辽宁西部春季浅层地温变化特征及预报模型

马成芝沙 莉张晶丹杨 劲季贺成

(1.辽宁省喀左县气象局,辽宁 喀左 122300; 2.辽宁省气象装备保障中心,辽宁 沈阳 110016; 3.沈阳农业大学,辽宁 沈阳 110866)

朝阳市地处辽宁省西部,地理坐标为东经118°50′～121°17′,北纬 40°35′～42°22′,总面积为 19 698 km2,占辽宁省总面积的13.1%,位居全省第一位。气候条件适宜玉米、高梁、谷子等作物生长。其中春玉米种植面积最大,玉米总产量占当地粮豆总产量的85%以上[1],每年种植面积达26.7万hm2左右。

春季适时播种能减少低温冻害或者早霜危害,地温是决定播种日期的关键气象指标,是关系到大田作物播种日期、保证出苗率、正常生长的先决条件,也是关系到作物产量形成的重要因素之一。所以,掌握播种期地温的变化规律,较为精准做出地温预报模型,是非常必要的气象服务内容。为播种期预报提供科学的气象数据依据,为粮食生产提供精准的气象服务。

近年来,地温的研究和分析多是地表温度的研究,周斌做出辽宁省表层地温变化规律与气温的关系[2]、周刊社做出青藏高原地温对气温的变化响应[3],谢华光分析了辽宁西部地面温度变化特征[4]。但对耕层地温的变化规律研究较少,目前,笔者还未发现对辽宁省西部播种层地温进行逐日预报的研究。为了能更好的做好春播期气象服务,本文从分析辽西6个国家地面气象观测站浅层地温(0～20 cm)的变化规律为基础,以大田作物播种5 cm地温为预报量,分别建立6个观测站春季不同月份的逐日预报模型[5]。通过2016～2017年春季逐日气象数据对预报模型实时的检验,证明预报模型可以应用于平时业务,可为确定辽西春季大田作物播种期、指导本地大田作物生产提供气象依据[6]。

1 资料与分析方法

1.1 数据来源

本文采用辽宁西部(朝阳地区)6个国家气象观测站(建平、北票、朝阳、叶柏寿、凌源、喀左)的 2005～2017年3～5月气象资料。资料来源于辽宁省信息中心。

1.2 数据分析与处理

本文采用相关分析、回归分析等统计方法,以5 cm地温做为春季大田播种的预报量,利用逐日气温、0～20 cm地温、降水量、日照时数、日照百分率、相对湿度、风速、总云量等气象要素为预报因子,建立预报方程。表1分析出5 cm地温与各要素的相关系数,虽然降水量、相对湿度、风速、总云量等也是影响地温的气象因子,但实际预报中,这些要素值不易获得,所以,选取在业务中容易获得的预报量——气温、日照时数做为预报因子,对5 cm地温进行分月逐日的预报。

2 结果与分析

春季大田作物的播种指标:玉米适宜播种期的农业气象指标是土壤相对含水量在60%～70%[7],5 cm地温稳定通过 8～10℃[8];高梁当 5 cm地温稳定通过10～12℃,即可播种;大豆当5 cm温稳定通过12℃,土壤湿度为65%～75%播种较适宜;谷子当5 cm地温达到15～20℃即可播种。

2.1 辽西春季浅层地温(0～20 cm)变化特征

2.1.1 浅层地温空间分布特征

将朝阳地区6个气象观测站春季各月逐日数据进行平均处理,分析得知春季浅层平均地温排次为:叶柏寿11.7℃＞朝阳11.6℃＞喀左11.5℃＞凌源11.3℃＞北票10.5℃＞建平8.5℃。北票和建平春季浅层地温明显低于其它站,这2站所处纬度偏北,导致温度偏低。

2.1.2 浅层地温时间分布特征

春季浅层地温随气温的升高而升高,变化趋势与气温一致,而且高度拟合,见图 1。从 2005～2017年春季朝阳地区各月的浅层地温年际变化分析,各层地温均呈缓慢长升的趋势。3月浅层平均地温趋势方程为:y=3.965+0.141x;4月为y=11.25+0.159x;5月为y=19.87+0.076x,式中x为日平均气温。虽然整体呈上升趋势,但春季浅层地温依然出现明显的低温年,2010年春季比历年低2.6℃,2005、2013年也出现低温年,决定播种期考虑春季低温仍不可忽视。

表1 5 cm地温与各气象要素的相关系数

2.2 浅层地温与气温的差值分析

春季 0～20 cm逐日地温与气温的差随时间逐渐降低。地表温度高于气温2.8～3.7℃之间,是与气温差值最大层;5 cm地温高于气温0.2～1.9℃;10 cm地温与日平均气温差介于-0.6～0.5℃之间,是最接近气温值的层次;15 cm、20 cm地温均低于日平均气温(叶柏寿站15 cm除外),差值在-1.8～-0.2℃,但 20 cm差值明显低于15 cm差值。浅层日平均地温与日平均气温差值见表2。

表2 朝阳各站春季浅层地温与平均气温差值 (℃)

2.3 春季浅层地温稳定通过8℃日期

2005～2017年春季朝阳地区6个观测站气温稳定通过8℃的日期有5个站在4月3～4日,建平站晚于其它5个站10 d左右,在4月13日稳定通过。

0 cm地温在3月25～26日稳定通过8℃,建平站在4月4日通过,均早于气温8～9 d。

除建平站外其它5个台站5 cm地温稳定通过8℃日期在4月3～4日,建平在4月9日,和气温通过日期同日或晚1 d。

10 cm地温稳定通过8℃日期在4月4～5日,晚于气温1～2 d;15 cm 地温稳定通过在4月5～9日,晚于气温1～5 d;20 cm在4月 5～11日,晚于气温2～7 d。

从气温与地温稳定通过8℃的日期可以粗略的估算大田玉米的春播日期(表3)。

表3 春季日平均温度和浅层地温稳定通过8℃日期(月-日)

3 春季逐日5 cm地温预报模型及检验

3.1 建立春季逐日5 cm预报模型

春季浅层地温与气温、日照时数、日照百分率、风向风速、降水、相对湿度、总云量等气象要素关系密切,5 cm地温是大田作物播种的气象服务指标,以5 cm地温为预报量,考虑到其它预报因子值不容易获得,故选取平均气温和日照时数容易获得的要素值做为预报因子建立预报模型。利用2005～2015年各站气象数据,采用回归分析方法对5 cm地温进行分月逐日预报。通过2016～2017年各站春季数据,在温差绝对值≤2℃、≤1℃2个范围对各站预报准确率依次进行检验。采用分月逐日建立预报方程,分月预报使预报准确率更有针对性,经对比准确率明显高于以春季为整体建个1个的预报模型。准确率高于更有利于为农业大田播种提供精准的气象决策,朝阳6个观测站建立的预报模型决定系数R普遍在0.88以上,各预报方程均呈显著性,P＜0.01,各站逐月逐日预报方程见表4。

表4 辽西各气象观测站3～5月5 cm地温预报方程

3.2 预报模型的检验

建平、北票、朝阳、叶柏寿3月日照时数因子对地温影响不明显,所以,只选气温做为预报因子。4、5月气温、日照时数均做为预报因子,预报效果明显好于气温单一1个气象预报因子。利用2016～2017年各站春季逐月逐日的数据对模型进行检验,从表4可以看出:3月各站在≤2℃预报准确率平均为 87.33%,≤1℃预报准确率平均为68.45%;4月≤2℃预报准确率平均为86.20%,≤1

℃预报准确率平均为 65.22%;5月≤2℃预报准确率平均为78.81%,≤1℃预报准确率平均为60.48%。春季5 cm地温≤2℃预报准确率平均为84.11%,说明回归预报模型与预报方面拟合性强,可用于平时业务中。在≤1℃范围内预报准确率较低,预报模式有待提升。

4 结论与讨论

4.1 辽西春季浅层地温与气温呈显著正相关关系;春季浅层地温呈现缓慢上升的趋势;地温由上层至下层变化幅度越来越小,与气温差值也相对减小。0 cm、5 cm地温平均分别高于气温3.3℃、0.9℃;10 cm地温与气温接近,平均差值为0.0℃;15 cm、20 cm地温分别低于气温0.6℃、1.1℃。

4.2 春季0 cm地温于3月25～26日稳定通过8℃,建平站在4月4日通过,均早于气温8～9 d;除建平站外其它5站5 cm、10 cm地温稳定通过8℃日期在4月3～4日、4月4～5日,比气温通过日期晚1 d或同日;15 cm 地温在4月5～9日,晚于气温1～5 d;20 cm在4月5～11日,晚于气温2～7 d。

4.3 挑选易获得气温、日照时数为预报因子,分月逐日预报春季5 cm地温值。通过2年的实际数据检验,春季各站在≤2℃预报准确率在77.40%～91.94%范围内,≤1℃预报准确率在61.29%～74.19%范围内。≤2℃预报准确率平均为84.11%,说明回归预报模型与预报方面拟合性强,可用于平时业务中。但在≤1℃预报准确率较低,预报模型有待提升。