河北省0 cm地溫變化特征分析

郭小璇 金 龍 姬藝珍 高珊珊 陳沛宇 韓 磊

（1.河北省氣象技術裝備中心，河北 石家莊 050022；2.天水市氣象局，甘肅 天水 741000）

0 引言

地溫是下墊面溫度和不同深度下的土壤溫度的總稱［1］。在氣象觀測規范中，將0～20 cm 深度的地溫叫作淺層地溫，40～320 cm 的地溫叫作深層地溫［2］。地表溫度即0 cm 地溫，既可以反映出太陽輻射與大氣對下墊面之間的陸（海）氣相互作用［3］，也可以反映出不同地區、不同土壤類型及不同氣候變化背景情況下的能量收支情況［4］，并強烈影響著土壤的理化過程及生物過程，且土壤溫度的變化直接影響著植被生長、農作物產量等［5］。因此，地溫是地-氣之間交換過程的主要參數之一。根據IPCC第四次評估報告可知，我國年平均氣溫在20 世紀存在明顯的增加趨勢，增溫幅度較全球增溫變化幅度高0.5～0.8 ℃［6］。同時IPCC 第五次評估報告也指出，到2012 年全球平均溫度增高0.85 ℃［7］，因此，有必要研究地表溫度對全球氣候變化的影響及響應。

我國已有較多學者對地溫變化特征及影響因素進行了研究，羊清雯等［8］利用海南島17個氣象觀測站1980—2018 年逐月0 cm 地溫及氣象要素資料，通過數理統計方法分析了海南島年和四季的0 cm 地溫時空變化特征及氣象要素的關系。得到了海南島年平均0 cm 地溫呈顯著上升趨勢，且秋季為地溫上升的主要貢獻季節。于海躍等［5］利用甘肅省22個國家氣象觀測站1980—2021 年地溫觀測資料，利用小波分析和MK 突變檢驗等方法分析了甘肅省淺層地溫的變化特征，得到了甘肅省0～20 cm 地溫空間分布特征呈東西高中部低的特點，且淺層地溫呈逐年上升趨勢。于莉麗等［9］利用1971—2010 年錫林浩特0～160 cm 四層的年平均地溫和逐月平均地溫，利用氣候統計法對地溫變化趨勢和氣候突變進行研究，得到該地區不同季節地溫均呈上升趨勢，波動幅度隨深度的加深而減小。在0 cm 地溫中，夏季增溫最為顯著。李銘等［10］基于CIMISS 數據接口獲取大連氣象站2004—2017 年淺層地溫月數據，得到地溫變化呈先降低后升高的變化趨勢，且2010年為拐點，不同層的地溫變化趨勢為一致的。肖薇薇等［11］利用陜西省1958—2017 年18 個氣象觀測站逐月0 cm 地溫和氣象數據，結合氣候統計方法，對陜西省0 cm 地溫進行分析，得到近60 年來，陜西省0 cm 地溫變化趨勢除夏季以外均呈增高趨勢，并且利用年均氣溫和0 cm 地溫進行對比分析，得到二者呈顯著的正相關關系，其顯著性為秋季＞春季＞年＞夏季＞冬季的特點。于志明等［12］利用1981—2010 年唐山國家基本氣象站的逐月平均地溫資料，分析了近30 年唐山深層地溫的變化情況，得出不同深度的增溫趨勢在不同季節存在差異。張翠華等［13］利用石家莊地區5 個觀測站2008—2010 年逐日地面溫度等數據分析了該地區地溫垂直變化特征，為華北地區農業生產的影響因子提供了參考。目前，對于河北省地表溫度的研究成果較少，基于此，本研究利用河北省20個氣象觀測站的逐月0 cm地溫及氣象要素資料，對河北省0 cm地溫變化特征進行研究，以期為河北省有效利用氣候資源提供有效科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究選取河北省1960—2020 年20 個氣象觀測站的逐月0 cm 地溫（以下簡稱“地溫”）、氣溫、累計降水量、累計日照時數和平均風速實測數據，數據均來源于中國氣象數據網（https：//data.cma.cn/）。季節劃分如下：3 月至5 月為春季、6 月至8 月為夏季、9月至11月為秋季、12月至次年2月為冬季。

1.2 研究方法

本研究所采用一元線性回歸方法分析河北省地溫氣候變化趨勢，分析方法如下：利用獲取的1960—2020 年平均地溫數據的氣候傾向率采用一元線性方程表示如式（1）。

式中：Y為平均氣象要素，a0為常數，a1為線性趨勢項，t為時間，a1*10 為平均氣候要素每10 年的氣候傾向率，當a1＞0 時，說明該氣候要素值在對應的時間段內有線性增加的變化趨勢，反之為減小趨勢。

2 結果與分析

2.1 0 cm地溫時間變化特征

1960—2020 年河北省0 cm 地溫年均線性變化呈顯著波動上升的趨勢（如圖1 所示），地溫傾向率為0.36 ℃·（10 a）-1（P＜0.01），這與我國其他地區地溫時間變化特征相似，從1997 年開始，地溫逐漸上升（13.1 ℃），直到2019年達到最高值（14.1 ℃），這與1969年的最低值（11 ℃）相差3.1 ℃。

圖1 1960—2020年河北省0 cm地溫年均線性趨勢變化情況

1960—2020 年河北省0 cm 地溫季節線性趨勢變化情況如圖2所示。近60年河北省春、夏、秋、冬四個季節地溫均呈波動上升趨勢，但不同季節上升趨勢存在差異。其中，河北省夏季、秋季不呈顯著升高趨勢，春季、冬季呈顯著升高趨勢（P＜0.01），地溫傾向率為春季［0.54 ℃·（10 a）-1］＞冬季［0.41 ℃·（10 a）-1］＞秋季［0.26℃·（10 a）-1］＞夏季［0.25 ℃·（10a）-1］的趨勢。即河北省年均地溫升高主要受春季、冬季和秋季的季節影響。

圖2 1960—2020年河北省0 cm地溫季節線性趨勢變化情況

2.2 0 cm地溫年代際變化特征分析

1960—2020年河北省不同年代際0 cm地溫見表1。由表1可知，春季在20世紀70年代呈波動下降趨勢（平均地溫為11.99 ℃），20世紀80年代開始持續升高，并在2017年達到最大值17.7 ℃，與1970年最低值11 ℃相差6.7 ℃。冬季在20世紀90年代呈波動上升趨勢，并在2015年達到最大值-2.2 ℃，與1974年最低值-7.4 ℃相差5.2 ℃。秋季在20世紀80年代呈波動下降趨勢（平均地溫為11.15 ℃），20世紀90年代之后持續升高，在2019 年達到最高值（平均地溫為14.4 ℃），與1980年最低值10 ℃相差4.4 ℃。夏季不同年代際變化幅度較小，在2000 年達到最高值為29.6 ℃，與1971 年最低值23.8 ℃相差5.8 ℃。其中，春季為四個季節中平均地溫變化相差最大的季節。

表1 1960—2020年河北省不同年代際0 cm地溫 單位：℃

2.3 地氣溫差變化趨勢

1960—2020 年河北省年均和四季地氣溫差線性趨勢如圖3 所示。由圖3 可知，1960—2020 年，河北省年均地表溫度和氣溫總體均有增加趨勢，且地溫較氣溫的增高趨勢略高。總體看來，河北省地氣溫差呈顯著升高趨勢，年均地氣溫差傾向率達0.045 ℃·（10 a）-1（P＜0.01）。河北省年均地氣溫差在20 世紀70 年代到90 年代中期有下降趨勢，最小值出現在1995 年（1 ℃），2000 年后升溫幅度較大，在2019 年達到最大值為2.7 ℃。地氣溫差增大表示近地層空氣層不穩定度增強，導致對流增強，進而使得地面水分蒸發能力加強，這表明河北省氣候正呈暖干化趨勢。

圖3 1960—2020年河北省年均和四季地氣溫差線性趨勢

地氣溫差的變化是由地溫和氣溫變化共同導致的。在不同季節，地溫和氣溫對地氣溫差的年代際變化的貢獻程度也存在著不同。河北省1960—2020年四季地溫年均和春季氣候傾向率變化趨勢呈增高趨勢，夏季、秋季和冬季氣候傾向率變化較平緩，依次為春季［0.1 ℃·（10 a）-1］＞秋季［0.023 ℃·（10 a）-1］＞冬季［0.019 ℃·（10 a）-1］＞夏季［0.018 ℃·（10 a）-1］。春季地溫、氣溫和地氣溫差總體均呈增加趨勢，1970年地氣溫差最小，為1.8 ℃，特別是從21世紀初開始，地溫增溫幅度大于氣溫增溫幅度，導致地氣溫差明顯增加。2010年之后更為明顯，地氣溫差從原來的≤3 ℃，增高為＞3 ℃，直到2020年地氣溫差達到4 ℃，1960—2020 年春季地氣溫差幅度變化為2.2 ℃。夏季地溫和氣溫的變化，在20世紀90年代左右有明顯驟減，在1995年地氣溫差達到最小值2.9 ℃，其他變化趨勢與春季基本一致，同樣為21 世紀初開始地氣溫差逐漸增高，到2015 年地氣溫差達到最大值4.5 ℃，1960—2020 年夏季地氣溫差幅度變化為2.8 ℃。秋季地氣溫差最小值出現時間在1995年，為0.19 ℃，2019年地氣溫差最大，為2.32 ℃，1960—2020年秋季地氣溫差幅度變化為2.13 ℃。冬季地氣溫差1978 年為最小值，-1.77 ℃，2020 年為最大值，0.72 ℃，1960—2020年冬季地氣溫差幅度變化為2.49 ℃。其中，春季為四個季節中地氣溫差變化幅度最大的季節。

3 結論

本研究利用河北省20個氣象站1960—2020年逐月0 cm地溫、氣溫、累計降水量、累計日照時數和平均風速實測數據，分析了河北省0 cm 地溫時間變化特征，以及影響地溫變化的主要氣象要素，結論如下。

①1960—2020 年河北省年平均地溫呈顯著波動上升的趨勢，地溫傾向率為0.36 ℃·（10 a）-1（P＜0.01），這與我國其他地區地溫時間變化特征相似。地溫傾向率為春季［0.54 ℃·（10 a）-1］＞冬季［0.41 ℃·（10 a）-1］＞秋季［0.26 ℃·（10 a）-1］＞夏季［0.25 ℃·（10 a）-1］的趨勢。

②河北省年均地溫升高主要受春季、冬季和秋季的季節影響。春季為四個季節中平均地溫變化相差最大的季節。

③河北省地氣溫差呈顯著升高趨勢，年均地氣溫差傾向率達0.045 ℃·（10 a）-1（P＜0.01）。河北省年均地氣溫差在20 世紀70 年代到90 年代中期有下降趨勢，最小值出現在1995年（1 ℃），2000年后升溫幅度較大，在2019 年達到最大值為2.7 ℃，表明河北省氣候正呈暖干化趨勢。