格尔木地区植被表面温度变化特征及影响因子分析

何生录，王发科，张亚珍，梅 朵，邓海峰

(1.青海省格尔木市气象局，青海 格尔木 816099；2.青海省防灾减灾重点实验室，青海 西宁 810001；3.青海省诺木洪气象站，青海 都兰 816102)

1 引言

随着经济社会发展对公共气象服务、气象防灾减灾需求的增加，气象现代化业务体系正逐步完善，更多面向服务需求的气象要素被列入气象观测行列。2014年起，植被表面温度纳入格尔木国家基准气候站常规地面气象观测要素，增加了气象资料的信息量。草面温度(简称草温)观测是探测近地层植被表面温度，较地面0 cm温度(简称地温)、气温更能代表近地表层温度的自然状况。草温通过铂电阻温度传感器测量，传感器安装在距地6 cm高度的草面上，并与地面大致平行，观测区域位于裸地地温观测区西侧，草地面积约1 m2，当观测区植被高度超过10 cm时，应及时修剪草层高度[1]。

开展草温研究，对强化气象保障现代农牧业生产、生态环境保护等方面意义重大。周晓香等[2]分析了江西省草温的分布状况，结果表明草温日较差与纬度、季节、自然地理条件、天气等因素有关；李秦等[3]研究分析新疆草温的特征，发现新疆草温的分布受纬度、拔海高度的影响比较明显，呈现东部高西部低，南部高北部低，盆地高山区低的特点；程爱珍等[4]分析了天气现象变化(辐射、云、降水、风 )与草温变化的密切关系；邓天宏等[5]分析了郑州等4个站不同季节(冬夏)、不同天气条件(晴天、阴雨和降雪)下，草温、0 cm地温和气温的全天变化关系；马汝忠[6]对湟源地区草面温度的变化特征、草面温度与气温、地面温度的关系等进行了分析。在诸多研究中，有关格尔木地区草面温度的变化特征及与气象要素关系的研究尚未见到，本文针对于此展开分析研究，以期为科学利用草面温度数据、加强精细化气象服务、保障农牧业生产等方面提供科技支撑。

2 数据来源和研究方法

选用格尔木、小灶火2015-2020年逐日逐小时草温、气温、0 cm地温等气象资料，采用数理统计方法分析草温的变化特征及其与气象影响因子间的相关性。因2019年起小灶火国家基本气象站停止低云量的观测，故在分析草温与云量间的关系时，采用2015-2018年白天08、14、20时低云量资料为研究对象。季节划分为：3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12～次年2月为冬季。数据来自于青海省气象信息中心。

3 草温变化特征

3.1 草温的年、月、日变化

从表1可知，格尔木地区年平均草温为6.6 ℃，2020年出现草温最高值为7.1 ℃，2018年出现草温最低值为6.0 ℃。从空间变化来看，格尔木、小灶火年平均草温分别为6.8 ℃、6.5 ℃，格尔木在2016年出现草温最高值为7.2 ℃，小灶火在2020年出现草温最高值为7.1 ℃，2站最低草温均出现在2018年，为6.1 ℃；可见，格尔木地区草温东部高于西部。

表1 格尔木地区草面温度历年平均值 (单位：℃)

图1(a)格尔木地区草温月变化呈现单峰型，月平均最低草温为-10.3 ℃，出现在12月，月平均最高为22.2 ℃，出现在7月。采用变温(当前月草温变温 = 当前月草温平均值‐上月草温平均值)描述草温的月变化幅度[7]，总体来看，月平均绝对变温为5.4 ℃，2～7月草面温度在逐月升高，其中3月和4月升幅较大，变温分别为8.6 ℃、7.8 ℃，6月和7月升幅较小，变温分别为3.9 ℃、2.6 ℃；8月至次年1月草温在逐月降低，其中10月和11月降幅较大，变温分别为-9.7 ℃、-8.1 ℃，8月降幅较小，变温为-1.3 ℃。

图1(b)格尔木地区草温日变化呈现出一谷一峰的变化特征，日平均最高草温为27.1 ℃，出现在14时，日平均最低草温为-4.6 ℃，出现在6～7时，这表明草温日变化的主要影响因素是太阳辐射。草温的日平均绝对变温为2.6 ℃，日最大变温为8.5 ℃，出现在10时，7～14时草温在逐时升高，尤其是9～11时升幅最大，日出后总辐射的迅速增加及太阳直射草温传感器，造成了草温的迅速升高；15时至次日06时草温在逐时下降，18～20时降幅最大，00时至06时降幅最为缓慢，日落后总辐射为零，但草面在向大气输出长波散失热量的同时，能够接收部分地面的长波辐射而吸收热量，但散失的热量多于吸收的热量，因此草温总体上还是呈下降趋势，只是变化较为平缓。

图1 格尔木地区草面温度月变化曲线(a)和日变化曲线(b)

3.2 草温的日较差及年较差

通常情况下在1日内草温会出现1个最高值和1个最低值。草温日较差的大小和测站所处的纬度、季节、自然地理条件以及天气情况等因素有关。统计得出，格尔木、小灶火及格尔木地区草温年平均日较差分别为40.9 ℃、36.5 ℃和38.7 ℃，格尔木地区草温极大日较差达60.2 ℃，出现在2020年3月24日，极小日较差为2.0 ℃，出现在2016年12月2日。从格尔木地区草温日较差的季节分布来看，春季草温日较差最大，平均值为42.0 ℃，夏季最小，平均值为35.1 ℃；进一步对比草温逐日日较差发现，草温日较差极大值一般出现在初春和仲春，极小值出现在仲夏和盛夏 ；从地理条件看 ，处于柴达木中部的格尔木草温日较差大于地处柴达木盆地偏西部的小灶火。

草温的年较差是指一年中最热月平均温度和最冷月平均温度的差值[2]。格尔木、小灶火及格尔木地区最热月7月平均草温分别为21.6 ℃、22.8 ℃、22.2 ℃，最冷月1月平均草温分别为-9.8 ℃、-10.7 ℃、-10.3 ℃，草温年较差分别为31.4 ℃、33.5 ℃、32.5 ℃，小灶火草温年较差大于格尔木，这与草温日较差刚好相反。

3.3 草温的变率

草温的变率是指草温时间序列的离散程度，本文中用均方差来描述。从图2格尔木地区1～12月草温的均方差可以看出，格尔木地区草温的离散程度11月份出现最高峰，均方差为2.0，冬季也较高，均方差为1.5；草温变率的最低峰出现在5月份，均方差为0.6，4月和8月次之，为0.9。究其原因 ，是因为11月格尔木地区冷空气活动逐渐增强，致使草温变化剧烈，而到了5月份，天气转暖且变幅较小 ，致使草温变化趋于平缓。

图2 格尔木地区日平均草面温度均方差

4 草温的影响因子分析

4.1 草温与气温、地温间的相关性

图3(a)是格尔木地区草温和气温间的线性回归分析图。可见日平均草温和日平均气温间存在显著的正相关关系，相关系数为0.996(P<0.01)，通过了极显著性水平检验。格尔木地区年平均草温为6.6 ℃，年平均气温为6.0 ℃，草温较气温偏高0.6 ℃；从季节变化来看，春、夏季草温比气温分别偏高3.1 ℃、1.9 ℃，而秋、冬季草面比气温分别偏低0.4 ℃、1.9 ℃。从月变化分析，3～9月平均草温高于平均气温，其中5～7月偏高超过3.0 ℃，3月仅偏高0.1 ℃，10月至次年2 月平均草温均低于平均气温，其中11月至次年1月偏低2.0 ℃，10月仅偏低0.7 ℃。图3(b)是格尔木地区草温和地温间的线性回归分析图。可见日平均草温和日平均地温间存在极显著的正相关关系，相关系数为0.998(P<0.01)，通过了极显著性水平检验。格尔木地区年平均草温低于平均地温3.6 ℃，从季节变化来看，草温一年四季均低于地温，春、秋、冬季偏低3.0 ℃，夏季偏低最多为4.3 ℃；从月变化分析，11月至次年5月平均草温低于平均地温3 ℃，6～10月偏低超过4.0 ℃，9月偏低最多为4.4 ℃。分析草温与气温、地温间的差异，主要是由于各自测温传感器所处的测温环境(土壤、植物和空气)对太阳辐射的接受程度不同的结果。

4.2 草温与不同天空状况间的关系

分别选取少云(低云量<30%，且全天日照时数≥7h)、多云(30% ≤低云量≤70%，且3h≤全天日照时数<7h)、阴天(低云量>70%，且全天日照时数<3h)的 3 种不同天空状况的观测数据，统计分析不同天空状况下草温与地温、气温三者之间的变化。

在少云天况下，不同季节草温、气温、地温间的关系不同，秋、冬季地温 >气温>草温，而春、夏季地温>草温>气温，这主要是由三者热容率的差异造成。晴天少云时草温与气温、地温的平均绝对温差均较其他天空状况下大，如表2所示，主要是热量来自太阳辐射，晴天少云时，大气透明度较好，白天太阳直接辐射强烈，致使温度快速升高，夜间地表辐射冷却使得温度急速下降，造成昼夜温差加大。

在多云天况下，春、夏、秋季地温>草温>气温，冬季地温>气温>草温。草温与气温、草温与地温的绝对温差均小于晴天少云时，如表2所示，草温与气温较为接近，但草温与地温差值较大，可能是多云状况下，因云量的增多致使太阳直接辐射减弱，此时草温主要受大气散射辐射影响，白天温度增加少而夜间逆辐射增强，使得昼夜升降温度缓慢，同时土壤深层不断向上输送热量给地温，故夜间地温降温较草温和气温更为缓慢。

图3 草面温度与气温(a)和地温(b)间的相关图

在阴天天况下，春、夏季地温>草温>气温，秋季地温>气温>草温(冬季无阴天多云天况出现)，与晴天少云时、晴天多云时相比，草温与气温、地温的绝对温差最小，如表2所示，三者温度较为接近，可能是阴天多云的天况下，地面没有太阳直接辐射，只有大气的散射辐射，湿度大的天气时地面辐射差额变化较小，低云量几乎布满全天，使大气的逆辐射增强，地面的有效辐射减少，造成三者温度相差不大。

表2 不同天况下草面温度与气温和地面温度的绝对温差 单位：℃

5 主要结论

(1)格尔木地区年平均草温为6.6 ℃，以0.04 ℃/a呈弱波动上升趋势，东部草温高于西部；草温月变化呈现出单峰型曲线，2～7月草温逐月升高，7月出现最高值，8月至次年1月逐月减小，12月出现最低值；草温日变化呈现出一谷一峰的变化特征，日最高草温出现在14时，日最低草温出现在6～7时。

(2)格尔木地区草温年均日较差为38.7 ℃，极大(小)日较差为60.2 ℃(2.0 ℃)；季节分布来看，春季日较差最大，夏季日较差最小。草温年较差为32.5 ℃，小灶火草温年较差大于格尔木，这与草温日较差刚好相反。

(3)格尔木地区草温较气温偏高0.6 ℃，草温较地温偏低3.6 ℃，草温和气温、地温间均存在显著的正相关关系，通过了0.01的极显著性检验，

(4)不同季节、不同天空状况下，草温与地温、气温的关系不同，少云时秋、冬季地温>气温>草温，春、夏季地温>草温>气温；多云时，春、夏、秋季地温>草温>气温，冬季地温>气温>草温；阴天时，春、夏季地温>草温>气温，秋季地温>气温>草温。晴天少云(阴天多云)时，草温与气温、地温的绝对温差最大(小)。