濰坊市地表溫度變化及影響因子分析

朱翠紅，張 娜，李晶晶

（1.濰坊市寒亭氣象局，山東濰坊 261100；2.山東省安丘市氣象局，山東安丘 262100）

濰坊市地表溫度變化及影響因子分析

朱翠紅1，張 娜2，李晶晶1

（1.濰坊市寒亭氣象局，山東濰坊 261100；2.山東省安丘市氣象局，山東安丘 262100）

揭示濰坊市地表溫度變化規(guī)律及特征。采用Microsoft Excel 2013和DPS7.05軟件，利用氣候統(tǒng)計(jì)分析方法，將濰坊市1971～2015年逐月的地面0 cm溫度及氣溫、降水、日照、相對(duì)濕度、云量和風(fēng)速等相關(guān)氣象要素為研究對(duì)象，建立年代際、年、季的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行相關(guān)分析研究。表明：（1）濰坊市地表平均溫度和地表平均最低溫度的年序列呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，地表平均最低溫度增溫達(dá)極顯著水平；地表平均最高溫度顯著下降，傾向率為-0.37℃/10 a；地表平均溫度、最高溫度和最低溫度年代變化均呈現(xiàn)“升—降—升”的趨勢(shì)，21世紀(jì)10年代變化最為顯著，對(duì)地表溫度的增溫貢獻(xiàn)最大。（2）地表溫度月變化均呈現(xiàn)單峰式曲線(xiàn)。（3）地表平均溫度的年、季變化均未發(fā)生突變；地表平均最高溫度的年、春季變化在1990年附近發(fā)生突變；地表平均最低溫度近45年出現(xiàn)一次明顯突變；地表溫度變化存在明顯的周期性。（4）地表平均溫度和地表平均最低溫度與氣溫正相關(guān)最為顯著，降水量對(duì)地表平均溫度和地表平均最高溫度顯著負(fù)相關(guān)。

地表溫度 氣候變化 相關(guān)分析

地表溫度是大氣與地表結(jié)合部的溫度狀況，是非常有用的氣候資源，地溫的變化也是氣候變化研究中的重要問(wèn)題之一。哪些氣象因子與這些變化相關(guān)，目前沒(méi)有這方面的研究文獻(xiàn)出現(xiàn)。文章利用1971～2015年濰坊市地面溫度資料和相關(guān)氣象資料進(jìn)行分析，揭示濰坊市地表溫度的變化規(guī)律和特征，為研究區(qū)域氣候變化對(duì)該地區(qū)農(nóng)業(yè)的區(qū)域規(guī)劃和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

選用濰坊市國(guó)家基本氣象站（東經(jīng)119°12′，北緯36°45′，海拔高度22.2 m）1971～2015年逐月的地面0 cm溫度及氣溫、降水、日照、相對(duì)濕度、云量和風(fēng)速等相關(guān)氣象要素為研究對(duì)象，并建立年代際、年、季的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行相關(guān)分析。四季采用氣象學(xué)上的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分：春季（3～5月）、夏季（6～8月）、秋季（9～11月）、冬季（12月～翌年2月）。氣候平均值采用1971～2015年的要素平均值。

1.2 研究方法

（1）利用一元一次線(xiàn)性回歸法分析濰坊市地面0 cm溫度的變化趨勢(shì)，并采用相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[1]。

（2）利用滑動(dòng)t檢驗(yàn)和山本（Yamamoto）法對(duì)地表溫度進(jìn)行突變檢驗(yàn)。

（3）用相關(guān)分析法對(duì)地面0 cm溫度和氣溫等11個(gè)影響因子進(jìn)行相關(guān)性分析。

（4）統(tǒng)計(jì)分析采用Microsoft Excel 2013和DPS7.05軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 地表溫度變化趨勢(shì)分析

2.1.1 地表溫度的年際和年代際變化

由圖1可以看出，近45年濰坊市年地表平均溫度為15.1℃，呈上升趨勢(shì)，變化傾向率為0.12℃/10 a，但上升趨勢(shì)不顯著（r=0.238 5，未通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)）。在1976年地表平均溫度為最低值13.8℃，最高值16.2℃有兩年，分別為2006年和2015年，年際變化較大。從9 a滑動(dòng)平均來(lái)看，近45年呈現(xiàn)“升—降—升”的變化趨勢(shì)。20世紀(jì)70年代后期至80年代末，地表平均溫度呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，1983年通過(guò)平均線(xiàn)，到90年代初達(dá)到高點(diǎn)后開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，1992年通過(guò)平均線(xiàn)，90年代末達(dá)到最低點(diǎn)。從21世紀(jì)00年代初開(kāi)始緩慢上升，10年代初明顯上升并持續(xù)至今。

圖1 濰坊市地表平均溫度的變化趨勢(shì)

從圖2看，地表平均最高溫度為30.9℃，呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)，通過(guò)了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，傾向率為-0.37℃/10 a，近45年下降了1.68℃。最高值出現(xiàn)在1981年（33.7℃），最低值為2005年（28.0℃），極差達(dá)到5.7℃。從9 a滑動(dòng)平均來(lái)看，變化大體呈現(xiàn)“升—降—升”的趨勢(shì)。20世紀(jì)70年代后期到0年代末呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，到90年代初達(dá)到最高點(diǎn)后開(kāi)始明顯下降，1996年通過(guò)平均線(xiàn)，下降趨勢(shì)持續(xù)到到21世紀(jì)00年代末，10年代初開(kāi)始上升，但未達(dá)到平均線(xiàn)。

圖2 濰坊市地表平均最高溫度的變化趨勢(shì)

從圖3來(lái)看，地表平均最低溫度為6.3℃，以0.45℃/10 a的速度上升（r=0.692 5），上升的趨勢(shì)通過(guò)了0.001的顯著性水平檢驗(yàn)，達(dá)到極顯著水平。最高值在2015年（8.4℃），最低值為4.9℃，出現(xiàn)在1972年。從9 a滑動(dòng)平均來(lái)看，變化趨勢(shì)大體呈現(xiàn)“升—降—升”趨勢(shì)。20世紀(jì)70年代后期至80年代初小幅上升后緩慢下降，80年代中期到90年代末變化曲線(xiàn)比較平緩，21世紀(jì)00年代初開(kāi)始上升，到2004年通過(guò)了平均線(xiàn)，明顯的上升趨勢(shì)一直持續(xù)至今。從表1可以看出，20世紀(jì)70年代～21世紀(jì)10年代，各年代的傾向率都為正值，上升趨勢(shì)顯著，80年代通過(guò)了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，90年代通過(guò)了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，20世紀(jì)70年代、21世紀(jì)的00年代和10年代均通過(guò)了α=0.001的顯著性水平檢驗(yàn)，變化達(dá)到極顯著水平，其中21世紀(jì)10年代變化最為顯著，傾向率為5.2℃/10 a，相關(guān)系數(shù)r值達(dá)到了0.964。

2.1.2 地表溫度的突變分析

采用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法和Yamatomo法對(duì)濰坊市地表溫度進(jìn)行突變分析，兩項(xiàng)檢驗(yàn)法的顯著性水平給定α=0.01，子序列均取n1=n2=10，由于兩種檢驗(yàn)分析方法均有不足之處，導(dǎo)致分析結(jié)果存在差異。由表1可以看出，年、季地表溫度的突變年份基本保存一致。地表平均溫度的年季變化均未發(fā)生突變，地表平均最高溫度的年、春季變化在1990年附近發(fā)生了突變，地表平均最低溫度年、季均發(fā)生了突變，突變多發(fā)生在2001年和2005年附近，說(shuō)明在21世紀(jì)初地表平均最低溫度出現(xiàn)了明顯突變。

2.1.3 地表溫度的周期分析

對(duì)近45年濰坊市地表平均溫度、地表平均最高溫度和地表平均最低溫度做Morlet小波分析。圖4所示，橫坐標(biāo)為時(shí)間t（1—45分別代表1971～2015年），縱坐標(biāo)為頻率周期（4～26年），等值線(xiàn)越密集，代表信號(hào)震蕩中心的強(qiáng)度越強(qiáng)，相應(yīng)的周期特征越明顯。

圖3 濰坊市地表平均最低溫度的變化趨勢(shì)

表1 近45年濰坊市地表平均溫度、地表平均最高溫度和地表平均最高溫度的突變分析

由圖5 a看，近45年濰坊市地表平均溫度在4年以下的部分沒(méi)有出現(xiàn)明顯的閉合中心，說(shuō)明該尺度范圍周期變化非常弱，時(shí)間序列存在6～8年左右尺度的周期；由圖5 b看，地表平均最高溫度存在4～6年、10年左右尺度的周期，圖5 c發(fā)現(xiàn)地表平均最低溫度存在4年、8年、14年左右尺度的周期。

圖4 近45年濰坊市地表平均溫度、地表平均最高溫度和地表平均最低溫度的小波分析

2.2 地表溫度的影響因子分析

地表溫度的變化過(guò)程是一個(gè)能量傳輸、轉(zhuǎn)化的復(fù)雜過(guò)程，一些研究表明，影響地表溫度的因素主要為太陽(yáng)輻射、大氣環(huán)流、下墊面性質(zhì)和氣象要素等[2-3]。利用DPS7.05軟件中的相關(guān)分析，對(duì)濰坊市的地表溫度與同期的氣溫、降水、日照等11項(xiàng)要素進(jìn)行相關(guān)性分析。

由表2可以看出，地表平均溫度的正相關(guān)因子有6個(gè)，氣溫、極端最高氣溫、極端最低氣溫、降水量和相對(duì)濕度明顯正相關(guān)，其中氣溫的正相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.86，通過(guò)了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，負(fù)相關(guān)因子有5個(gè)，降水量的負(fù)相關(guān)系數(shù)最大，為-0.46，通過(guò)了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)；與地表平均最高溫度正相關(guān)因子有7個(gè)，顯著正相關(guān)的為日照時(shí)數(shù)，相關(guān)系數(shù)通過(guò)了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，有4個(gè)負(fù)相關(guān)因子，顯著負(fù)相關(guān)的有降水量、低云量和相對(duì)濕度，其中降水量的負(fù)相關(guān)系數(shù)最大（-0.52），通過(guò)了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)；地表平均最低溫度的正相關(guān)因子有5個(gè)，顯著正相關(guān)有氣溫、極端最低氣溫、低云量和最小相對(duì)濕度，其中氣溫的正相關(guān)最顯著，相關(guān)系數(shù)為0.86，通過(guò)了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，顯著負(fù)相關(guān)的有日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速和日最大風(fēng)速，其中平均風(fēng)速的負(fù)相關(guān)系數(shù)最大，為-0.60，也通過(guò)了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。通過(guò)分析，地表平均溫度、平均最高溫度和平均最低溫度的相關(guān)因子和因子相關(guān)性各不相同。氣溫對(duì)地表平均溫度和地表平均最低溫度的影響最為顯著，地表溫度的變化直接體現(xiàn)了大氣與下墊面的熱量交換；降水量對(duì)地表平均溫度和地表平均最高溫度的變化顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明降水增多，土壤濕度增大，導(dǎo)熱率和熱容量增加，土壤失熱降溫。日照時(shí)數(shù)與地表平均最高溫度正相關(guān)，低云量與之負(fù)相關(guān)，說(shuō)明晴天時(shí)，日照時(shí)數(shù)多，低云量少，地面受到的太陽(yáng)輻射就多，地表溫度的增溫就迅速；與地表平均最低溫度的相關(guān)關(guān)系正好相反。

表2 濰坊市地表溫度的相關(guān)因子

3 結(jié)論與討論

（1）近45年濰坊市年地表平均溫度為15.1℃，呈上升趨勢(shì)，變化傾向率為0.12℃/10 a，上升趨勢(shì)未通過(guò)顯著性水平檢驗(yàn)，年代變化呈現(xiàn)“升—降—升”的變化趨勢(shì)，21世紀(jì)10年代溫度最高（15.6℃）；地表平均最高溫度呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)（通過(guò)了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)），平均每10 a下降0.37℃，年代變化大體呈現(xiàn)“升—降—升”的趨勢(shì)；地表平均最低溫度的增溫最為顯著，以0.45/10 a的速度上升，并通過(guò)了0.001的極顯著性水平檢驗(yàn)，年代變化也呈現(xiàn)“升—降—升”趨勢(shì)。地表平均溫度、地表平均最高溫度和地表平均最低溫度在21世紀(jì)10年代的變化最明顯，均通過(guò)了α=0.001的極顯著性水平檢驗(yàn)，地表平均溫度和地表平均最低溫度20世紀(jì)10年代平均值均為近45年來(lái)的最大值，增溫最為顯著，對(duì)近45年的增溫貢獻(xiàn)最大。

（2）地表平均溫度、地表平均最高溫度和地表平均最低溫度月變化均呈現(xiàn)單峰式變化曲線(xiàn)，最小值均出現(xiàn)在1月，地表平均溫度和地表平均最低溫度最大值均為7月，而地表平均最高溫度出現(xiàn)在6月。地表平均溫度和地表平均最低溫度的月變化大多呈上升趨勢(shì)，地表平均最高溫度的月變化大多呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，均與其年變化趨勢(shì)保持一致。

（3）從季變化來(lái)看，近45年濰坊市地表平均溫度、地表平均最高溫度和地表平均最低溫度的冬季變化最為明顯，地表平均溫度和地表平均最低溫度的四季均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。地表平均最低溫度的四季增溫均通過(guò)了顯著性水平檢驗(yàn)，對(duì)地表溫度的上升貢獻(xiàn)最大。

（4）濰坊市地表平均溫度的年、季序列未出現(xiàn)明顯突變，地表平均最高溫度的年、春季序列突變發(fā)生在1990年附近，地表平均最低溫度年、季均發(fā)生了突變，突變多發(fā)生21世紀(jì)初，說(shuō)明在21世紀(jì)初地表平均最低溫度出現(xiàn)了一次的明顯突變；地表溫度存在明顯的周期性變化。

（5）通過(guò)對(duì)11項(xiàng)因子進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)氣溫對(duì)地表平均溫度和地表平均最低溫度的正相關(guān)最為顯著，降水量對(duì)地表平均溫度和地表平均最高溫度顯著負(fù)相關(guān)，均通過(guò)了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。

（6）地表溫度的變化復(fù)雜，與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)息息相關(guān)，目前針對(duì)濰坊市地溫及地溫影響的研究相對(duì)較少。下一步需要整理更密集、更廣泛的氣象觀測(cè)資料，開(kāi)展不同深度地溫的變化分析，并針對(duì)不同深度地溫變化對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響做進(jìn)一步的研究。

[1]魏鳳英．現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)（第2版）．北京：氣象出版社，2007

[2]董平，王鳳嬌，魏敏．夏季不同下墊面最高溫度變化規(guī)律及影響因子．安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2009，15（13）：160～161

[3]李雄，董蕙青，黃嘉華，等．南寧各種下墊面溫度特征及預(yù)報(bào)方法探討．氣象科技，2005，33（6）：487～491

濰坊市氣象局基金項(xiàng)目“氣候變化對(duì)木本植物物候期影響評(píng)價(jià)”（2016 wfqxkt09）