遼寧省地表溫度時(shí)空變化及影響因素

張 威,紀(jì) 然

遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，大連 116029

地溫是指地表溫度和地表以下不同深度的土壤溫度的總稱,是氣候變化的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]。政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(IPCC)第5次評(píng)估報(bào)告內(nèi)容指出,1880—2012年間全球地表平均溫度增加約0.85℃[2]。在氣候的形成及演化的過(guò)程中下墊面扮演著重要的角色,伴隨人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對(duì)土地使用的需求不斷增加,改變了下墊面原有的狀態(tài),從而對(duì)氣候造成了很大的影響[3]。地溫的變化會(huì)直接影響下墊面的反射率以及土壤的濕度和熱量,從而對(duì)氣候變化造成影響,同時(shí)地溫也是重要的農(nóng)業(yè)氣象參數(shù),土壤的水鹽運(yùn)動(dòng)以及肥力的改變均會(huì)受到地溫的影響,并且土壤中的一些物理、化學(xué)及生物過(guò)程也離不開(kāi)適宜的地溫,與種子的萌發(fā)、生長(zhǎng)以及水分養(yǎng)分的吸收和運(yùn)輸都有密不可分的關(guān)系[4- 6]。氣溫與地溫通過(guò)陸氣作用相互聯(lián)系,因此氣候變化必然會(huì)導(dǎo)致地溫的變化。氣候變暖會(huì)使土地利用模式及覆蓋狀況發(fā)生改變,影響水循環(huán)系統(tǒng),甚至對(duì)生物多樣性造成不可逆的破壞,從而對(duì)全球生物化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)造成影響[7]。另外,地溫升高會(huì)促使土壤貧瘠化,對(duì)森林植被生長(zhǎng)造成影響[8],對(duì)凍土區(qū)道路及建筑設(shè)施等造成不同程度的破壞,加速全球升溫的趨勢(shì),使溫室效應(yīng)越來(lái)越嚴(yán)重[9]。因此全面了解氣候變化背景下地溫的變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境以及城市建設(shè)都具有重要意義。

在全球變暖的發(fā)展趨勢(shì)下,不同領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者對(duì)地溫變化的關(guān)注不斷增加,王佳林等采用相關(guān)分析、M-K非參數(shù)檢驗(yàn)等方法對(duì)中國(guó)0cm地溫的變化特征進(jìn)行了分析,指出中國(guó)大部分地區(qū)0cm地溫都表現(xiàn)為升溫趨勢(shì),且北方地區(qū)較南方升溫更加明顯[10]。任國(guó)玉等采用計(jì)算區(qū)域平均氣候時(shí)間序列的方法對(duì)中國(guó)地面氣溫變化進(jìn)行分析,得出從區(qū)域上看, 中國(guó)大陸地區(qū)最明顯的增溫發(fā)生在北方和青藏高原地區(qū)[11]。楊明等研究中國(guó)西部地區(qū)地溫及氣溫變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)地溫變化較氣溫變化更加劇烈[12]。姜曉和魏東平利用氣候傾向率和小波分析方法分析北京地區(qū)的氣候變化,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的淺層地溫和氣溫均有所增加,淺層地溫和氣溫同時(shí)存在約10a和15a多重周期變化特征[13]。杜軍等采用氣候傾向率、累積距平、信噪比等氣候統(tǒng)計(jì)方法對(duì)拉薩淺層地溫進(jìn)行研究,指出淺層各季節(jié)平均地溫均呈顯著的升高趨勢(shì),其中春季最大,夏季最小[14]。周刊社等采用氣候傾向率法、M-K檢驗(yàn)等方法分析地氣溫差的變化趨勢(shì),指出淺層地溫均呈顯著上升趨勢(shì),其中藏西部和藏中部比藏東部增溫顯著,預(yù)估至21世紀(jì)末,地溫增溫幅度相當(dāng)于南移近1個(gè)緯度[15]。張煥平等采用氣候統(tǒng)計(jì)診斷分析方法,對(duì)青海地溫進(jìn)行研究得出5—20cm土層地溫呈上升趨勢(shì),并且夏季增幅最大,地溫和氣溫呈明顯的正相關(guān)[16]。此外研究學(xué)者還發(fā)現(xiàn),雖然土壤的熱量主要來(lái)源于太陽(yáng)輻射,氣溫變化是影響地溫變化的直接原因,但是地溫還受到諸多其他因素的影響,比如地形因素、土壤自身性質(zhì)、氣候環(huán)境等,它們對(duì)地溫的影響雖然不顯著但卻是不可忽略的一部分[17- 21]。針對(duì)遼寧省地溫的研究,如陳鵬獅等對(duì)遼寧地溫變化規(guī)律進(jìn)行分析得出0cm地溫與氣溫均呈增溫趨勢(shì)的結(jié)論,其中地溫增溫速率高于氣溫,且冬季升溫速率最為明顯,夏季升溫速率最慢[22]。周斌等研究了遼寧省春季表層地溫變化及其與氣溫的關(guān)系,指出隨土壤深度的增加,地溫與氣溫的差值逐漸降低[23]。隋景躍等對(duì)遼寧西部地區(qū)淺層地溫進(jìn)行分析,指出各個(gè)層次地溫變化均具有升高趨勢(shì),但0cm溫度傾向率最大[24]。以上研究主要集中在地表溫度分布及變化特征的研究上,與其他氣候要素之間的關(guān)系涉及較少,遼寧省既是主要的糧食產(chǎn)地又是老工業(yè)發(fā)展基地,區(qū)內(nèi)存在多種不同的氣候類型,通過(guò)對(duì)地表溫度變化的研究,將會(huì)為遼寧以及全國(guó)地區(qū)的地表溫度和氣候變化研究提供有價(jià)值的數(shù)據(jù),同時(shí)對(duì)合理開(kāi)發(fā)利用氣候資源,調(diào)整農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)合理安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局具有參考價(jià)值。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用的氣象數(shù)據(jù)均來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)科學(xué)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn),其中地表溫度采用遼寧省24個(gè)氣象站點(diǎn)1960—2016年逐日氣象數(shù)據(jù),平均溫度、日照時(shí)數(shù)、降水量和風(fēng)速為遼寧省24個(gè)氣象站點(diǎn)1960—2016年月值數(shù)據(jù),選取的24個(gè)氣象站臺(tái)分別為彰武、阜新、開(kāi)原、清原、朝陽(yáng)、建平縣、新民、黑山、錦州、鞍山、沈陽(yáng)、本溪、撫順、桓仁、綏中、興城、營(yíng)口、熊岳、岫巖、寬甸、丹東、瓦房店、莊河、大連(圖1),這24個(gè)氣象站的氣象數(shù)據(jù)比較完整,并且均勻的分布在整個(gè)研究區(qū)域內(nèi),可以較好的代表研究區(qū)整體的地表溫度及氣象要素的變化特征。

對(duì)遼寧省24個(gè)站點(diǎn)1960—2016年各氣象資料進(jìn)行處理,得到月平均值及年均值,將地表溫度及其他四項(xiàng)氣象要素按照春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12—2月)的標(biāo)準(zhǔn),得到遼寧省各氣象要素1960—2016年季節(jié)平均值。

圖1 本文所選遼寧省各氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of various meteorological stations in Liaoning Province selected in this paper

1.2 研究方法

1.2.1分布函數(shù)

假設(shè)X為一組隨機(jī)變量,x為任意實(shí)數(shù),那么函數(shù)F(x)=P{X≤x},-∞

對(duì)任意實(shí)數(shù)x1、x2(x1

P{x1

(1)

由此,已知X的分布函數(shù),那么就可以知道X落在區(qū)間(x1,x2]上的概率,因此可以說(shuō)分布函數(shù)完整的展現(xiàn)出隨機(jī)變量的規(guī)律性。如果將X看成是數(shù)軸上的隨機(jī)點(diǎn)的坐標(biāo),那么,分布函數(shù)F(x)在x處的函數(shù)值就表示X落在區(qū)間(-∞,x]上的概率。

1.2.2氣候傾向率

氣候傾向率[25]可以用來(lái)顯示氣候要素隨時(shí)間的變化趨勢(shì),本文利用氣候傾向率展現(xiàn)遼寧省地表溫度的變化特點(diǎn),建立時(shí)間序列t與氣象要素x之間的一元線性回歸方程：

Xi=a+bti

(2)

其中,t為時(shí)間序列(1960—2016),b為線性趨勢(shì)項(xiàng),將b×10得到的數(shù)值稱為氣象要素的氣候傾向率(/10a)。

1.2.3Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

對(duì)于含有n個(gè)樣本的時(shí)間序列x,構(gòu)造一秩序數(shù)列：

(3)

(4)

(5)

其中

(6)

UF=0,當(dāng)k增加時(shí),UF很快收斂于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,在給定顯著性水平a下,于正態(tài)分布表中查出臨界值Ua/2,當(dāng)Ua/2<|UF|,說(shuō)明序列具有顯著的變化趨勢(shì)。將時(shí)間序列xi逆序排列,同時(shí)使UB=-UF,經(jīng)過(guò)分析序列UF和UB,即可得到變化趨勢(shì),突變時(shí)間以及突變區(qū)域。如果UF≥0,則序列為上升的趨勢(shì),反之則為下降的趨勢(shì);超過(guò)臨界直線,說(shuō)明變化趨勢(shì)是十分顯著的。若UF和UB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[26]。

1.2.4小波分析

對(duì)于地表溫度的變化時(shí)間序列,由于其受到自然因素的影響呈現(xiàn)出復(fù)雜的、非線性且多時(shí)間尺度的變化特征,正交或離散小波變換不能夠準(zhǔn)確的對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。而復(fù)小波變換相對(duì)于實(shí)小波變換,不僅能顯示時(shí)間序列變化的振幅,而且能夠給出時(shí)間序列變化的位相,使對(duì)信號(hào)的分析更加深入。此外,復(fù)小波變換可以避免由于虛假震蕩而產(chǎn)生的誤差,提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此,本文選用連續(xù)Morlet復(fù)小波變換對(duì)地表溫度的多時(shí)間尺度特征進(jìn)行分析[27-32]。

小波函數(shù)是小波分析的重點(diǎn),它是指具有震蕩性并且可以迅速衰減到零的一類函數(shù),即小波函數(shù)ψ(t)∈L2(R)且滿足：

(7)

式中,ψ(t)為基小波函數(shù),進(jìn)行小波變換得：

(8)

(9)

將由小波變換方程得到的不同時(shí)間尺度的所有小波系數(shù)在b域上積分,就可得到小波方差,即

(10)

小波方差圖即顯示了小波方差隨尺度a的變化過(guò)程。由式(10)可知,它可以體現(xiàn)出信號(hào)波動(dòng)的能量隨尺度a的分布。因此,小波方差圖可檢驗(yàn)出信號(hào)中主要時(shí)間尺度,即主周期。

2 結(jié)果分析

2.1 遼寧省地表溫度的時(shí)間變化特征

2.1.1年代際變化特征分析

距平是指一組數(shù)值中某一數(shù)值與平均值的差,通過(guò)地表溫度年代的距平統(tǒng)計(jì)值可以反映其年代際的變化特征(表1)。遼寧省近57年來(lái)年及四季地表溫度的年代變化具有很大的差異。其中,地表溫度在20世紀(jì)的60、70、80年代均為負(fù)距平,低于全省多年平均地表溫度。從20世紀(jì)90年代至2016年各年代地表溫度都為正距平,高于全省多年平均地表溫度;各季節(jié)地表溫度在不同年代變化中與年地表溫度變化略有不同。從20世紀(jì)60年代到80年代,春季、夏季及秋季與年地表溫度的變化一致,都表現(xiàn)為先降低后升高,但冬季地表溫度則相反,表現(xiàn)為先升高后降低。隨后至21世紀(jì)10年代,除10年代春季的地表溫度明顯降低,其余三個(gè)季節(jié)地表溫度均呈上升狀態(tài),致使10年代與上一年代在年平均地表溫度上保持不變。

表1 遼寧省各年代際年及各季節(jié)地表溫度距平平均值/℃

為了進(jìn)一步分析遼寧省地表溫度的年代際變化特征,應(yīng)用分布函數(shù)對(duì)年代際地表溫度進(jìn)行研究,結(jié)果如圖2。年地表溫度總體表現(xiàn)為升高的趨勢(shì),但在20世紀(jì)60年代至80年代階段,所占比例最大的地表溫度值(以下稱“地表溫度最大值”)基本沒(méi)有移動(dòng),自90年代開(kāi)始向正方向移動(dòng)。春季地表溫度最大值一直在變動(dòng),20世紀(jì)60年到至21世紀(jì)00年代地表溫度最大值由9.8℃增加到13℃,2010—2016年間地表溫度最大值向負(fù)方向移動(dòng),降低至11℃,且最大值所占比例較低,表明此期間春季地表溫度向寒冷的趨勢(shì)發(fā)展;夏季地表溫度變化幅度相對(duì)較小,并且在21世紀(jì)前地表溫度最大值基本在26℃左右保持穩(wěn)定,進(jìn)入21世紀(jì)開(kāi)始向正方向移動(dòng);秋季地表溫度最大值在20世紀(jì)60、70、80年代變化幅度不大,從90年代開(kāi)始升高;冬季地表溫度變化明顯,地表溫度最大值變化幅度較大,總體趨勢(shì)為隨時(shí)間向正方向移動(dòng),表明冬季地表溫度呈不斷升高的趨勢(shì),此結(jié)論與陳鵬獅等對(duì)遼寧省地溫變化規(guī)律的研究結(jié)果基本一致[22]。

圖2 遼寧省1960—2016年地表溫度年和季節(jié)分布函數(shù)圖Fig.2 Annual and seasonal distribution of land surface temperature in Liaoning Province from 1960 to 2016

2.1.2年際變化特征分析

圖3給出了遼寧省1960—2016年、季節(jié)地表溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)圖,可以看出遼寧省地表溫度總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì),年際氣候傾向率達(dá)到了0.37℃/10a,與全球變暖的大背景相符。在整體上升的趨勢(shì)下存在三次短暫的下降階段,分別發(fā)生在1960—1970年間、1980年和2006年;四季地表溫度也均呈上升的趨勢(shì),相比之下冬季回歸趨勢(shì)最為顯著,上升幅度最高,夏季上升幅度最低。

圖3 遼寧省1960—2016年地表溫度年、季節(jié)年際變化Fig.3 Annual and seasonal changes in surface temperature during the period from 1960 to 2016 in Liaoning Province

2.1.3地表溫度突變分析

為分析遼寧省1960—2016年間地表溫度的變化規(guī)律,應(yīng)用Mann-Kendall檢驗(yàn)方法,在0.05的顯著性水平下(95%置信度檢驗(yàn)線)檢驗(yàn)遼寧省地表溫度的突變特征,結(jié)果如圖4,遼寧省年地表溫度整體呈先降低后升高的變化趨勢(shì),1960—1970年間地表溫度特征曲線UF呈波動(dòng)下降,隨后開(kāi)始快速上升,在1995年發(fā)生突變。四季地表溫度均呈先降低后升高的變化趨勢(shì),其中冬春兩季發(fā)生的突變時(shí)間早于秋夏兩季。

圖4 遼寧省1960—2016年各季節(jié)、年地表溫度M-K檢驗(yàn)曲線Fig.4 Mann-Kendall test curve of surface temperature for each season and year in Liaoning Province from 1960 to 2016

2.1.4地表溫度周期分析

為分析遼寧省1960—2016年間地表溫度的周期變化情況,本研究采用Morlet復(fù)小波變換對(duì)遼寧省地表溫度進(jìn)行多時(shí)間尺度分析,如圖5所示,春季地表溫度具有30—50a和18—25a兩種尺度的周期震蕩,小波方差圖(圖6顯示),遼寧省地表溫度年際變化存在兩個(gè)峰值,對(duì)應(yīng)兩個(gè)周期變化,第一個(gè)是38a尺度的主周期,第二個(gè)是22年尺度的次周期。夏季地表溫度存在29—48a和18—26a兩種尺度的周期震蕩,秋季與春季相似,具有兩種同樣尺度的周期變化。冬季地表溫度的周期變化情況較其他季節(jié)復(fù)雜,主要存在三個(gè)尺度的變化周期,分別為30—48a、14—25a和10—18a,其中14—25a尺度的周期震蕩主要表現(xiàn)在20世紀(jì)70年代后,10—18a尺度的周期震蕩發(fā)生在90年代后,均表現(xiàn)為“高-低”的兩次準(zhǔn)交替變換。通過(guò)小波方差圖顯示37a為第一主周期,22a和16a為地表溫度變化的第二主周期和第三主周期。年地表溫度周期變化具有兩種尺度,分別為30—46a和19—25a,年地表溫度周期變化過(guò)程為“高-低-高”,且現(xiàn)今處于較高的地溫水平,小波方差圖顯示,年地表溫度具有38a的主周期和22a的次周期。

圖5 遼寧省各季、年地表溫度小波系數(shù)等直線圖Fig.5 Linear maps of seasonal temperature and annual wavelet coefficients of surface temperature in Liaoning Province

圖6 遼寧省各季、年地表溫度小波系方差Fig.6 Wavelet variance of surface temperature in seasons and years in Liaoning Province

2.2 遼寧省地表溫度的空間分布特征

利用ArcGIS軟件將遼寧省24個(gè)站點(diǎn)近57年地表溫度進(jìn)行插值(圖7)。地表溫度由西南向東北逐漸降低,沿海地區(qū)地表溫度高于內(nèi)陸地區(qū),整個(gè)區(qū)域的年地表溫最大值出現(xiàn)在遼東半島的大連地區(qū),多年平均地表溫度達(dá)13.04℃,最小值出現(xiàn)在遼東地區(qū)的清源,地表溫度為7.98℃,區(qū)域地表溫度差值為5.06℃。

利用同樣的方法繪制1960—2016年地表溫度氣候傾向率空間分布圖?？梢钥闯?960—2016年地表溫度變化趨勢(shì)系數(shù)均為正值,說(shuō)明近57年各地區(qū)地表溫度均為增高的趨勢(shì),增溫趨勢(shì)最顯著的地區(qū)發(fā)生在遼東北的開(kāi)原、清源一帶,增溫變化率達(dá)0.5℃/10a,向西南方向增溫幅度下降,最低值出現(xiàn)在沿海地區(qū)的綏中、大連,最低值為0.26℃/10a。綜合圖6遼寧省地平均表溫度較高的地區(qū)氣候傾向率卻較低,由此可以得出,近57年遼寧省地表溫度的溫差呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)。

圖7 遼寧省1960—2016年平均地表溫度與氣候傾向率空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of average surface temperature in Liaoning Province from 1960 to 2016

2.3 遼寧省地表溫度與氣候變化的關(guān)系

圖8為遼寧省1960—2016年平均氣溫的空間分布圖,通過(guò)對(duì)比地表溫度的空間分布,發(fā)現(xiàn)其空間分布具有極大的相似性,說(shuō)明遼寧省氣溫的變化對(duì)地表溫度的影響是非常顯著的,地表溫度的變化不可避免的受到氣溫的直接影響,即大氣與地面間的熱量交換過(guò)程可以直接反應(yīng)在地表溫度的變化上[33]。此外,相關(guān)系數(shù)可以不同程度上體現(xiàn)兩者間的相互關(guān)系,在研究地表溫度與氣溫的相關(guān)性的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其相關(guān)性在空間分布上也具有一定的特征,圖9為遼寧省各站點(diǎn)年地表溫度與氣溫的相關(guān)系數(shù)分布圖,從中可以看出,遼寧西部地區(qū)站點(diǎn)的相關(guān)性均比東部地區(qū)站點(diǎn)的相關(guān)性高,說(shuō)明整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)西部受到氣溫的影響比東部更加顯著。

圖10為遼寧省近57年平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)及風(fēng)速與地表溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì),平均氣溫整體上呈上升趨勢(shì),20世紀(jì)80年代前表現(xiàn)為波動(dòng)下降,隨后開(kāi)始上升。結(jié)合前文分析內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn),地表溫度也具有同樣的變化趨勢(shì),即地表溫度與氣溫在時(shí)間序列的變化趨勢(shì)上具有同步的性質(zhì),說(shuō)明氣溫的時(shí)間變化對(duì)地表溫度的時(shí)間變化具有很大的影響。通過(guò)對(duì)地表溫度和氣溫的相關(guān)系數(shù)的研究可以進(jìn)一步了解兩者的相關(guān)程度,結(jié)果顯示氣溫對(duì)地表溫度具有顯著的正向驅(qū)動(dòng),即地表溫度的變化主要是由氣溫的變化所導(dǎo)致。各季的地表溫度與氣溫也均具有相似的變化情況,其中夏季地表溫度受氣溫影響最顯著,根據(jù)已有研究結(jié)論,中國(guó)東北地區(qū)氣溫增幅明顯,且從20世紀(jì)70年代開(kāi)始,結(jié)合本文地溫與氣溫變化趨勢(shì),遼寧省同整個(gè)東北地區(qū)的變化趨勢(shì)及轉(zhuǎn)折點(diǎn)完全相同[34]。

根據(jù)圖10,降水量偏多的年份對(duì)應(yīng)的地表溫度值都比較低,通過(guò)計(jì)算遼寧省年及各季地表溫度與降水的相關(guān)系數(shù)可以看出,夏季與降水的相關(guān)關(guān)系最大,其余季節(jié)并未顯示出明顯的相關(guān)性。夏季降水對(duì)地表溫度的影響是通過(guò)土壤濕度的反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。

太陽(yáng)輻射對(duì)地表溫度的變化也存在很大的影響,間接的通過(guò)地表潛熱和熱能轉(zhuǎn)換制約著地表溫度的變化,此外,垂直方向的熱能傳輸對(duì)地表溫度也會(huì)有一定的影響[35]。有研究表明,地表溫度與降水量呈負(fù)相關(guān),與日照時(shí)數(shù)呈正相關(guān)[36],圖10顯示日照時(shí)數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與地表溫度的變化趨勢(shì)相反,但仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn),雖然變化趨勢(shì)相反,但波動(dòng)過(guò)程中的變化一致,即日照時(shí)數(shù)多的年份其地表溫度比較高,日照時(shí)數(shù)少的年份其地表溫度比較低,這說(shuō)明兩者之間是存在正相關(guān)關(guān)系的。兩者間相關(guān)系數(shù)顯示,夏季地表溫度與日照時(shí)數(shù)間的正相關(guān)關(guān)系是最為顯著的。

有研究表明降水和風(fēng)速對(duì)地表溫度的影響表現(xiàn)在日極值方面,當(dāng)?shù)乇頊囟冗_(dá)到最高值的時(shí)候,如果此時(shí)發(fā)生刮風(fēng)天氣,那么地表溫度將會(huì)大幅度的快速下降[37],如果風(fēng)速降低,那么促進(jìn)地表熱量散失的作用就會(huì)減弱甚至消失,那么此時(shí)地表溫度將會(huì)明顯升高[38]。圖10可以看出遼寧省近57年遼寧省風(fēng)速發(fā)生明顯的下降,地表溫度的變化趨勢(shì)剛好與風(fēng)速的變化趨勢(shì)相反,大部分年份中風(fēng)速較大的時(shí)間對(duì)應(yīng)的地表溫度都比較小。各季及年地表溫度與風(fēng)速均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,相對(duì)比地表溫度與日照時(shí)數(shù)和降水的關(guān)系系數(shù),風(fēng)速與地表溫度的關(guān)系更加密切。此外,風(fēng)速對(duì)地表溫度的影響中夏季是最薄弱的,而剛好日照和降水對(duì)地表溫度的影響比較顯著,當(dāng)風(fēng)速顯著減小時(shí),地表熱量散失的動(dòng)力就會(huì)減小,導(dǎo)致地表溫度升高,而夏季地表溫度主要是受氣溫、日照和降水共同的作用,因此使風(fēng)速對(duì)地表溫度的影響變得不那么明顯。

圖8 遼寧省1960—2016年平均氣溫空間分布 Fig.8 Spatial distribution of annual average temperature in Liaoning Province from 1960 to 2016

圖9 遼寧省各站點(diǎn)年及各季地表溫度與氣溫的相關(guān)系數(shù) Fig.9 Correlation coefficient between surface temperature and air temperature at each site in Liaoning Province and each season

圖10 遼寧省1960—2016年平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)及風(fēng)速與地表溫度變化趨勢(shì)Fig.10 Temperature, precipitation, sunshine hours, wind speed and surface temperature trends in Liaoning Province from 1960 to 2016

2.4 遼寧省地表溫度與地形地勢(shì)的關(guān)系

地表溫度的空間分布特征及與各氣象要素的關(guān)系同樣受到地形地勢(shì)的影響,圖11為遼寧省地勢(shì)高程圖,其整體呈自北向南,由東西向中部?jī)A斜,平原主要分布在中部以及沿海地區(qū),山地丘陵分布在東西兩側(cè),但遼東地區(qū)海拔高于遼西地區(qū)。根據(jù)前文地溫的空間分布特征可以看出,地溫的分布與地形地勢(shì)存在密切關(guān)系,即中部及沿海平原地區(qū)地表溫度高于山地丘陵地區(qū)。此外,地表溫度與氣溫相關(guān)性的分布情況同樣與地形地勢(shì)存在聯(lián)系,通過(guò)對(duì)比圖9、11可以看出相關(guān)系數(shù)偏低的地區(qū)多為山地丘陵區(qū),因此地形對(duì)土壤溫度的變化產(chǎn)生了一定的作用,從而降低了氣溫對(duì)地表溫度的直接影響。

表2 遼寧省1960—2016年平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)及風(fēng)速與地表溫度相關(guān)系數(shù)

Table 2 The correlation coefficient between the average temperatur, precipitation, sunshine duration, wind speed and surface temperature of Liaoning Province from 1960 to 2016

年Year春季Spring夏季Summer秋季Autumn冬季W(wǎng)inter平均氣溫Average temperature0.922??0.877??0.916??0.903??0.850??降水量Precipitation-0.3830.142-0.409??-0.3120.088日照時(shí)數(shù)Sunshine hours-0.1590.020.517??-0.029-0.241風(fēng)速Wind speed-0.526??-0.451??-0.174-0.556??-0.465??

**表示通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn)(雙尾)

圖11 遼寧省地勢(shì)高程圖Fig.11 Liaoning Province terrain elevation map

3 結(jié)論

伴隨全球氣候變暖的發(fā)展趨勢(shì),地表溫度也定將會(huì)受到影響,而地表溫度的改變影響著農(nóng)業(yè)、工程以及氣候間的循環(huán)過(guò)程,從而對(duì)我們?nèi)祟惖纳a(chǎn)、生活都會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。本文利用遼寧省24個(gè)氣象站1960—2016年地表溫度月平均數(shù)據(jù),分析遼寧省地表溫度的時(shí)空變化特征,以及可能對(duì)地表溫度變化產(chǎn)生影響的氣象要素間的關(guān)系,主要結(jié)論如下：

(1)遼寧省地表溫度在不同年代際存在不同的變化趨勢(shì),其中20世紀(jì)60—80年代低于多年平均地表溫度,90年代至21世紀(jì)10年代高于多年平均地表溫度;年際變化隨時(shí)間向暖趨勢(shì)發(fā)展,氣候傾向率達(dá)0.36℃/10a,其中冬季地表溫度增溫幅度最大;遼寧省年地表溫度在1995年發(fā)生突變,經(jīng)檢驗(yàn)表明其升高趨勢(shì)顯著;遼寧省年地表溫度具有30—46a和19—25a的兩種時(shí)間尺度的周期變化。

(2)遼寧省年地表溫度呈自西南向東北逐漸降低的分布特征。隨時(shí)間發(fā)展,地表溫度的溫差呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)。

(3)地表溫度與氣溫的相關(guān)性大小在整個(gè)區(qū)域內(nèi)呈西高東低的分布特點(diǎn),即遼寧省西部地區(qū)地表溫度與氣溫的關(guān)系比東部地區(qū)更加緊密;在與降水的關(guān)系中,降水量高的年份地表溫度均比較低,夏季與降水的相關(guān)關(guān)系最大,其余季節(jié)并未顯示出明顯的相關(guān)關(guān)系;年及各季地表溫度與日照時(shí)數(shù)均呈相反的變化趨勢(shì),夏季地表溫度與日照時(shí)數(shù)間的正相關(guān)關(guān)系是最為顯著的;年及各季地表溫度與風(fēng)速均呈負(fù)相關(guān),其中只有夏季相關(guān)性很小,考慮夏季地表溫度主要是受氣溫、日照和降水共同的作用,弱化了風(fēng)速對(duì)地表溫度的影響。