近42年山西省晉城市地溫與氣溫時(shí)空特征研究

劉強(qiáng)軍 梁赟 宋軍芳

摘要：利用1976—2017年晉城市轄區(qū)內(nèi)5個(gè)氣象站的氣溫和0～20 cm 地溫資料，采用累積距平、信躁比、氣候傾向率等統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)地溫和氣溫的年、季、月氣候空間特征和突變及異常特征進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明，年、季平均氣溫和地溫均呈升高趨勢(shì)，增幅為0.018～0.056 ℃/年，地溫增幅小于氣溫，氣溫在冬季增幅最大，地溫在春季增幅最大。氣溫與年平均地溫呈顯著正相關(guān)性，全年各層相關(guān)系數(shù)均≥0.89，其中0 cm氣溫與地溫相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95，5 cm 最小，為0.89，春季最大，冬季最?。?0 cm土層除外）。年平均氣溫和5 cm平均地溫在1994年發(fā)生了突變，其他各層地溫在1998年發(fā)生了突變，氣溫較歷年平均值偏低 0.8 ℃，地溫偏低 0.4～0.5 ℃，屬于冷期;突變后氣溫較歷年平均值偏高 0.5 ℃，地溫偏高 0.4～0.6 ℃，屬于暖期。四季中，氣溫的異常年份與秋季地溫關(guān)聯(lián)性較高，與其他季節(jié)關(guān)聯(lián)性較低。晉城市各層地溫的空間分布均表現(xiàn)為東低西高。以上研究表明，地溫和氣溫相關(guān)性極強(qiáng)，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：晉城;地溫;氣溫;氣候傾向率;相關(guān)分析

中圖分類號(hào)：S161.2?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1002-1302（2020）06-0240-06

在陸氣相互作用中，大氣環(huán)流和氣候變化受地面反照率、土壤溫度和濕度的影響，土壤溫度對(duì)作物的生長(zhǎng)有著直接的影響[1-3]，本研究所指地溫是指下墊面溫度和不同深度的土壤溫度，地溫的變化特征有助于研究各層地溫對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響[4-5]，在氣候變暖的大背景下，研究地面淺層下溫度的變化，對(duì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

晉城市位于山西省東南部，氣候的總體趨勢(shì)是變暖，冬、秋波動(dòng)明顯，夏季變化較小，氣候變暖對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)、發(fā)育、耕作及產(chǎn)量有明顯的影響。近些年，已有杜軍等研究得出年平均地溫呈現(xiàn)明顯升高趨勢(shì)，且與氣溫呈線性正相關(guān)，趨勢(shì)相近[6-10];陸曉波等研究發(fā)現(xiàn)，平均地溫年代際變化特征明顯，其中冬季地溫的年代際變化比其他季節(jié)顯著[11-14];陳超等的研究表明，深層地溫均呈升高的趨勢(shì)，以冬季地溫升溫最明顯，夏季地溫以下降為主[15-17];虞海燕等研究了1951—2009年我國(guó)不同區(qū)域氣溫和降水量變化特征，但對(duì)中國(guó)中部地區(qū)氣溫研究較多，對(duì)變化研究較少[18-20]。目前，針對(duì)晉城市氣溫變化與地溫的時(shí)空特征分析研究很少，依據(jù)收集的晉城市轄區(qū)近42年的氣溫及0～20 cm地溫資料，采用氣候?qū)W分析方法，研究了氣溫與地溫的時(shí)空變化與突變等相關(guān)性，為應(yīng)對(duì)氣候變化和指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了重要的依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

選取晉城市5個(gè)氣象站（晉城、高平市、陽(yáng)城縣、沁水縣、陵川縣）1976—2017年氣溫和各層地溫資料，所用資料取自山西省氣象局CIMISS系統(tǒng)資料庫(kù)，且通過(guò)均一化處理[21]。 按農(nóng)業(yè)氣象上的相關(guān)規(guī)定（冬季為12 月至次年 2 月，春季為3—5 月，夏季為6—8 月，秋季為9—11 月）處理數(shù)據(jù)，生成各月、季及年氣候資料序列。

1.2 方法

本研究采用線性傾向估計(jì)法[22]計(jì)算氣象要素的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。通過(guò)公式E（t）=∑ti（xi-xj）計(jì)算累積距平。式中：xi為歷年平均值，x為多年（42年）平均值，若指標(biāo)絕對(duì)值達(dá)到最大時(shí)，所對(duì)應(yīng)的t為突變年份。

利用信躁比計(jì)算氣候突變，公式為S/N=|x1-x2|s1-s2。式中：x1、x2和s1、s2分別為轉(zhuǎn)折年份前后2個(gè)階段資料的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，當(dāng)距平大于標(biāo)準(zhǔn)差的2倍時(shí)作為異常;當(dāng)S/N > 1. 0時(shí)，為氣候突變。為了解氣候傾向率的顯著性，采用蒙特卡羅方法[23]來(lái)估計(jì)相關(guān)系數(shù)的臨界值。

2 結(jié)果與分析

2.1 地溫和氣溫的年變化特征

2.1.1 氣候傾向率分析 根據(jù)晉城市各氣象站平均氣溫和0～20 cm 各土層地溫的氣候傾向率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。晉城市春夏秋冬和年均地溫、氣溫的氣候傾向率為正，都呈增溫趨勢(shì)，增幅為 0.015～0.056 ℃/年。除秋季的10 cm 和 20 cm 土層、冬季的 5 cm 和10 cm 土層地溫上升趨勢(shì)通過(guò)95% 的信度水平檢驗(yàn)外，其他信度檢驗(yàn)均≥99%。0～20 cm 土層地溫春季傾向率最大（0.045 ℃/年），冬季氣溫傾向率最大（0.052 ℃/年）;氣溫的夏季傾向率最小，5、10 cm 土層地溫的冬季傾向率最小，15、20 cm地溫為秋季傾向率最小。全年5 cm 地溫傾向率最大（0.037 ℃/年），0 cm 地溫傾向率最?。?.027 ℃/年）。從平均看，年平均地溫及氣溫均呈升高趨勢(shì)，全部通過(guò)99.9%的信度檢驗(yàn)，但地溫傾向率小于氣溫傾向率（0.034 ℃/年）。

2.1.2 年季變化相關(guān)性分析 根據(jù)中國(guó)氣象局氣候年鑒資料，1976—2017年，晉城年平均氣溫 11.8 ℃，0～20 cm 平均地溫分別為 14.2、13.3、133、13.6、13.5 ℃。通過(guò)0～20 cm土層地溫和氣溫的相關(guān)性分析（表2）可知，全年各層平均氣溫與地溫均呈正相關(guān)關(guān)系，全年相關(guān)系數(shù)5 cm 土層最小（089），0 cm土層最大（0.95）;季節(jié)上看，相關(guān)系數(shù)冬季最?。?0 cm土層秋季最?。?，春季最大。造成該現(xiàn)象的主要原因是晉城屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，春季氣溫回升快，長(zhǎng)波輻射易于在氣溫和地溫之間傳遞，冬季氣溫較低，接收地表長(zhǎng)波輻射的能力較弱，此為氣溫和地溫相關(guān)性差異的主要原因。

2.1.3 氣候突變分析 依據(jù)數(shù)據(jù)序列計(jì)算1976—2017 年晉城市平均地溫與氣溫累積距平（圖1），分析可知，近42年來(lái)，氣溫與年均地溫具有明顯的波動(dòng)，20 世紀(jì) 70年代至90 年代中期下降趨勢(shì)明顯，而20世紀(jì)90 年代中期至今為持續(xù)上升趨勢(shì)。計(jì)算氣候突變（圖2至圖7）可以發(fā)現(xiàn)，年平均氣溫和 5 cm 土層平均地溫在1994年發(fā)生了突變，0 、10、15、20 cm土層平均地溫在1998年發(fā)生了突變;突變前年平均氣溫、0 、5、10、15 、20 cm 土層地溫值分別為 11.3、13.7、12.7、128、13.2、13.1 ℃，氣溫較歷年平均值偏低 0.8 ℃，地溫偏低 0.4～0.5 ℃，屬于冷期;突變后年平均氣溫、0、5、10、15、20 cm 土層地 溫 值 分 別 為123、14.8、13.8、13.8、14.1、13.9 ℃，氣溫較歷年平均值偏高 0.5 ℃，地溫偏高 0.4～0.6 ℃，屬于暖期。分析突變前后氣候傾向率及距平累積曲線發(fā)現(xiàn)，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，平均氣溫與15 cm 地溫的變化規(guī)律最為一致，相似度較高。

2.2 地溫和氣溫的異常特征

由表3可知，春季氣溫在2000年和2008年分別出現(xiàn)了異常偏高的現(xiàn)象，地溫在2004年和2014年分別出現(xiàn)了異常偏高的現(xiàn)象;夏季氣溫未出現(xiàn)異常，0 cm 土層地溫在 1993 年異常偏低，而在 1997年所有土層均出現(xiàn)了異常偏高的現(xiàn)象，這是由于降水量嚴(yán)重偏少、日照偏多所致;秋冬季的地溫和氣溫均在1998 年同時(shí)出現(xiàn)了異常偏高的現(xiàn)象;秋季地溫和氣溫都在1981年同時(shí)出現(xiàn)了異常偏低的現(xiàn)象;冬季氣溫分別在1976年、1983年、1984年出現(xiàn)了異常偏低的現(xiàn)象，0 cm 土層地溫在 1983 年出現(xiàn)了異常偏低的現(xiàn)象。全年中，氣溫和地溫均無(wú)異?，F(xiàn)象。

2.3 氣溫及地溫的空間特征分析

2.3.1 氣溫及地溫的空間分布特征 圖 8至圖13為1976—2017 年晉城市年平均氣溫及0、5、10、15、20 cm土層地溫等值線，可以看出，近42年晉城市 0～20 cm 各土層地溫的空間分布特征為西部高、東部低，地溫從陵川縣開(kāi)始依次向西（高平→晉城→沁水→陽(yáng)城）逐漸增高。由圖8 可知，緯度和海拔高度與各層地溫的空間分布相關(guān)密切，地溫空間分布與晉城和高平地勢(shì)平坦及陵川、沁水、陽(yáng)城西部

海拔偏高等密切相關(guān)。

2.3.2 地溫及氣溫月變化剖面圖分析 由圖14 可知，1976—2017年晉城市各月0～20 cm地溫均為-4. 0 ℃ 以上，其中 12 月至次年 1? 月地溫為-3～4 ℃，3—11 月 地溫為8～28 ℃;6—9月處于 20 ℃ 以上，最低值出現(xiàn)在 1 月，其后逐步上升，7 月達(dá)到峰值，然后逐漸下降。與晉城市各月平均氣溫相比，0～20 cm 土層地溫的月變化與氣溫的月變化相似（ 1 月為最低值，7月為最高值）;5—7 月 0～20 cm土層地溫高于氣溫;4月0～15 cm 土層地溫低于氣溫。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)山西省晉城市近42年地溫與氣溫的時(shí)空特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到了以下結(jié)論：

（1）年、季平均氣溫和各土層地溫均呈升高趨勢(shì)，升幅為0.018～0.056 ℃/年。氣溫與年平均地溫呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均在0.89 以上。

（2）年平均氣溫和5 cm土層平均地溫在1994年發(fā)生了突變，各土層地溫在1998年發(fā)生了突變，氣溫較歷年平均值偏低 0.8 ℃，地溫偏低 0.4～0.5 ℃，屬于冷期;突變后氣溫較歷年平均值偏高 0.5 ℃，地溫偏高 0.4～0.6 ℃，屬于暖期。

（3）四季中，氣溫的異常年份與秋季地溫關(guān)聯(lián)性較高，其他季節(jié)關(guān)聯(lián)性較低;春季地溫在2004年、2014年異常偏高，而氣溫在2000年和2008年異常偏高;夏季地溫都是1997年異常偏高，但氣溫?zé)o異常年份;秋季地溫和氣溫都在1981年異常偏低和1998異常偏高;冬季地溫也是在1998年異常偏高，而氣溫在1976年、1983年、1984年異常偏低，1998年異常偏高。

（4）年度地溫和氣溫都無(wú)異常年份;晉城市各層地溫的空間分布均表現(xiàn)為東低西高，根據(jù)地溫變化規(guī)律，可以指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

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