黔南1961—2018年淺層地溫變化特征分析

陳 楊，潘啟學(xué)，顧 欣，唐紅忠

(貴州省黔南布依族苗族自治州氣象局，貴州 都勻 558000)

0 引言

地溫是地表面和以下不同深度處土壤溫度的統(tǒng)稱。它能反映土壤熱儲(chǔ)量狀況，通過(guò)陸地下墊面過(guò)程來(lái)引起氣候變化。如Zhang等[1]研究得出，20世紀(jì)加拿大土壤溫度對(duì)氣溫和降水的響應(yīng)過(guò)程在氣候變化上的影響明顯。

離地面5、10、15、20 cm深度的地中氣溫稱為淺層地溫[2]，其對(duì)農(nóng)作物根系生長(zhǎng)有重要影響。目前已有不少學(xué)者對(duì)淺層地溫進(jìn)行了大量研究[3-5]，但貴州省在此方面研究較少[6-7]，黔南地區(qū)更是空缺。

黔南位于貴州省中南部，地處云貴高原東南部向廣西丘陵過(guò)渡的斜坡地帶，地勢(shì)呈西北高、東南低，內(nèi)轄12個(gè)縣市，南北跨度較大。研究1961—2018年黔南地區(qū)淺層地溫分布特征、變化規(guī)律有著重要?dú)夂驅(qū)W意義，可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、資源利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

選取黔南地區(qū)12個(gè)國(guó)家基本氣象站1961—2018年0、5、10、15、20 cm逐日平均地溫資料，統(tǒng)計(jì)出5個(gè)層次年、季、月地溫序列。

1.2 分析方法

用線性傾向率法分析地溫變化趨勢(shì)，用Mann-Kendall檢驗(yàn)法對(duì)地溫進(jìn)行突變檢驗(yàn)[8]，用Morlet小波分析法研究地溫周期變化特征[9-10]。用ArcGIS的空間分析功能探究淺層地溫空間分布特征。

2 淺層地溫年際變化特征分析

2.1 淺層地溫的年際分布特征

1961—2018年黔南地區(qū)5～20 cm年平均地溫為18.3 ℃，各層最高值分別為19.1、19.2、19.2、19.3 ℃，均出現(xiàn)在2016年，最低值為17.8、17.6、17.5、17.0 ℃，分別出現(xiàn)在1976、1984、1984、1962年。由圖1可見(jiàn)，各層平均地溫年變化相似，均呈上升趨勢(shì)，5 cm地溫整體升幅不大，10、15、20 cm平均地溫1961—1997年整體偏低(相比58 a平均值)，1998—2018年整體偏高。用線性傾向率法分析得出黔南地區(qū)5、10、15、20 cm 的氣候傾向率分別為0.095、0.140、0.174、0.194 ℃/10 a，可見(jiàn)各層的年平均地溫呈增溫趨勢(shì)，增幅為0.095～0.194 ℃/10 a。20 cm年平均地溫增幅最大，5 cm增幅最小，隨著深度增加增幅增加。

圖1 1961—2018年黔南地區(qū)5～20 cm地溫年變化Fig.1 Annual changes of 5～20 cm ground temperature in Qiannan area from 1961 to 2018

2.2 淺層地溫年際突變分析

用Mann-Kendall檢驗(yàn)法[11]，給定顯著性水平α=0.05，即u0.05=±1.96，研究1961—2018年黔南地區(qū)5～20 cm各層平均地溫的突變特征。近10 a黔南地區(qū)淺層平均地溫呈明顯增加的趨勢(shì)(圖2)。5 cm的UF和UB曲線有多個(gè)交點(diǎn)，平均地溫波動(dòng)較大，突變特征不明顯。10、15、20 cm的 UF和UB曲線有唯一交點(diǎn)，即突變點(diǎn)。根據(jù)交點(diǎn)位置得出10、15、20 cm的平均地溫分別從2002、2004、2004年開(kāi)始突變，突變點(diǎn)后上升趨勢(shì)遠(yuǎn)超過(guò)顯著性水平0.05臨界線，表明10、15、20 cm的平均地溫增溫趨勢(shì)明顯。

圖2 1961—2018年黔南地區(qū)5～20 cm地溫年變化Mann-Kendall檢驗(yàn)Fig.2 Mann-Kendall test of the annual change of 5-20 cm ground temperature in Qiannan area from 1961 to 2018

2.3 淺層地溫周期特征

該文用Morlet小波分析法對(duì)黔南地區(qū)5～20 cm淺層地溫的時(shí)間序列進(jìn)行小波變換(如圖3)，可見(jiàn)小波頻率分布與氣候信號(hào)變化幾乎一致。頻率等值中心為冷暖中心，其大小可反映振動(dòng)強(qiáng)度。5、10 cm地溫在1990年之前的振蕩周期頻率較高為5～10 a，1990年后的振蕩周期頻率較低為15～25 a；15、20 cm地溫在1961—2018年的振蕩周期頻率均較高為5～15 a。

圖3 1961—2018年黔南地區(qū)5～20 cm地溫的小波變換Fig.3 Wavelet transformation of 5～20 cm ground temperature in Qiannan area from 1961 to 2018

3 淺層地溫季節(jié)特征分析

各季節(jié)地溫均呈升高趨勢(shì)，且隨深度增加氣候傾向率逐漸增大，夏季的氣候傾向率為四季中最大。春、冬季淺層地溫隨深度增加而升高，秋季淺層地溫隨深度增加而降低。

表1 1961—2018年黔南地區(qū)5、10、15、20 cm地溫季變化統(tǒng)計(jì)Tab.1 Seasonal changes of ground temperature at 5,10,15,20 cm in Qiannan area from 1961 to 2018

4 淺層地溫月際特征分析

黔南地區(qū)5～20 cm各層平均地溫月變化呈單峰形勢(shì)。各層地溫最大值出現(xiàn)在8月，最小值出現(xiàn)在1月。3—9月地溫由高到低為5 cm>10 cm>15 cm>20 cm，即暖月隨深度增加地溫遞減，10月—次年2月地溫由高到低為20 cm>15 cm>10 cm>5 cm，即冷月隨深度增加地溫遞增。

圖4 1961—2018年黔南地區(qū)5～20 cm地溫月變化Fig.4 Monthly changes of 5～20 cm ground temperature in Qiannan area from 1961 to 2018

5 淺層地溫的空間分布特征

黔南處在106.22～108.23°E，25.12～27.48°N，海拔高度242～1961m的斜坡地帶，地形地勢(shì)差異使南北氣候差異明顯。用ArcGIS的空間分析功能，探究黔南地區(qū)12個(gè)縣市近58 a的年平均淺層地溫空間分布特征。從圖5可看出淺層地溫呈自北向南逐漸升高的特征，甕安最低，羅甸最高。

圖5 1961—2018年黔南地區(qū)5～20 cm淺層地溫空間分布Fig.5 Spatial distribution of 5～20 cm shallow ground temperature in Qiannan area from 1961 to 2018

黔南地區(qū)5 cm年平均地溫范圍為16.1～22.2 ℃，10 cm年平均地溫范圍為16.0～22.2 ℃，15 cm年平均地溫范圍為15.9～22.3 ℃，20 cm年平均地溫范圍為15.9～22.3 ℃。羅甸近58 a的平均淺層地溫為12縣市中最高，甕安為最低。淺層地溫垂直變化上，從5～20 cm羅甸、獨(dú)山逐漸上升，福泉、龍里、平塘、荔波、三都、都勻逐漸下降，甕安、惠水、長(zhǎng)順在5～10 cm下降，10～20 cm上升，貴定在5～10 cm上升，10～20 cm下降。整體上年平均淺層地溫由高到低的順序?yàn)? cm>10 cm>15 cm>20 cm。

6 結(jié)論

①近58 a黔南地區(qū)5～20 cm各層平均地溫年際變化呈上升趨勢(shì)，氣候傾向率隨著深度增加升幅逐漸增加。5 cm的平均地溫波動(dòng)較大，突變特征不明顯，10、15、20 cm的平均地溫分別從2002、2004、2004年開(kāi)始突變。5 cm、10 cm地溫在1990年之前的振蕩周期頻率較高，1990年后的振蕩周期頻率較低，15 cm、20 cm地溫近58 a的振蕩周期頻率均較高。

②各季節(jié)地溫均呈增溫趨勢(shì)，且隨深度增加氣候傾向率逐漸增大。各層平均地溫月變化呈單峰形勢(shì)。暖月隨深度增加地溫遞減，即冷月隨深度增加地溫遞增。

③近58 a淺層地溫呈自北向南逐漸升高的規(guī)律，甕安最低，羅甸最高。12縣市淺層地溫垂直變化特征各不相同。