霜凍天氣條件下淺層土壤溫度變化特征分析

韓湘云 錢(qián)晰

摘要 選擇江蘇海安市為研究對(duì)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(dòng)態(tài)變化特征。結(jié)果表明，從季節(jié)變化來(lái)看，近地層土壤溫度變化趨勢(shì)與氣溫一致，變化幅度沒(méi)有氣溫劇烈，土層越深，土壤溫度變化趨勢(shì)越來(lái)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(shí)間比20 cm土層出現(xiàn)極值的時(shí)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(xiàng)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(zhǎng)狀況等密切相關(guān)，同時(shí)也是作物種子萌發(fā)、幼苗及根系正常生長(zhǎng)發(fā)育必不可少的重要條件。土壤溫度還對(duì)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(bào)服務(wù)指標(biāo)而忽略土壤溫度必然會(huì)對(duì)服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)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(duì)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(huì)減緩降溫速度，還會(huì)影響到服務(wù)時(shí)效問(wèn)題。基于此，筆者利用海安市2014年11月至2017年4月的土壤溫度觀測(cè)資料，對(duì)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(jìn)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(zhǎng)江，西北靠近姜堰，北部與東臺(tái)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(duì)象，重點(diǎn)探析該地區(qū)土壤溫度變化特征。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

選用2014年11月至2017年4月海安市氣象觀測(cè)站的分鐘氣象觀測(cè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，并

對(duì)每天、每小時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理。

2結(jié)果與分析

2.1土壤溫度時(shí)空變化特征

2.1.1月變化特征由圖1可見(jiàn)，近地層土壤溫度變化與氣溫變化趨勢(shì)基本保持一致，但是相對(duì)比而言，氣溫變化趨勢(shì)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(shì)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(shì);自3月之后氣溫開(kāi)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(shì)。

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(duì)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(shí)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(yáng)輻射的影響導(dǎo)致其溫度有所增加，進(jìn)而導(dǎo)致淺層土壤溫度要比深層高，同時(shí)熱量反方向傳輸，導(dǎo)致20 cm土層的溫度也呈升溫趨勢(shì)。

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(jìn)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(gè)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(yáng)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(duì)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(yáng)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(guò)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(lái)看，近地層土壤溫度變化趨勢(shì)與氣溫一致，變化幅度沒(méi)有氣溫劇烈，土層越深，土壤溫度變化趨勢(shì)越來(lái)越平緩，這是因?yàn)樯顚油寥辣葴\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(shí)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(yáng)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(duì)分析所得的淺層土壤溫度與地氣溫的關(guān)系進(jìn)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。

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責(zé)任編輯：鄭丹丹