近50年石家莊地氣溫差變化特征

卞韜 任國玉 劉思廷 趙煊 范欣

(1 河北省氣象與生態環境重點實驗室,石家莊 050021; 2 中國氣象局雄安大氣邊界層重點開放實驗室,雄安新區 071800;3 河北省石家莊市氣象局,石家莊 050081; 4 中國地質大學(武漢)環境學院大氣科學系,武漢430074;5 中國氣象局國家氣候中心,北京 100081)

引言

地表面和大氣間的能量交換,特別是水汽和熱量的交換,是決定小氣候及區域氣候的重要因子,其時空變化在某種程度上決定了水文乃至氣候環境的變化,對人類經濟活動和社會的持續發展產生了一定的影響[1]。陸地上地溫和表面氣溫的變化差異在一定程度上代表了陸地感熱加熱狀況[2],而感熱通量又是大氣加熱的重要形式之一。地-氣溫差是地表感熱通量的主要貢獻項,地-氣溫差的變化基本反映了地表感熱通量的變化特征[3-5],對大氣環流、天氣變化、農業生產和生態環境有重要影響,因此研究地-氣溫差具有重要的氣候學和生態學意義。

國內外一些學者開展了地-氣溫差變化規律和成因的研究工作。Song等[6]分析美國Phoenix地區地、氣溫度相互關系,發現地-氣的互相作用與直接太陽輻射和風速最為敏感。很多學者對國內外地-氣溫差氣候學特征及其長期變化和影響進行了研究,增進了對不同地區地-氣溫差時空特征及其機理的理解。例如,Satya等[7]對2009—2013年北美地區的氣溫和地溫的差異進行了系統評估;張文綱等[4]、胡潔等[8]分析了青藏高原地-氣溫差的時空變化特征;Wei等[9]、周連童等[10]分析了我國西北地區地-氣溫差的年代際變化特征;楊智等[11]分析了1960—2007年云南地-氣溫差的時空變化特征;王超等[12]利用敦煌雙墩子戈壁試驗站2008年12月1日至2009年12月31日的塔站資料,分析了該地區地氣溫差的概率分布、日變化、日際變化、年變化和典型天氣下的變化特征;溫李明等[13]對我國東西部地區地-氣溫差的年代際變化特征及其差異進行了研究;陳超等[14]分析了阿拉善左旗氣溫和地溫的年代和季節變化趨勢以及地氣溫差的變化特征;楊曉玲等[15]分析了1961—2010年甘肅省武威市地-氣溫差變化趨勢及影響因子;朱玲等[16]分析了遼寧省地-氣溫差的變化特征以及地-氣溫差變化的主要原因;穆海振等[17]利用1961—2015年上海地區9個氣象臺( 站) 的地表溫度、地面氣溫、風速、降水、日照時數、蒸發量、相對濕度觀測資料,對上海地區地-氣溫差變化特征及其影響因素進行了分析;廖要明等[18]系統分析了1961—2016中國地區地-氣溫差的時空分布以及變化趨勢。還有學者研究了地-氣溫差對降水的影響,例如,周連童等[10]的研究表明,我國西北干旱、半干旱區春季地-氣溫差可能是華北地區夏季降水年代際變化的原因之一,而且西北地區地氣溫差以及感熱對我國夏季降水有著明顯的影響[19];劉穎等[20]、周連童等[21]的研究表明,長江中下游地區地-氣溫差對夏季降水有一定的指示意義。

石家莊地處中緯歐亞大陸東岸,屬暖溫帶半濕潤季風型氣候,西依太行山,東臨華北平原,處于山區與平原的過渡地帶,地形地貌復雜多樣。近半個世紀以來,石家莊地區的氣候顯著增暖[22-23],城市熱島效應明顯[24-25],同時城市化帶來的局地氣候環境效應也非常顯著[26-29]。在氣候變暖和城市化雙重作用下,石家莊的地-氣溫差發生了什么變化?目前還沒有相關的研究,而研究該地的地-氣溫差變化特征可以進一步深入了解石家莊地區近地層熱環境變化規律,為合理指導農業生產、保護和改善城市生態環境提供科學的參考依據。

本文利用石家莊市17個國家站長時間序列的氣溫、0 cm地溫資料,系統分析了石家莊地-氣溫差的變化特征。本文的結論對科學認識石家莊城市生態環境的變化具有參考意義。

1 數據來源與方法介紹

1.1 站點和數據

本文使用了石家莊市17個國家氣象站1972—2021年逐日平均氣溫和0 cm地溫資料,為02:00、08:00、14:00和20:00 4次觀測的平均值。所用資料由河北省氣象局氣象信息中心進行了質量控制,訂正了由于各種人為因素造成的錯誤值。該17個站點覆蓋了石家莊的全部縣(市、區),資料序列足夠長, 時間連續性高,具有較好的代表性。

1.2 方法

將某氣象觀測站的地表溫度與氣溫的差值定義為該站的地-氣溫差,即Ts-Ta,其中Ts表示地表溫度,即0 cm地溫;Ta表示氣溫,為離地面1.5 m高度處的空氣溫度。

由于研究區域比較小,區域平均采用所有站點地-氣溫差值的簡單算術平均方法。采用線性趨勢等[30]統計方法分析石家莊地-氣溫差的變化特征。顯著性水平達到0.10、0.05、0.01(0.001)分別表示變化速率為較顯著、顯著、非常顯著。季節劃分為:春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月至次年2月)。標準氣候期為1991—2020年。

2 結果分析

2.1 地-氣溫差的年變化

圖1給出了石家莊區域平均的氣溫Ta、0 cm地溫Ts和地-氣溫差(Ts-Ta)的多年平均值的年變化曲線。從圖中可以看到,3條曲線的年變化趨勢基本上是一致的,都呈拋物線型。從氣溫和0 cm地溫的變化趨勢上也可以看出,在深秋11月和冬季2條曲線非常接近或基本重合,說明深秋11月和冬季地-氣溫差很小;夏季地-氣溫差最大,春季地-氣溫差大于秋季。氣溫和0 cm地溫的最小值都出現在1月,分別為-2.7 ℃、-3.3 ℃;氣溫和0 cm地溫從1月開始持續上升,7月達到最大值,最大值分別為26.3 ℃、30.1 ℃,然后從7月開始又逐漸減小。地-氣溫差從1月開始逐漸增加,到5月達到最大值5.0 ℃,然后開始減小,12月達到最小值-0.8 ℃。地-氣溫差在1月、11月和12月為負值,即這3個月氣溫高于0 cm地溫,其余月則均為正值。不同地區地理環境和下墊面熱力狀況等存在差異,會造成地-氣溫差的年內變化特征有所不同[18]。

圖1 1972—2021年石家莊區域平均氣溫(Ta)、0 cm地溫(Ts)和地-氣溫差(Ts-Tq)的年變化

2.2 地-氣溫差的空間分布

從石家莊1972—2021年多年平均(圖2)及四季(圖3)地-氣溫差空間分布可以看出:①石家莊多年平均地-氣溫差在1.6～2.6 ℃之間,區域平均為2.1 ℃;西部的井陘、平山、石家莊和正定低于2.0 ℃,低值中心為井陘和石家莊;其他縣(市、區)都在2.0 ℃及以上,僅新樂超過2.5 ℃,年平均地-氣溫差達到2.6 ℃;整體上東部大于西部。②春季、夏季和秋季的平均地-氣溫差均為正值:春季平均地-氣溫差在3.0～3.9 ℃之間,區域平均為3.6 ℃,井陘最低,行唐、新樂和無極最高,石家莊為3.1 ℃;夏季平均地-氣溫差在3.4～4.8 ℃之間,區域平均為4.1 ℃,石家莊最低,新樂最高;秋季平均地-氣溫差在0.7～1.9 ℃之間,區域平均為1.2 ℃,井陘最低,新樂最高,石家莊為0.8 ℃。③冬季平均地-氣溫差以負值為主,在-1.0～0.0 ℃,區域平均為-0.4 ℃,井陘最低,行唐和元氏最高,均為0.0 ℃,說明行唐和元氏冬季平均地溫與平均氣溫相同。

圖2 1972—2021年石家莊多年平均地-氣溫差空間分布

圖3 1972—2021年石家莊春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)平均地-氣溫差空間分布

廖要明等[18]認為,地-氣溫差夏季最大、冬季最小是因為夏季湍流交換最強,冬季湍流交換最弱的緣故。冬季我國東北、華北以及內蒙古中東部、新疆等地的地-氣溫差出現負值,主要是由于這些地區冬季地表多為冰雪覆蓋,反照率大,地表獲得的太陽有效輻射較小,同時淺層土壤為凍土,還需要吸收地表的大量熱量,因而造成地表溫度低于氣溫,地-氣溫差為負值。

2.3 地-氣溫差的變化速率

2.3.1 逐年變化速率

圖4a給出了1972—2021年石家莊逐年平均氣溫、0 cm地溫的變化曲線和線性趨勢,可以看到,近50年石家莊平均氣溫和0 cm地溫均呈非常顯著的上升趨勢(均通過0.001水平顯著性檢驗),上升速率分別為0.40 ℃/10a、0.26 ℃/10a,平均氣溫的上升速率比0 cm地溫更強。圖4b給出了近50年石家莊逐年平均地-氣溫差的變化曲線和線性趨勢,可以看到,20世紀90年代前,石家莊年平均地-氣溫差年際變化不大;20世紀90年代開始到21世紀00年代地-氣溫差呈現持續減小趨勢,2008年達到最低值1.1 ℃(最高值為2.9 ℃,出現在1972年);21世紀10年代開始地-氣溫差又表現為增大趨勢。整體上,近50年石家莊地區年平均地-氣溫差呈非常顯著的減小趨勢,變化速率為-0.14 ℃/10a,通過了0.001水平顯著性檢驗。

從年平均地-氣溫差變化趨勢的空間分布看(圖5),除贊皇表現為弱的增大趨勢(0.01 ℃/10a)外,其他縣(市、區)年平均地-氣溫差均呈減小趨勢,變化速率在-0.38～-0.01 ℃/10a之間,正定減小趨勢最強,石家莊市區為-0.17 ℃/10a。西南部的井陘、元氏、趙縣和高邑的減小趨勢較弱,未通過顯著性檢驗;無極僅通過0.10水平顯著性檢驗,減小趨勢較為顯著;平山通過0.05水平顯著性檢驗,減小趨勢顯著;另外10個縣(市、區)均通過0.01及以上水平顯著性檢驗,減小趨勢非常顯著。

圖5 1972—2021年石家莊年平均地-氣溫差變化速率的空間分布(▲、△、○、●分別表示通過0.001、0.01、0.05、0.1的顯著性水平檢驗,下同)

2.3.2 四季變化速率

近50年春、夏、秋冬四季平均地-氣溫差均在波動中表現為減小趨勢(圖略),變化速率分別為-0.09 ℃/10a、-0.26 ℃/10a、-0.13 ℃/10a和-0.08 ℃/10a。夏、秋、冬三季通過了0.01水平顯著性檢驗,即這三季地-氣溫差的減小趨勢非常顯著,其中夏季的減小趨勢最強;春季僅通過了0.10水平顯著性檢驗,因此春季地-氣溫差的減小趨勢比較顯著。

圖6給出了石家莊四季平均地-氣溫差變化趨勢的空間分布。在春季, 井陘、無極和趙縣的地-氣溫差表現為微弱的增大趨勢,變化速率分別為0.02、0.08和0.05 ℃/10a,均未通過顯著性檢驗。其他14個縣(市、區)均為減小趨勢,變化速率在-0.35～-0.02 ℃/10a,正定減小趨勢最強,石家莊市區為-0.10 ℃/10a。在夏季,各縣(市、區)地-氣溫差均呈減小趨勢,變化速率在-0.58～-0.08 ℃/10a,正定減小趨勢最強,石家莊市區為-0.27 ℃/10a。在秋季,井陘、元氏和贊皇的地-氣溫差呈微弱的增大趨勢,變化速率分別為0.05、0.03和0.03 ℃/10a,均未通過顯著性檢驗。其他14個縣(市、區)均為減小趨勢,變化速率在-0.36～-0.05 ℃/10a,欒城減小趨勢最強,石家莊市區為-0.17 ℃/10a。在冬季,新樂、深澤、元氏、贊皇和高邑地-氣溫差表現為微弱的增大趨勢,變化速率在0.03～0.16 ℃/10a,贊皇的增大趨勢最強。趙縣地-氣溫差的變化速率為0。其他11個縣(市、區)均為減小趨勢,變化速率在-0.40～-0.04 ℃/10a,欒城減小趨勢最強,石家莊市區為-0.12 ℃/10a。

圖6 1972—2021年石家莊春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)平均地-氣溫差變化速率的空間分布

3 結論與討論

利用石家莊17個國家氣象站1972—2021年逐日氣溫、0 cm地溫資料,對石家莊地-氣溫差的變化特征進行了分析,得到以下結論:

(1)石家莊地-氣溫差從1月開始逐漸增加,5月達到最大值5.0 ℃,然后開始減小,12月達到最小值-0.8 ℃;石家莊地-氣溫差在11月、12月和次年1月為負值,其余月均為正值。

(2) 石家莊多年平均地-氣溫差在1.6～2.6 ℃之間,平均為2.1 ℃;西部的井陘、平山、石家莊和正定低于2.0 ℃,低值中心為井陘和石家莊;其他縣(市、區)都在2.0 ℃及以上,新樂超過2.5 ℃,年平均地-氣溫差達到2.6 ℃;整體上東部大于西部。春季、夏季和秋季的平均地-氣溫差均為正值,夏季地-氣溫差最大,春季大于秋季;冬季平均地-氣溫差以負值為主。

(3)近50年石家莊年平均地-氣溫差呈顯著的減小趨勢,變化速率為-0.14 ℃/10a。大部分縣(市、區)年平均地-氣溫差均呈顯著或非常顯著的減小趨勢。春、夏、秋、冬4季平均地-氣溫差均表現為減小趨勢,變化速率分別為-0.09 ℃/10a、-0.26 ℃/10a、-0.13 ℃/10a和-0.08 ℃/10a;夏、秋、冬3季的減小趨勢非常顯著,其中夏季的減小趨勢最強。石家莊市區和近郊站點年和四季地-氣溫差的減少趨勢更顯著。