1905—2018年浙江地溫序列構建及其變化特征

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中心，山西 太原 030006；3.武漢區域氣候中心，湖北 武漢 430074)

引 言

地溫是反映土壤熱能狀態的因子[1]，是重要的陸面變量[2]和農事指示溫度[3]。地溫的變化直接影響土壤物理化學過程[4]和作物生長發育、生理代謝及作物物候期和產量[5-6]，地區種植制度與地溫高低密切相關[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地溫的響應不同[8]，但總體表現為地溫升高，從而使得農作物生育期加快、農耕期延長、高海拔地區作物適種面積擴大、理論產量增加等[6-7]。另一方面，地溫升高會導致干旱地區土壤缺水更加嚴重[9]，土壤中安全越冬蟲卵增多、病蟲發生的范圍擴大、危害等級上升等[10-11]，因此，研究地溫變化對農林牧業區域規劃、氣候資源挖掘利用等具有積極意義。

國內外有關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]，地溫序列的構建方法主要有站點觀測[12]、模型重建[17]、數值模擬[2]、遙感反演[18]等。但基于站點觀測、遙感資料等構建的地溫序列較短，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1962—2001年5—6月地溫資料序列之間較好的同期相關特征，重建了柴達木地區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系數為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，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)方法結合百年氣溫觀測資料反演構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、優化農業結構和農業可持續發展提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資 料

氣象資料來自浙江省氣象信息網絡中心，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網站下載的審圖號為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據序列進行均一性檢驗[21-23]。檢驗規則如下：(1)對于有元數據記錄的臺站，PMT或PMFT方法檢驗出的突變點與元數據記錄時間一致，確定該點為突變點；(2)對于無元數據記錄的臺站，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。根據相關業務和研究，參考序列選用通過PMFT檢驗，且兩站相關系數超過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，置信水平設置為95%?；赑MFT和PMT檢驗，發現0 cm、20 cm地溫共25個突變點。結合安吉站元數據記錄可以確定，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，結果通過均一性檢驗。計算安吉站逐年平均20 cm地溫，發現擬合前年平均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據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)方法是構建區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臺站觀測要素具備高信度的線性相關性[19]。為構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)與全區臺站的相關性。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地溫的相關系數分別為0.69～1.0和0.61～1.0，其中相關系數大于等于0.80的臺站數分別為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地溫的相關系數分別為0.50～0.88和0.53～0.90，其中相關系數大于等于0.80的臺站數分別為10個和26個。1981—2018年杭州站與浙江68站年平均0 cm、20 cm地溫均值的相關系數分別為0.97、0.95；溫州站對應的相關系數均為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地溫均值的相關系數均為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性，滿足GAoSV方法的使用條件。

2 結果與分析

2.1 序列構建合理性分析

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年年平均地溫數據來進行檢驗，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系數超過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

根據擬合方程，結合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要小[25-26]，這可能與序列長度和地區氣候變化特點有關。

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]，發現浙江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3 a偏高1.2～1.3 ℃。1905—1925年和1991—2018年0 cm和20 cm地溫呈現明顯上升趨勢[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]對長江中下游地區地溫的年代際變化研究結論略有不同，這可能與站點數和研究區域有關。

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]。可以看出，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[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論一致[19]，但突變年份與中國區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。

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地溫觀測臺站數在1981年前波動較大，且觀測序列離散、連續性較差，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?？梢钥闯觯憬昶骄? cm和20 cm地溫均表現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 ℃，低值區分布在安吉、蕭山、德清、湖州和長興地區；年平均20 cm地溫為17.6～20.5 ℃，高值區、低值區與0 cm地溫分布類似，但高值區數值較年平均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 論

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

(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出北南高北低的分布特征，高值區分布在文成、龍泉、麗水、溫嶺南部等地區，低值區分布在安吉、蕭山、德清、湖州、長興等地區。