三江平原佳木斯草温和雪温变化分析

吕红玉　张宏茹　李文福　魏迎

摘要利用2007～2011年佳木斯逐日草温、雪温、0 cm地温、气温资料，研究草温和雪温变化规律。结果表明，近5年佳木斯年平均草温和雪温分别为5.7和-11.7 ℃，草温最高出现在夏季，雪温在春季；1年中5～10月观测草温，其他季节雪温和草温交替观测，月平均草温最高在7月，雪温在4月，最低均出现在1月；1 d中草温和雪温的最大值均出现在12：00，到次日日出前后出现最小值。草温和雪温各季晴天时日较差最大，且明显大于气温日较差；月平均草温（或雪温）与气温、地温变化趋势基本一致，草温和雪温与气温、地温呈明显的正相关，其相关系数分别为0.990、0.999。

关键词草温；雪温；0 cm地温；气温；变化特征；佳木斯

中图分类号S162.4文献标识码A文章编号0517-6611（2014）12-03659-04

作者简介吕红玉（1970-），女，黑龙江宝清人，高级工程师，从事地面、酸雨、生态气象等研究。

自1968年起，仪器和观测方法委员会开始收集仪器开发信息和业务化经验，在技术会议期间会举办气象仪器展览，展出厂家最新开发的产品[1]。自动气象站传感器可达到业务要求的准确度，2007年佳木斯国家基准站新增了草温（或雪温）传感器，进行草温或雪温观测。由于近地面层的气象要素存在空间分布的不均匀性和时间变化上的脉动性，因此下垫面温度观测包括裸露土壤表面的地面温度、草温（或雪温）[2]。近年来，许多学者对草温（雪温）、地温、气温及其之间关系进行了研究，并取得了一些成果[3-7]。如趙艳玲等研究指出草温在夜间比地面温度低，在秋冬季更容易达到0 ℃以下，草温能更好地反映出形成霜的温度变化过程[5]；周晓香等研究发现草温与地面温度为正相关，草温在不同季度的升温和降温速度与地面温度不一致[6-8]。佳木斯自1948年建站以来，已经积累了60多年地温和气温资料，笔者利用2007～2011年佳木斯逐日草温、雪温、0 cm地温、气温资料，通过分析草温、雪温与0 cm地温、气温间变化关系，进一步了解草温和雪温的变化规律，对判断天气现象（如露、霜）很有意义[9]。

1 资料与方法

在没有积雪的季节，依据《地面气象观测规范》仪器安装的规定人工站地面0 cm地温表安放在地温场内，草温传感器安装在地温场西侧，气温安装在百叶箱内[2] 。在冬季，降雪后人工站地面0 cm温度表安放在雪面上；当积雪淹没草层，草温观测转换为雪温观测。

在此使用2007～2011年三江平原佳木斯国家基准气候站（130°18′E、46°47′N）逐日人工站地面0 cm温度、草温、雪温、气温观测资料，经过严格的质量控制得到原始数据，符合气象探测环境和《地面气象观测规范》的要求，数据测量准确、真实。按12月～次年2月为冬季、3～5月为春季、6～8月为夏季、9～11月为秋季生成逐季序列以及年序列，通过变温、变率、相关、回归分析草温和雪温的变化规律，以及与其他气象要素的相关性。

2 结果与分析

2.1草温和雪温变化特征分析

2.1.1 年和季变化。由表1可知，佳木斯2007～2011年平均草温为5.7 ℃，年平均雪温为-11.7 ℃；季平均草温在夏季最高，为23.9 ℃，春季次之，为7.8 ℃，秋季为5.9 ℃，冬季草温最低，为-14.4 ℃；雪温在夏季没有出现，春季平均雪温最高，为-5.1 ℃，秋季次之，为-11.5 ℃，冬季雪温最低，为-18.5 ℃。

2.1.2 月变化。由图1可知， 一年中5～10月没有降雪全部观测草温，2月积雪淹没草层全部进行雪温观测，其他月草温和雪温交替观测，雪温比同季节的草温低。佳木斯月平均草温变化范围为-18.0～25.1 ℃，月平均草温最高出现在7月，为25.1 ℃，月平均草温最低出现在1月，为-18.0 ℃；月平均雪温变化范围为-0.1～-20.0 ℃，月平均雪温最高出现在4月，为-0.1 ℃，月平均雪温最低出现在12和1月，为-20.0 ℃。采用变温（当月草面温度-上月草面温度）来说明草温月变化幅度，结果发现，4～6月草温呈升高趋势，其中4月变温最大，为8.8 ℃；9月～次年1月草温呈下降趋势，其中11月变温最大，为-11.0 ℃，这是由于秋季受蒙古冷高压影响，深秋多东北风，时有寒潮发生，这与王琳琳等研究石景山站草面温度变化特征分析相一致[10]。

由佳木斯2007～2011年11月～次年4月平均积雪深度和雪温实际观测日期（表2）可以看出，佳木斯11月中、下旬开始降雪，月平均积雪深度2.9 cm，在2009年11月14日和2010年11月12～13日降雪量大，造成积雪淹没草层，转换为雪温观测。随着季节变化，气温逐步下降，冬季积雪融化图12007～2011年佳木斯草温和雪温月变化慢，随着降雪量的增加，12月平均积雪深度逐步增加至8.4 cm，观测员应随时巡视积雪深度变化，保证雪温传感器一半密贴雪中一半露在雪面。1和2月平均积雪深度达17.2和18.5 cm，1月大部分时间和2月份全部时间均观测雪温，3月随着气温上升，积雪开始融化，如果露出草层应转为草温观测，所以在初春、初冬季节，随时注意早温和雪温观测的转换。

2.1.3 日变化。利用佳木斯2007～2011年逐时草温和雪温资料分析发现草温和雪温日变化基本一致（图2），草温和雪温的最大值均出现在12：00，以后温度逐渐下降到次日日出前后出现最小值。由草温日变化曲线可以看出，05：00～11：00草面温度呈升高趋势，其中06：00～10：00升幅较大，这是由于日出后随着太阳高度的升高，太阳直接辐射和散射辐射逐步增加[11-13]，草层由于吸收的热量大于草面所支出的热量，辐射差额为正，使草面升温，08：00变温最大，为3.94 ℃；13：00～次日03：00草面温度呈下降趋势，其中15：00～19：00降幅较大，16：00变温最大，为-2.87 ℃，21：00～次日03：00降幅较为平缓，04：00变温最小，为0 ℃，这是由于午后太阳辐射的进一步减弱，草层所吸收能量逐渐减少，草温逐步下降，到日出前后，草层由于草面水汽凝结所收入的热量与草面所支出的热量接近平衡，使草面温度变化平缓[14]。比较草温和气温日变化曲线可以看出，夜间草温比气温低，在日出后06：00左右草温和气温基本相同，草温比气温升温速度快，在11：00～12：00，草温比气温高出8.0 ℃，午后草温逐渐下降，在17：00左右草温和气温基本一致，随后草温快速下降，草温比气温低2.1～2.9 ℃。

由雪面温度日变化曲线（图2）可以看出，08：00～12：00雪温呈升高趋势，其中08：00～11：00升幅较大，09：00变温最大，为5.63 ℃， 03：00～次日03：00雪面温度呈下降趋势，其中14：00～18：00降幅较大，16：00变温最大，为-4.03 ℃，雪温降温速度比草温快；20：00～次日06：00降幅较为平缓，04：00～06：00变温最小，为-0.01 ℃。比较雪温和气温日变化曲线可以看出，夜间雪温比气温低，这是由于积雪层相当于土壤和空气之间的一个图22007～2011年佳木斯草温、雪温和气温日变化42卷12期吕红玉等三江平原佳木斯草温和雪温变化分析绝热层，使雪温迅速下降，在04：00～06：00雪面温度变化才平缓[15-17]；在08：00左右雪温和气温基本相同，雪温传感器一半裸露在空气中，受太阳直接辐射的影响，比气温升温速度快，在11：00～12：00雪温比气温高出5.8 ℃，午后雪温逐渐下降，在15：00左右雪温和气温基本一致，随后雪温继续下降，比气温低-4.1～-4.8 ℃。

将2007～2011年逐时草温（或雪温）资料分晴天、多云、阴天、雨天，以1、4、7、10月代表冬、春、夏、秋季，给出各季不同天气状况时雪温、草温和气温极值日变化统计结果（表3）。由表3可见，草温和雪温各季晴天时日较差最大，云越多日较差越小，雨天日较差最小，与气温变化一致；晴天时草温夏季日较差最大，为34.1 ℃。最高草面温度在一年四季比气温高，最低雪面温度比气温低，草温和雪温日较差明显大于气

2.2 草温、雪温与气温、地面0 cm温度关系分析

2.2.1草温（或雪温）、气温、地面0 cm温度的变化特征。由图3可见，2007～2011年佳木斯月平均草温（或雪温）与气温、人工站地面0 cm温度变化趋势基本一致[16]，年平均人工站地面0 cm地温（5.2 ℃）>草温和雪温（4.6 ℃）>气温（4.1 ℃）。从季节分析，草温（或雪温）与气温的季平均值绝对差值夏季最大、冬季次之、秋季最小，这是由于夏季人工站0 cm地温传感器在土壤表面，太阳直接辐射地面温度表升温速度快，但也会有相当大的辐射误差[14]；草温传感器放置于草面或草层中（草高6～10 cm），植物覆盖草温传感器使其温度变化减小，造成人工站地面0 cm地温变化大于草面温度，而气温传感器放置在离地1.5 m高度处的百叶箱内（防止太阳对仪器的直接辐射和地面对仪器的反射辐射），所以夏季草温比地面温度变化小，比气温变化大；冬季雪温传感器放置在雪面上，由于雪面对太阳辐射的反辐射作用很强，雪的导热率小，积雪层就相当于土壤和空气之间的一个绝热层，所以雪温比它上面的空气温度低，也比裸露土壤表面及雪下土壤表面的温度低[10]。冬季人工站地面0 cm地温和雪温传感器均放置在雪面上，所以冬季雪温和地面0 cm地温变化基本一致。春秋季节草温变化与气温和地面温度变化相一致，季平均值绝对差值最小。

图32007～2011年佳木斯草温、雪温、气温、地面温度月变化2.2.2 草温（或雪温）与气温的关系。利用佳木斯2007～2011年逐日平均草温（或雪温）与日平均气温进行回归分析（图4a），得到线性回归方程为：Y=0.884 7X+1.183，式中，Y为逐日平均草温（或雪温），X为当日的日平均气温，其相关系数0.990，说明二者呈明显的正相关，气温越高，草温和雪温也越高。年平均草温比气温高0.5 ℃，从季节分析，草温（或雪温）与气温的季平均值之差，夏季相差最大，为2.3 ℃，冬季次之，为-1.9 ℃，春季为1.5 ℃，秋季相差最小，为0.3 ℃。

图42007～2011年佳木斯日平均草温（或雪温）与气温（a）和地温（b）線性拟合2.2.3 草温、雪温与地温的关系。利用佳木斯2007～2011年逐日平均草温（或雪温）与逐日平均人工站地面0 cm温度进行回归分析（图4b），得到线性回归方程为：Y=0.934 6X-0.397 9，式中，Y为逐日平均草温（或雪温），X为当日的日平均地温，其相关系数为0.999，说明二者呈明显的正相关，人工站地面温度越高，草温（或雪温）也越高。年平均草温比人工站地面0 cm地温低-0.6 ℃，从季节分析，草温比人工站地面0 cm地温的季平均值夏季相差最大，为-2.1 ℃，秋季次之，为-0.7 ℃，冬季为0.6 ℃，春季相差最小，为-0.2 ℃。利用2007～2011年02：00、08：00、14：00、20：00草温、雪温与同时间人工站地面0 cm地温比较分析（表4），发现草温在08：00与地温相差最大，比地温高4.2 ℃，14：00次之，20：00与地面温度一致；雪温在08：00与地温相差最大，比地温高2.0 ℃，14：00次之，02：00与地面温度一致。

3小结

（1） 2007～2011年佳木斯观测资料表明， 佳木斯草温年平均为5.7 ℃，雪温年平均为-11.7 ℃。季平均草温在夏季最高、春季次之、冬季最低；雪温在夏季没有出现，春季平均雪温最高，秋季次之，冬季最低。一年中5～10月份没有降雪全部观测草温，2月积雪淹没草层全部进行雪温观测，其他季节是雪温和草温交替观测，雪温比同期的草温低。佳木斯月平均草温变化范围为-18.0～25.1 ℃，月平均草温最高出现在7月，最低出现在1月；月平均雪温变化范围为-0.1～-20.0 ℃，月平均雪温最高出现在4月，最低出现在12和1月。

（2） 草温和雪温日最大值均出现在12：00，以后温度逐渐下降到次日日出前出现最小值。草温和雪温在晴天时日较差最大，云越多日较差越小，雨天日较差最小；最高草面温度在一年四季比气温高，最低比气温低，草温和雪温日较差明显大于气温的日较差。

（3）月平均草温（或雪温）与气温、人工站地面0 cm温度变化趋势基本一致，从季节分析夏季草温比地面温度变化小，比气温变化大；冬季雪温比它上面的空气温度低，也比裸露土壤表面及雪下土壤表面的温度低；冬季人工站地面地温和雪温变化基本一致；春秋季节草温变化与气温和地面温度变化相一致，季平均值绝对差值最小。形成差异的主要原因是近地面层传感器和温度表安装高度、不同下垫面、仪器不同等造成的。

（4）草温、雪温与气温、人工站地面0 cm地温呈明显的正相关，其相关系数分别为0.990、0.999，气温和地面温度越高，草温和雪温也越高。夜间草温比气温低，在日出后06：00、17：00左右草温和气温基本相同，夜间草温比气温低2.1～2.9 ℃；夜间雪温比气温低-4.1～-4.8 ℃，在08：00、15：00左右雪温和气温基本相同，11：00～12：00雪温比气温高出5.8 ℃。草温在08：00与地温相差最大， 20：00与地面温度一致；雪温在08：00与地温相差最大，02：00与地面温度一致。

（5）夏季草温传感器的下垫面植被的性质、高度以及传感器在草面、草中的位置、太阳直接辐射传感器、温度表等原因是否对草温、地温观测数据带来误差影响，以及这些影响的大小有待进一步研究。另外，草温观测场要求草高小于10 cm，冬季积雪淹没草层就开始雪温观测，此时草高也许在1～10 cm，造成每年可能积雪深度不一，雪温观测高度也不一就开始雪温观测，这些影响将带来多大偏差，也有待进一步研究。建议对草温传感器多层安装、各种植被安装、冬季雪深不同高度安装进行对比分析，得出仪器安装的正确方法，减少因下垫面植被和仪器安装错误带来的误差。

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