格尔木草面温度和地面温度特征差异及相关性分析

何生录，祁贵明，许学莲,2*，张亚珍，石秀云

(1.格尔木市气象局，青海 格尔木 816099；2.青海省防灾减灾重点实验室，青海 西宁 810001)

1 引言

2014年起，草面温度纳入格尔木国家基准气候站常规地面气象观测要素进行观测，进一步增加了气象资料的信息量。草面温度(简称草温)观测是探测近地层植被表面温度，较地面0cm温度(简称地温)、气温更能代表近地表层温度的自然状况[1-2]。2014-2020年格尔木国家基准气候站的草温观测数据，虽然时间序列较短，但通过草温资料的分析，对草温列入观测要素前出现霜冻、结冰等天气现象时地面温度大于0.0℃的现象(一般应小于0.0℃)得到了科学的解释，为初霜冻的确认提供了最直接的气象资料。如2015-2017、2019年初霜冻出现时地温大于0.0℃，但草温小于0.0℃(表1)，若无草温观测记录，出现霜冻时地温偏高，对于资料审核工作疑虑较大，但因有草温记录，该问题迎刃而解。开展草温研究，对确认霜冻及霜冻预报提供依据的同时，对进一步强化气象保障现代农牧业生产、生态环境保护及应对气候变化、提升政府公共服务能力等方面意义重大。本文针对于此展开分析研究，以期为今后分析预报霜冻及保障农牧业生产、科学防灾减灾、提升公共服务能力等方面提供可靠的理论依据。

表1 格尔木初霜日的草面温度和地面温度

2 数据来源和研究方法

本文利用格尔木国家基准气候站2014-2020年草温、地温观测资料，通过数理统计方法分析了草温及地温的时间变化规律及两者间的异同点和相关性,并分析了造成差异的可能原因。按《地面气象观测规范》要求[3]，草温感应器安置在距离地面6cm的草面，在实际中，因安置处草丛不够密集，感应器基本裸露在外，太阳光直射到感应器上，夏季草丛能够形成部分遮挡，其他季节草株干枯，基本上记录的是距离地表面6cm的空气温度。季节划分按3-5月为春季，6-8月为夏季，9-11月为秋季，12月到次年2月为冬季。资料来自青海省气象信息中心。

3 结果与分析

3.1 草温和地温的年月变化特征

统计得出，近7年来格尔木平均草温为6.6℃，以0.09℃/a的速率呈波动增加趋势，平均地温为10.4℃，以0.03℃/a的速率呈弱增加趋势，两者均通过0.5的显著性检验。草温年平均温度最高为7.2℃，出现在2016年，最低为6.1℃，出现在2014年和2018年；地温年平均温度最高为10.7℃，出现在2019年，最低为10.0℃，出现在2014年。

由格尔木草温和地温的月变化可知(图1)，各月草温平均值均小于地温平均值，两者的差值6-8月较大，7月最大为5.4℃，12月最小为2.1℃。由于地温与草温所处的测温环境、吸热介质不同，白天开始升温时草温吸收热量比地温快，当温度持续升高时，裸露的土壤表面又比草面升温快，故温度持续高温时地温要大于草温；夜间空气温度逐渐下降时，因地表在白天接受到的辐射量比草面多，故地温下降较慢，而草温下降较快。因此，各月的草温均比地温低。

图1 格尔木草面温度和地面温度的月变化

3.2 草温和地温的日变化特征

统计格尔木近7年草温和地温的日变化资料可得(表2)，草温日平均最高出现在14时，为28.6℃，地温日平均最高出现在15时，为35.1℃；草温日平均最低出现在06时，为-4.7℃，地温日平均最低出现在07时，为-2.5℃；草温最高、最低值出现时间均比地温最高、最低值出现时间要提前1h，且草温最高、最低值比地温最高、最低值分别低6.5℃、2.2℃。

表2 格尔木平均日变化草面温度和地面温度 (单位:℃)

地温在16时至次日07时持续下降，08-15时逐渐上升，草温在15时至次日06时持续下降，07-14时逐渐上升，草温升温的时间要早于地温1h。两者对比来看，21-08时、12-20时地温均大于草温；其中，21-08时地温与草温的差值在逐渐减小，12-20时其差值先增加后减小，09时草温与地温持平，10-11时草温大于地温。表明草温在夜间及午后降温幅度大于地温，仅在10-11时升温期间升温幅度比地温略大，但在温度最高的15-17时地温的平均值远大于草温平均值。

3.3 草温和地温的季节变化特征

从格尔木春季草温与地温日变化图2a可见，13时至次日07时草温平均值均小于地温平均值，两者最大差值为7.4℃，出现在15-16时，上午08-12时草温的平均值基本与地温平均值持平，差值较小。分析草温和地温的平均值在春季差异大的原因，可能是格尔木春季晴朗天气较多，白天光照强，在草面和地表不同的测温环境下，地表比草温受到环境干扰较少，且春季风速较大，表面湍流较多，地温受到的影响比草温少。总之，上午草温与地温基本持平，其他时间草温低于地温。

格尔木夏季草温与地温日变化图2b显示，07-09时草温平均值基本与地温平均值持平，10时至次日06时草温平均值均小于地温平均值，其中14-18时草温平均值比地温平均值偏低10-13.3℃，16时相差最高达13.3℃，其他时间偏低4℃左右。分析草温和地温的平均值在夏季差异大的原因，可能与春季相仿，但夏季白天气温高、光照较春季更强，测量地温的下垫面升温高于草面，地表较草面受到环境干扰少，故地温高于草温。总之，清晨草温与地温基本持平，其他时间草温低于地温。

由图2c格尔木秋季草温与地温日变化统计结果可见，09-11时草温平均值大于地温平均值2℃左右，其他时间草温平均值均小于地温平均值，其中14 时-22时草温平均值比地温平均值偏低5℃左右，16时相差最高达5.7℃。分析秋季草温和地温的平均值差异大的原因，可能秋季冷空气活动频繁，白天光照减弱，夜间地表辐射冷却较快，上午下垫面升温比草面慢的原因所致。总之，上午草温高于地温，其他时间草温低于地温。

图2d给出了格尔木冬季草温与地温日变化曲线，可以看出，10-13时草温平均值大于地温平均值3℃左右，其中11时草温偏高于地温5.5℃，其他时间草温均小于地温。夜间草温平均值较地温平均值偏低4℃左右，21时偏低最大为5.1℃。分析草温和地温的平均值在冬季差异大的原因与秋季相仿，只是冬季地表辐射更快，上午地表土壤升温比草面更慢。总之，上午草温高于地温，其他时间草温低于地温。

图2 格尔木草面温度和地面温度的四季日变化

3.4 草温和地温月最高、最低平均温度变化特征

图3a为格尔木草温和地温逐月最高温度平均值月变化，可见，全年草面和地面逐月最高温度平均值均为正值；对比发现，全年中除12月份草温最高温度平均值比地温最高温度平均值高0.5℃外，其他月份草温最高温度平均值均小于地温最高温度平均值，其中 6-8月草温最高温度平均值比地温最高温度平均值低10.0℃左右。图3b是格尔木草温和地温逐月最低温度平均值月变化，可以看出，10月至次年4月草温和地温逐月最低温度的平均值均为负值，6-9月为正值；对比发现，1-12月草温最低温度的平均值均低于地温最低温度的平均值，其中 1、10、12 月草温最低温度的平均值比地温最低温度的平均值要低4.0℃以上。

图3 格尔木草面和地面最高、最低温度月变化

3.5 草温和地温间的相关性分析

为进一步掌握格尔木草温与地温间的特征关系，对草温和地温日平均数据进行线性回归分析 ,得到线性回归方程 :

Y=0.939×Tground-3.233

式中，Y为日平均草温，Tground为日平均地温。可见，日平均草温和日平均地温间呈正相关关系，相关系数为0.98，表明地温逐渐升高(降低)的同时草温也在升高(降低)，草温和地温的变化趋势极其一致。进一步将日平均草温与日平均地温按照季节进行一元线性回归分析，得到各个季节回归方程(如图4)，草温和地温在春、夏、秋、冬季的相关系数分别为0.97、0.90、0.98、0.89，表明各个季节草温与地温之间均有很好的相关性，从相关程度来看，秋季>春季>夏季>冬季。

图4 格尔木草面温度和地面温度的季节变化关系

4 讨论与结论

4.1格尔木草温以0.09℃/a的速率呈波动增加趋势，地温以0.03℃/a的速率呈弱增加趋势。从月变化来看，各月草温平均值均小于地温平均值，7月草温和地温的差值最大,12月最小。

4.2格尔木日平均最高草面温度和地面温度分别出现在14时、15时，日平均最低草面温度和地面温度分别出现在06时、07时，草面温度比地面温度提前1h出现极值。

4.3从季节变化来看，春季的上午、夏季的清晨草温与地温基本持平，其他时间草温低于地温；秋、冬季的上午草温均高于地温，其他时间草温低于地温。

4.41-11月草温最高温度的平均值均低于地温最高温度的平均值，12月草温最高温度的平均值较地温最高温度的平均值略高。全年草温最低温度的平均值均低于地温最低温度的平均值。

4.5草温和地温间有很好的正相关关系，从季节相关程度来看，秋季>春季>夏季>冬季。