五道溝地區(qū)1971—2020年地溫月尺度變化及其對氣溫的響應

劉明亮，王振龍，呂海深，汪躍軍，周 超，趙雯頡

（1.河海大學，南京210098；2.安徽?。ㄋ炕次┧茖W研究院 五道溝水文實驗站，安徽 蚌埠233000；3.淮河水利委員會水文局（信息中心），安徽 蚌埠233000）

0 引 言

【研究意義】地溫是下墊面和不同深度土層溫度的統(tǒng)稱，是重要的土壤狀態(tài)參數(shù)[1-2]，不僅反映氣候變化，而且直接影響種子的發(fā)芽和出苗、作物根系的生長發(fā)育、土壤微生物活動和土壤水肥運動[3]。因此研究地溫變化規(guī)律及其與氣溫的響應關(guān)系對農(nóng)作物地區(qū)[4]具有重要的意義。

【研究進展】地溫受多種氣象因素的影響，隨著全球變暖，地溫的時空變化引起了國內(nèi)外學者的普遍關(guān)注并得出了一系列成果。如，王佳琳等[5]利用中國581 個氣象站0 cm 地溫和氣溫數(shù)據(jù)，分析了我國0 cm 地溫的區(qū)域分異、季節(jié)分異和時空變化特征，發(fā)現(xiàn)中國0 cm 地溫總體呈先降低后升高的趨勢。以往研究發(fā)現(xiàn)1961—2013年菏澤地區(qū)0 cm 層年平均地面溫度呈極顯著上升趨勢，平均每10 a 升高0.22 ℃；0～40 cm 層年平均地溫上升的平均速率為0.139 ℃/10 a[6-8]。研究發(fā)現(xiàn)，1961—2019年柴達木盆地南緣0、10、20 cm年平均地溫均呈增加的趨勢，變化趨勢大體趨于一致，傾向率分別為0.43、0.32、0.33 ℃/10 a[9-10]。鄭燕等[11]研究發(fā)現(xiàn)1961—2019年安慶市5、10、20、40 cm 各層年平均地溫變化相似，各層的年平均地溫呈上升趨勢。劉恬等[12]研究發(fā)現(xiàn)1981—2016年江淮地區(qū)淺層地溫和氣溫均表現(xiàn)為波動上升的趨勢，其中0 cm 地溫的氣候傾向率為0.65 ℃/10 a，增幅大于5～20 cm 地溫。Gong 等[13]研究發(fā)現(xiàn)1981—2010年Dabancheng 地區(qū)各淺層地溫呈升高的趨勢，地面0 cm 的氣候傾向率最大，為0.778 ℃/10 a，由淺至深依次減小，5、10、15、20 cm 地溫的氣候傾向率分別為0.648、0.630、0.527 ℃/10 a。以上研究均與IPCC 第五次評估報告指出的全球地表溫度升高一致[14]。

【切入點】淮北平原位于我國南北氣候過度敏感地帶，又是我國重要的糧、棉、油生產(chǎn)基地，有關(guān)該地區(qū)升溫背景下的地溫變化規(guī)律及其對氣候變化定量響應的研究相對較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為此，利用五道溝水文水資源實驗站1971—2020年月平均氣溫和0～320 cm 地溫資料，分析五道溝水文實驗站0～320 cm 地溫的變化特征及其對氣溫響應，為進一步研究淮北平原氣候變化特征及其與地溫的響應提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

五道溝水文實驗站位于安徽省蚌埠市固鎮(zhèn)縣新馬橋境內(nèi)，地處淮北平原南部區(qū)，臨近京滬鐵路和蚌徐公路，屬于暖溫帶半干旱半濕潤的氣候區(qū)。該站積累了1953—2021年水文實驗實測資料，站內(nèi)設有水文氣象全要素觀測場、62 套非稱質(zhì)量式大型蒸滲儀、10 套自動稱質(zhì)量式蒸滲儀及大型野外人工降雨實驗等設備，其中氣象觀測場為配合水文實驗研究，開展了長系列氣象全要素觀測，包括：干濕球溫度、E601 水面蒸發(fā)、20 m2口徑水面蒸發(fā)、標準雨量、自記雨量、梯度溫度、日照時間、風速風向等水文氣象要素。

2 資料來源與研究方法

2.1 資料來源

本文選取淮北平原南部地區(qū)五道溝水文實驗站氣象場實測的逐日地溫和氣溫數(shù)據(jù)資料，時間序列為1971—2020年，共50 a。該站的氣象場氣溫數(shù)據(jù)在每天02:00、08:00、14:00、20:00 測定，地溫數(shù)據(jù)在每天08:00、14:00、20:00 測定。該區(qū)1964—2009年年平均氣溫每10 a 增加0.14 ℃[15]。

2.2 研究方法

采用線性傾向估計法分析該區(qū)0～320 cm 層地溫的變化速率；利用M-K 檢驗對各層年平均地溫序列趨勢變化進行突變檢驗；通過小波分析得到各層年平均地溫序列周期的變化規(guī)律；利用SPSS 分析地溫與氣溫以及不同土層地溫間的相關(guān)性分析。

2.2.1 線性傾向估計

用yi表示樣本量為n的某一氣候變量，用xi表示yi所對應的時間，建立yi與ti之間的一元線性回歸方程[15]，計算式為：

式中：k為回歸系數(shù)，表示某一氣候序列隨時間變化的趨勢，當k>0 時，序列呈增加的趨勢，當k<0 時，序列呈減小的趨勢，k=0 表示序列無變化趨勢；b為常數(shù)可通過最小二乘法求得[16]。本文用k×10 表示氣候傾向率，單位為（℃/10 a）。

為檢驗該氣候傾向率的顯著性，設定顯著性水平為α=0.1、α=0.05、α=0.01，并運用SPSS 檢驗其顯著性是否通過。

2.2.2 M-K 檢驗

M-K 檢驗[17-18]是計算比較簡單的非參數(shù)檢驗法，其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布即無分布檢驗，也不受少數(shù)異常值的干擾。

M-K 檢驗不僅可以進行突變檢驗還可以檢驗時間序列的變化趨勢，為了更進一步的表示序列的顯著性水平，結(jié)合M-K 趨勢檢驗中的MK-Z統(tǒng)計量來檢驗其顯著性是否通過。M-K 趨勢檢驗置信度90%、95%、99%所對應的臨界值分別為1.674、2.006 和2.672[19]。

2.2.3 小波分析

小波分析[20-21]通過將時間系列分解到時間頻率域內(nèi)，從而得出時間系列的顯著的波動模式，即周期變化動態(tài)，以及周期變價動態(tài)的時間格局[16]。本文利用小波分析并運用Matlab 軟件計算得到該區(qū)0～320 cm 土層年平均地溫的周期變化規(guī)律。

3 結(jié)果與分析

3.1 地溫在月尺度上的變化趨勢分析

五道溝地區(qū)1971—2020年0～320 cm 地溫月平均氣候傾向率見表1。運用線性傾向估計法并結(jié)合SPSS 數(shù)據(jù)分析工具對0～320 cm 各層月平均地溫系列進行計算，得出各層各月氣候傾向率。由表1 可知，五道溝水文實驗站0～320 cm 地溫除6—9月外，其余月份各層總體均呈增長趨勢，最大增幅在3月（ 0.11～0.68 ℃/10 a ）， 最小增幅在10月（0.02～0.18 ℃/10 a），且除5月和10月沒有通過顯著性檢驗外，其余月份地溫變化趨勢總體通過0.1 顯著性檢驗，其中2月和3月更是通過0.01 顯著性檢驗。各層地溫變化方面（表1），在1—5月和10—12月0～160 cm 各層地溫均呈上升的趨勢，且0 cm地溫增幅最大，160 cm 增幅最??；320 cm 地溫整體呈下降的趨勢。

表1 五道溝地區(qū)1971—2020年0～320 cm 地溫月平均氣候傾向率Table 1 Monthly average climate tendency rate of 0～320 cm ground temperature in Wudaogou area from 1971 to 2020

3.2 地溫的周期性分析

1971—2020年五道溝實驗站0～320 cm年平均地溫小波分析結(jié)果見圖1。0～320 cm 各層地溫小波系數(shù)實部等值線圖具有較明顯的3～6、8～12 a 和15～25 a尺度的周期變化，其中0～320 cm 各層地溫15～25 a尺度在整個系列年都較為穩(wěn)定；0 cm 層8～12 a 尺度和10 cm 層3～6 a 和8～12 a 貫穿整個系列年且較穩(wěn)定，0 cm 層3～6 a 尺度在1971—1990年和2006—2020年較穩(wěn)定；40 cm 層（圖1（c））4～6 a 尺度在1971—1986年和2005—2020年較為穩(wěn)定，8～12 a 尺度在1978—1996年較穩(wěn)定；80 cm（圖1（d））層3～6 a尺度在1986—200年較穩(wěn)定；160 cm 層（圖1（e））3～6 a 尺度在1983—2020年，但穩(wěn)定性較弱。

圖1 五道溝實驗站地溫小波系數(shù)等值線圖Fig.1 Ground temperature wavelet coefficient contour map of Wudaogou experimental station

3.3 地溫的突變檢測

給定顯著性水平α=0.05，即μ0.05=±1.96。利用M-K 突變檢驗對五道溝地區(qū)0～320 cm年平均地溫進行突變檢驗（圖2），UF曲線和UB曲線的交點所對應的時間即為突變點。圖2（a）、圖2（b）和圖2（d）顯示0、10 cm 和80 cm 地溫突變發(fā)生的年份分別為2013、2016年和2019年左右，發(fā)生突變后UF線均超出臨界線，且UF統(tǒng)計值大于0，表明地溫顯著升高；圖2（e）顯示160 cm 地溫突變年份發(fā)生在2017年左右，1974—1982年和1986—1998年間UF曲線超出臨界值，且UF統(tǒng)計值小于0，表明在此年間160 cm 地溫具有明顯的下降趨勢。

圖2（f）顯示320 cm 地溫突變的年份發(fā)生在1972年左右，且突變后UF曲線在臨界線內(nèi)，突變后地溫變化趨勢不明顯，1974—1976年和1987—2014年間UF曲線超出臨界線，且UF統(tǒng)計值小于0，表明在此年間320 cm 地溫具有明顯的下降趨勢。

圖2 五道溝水文實驗站0～320 cm 地溫M-K 檢驗統(tǒng)計量Fig.2 M-K test statistics of 0～320 cm ground temperature at Wudaogou hydrological experimental station

3.4 地溫對氣溫及其各層間的變化響應

3.4.1 地溫對氣溫變化的響應

各層月平均地溫與氣溫的相關(guān)性分析如表2 所示。隨著土層深度的增加，地溫與氣溫的相關(guān)系數(shù)逐漸減小，表明地溫對氣溫的敏感性隨土層深度的增加而減小，其中，0～40 cm 土層地溫與月平均氣溫呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均大于0.522。除6月外，其余月份80 cm月平均地溫與月平均氣溫正相關(guān)。各月份160 cm 和320 cm 地溫與氣溫的相關(guān)性差異較大，160 cm 在1、4、5、7、9、10月相關(guān)系數(shù)均通過0.05 顯著性檢驗，呈弱相關(guān)，其中9月160 cm 地溫與氣溫呈負相關(guān)，而在2、3、6、8、11、12月相關(guān)系數(shù)通過0.01 顯著性檢驗，呈強相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)均大于0；320 cm 地溫與氣溫相關(guān)性較差，其中2—4月和11月相關(guān)系數(shù)均小于0，呈負相關(guān)，其余月份呈正相關(guān)。

表2 五道溝實驗站月平均地溫與氣溫相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation between monthly average ground temperature and air temperature at Wudaogou experimental station

3.4.2 各層地溫之間的相關(guān)性分析

各層年平均地溫間相關(guān)性及顯著性檢驗如表3 所示。0～160 cm 各土層間年平均地溫呈強相關(guān)，相關(guān)性均大于0.551（p<0.01）；320 cm 地溫與其余土層相關(guān)性較弱，相關(guān)性隨土層深度的增加而提高，而0 cm 地溫與其余土層相關(guān)性隨土層深度增加而減小。

表3 五道溝實驗站各層年平均地溫間的相關(guān)性Table 3 Correlation analysis of annual average ground temperature in each layer of Wudaogou experimental station

4 討論

本研究得出的五道溝各土層地溫的變化特征與相關(guān)研究[10-12]結(jié)果基本一致，各土層月平均地溫總體呈顯著升高趨勢，但各土層地溫變化速率存在細微的差異，其中變化較大的是0 cm（0.16～0.68 ℃/10 a）土層，特別是突變后尤為明顯。M-K 突變檢驗顯示各層突變點基本上都發(fā)生在20 世紀末和21 世紀初，與突變前相比，突變后的年平均地溫變化率都顯著性升高，并且增幅隨著土層深度的增加而減小。這一現(xiàn)象表明五道溝地區(qū)地溫升溫速率在加快，并沒有對21 世紀初全球及中國普遍出現(xiàn)的“全球增暖停滯”現(xiàn)象做出響應[14,22]，有關(guān)此現(xiàn)象的原因仍進一步研究。周期方面，五道溝各層年平均地溫變化周期以3～6 a 和8～12 a 尺度為主周期，與張翠華等[23]研究結(jié)果1981—2010年河北石家莊5～20 cm年平均地溫以4～6 a 和9～10 a 尺度為主周期相一致，而1961—2012年銀川0～20 cm 平均地溫主要以2～4 a 尺度為主周期，未檢測出太陽活動周期等較長尺度周期。這是由于不同研究者所用的資料時間系列及時間尺度不同造成的，另外區(qū)域不一致、研究方法如周期檢測方法等不同也是造成這些差異的主要原因。

本文采用五道溝實驗站1970—2020年0～320 cm地溫及氣溫實測資料，主要開展了地溫變化及其對氣溫的響應關(guān)系研究，在更大區(qū)域上的不同尺度相關(guān)研究及其應用，有待進一步探討。

5 結(jié)論

1）從不同月份來看，其中6—9月各層地溫變化趨勢差異顯著，其余月份各層地溫總體呈增加趨勢，其中，最大增幅在3月最小增幅在10月；從各土層來看，0～160 cm 各層地溫在1—5月和10—12月均呈上升趨勢，且0 cm 地溫增幅最大，160 cm 增幅最小，而320 cm 地溫總體呈下降趨勢。

2）從各層地溫變化周期來看，各層地溫具有明顯的3～6、8～12、15～25 a 尺度周期變化，且3～6 a尺度在0、10、40、80 cm 和160 cm 層較穩(wěn)定，8～12 a 在0 cm 和10 cm 較穩(wěn)定，15～25 a 尺度在各層都較穩(wěn)定。

3）從各層地溫突變情況來看，0、10、80、160 cm 和320 cm 各層地溫均發(fā)生突變，突變的年份分別在2012、2017、2016、2019年和1972年，其中0、10、80 cm 發(fā)生突變后UF曲線超出臨界線，UF統(tǒng)計值均大于0，表明地溫顯著性升高；其他層突變后變化不顯著。

4）不同深度的月平均地溫對氣溫變化的響應存在明顯的差異，0～80 cm 地溫對氣溫變化較為敏感；160 cm 地溫對氣溫變化敏感性較弱；320 cm 地溫與氣溫的相關(guān)性較弱，基本不受氣溫變化的影響。