河北省0 cm地溫變化特征分析

郭小璇 金 龍 姬藝珍 高珊珊 陳沛宇 韓 磊

（1.河北省氣象技術(shù)裝備中心，河北 石家莊 050022；2.天水市氣象局，甘肅 天水 741000）

0 引言

地溫是下墊面溫度和不同深度下的土壤溫度的總稱［1］。在氣象觀測(cè)規(guī)范中，將0～20 cm 深度的地溫叫作淺層地溫，40～320 cm 的地溫叫作深層地溫［2］。地表溫度即0 cm 地溫，既可以反映出太陽(yáng)輻射與大氣對(duì)下墊面之間的陸（海）氣相互作用［3］，也可以反映出不同地區(qū)、不同土壤類型及不同氣候變化背景情況下的能量收支情況［4］，并強(qiáng)烈影響著土壤的理化過(guò)程及生物過(guò)程，且土壤溫度的變化直接影響著植被生長(zhǎng)、農(nóng)作物產(chǎn)量等［5］。因此，地溫是地-氣之間交換過(guò)程的主要參數(shù)之一。根據(jù)IPCC第四次評(píng)估報(bào)告可知，我國(guó)年平均氣溫在20 世紀(jì)存在明顯的增加趨勢(shì)，增溫幅度較全球增溫變化幅度高0.5～0.8 ℃［6］。同時(shí)IPCC 第五次評(píng)估報(bào)告也指出，到2012 年全球平均溫度增高0.85 ℃［7］，因此，有必要研究地表溫度對(duì)全球氣候變化的影響及響應(yīng)。

我國(guó)已有較多學(xué)者對(duì)地溫變化特征及影響因素進(jìn)行了研究，羊清雯等［8］利用海南島17個(gè)氣象觀測(cè)站1980—2018 年逐月0 cm 地溫及氣象要素資料，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析了海南島年和四季的0 cm 地溫時(shí)空變化特征及氣象要素的關(guān)系。得到了海南島年平均0 cm 地溫呈顯著上升趨勢(shì)，且秋季為地溫上升的主要貢獻(xiàn)季節(jié)。于海躍等［5］利用甘肅省22個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站1980—2021 年地溫觀測(cè)資料，利用小波分析和MK 突變檢驗(yàn)等方法分析了甘肅省淺層地溫的變化特征，得到了甘肅省0～20 cm 地溫空間分布特征呈東西高中部低的特點(diǎn)，且淺層地溫呈逐年上升趨勢(shì)。于莉麗等［9］利用1971—2010 年錫林浩特0～160 cm 四層的年平均地溫和逐月平均地溫，利用氣候統(tǒng)計(jì)法對(duì)地溫變化趨勢(shì)和氣候突變進(jìn)行研究，得到該地區(qū)不同季節(jié)地溫均呈上升趨勢(shì)，波動(dòng)幅度隨深度的加深而減小。在0 cm 地溫中，夏季增溫最為顯著。李銘等［10］基于CIMISS 數(shù)據(jù)接口獲取大連氣象站2004—2017 年淺層地溫月數(shù)據(jù)，得到地溫變化呈先降低后升高的變化趨勢(shì)，且2010年為拐點(diǎn)，不同層的地溫變化趨勢(shì)為一致的。肖薇薇等［11］利用陜西省1958—2017 年18 個(gè)氣象觀測(cè)站逐月0 cm 地溫和氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合氣候統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)陜西省0 cm 地溫進(jìn)行分析，得到近60 年來(lái)，陜西省0 cm 地溫變化趨勢(shì)除夏季以外均呈增高趨勢(shì)，并且利用年均氣溫和0 cm 地溫進(jìn)行對(duì)比分析，得到二者呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，其顯著性為秋季＞春季＞年＞夏季＞冬季的特點(diǎn)。于志明等［12］利用1981—2010 年唐山國(guó)家基本氣象站的逐月平均地溫資料，分析了近30 年唐山深層地溫的變化情況，得出不同深度的增溫趨勢(shì)在不同季節(jié)存在差異。張翠華等［13］利用石家莊地區(qū)5 個(gè)觀測(cè)站2008—2010 年逐日地面溫度等數(shù)據(jù)分析了該地區(qū)地溫垂直變化特征，為華北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響因子提供了參考。目前，對(duì)于河北省地表溫度的研究成果較少，基于此，本研究利用河北省20個(gè)氣象觀測(cè)站的逐月0 cm地溫及氣象要素資料，對(duì)河北省0 cm地溫變化特征進(jìn)行研究，以期為河北省有效利用氣候資源提供有效科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究選取河北省1960—2020 年20 個(gè)氣象觀測(cè)站的逐月0 cm 地溫（以下簡(jiǎn)稱“地溫”）、氣溫、累計(jì)降水量、累計(jì)日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)均來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（https：//data.cma.cn/）。季節(jié)劃分如下：3 月至5 月為春季、6 月至8 月為夏季、9月至11月為秋季、12月至次年2月為冬季。

1.2 研究方法

本研究所采用一元線性回歸方法分析河北省地溫氣候變化趨勢(shì)，分析方法如下：利用獲取的1960—2020 年平均地溫?cái)?shù)據(jù)的氣候傾向率采用一元線性方程表示如式（1）。

式中：Y為平均氣象要素，a0為常數(shù)，a1為線性趨勢(shì)項(xiàng)，t為時(shí)間，a1*10 為平均氣候要素每10 年的氣候傾向率，當(dāng)a1＞0 時(shí)，說(shuō)明該氣候要素值在對(duì)應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)有線性增加的變化趨勢(shì)，反之為減小趨勢(shì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 0 cm地溫時(shí)間變化特征

1960—2020 年河北省0 cm 地溫年均線性變化呈顯著波動(dòng)上升的趨勢(shì)（如圖1 所示），地溫傾向率為0.36 ℃·（10 a）-1（P＜0.01），這與我國(guó)其他地區(qū)地溫時(shí)間變化特征相似，從1997 年開始，地溫逐漸上升（13.1 ℃），直到2019年達(dá)到最高值（14.1 ℃），這與1969年的最低值（11 ℃）相差3.1 ℃。

圖1 1960—2020年河北省0 cm地溫年均線性趨勢(shì)變化情況

1960—2020 年河北省0 cm 地溫季節(jié)線性趨勢(shì)變化情況如圖2所示。近60年河北省春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)地溫均呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，但不同季節(jié)上升趨勢(shì)存在差異。其中，河北省夏季、秋季不呈顯著升高趨勢(shì)，春季、冬季呈顯著升高趨勢(shì)（P＜0.01），地溫傾向率為春季［0.54 ℃·（10 a）-1］＞冬季［0.41 ℃·（10 a）-1］＞秋季［0.26℃·（10 a）-1］＞夏季［0.25 ℃·（10a）-1］的趨勢(shì)。即河北省年均地溫升高主要受春季、冬季和秋季的季節(jié)影響。

圖2 1960—2020年河北省0 cm地溫季節(jié)線性趨勢(shì)變化情況

2.2 0 cm地溫年代際變化特征分析

1960—2020年河北省不同年代際0 cm地溫見表1。由表1可知，春季在20世紀(jì)70年代呈波動(dòng)下降趨勢(shì)（平均地溫為11.99 ℃），20世紀(jì)80年代開始持續(xù)升高，并在2017年達(dá)到最大值17.7 ℃，與1970年最低值11 ℃相差6.7 ℃。冬季在20世紀(jì)90年代呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，并在2015年達(dá)到最大值-2.2 ℃，與1974年最低值-7.4 ℃相差5.2 ℃。秋季在20世紀(jì)80年代呈波動(dòng)下降趨勢(shì)（平均地溫為11.15 ℃），20世紀(jì)90年代之后持續(xù)升高，在2019 年達(dá)到最高值（平均地溫為14.4 ℃），與1980年最低值10 ℃相差4.4 ℃。夏季不同年代際變化幅度較小，在2000 年達(dá)到最高值為29.6 ℃，與1971 年最低值23.8 ℃相差5.8 ℃。其中，春季為四個(gè)季節(jié)中平均地溫變化相差最大的季節(jié)。

表1 1960—2020年河北省不同年代際0 cm地溫 單位：℃

2.3 地氣溫差變化趨勢(shì)

1960—2020 年河北省年均和四季地氣溫差線性趨勢(shì)如圖3 所示。由圖3 可知，1960—2020 年，河北省年均地表溫度和氣溫總體均有增加趨勢(shì)，且地溫較氣溫的增高趨勢(shì)略高?？傮w看來(lái)，河北省地氣溫差呈顯著升高趨勢(shì)，年均地氣溫差傾向率達(dá)0.045 ℃·（10 a）-1（P＜0.01）。河北省年均地氣溫差在20 世紀(jì)70 年代到90 年代中期有下降趨勢(shì)，最小值出現(xiàn)在1995 年（1 ℃），2000 年后升溫幅度較大，在2019 年達(dá)到最大值為2.7 ℃。地氣溫差增大表示近地層空氣層不穩(wěn)定度增強(qiáng)，導(dǎo)致對(duì)流增強(qiáng)，進(jìn)而使得地面水分蒸發(fā)能力加強(qiáng)，這表明河北省氣候正呈暖干化趨勢(shì)。

圖3 1960—2020年河北省年均和四季地氣溫差線性趨勢(shì)

地氣溫差的變化是由地溫和氣溫變化共同導(dǎo)致的。在不同季節(jié)，地溫和氣溫對(duì)地氣溫差的年代際變化的貢獻(xiàn)程度也存在著不同。河北省1960—2020年四季地溫年均和春季氣候傾向率變化趨勢(shì)呈增高趨勢(shì)，夏季、秋季和冬季氣候傾向率變化較平緩，依次為春季［0.1 ℃·（10 a）-1］＞秋季［0.023 ℃·（10 a）-1］＞冬季［0.019 ℃·（10 a）-1］＞夏季［0.018 ℃·（10 a）-1］。春季地溫、氣溫和地氣溫差總體均呈增加趨勢(shì)，1970年地氣溫差最小，為1.8 ℃，特別是從21世紀(jì)初開始，地溫增溫幅度大于氣溫增溫幅度，導(dǎo)致地氣溫差明顯增加。2010年之后更為明顯，地氣溫差從原來(lái)的≤3 ℃，增高為＞3 ℃，直到2020年地氣溫差達(dá)到4 ℃，1960—2020 年春季地氣溫差幅度變化為2.2 ℃。夏季地溫和氣溫的變化，在20世紀(jì)90年代左右有明顯驟減，在1995年地氣溫差達(dá)到最小值2.9 ℃，其他變化趨勢(shì)與春季基本一致，同樣為21 世紀(jì)初開始地氣溫差逐漸增高，到2015 年地氣溫差達(dá)到最大值4.5 ℃，1960—2020 年夏季地氣溫差幅度變化為2.8 ℃。秋季地氣溫差最小值出現(xiàn)時(shí)間在1995年，為0.19 ℃，2019年地氣溫差最大，為2.32 ℃，1960—2020年秋季地氣溫差幅度變化為2.13 ℃。冬季地氣溫差1978 年為最小值，-1.77 ℃，2020 年為最大值，0.72 ℃，1960—2020年冬季地氣溫差幅度變化為2.49 ℃。其中，春季為四個(gè)季節(jié)中地氣溫差變化幅度最大的季節(jié)。

3 結(jié)論

本研究利用河北省20個(gè)氣象站1960—2020年逐月0 cm地溫、氣溫、累計(jì)降水量、累計(jì)日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了河北省0 cm 地溫時(shí)間變化特征，以及影響地溫變化的主要?dú)庀笠?，結(jié)論如下。

①1960—2020 年河北省年平均地溫呈顯著波動(dòng)上升的趨勢(shì)，地溫傾向率為0.36 ℃·（10 a）-1（P＜0.01），這與我國(guó)其他地區(qū)地溫時(shí)間變化特征相似。地溫傾向率為春季［0.54 ℃·（10 a）-1］＞冬季［0.41 ℃·（10 a）-1］＞秋季［0.26 ℃·（10 a）-1］＞夏季［0.25 ℃·（10 a）-1］的趨勢(shì)。

②河北省年均地溫升高主要受春季、冬季和秋季的季節(jié)影響。春季為四個(gè)季節(jié)中平均地溫變化相差最大的季節(jié)。

③河北省地氣溫差呈顯著升高趨勢(shì)，年均地氣溫差傾向率達(dá)0.045 ℃·（10 a）-1（P＜0.01）。河北省年均地氣溫差在20 世紀(jì)70 年代到90 年代中期有下降趨勢(shì)，最小值出現(xiàn)在1995年（1 ℃），2000年后升溫幅度較大，在2019 年達(dá)到最大值為2.7 ℃，表明河北省氣候正呈暖干化趨勢(shì)。