格爾木地區(qū)植被表面溫度變化特征及影響因子分析

何生錄，王發(fā)科，張亞珍，梅 朵，鄧海峰

(1.青海省格爾木市氣象局，青海 格爾木 816099；2.青海省防災減災重點實驗室，青海 西寧 810001；3.青海省諾木洪氣象站，青海 都蘭 816102)

1 引言

隨著經濟社會發(fā)展對公共氣象服務、氣象防災減災需求的增加，氣象現(xiàn)代化業(yè)務體系正逐步完善，更多面向服務需求的氣象要素被列入氣象觀測行列。2014年起，植被表面溫度納入格爾木國家基準氣候站常規(guī)地面氣象觀測要素，增加了氣象資料的信息量。草面溫度(簡稱草溫)觀測是探測近地層植被表面溫度，較地面0 cm溫度(簡稱地溫)、氣溫更能代表近地表層溫度的自然狀況。草溫通過鉑電阻溫度傳感器測量，傳感器安裝在距地6 cm高度的草面上，并與地面大致平行，觀測區(qū)域位于裸地地溫觀測區(qū)西側，草地面積約1 m2，當觀測區(qū)植被高度超過10 cm時，應及時修剪草層高度[1]。

開展草溫研究，對強化氣象保障現(xiàn)代農牧業(yè)生產、生態(tài)環(huán)境保護等方面意義重大。周曉香等[2]分析了江西省草溫的分布狀況，結果表明草溫日較差與緯度、季節(jié)、自然地理條件、天氣等因素有關；李秦等[3]研究分析新疆草溫的特征，發(fā)現(xiàn)新疆草溫的分布受緯度、拔海高度的影響比較明顯，呈現(xiàn)東部高西部低，南部高北部低，盆地高山區(qū)低的特點；程愛珍等[4]分析了天氣現(xiàn)象變化(輻射、云、降水、風 )與草溫變化的密切關系；鄧天宏等[5]分析了鄭州等4個站不同季節(jié)(冬夏)、不同天氣條件(晴天、陰雨和降雪)下，草溫、0 cm地溫和氣溫的全天變化關系；馬汝忠[6]對湟源地區(qū)草面溫度的變化特征、草面溫度與氣溫、地面溫度的關系等進行了分析。在諸多研究中，有關格爾木地區(qū)草面溫度的變化特征及與氣象要素關系的研究尚未見到，本文針對于此展開分析研究，以期為科學利用草面溫度數據、加強精細化氣象服務、保障農牧業(yè)生產等方面提供科技支撐。

2 數據來源和研究方法

選用格爾木、小灶火2015-2020年逐日逐小時草溫、氣溫、0 cm地溫等氣象資料，采用數理統(tǒng)計方法分析草溫的變化特征及其與氣象影響因子間的相關性。因2019年起小灶火國家基本氣象站停止低云量的觀測，故在分析草溫與云量間的關系時，采用2015-2018年白天08、14、20時低云量資料為研究對象。季節(jié)劃分為：3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12～次年2月為冬季。數據來自于青海省氣象信息中心。

3 草溫變化特征

3.1 草溫的年、月、日變化

從表1可知，格爾木地區(qū)年平均草溫為6.6 ℃，2020年出現(xiàn)草溫最高值為7.1 ℃，2018年出現(xiàn)草溫最低值為6.0 ℃。從空間變化來看，格爾木、小灶火年平均草溫分別為6.8 ℃、6.5 ℃，格爾木在2016年出現(xiàn)草溫最高值為7.2 ℃，小灶火在2020年出現(xiàn)草溫最高值為7.1 ℃，2站最低草溫均出現(xiàn)在2018年，為6.1 ℃；可見，格爾木地區(qū)草溫東部高于西部。

表1 格爾木地區(qū)草面溫度歷年平均值 (單位：℃)

圖1(a)格爾木地區(qū)草溫月變化呈現(xiàn)單峰型，月平均最低草溫為-10.3 ℃，出現(xiàn)在12月，月平均最高為22.2 ℃，出現(xiàn)在7月。采用變溫(當前月草溫變溫 = 當前月草溫平均值‐上月草溫平均值)描述草溫的月變化幅度[7]，總體來看，月平均絕對變溫為5.4 ℃，2～7月草面溫度在逐月升高，其中3月和4月升幅較大，變溫分別為8.6 ℃、7.8 ℃，6月和7月升幅較小，變溫分別為3.9 ℃、2.6 ℃；8月至次年1月草溫在逐月降低，其中10月和11月降幅較大，變溫分別為-9.7 ℃、-8.1 ℃，8月降幅較小，變溫為-1.3 ℃。

圖1(b)格爾木地區(qū)草溫日變化呈現(xiàn)出一谷一峰的變化特征，日平均最高草溫為27.1 ℃，出現(xiàn)在14時，日平均最低草溫為-4.6 ℃，出現(xiàn)在6～7時，這表明草溫日變化的主要影響因素是太陽輻射。草溫的日平均絕對變溫為2.6 ℃，日最大變溫為8.5 ℃，出現(xiàn)在10時，7～14時草溫在逐時升高，尤其是9～11時升幅最大，日出后總輻射的迅速增加及太陽直射草溫傳感器，造成了草溫的迅速升高；15時至次日06時草溫在逐時下降，18～20時降幅最大，00時至06時降幅最為緩慢，日落后總輻射為零，但草面在向大氣輸出長波散失熱量的同時，能夠接收部分地面的長波輻射而吸收熱量，但散失的熱量多于吸收的熱量，因此草溫總體上還是呈下降趨勢，只是變化較為平緩。

圖1 格爾木地區(qū)草面溫度月變化曲線(a)和日變化曲線(b)

3.2 草溫的日較差及年較差

通常情況下在1日內草溫會出現(xiàn)1個最高值和1個最低值。草溫日較差的大小和測站所處的緯度、季節(jié)、自然地理條件以及天氣情況等因素有關。統(tǒng)計得出，格爾木、小灶火及格爾木地區(qū)草溫年平均日較差分別為40.9 ℃、36.5 ℃和38.7 ℃，格爾木地區(qū)草溫極大日較差達60.2 ℃，出現(xiàn)在2020年3月24日，極小日較差為2.0 ℃，出現(xiàn)在2016年12月2日。從格爾木地區(qū)草溫日較差的季節(jié)分布來看，春季草溫日較差最大，平均值為42.0 ℃，夏季最小，平均值為35.1 ℃；進一步對比草溫逐日日較差發(fā)現(xiàn)，草溫日較差極大值一般出現(xiàn)在初春和仲春，極小值出現(xiàn)在仲夏和盛夏 ；從地理條件看 ，處于柴達木中部的格爾木草溫日較差大于地處柴達木盆地偏西部的小灶火。

草溫的年較差是指一年中最熱月平均溫度和最冷月平均溫度的差值[2]。格爾木、小灶火及格爾木地區(qū)最熱月7月平均草溫分別為21.6 ℃、22.8 ℃、22.2 ℃，最冷月1月平均草溫分別為-9.8 ℃、-10.7 ℃、-10.3 ℃，草溫年較差分別為31.4 ℃、33.5 ℃、32.5 ℃，小灶火草溫年較差大于格爾木，這與草溫日較差剛好相反。

3.3 草溫的變率

草溫的變率是指草溫時間序列的離散程度，本文中用均方差來描述。從圖2格爾木地區(qū)1～12月草溫的均方差可以看出，格爾木地區(qū)草溫的離散程度11月份出現(xiàn)最高峰，均方差為2.0，冬季也較高，均方差為1.5；草溫變率的最低峰出現(xiàn)在5月份，均方差為0.6，4月和8月次之，為0.9。究其原因 ，是因為11月格爾木地區(qū)冷空氣活動逐漸增強，致使草溫變化劇烈，而到了5月份，天氣轉暖且變幅較小 ，致使草溫變化趨于平緩。

圖2 格爾木地區(qū)日平均草面溫度均方差

4 草溫的影響因子分析

4.1 草溫與氣溫、地溫間的相關性

圖3(a)是格爾木地區(qū)草溫和氣溫間的線性回歸分析圖?？梢娙掌骄轀睾腿掌骄鶜鉁亻g存在顯著的正相關關系，相關系數為0.996(P<0.01)，通過了極顯著性水平檢驗。格爾木地區(qū)年平均草溫為6.6 ℃，年平均氣溫為6.0 ℃，草溫較氣溫偏高0.6 ℃；從季節(jié)變化來看，春、夏季草溫比氣溫分別偏高3.1 ℃、1.9 ℃，而秋、冬季草面比氣溫分別偏低0.4 ℃、1.9 ℃。從月變化分析，3～9月平均草溫高于平均氣溫，其中5～7月偏高超過3.0 ℃，3月僅偏高0.1 ℃，10月至次年2 月平均草溫均低于平均氣溫，其中11月至次年1月偏低2.0 ℃，10月僅偏低0.7 ℃。圖3(b)是格爾木地區(qū)草溫和地溫間的線性回歸分析圖?？梢娙掌骄轀睾腿掌骄販亻g存在極顯著的正相關關系，相關系數為0.998(P<0.01)，通過了極顯著性水平檢驗。格爾木地區(qū)年平均草溫低于平均地溫3.6 ℃，從季節(jié)變化來看，草溫一年四季均低于地溫，春、秋、冬季偏低3.0 ℃，夏季偏低最多為4.3 ℃；從月變化分析，11月至次年5月平均草溫低于平均地溫3 ℃，6～10月偏低超過4.0 ℃，9月偏低最多為4.4 ℃。分析草溫與氣溫、地溫間的差異，主要是由于各自測溫傳感器所處的測溫環(huán)境(土壤、植物和空氣)對太陽輻射的接受程度不同的結果。

4.2 草溫與不同天空狀況間的關系

分別選取少云(低云量<30%，且全天日照時數≥7h)、多云(30% ≤低云量≤70%，且3h≤全天日照時數<7h)、陰天(低云量>70%，且全天日照時數<3h)的 3 種不同天空狀況的觀測數據，統(tǒng)計分析不同天空狀況下草溫與地溫、氣溫三者之間的變化。

在少云天況下，不同季節(jié)草溫、氣溫、地溫間的關系不同，秋、冬季地溫 >氣溫>草溫，而春、夏季地溫>草溫>氣溫，這主要是由三者熱容率的差異造成。晴天少云時草溫與氣溫、地溫的平均絕對溫差均較其他天空狀況下大，如表2所示，主要是熱量來自太陽輻射，晴天少云時，大氣透明度較好，白天太陽直接輻射強烈，致使溫度快速升高，夜間地表輻射冷卻使得溫度急速下降，造成晝夜溫差加大。

在多云天況下，春、夏、秋季地溫>草溫>氣溫，冬季地溫>氣溫>草溫。草溫與氣溫、草溫與地溫的絕對溫差均小于晴天少云時，如表2所示，草溫與氣溫較為接近，但草溫與地溫差值較大，可能是多云狀況下，因云量的增多致使太陽直接輻射減弱，此時草溫主要受大氣散射輻射影響，白天溫度增加少而夜間逆輻射增強，使得晝夜升降溫度緩慢，同時土壤深層不斷向上輸送熱量給地溫，故夜間地溫降溫較草溫和氣溫更為緩慢。

圖3 草面溫度與氣溫(a)和地溫(b)間的相關圖

在陰天天況下，春、夏季地溫>草溫>氣溫，秋季地溫>氣溫>草溫(冬季無陰天多云天況出現(xiàn))，與晴天少云時、晴天多云時相比，草溫與氣溫、地溫的絕對溫差最小，如表2所示，三者溫度較為接近，可能是陰天多云的天況下，地面沒有太陽直接輻射，只有大氣的散射輻射，濕度大的天氣時地面輻射差額變化較小，低云量幾乎布滿全天，使大氣的逆輻射增強，地面的有效輻射減少，造成三者溫度相差不大。

表2 不同天況下草面溫度與氣溫和地面溫度的絕對溫差 單位：℃

5 主要結論

(1)格爾木地區(qū)年平均草溫為6.6 ℃，以0.04 ℃/a呈弱波動上升趨勢，東部草溫高于西部；草溫月變化呈現(xiàn)出單峰型曲線，2～7月草溫逐月升高，7月出現(xiàn)最高值，8月至次年1月逐月減小，12月出現(xiàn)最低值；草溫日變化呈現(xiàn)出一谷一峰的變化特征，日最高草溫出現(xiàn)在14時，日最低草溫出現(xiàn)在6～7時。

(2)格爾木地區(qū)草溫年均日較差為38.7 ℃，極大(小)日較差為60.2 ℃(2.0 ℃)；季節(jié)分布來看，春季日較差最大，夏季日較差最小。草溫年較差為32.5 ℃，小灶火草溫年較差大于格爾木，這與草溫日較差剛好相反。

(3)格爾木地區(qū)草溫較氣溫偏高0.6 ℃，草溫較地溫偏低3.6 ℃，草溫和氣溫、地溫間均存在顯著的正相關關系，通過了0.01的極顯著性檢驗，

(4)不同季節(jié)、不同天空狀況下，草溫與地溫、氣溫的關系不同，少云時秋、冬季地溫>氣溫>草溫，春、夏季地溫>草溫>氣溫；多云時，春、夏、秋季地溫>草溫>氣溫，冬季地溫>氣溫>草溫；陰天時，春、夏季地溫>草溫>氣溫，秋季地溫>氣溫>草溫。晴天少云(陰天多云)時，草溫與氣溫、地溫的絕對溫差最大(小)。