1905—2018年浙江地溫序列構(gòu)建及其變化特征

肖晶晶，馬 浩，張育慧，賀忠華，李 娜，溫泉沛，李正泉

(1.浙江省氣候中心， 浙江 杭州 310017；2.山西省氣象決策服務(wù)中心，山西 太原 030006；3.武漢區(qū)域氣候中心，湖北 武漢 430074)

引 言

地溫是反映土壤熱能狀態(tài)的因子[1]，是重要的陸面變量[2]和農(nóng)事指示溫度[3]。地溫的變化直接影響土壤物理化學過程[4]和作物生長發(fā)育、生理代謝及作物物候期和產(chǎn)量[5-6]，地區(qū)種植制度與地溫高低密切相關(guān)[7]。地溫變化受地形、土壤特性、地表植物以及覆蓋物等因素影響，氣候變暖背景下不同地區(qū)地溫的響應(yīng)不同[8]，但總體表現(xiàn)為地溫升高，從而使得農(nóng)作物生育期加快、農(nóng)耕期延長、高海拔地區(qū)作物適種面積擴大、理論產(chǎn)量增加等[6-7]。另一方面，地溫升高會導致干旱地區(qū)土壤缺水更加嚴重[9]，土壤中安全越冬蟲卵增多、病蟲發(fā)生的范圍擴大、危害等級上升等[10-11]，因此，研究地溫變化對農(nóng)林牧業(yè)區(qū)域規(guī)劃、氣候資源挖掘利用等具有積極意義。

國內(nèi)外有關(guān)地溫變化特征的研究較多，涉及不同時間尺度[12-13]和不同區(qū)域[14-15]，研究對象包括淺層地溫和深層地溫[15-16]，地溫序列的構(gòu)建方法主要有站點觀測[12]、模型重建[17]、數(shù)值模擬[2]、遙感反演[18]等。但基于站點觀測、遙感資料等構(gòu)建的地溫序列較短，百年尺度的地溫序列研究較少見，雖然朱西德等[17]基于樹木年輪資料序列與柴達木地區(qū)1962—2001年5—6月地溫資料序列之間較好的同期相關(guān)特征，重建了柴達木地區(qū)5—6月0 cm地面平均溫度和最高溫度的千年歷史資料序列，但未涉及年時間尺度的長期地溫序列。

浙江地處歐亞大陸與西北太平洋過渡地帶，屬典型的亞熱帶季風氣候。氣候變暖背景下，1905—2012年浙江平均氣溫增溫速率為0.11 ℃·(10 a)-1，1980—2012年增溫速率達0.51 ℃·(10 a)-1[19]，近50 a浙江0、20 cm四季平均地溫與平均氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.72～0.98[20]。本文以浙江68個氣象站氣溫、地溫觀測資料為基礎(chǔ)，通過均一性檢驗、插補形成浙江68站1981—2018年平均地溫序列，采用局部臺站觀測值全局修正(GAoSV)方法結(jié)合百年氣溫觀測資料反演構(gòu)建浙江百年地溫變化序列，利用氣候診斷方法分析浙江百年地溫變化特征，以期為充分利用氣候資源、優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資 料

氣象資料來自浙江省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心，包括1951—2018年浙江68個氣象臺站逐日0 cm、20 cm地溫和平均氣溫資料；1905—1950年杭州站和1924—1950年溫州站年平均氣溫資料；1951—2018年浙江氣象臺站歷史沿革資料。圖1為1951—2018年浙江氣溫和0 cm、20 cm地溫的氣象觀測臺站數(shù)變化。文中附圖涉及地圖基于國家測繪地理信息局標準地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2019)3333的標準地圖制作，底圖無修改。

圖1 1951—2018年浙江氣溫和0 cm、20 cm地溫氣象觀測臺站數(shù)變化Fig.1 Numbers of meteorological observation stations of air temperature and 0 cm, 20 cm ground temperature in Zhejiang from 1951 to 2018

1.2 研究方法

1.2.1 均一性檢驗

結(jié)合臺站歷史沿革資料，基于RHtest方法的懲罰最大F檢驗(PMFT)和懲罰最大T檢驗(PMT)對地溫和氣溫的月數(shù)據(jù)序列進行均一性檢驗[21-23]。檢驗規(guī)則如下：(1)對于有元數(shù)據(jù)記錄的臺站，PMT或PMFT方法檢驗出的突變點與元數(shù)據(jù)記錄時間一致，確定該點為突變點；(2)對于無元數(shù)據(jù)記錄的臺站，只有當PMT和PMFT方法同時檢驗出突變點時，才認為該點為突變點。根據(jù)相關(guān)業(yè)務(wù)和研究，參考序列選用通過PMFT檢驗，且兩站相關(guān)系數(shù)超過0.8、海拔差不超過100 m、距離不超過150 km的臺站[24]。以安吉站為例，1951—2018年安吉站共有3次遷站，具體信息見表1。

表1 1951—2018年安吉站遷站信息Tab.1 Information of Anji station moving from 1951 to 2018

安吉站月平均氣溫和0 cm地溫資料長度為1960—2018年，20 cm地溫觀測資料長度為2004—2018年。利用RHtest方法對安吉站的月平均氣溫和月平均0 cm、20 cm地溫序列進行均一性檢驗，置信水平設(shè)置為95%。基于PMFT和PMT檢驗，發(fā)現(xiàn)0 cm、20 cm地溫共25個突變點。結(jié)合安吉站元數(shù)據(jù)記錄可以確定，安吉站月平均氣溫和月平均20 cm地溫在2013年1月存在明顯的突變點。此外，安吉站0 cm、20 cm月平均地溫序列在2004年和2013年的其他時間檢驗出多個突變點，雖然月份不同，但突變點均出現(xiàn)在遷站年份(表2)，由此可見長距離的臺站遷移或明顯的地理環(huán)境變化是造成地溫序列非均一的原因之一。

表2 基于RHtest方法的安吉站氣溫、0 cm、20 cm地溫非均一性檢驗結(jié)果Tab.2 Results of heterogeneity test of air temperature, 0 cm and 20 cm ground temperature at Anji station based on RHtest

1.2.2 非均一性序列的訂正與插補

以安吉站20 cm地溫T20序列為例，用2013—2018年鄰近臺站通過均一性檢驗的富陽月平均氣溫T1、海寧月平均氣溫T2、義烏月平均氣溫T3、淳安月平均氣溫T4、新昌月平均氣溫T5對安吉站T20進行逐步回歸擬合，回歸方程如下：

T20=1.20+1.36T4-0.80T3+0.42T2

R2=0.99

(1)

基于回歸方程計算得到2004—2018年安吉站 20 cm月平均地溫。采用RHtest方法對20 cm月平均擬合地溫序列進行檢驗，結(jié)果通過均一性檢驗。計算安吉站逐年平均20 cm地溫，發(fā)現(xiàn)擬合前年平均20 cm地溫的氣候傾向率為-0.031 ℃·(10 a)-1，與氣溫變化趨勢不一致，擬合后年平均20 cm地溫的氣候傾向率為0.65 ℃·(10 a)-1，更為合理。

圖2 2004—2018年安吉站月平均(a)及年平均(b)20 cm地溫觀測與擬合曲線Fig.2 The observation and fitting curves of monthly average (a) and annual average (b) 20 cm ground temperature at Anji station from 2004 to 2018

1981—2018年浙江68個臺站月平均地溫資料采用類似方法，將通過均一性檢驗的鄰近臺站氣溫數(shù)據(jù)序列對非均一性臺站地溫進行逐步多元線性回歸，基于回歸方程和參考序列，計算出擬合序列。

1.3 局部臺站觀測值全局修正(GAoSV)方法

局部臺站觀測值全局修正(global adjusting of station value, GAoSV)方法是構(gòu)建區(qū)域氣候要素長序列的方法，其前提是局部臺站觀測要素與全區(qū)臺站觀測要素具備高信度的線性相關(guān)性[19]。為構(gòu)建百年尺度的地溫序列，采用具備百年氣溫觀測序列的杭州站和溫州站作為參考序列，故而首先要分析局部臺站(杭州站和溫州站)與全區(qū)臺站的相關(guān)性。1981—2018年杭州站年平均氣溫與浙江68個臺站年平均0 cm和20 cm地溫的相關(guān)系數(shù)分別為0.69～1.0和0.61～1.0，其中相關(guān)系數(shù)大于等于0.80的臺站數(shù)分別為51個和60個；溫州站年平均氣溫與浙江68個臺站的年平均0 cm和20 cm地溫的相關(guān)系數(shù)分別為0.50～0.88和0.53～0.90，其中相關(guān)系數(shù)大于等于0.80的臺站數(shù)分別為10個和26個。1981—2018年杭州站與浙江68站年平均0 cm、20 cm地溫均值的相關(guān)系數(shù)分別為0.97、0.95；溫州站對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)均為0.98；杭州站與溫州站年平均氣溫均值與全省68站年平均0 cm、20 cm地溫均值的相關(guān)系數(shù)均為0.99。由此可知，代表站(杭州站與溫州站)年平均氣溫均值與全省68站年平均0 cm、20 cm地溫均值存在高度的線性相關(guān)性，滿足GAoSV方法的使用條件。

2 結(jié)果與分析

2.1 序列構(gòu)建合理性分析

用1981—2018年局部臺站單站(杭州站或溫州站)的年平均氣溫及兩站年平均氣溫的均值對全省年平均0 cm、20 cm地溫進行擬合，用1971—1980年年平均地溫數(shù)據(jù)來進行檢驗，以驗證序列的合理性。1971—1980年0 cm和20 cm地溫觀測臺站數(shù)分別為38～68個和5～17個，雖然20 cm地溫觀測臺站較少，但分布均勻(浙北4個、浙東3個、浙西4個、浙南6個)。當浙江0 cm、20 cm地溫觀測臺站數(shù)達到5～10個且代表性較好時，代表臺站的年平均地溫均值與浙江全省年平均地溫均值的相關(guān)系數(shù)超過0.95，誤差范圍為-0.5～0.5 ℃(圖略)。1981—2018年杭州、溫州年平均氣溫擬合的浙江0 cm地溫誤差分別為-0.44～0.40 ℃和-0.38～0.50 ℃，用兩站年平均氣溫均值擬合的0 cm地溫誤差為-0.36～0.33 ℃；用杭州、溫州年平均氣溫擬合的浙江20 cm年平均地溫誤差分別為-0.25～0.27 ℃和-0.26～0.22 ℃，兩站年平均氣溫均值擬合的20 cm年平均地溫誤差為-0.15～0.13 ℃。

用1971—1980年杭州站、溫州站年平均氣溫擬合的浙江0 cm年平均地溫誤差分別為-0.03～0.27 ℃和-0.10～0.30 ℃，兩站均值擬合的浙江0 cm年平均地溫的誤差為-0.01～0.15 ℃；用杭州站、溫州站年平均氣溫擬合的浙江20 cm年平均地溫誤差分別為-0.53～0.27 ℃和-0.29～0.32 ℃，兩站均值擬合的浙江20 cm地溫誤差為-0.44～0.25 ℃。綜上所述，基于局部臺站(杭州站和溫州站)的年平均氣溫擬合歷史年平均地溫是可行的，兩站均值擬合值變率和絕對誤差均優(yōu)于單站擬合(圖3)。因此，下文采用兩站氣溫均值來擬合浙江全省0 cm和20 cm地溫。

圖3 1971—2018年浙江年平均0 cm(a)、20 cm(b)地溫觀測與擬合曲線Fig.3 Observation and fitting curves of annual average 0 cm (a) and 20 cm (b) ground temperature in Zhejiang from 1971 to 2018

2.2 浙江百年地溫序列構(gòu)建

1981—2018年杭州站和溫州站年氣溫均值T與全省平均0 cm地溫Ta0和20 cm地溫Ta20序列建立的擬合方程如表3所示。

表3 基于1981—2018年杭州站和溫州站年氣溫均值T的Ta0和Ta20擬合方程Tab.3 Fitting equations of provincial mean 0 cm, 20 cm ground temperature based on mean value of annual average temperature at Hangzhou and Wenzhou stations from 1981 to 2018

2.3 地溫時間變化

2.3.1 年際變化

根據(jù)擬合方程，結(jié)合1905—1980年杭州站和溫州站兩站年平均氣溫均值(1905—1923年用杭州站值代替兩站均值)序列，反演計算得到1905—1980年浙江0 cm、20 cm地溫資料。將1905—1980年的地溫擬合值與1981—2018年的地溫觀測值拼接，得到1905—2018年浙江年平均0 cm、20 cm地溫序列(圖4)。1905—2018年浙江年平均0 cm、20 cm地溫均值分別為18.6和18.1 ℃，最低值分別為16.5和16.1 ℃，最高值分別為20.5和19.9 ℃。1905—2018年浙江0 cm、20 cm地溫變化速率均為0.20 ℃·(10 a)-1(P<0.05)，變化趨勢與陸曉波等[25]研究的結(jié)論一致，變化速率較中國南方地溫大，但較東北和拉薩等地區(qū)要小[25-26]，這可能與序列長度和地區(qū)氣候變化特點有關(guān)。

圖4 1905—2018年浙江年平均0 cm(a)、20 cm(b)地溫變化Fig.4 The variation of annual average ground temperature at a depth of 0 cm (a) and 20 cm (b) in Zhejiang Province from 1905 to 2018

2.3.2 年代際變化

浙江年平均0 cm和20 cm地溫1981—2010年較1911—1940年均值偏高1.2 ℃和0.7 ℃。通過對浙江年平均0 cm和20 cm地溫序列做9點2次平滑低通濾波[27]，發(fā)現(xiàn)浙江0 cm和20 cm地溫均有明顯的“冷、暖”氣候演變。1905年至20世紀90年代為偏冷階段，20世紀90年代以后為偏暖階段，偏冷、偏暖階段0 cm、20 cm地溫平均值分別為19.3 ℃和18.7 ℃，其中2006—2018年年平均0 cm地溫較1981—2010年偏高0.5～1.3 ℃，特別是2012年以后，連續(xù)3 a偏高1.2～1.3 ℃。1905—1925年和1991—2018年0 cm和20 cm地溫呈現(xiàn)明顯上升趨勢[0.40～0.49 ℃·(10 a)-1]；1951—1990年0 cm和20 cm地溫年代際變化不明顯，波動幅度僅為±0.2 ℃；1990年代以后地溫升高明顯，且在2000年代之后地溫較1981—2010年增加0.1～1.2 ℃，這與中國20世紀80年代初氣溫開始增暖、1987年以后增暖加速[27-28]的結(jié)論一致，與浙江百年氣溫變化特點也一致[19]。但浙江地溫在1951—2001年并沒有明顯的先降后升，與陸曉波等[25]對長江中下游地區(qū)地溫的年代際變化研究結(jié)論略有不同，這可能與站點數(shù)和研究區(qū)域有關(guān)。

圖5 1905—2018年浙江年平均地溫年代際變化(a)及年平均0 cm(b)、20 cm(c)地溫的低通濾波Fig.5 The inter-decadal variation of annual average ground temperature (a) and low-pass filtering of annual average 0 cm (b) and 20 cm (c) ground temperature in Zhejiang from 1905 to 2018

2.3.3 周期與突變

圖6為1905—2018年浙江0 cm、20 cm年平均地溫序列的Morlet小波變換能量譜及M-K檢驗[29]?？梢钥闯?，1905—2018年浙江年平均0 cm和20 cm地溫2～6 a的振蕩周期比較顯著。具體來看，20世紀初到1920年代、1940—1950年代、1960年代、1980—2010年代， 2～6 a的振蕩比較強；1940—1960年代存在6～8 a的變化周期，1930—1980年代存在明顯的16～20 a的變化周期，這可能與中國氣溫變化周期有關(guān)[28]。M-K檢驗表明， 年平均0 cm和20 cm地溫在1986年前后存在突變(P<0.01)，這與浙江氣溫變化在1980年代后上升趨勢明顯的研究結(jié)論一致[19]，但突變年份與中國區(qū)域和長江中下游氣溫突變時間略有不同[27-28,30]，這可能與研究范圍和資料長度有關(guān)。

圖6 1905—2018年浙江年平均0 cm(a、c)、20 cm(b、d)地溫序列的Morlet小波變換能量譜(a、b)及M-K檢驗(c、d)Fig.6 Energy spectrum of Morlet wavelet transformation (a, b) and M-K test (c, d) of annual average 0 cm (a, c) and 20 cm (b, d) ground temperature series in Zhejiang from 1905 to 2018

2.4 空間分布

浙江0 cm地溫和20 cm地溫觀測臺站數(shù)在1981年前波動較大，且觀測序列離散、連續(xù)性較差，因此主要分析1981年以來地溫空間變化特征。圖7為1981—2018年浙江年平均0 cm和20 cm地溫空間分布。可以看出，浙江年平均0 cm和20 cm地溫均表現(xiàn)出南高北低的分布特征，其中年平均0 cm地溫為17.6～21.1 ℃，高值區(qū)分布在文成、龍泉、麗水和溫嶺南部，云和、青田和永嘉多年年平均地溫大于20.5 ℃，低值區(qū)分布在安吉、蕭山、德清、湖州和長興地區(qū)；年平均20 cm地溫為17.6～20.5 ℃，高值區(qū)、低值區(qū)與0 cm地溫分布類似，但高值區(qū)數(shù)值較年平均0 cm地溫低0.2～0.9 ℃。

圖7 1981—2018年浙江年平均0 cm(a)和20 cm(b)地溫空間分布(單位：℃)Fig.7 The spatial distribution of annual average 0 cm (a) and 20 cm (b) ground temperature in Zhejiang from 1981 to 2018 (Unit: ℃)

3 結(jié) 論

(1)采用局部臺站觀測值全局修正(GAoSV)方法，構(gòu)建了浙江地區(qū)的百年地溫序列。

(2)1905—2018年浙江年平均0 cm地溫的最高值、最低值和平均值分別為20.5、16.5和18.6 ℃，年平均20 cm地溫的最高值、最低值和平均值分別為19.9、16.1和18.1 ℃，氣候變化趨勢均為0.20 ℃·(10 a)-1。浙江0 cm和20 cm年平均地溫經(jīng)歷了 “冷、暖”的氣候演變，1990年代中期之前偏冷、之后偏暖，兩個明顯的上升階段分別為1905—1925年和1991—2018年，1990年代以后地溫升高明顯。

(3)浙江年平均0 cm、20 cm地溫在20世紀初到1920年代、1940—1950年代、1960年代、1980—2010年代存在2～6 a周期的明顯振蕩， 1940—1960年代存在6～8 a振蕩周期， 1930—1980年代存在明顯的16～20 a的變化周期；年平均0 cm和20 cm地溫突變年份均發(fā)生在1986年前后。

(4)1981—2018年浙江0 cm、20 cm年平均地溫在空間上均表現(xiàn)出北南高北低的分布特征，高值區(qū)分布在文成、龍泉、麗水、溫嶺南部等地區(qū)，低值區(qū)分布在安吉、蕭山、德清、湖州、長興等地區(qū)。