“雙碳”目標背景下山西省地溫時空變化分析

范秀平 戴翠賢 賈斯 蘇睿杰 方紅娟 岳改慧

摘 要：【目的】探索山西省近40 a地溫變化規律，為其地熱開發、碳達峰路徑選擇提供參考。【方法】選取1981—2020年山西省108個臺站地表溫度數據，利用氣候傾向率、突變檢驗、小波分析、經驗正交函數分解等方法進行分析。【結果】山西省近40 a地溫呈明顯上升趨勢，上升速率為0.499 ℃/10 a。地溫呈現“南高北低”分布，高緯地區低于低緯地區，高海拔地區低于低海拔地區。呂梁山脈走向對地溫升降影響明顯，西北部升溫速率最快。【結論】山西省地溫與時間相關系數高值區基本與趨勢系數高值區重合。地溫同位相變化占主導地位，即趨于整體一致的偏高或偏低變化，并在1999年后趨向于更明顯的升溫趨勢。近40 a存在18 a、12 a、6 a左右的周期震蕩，未來一段時間山西地溫趨向夏季更高、秋季更低。地溫變化與氣溫變化密切相關，約2/3站點地溫變化與降水量呈負相關；約1/3站點地溫變化與日照時數顯著相關。

關鍵詞：山西省；地表溫度；時空變化

中圖分類號：P423???? 文獻標志碼：A???? 文章編號：1003-5168（2024）08-0097-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.08.019

Analysis of Spatiotemporal Changes of Land Surface Temperature in Shanxi for Carbon Peaking and Carbon Neutrality Goals

FAN Xiuping1 DAI Cuixian2 JIA Si3 SU Ruijie1 FANG Hongjuan2 YUE Gaihui1

（1.Shanxi Meteorological Information Center， Taiyuan 030006， China; 2.Sanmenxia Meteorological Bureau of Henan Province， Sanmenxia 472000， China; 3.Xinxiang Changyuan Meteorological Bureau of Henan Province， Changyuan 453400， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to explore the variation rule of land surface temperature in Shanxi Province during the past 40 years， and provide reference for geothermal development and carbon peak path selection in Shanxi Province. [Methods] This paper selected the land surface temperature data of 108 stations in Shanxi from 1981 to 2020，used the methods of climate propensity rate analysis，M～K mutation detection， wavelet analysis etc analyze land surface temperature. [Findings] The land surface temperature of nearly 40 a in Shanxi showed a significant upward trend， with an increase rate of 0.499 ℃/10 a. The land surface temperature high in the south and low in the north， high latitudes are clearly lower than those in low latitudes， high altitudes are significantly lower than low altitudes. The trend of the Lüliang Mountain has a significant impact on the rise and fall of land surface temperature. The northwest has the fastest rate of warming. [Conclusions] The high value area of correlation coefficient of land surface temperature and time in the whole province basically coincides with the high value area of trend coefficient. The phase change of the land surface temperature is dominant， the high or low change tends to be consistent as a whole， and tends to be a more obvious warming trend after 1999. there are periodic oscillations of about 18 a， 12 a and 6 a， and the land surface temperature in Shanxi has a tendency to be higher in summer and lower in autumn in the future. The land surface temperature variation is closely related to air temperature variation. About 2/3 of the stations showed negative correlation between land surface temperature and precipitation. About 1/3 of the sites have significant correlation between land surface temperature and sunshine duration.

Keywords： Shanxi Province; the land surface temperature; spatiotemporal changes

0 引言

氣候變化對人類社會可持續發展的嚴峻挑戰是各個國家面臨的重要議題。實現“雙碳”目標和應對氣候變化，需要多部門、多學科的廣泛合作與交融。地表溫度的變化趨勢、變化頻率對區域氣候［1-2］、農作物布局、農業生產、土壤養分變化、氣候產量［3］、海綿城市建設、區域地質災害［4-5］等有著重要影響，甚至與輸電線路運轉［6］等密切相關。無論是基于全國地表溫度數據變化研究，還是基于區域地表溫度分析，其氣候空間特征和突變特征都可為助力經濟轉型升級、糧食生產安全等提供有效參考。本研究利用山西省1981—2020年108個氣象站地表溫度資料進行分析，探究山西省近40 a地溫變化規律，為其地熱開發、碳達峰路徑選擇提供參考。

1 資料與方法

1.1 氣候傾向率

假設：yt = a+bx，（t = 1，2，3，4[…]n） （1）

式中：yt為對應年份地表溫度；t為時間序列；x為年份值；b為回歸系數，b>0說明y隨時間增加呈上升趨勢，b<0說明y隨時間增加呈下降趨勢。

1.2 小波分析方法

對于時間序列函數f（x），小波變換定義為式（2）。

wf（a，b）= [a12（x）ψ*.x-badx] （2）

式中：wf（a，b）為小波系數；a為伸縮因子，決定小波寬度；b為平移因子。

1.3 突變檢驗方法

采用Mann-Kendall法進行突變點檢驗。對于具有n個樣本量的時間序列x，構造一個序列，如式（3）。

Sk = [i=1kri k=]2，3，…，n （3）

其中：ri = [0，當xi≤xj1，當xi>xj?? ] j=1，2，…，n

序列Sk是第i時刻數值大于j時刻數值個數的累計數。在時間序列隨機獨立的假設下，定義UFk為式（4）。

UFk = [Sk-E（Sk）VAR（Sk）]k=1，2，…，n （4）

2 分析結果

2.1 時間分布特征

山西省近40 a平均地溫為10.7（1984年）～13.6 ℃（2019年），平均為12.2 ℃，40 a地溫平均值比氣候平均值（1991—2020年）的12.5 ℃偏低0.3 ℃（如圖1所示），最大正距平為1.1 ℃，最大負距平為-1.7 ℃，近40 a上升速率為0.499 ℃/10 a。

極端最高地溫平均值為60.2（2003年）～ 67.5 ℃（2010年），上升速率為0.939 ℃/10 a。最大值為2019年7月27日的76.1 ℃，最小值為2003年7月30日的66.1 ℃。年極端最高值19站次出現在運城、臨汾地區。極端最低地溫平均值為-27.1（2002年）～-16.9 ℃（2017年），上升速率為1.298 ℃/10 a。最大值為2020年12月30日的-26.2 ℃，最小值為1998年1月18日的-40.3 ℃，年極端最低值多出現在大同、朔州、忻州一帶。

山西省近40 a冬季均值為-3.7 ℃，春季均值為14.8 ℃，夏季均值為26.6 ℃，秋季均值為11.3 ℃。各季均值隨年代際變化均呈持續上升趨勢，冬、夏季上升趨勢一致，春、秋季變化幅度相當。

2.2 空間分布特征

1981—2020年山西省地表溫度平均值分布及趨勢系數與時間系數（陰影）疊加如圖2所示。由圖2（a）可知，由北向南均值在7.1～16.6 ℃之間，高緯地區低于低緯地區，高海拔地區低于低海拔地區。呂梁山脈走向對地溫分布影響明顯，西北部低于東南部。極端最高地溫均值在58.1～67.0 ℃之間，最小值位于交口，最大值位于永濟。極端最低在-31.2～13.3 ℃之間，最小值位于右玉，最大值位于平陸。由圖2（b）可知，各地上升速率在0.185～0.914 ℃/10 a，西北部速率相對偏快，臨汾西部山區及太行山一帶升溫較慢。地溫均值與時間的相關系數在0.33～0.90之間，時間相關系數高值區與趨勢系數高值區基本重合。

2.3 小波分析

各季節小波系數實部變換分布如圖3所示。由圖3可知，山西省近40 a準18 a周期震蕩非常顯著。2019年后等值線未閉合，預示未來地溫有望回落，同時包含有12 a、6 a的小周期震蕩。冬季呈明顯的12 a周期變化且地溫有望下降。春季準18 a周期震蕩與6 a周期并存。夏季呈現24 a的高—低周期震蕩，2008年后又反彈上升，提示未來有繼續上升傾向。秋季呈現6 a、12 a、18 a周期變化震蕩，2018年后等值線未閉合且信號增強，預示秋季地溫更加偏低。

2.4 突變檢驗

各季Mann-Kendall統計量曲線如圖4所示。由圖4可知，全部UF、UB交點均在信度線之外，無法判斷突變點的存在。但從1987年開始UF>0，并在1999年超過了顯著性水平線，即1999年后升溫加劇。冬季突變點在1997年；春季在2004年；夏季UF、UB在信度線內交于1997和2004年，結合夏季小波變換分析，可認為夏季突變點出現在1997年；秋季突變點在2009年。

2.5 經驗正交函數分解

對地溫標準化資料進行經驗正交函數分解（EOF），第1模態方差貢獻率達79.4%，前3模態累積方差貢獻率為86.6%。

第一特征向量相對空間函數均為正值，屬同位相，變化范圍0.07～0.1之間，方差貢獻率為79.4%。即同位相變化占主導地位，反映山西省地溫在大多數年份整體要么偏高、要么偏低。第一特征向量所對應的時間系數正值2019年，負值2021年，正相位與負相位事件相當，即山西省地溫一致偏高或偏低的概率相當，基本反映了近40 a地溫年際變化特征。第二特征向量大致表現為山西省南部大部、西北部與山西省中北部的反相位，變化范圍-0.19～0.25之間，方差貢獻率3.8%。第三特征向量大致表現為山西省東南大部與山西省西北大部的反相位，變化范圍-0.24～0.23之間，方差貢獻率3.4%，與第二特征向量貢獻率相當。

2.6 與氣溫、降水量、日照時數的相關分析

地溫與氣溫相關系數在0.59～0.96之間，在0.01水平上均呈顯著正相關；與降水量相關系數在-0.47～0.25之間，約2/3站點與降水量呈負相關；與日照時數相關系數在-0.62～0.48之間，僅有32站在0.1水平上顯著相關，其中顯著正相關15站，顯著負相關17站。

3 結論

山西省近40 a地溫介于10.7～13.6 ℃之間，上升速率為0.499 ℃/10 a。極端最高、最低地溫也呈上升趨勢，氣候傾向率分別為0.939 ℃/10 a、1.298 ℃/10 a。地溫分布由南向北次第減小，各地均值在7.1～16.6 ℃之間，高緯地區明顯低于低緯地區，高海拔地區低于低海拔地區。呂梁山脈走向對地溫分布影響明顯，西北部升溫速率快于東南部。

近40 a地溫存在3類尺度周期變化規律。準18 a周期震蕩非常顯著，12 a、6 a左右的小周期震蕩包含在大震蕩周期中。山西省1999年之后上升趨勢更加明顯，冬、春、夏、秋季突變點分別發生在1997年、2004年、1997年、2009年。地溫同位相變化占主導地位，最大概率是趨于整體一致的偏高或偏低變化。地溫變化與氣溫變化密切相關。約2/3站點與降水量呈負相關，約1/3站點與日照時數顯著相關。

參考文獻：

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收稿日期：2023-10-17

基金項目：山西省氣象局面上項目（SXKMSQH20226328）。

作者簡介：范秀平（1974—），女，本科，高級工程師，研究方向：氣象數據質控評估變化分析。