近40年高淳淺層地溫變化特征分析

宋如東 狄嘯 夏曉敏 陸一磊 孔維財

摘 要：利用1980—2019年高淳國家氣象站0～20cm淺層地溫資料，分析了地溫的變化趨勢、突變和異常特征，結(jié)果表明：（1）近40年以來地溫增溫明顯，較淺深度地溫增速大;0、5、15和20cm年代際平均地溫均為10年代最高，且上升趨勢一致。（2）淺層地溫四季均呈上升趨勢，春季上升趨勢最為明顯。春季0、5和10cm地溫在00年代上升趨勢最大;夏季0cm地溫在各年代際的上升趨勢越來越小，其余各層與之相反;秋季變化趨勢與夏季相同;冬季上升趨勢最大均為20世紀(jì)90年代。（3）春季、秋季與冬季淺層地溫的異常年份基本一致，冬季與全年異常年份一致性較差。0cm氣候突變出現(xiàn)時間較早，其對氣候變暖的響應(yīng)最快。因地溫測點(diǎn)與耕種田塊存在差異性，更準(zhǔn)確反映耕種狀態(tài)有待后續(xù)研究。

關(guān)鍵詞：淺層地溫;氣候變化;突變;異常

中圖分類號 P423.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2021）12-0148-03

IPCC第5次報告指出，近年來全球氣候變暖進(jìn)一步加劇[1]，土壤是地-氣系統(tǒng)的重要組成部分，地溫的變化對地氣間熱量交換有著直接的影響，對長期天氣變化也有著重要的影響。地溫的變化是土壤對氣候變化的響應(yīng)[2]。淺層地溫一般包括地面0cm和地下5、10、15、20cm深度的溫度[3]。地溫的變化對土壤的物理化學(xué)和生物過程有重要的影響[4]，地溫偏高或偏低都會對作物的發(fā)芽、出苗和生長造成影響，從而影響作物的產(chǎn)量[5-6]。研究地溫的變化，對于分析氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響和指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要的意義。

研究表明，我國近50年地溫變化區(qū)域化特征明顯[7]，我國東部淺層地溫呈現(xiàn)上升趨勢，西寧、濰坊等局部地區(qū)升高不明顯，南北部地溫溫差變小[8-12]，淺層地溫相互之間、與氣溫之間存在顯著相關(guān)[13]。有學(xué)者通過統(tǒng)計方法建立地溫與環(huán)境因子之間的回歸方程，以此來預(yù)測地溫。也有研究表明，福建地溫震蕩周期與熱帶氣旋數(shù)存在很好的相關(guān)性[14]。雖然研究成果較多，但因研究區(qū)域氣候與地理環(huán)境的不同，淺層地溫的變化趨勢與規(guī)律也不盡相同。高淳位于中國東部，四季分明，土層較厚，適宜作物生長，主要種植水稻、小麥和油菜等作物，是典型的江南“魚米之鄉(xiāng)”。在全球氣候變暖的背景下，本研究開展了高淳淺層地溫變化特征的分析，為研究其對氣候變化的響應(yīng)和指導(dǎo)農(nóng)事活動、政府決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源 選取高淳國家級氣象站1980—2019年逐月、年地溫（0、5、10、15、20cm）數(shù)據(jù)資料，其中，因遷站等非自然變化因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)變化均進(jìn)行了處理，具有較好的代表性和連續(xù)性。本研究將3—5月劃分為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季。

1.2 研究方法 氣候傾向率：采用線性趨勢回歸方程計算地溫氣候傾向率。設(shè)定自變量xn（x1，x2，……，xn）為年份，與數(shù)據(jù)年份按順序依次對應(yīng)，設(shè)定因變量yn（y1、y2、……，yn）為溫度，與數(shù)據(jù)按順序依次對應(yīng)，建立一次線性回歸方程：yn=a+bxn，a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)，使用最小二乘法可確定a和b。氣象學(xué)上一般把b×10稱作氣候傾向率，其單位為℃/10a。

氣候異常年份：是指氣象要素距平大于標(biāo)準(zhǔn)差的2倍的年份[15]。

累計距平和信噪比：氣候突變是氣象要素變化過程中某種不連續(xù)的現(xiàn)象，常用累計距平指標(biāo)來確定，公式為：

式中，C（t）為累計距平，Xi為地溫的歷年值，[X]為地溫的多年平均值，如果累計距平達(dá)到最大值時，該年為突變年份。為檢驗(yàn)突變年份的準(zhǔn)確性，本文計算突變年份的信噪比，公式為：

式中，S/N為信噪比，[X1]、[X2]表示突變年份前后2個階段的平均地溫，S1、S2表示突變年份前后連個階段的標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)S/N大于1.0即存在氣候突變，其年份即為突變年份[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 年變化特征 在全球氣候變暖的背景下，近40年以來高淳各淺層地溫增溫明顯（見圖1、表1）。年平均地溫最低值均出現(xiàn)在1980年，0、5cm的最高值出現(xiàn)在2018年，10、15、20cm的最高值出現(xiàn)在2018和2019年;距平方面，0cm在1997年前均呈現(xiàn)負(fù)距平，在1997年后均呈現(xiàn)正距平，10cm的正負(fù)距平分界年份為2000年，10、15cm分界年份為2004年，20cm分界年份為2006年，隨深度增加，各層地溫增溫有所延遲;氣候傾向率大小順序?yàn)椋?、10cm>5cm>20cm>15cm，較淺深度地溫增速較大;年代際方面，0、5、15和20cm年代際平均地溫均為10年代最高，各年代際上升趨勢一致，5、10cm地溫各年代際間距平不斷變大，增速逐漸增大，0cm地溫在各年代際增速先升后降，15、20cm增速先降后升，這表明，在全球氣候變暖的大背景下，0、10cm地溫的響應(yīng)速度最快。

2.2 季節(jié)變化特征 近40a高淳淺層地溫四季均呈現(xiàn)上升趨勢（表2）。從整體來看，春季上升趨勢最為明顯，夏季次之，冬季趨勢最不明顯;春季中，0cm地溫上升趨勢最大，氣候傾向率為1.06℃/10a，最小為15cm地溫，氣候傾向率為0.87℃/10a;夏季、秋季、冬季與春季趨勢相同，這3個季節(jié)的15cm氣候傾向率均為最小，分別為0.63、0.51和0.28℃/10a。春季各層地溫在年代際上均呈現(xiàn)上升趨勢。0、5和10cm地溫在00年代上升趨勢最大，分別比上一年代高1.9、1.3、1.3、1.0和1.0℃，15和20cm在00年代和10年代上升趨勢一致且最大，平均地溫均比上一年代高1.0℃。夏季0cm地溫在各年代際的上升趨勢越來越小，其余各層與之相反，均在10年代達(dá)到了最大，秋季變化趨勢與夏季相同。冬季上升趨勢最大均為20世紀(jì)90年代，平均地溫分別比上一年代高1.0、0.9、0.9、0.9和0.8℃，15cm在00年代與上一年代相比呈下降趨勢，平均地溫下降0.1℃，這也是唯一與上一年代際相比呈下降的年代際。

2.3 氣候異常特征及氣候突變分析 四季各淺層地溫大部分存在異常偏高年份，春季各層地溫異常一致，秋季與冬季各層地溫之間異常年份基本一致。春季與全年異常年份也十分相似，而冬季與全年異常年份一致性較差（表3）。其中，春季各層地溫均在2018年出現(xiàn)異常偏高;夏季0cm在1999年為異常偏低，5cm無異常年份，10、15和20cm與春季異常偏高年份相同;秋季各層均在1981年出現(xiàn)異常偏低，在2019年出現(xiàn)異常偏高，5cm地溫在1992年多出現(xiàn)一個異常偏低;冬季各層均在1984年出現(xiàn)異常偏低，在2017年出現(xiàn)異常偏高，15cm地溫在1999年多出現(xiàn)一個異常偏高;全年0cm無異常年份，其余各層均在2018年出現(xiàn)異常偏高，10、15和20cm在2019年也出現(xiàn)了另一個異常偏高。

通過式（1）、（2）計算地溫氣候突變結(jié)果如表4所示，各突變年份的信噪比S/N均大于1.0，突變顯著。其中，0cm氣候突變出現(xiàn)時間較早，在1999年，淺層低溫對氣候變暖響應(yīng)最快，其余各層地溫氣候突變均出現(xiàn)在10年代。

3 結(jié)論與討論

基于1980—2019年高淳國家氣象站淺層地溫數(shù)據(jù)，分析了地溫的變化趨勢和突變、異常特征，得到以下結(jié)論：

（1）近40年以來高淳地溫增溫明顯，年平均最低值均出現(xiàn)在1980年;0cm在1997年前均呈現(xiàn)負(fù)距平，在1997年后均呈現(xiàn)正距平;氣候傾向率從大到小的排序?yàn)椋?、10cm>5cm>20cm>15cm，較淺深度地溫增速比較大;0、5、15和20cm年代際平均地溫均為10年代最高，且上升趨勢一致。5、10cm地溫各年代際間增速逐漸增大，0cm地溫在各年代際增速先升后降，15、20cm增速先降后升，0、10cm地溫對氣候變化的響應(yīng)速度最快。

（2）四季淺層地溫均呈現(xiàn)上升趨勢。春季上升趨勢最為明顯，夏季次之，冬季趨勢最不明顯;四季0cm地溫上升趨勢最大。春季各層地溫在年代際上均呈現(xiàn)上升趨勢。0、5和10cm地溫在00年代上升趨勢最大，15、20cm在00年代和10年代上升趨勢一致且最大。夏季0cm地溫在各年代際的上升趨勢越來越小，其余各層與之相反，秋季變化趨勢與夏季相同。冬季上升趨勢最大均為90年代，15cm在00年代與上一年代相比呈下降趨勢。

（3）四季各淺層地溫大部分存在異常偏高年份，春季、秋季與冬季異常年份基本一致，冬季與全年異常年份一致性較差。0cm氣候突變出現(xiàn)時間較早，其對氣候變暖響應(yīng)最快，其余各層地溫氣候突變均出現(xiàn)在10年代。

因地面氣象觀測規(guī)范規(guī)定，地溫測點(diǎn)周圍地面不進(jìn)行耕種，而耕種田塊受翻耕、灌溉、種植等人為因素的影響，兩者之間的土壤含水量、物理化學(xué)性質(zhì)的區(qū)別較大，如何更準(zhǔn)確反映耕種土壤狀態(tài)有待后續(xù)研究中改進(jìn)。

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（責(zé)編：張宏民）