霜凍天氣條件下淺層土壤溫度變化特征分析

韓湘云 錢晰

摘要 選擇江蘇海安市為研究對象，研究春、冬季淺層土壤溫度的變化規(guī)律及在發(fā)生霜凍情況下土壤溫度的動態(tài)變化特征。結(jié)果表明，從季節(jié)變化來看，近地層土壤溫度變化趨勢與氣溫一致，變化幅度沒有氣溫劇烈，土層越深，土壤溫度變化趨勢越來越平緩;各層土溫日內(nèi)變化均呈現(xiàn)正弦曲線狀態(tài)，其中地表溫度的變幅較大，且出現(xiàn)極值的時間比20 cm土層出現(xiàn)極值的時間早4 h左右;春季地氣間熱量交換比冬季大，極易發(fā)生晚霜凍。

關(guān)鍵詞 土壤溫度;春季;冬季;霜凍;變化特征

土壤溫度是地表的一項重要物理量，與土壤濕度、地表水分及能量的再分配、地表植被的生長狀況等密切相關(guān)，同時也是作物種子萌發(fā)、幼苗及根系正常生長發(fā)育必不可少的重要條件。土壤溫度還對春季與冬季凍害起到?jīng)Q定性作用，在日常的農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)工作中如果僅僅以氣溫作為凍害預(yù)報服務(wù)指標(biāo)而忽略土壤溫度必然會對服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生嚴重影響，主要是由于春季與冬季農(nóng)作物正處于萌發(fā)及幼苗狀態(tài)，土壤溫度對農(nóng)作物的影響要明顯高于氣溫，而且土壤具有保溫功能，既會減緩降溫速度，還會影響到服務(wù)時效問題?；诖耍P者利用海安市2014年11月至2017年4月的土壤溫度觀測資料，對春季與冬季土壤溫度變化特征及霜凍前后土壤溫度變化特征進行分析，以期為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)氣象預(yù)警服務(wù)提供一定的參考。

1資料與方法

1.1研究區(qū)概況

江蘇海安市東部臨近黃海，南部瀕臨長江，西北靠近姜堰，北部與東臺相互接壤，地理坐標(biāo)120°12′～120°53′ E，32°32′～32°43′ N，位于典型的北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。以海安市為研究對象，重點探析該地區(qū)土壤溫度變化特征。

1.2數(shù)據(jù)來源與研究方法

選用2014年11月至2017年4月海安市氣象觀測站的分鐘氣象觀測資料，其中包含氣溫、降水量及土壤溫度（0、5、10、15、20 cm）等資料。使用Excel、Matlab軟件對數(shù)據(jù)進行分析與處理，并

對每天、每小時數(shù)據(jù)進行平均處理。

2結(jié)果與分析

2.1土壤溫度時空變化特征

2.1.1月變化特征由圖1可見，近地層土壤溫度變化與氣溫變化趨勢基本保持一致，但是相對比而言，氣溫變化趨勢較為劇烈，而近地層土壤溫度變化較為平緩。土壤溫度隨著土層深度越深其變化趨勢越平緩。其中1月日平均土壤溫度最低，2月底之前隨著土層深度的不斷增加，土壤溫度也呈增加趨勢;自3月之后氣溫開始回升，而土壤溫度隨著土層深度的增加而呈逐漸降低的變化趨勢。

2.1.2日變化特征2014年11月至2017年4月土壤溫度表現(xiàn)出較為明顯的日變化特征，其中地表溫度的變化幅度比較大，06：00地表溫度最低，為5.0℃，13：00地表溫度最高，為19.9℃。對比各土層土壤溫度的變化特征能夠發(fā)現(xiàn)，20 cm土壤溫度的變化幅度較小，其中10：00土壤溫度最低，為9.4℃，17：00土壤溫度最高，為11.6℃。而且該土層極值出現(xiàn)的時間要晚于0 cm土層溫度4 h，由此得出，早晨20 cm的土層溫度要比上層的土壤溫度高，且土壤熱量逐漸由深層傳送至淺層，另外由于熱量流失而導(dǎo)致自身的溫度顯著下降，但是淺層土壤受到太陽輻射的影響導(dǎo)致其溫度有所增加，進而導(dǎo)致淺層土壤溫度要比深層高，同時熱量反方向傳輸，導(dǎo)致20 cm土層的溫度也呈升溫趨勢。

2.2霜凍天氣發(fā)生前后土壤溫度的變化特征

為分析春、冬季霜凍條件下土壤溫度的變化特征，選取2015年4月8—9日和2016年2月1—2日數(shù)據(jù)為例進行分析。從圖2a可以看出，不同土深的土壤溫度隨著氣溫變化變幅明顯，夜間隨著土層加深溫度越高，地表土壤溫度低于氣溫，白天土層越淺溫度越高。從圖2b可以看出，10和20 cm土深的溫度變化平緩，夜間隨著土層加深溫度也越高，但是地表溫度是高于氣溫的，不同于春季。

一天內(nèi)不同深度的土壤溫度溫差較大。選取的2個霜凍天氣00：00、06：00的溫度廓線相似，溫度隨著深度增加而上升;而白天隨著太陽輻射的增加，則呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，冬季12：00地表溫度升溫明顯，5、10、15和20 cm仍維持隨著深度增加而溫度越高的狀態(tài)，春季12：00越靠近地表土壤溫度越高;日落后隨著地表大氣溫度的降低，冬季地表溫度降溫明顯，其他土層的溫度仍維持隨著深度增加而溫度越高的狀態(tài)，春季地表和5 cm土深的溫度對氣溫響應(yīng)明顯，其他土層的溫度變化滯后。春季白天隨著太陽輻射的增加，淺層土溫迅速上升，而日落后又逐漸向大氣釋放能量，地氣間熱量交換比冬季大，極易發(fā)生晚霜凍。

3結(jié)論與討論

通過分析探討春、冬季土壤溫度的變化情況，可以得出如下結(jié)論：從季節(jié)變化來看，近地層土壤溫度變化趨勢與氣溫一致，變化幅度沒有氣溫劇烈，土層越深，土壤溫度變化趨勢越來越平緩，這是因為深層土壤比淺層土壤掩蔽性高，熱流從表層傳遞到深層存在滯后現(xiàn)象;土壤溫度日內(nèi)變化特征表明20 cm土層出現(xiàn)極值的時間比0 cm土層晚4 h左右，土層越深土壤溫度變化越平緩;春季白天隨著太陽輻射的增加，淺層土溫迅速上升，而日落后又逐漸向大氣釋放能量，地氣間熱量交換比冬季大，極易發(fā)生晚霜凍。

該研究分析了春冬季霜凍發(fā)生前后土壤溫度變化特征，發(fā)現(xiàn)氣溫與土壤溫度存在較高的相關(guān)關(guān)系，后期將對分析所得的淺層土壤溫度與地氣溫的關(guān)系進行量化，以期為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)警服務(wù)提供參考。

參考文獻

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責(zé)任編輯：鄭丹丹