海南島0 cm地溫變化特征及其相關(guān)氣象要素

羊清雯 易雪 施晨曉 李濤 陳統(tǒng)強(qiáng)

(1 海南省氣象信息中心,?？?570203； 2 海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, ?？?570203；3 中國(guó)氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所,沈陽 110166； 4 西安財(cái)經(jīng)大學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)院，西安 710010；5 海南省?？谑袣庀缶??？?571100)

引言

下墊面溫度和不同深度的土壤溫度均統(tǒng)稱為地溫[1]。其中，地表溫度，即0 cm地溫，既能反映出太陽輻射與大氣對(duì)地表間、海陸間的相互作用，也可以反映出不同的地表類型、地表的水文情況以及水熱間的收支特征等[2]?！稓夂蜃兓瘒?guó)家評(píng)估報(bào)告》第4次報(bào)告指出，中國(guó)年平均地表溫度在進(jìn)入20世紀(jì)后有明顯的增加，較同期全球升溫幅度平均值略高0.5～0.8 ℃，且20世紀(jì)的升溫幅度比過去1000年以來的任何時(shí)段都要高[3]。在IPCC的第5次評(píng)估報(bào)告中再一次指出，自1880—2012年的132年以來，全球的地表平均溫度約上升了0.85 ℃，可能是過去1400年以來最熱的30年[4]。因此，有必要了解在全球氣候變暖的背景下，地表溫度的變化對(duì)氣候變化的影響和響應(yīng)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了大量的研究。Ercan Yesilirmak[5]通過分析土耳其西部的1970—2006年Büyük Menderes盆地共8個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的土壤溫度及其與氣溫、降水和日照的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)的土壤溫度在夏季有明顯增暖的現(xiàn)象，特別是5 cm、10 cm和20 cm。氣溫是直接和主要影響土壤溫度變化的氣候因子；反過來，土壤溫度對(duì)日照和降水也有較大的影響。Zhang等[6]通過分析了20世紀(jì)加拿大的土壤溫度發(fā)現(xiàn)，土壤溫度在對(duì)氣候變化造成明顯影響的過程中，其與氣溫和降水的響應(yīng)過程很復(fù)雜。Gilichinsky等[7]則利用前蘇聯(lián)季節(jié)性凍土的氣象臺(tái)站和常年凍土區(qū)的氣象臺(tái)站的地溫觀測(cè)資料分析發(fā)現(xiàn)，在大部分氣象臺(tái)站中，0.4 m的年平均值在近一個(gè)世紀(jì)以來呈上升的趨勢(shì)。王佳琳等[8]將全國(guó)分為8個(gè)區(qū)域，采用相關(guān)分析、M-K等方法分析了每個(gè)區(qū)域近50年的0 cm地溫和氣溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，中國(guó) 0 cm地溫呈先降低后升高的趨勢(shì)，2000年突變后升溫趨勢(shì)更為明顯，且北方地區(qū)較南方升溫更加明顯，在過去50年中，南北溫差呈現(xiàn)縮小的趨勢(shì)。竇坤等[9]利用氣候傾向率和相關(guān)分析等方法，分析了近53年菏澤0 cm 溫的變化趨勢(shì)以及與氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水量、水汽壓的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)菏澤年平均地面溫度呈極顯著上升趨勢(shì)，降水量減少、水汽壓極顯著增大，導(dǎo)致菏澤地面溫度極顯著升高，日照時(shí)數(shù)極顯著減少對(duì)地面溫度升溫趨勢(shì)有弱的減緩作用。周刊社等[10]則通過分析1971—2013年西藏西部、中部和東部8個(gè)氣象站的淺層(5、10、20 cm)地溫和較深層(40、80 cm)地溫以及氣溫逐月的觀測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)西藏在進(jìn)入21 世紀(jì)后，地溫隨著氣溫顯著升高，藏西部和藏中部增溫幅度整體高于藏東部。年均地溫高于氣溫，且其升溫幅度大于氣溫。預(yù)估至21世紀(jì)末，昌都、拉薩、波密地溫水平將分別達(dá)到偏南的八宿、澤當(dāng)和察隅現(xiàn)有地溫水平，相當(dāng)于所有站點(diǎn)南移近1個(gè)緯度。

海南省地處我國(guó)熱帶地區(qū)，既是中國(guó)唯一的熱帶氣候省份，也是海域面積最大的省份，陸地面積約為3.5萬km2[11]。陸地面積雖小，但地表溫度對(duì)研究海南島的海陸相互作用具有重要的意義。邢旭煌[12]通過對(duì)海口市各層地溫和影響海南的熱帶氣旋頻數(shù)的相關(guān)及周期進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)利用深層地溫作為預(yù)報(bào)因子，建立回歸方程，對(duì)影響海南的TC年頻數(shù)進(jìn)行預(yù)報(bào)，具有較好的效果。王剛等[13]則利用線性趨勢(shì)分析等方法，分析了?？谑?981—2010年淺層地溫的變化特征及其與氣候因子的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)?？谑袦\層地溫呈正趨勢(shì)變化，增溫最大出現(xiàn)在冬季，氣溫、降水是影響淺層地溫變化的主要影響因子。

面對(duì)海南自貿(mào)港建設(shè)以及國(guó)家生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)建設(shè)等需求，有必要對(duì)海南省氣候資源進(jìn)行研究，尤其是與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境緊密相關(guān)的地溫，但相關(guān)的研究也僅限于?？谑械牡販嘏c氣候因子的關(guān)系分析。因此，本文利用海南省17個(gè)氣象觀測(cè)站，1980—2018年逐月平均0 cm地溫、平均氣溫、累計(jì)降水量、累計(jì)日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速觀測(cè)資料，分析0 cm 地溫近39年時(shí)空變化趨勢(shì)特征及其與氣象要素間的關(guān)系，并采用概率密度函數(shù)分析海南島不同年代際間0 cm地溫的出現(xiàn)概率，旨在為海南島合理利用氣候資源安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 研究資料及方法

1.1 研究資料

文中所用的資料為海南省17個(gè)氣象觀測(cè)站，1980—2018年逐月平均0 cm地溫、平均氣溫、累計(jì)降水量、累計(jì)日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速觀測(cè)資料，由于三亞站遷移站點(diǎn)后海拔高度發(fā)生變化導(dǎo)致溫度變化較大，故本文選取海南島除三亞市外的17個(gè)市縣氣象站觀測(cè)資料作為研究對(duì)象(圖1)，這17個(gè)氣象站均勻分布在整個(gè)海南島，可以較好地代表研究區(qū)整體的地表溫度及氣象要素的變化特征。

圖1 海南省高程及研究區(qū)域氣象站點(diǎn)分布

根據(jù)氣象劃分法，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候傾向率

本文采用氣候傾向率法[14]分析氣候變化趨勢(shì)，該方法是氣象統(tǒng)計(jì)分析中最為常用的一種方法，是用來尋找不同變量之間關(guān)系的一種方法。通過該方法分析海南島0 cm地溫及各氣象因子的年及四季的線性變化，找到其變化特征。將0 cm地溫及各氣象因子y的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)用一元線性方程表示[15]，即：

y=ax+b,x=1,2,…,n

(1)

其中，x為時(shí)間序列；n為時(shí)間序列長(zhǎng)度；b為常數(shù)；a為線性趨勢(shì)項(xiàng)，其值的大小反映了上升或下降的速率，a>0，表示y隨時(shí)間呈上升趨勢(shì)；反之，a<0，表示y隨時(shí)間呈下降趨勢(shì)，將a×10得到的數(shù)值稱為氣象要素的氣候傾向率(/10a)。

1.2.2 Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)

Mann-Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[16]，既可用于檢測(cè)序列的變化趨勢(shì)，也可用于檢測(cè)氣候突變，在氣象上常用做趨勢(shì)分析[17-18]。對(duì)給定的序列x(t)(t=1,2,…,n)，建立一統(tǒng)計(jì)量:

(2)

該統(tǒng)計(jì)量是考查序列中各個(gè)時(shí)間點(diǎn)(j)的要素值大于該時(shí)刻的要素值的個(gè)數(shù)的總體情況。假設(shè)該序列是遞降序列Q有較大的正值，那么其值將趨于n；反之，如是遞升序列則其值趨于0。在變量任一時(shí)刻均遵從同一分布的假定下，統(tǒng)計(jì)量

(3)

當(dāng)U的絕對(duì)值大于1.96時(shí)，表明序列有非隨機(jī)性變化趨勢(shì)(顯著性水平為0.05)。統(tǒng)計(jì)量Q是由時(shí)間序列按時(shí)間順序發(fā)生的，也可以按時(shí)間逆序產(chǎn)生的，即對(duì)原序列按j=1,2,…,n取不同樣本容量計(jì)算一系列U值，在圖上點(diǎn)出形成前U曲線。另外，按照j=n,n-1,…,1的樣本容量計(jì)算可得后向U曲線，兩條曲線相交，且交點(diǎn)在臨界直線間，則交點(diǎn)時(shí)刻即為突變時(shí)刻[16]。

1.2.3 概率密度函數(shù)

利用概率密度函數(shù)研究海南島不同年代際0 cm地溫不同溫度值出現(xiàn)的概率。概率密度函數(shù)[19]是指隨機(jī)變量X的分布函數(shù)F(X)，存在非負(fù)函數(shù)f(x)，使對(duì)于任意實(shí)數(shù)x有

(4)

則稱X為連續(xù)型隨機(jī)變量，其中函數(shù)f(x)稱為X的概率密度函數(shù)。對(duì)于任意實(shí)數(shù)x1，x2(x1≤x2)，則

(5)

對(duì)海南島不同研究時(shí)間段17個(gè)站點(diǎn)逐月0 cm地溫利用R軟件進(jìn)行Shapiro-Wilk法(夏皮羅-威爾克，W檢驗(yàn))[20]，發(fā)現(xiàn)海南島不同時(shí)間段0 cm地溫均服從正態(tài)分布，且通過α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，其概率密度函數(shù)為

(6)

其中,μ為數(shù)學(xué)期望，σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 0 cm地溫年際變化特征分析及突變檢驗(yàn)

圖2給出了海南島年和四季平均0 cm地溫隨時(shí)間的變化趨勢(shì)圖，由圖2a可以看出海南島年平均0 cm地溫總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，1980—2018年升溫速率為0.24 ℃/10a，通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，說明升溫趨勢(shì)顯著，這與我國(guó)其他地區(qū)0 cm地溫升溫趨勢(shì)一致[8,21-23]，且高于同期海南島平均氣溫升溫速率(表1)。海南島年均0 cm地溫2000年以前是低溫期，大多數(shù)年份的0 cm地溫低于平均值，進(jìn)入21世紀(jì)后，平均地表溫度明顯增大，大多數(shù)年份的0 cm地溫高于平均值。海南島1980—2018年多年平均0 cm地溫為28.1 ℃，近39年來海南島平均0 cm地溫最高的年份為2015年(29.4 ℃)，較多年平均值偏高1.3 ℃，最低的年份為1985年(27.1 ℃)，較多年平均值偏低1 ℃。

圖2 1980—2018年海南島年和四季0 cm地溫時(shí)間變化

表1 海南島年和四季平均0 cm地溫和氣溫氣候傾向率 ℃/10a

1980—2018年海南島春季平均0 cm地溫為29.7 ℃，夏季為32.4 ℃，秋季為27.8 ℃，冬季為22.3 ℃，夏季0 cm地溫最高，春季次之，冬季最低。海南島不同季節(jié)0 cm地溫變化趨勢(shì)存在明顯差異(圖2b～e)。近39年春、秋、冬季0 cm地溫呈升溫趨勢(shì)，與同期氣溫變化趨勢(shì)一致，其中秋季0 cm地溫升溫趨勢(shì)最為顯著，升溫速率為0.37 ℃/10a，通過α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，高于其他幾個(gè)季節(jié)升溫速率，說明秋季增溫對(duì)年均溫的增長(zhǎng)貢獻(xiàn)大于其他季節(jié)，這與我國(guó)其他地區(qū)冬季升溫速率最大研究結(jié)論不一致[8-9,23-24]，說明有必要分析海南島的0 cm地溫變化趨勢(shì)，同時(shí)秋季0 cm地溫升溫速率也高于同期氣溫升溫速率；其次為春季，升溫速率為0.32 ℃/10a，通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，高于同期氣溫升溫速率；冬季升溫速率為0.18 ℃/10a，未通過顯著性檢驗(yàn)，升溫趨勢(shì)不顯著，且低于同期氣溫升溫速率。夏季0 cm地溫表現(xiàn)為弱的升溫趨勢(shì)，而同期的夏季氣溫具有明顯升溫趨勢(shì)，夏季地表溫度和氣溫變化趨勢(shì)不同步。綜上所述，海南島0cm地溫的升高主要是出現(xiàn)在秋季，其次是春季。

給定α=0.05(Uα=±1.96)的顯著性標(biāo)準(zhǔn)，利用M-K非參數(shù)檢驗(yàn)法[25-26]對(duì)海南島年和四季0 cm地溫進(jìn)行突變檢驗(yàn)。由圖3a可知，年平均0 cm地溫在1980—1985年間特征曲線UF呈波動(dòng)下降，隨后開始快速上升，突變點(diǎn)在1996年，且位于置信區(qū)間，2002年開始持續(xù)通過α=0.05顯著性水平。由此可見，海南島年平均0 cm地溫自21世紀(jì)初開始顯著增暖。由圖3b～e可知，春季突變點(diǎn)在1997年，1997年以后開始持續(xù)增暖，2015年開始通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)，突變之后增溫趨勢(shì)顯著。盡管夏季在±1.96的置信區(qū)間有多個(gè)交叉點(diǎn)，但特征曲線UF沒有明顯變化趨勢(shì)，夏季0 cm地溫未發(fā)生突變。秋季突變點(diǎn)在1999年，而后波動(dòng)上升，2004年開始通過檢驗(yàn)，升溫顯著。冬季突變點(diǎn)在1989年，突變時(shí)間早于年和其他季節(jié)，但UF特征曲線未通過±1.96的置信區(qū)間，表明冬季地表溫度變化沒有通過顯著性檢驗(yàn)，變化趨勢(shì)不顯著，UF特征曲線從2009年開始下降，冬季0 cm地溫2009年后開始下降。

圖3 海南島1980—2018年和四季0 cm地溫M-K檢驗(yàn)曲線

2.2 0 cm地溫年代際變化特征分析

從年代際變化來看(表2)，海南島年0 cm地溫從20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)10年代逐年代增高，21世紀(jì)00年代比20世紀(jì)80、90年代分別上升了0.70 ℃和0.38 ℃，而2010年之后較21世紀(jì)00年代略微下降，下降了0.03 ℃。從整個(gè)研究時(shí)間段來看，21世紀(jì)00年代為近39年來最暖的時(shí)期。不同季節(jié)的0 cm地溫年代際變化趨勢(shì)也不盡相同，春季從20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)10年代持續(xù)升高，20世紀(jì)80、90年代溫度偏低，進(jìn)入21世紀(jì)后，各年代際均溫高于平均值，21世紀(jì)10年代比20世紀(jì)80、90年代和21世紀(jì)00年代分別上升了1.08 ℃、0.54 ℃和0.22 ℃。夏季呈微弱升高趨勢(shì)，20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)10年代溫度距平分別為-0.11 ℃、-0.02 ℃、0.06 ℃和0.07 ℃，各年代際平均地表溫度均與多年平均值接近。秋季從20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)10年代也表現(xiàn)為持續(xù)升高，21世紀(jì)10年代比20世紀(jì)80、90年代和21世紀(jì)00年代分別上升了0.95 ℃、0.79 ℃和0.29 ℃。冬季地表溫度年代際變化趨勢(shì)與其他幾個(gè)季節(jié)明顯不同，表現(xiàn)為先升高后降低，從20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)00年代逐漸升高，21世紀(jì)10年代開始降低， 表現(xiàn)為負(fù)距平，甚至低于20世紀(jì)90年代，所以導(dǎo)致近39年來冬季地表溫度升溫趨勢(shì)不顯著。

表2 海南島年和四季不同年代際0 cm地溫 ℃

圖4給出海南島年和四季不同年代際0 cm地溫服從正態(tài)分布的概率密度函數(shù)。由圖4a可以看出，近39年來海南島月平均0 cm地溫從11～39 ℃，概率密度曲線自20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)00年代逐年代整體向右移動(dòng)，平均值增大且對(duì)應(yīng)的概率密度值也逐漸增大，說明溫度整體升高，而并非個(gè)別現(xiàn)象，盡管21世紀(jì)10年代平均值與21世紀(jì)00年代一致，但對(duì)應(yīng)的概率密度值明顯低于21世紀(jì)00年代，表明年0 cm地溫在21世紀(jì)10年代升溫趨勢(shì)開始減緩，但21世紀(jì)10年代溫度數(shù)據(jù)分布比其他年代際離散，表明極端溫度事件增加。春季概率密度曲線同樣逐年代右移，持續(xù)升溫，且80—90年代升溫最為明顯，其中20世紀(jì)90年代0 cm地溫離散度最小，說明這一時(shí)間段內(nèi)全島溫差較小，而21世紀(jì)10年代離散度最高，意味著10年代春季極端低溫和高溫事件增多。夏季溫度范圍較為集中，28～38 ℃，不同年代際的概率密度曲線峰值對(duì)應(yīng)的0 cm地溫集中在32 ℃附近，盡管曲線右移，但幅度很小，升溫趨勢(shì)不明顯。秋季0 cm地溫20～36 ℃，80—90年代增溫最為明顯，10年代開始增溫減緩，且不同年代際0 cm地溫最小值、最大值也逐年代向右移動(dòng)。冬季從20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)00年代右移，21世紀(jì)10年代左移，意味著10年代地表溫度開始回落?？偟膩碚f，無論從年還是四季，0 cm地溫在21世紀(jì)10年代以前升溫趨勢(shì)明顯，10年代以后升溫趨勢(shì)減緩或者降溫，且21世紀(jì)10年代極端溫度事件明顯多于其他年代。

圖4 海南島年和四季不同年代際0 cm地溫正態(tài)概率密度曲線

2.3 0 cm地溫空間分布特征

圖5給出了海南島1980—2018年多年平均年和四季0 cm地溫的空間分布圖，由圖5a可以看出海南島年平均0 cm地溫分布整體上呈現(xiàn)出“中間低、南部高”的特征，與海南島氣溫空間分布類似[27]。年平均0 cm地溫高值中心位于海南島西南部和東南部，溫度高達(dá)30 ℃左右，而低溫中心主要集中在海南島瓊中附近，溫度僅為26 ℃左右，考慮是因?yàn)檫@里地勢(shì)高森林植被茂密的原因。海南島0 cm地溫空間溫差達(dá)4 ℃，說明海南島0 cm地溫具有明顯的空間差異性。

從海南島不同季節(jié)0 cm地溫空間分布圖(圖5b～e)可以看出，不同季節(jié)的海南島0 cm地溫空間分布特征略有不同。春、秋季海南島0 cm地溫與年平均0 cm地溫分布類似。而夏季0 cm地溫的空間分布與其他幾個(gè)季節(jié)不同，呈現(xiàn)出經(jīng)向分布，即海南島東、西部高，中間低的分布特征，夏季地表溫度高值中心位于東方，35.3 ℃，次高值中心位于萬寧，33.6 ℃，低值中心位于瓊中、五指山一帶，30 ℃左右。冬季0 cm地溫整體上呈現(xiàn)出從西南到東北遞減的空間特征，高值區(qū)位于西南到東南一帶，低值中心仍位于瓊中，但低值地區(qū)范圍比其他幾個(gè)季節(jié)有所擴(kuò)大，包括了海南島北部和中部地區(qū)。

圖5 1980—2018年海南島年和四季0 cm地溫空間分布

2.4 0 cm地溫氣候傾向率空間分布特征

圖6給出了1980—2018年海南島年和四季0 cm 地溫氣候傾向率的空間分布圖，由圖6a可知，年0 cm地溫氣候傾向率除了東南沿海地區(qū)小于0，其他地區(qū)均大于0，說明海南島絕大部分地區(qū)0 cm地溫表現(xiàn)為升溫趨勢(shì)。海南島大部分地區(qū)的升溫速率在0.2～0.4 ℃/10a，只有澄邁和五指山高于0.4 ℃/10a的升溫速率，少部分地區(qū)的升溫速率小于0.2 ℃/10a。

近39年海南島不同季節(jié)0 cm地溫的氣候傾向率空間分布不同。由圖6b～e可見，除秋季全島均表現(xiàn)為升溫趨勢(shì)外，其他季節(jié)0 cm地溫氣候傾向率與年0 cm地溫氣候傾向率空間分布類似，即海南島大部地區(qū)0 cm地溫氣候傾向率大于0以升溫趨勢(shì)為主，只有東南部沿海地區(qū)氣候傾向率小于0呈降溫趨勢(shì)。不同季節(jié)升溫速率表現(xiàn)出明顯的差異性。春季，海南島西北部的臨高和澄邁、西部的昌江和東方以及中部的五指山地區(qū)升溫速率最大，大于0.4 ℃/10a，其他大部分地區(qū)升溫速率在0.2～0.4 ℃/10a。夏季，除東南沿海地區(qū)呈降溫趨勢(shì)外，北部?？诘貐^(qū)也表現(xiàn)為降溫趨勢(shì)，且降溫趨勢(shì)明顯，降溫速率超過0.2 ℃/10a，其他地區(qū)均表現(xiàn)為弱的升溫趨勢(shì)，且升溫速率小于春季。秋季，0 cm地溫升溫速率最大，海南島西部大部分地區(qū)、中部的五指山地區(qū)以及東部的文昌、瓊海升溫速率均大于0.4 ℃/10a，其中澄邁升溫速率達(dá)0.64 ℃/10a，其余大部地區(qū)升溫速率在0.2～0.4 ℃/10a；冬季，大部分地區(qū)表現(xiàn)為升溫，升溫速率小于春、秋兩季，但大于夏季，五指山地區(qū)仍是升溫速率最大的地區(qū)。

2.5 0 cm地溫與其他氣象要素的關(guān)系

地表溫度變化的過程是一個(gè)復(fù)雜的熱量交換過程，主要受太陽輻射、日照高度、大氣環(huán)流、土壤類型、土壤濕度、表面粗糙度及地?zé)醾鲗?dǎo)等因素影響。本文主要分析0 cm地溫與氣象要素的關(guān)系。

表3給出了年和各季0 cm地溫與氣溫、降水、日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)。由表3可以看出年和四季0 cm地溫與氣溫相關(guān)性均為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均大于0.83，且相關(guān)性均通過了顯著性檢驗(yàn)，說明氣溫對(duì)0 cm地溫具有顯著的正向驅(qū)動(dòng)，其中冬季0 cm 地溫與氣溫相關(guān)系數(shù)最大，高達(dá)0.96。從近39年來氣溫年際變化來看(圖7a)，年平均氣溫整體上呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，且氣溫與0 cm地溫在年際波動(dòng)變化上一致，結(jié)合表1，除夏季外，年和春、秋、冬季的0 cm地溫與氣溫升溫趨勢(shì)同步，氣溫升溫速率大的季節(jié)，地表溫度升溫速率也較大，升溫趨勢(shì)顯著的季節(jié)，地表溫度升溫趨勢(shì)也顯著。這是由于地表與空氣交接，土壤與大氣之間隨時(shí)會(huì)發(fā)生熱量交換[28]，所以0 cm地溫與氣溫的相關(guān)性十分顯著。

表3 海南島年、四季0 cm地溫與氣溫、降水、日照時(shí)數(shù)及風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)

降水可以通過影響土壤濕度進(jìn)而影響土壤溫度，土壤濕度影響土壤熱容量，后者隨著含水量的增加而增加[28]，土壤熱容量大，增溫慢，故土壤干濕度對(duì)土壤溫度的高低有較大的影響，另外降水多，意味著日照時(shí)數(shù)少，也會(huì)影響地表接收熱量。由表3可知，年和四季0 cm地溫與降水的相關(guān)性均為負(fù)，這與我國(guó)其他地區(qū)的結(jié)論一致[9,29]。其中年和夏、秋季降水量與0 cm地溫的相關(guān)性通過了顯著性檢驗(yàn)，而夏、秋季正是海南島降水量最多的兩個(gè)季節(jié)，分別占全年降水量的40%和37%，這兩個(gè)季節(jié)降水量充沛，對(duì)土壤含水量影響較大，進(jìn)而對(duì)0 cm地溫影響顯著，由圖7b可知近39年來海南島降水量呈增加趨勢(shì)，增加速率為63.6 mm/10a，且海南島四季降水量均為增加趨勢(shì)，說明海南島降水量的增加對(duì)地表溫度的增加是負(fù)反饋。

圖7 海南島1980—2018年0 cm地溫與平均氣溫(a)、降水量(b)、日照時(shí)數(shù)(c)、風(fēng)速(d)變化

土壤熱量最主要來源于太陽輻射，而日照時(shí)數(shù)的變化可以體現(xiàn)出太陽輻射大小的變化[30-31]。有研究表明，年平均地表溫度與日照時(shí)數(shù)呈正相關(guān)[29,32]，本文也證明了這一結(jié)論，海南島年和四季0 cm 地溫與日照時(shí)數(shù)均為正相關(guān)(表3)，且均通過顯著性檢驗(yàn)，但相關(guān)系數(shù)均小于與氣溫的相關(guān)系數(shù)。盡管近39年來海南島日照時(shí)數(shù)呈下降趨勢(shì)(圖7c)，年日照時(shí)數(shù)每10年減少43.3 h，日照時(shí)數(shù)減少意味著地面接收到的太陽輻射能減少，將會(huì)導(dǎo)致地表溫度降低，但地表溫度仍為升溫趨勢(shì)，說明0 cm 地溫受日照時(shí)數(shù)的影響不如氣溫的影響顯著，日照時(shí)數(shù)的減少對(duì)地表溫度的上升有減緩作用。其中夏季與日照時(shí)數(shù)的相關(guān)性最大，由表1可知，夏季的氣溫升溫趨勢(shì)明顯，而地表溫度升溫趨勢(shì)不明顯，說明夏季受日照時(shí)數(shù)下降趨勢(shì)的影響較為顯著。

風(fēng)速對(duì)地表溫度的影響，是一個(gè)復(fù)雜的過程，風(fēng)速可以通過影響土壤蒸散間接影響地表溫度，風(fēng)速越大，蒸散作用越強(qiáng)，土壤失水越快[33]，而在蒸散的過程中又會(huì)引起地表熱量的散失。由表3可知，春、夏兩季0 cm地溫與風(fēng)速為正相關(guān)，其中春季通過顯著性檢驗(yàn)，年和秋、冬季均為負(fù)相關(guān)，秋季通過顯著性檢驗(yàn)，說明春、秋兩季0 cm地溫受風(fēng)速影響較大。海南島年平均風(fēng)速表現(xiàn)為下降趨勢(shì)(圖7d)，下降速率為0.06(m·s-1)/10a，且四季的風(fēng)速也均為下降趨勢(shì)。對(duì)于春季，風(fēng)速和地表溫度呈顯著正相關(guān)，也就是說春季風(fēng)速下降將不利于地表溫度升高；而對(duì)于秋季，0 cm地溫與風(fēng)速顯著負(fù)相關(guān)，且秋季0 cm地溫與風(fēng)速的相關(guān)性高于降水和日照時(shí)數(shù)，說明秋季風(fēng)速的減弱是地表溫度升高的主要原因之一，這是由于風(fēng)速的減弱，不利于地表熱量的散失。

3 結(jié)論

本文利用海南島17個(gè)氣象觀測(cè)站1980—2018年0 cm地溫月平均數(shù)據(jù)，分析了海南島0 cm地溫的時(shí)空變化特征，以及可能對(duì)0 cm地溫變化產(chǎn)生影響的氣象要素的關(guān)系，主要結(jié)論如下：

(1)近39年來海南島年和四季平均0 cm地溫總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，其中秋季增溫速率最大，春季次之，而夏季0 cm地溫呈微弱不顯著升溫趨勢(shì)。海南島年及春、秋兩季0 cm地溫分別在1996、1997年和1999年發(fā)生突變，突變后升溫趨勢(shì)明顯。

(2)從年代際變化看，年平均0 cm地溫從20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)00年代逐年代增加，21世紀(jì)10年代略微下降，且21世紀(jì)10年代極端溫度事件明顯多于其他年代。

(3)海南島0 cm地溫整體上呈現(xiàn)出“中間低、南部高”的特征。除秋季全島均表現(xiàn)為升溫趨勢(shì)外，年和其他季節(jié)0 cm地溫均表現(xiàn)為東南部沿海地區(qū)呈弱的降溫趨勢(shì)，其他大部地區(qū)以升溫趨勢(shì)為主。

(4)海南島0 cm地溫與氣溫、日照時(shí)數(shù)為顯著正相關(guān)，其中氣溫對(duì)地表溫度為正反饋，而日照時(shí)數(shù)的減少對(duì)地表溫度升溫趨勢(shì)有減緩作用；海南島降水量的增加對(duì)地表溫度的增加呈負(fù)反饋；0 cm地溫與春季風(fēng)速呈顯著正相關(guān)，而與秋季呈顯著負(fù)相關(guān)。總的來說，夏季0 cm地溫升溫趨勢(shì)不顯著考慮是受降水的增加和日照時(shí)數(shù)的減少影響較為顯著；秋季與氣溫的相關(guān)性低于其他幾個(gè)季節(jié)，但秋季與風(fēng)速的相關(guān)性最大，考慮秋季風(fēng)速的減小是秋季0 cm地溫增加的主要因素之一。

地表溫度的變化并不能以單個(gè)或多個(gè)氣象因子的線性關(guān)系來說明，且地表溫度的變化也會(huì)影響其他氣象要素的變化，對(duì)于它們之間的互相影響，本文只初步研究了地表溫度與氣象要素的相關(guān)性，而并未考慮地表溫度對(duì)氣象要素的反作用，下一步工作可借助模式揭示地表溫度與氣象要素相互作用的內(nèi)在機(jī)理機(jī)制，這將是后續(xù)的研究工作內(nèi)容。