1964—2015年霸州市地溫變化特征及其與氣溫和降水的關(guān)系

閆利霞 秦云苗 楊海良 張娟 樂章燕

摘要 本文利用1964—2015年霸州市0～20 cm各層逐月平均地溫資料，采用氣候傾向率、M-K法、滑動T檢驗等氣候統(tǒng)計方法分析霸州市淺層平均地溫的變化趨勢、異常年份、氣候突變及其與氣溫和降水的相關(guān)性等。結(jié)果表明，1964—2015年霸州市各季淺層地溫均呈顯著上升趨勢，氣候傾向率為0.04～0.52 ℃/10年，春季、冬季地溫上升幅度較大；各淺層年平均地溫均呈現(xiàn)明顯上升趨勢（0.16～0.31 ℃/10年）， 0 cm地溫增溫率最大，與同時期的平均氣溫升溫率比較，地溫的氣候傾向率偏低。春季、冬季、年平均淺層地溫多異常偏低年份，主要發(fā)生在60年代末期和70年代初期；秋季多異常偏高年份，1965年5 cm地溫、2006年0～20 cm地溫以及1975年5～20 cm地溫發(fā)生異常偏高。綜合累積距平和信噪比、M-K法和滑動T檢驗計算分析發(fā)現(xiàn)，地溫的突變年份主要發(fā)生在1986年附近、1996年和2011年。年、季平均地溫與同期平均氣溫存在較好的相關(guān)性，其中0 cm地溫表現(xiàn)最為顯著，相關(guān)系數(shù)均>0.723。夏季0 cm平均地溫與降水量成明顯的負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達-0.600（P<0.01）。

關(guān)鍵詞 地溫；氣溫；降水；氣候傾向率；異常年份；河北霸州；1964—2015年

中圖分類號 P468.0+21 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）03-0223-04

地面氣象觀測是對地球表面一定范圍內(nèi)的氣象狀況及其變化過程進行系統(tǒng)地、連續(xù)地觀察和測定，是氣象觀測的重要組成部分，可以為氣象信息、氣候分析、天氣預報、氣象服務和科學研究提供依據(jù)。下墊面溫度和不同深度的土壤溫度統(tǒng)稱為地溫[1]，其是地面氣象觀測中較為重要的觀測項目。近年來，諸多學者對地溫的觀測數(shù)據(jù)進行分析，并得出具有價值的研究結(jié)果。1959—2008年遼寧省淺層地溫以0.171～0.823 ℃/10年的速率顯著上升[2]；1961—2005年西雙版納淺層平均地溫的年變化和季變化均呈現(xiàn)極顯著的升高趨勢，升溫率為0.14～0.40 ℃/10年[3]；1961—2005年拉薩淺層地溫以0.45～0.66 ℃/10年的速率顯著上升[4]。以上研究結(jié)果表明，在全球變暖的影響下，地溫的升高趨勢明顯。

霸州市氣象局位于冀中平原北部，是廊坊地區(qū)唯一的國家基本氣象站，其氣象資料具有較好的代表性。然而1957年建站至今，尚未有系統(tǒng)研究霸州淺層地溫變化的報道。本文根據(jù)1964—2015年霸州站地溫資料，運用氣候?qū)W統(tǒng)計分析方法，對近52年霸州市地面溫度和淺層地溫的變化趨勢、氣候突變和異常年份等氣候特征進行分析，并深入研究了地溫與氣溫和降水的相關(guān)性，以揭示其變化趨勢及氣候變暖的事實，并為進一步從地溫層面研究氣溫變化和降水的關(guān)系提供參考。

1 資料和方法

1.1 資料來源

本文選取1964—2015年霸州站0、5、10、15、20 cm逐月地溫觀測資料，用1964—2015年的多年平均值替代缺測數(shù)據(jù)。季節(jié)劃分如下，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月至翌年2月。文中年、季平均淺層地溫為5個土層年、季平均地溫的算術(shù)平均值，其他平均值為1981—2010年的標準平均值。

1.2 方法

1.2.1 氣候傾向率。平均地溫的氣候傾向率計算公式如下：

y=a0+a1t

式中，y為平均地溫，t為時間；a1為線性趨勢項，a1×10為平均地溫每10年的變化率。

1.2.2 異常年份。氣候顯著偏離平均狀態(tài)稱為氣候異常，判別標準主要有以下2種。一是距平超過標準差的2倍以上，二是出現(xiàn)概率為25年以上一遇。本文采用距平大于標準差的2倍作為異常的判別標準。

1.2.3 氣候突變。氣候突變是指在較短時期內(nèi)由一種相對穩(wěn)定的氣候狀態(tài)過渡到另一種氣候狀態(tài)的變化，是氣候系統(tǒng)非線性性質(zhì)的一種表現(xiàn)。目前，突變統(tǒng)計分析還不成熟，有專家建議在確定一種氣候系統(tǒng)或過程發(fā)生的突變現(xiàn)象時，最好使用多種方法進行比較[5]。因此，本文分別采用了累積距平和信噪比、曼-肯德爾（M-K）法、滑動T檢驗（5年滑動和10年滑動）3種方法對1964—2015年霸州市年、季平均淺層地溫數(shù)據(jù)進行突變分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 淺層地溫氣候傾向率

由表1可知，1964—2015年霸州市0～20 cm淺層季平均地溫均呈顯著上升趨勢（P<0.01），氣候傾向率為0.04～0.52 ℃/10年。其中，春季、冬季升溫幅度較大，夏季、秋季相對較小，與20世紀80年代中期以來，我國持續(xù)暖冬氣候相符合。除夏季外，0 cm地溫年、季變化幅度均為最大。其中，冬季0 cm地溫的氣候傾向率達0.52 ℃/10年。從各淺層平均地溫的變化來看，春季和冬季以0、5 cm平均地溫升溫率最大，夏季以15、20 cm平均地溫升溫最大，秋季以0 cm平均地溫升溫率最大。從整個淺層來看，0～20 cm平均地溫氣候傾向率為0.06～0.40 ℃/10年，其中春季地溫氣候傾向率最大，秋季最小。1964—2015年霸州市各淺層年平均地溫均呈顯著升高趨勢，氣候傾向率0.16～0.31 ℃/10年，其中0 cm年平均地溫升幅最大（圖1）。

與霸州市同期年平均氣溫的氣候傾向率（0.42 ℃/10年）比較，0～20 cm地溫氣候傾向率年平均值偏低，偏低幅度為0.11～0.26 ℃/10年。從季平均地溫氣候傾向率來看，冬季0 cm地溫與氣溫的氣候傾向率最大，說明0 cm地溫對氣候變暖的響應最強。

2.2 地溫月變化特征

由圖2可知，在春季和夏季，月平均地溫隨深度的增加而降低，說明熱量由淺層向深層傳遞為能量積蓄過程；在秋季和冬季，月平均地溫隨深度的增加而升高，說明熱量由深層向淺層傳遞為能量釋放過程；各淺層最高月平均地溫出現(xiàn)在7月，最低出現(xiàn)在1月。

分析各層平均地溫的年較差可知，0 cm平均地溫的年較差最大，為35.4 ℃，隨著深度的增加，平均地溫的年較差逐漸減小，20 cm平均地溫的年較差最小，為29.0 ℃。由此可見，在一年中，地溫變化幅度隨著深度的增加而減小，與太陽輻射變化有關(guān)。

2.3 地溫年代際變化特征

由表2可知，1971—2000年霸州市0、10、20 cm年、季平均地溫較1961—1990年的30年標準氣候平均值偏高了0～0.6 ℃；1981—2010年霸州市0、10、20 cm年、季平均地溫較1971—2000年的30年標準氣候平均值偏高了0～0.6 ℃。其中春季、冬季表現(xiàn)最為明顯，夏季基本持平。

由圖3可知，1964—2015年霸州市年、季平均地溫均經(jīng)歷了一個“冷—暖”的歷史演變過程，20世紀60年代至90年代早期為偏冷期，90年代中期至21世紀初期為偏暖期。1997—2002年0、10、20 cm地溫連續(xù)6年均呈偏高趨勢，偏高幅度在0.2～1.0 ℃之間；2002年0 cm平均地溫偏高了1.0 ℃；2003年平均地溫呈略微下降的趨勢，之后10、20 cm地溫連續(xù)3年呈下降趨勢，下降幅度在0.1～0.2 ℃之間；之后的4年又連續(xù)上升，直至2010年，0、10、20 cm年平均地溫均出現(xiàn)了下降，下降幅度在0.2～0.4 ℃之間；2011年又出現(xiàn)了明顯的上升趨勢，上升幅度在0.2～0.7 ℃之間；2012年站址遷移到新站，0、10、20 cm年平均地溫連續(xù)2年呈明顯下降趨勢，下降幅度為0.3～0.7 ℃；之后的2014年和2015年又出現(xiàn)了穩(wěn)定上升的趨勢。

由表3可知，20世紀60年代至21世紀初年平均地溫呈緩慢升高趨勢，20世紀60年代、70年代、80年代年平均地溫分別較多年平均值偏低0.5～0.8、0.4～0.8、0.2～0.5 ℃，90年代年平均地溫上升至與多年平均值持平；進入21世紀，地溫持續(xù)升高，比多年平均值偏高0.2～0.4 ℃，為過去50年中最高的10年。

20世紀60年代，夏季各淺層平均地溫較多年平均值偏高0.1～0.3 ℃，其他季節(jié)平均地溫均較多年平均值偏低，其中冬季、春季偏低最為明顯，較多年平均值偏低0.3～1.3 ℃。20世紀70年代各層季平均地溫較多年平均值偏低0.1～1.1 ℃，以春季、冬季0 cm平均地溫偏低最為明顯。20世紀80年代，春季、冬季各層平均地溫較多年平均值偏低0.1～1.3 ℃，以冬季0 cm平均地溫偏低最為明顯；而夏季、秋季平均地溫開始呈偏高趨勢，較多年平均值偏高0～0.1 ℃。進入90年代，各層季平均地溫較前20年有所升高，各季平均地溫距平均在±0.4 ℃以內(nèi)。進入21世紀初期，除夏季平均地溫偏低0.2～0.3 ℃外，其他各季平均地溫均呈升高趨勢，較多年平均值偏高0～0.9 ℃，以春季和冬季0 cm平均地溫偏高最為明顯。

2.4 地溫異常特征

由表4可知，春季、冬季、年平均地溫多出現(xiàn)異常偏低年份，均發(fā)生在20世紀60年代末期和70年代初期，異常偏低0.8～2.4 ℃；其中春季各層平均地溫在80年代初期出現(xiàn)1次異常偏低，5、10 cm平均地溫在80年代中期出現(xiàn)1次異常偏低。夏季5 cm地溫未出現(xiàn)異常；其他各層在70年代中后期出現(xiàn)異常偏低，偏低1.6～2.9 ℃；其中1997年0 cm地溫出現(xiàn)1次異常偏高，偏高2.6 ℃；1984年15、20 cm地溫各出現(xiàn)1次異常偏高，偏高1.5～1.6 ℃。秋季多發(fā)生地溫異常偏高，1965年5 cm地溫出現(xiàn)異常偏高，偏高1.7 ℃；2006年0～20 cm地溫均發(fā)生異常偏高，偏高1.6～2.5 ℃；1975年5～20 cm地溫均發(fā)生異常偏高，偏高1.6～2.0 ℃。

2.5 地溫突變檢驗

利用累積距平和信噪比、曼-肯德爾（M-K）法、滑動T檢驗（5年滑動和10年滑動）3種方法對1964—2015年霸州市年、季平均地溫進行氣候突變檢驗（表5）。結(jié)果表明，利用累積距平和信噪比方法進行氣候突變檢驗，霸州市年、季地溫均未發(fā)生突變；用M-K法進行氣候突變檢驗，發(fā)現(xiàn)年平均和冬季地溫在1986—1987年附近發(fā)生突變，春季在1996年附近發(fā)生突變，夏季除0 cm外，其他季節(jié)均在2011年發(fā)生突變；用滑動T檢驗法進行氣候突變檢驗，發(fā)現(xiàn)除20 cm外，其他各淺層年平均地溫均在1996年發(fā)生突變，冬季地溫在1987年附近發(fā)生突變，春季0、5 cm地溫分別在1999年和1996年發(fā)生突變，夏季和秋季均未發(fā)生突變。

由此可見，霸州市各層年、季平均地溫的突變年份集中在1986—1987年附近、1996年附近和2011年這3個時間點。1986—1987年的突變是由于1985年地溫異常偏低引起的。1996年由冷向暖轉(zhuǎn)變的突變與90年代后期全國地溫升溫一致[6]。2011年是一次從氣溫到各層地溫普遍增高過程而導致的突變。另外，從季節(jié)來看，冬、春2季比較容易發(fā)生突變，而夏、秋2季則比較平穩(wěn)，這是由于冬、春2季冷空氣活動頻繁造成的，這也與地溫年代際變化特征及地溫的異常年份分析結(jié)果相一致。分析結(jié)果的差異是由于各種檢測方法都存在不足之處，而突變的物理機制不甚明確造成的。

2.6 淺層地溫與氣溫、降水的相關(guān)性分析

對1964—2015年霸州市年、季平均地溫與同期平均氣溫進行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)各相關(guān)系數(shù)均>0.653（P<0.01），其中冬季各淺層平均地溫與氣溫相關(guān)性最顯著，相關(guān)系數(shù)均 >0.875；春季次之，春季0 cm平均地溫與氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.934；年平均地溫與氣溫的相關(guān)性也較為顯著，相關(guān)系數(shù)均>0.767。0 cm季、年平均地溫與同期平均氣溫的相關(guān)性較其他各層顯著，相關(guān)系數(shù)均>0.723。這表明地溫變化主要受氣溫變化的影響，而且對0 cm的影響最大。

對1964—2015年霸州市年、季平均地溫與同期降水量進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)春季和冬季淺層平均地溫與降水量的相關(guān)性較小。而全年、夏季和秋季各淺層平均地溫與降水量均成顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.310以上（P<0.05）。其中，夏季各淺層平均地溫與降水量相關(guān)性表現(xiàn)最為明顯，0 cm平均地溫與降水量的相關(guān)系數(shù)達-0.600（P<0.01）（圖4）。

3 結(jié)論

（1）由1964—2015年霸州市0～20 cm淺層平均地溫的氣候傾向率可知，霸州市各層季平均地溫均呈顯著上升趨勢，升幅為0.04～0.52 ℃/10年。其中春季、冬季升幅較大，且以0 cm表現(xiàn)最為明顯；從整個淺層平均來看，四季平均地溫均呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢，氣候傾向率為0.06～0.40/10年，春季最大，秋季最小。

（2）1964—2015年霸州市淺層平均地溫均呈顯著上升的趨勢，氣候傾向率為0.16～0.31 ℃/10年，其中0 cm地溫上升幅度最大。與霸州市同期年平均氣溫的氣候傾向率（0.42 ℃/10年）比較，0～20 cm地溫的傾向率偏低。這表明地溫的變化在很大程度上受氣溫變化的影響，而且對0 cm的影響最大。

（3）1964—2015年霸州市春季、夏季平均地溫隨深度的增加而降低，秋季、冬季平均地溫隨深度的增加而升高，各淺層平均地溫的最大值均出現(xiàn)在7月，最小值出現(xiàn)在1月。

（4）從霸州市0、10、20 cm地溫30年標準氣候平均值來看，年、季平均地溫均呈現(xiàn)緩慢升高趨勢，其中春、冬2季表現(xiàn)最為明顯，夏季基本持平。

（5）霸州春季、冬季、年地溫距平均表現(xiàn)為“冷-暖”的變化趨勢；夏季地溫距平表現(xiàn)為“暖-冷-暖-冷”的變化趨勢；秋季地溫距平表現(xiàn)為“冷-暖-冷-暖”的變化趨勢。

（6）春季、冬季、全年淺層平均地溫多異常偏低年份，大多發(fā)生在60年代末期和70年代初期，其中1985年5、10 cm年平均地溫發(fā)生異常偏低。秋季多異常偏高年份，1965年5 cm地溫、2006年0～20 cm地溫以及1975年5～20 cm地溫發(fā)生異常偏高。

（7）用累積距平和信噪比的方法進行氣候突變檢驗，發(fā)現(xiàn)霸州年和各季地溫均未發(fā)生突變；用M-K法進行氣候突變檢驗，發(fā)現(xiàn)年和冬季地溫在1986—1987年附近發(fā)生突變，春季地溫在1996年附近發(fā)生突變，夏季除0 cm地溫外，其他淺層均在2011年發(fā)生突變；用滑動T檢驗法進行氣候突變檢驗，發(fā)現(xiàn)年平均地溫除20 cm外，其他淺層均在1996年發(fā)生突變，冬季地溫在1987年附近發(fā)生突變，春季0、5 cm地溫分別在1999年、1996年發(fā)生突變，夏季和秋季均未發(fā)生突變。

（8）年、季平均地溫與同期平均氣溫存在較好的相關(guān)性，其中0 cm地溫表現(xiàn)最為顯著，說明氣溫上升是影響霸州市地溫上升的重要原因，而且對0 cm地溫影響最大。年、夏季和秋季各淺層平均地溫與降水量均成顯著負相關(guān)，其中夏季0 cm平均地溫與降水量的相關(guān)性最為顯著。

4 參考文獻

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