文登市地面温度与气温的关系分析

孙鹏鹏 周浩亮 许可 丛源

摘要

运用气象统计学和气候学的原理和方法，分析文登市地面气象观测站1981～2010年的逐月及逐日平均地面温度及气温资料，建立了以气温为基础的地温预测模型，并探索地气温差的年变化规律。结果表明，1981～2010年文登市年平均地氣温差为2.1 ℃，农作物生长季（3～11月）平均地气温差为2.8 ℃;地气温差以6月上中旬最大，12月中下旬最小。

关键词 地面温度;气温;关系模型;文登市

中图分类号 S161.2  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2015）03-259-02

作者简介

孙鹏鹏（1983-），女，山东威海人，助理工程师，从事气象业务工作。

收稿日期 20141211

地面温度也叫0 cm温度，是裸露土壤表面的温度，即大气与地表结合部的温度。而气温是表示大气冷热程度的物理量^[1]。地面气象观测中测定的气温是离地面1.50 m高度处的温度，脱离了局部地表的影响。因此，在农业生产和科学研究中，经常用到地温资料。地温的高低对近地面气温和植物的种子发芽及其生长发育、微生物的繁殖及其活动有很大影响。地温资料对农、林、牧业的区域规划有重大意义，但目前获取地温的唯一途径就是实地观测，而地温与气温有着直接的依赖关系。如果能用通风干湿表观测得到的气温估算地温，或利用中长期天气预报的气温准确地估算地温，对于调整农业结构、合理安排播期、预测作物生长发育和科学防灾减灾等农业生产管理实践活动提供理论指导将具有重要的实践意义^[2]。笔者利用气象统计学与气候学的原理和方法，分析文登市气象观测站1981～2010年多年平均地面温度和平均气温资料，建立以气温为基础的地面温度模型，并探索地气温差的年变化规律。

1 资料与方法

1.1 数据来源

利用文登市气象观测站1981～2010年月平均地面温度、月平均气温资料及逐日平均地面温度、逐日平均气温资料，分析1981～2010年多年平均最高最低地、气温度及地、气温度的月变化幅度，并作出地气温差日变化图。

1.2 研究方法

回归分析法（regression analysis）是一种处理变量之间相关关系的数学统计方法，它以统计回归概念为基础，采用多种类型的回归方法建立预测方程。回归分析是最常用的解决地理问题的数学分析方法，它主要是用于回答一些定义明确的度量单位的数值变量之间的关系问题，探讨因变量与自变量之间变动的比例关系，并建立某种回归模型，根据自变量给定的值预测因变量的值，进一步揭示地理要素间的相互关系^[3]。

在此主要选用一元线性回归方法，表达式为：

yi=ax+b，

设y为实际值，yi为估算值，满足∑（y-yi）=0;∑（y-yi）²最小;a、b为要确定的系数。

2 结果与分析

2.1 地气温差的日变化

对地面温度和气温求取多年日平均值，算出地气温差。据1981～2010年日平均资料统计（图1），1月14日～11月11日期间地面温度恒大于气温，即地气温差>0 ℃;11月13日～次年1月1日期间，地面温度恒小于气温，即地气温差<0 ℃;11月12日和1月2～13日期间，出现地面温度有时大于气温，有时等于气温，也有时小于气温的波动情况。文登市日均地面温度最高值为28.8  ℃，出现在7月30日，日均气温最高值为25.6  ℃，出现在7月28日;日均地面温度最低值为-2.5 ℃，出现在1月13日，日均气温最低值为-2.6 ℃，出现在1月14日。日平均地气温差最大值为4.8 ℃，出现在6月6～7、9～10日，其中5月12日～7月2日地气温差较大，这段时间地气温差均≥4.0  ℃;日平均地气差最小值为-0.7 ℃，出现在12月10日，其中10月18日～次年2月11日地气温差较小，这段时间地气温差≤1.0 ℃。由此可以得出，地气温差最大值和最小值比地温、气温的最高值和最低值出现时间提前，且地面温度最高值的出现比气温最高值的出现有时间的滞后性。

图1  1981～2010年文登市平均地气温差日变化

2.2 地气温差的月变化

对地面温度和气温求取多年月平均值，算出地气温差。据1981～2010年月平均资料统计（表1），3～12月地面温度和气温均为正值，且3～10月地面温度始终高于气温;其中，地面温度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月开始下降;气温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月开始下降;2～7月地面温度在上升，2～8月气温也在上升，但随着时间的推移，上升幅度却均明显下降;8月～次年1月地面温度下降，9月～次年1月气温下降。地面温度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月温度回升;气温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月也开始回升。

表1 1981～2010年文登市地、气温差多年月平均值及地气温差月平均值

℃

月份地面温度气温温差

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 地温与气温的关系模型

利用文登市1981～2010年逐月及逐日平均地面温度和气温数据，建立地面温度和气温月平均序列、日平均地气温序列，并用统计回归的方法分别建立地气温的关系模型。由文登市1981～2010年地、气温月平均资料得出回归线性方程为

y=1.13x+0.55（R²=0.991），

地、气温逐日的回归方程为

y=1.13x+0.56（R²=0.991），

式中，y为地面温度，x为气温，月平均回归系数和日平均回归系数均为1.13。

地、气温月平均和逐日平均回归得到的模拟方程为直线型，为一次线性方程，且斜率>0，回归系数相等（图2）。由此得出，气温与地面温度有较好的相关性关系，且呈正相关的关系，即地面温度随着气温的升高而升高，随着气温的降低而降低;相关系数均在0.784以上且均通过0.001显著性检验，说明地温与气温的变化趋势具有较好的一致性。

2.4 地气温模型的检验

为了检验文登市逐月平均地气温关系模型的正确性，选取2009年各月平均气温实测数据分别代入公式y=1.13x+0.55，得出2009年各月平均地面温度的计算值，并算出该计算值与各月平均地面温度实测值之间的误差（表2）。

由表2可见，2009年最大绝对误差为2.2 ℃，出現在6月;最小绝对误差为0.1 ℃，出现在1、9月;全年平均绝对误差为0.9 ℃，绝对误差的均方差为0.7 ℃，方差值不大，说明计算值与实测值比较吻合，多年月平均地面温度的模拟方程较准确。

图2 1981～2010年文登市多年月平均（a）和日平均（b）地气温关系

表2  2009年文登市多年月平均地面温度的计算值与实测值及误差

℃

月份计算值实测值误差

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年逐日平均气温实测数据，来检验多年日平均地气温模型的准确性。将逐日平均气温实测值代入公式y=1.13x+0.56，得出2010年逐日平均地面温度的计算值，并算出该计算值与逐日平均地面温度实测值之间的误差，作出逐日地面温度计算值与实测值的对比图（图3）。

图3 2010年文登市逐日平均地面温度计算值与实测值对比

从图3可以看出，1月上中旬、5～8月地面温度的计算值与实测值误差较大，其他时间误差较小。一般地气温差较大的时期地温计算值与实测值的误差也较大，地气温差较小的时期地温计算值与实测值的误差也较小。全年曲线计算值与实测值的吻合程度较好，全年平均绝对误差为2.2 ℃，

绝对误差的均方差

为1.5 ℃，说明预测模型效果较好，具有一定的应用价值，为满足农业生产实践的需要提供一种工具。

3 结论

文登市有4/5的时间日平均地温一般高于气温;1981～2010年年平均地气温差为2.1 ℃，农作物生长季（3～11月）平均温差为2.8 ℃;地气温差以6月上中旬最大，12月中下

旬最小;气温与地面温度有较好的相关性，地温实测值与预测值之间的误差较小。一般情况下，可以满足农业生产和试验研究的需要。

参考文献

[1]

中国气象局.地面气象观测规范[M].北京：气象出版社，2003：35-41.

[2] 姜会飞，廖树华，叶尔克江，等.地面温度与气温关系的统计分析[J].中国农业气象，2004，25（3）：1-4.

[3] 刘贤赵，张安定，李嘉竹.地理学数学方法[M].北京：科学出版社，2008：43-44.