生長情況時，往往只觀測地表5、10、15、20 cm的數(shù)值[7]。地溫不僅與氣溫相關(guān)，還與太陽輻射、各層土壤濕度、風(fēng)速等氣象要素息息相關(guān)。在朔州市，春季播種的氣象條件通常較為適宜，滿足農(nóng)作物的生長需求。將主要探討地溫與氣溫之間的關(guān)系，分析其變化規(guī)律，并建立地溫預(yù)測模型，為朔州市農(nóng)作物的春季種植和耕作提供參考，確保糧食豐收。

1 資料和方法

選取朔州市1991—2020年逐月氣溫、0、5、10、20 cm

地溫觀測資料。

2 研究方法

利用朔州市6個區(qū)縣國家基本氣象站1991—2020年4—10月逐月地溫和氣溫數(shù)據(jù)，運用氣候傾向率、數(shù)理統(tǒng)計等方法，研究近30年來0～20 cm地溫和氣溫的變化規(guī)律，并建立氣溫影響下的春播期4、5月地溫預(yù)報模型，用實測數(shù)據(jù)進行檢驗，驗證模型的實

用性。

3 結(jié)果與分析

3.1 地溫和氣溫的年代際變化

對1991—2020年朔州市不同土層深度4—10的月數(shù)據(jù)進行分析。從表1可以看出，1991—2010年，21世紀(jì)10年代較21世紀(jì)00年代氣溫上升0.2 ℃，21世紀(jì)00年代較20世紀(jì)90年代上升0.5 ℃。年代際平均氣溫與各土層溫度均呈上升趨勢，21世紀(jì)00年代升溫幅度更明顯，氣溫的變化導(dǎo)致地溫的變化也更明顯。

表1" 1991—2020年朔州地溫和氣溫均值的年代際變化" " " " " " " " " " " " " " " " " ℃

年代 氣溫 0 cm地溫 5 cm地溫 10 cm地溫 20 cm地溫

20世紀(jì)90年代 15.6 18.8 17.1 16.7 16.7

21世紀(jì)00年代 16.1 19.4 18 17.6 17.2

21世紀(jì)10年代 16.3 19.9 18.4 18.2 17.8

21世紀(jì)00年代與20世紀(jì)90年代差 0.5 0.6 0.9 0.9 0.5

21世紀(jì)10年代與21世紀(jì)00年代差 0.2 0.5 0.4 0.6 0.6

3.2 地溫和氣溫的年變化

從1991—2020年朔州市地溫和氣溫逐年變化（圖1）可知，氣溫和地溫的變化趨勢基本保持一致，整體呈現(xiàn)起伏上揚的波動趨勢。1995、2000、2003、2008、2017年是0～20 cm土層異常偏低年份，與年平均氣溫的變化趨勢相吻合。土壤表面至20 cm地溫呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，這對朔州市的作物種植結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響。隨著土壤深度的增加，氣溫和地溫之間表現(xiàn)出遞減的關(guān)系，20 cm深度時兩者之間的差異最小，僅為1.3 ℃。氣溫和各深度土層地溫的氣候傾向率在0.3～0.68變動，每10年變化一次。

3.3 地溫的月際變化

從1991—2020年4—10月朔州市地溫月均變化趨勢（圖2）可以看到，各層土壤溫度的變化規(guī)律大致相同，從4月開始逐漸上升，直至7月達到峰值，隨后在10月降至最低點。觀察曲線可以發(fā)現(xiàn)，9月與10月之間各深度土層的溫度出現(xiàn)一個拐點，0 cm地溫由高峰轉(zhuǎn)為低谷，這種特殊現(xiàn)象與太陽輻射和土壤導(dǎo)熱規(guī)律密切相關(guān)。0 cm地溫與氣溫關(guān)聯(lián)最緊密，降溫速度最快且影響最直接，而對5、10和20 cm地溫的影響則存在滯后效應(yīng)。從月份變化的角度來看，10月各深度的溫度會有所差異，其中，20 cm地溫最高，而0 cm地溫最低。

圖1" 1991—2020年朔州市地溫和氣溫的年變化

圖2" 1991—2020年4—10月朔州市地溫的月均變化

3.4 氣溫和地溫突變分析

對1991—2020年4—10月朔州市逐年氣溫和0～20 cm

地溫進行突變分析，分別采用M-K和滑動t檢驗2種方法進行檢驗分析。從檢驗結(jié)果來看，M-K突變檢驗地溫和氣溫的突變年份有所不同。氣溫M-K檢驗突變點在1999年，而滑動t檢驗這一年份沒有超過臨界值。地溫中除0 cm突變點不一致外，其他土層從M-K檢驗結(jié)果來看，突變點均發(fā)生在2003年前后，而滑動t檢驗5～20 cm土層在2004年前后超過了臨界值。

3.5 地氣溫差的地理分布

地氣溫差是指相同地點地溫和氣溫的差值，4—5月朔州市正值春播期，凍土解凍，地溫回升，地溫一般情況下要高于氣溫，但個別站點地溫低于氣溫，導(dǎo)致差值有正有負，故經(jīng)過絕對值處理后可以更加直觀地分析地氣溫的差值變化。

從0 cm地氣溫差值來看，4月差值小于5月，說明

0 cm地溫不斷升高，地氣溫差值增大。從5～20 cm地氣溫差值來看，5月地氣溫差值增大，差值較大地區(qū)主要集中在北部（表2）。總體來看，0、5、10 cm地氣溫差變化過程基本一致，西部、西南部地氣溫差較小，北部差值較大。而20 cm地溫因土較厚，升溫有滯后性，20 cm地氣溫差值與0、5、10 cm地氣溫差值變化過程有所不同。

表2" 1991—2020年朔州不同深度地氣溫差的絕對值" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " ℃

站點 0 cm 5 cm 10 cm 20 cm

4月 5月 4月 5月 4月 5月 4月 5月

朔城區(qū) 2.7 3.9 0.5 1.6 0.1 0.8 0.9 0.1

山陰 2.9 4.0 0.7 1.6 0.2 0.9 0.7 0.0

應(yīng)縣 3.5 4.4 1.1 1.6 0.7 1.0 0.1 0.1

平魯 2.8 3.9 0.7 1.4 0.0 0.6 1.0 0.2

右玉 3.5 4.7 1.7 2.6 1.2 2.0 0.1 0.9

懷仁 3.4 4.4 1.1 1.9 0.5 1.0 0.1 0.7

3.6 春播期地溫預(yù)報模型

在朔州市，4月和5月是大田農(nóng)作物的主要播種季節(jié)，因此，春季播種期地溫預(yù)報模型根據(jù)該市的6個區(qū)縣進行劃分，共涉及6組模型。每組預(yù)報模型進一步基于不同月份和土層深度進行劃分，共8個預(yù)報模型。利用各區(qū)縣的氣溫和地溫數(shù)據(jù)，建立了針對不同土層深度地溫的預(yù)測模型（表3）。

表3" 1991—2020年朔州市4月和5月不同土層深度地溫預(yù)報模型

月份 距地表深度 朔城區(qū) 山陰 應(yīng)縣 平魯 懷仁 右玉

4 0 cm Y=3.162+0.93X Y=4.081+0.89X Y=3.937+0.96X Y=3.541+0.90X Y=3.791+0.95X Y=3.304+1.02X

5 cm Y=1.122+0.92X Y=1.601+0.91X Y=1.939+0.92X Y=2.173+0.81X Y=1.847+0.93X Y=1.895+0.97X

10 cm Y=0.855+0.89X Y=1.477+0.87X Y=1.876+0.89X Y=1.535+0.81X Y=1.787+0.87X Y=1.696+0.92X

20 cm Y=1.127+0.78X Y=1.751+0.76X Y=2.385+0.79X Y=1.354+0.70X Y=1.671+0.85X Y=0.967+0.84X

5 0 cm Y=-0.829+1.27X Y=-2.780+1.38X Y=-1.444+1.33X Y=-5.392+1.62X Y=-0.065+1.25X Y=1.194+1.24X

5 cm Y=1.095+1.02X Y=-4.633+1.35X Y=-0.653+1.12X Y=-4.017+1.37X Y=-2.191+1.23X Y=0.514+1.14X

10 cm Y=-0.105+1.04X Y=-4.469+1.30X Y=-1.220+1.12X Y=-3.510+1.28X Y=-1.064+1.12X Y=0.704+1.08X

20 cm Y=-1.918+1.11X Y=-1.491+1.08X Y=2.370+0.87X Y=-2.700+1.17X Y=-1.989+1.15X Y=0.024+1.05X

注：Y為4月和5月不同土層深度地溫，X為4月和5月氣溫，單位均為℃。

將2022—2023年4月、5月各區(qū)縣氣溫分別代入預(yù)報模型，得到不同土層氣溫影響下的地溫數(shù)據(jù)預(yù)測值，并根據(jù)模型準(zhǔn)確率計算，回代檢驗與實況差異（表4）?？梢钥闯?，準(zhǔn)確率最低的是山陰2022年4月10 cm預(yù)報模型（75.8%），最高的是懷仁2022年5月0 cm預(yù)報模型（99.7%），總體來看，基于關(guān)鍵因子氣溫的預(yù)報模型對不同土層地溫的預(yù)報效果良好，可以投入業(yè)務(wù)應(yīng)用。

模型準(zhǔn)確率/%=1-×100

表4" 2022—2023年朔州市4—5月不同土層深度地溫預(yù)報模型回代檢驗預(yù)報準(zhǔn)確率 %

年份 距地表深度 4月 5月

朔城區(qū) 山陰 應(yīng)縣 平魯 懷仁 右玉 朔城區(qū) 山陰 應(yīng)縣 平魯 懷仁 右玉

2022 0 cm 92.3 91.1 93.0 83.8 96.3 98.5 95.2 93.3 93.2 99.3 99.7 96.1

5 cm 87.2 83.2 97.8 84.2 94.9 89.0 98.0 93.7 97.3 99.5 98.3 97.7

10 cm 89.3 75.8 83.5 83.0 82.1 85.7 94.6 97.8 98.0 91.0 95.4 98.3

20 cm 92.4 93.4 94.2 88.8 82.7 92.4 94.1 97.2 99.0 98.1 97.2 90.7

2023 0 cm 95.0 89.5 98.2 80.1 99.5 84.0 98.9 92.3 99.1 94.9 95.8 97.4

5 cm 93.1 96.2 97.6 81.0 88.4 93.4 99.1 94.2 96.6 98.2 97.5 95.2

10 cm 99.4 83.1 93.0 81.4 89.2 99.2 98.2 99.6 95.2 93.6 98.3 91.3

20 cm 89.3 93.1 94.7 84.8 86.1 88.2 96.9 99.8 94.8 99.6 95.5 85.3

4 結(jié)論

（1）氣溫和地溫變化趨勢基本一致，曲線整體呈波動上升的趨勢；地溫0～20 cm呈現(xiàn)逐年上升趨勢，氣溫與地溫之間隨著地層的厚度呈現(xiàn)遞減的關(guān)系。4—10月地溫平均值從4月開始逐漸上升，7月達到峰值，隨后在10月降至最低點。9月與10月之間各深度土層的溫度出現(xiàn)一個拐點，0 cm地溫由高峰轉(zhuǎn)為低谷，從月份變化的角度來看，10月各深度的溫度會有所差異，其中，20 cm地溫最高，而0 cm地溫最低。

（2）M-K突變檢驗地溫和氣溫的突變年份有所不同。氣溫M-K檢驗突變點在1999年，而滑動t檢驗這一年份沒有超過臨界值。地溫中除0 cm突變點不一致外，其他土層從M-K檢驗結(jié)果看，突變點均發(fā)生在2003年前后，而滑動t檢驗表明5～20 cm土層在2004年前后超過了臨界值，較為一致。

（3）從0 cm地溫差值來看，4月差值小于5月，說明

0 cm地溫不斷升高，地氣溫差值增大。從5～20 cm地氣溫差值來看，5月地氣溫差值增大，差值較大地區(qū)主要集中在北部?？傮w來看，0、5、10 cm地氣溫差變化過程基本一致，西部、西南部地氣溫差較小，北部差值較大。而20 cm地溫因土較厚，升溫有滯后性，20 cm地氣溫差值與0、5、10 cm地氣溫差值變化過程有所不同。

（4）建立了基于關(guān)鍵因子氣溫的預(yù)報模型，實測驗證發(fā)現(xiàn)，總體模型準(zhǔn)確率相對較高，對不同土層地溫的預(yù)報效果良好，可以投入業(yè)務(wù)應(yīng)用。但對地溫預(yù)報的研究僅考慮了氣溫，較為單一，還需要考慮光照、降水、干旱災(zāi)害等因素，才能更好地為提高糧食產(chǎn)量提供參考。

參考文獻

[1] 張興山，王娟懷，葉培龍，等.基于統(tǒng)計分析的城市道路結(jié)冰預(yù)報模型研究[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究，2022，28（11）：110-115.

[2] 閆平，季生太，紀(jì)仰慧，等.黑龍江省玉米春播期10 cm地溫預(yù)測[J].農(nóng)學(xué)學(xué)報，2021，11（6）：78-89.

[3] 陳星宜，吳榮，楊苑，等.中衛(wèi)市春播期淺層地溫變化特征及預(yù)報[J].寧夏農(nóng)林科技，2020，61（9）：36-38.

[4] 桂沁園，王學(xué)林，曹明.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的巢湖市冬季淺層地溫預(yù)報[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2018（12）：190-192.

[5] 王萍，李秀芬，王秋京，等.作物春季播種期土壤溫濕因子的分析及預(yù)測研究：以內(nèi)蒙古河套灌區(qū)為例[J].土壤通報， 2016，47（6）：1314-1324.

[6] 羅喜平，周明飛，汪超.貴州省冬季地表（0 cm）溫度預(yù)報探討[J].貴州氣象，2016，40（4）：1-5.

[7] 周斌，李輯，李晶，等.遼西地區(qū)地溫預(yù)測方法探析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2015（21）：232，235.

[8] 李帥，王萍，陳莉，等.黑龍江省春季淺層（0～20 cm）地溫變化特征及預(yù)報[J].冰川凍土，2014，36（1）：55-62.

收稿日期：2024-06-19

作者簡介：王文娟（1986—），女，山西朔州人，高級工程師，研究方向為綜合氣象觀測及為農(nóng)氣象服務(wù)。