在气候变化的背景下，全世界范围内频繁地发生洪涝、干旱等气候灾害和极端气候事件，造成了严重的经济损失，成为影响经济发展和社会进步的重要因素之一。气候变化影响问题已不仅仅是一个科学问题，它关系到社会的可持续发展和环境保护问题。中国是气候灾害的高发区，农业、水利和防灾减灾等部门迫切的需要准确的短期气候预测信息，以科学服务于国民经济建设，减小气候灾害所造成的人员伤亡和经济损失。因此短期气候预测早已成为国际上关注的重要问题。与短时的天气预报相比，短期气候预测是一个极其困难的科学问题，它涉及到地球系统各圈层的相互作用，使得预测机理变得十分复杂。而大气和下垫面的相互作用是引起长期天气变化的最重要的过程。土壤作为陆地下垫面的重要组成部分，直接或间接影响地气间的热量、动量以及物质交换。地气关系的研究对了解气候变化的物理基础有重要的意义。从由历史资料中提取气候变化信息的角度看，寻求真实的可预报信息十分重要，但由于气候噪声的存在，使从气候要素资料中提取稳定的气候变化信息变得困难，利用土壤要素资料可以在一定程度上缓解这个困难，因为土壤是天然的滤波器，它可以使地气热交换过程中不同尺度的信息得以区分。土壤温度作为重要的热力指标，是陆面模式中的重要输入量。将土壤温度加入到模式中，导致持续的土壤加热条件，有利于对流发展，从而改善了对降水的模拟。因此本文利用1980-2017年土壤温度资料，运用模糊C均值聚类法、集合经验模态分解、Mann-Kendall突变检验、热传导对流等方法对土壤温度、土壤热扩散率以及土壤热通量和“地热涡”的若干特征展开分析，并对土壤温度与气温和降水的关系进行了研究。对研究结果进行分析，主要得到以下结论:
　　(1)全国3.2m年平均土壤温度自北向南逐渐升高，基本呈带状分布，东北和青藏高原地区最低（T3.2m≤5℃），华南地区最高（T3.2m≥25℃）。全国3.2m土壤温度距平的时间变化都表现为持续上升型，但增温幅度存在明显的区域性差异，增温幅度最大的地区出现在东北和西北地区约为0.57K/10a，华北地区次之，增温幅度约为0.36K/10a，其余地区的增温幅度小于0.3K/10a。38a间，中国3.2m土壤温度上升了约1.4K，增温主要发生在最近20年间。20世纪末比较明显的三个地区（青藏高原、陕西南部、长江中游）的高（低）温中心，在21世纪成为了低（高）温中心。其余地区高低温分布交替明显，且持续时间存在区域性差异。
　　(2)从土壤温度场的分布来看，北方地区增暖明显，南方变化不明显或呈弱的降温趋势，如华南地区。1981-2016年土壤温度距平场变化的区域性差异明显:最显著的是20世纪80年代青藏高原的增暖相对于同纬度地区而言更为明显，陕西南部以及长江中游地区相对全国其他地区而言降温明显;21世纪开始，青藏高原地区相对同纬度其他地区而言降温明显，而陕西南部地区相对全国其他地区而言升温明显。其余地区出现高低温中心交替现象，且不同区域高低温中心维持的时间不同。
　　(3)近几十年各层土壤温度升高明显，共呈现4种不同的变化类型。其中，0m、0.1m、0.8m、1.6m、3.2m为线性上升型。0.05m为缓慢上升型，0.2m为先增温后稍微降温型，0.4m为先降温后增温型。除0.4m以外，土壤温度的升温速率全部大于气温的升温速率.且0-0.4m土壤温度增加速率从浅层往深层变小，深层土壤温度(0.8-3.2m)的升温速率相当，但是从深层往浅层依然有变小趋势。用集合经验模态分解法提取了各层土壤温度变化的趋势项，并通过线性拟合得到了各站0m、0.8m、1.6m、3.2m四层的土壤温度的十年变率，并绘制了各层的十年变率分布图，对其进行了简要分析。结果发现，表层土壤温度十年变率最大的地区，即升温最大的地区出现在东北地区，并且中国中部地区有一条明显的升温带，北纬35°N一条线上有多个地表温度升温明显的中心点。0.8m土壤温度的十年变率，在云贵高原地区最大。在长江中游地区以及华南沿海地区，1.6m土壤温度的升温较明显。
　　(4)对土壤温度季节时间尺度的演变特征进行分析，发现各季节土壤温度均升高。夏季和秋季3.2m土壤温度变暖最大（1.62K，0.044K/y），春季和冬季变暖相当（1.15℃，0.031K/y）。春季气温变暖趋势大于3.2m土壤温度，而夏季和秋季气温变暖趋势小于3.2m土壤温度，冬季两者变暖趋势相当。由此可见，仅仅用气温的升高来解释土壤温度的升高是不够的。
　　(5)土壤温度场会受到传导和对流双重因素的控制。因此，在对土壤温度场的研究中，需要了解土壤内部的热状况。不同层次土壤利用相位法与热传导对流法的计算结果都很接近，但相位法的计算结果都比热传导对流法的计算结果稍大。在0-0.8m土壤层中，振幅法的计算结果最小，土壤热扩散率的值大多在l×10-7m2/s-5×10-7m2/s之间。0.8-1.6m土壤热扩散率的值大多在2×10-7m2/s-8×10-7m2/s之间。1.6-3.2m振幅法的计算结果最大，土壤热扩散率的值大多在0.2×10-7m2/s-4×10-7m2/s之间。中层土壤（0.8-1.6m）热扩散率最大，其次为上层(0-0.8m)，下层(1.6-3.2m)最小。0-0.8m以及0.8-1.6m土壤层相位法得到的土壤热扩散率Kφ和振幅法、相位法、热传导对流法三种方法平均的土壤热扩散率K的分布是基本是一致的。1.6-3.2m除华南沿海地区Kφ和K的分布存在明显差异外，其余大部分地区基本一致。
　　(6)0-0.8m土壤层热溢流体对流速度为正值，因此上层土壤液态水的热对流是向下传输的。0.8-1.6m土壤层热溢流体对流速度有正有负，表明中层土壤中的水向上下两个方向进行热对流的传输。1.6-3.2m土壤层热溢流体对流速度基本为负值，表明深层土壤热对流是向上的。0-0.8m土壤层传导热通量与对流热通量传输方向基本是相反的，且量级为100W/m2，总的土壤热通量为负值，即热量从表层向下传输。0.8-1.6m和1.6m-3.2m传导热通量与对流热通量没有明显的关系。总的土壤热通量很小，基本在0线附近徘徊，量级为10-2-10-1W/m2。
　　(7)3.2m土壤温度异常的持续时间较长，最短1个月，最长可达近2年。且持续时间在空间上表现出非均匀性，整体上呈现由西北向东南减小的趋势。对“地热涡”的统计发现，每个“地热涡”的平均生命周期为9.7个月，其平均水平尺度为604km，其特征尺度约为2.4cm/s。从空间上来看，不同地区“地热涡”的尺度以及出现次数存在差异，中国西北地区的“地热涡”尺度最大，华北地区“地热涡”的出现次数最多。“地热涡”的中心位置分布不均匀，主要出现在地壳活动强烈、垂直形变速率绝对值大的中心地区或者土壤热流的高值区。另外发现，“地热涡”的移动路径与气旋的移动路径相似。
　　(8)对不同季节之间3.2m土壤温度距平和降水距平百分率求空间相关，得到春季土壤温度距平与夏季降水距平百分率的相关性最高，相关系数为0.72;冬季土壤温度距平与夏季降水距平百分率的相关系数为0.59;夏季土壤温度距平与秋季降水距平百分率的相关系数为0.39。其余各季的相关系数都小于0.3。由此得出，春季和冬季土壤温度距平对夏季降水预测更可靠。