近42年山西省晋城市地温与气温时空特征研究

来源:用户上传      作者:刘强军 梁赟 宋军芳

　　摘要：利用1976—2017年晋城市辖区内5个气象站的气温和0～20 cm 地温资料，采用累积距平、信躁比、气候倾向率等统计方法，对地温和气温的年、季、月气候空间特征和突变及异常特征进行相关分析。结果表明，年、季平均气温和地温均呈升高趋势，增幅为0.018～0.056 ℃/年，地温增幅小于气温，气温在冬季增幅最大，地温在春季增幅最大。气温与年平均地温呈显著正相关性，全年各层相关系数均≥0.89，其中0 cm气温与地温相关系数达到0.95，5 cm 最小，为0.89，春季最大，冬季最小（10 cm土层除外）。年平均气温和5 cm平均地温在1994年发生了突变，其他各层地温在1998年发生了突变，气温较历年平均值偏低 0.8 ℃，地温偏低 0.4～0.5 ℃，属于冷期;突变后气温较历年平均值偏高 0.5 ℃，地温偏高 0.4～0.6 ℃，属于暖期。四季中，气温的异常年份与秋季地温关联性较高，与其他季节关联性较低。晋城市各层地温的空间分布均表现为东低西高。以上研究表明，地溫和气温相关性极强，对当地农业生产有一定的指导意义。
　　 关键词：晋城;地温;气温;气候倾向率;相关分析
　　 中图分类号：S161.2   文献标志码：A  文章编号：1002-1302（2020）06-0240-06
　　在陆气相互作用中，大气环流和气候变化受地面反照率、土壤温度和湿度的影响，土壤温度对作物的生长有着直接的影响[1-3]，本研究所指地温是指下垫面温度和不同深度的土壤温度，地温的变化特征有助于研究各层地温对农业生产的影响[4-5]，在气候变暖的大背景下，研究地面浅层下温度的变化，对指导农业生产具有重要意义。
　　 晋城市位于山西省东南部，气候的总体趋势是变暖，冬、秋波动明显，夏季变化较小，气候变暖对农作物的生长、发育、耕作及产量有明显的影响。近些年，已有杜军等研究得出年平均地温呈现明显升高趋势，且与气温呈线性正相关，趋势相近[6-10];陆晓波等研究发现，平均地温年代际变化特征明显，其中冬季地温的年代际变化比其他季节显著[11-14];陈超等的研究表明，深层地温均呈升高的趋势，以冬季地温升温最明显，夏季地温以下降为主[15-17];虞海燕等研究了1951—2009年我国不同区域气温和降水量变化特征，但对中国中部地区气温研究较多，对变化研究较少[18-20]。目前，针对晋城市气温变化与地温的时空特征分析研究很少，依据收集的晋城市辖区近42年的气温及0～20 cm地温资料，采用气候学分析方法，研究了气温与地温的时空变化与突变等相关性，为应对气候变化和指导农业生产提供了重要的依据。
　　1 资料与方法
　　1.1 资料
　　 选取晋城市5个气象站（晋城、高平市、阳城县、沁水县、陵川县）1976—2017年气温和各层地温资料，所用资料取自山西省气象局CIMISS系统资料库，且通过均一化处理[21]。 按农业气象上的相关规定（冬季为12 月至次年 2 月，春季为3—5 月，夏季为6—8 月，秋季为9—11 月）处理数据，生成各月、季及年气候资料序列。
　　1.2 方法
　　 本研究采用线性倾向估计法[22]计算气象要素的长期变化趋势。通过公式E（t）=∑ti（xi-xj）计算累积距平。式中：xi为历年平均值，x为多年（42年）平均值，若指标绝对值达到最大时，所对应的t为突变年份。
　　 利用信躁比计算气候突变，公式为S/N=|x1-x2|s1-s2。式中：x1、x2和s1、s2分别为转折年份前后2个阶段资料的平均值和标准差，当距平大于标准差的2倍时作为异常;当S/N > 1. 0时，为气候突变。为了解气候倾向率的显著性，采用蒙特卡罗方法[23]来估计相关系数的临界值。
　　2 结果与分析
　　2.1 地温和气温的年变化特征
　　2.1.1 气候倾向率分析 根据晋城市各气象站平均气温和0～20 cm 各土层地温的气候倾向率进行计算，结果见表1。晋城市春夏秋冬和年均地温、气温的气候倾向率为正，都呈增温趋势，增幅为 0.015～0.056 ℃/年。除秋季的10 cm 和 20 cm 土层、冬季的 5 cm 和10 cm 土层地温上升趋势通过95% 的信度水平检验外，其他信度检验均≥99%。0～20 cm 土层地温春季倾向率最大（0.045 ℃/年），冬季气温倾向率最大（0.052 ℃/年）;气温的夏季倾向率最小，5、10 cm 土层地温的冬季倾向率最小，15、20 cm地温为秋季倾向率最小。全年5 cm 地温倾向率最大（0.037 ℃/年），0 cm 地温倾向率最小（0.027 ℃/年）。从平均看，年平均地温及气温均呈升高趋势，全部通过99.9%的信度检验，但地温倾向率小于气温倾向率（0.034 ℃/年）。
　　2.1.2 年季变化相关性分析 根据中国气象局气候年鉴资料，1976—2017年，晋城年平均气温 11.8 ℃，0～20 cm 平均地温分别为 14.2、13.3、133、13.6、13.5 ℃。通过0～20 cm土层地温和气温的相关性分析（表2）可知，全年各层平均气温与地温均呈正相关关系，全年相关系数5 cm 土层最小（089），0 cm土层最大（0.95）;季节上看，相关系数冬季最小（10 cm土层秋季最小），春季最大。造成该现象的主要原因是晋城属温带大陆性季风气候，四季分明，春季气温回升快，长波辐射易于在气温和地温之间传递，冬季气温较低，接收地表长波辐射的能力较弱，此为气温和地温相关性差异的主要原因。
　　2.1.3 气候突变分析 依据数据序列计算1976—2017 年晋城市平均地温与气温累积距平（图1），分析可知，近42年来，气温与年均地温具有明显的波动，20 世纪 70年代至90 年代中期下降趋势明显，而20世纪90 年代中期至今为持续上升趋势。计算气候突变（图2至图7）可以发现，年平均气温和 5 cm 土层平均地温在1994年发生了突变，0 、10、15、20 cm土层平均地温在1998年发生了突变;突变前年平均气温、0 、5、10、15 、20 cm 土层地温值分别为 11.3、13.7、12.7、128、13.2、13.1 ℃，气温较历年平均值偏低 0.8 ℃，地温偏低 0.4～0.5 ℃，属于冷期;突变后年平均气温、0、5、10、15、20 cm 土层地 温 值 分 别 为123、14.8、13.8、13.8、14.1、13.9 ℃，气温较历年平均值偏高 0.5 ℃，地温偏高 0.4～0.6 ℃，属于暖期。分析突变前后气候倾向率及距平累积曲线发现，自20世纪90年代以来，平均气温与15 cm 地温的变化规律最为一致，相似度较高。 　　2.2 地温和气温的异常特征
　　 由表3可知，春季气温在2000年和2008年分别出现了异常偏高的现象，地温在2004年和2014年分别出现了异常偏高的现象;夏季气温未出现异常，0 cm 土层地温在 1993 年异常偏低，而在 1997年所有土层均出现了异常偏高的现象，这是由于降水量严重偏少、日照偏多所致;秋冬季的地温和气温均在1998 年同时出现了异常偏高的现象;秋季地温和气温都在1981年同时出现了异常偏低的现象;冬季气温分别在1976年、1983年、1984年出现了异常偏低的现象，0 cm 土层地温在 1983 年出现了异常偏低的现象。全年中，气温和地温均无异常现象。
　　2.3 气温及地温的空间特征分析
　　2.3.1 气温及地温的空间分布特征 图 8至图13为1976—2017 年晋城市年平均气温及0、5、10、15、20 cm土层地温等值线，可以看出，近42年晋城市 0～20 cm 各土层地温的空间分布特征为西部高、东部低，地温从陵川县开始依次向西（高平→晋城→沁水→阳城）逐渐增高。由图8 可知，纬度和海拔高度与各层地温的空间分布相关密切，地温空间分布与晋城和高平地势平坦及陵川、沁水、阳城西部
　　海拔偏高等密切相关。
　　2.3.2 地温及气温月变化剖面图分析 由图14 可知，1976—2017年晋城市各月0～20 cm地温均为-4. 0 ℃ 以上，其中 12 月至次年 1  月地温为-3～4 ℃，3—11 月 地温为8～28 ℃;6—9月处于 20 ℃ 以上，最低值出现在 1 月，其后逐步上升，7 月达到峰值，然后逐渐下降。与晋城市各月平均气温相比，0～20 cm 土层地温的月变化与气温的月变化相似（ 1 月为最低值，7月为最高值）;5—7 月 0～20 cm土层地温高于气温;4月0～15 cm 土层地温低于气温。
　　3 结论
　　 本研究通过对山西省晋城市近42年地温与气温的时空特征进行统计分析，得到了以下结论：
　　 （1）年、季平均气温和各土层地温均呈升高趋势，升幅为0.018～0.056 ℃/年。气温与年平均地温呈显著正相关，相关系数均在0.89 以上。
　　 （2）年平均气温和5 cm土层平均地温在1994年发生了突变，各土层地温在1998年发生了突变，气温较历年平均值偏低 0.8 ℃，地温偏低 0.4～0.5 ℃，属于冷期;突变后气温较历年平均值偏高 0.5 ℃，地温偏高 0.4～0.6 ℃，属于暖期。
　　 （3）四季中，气温的异常年份与秋季地温关联性较高，其他季节关联性较低;春季地温在2004年、2014年异常偏高，而气温在2000年和2008年异常偏高;夏季地温都是1997年异常偏高，但气温无异常年份;秋季地温和气温都在1981年异常偏低和1998异常偏高;冬季地温也是在1998年异常偏高，而气温在1976年、1983年、1984年异常偏低，1998年异常偏高。
　　 （4）年度地温和气温都无异常年份;晋城市各层地温的空间分布均表现为东低西高，根据地温变化规律，可以指导当地农业生产。
　　参考文献：
　　[1]汤懋苍，孙淑华，钟 强，等. 下垫面能量储放与天气变化[J]. 高原气象，1982（1）：24-34.
　　[2]李崇银. 气候动力学引论[M]. 北京：气象出版社，1995.
　　[3]皇甫雪官. 地表物理过程参数化方案的研究进展[J]. 气象科技，1997（2）：2-12.
　　[4]中国气象局. 地面气象观测规范[S]. 北京：气象出版社，2003.
　　[5]周绍毅，劳 炜，苏 志，等. 1961—2010年广西浅层地温变化特征[J]. 西南农业学报，2012，25（4）：1372-1375.
　　[6]杜 军，胡 军，罗布次仁，等. 西藏浅层地温对气候变暖的响应[J]. 冰川冻土，2008（5）：745-751.
　　[7]王海波，黄少鹏，任永飞，等. 西安城市地温与气温变化初步分析[J]. 地质科学，2014（3）：874-887.
　　[8]曹 兴，陈荣毅，杨举芳，等. 沙漠腹地秋季地温变化特征及其与气温的关系[J]. 干旱气象，2011（4）：433-438.
　　[9]康文英，徐建芬. 衡水市近50年气温与地温变化分析[J]. 衡水学院学报，2013，15（4）：104-107.
　　[10]于盛楠，尹嫦姣，闫世岩，等. 佳木斯市地温与气温的关系[J]. 安徽农业科学，2013（1）：218-219.
　　[11]陆晓波，徐海明，孙丞虎，等. 中国近50 a地温的变化特征[J]. 南京气象学院学报，2006，29（5）：706-712.
　　[12]吕红玉，张林媛，张宏茹，等. 1981—2010年三江平原40～320 cm 深地温变化特征[J]. 冰川冻土，2012（6）：1346-1352.
　　[13]贾效禄，杨 青，赵 勇，等. 近50a乌鲁木齐市的深层地温特征[J]. 干旱气象，2011（2）：201-204.
　　[14]陈成国，石慧兰，王桂兰，等. 1961—2010年德州市地温变化特征[J]. 气象与环境学报，2012，28（1）：86-89.
　　[15]陈 超，周广胜.1961—2010年桂林气温和地温的变化特征[J]. 生态学报，2013，33（7）：2043-2053.
　　[16]蒙桂云，喻 彦.1961—2005年西双版纳浅层地溫对气候变化的响应[J]. 气象科技，2010（3）：316-320.
　　[17]吴燕辉，周 勇.1958—2004年江汉平原气温变化特征分析[J]. 气象与环境学报，2007（3）：5-9.
　　[18]虞海燕，刘树华，赵 娜，等. 1951—2009年中国不同区域气温和降水量变化特征[J]. 气象与环境学报，2011，27（4）：1-11.
　　[19]刘可群，王海军，王 凯，等. 我国中部年、季平均气温变化的趋势性分析[J]. 长江流域资源与环境，2010（增刊1）：62-66.
　　[20]唐红玉，翟盘茂，王振宇.1951—2002年中国平均最高、最低气温及日较差变化[J]. 气候与环境研究，2005（4）：728-735.
　　[21]朱 智，师春香，张 涛，等. 多种再分析地表温度资料在中国区域的适用性分析[J]. 冰川冻土，2015（3）：614-624.
　　[22]魏凤英. 现代气候统计诊断与预测技术[M]. 2版. 北京：气象出版社，2007.
　　[23]施 能，魏风英，封国林，等. 气象场相关分析及合成分析中蒙特卡洛检验方法及应用[J]. 南京气象学院学报，1997（3）：355-359.魏晓强，钟启文，张广楠，等. 添加微生物菌剂对菊芋秸秆发酵的影响[J]. 江苏农业科学，2020，48（6）：246-251.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15209752.htm