文登市地面溫度與氣溫的關系分析

孫鵬鵬 周浩亮 許可 叢源

摘要

運用氣象統計學和氣候學的原理和方法，分析文登市地面氣象觀測站1981～2010年的逐月及逐日平均地面溫度及氣溫資料，建立了以氣溫為基礎的地溫預測模型，并探索地氣溫差的年變化規律。結果表明，1981～2010年文登市年平均地氣溫差為2.1 ℃，農作物生長季（3～11月）平均地氣溫差為2.8 ℃;地氣溫差以6月上中旬最大，12月中下旬最小。

關鍵詞 地面溫度;氣溫;關系模型;文登市

中圖分類號 S161.2 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2015）03-259-02

作者簡介

孫鵬鵬（1983-），女，山東威海人，助理工程師，從事氣象業務工作。

收稿日期 20141211

地面溫度也叫0 cm溫度，是裸露土壤表面的溫度，即大氣與地表結合部的溫度。而氣溫是表示大氣冷熱程度的物理量^[1]。地面氣象觀測中測定的氣溫是離地面1.50 m高度處的溫度，脫離了局部地表的影響。因此，在農業生產和科學研究中，經常用到地溫資料。地溫的高低對近地面氣溫和植物的種子發芽及其生長發育、微生物的繁殖及其活動有很大影響。地溫資料對農、林、牧業的區域規劃有重大意義，但目前獲取地溫的唯一途徑就是實地觀測，而地溫與氣溫有著直接的依賴關系。如果能用通風干濕表觀測得到的氣溫估算地溫，或利用中長期天氣預報的氣溫準確地估算地溫，對于調整農業結構、合理安排播期、預測作物生長發育和科學防災減災等農業生產管理實踐活動提供理論指導將具有重要的實踐意義^[2]。筆者利用氣象統計學與氣候學的原理和方法，分析文登市氣象觀測站1981～2010年多年平均地面溫度和平均氣溫資料，建立以氣溫為基礎的地面溫度模型，并探索地氣溫差的年變化規律。

1 資料與方法

1.1 數據來源

利用文登市氣象觀測站1981～2010年月平均地面溫度、月平均氣溫資料及逐日平均地面溫度、逐日平均氣溫資料，分析1981～2010年多年平均最高最低地、氣溫度及地、氣溫度的月變化幅度，并作出地氣溫差日變化圖。

1.2 研究方法

回歸分析法（regression analysis）是一種處理變量之間相關關系的數學統計方法，它以統計回歸概念為基礎，采用多種類型的回歸方法建立預測方程。回歸分析是最常用的解決地理問題的數學分析方法，它主要是用于回答一些定義明確的度量單位的數值變量之間的關系問題，探討因變量與自變量之間變動的比例關系，并建立某種回歸模型，根據自變量給定的值預測因變量的值，進一步揭示地理要素間的相互關系^[3]。

在此主要選用一元線性回歸方法，表達式為：

yi=ax+b，

設y為實際值，yi為估算值，滿足∑（y-yi）=0;∑（y-yi）²最小;a、b為要確定的系數。

2 結果與分析

2.1 地氣溫差的日變化

對地面溫度和氣溫求取多年日平均值，算出地氣溫差。據1981～2010年日平均資料統計（圖1），1月14日～11月11日期間地面溫度恒大于氣溫，即地氣溫差>0 ℃;11月13日～次年1月1日期間，地面溫度恒小于氣溫，即地氣溫差<0 ℃;11月12日和1月2～13日期間，出現地面溫度有時大于氣溫，有時等于氣溫，也有時小于氣溫的波動情況。文登市日均地面溫度最高值為28.8 ?℃，出現在7月30日，日均氣溫最高值為25.6 ?℃，出現在7月28日;日均地面溫度最低值為-2.5 ℃，出現在1月13日，日均氣溫最低值為-2.6 ℃，出現在1月14日。日平均地氣溫差最大值為4.8 ℃，出現在6月6～7、9～10日，其中5月12日～7月2日地氣溫差較大，這段時間地氣溫差均≥4.0 ?℃;日平均地氣差最小值為-0.7 ℃，出現在12月10日，其中10月18日～次年2月11日地氣溫差較小，這段時間地氣溫差≤1.0 ℃。由此可以得出，地氣溫差最大值和最小值比地溫、氣溫的最高值和最低值出現時間提前，且地面溫度最高值的出現比氣溫最高值的出現有時間的滯后性。

圖1 ?1981～2010年文登市平均地氣溫差日變化

2.2 地氣溫差的月變化

對地面溫度和氣溫求取多年月平均值，算出地氣溫差。據1981～2010年月平均資料統計（表1），3～12月地面溫度和氣溫均為正值，且3～10月地面溫度始終高于氣溫;其中，地面溫度4月比3月升高了8.0 ?℃，5月比4月升高了6.4 ℃，6月比5月升高了5.1 ℃，7月比6月升高了2.1 ℃，8月開始下降;氣溫4月比3月升高了6.6 ℃，5月比4月升高了5.8 ℃，6月比5月升高了4.6 ℃，7月比6月升高了3.2 ℃，8月比7月升高了0.1 ℃，9月開始下降;2～7月地面溫度在上升，2～8月氣溫也在上升，但隨著時間的推移，上升幅度卻均明顯下降;8月～次年1月地面溫度下降，9月～次年1月氣溫下降。地面溫度8月比7月下降了0.4 ℃，9月比8月下降了4.6 ℃，10月比9月下降了7.2 ℃，11月比10月下降了9.0 ℃，12月比11月下降了6.8 ℃，1月比12月下降了2.3 ?℃，2月溫度回升;氣溫9月比8月下降了4.3 ℃，10月比9月下降了6.1 ℃，11月比10月下降了7.3 ℃，12月比11月下降了6.5 ?℃，1月比12月下降了2.8 ℃，2月也開始回升。

表1 1981～2010年文登市地、氣溫差多年月平均值及地氣溫差月平均值

℃

月份地面溫度氣溫溫差

1-2.2-2.30.1

20.8-0.31.1

36.54.42.1

414.511.03.5

520.916.84.1

626.021.44.6

728.124.63.5

827.724.73.0

923.120.42.7

1015.914.31.6

116.97.0-0.1

120.10.5-0.4

2.3 地溫與氣溫的關系模型

利用文登市1981～2010年逐月及逐日平均地面溫度和氣溫數據，建立地面溫度和氣溫月平均序列、日平均地氣溫序列，并用統計回歸的方法分別建立地氣溫的關系模型。由文登市1981～2010年地、氣溫月平均資料得出回歸線性方程為

y=1.13x+0.55（R²=0.991），

地、氣溫逐日的回歸方程為

y=1.13x+0.56（R²=0.991），

式中，y為地面溫度，x為氣溫，月平均回歸系數和日平均回歸系數均為1.13。

地、氣溫月平均和逐日平均回歸得到的模擬方程為直線型，為一次線性方程，且斜率>0，回歸系數相等（圖2）。由此得出，氣溫與地面溫度有較好的相關性關系，且呈正相關的關系，即地面溫度隨著氣溫的升高而升高，隨著氣溫的降低而降低;相關系數均在0.784以上且均通過0.001顯著性檢驗，說明地溫與氣溫的變化趨勢具有較好的一致性。

2.4 地氣溫模型的檢驗

為了檢驗文登市逐月平均地氣溫關系模型的正確性，選取2009年各月平均氣溫實測數據分別代入公式y=1.13x+0.55，得出2009年各月平均地面溫度的計算值，并算出該計算值與各月平均地面溫度實測值之間的誤差（表2）。

由表2可見，2009年最大絕對誤差為2.2 ℃，出現在6月;最小絕對誤差為0.1 ℃，出現在1、9月;全年平均絕對誤差為0.9 ℃，絕對誤差的均方差為0.7 ℃，方差值不大，說明計算值與實測值比較吻合，多年月平均地面溫度的模擬方程較準確。

圖2 1981～2010年文登市多年月平均（a）和日平均（b）地氣溫關系

表2 ?2009年文登市多年月平均地面溫度的計算值與實測值及誤差

℃

月份計算值實測值誤差

1-0.9-1.00.1

22.13.3-1.2

35.47.1-1.7

413.915.8-1.9

521.221.9-0.7

625.427.6-2.2

727.026.70.3

828.328.5-0.2

924.324.20.1

1019.118.30.8

116.95.41.5

120.20.6-0.4

利用2010年逐日平均氣溫實測數據，來檢驗多年日平均地氣溫模型的準確性。將逐日平均氣溫實測值代入公式y=1.13x+0.56，得出2010年逐日平均地面溫度的計算值，并算出該計算值與逐日平均地面溫度實測值之間的誤差，作出逐日地面溫度計算值與實測值的對比圖（圖3）。

圖3 2010年文登市逐日平均地面溫度計算值與實測值對比

從圖3可以看出，1月上中旬、5～8月地面溫度的計算值與實測值誤差較大，其他時間誤差較小。一般地氣溫差較大的時期地溫計算值與實測值的誤差也較大，地氣溫差較小的時期地溫計算值與實測值的誤差也較小。全年曲線計算值與實測值的吻合程度較好，全年平均絕對誤差為2.2 ℃，

絕對誤差的均方差

為1.5 ℃，說明預測模型效果較好，具有一定的應用價值，為滿足農業生產實踐的需要提供一種工具。

3 結論

文登市有4/5的時間日平均地溫一般高于氣溫;1981～2010年年平均地氣溫差為2.1 ℃，農作物生長季（3～11月）平均溫差為2.8 ℃;地氣溫差以6月上中旬最大，12月中下

旬最小;氣溫與地面溫度有較好的相關性，地溫實測值與預測值之間的誤差較小。一般情況下，可以滿足農業生產和試驗研究的需要。

參考文獻

[1]

中國氣象局.地面氣象觀測規范[M].北京：氣象出版社，2003：35-41.

[2] 姜會飛，廖樹華，葉爾克江，等.地面溫度與氣溫關系的統計分析[J].中國農業氣象，2004，25（3）：1-4.

[3] 劉賢趙，張安定，李嘉竹.地理學數學方法[M].北京：科學出版社，2008：43-44.