近42年山西省晉城市地溫與氣溫時空特征研究

劉強軍 梁赟 宋軍芳

摘要：利用1976—2017年晉城市轄區內5個氣象站的氣溫和0～20 cm 地溫資料，采用累積距平、信躁比、氣候傾向率等統計方法，對地溫和氣溫的年、季、月氣候空間特征和突變及異常特征進行相關分析。結果表明，年、季平均氣溫和地溫均呈升高趨勢，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性，全年各層相關系數均≥0.89，其中0 cm氣溫與地溫相關系數達到0.95，5 cm 最小，為0.89，春季最大，冬季最小（10 cm土層除外）。年平均氣溫和5 cm平均地溫在1994年發生了突變，其他各層地溫在1998年發生了突變，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聯性較高，與其他季節關聯性較低。晉城市各層地溫的空間分布均表現為東低西高。以上研究表明，地溫和氣溫相關性極強，對當地農業生產有一定的指導意義。

關鍵詞：晉城;地溫;氣溫;氣候傾向率;相關分析

中圖分類號：S161.2?? 文獻標志碼：A? 文章編號：1002-1302（2020）06-0240-06

在陸氣相互作用中，大氣環流和氣候變化受地面反照率、土壤溫度和濕度的影響，土壤溫度對作物的生長有著直接的影響[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農業生產的影響[4-5]，在氣候變暖的大背景下，研究地面淺層下溫度的變化，對指導農業生產具有重要意義。

晉城市位于山西省東南部，氣候的總體趨勢是變暖，冬、秋波動明顯，夏季變化較小，氣候變暖對農作物的生長、發育、耕作及產量有明顯的影響。近些年，已有杜軍等研究得出年平均地溫呈現明顯升高趨勢，且與氣溫呈線性正相關，趨勢相近[6-10];陸曉波等研究發現，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顯著[11-14];陳超等的研究表明，深層地溫均呈升高的趨勢，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年我國不同區域氣溫和降水量變化特征，但對中國中部地區氣溫研究較多，對變化研究較少[18-20]。目前，針對晉城市氣溫變化與地溫的時空特征分析研究很少，依據收集的晉城市轄區近42年的氣溫及0～20 cm地溫資料，采用氣候學分析方法，研究了氣溫與地溫的時空變化與突變等相關性，為應對氣候變化和指導農業生產提供了重要的依據。

1 資料與方法

1.1 資料

選取晉城市5個氣象站（晉城、高平市、陽城縣、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系統資料庫，且通過均一化處理[21]。 按農業氣象上的相關規定（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）處理數據，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法[22]計算氣象要素的長期變化趨勢。通過公式E（t）=∑ti（xi-xj）計算累積距平。式中：xi為歷年平均值，x為多年（42年）平均值，若指標絕對值達到最大時，所對應的t為突變年份。

利用信躁比計算氣候突變，公式為S/N=|x1-x2|s1-s2。式中：x1、x2和s1、s2分別為轉折年份前后2個階段資料的平均值和標準差，當距平大于標準差的2倍時作為異常;當S/N > 1. 0時，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]來估計相關系數的臨界值。

2 結果與分析

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行計算，結果見表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，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 土層地溫上升趨勢通過95% 的信度水平檢驗外，其他信度檢驗均≥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，全部通過99.9%的信度檢驗，但地溫傾向率小于氣溫傾向率（0.034 ℃/年）。

2.1.2 年季變化相關性分析 根據中國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0～20 cm土層地溫和氣溫的相關性分析（表2）可知，全年各層平均氣溫與地溫均呈正相關關系，全年相關系數5 cm 土層最?。?89），0 cm土層最大（0.95）;季節上看，相關系數冬季最小（10 cm土層秋季最?。?，春季最大。造成該現象的主要原因是晉城屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，春季氣溫回升快，長波輻射易于在氣溫和地溫之間傳遞，冬季氣溫較低，接收地表長波輻射的能力較弱，此為氣溫和地溫相關性差異的主要原因。

2.1.3 氣候突變分析 依據數據序列計算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，氣溫與年均地溫具有明顯的波動，20 世紀 70年代至90 年代中期下降趨勢明顯，而20世紀90 年代中期至今為持續上升趨勢。計算氣候突變（圖2至圖7）可以發現，年平均氣溫和 5 cm 土層平均地溫在1994年發生了突變，0 、10、15、20 cm土層平均地溫在1998年發生了突變;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現，自20世紀90年代以來，平均氣溫與15 cm 地溫的變化規律最為一致，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年分別出現了異常偏高的現象，地溫在2004年和2014年分別出現了異常偏高的現象;夏季氣溫未出現異常，0 cm 土層地溫在 1993 年異常偏低，而在 1997年所有土層均出現了異常偏高的現象，這是由于降水量嚴重偏少、日照偏多所致;秋冬季的地溫和氣溫均在1998 年同時出現了異常偏高的現象;秋季地溫和氣溫都在1981年同時出現了異常偏低的現象;冬季氣溫分別在1976年、1983年、1984年出現了異常偏低的現象，0 cm 土層地溫在 1983 年出現了異常偏低的現象。全年中，氣溫和地溫均無異常現象。

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，地溫從陵川縣開始依次向西（高平→晉城→沁水→陽城）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密切，地溫空間分布與晉城和高平地勢平坦及陵川、沁水、陽城西部

海拔偏高等密切相關。

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，最低值出現在 1 月，其后逐步上升，7 月達到峰值，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 結論

本研究通過對山西省晉城市近42年地溫與氣溫的時空特征進行統計分析，得到了以下結論：

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

（2）年平均氣溫和5 cm土層平均地溫在1994年發生了突變，各土層地溫在1998年發生了突變，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聯性較高，其他季節關聯性較低;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，但氣溫無異常年份;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異常年份;晉城市各層地溫的空間分布均表現為東低西高，根據地溫變化規律，可以指導當地農業生產。

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