朔州市近30年浅层地温变化特征及播种期地温预报模型研究

摘 要：为了解朔州市6个区县浅层地温变化规律与地温气温之间的关系，并更好地为大田作物地温预报服务，保障粮食生产安全，利用朔州市6个气象观测站点1991—2020年近30年逐月0、5、10、20 cm浅层地温及气温数据，分析地温和气温的年变化、月均变化规律，进一步建立朔州市春播期（4、5月）地温预报模型并进行检验，验证模型的实用性。

关键词：浅层地温；预报；模型研究

中图分类号：S165 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）10–0-03

在农业生产中，水、肥、气、光、温等因素会直接影响作物的生长，决定作物最终的产量[1-3]。气温和地温都是影响粮食作物生长和收成的重要因素，只有在合适的温度条件下，作物才能生根发芽，植株健壮生

长[4]。特别是地温，农作物播种后，种子发芽要求地温高于一定的数值[5-6]。在实际生产中，种子播种深度一般＜10 cm，地温指的是地表以下10 cm深处的温度。在研究农作物生长情况时，往往只观测地表5、10、15、20 cm的数值[7]。地温不仅与气温相关，还与太阳辐射、各层土壤湿度、风速等气象要素息息相关。在朔州市，春季播种的气象条件通常较为适宜，满足农作物的生长需求。将主要探讨地温与气温之间的关系，分析其变化规律，并建立地温预测模型，为朔州市农作物的春季种植和耕作提供参考，确保粮食丰收。

1 资料和方法

选取朔州市1991—2020年逐月气温、0、5、10、20 cm

地温观测资料。

2 研究方法

利用朔州市6个区县国家基本气象站1991—2020年4—10月逐月地温和气温数据，运用气候倾向率、数理统计等方法，研究近30年来0～20 cm地温和气温的变化规律，并建立气温影响下的春播期4、5月地温预报模型，用实测数据进行检验，验证模型的实

用性。

3 结果与分析

3.1 地温和气温的年代际变化

对1991—2020年朔州市不同土层深度4—10的月数据进行分析。从表1可以看出，1991—2010年，21世纪10年代较21世纪00年代气温上升0.2 ℃，21世纪00年代较20世纪90年代上升0.5 ℃。年代际平均气温与各土层温度均呈上升趋势，21世纪00年代升温幅度更明显，气温的变化导致地温的变化也更明显。

表1" 1991—2020年朔州地温和气温均值的年代际变化" " " " " " " " " " " " " " " " " ℃

年代 气温 0 cm地温 5 cm地温 10 cm地温 20 cm地温

20世纪90年代 15.6 18.8 17.1 16.7 16.7

21世纪00年代 16.1 19.4 18 17.6 17.2

21世纪10年代 16.3 19.9 18.4 18.2 17.8

21世纪00年代与20世纪90年代差 0.5 0.6 0.9 0.9 0.5

21世纪10年代与21世纪00年代差 0.2 0.5 0.4 0.6 0.6

3.2 地温和气温的年变化

从1991—2020年朔州市地温和气温逐年变化（图1）可知，气温和地温的变化趋势基本保持一致，整体呈现起伏上扬的波动趋势。1995、2000、2003、2008、2017年是0～20 cm土层异常偏低年份，与年平均气温的变化趋势相吻合。土壤表面至20 cm地温呈现逐年上升的趋势，这对朔州市的作物种植结构产生了显著影响。随着土壤深度的增加，气温和地温之间表现出递减的关系，20 cm深度时两者之间的差异最小，仅为1.3 ℃。气温和各深度土层地温的气候倾向率在0.3～0.68变动，每10年变化一次。

3.3 地温的月际变化

从1991—2020年4—10月朔州市地温月均变化趋势（图2）可以看到，各层土壤温度的变化规律大致相同，从4月开始逐渐上升，直至7月达到峰值，随后在10月降至最低点。观察曲线可以发现，9月与10月之间各深度土层的温度出现一个拐点，0 cm地温由高峰转为低谷，这种特殊现象与太阳辐射和土壤导热规律密切相关。0 cm地温与气温关联最紧密，降温速度最快且影响最直接，而对5、10和20 cm地温的影响则存在滞后效应。从月份变化的角度来看，10月各深度的温度会有所差异，其中，20 cm地温最高，而0 cm地温最低。

图1" 1991—2020年朔州市地温和气温的年变化

图2" 1991—2020年4—10月朔州市地温的月均变化

3.4 气温和地温突变分析

对1991—2020年4—10月朔州市逐年气温和0～20 cm

地温进行突变分析，分别采用M-K和滑动t检验2种方法进行检验分析。从检验结果来看，M-K突变检验地温和气温的突变年份有所不同。气温M-K检验突变点在1999年，而滑动t检验这一年份没有超过临界值。地温中除0 cm突变点不一致外，其他土层从M-K检验结果来看，突变点均发生在2003年前后，而滑动t检验5～20 cm土层在2004年前后超过了临界值。

3.5 地气温差的地理分布

地气温差是指相同地点地温和气温的差值，4—5月朔州市正值春播期，冻土解冻，地温回升，地温一般情况下要高于气温，但个别站点地温低于气温，导致差值有正有负，故经过绝对值处理后可以更加直观地分析地气温的差值变化。

从0 cm地气温差值来看，4月差值小于5月，说明

0 cm地温不断升高，地气温差值增大。从5～20 cm地气温差值来看，5月地气温差值增大，差值较大地区主要集中在北部（表2）。总体来看，0、5、10 cm地气温差变化过程基本一致，西部、西南部地气温差较小，北部差值较大。而20 cm地温因土较厚，升温有滞后性，20 cm地气温差值与0、5、10 cm地气温差值变化过程有所不同。

表2" 1991—2020年朔州不同深度地气温差的绝对值" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " ℃

站点 0 cm 5 cm 10 cm 20 cm

4月 5月 4月 5月 4月 5月 4月 5月

朔城区 2.7 3.9 0.5 1.6 0.1 0.8 0.9 0.1

山阴 2.9 4.0 0.7 1.6 0.2 0.9 0.7 0.0

应县 3.5 4.4 1.1 1.6 0.7 1.0 0.1 0.1

平鲁 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

怀仁 3.4 4.4 1.1 1.9 0.5 1.0 0.1 0.7

3.6 春播期地温预报模型

在朔州市，4月和5月是大田农作物的主要播种季节，因此，春季播种期地温预报模型根据该市的6个区县进行划分，共涉及6组模型。每组预报模型进一步基于不同月份和土层深度进行划分，共8个预报模型。利用各区县的气温和地温数据，建立了针对不同土层深度地温的预测模型（表3）。

表3" 1991—2020年朔州市4月和5月不同土层深度地温预报模型

月份 距地表深度 朔城区 山阴 应县 平鲁 怀仁 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为4月和5月不同土层深度地温，X为4月和5月气温，单位均为℃。

将2022—2023年4月、5月各区县气温分别代入预报模型，得到不同土层气温影响下的地温数据预测值，并根据模型准确率计算，回代检验与实况差异（表4）。可以看出，准确率最低的是山阴2022年4月10 cm预报模型（75.8%），最高的是怀仁2022年5月0 cm预报模型（99.7%），总体来看，基于关键因子气温的预报模型对不同土层地温的预报效果良好，可以投入业务应用。

模型准确率/%=1-×100

表4" 2022—2023年朔州市4—5月不同土层深度地温预报模型回代检验预报准确率 %

年份 距地表深度 4月 5月

朔城区 山阴 应县 平鲁 怀仁 右玉 朔城区 山阴 应县 平鲁 怀仁 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 结论

（1）气温和地温变化趋势基本一致，曲线整体呈波动上升的趋势；地温0～20 cm呈现逐年上升趋势，气温与地温之间随着地层的厚度呈现递减的关系。4—10月地温平均值从4月开始逐渐上升，7月达到峰值，随后在10月降至最低点。9月与10月之间各深度土层的温度出现一个拐点，0 cm地温由高峰转为低谷，从月份变化的角度来看，10月各深度的温度会有所差异，其中，20 cm地温最高，而0 cm地温最低。

（2）M-K突变检验地温和气温的突变年份有所不同。气温M-K检验突变点在1999年，而滑动t检验这一年份没有超过临界值。地温中除0 cm突变点不一致外，其他土层从M-K检验结果看，突变点均发生在2003年前后，而滑动t检验表明5～20 cm土层在2004年前后超过了临界值，较为一致。

（3）从0 cm地温差值来看，4月差值小于5月，说明

0 cm地温不断升高，地气温差值增大。从5～20 cm地气温差值来看，5月地气温差值增大，差值较大地区主要集中在北部。总体来看，0、5、10 cm地气温差变化过程基本一致，西部、西南部地气温差较小，北部差值较大。而20 cm地温因土较厚，升温有滞后性，20 cm地气温差值与0、5、10 cm地气温差值变化过程有所不同。

（4）建立了基于关键因子气温的预报模型，实测验证发现，总体模型准确率相对较高，对不同土层地温的预报效果良好，可以投入业务应用。但对地温预报的研究仅考虑了气温，较为单一，还需要考虑光照、降水、干旱灾害等因素，才能更好地为提高粮食产量提供参考。

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收稿日期：2024-06-19

作者简介：王文娟（1986—），女，山西朔州人，高级工程师，研究方向为综合气象观测及为农气象服务。