近40年高淳浅层地温变化特征分析
宋如东 狄啸 夏晓敏 陆一磊 孔维财
摘 要:利用1980—2019年高淳国家气象站0~20cm浅层地温资料,分析了地温的变化趋势、突变和异常特征,结果表明:(1)近40年以来地温增温明显,较浅深度地温增速大;0、5、15和20cm年代际平均地温均为10年代最高,且上升趋势一致。(2)浅层地温四季均呈上升趋势,春季上升趋势最为明显。春季0、5和10cm地温在00年代上升趋势最大;夏季0cm地温在各年代际的上升趋势越来越小,其余各层与之相反;秋季变化趋势与夏季相同;冬季上升趋势最大均为20世纪90年代。(3)春季、秋季与冬季浅层地温的异常年份基本一致,冬季与全年异常年份一致性较差。0cm气候突变出现时间较早,其对气候变暖的响应最快。因地温测点与耕种田块存在差异性,更准确反映耕种状态有待后续研究。
关键词:浅层地温;气候变化;突变;异常
中图分类号 P423.7文献标识码 A文章编号 1007-7731(2021)12-0148-03
IPCC第5次报告指出,近年来全球气候變暖进一步加剧[1],土壤是地-气系统的重要组成部分,地温的变化对地气间热量交换有着直接的影响,对长期天气变化也有着重要的影响。地温的变化是土壤对气候变化的响应[2]。浅层地温一般包括地面0cm和地下5、10、15、20cm深度的温度[3]。地温的变化对土壤的物理化学和生物过程有重要的影响[4],地温偏高或偏低都会对作物的发芽、出苗和生长造成影响,从而影响作物的产量[5-6]。研究地温的变化,对于分析气候变化对农业的影响和指导农业生产有重要的意义。
研究表明,我国近50年地温变化区域化特征明显[7],我国东部浅层地温呈现上升趋势,西宁、潍坊等局部地区升高不明显,南北部地温温差变小[8-12],浅层地温相互之间、与气温之间存在显著相关[13]。有学者通过统计方法建立地温与环境因子之间的回归方程,以此来预测地温。也有研究表明,福建地温震荡周期与热带气旋数存在很好的相关性[14]。虽然研究成果较多,但因研究区域气候与地理环境的不同,浅层地温的变化趋势与规律也不尽相同。高淳位于中国东部,四季分明,土层较厚,适宜作物生长,主要种植水稻、小麦和油菜等作物,是典型的江南“鱼米之乡”。在全球气候变暖的背景下,本研究开展了高淳浅层地温变化特征的分析,为研究其对气候变化的响应和指导农事活动、政府决策提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 数据来源 选取高淳国家级气象站1980—2019年逐月、年地温(0、5、10、15、20cm)数据资料,其中,因迁站等非自然变化因素导致的数据变化均进行了处理,具有较好的代表性和连续性。本研究将3—5月划分为春季,6—8月为夏季,9—11月为秋季,12月至次年2月为冬季。
1.2 研究方法 气候倾向率:采用线性趋势回归方程计算地温气候倾向率。设定自变量xn(x1,x2,……,xn)为年份,与数据年份按顺序依次对应,设定因变量yn(y1、y2、……,yn)为温度,与数据按顺序依次对应,建立一次线性回归方程:yn=a+bxn,a为回归常数,b为回归系数,使用最小二乘法可确定a和b。气象学上一般把b×10称作气候倾向率,其单位为℃/10a。
气候异常年份:是指气象要素距平大于标准差的2倍的年份[15]。
累计距平和信噪比:气候突变是气象要素变化过程中某种不连续的现象,常用累计距平指标来确定,公式为:
式中,C(t)为累计距平,Xi为地温的历年值,[X]为地温的多年平均值,如果累计距平达到最大值时,该年为突变年份。为检验突变年份的准确性,本文计算突变年份的信噪比,公式为:
式中,S/N为信噪比,[X1]、[X2]表示突变年份前后2个阶段的平均地温,S1、S2表示突变年份前后连个阶段的标准差。当S/N大于1.0即存在气候突变,其年份即为突变年份[16]。
2 结果与分析
2.1 年变化特征 在全球气候变暖的背景下,近40年以来高淳各浅层地温增温明显(见图1、表1)。年平均地温最低值均出现在1980年,0、5cm的最高值出现在2018年,10、15、20cm的最高值出现在2018和2019年;距平方面,0cm在1997年前均呈现负距平,在1997年后均呈现正距平,10cm的正负距平分界年份为2000年,10、15cm分界年份为2004年,20cm分界年份为2006年,随深度增加,各层地温增温有所延迟;气候倾向率大小顺序为:0、10cm>5cm>20cm>15cm,较浅深度地温增速较大;年代际方面,0、5、15和20cm年代际平均地温均为10年代最高,各年代际上升趋势一致,5、10cm地温各年代际间距平不断变大,增速逐渐增大,0cm地温在各年代际增速先升后降,15、20cm增速先降后升,这表明,在全球气候变暖的大背景下,0、10cm地温的响应速度最快。
2.2 季节变化特征 近40a高淳浅层地温四季均呈现上升趋势(表2)。从整体来看,春季上升趋势最为明显,夏季次之,冬季趋势最不明显;春季中,0cm地温上升趋势最大,气候倾向率为1.06℃/10a,最小为15cm地温,气候倾向率为0.87℃/10a;夏季、秋季、冬季与春季趋势相同,这3个季节的15cm气候倾向率均为最小,分别为0.63、0.51和0.28℃/10a。春季各层地温在年代际上均呈现上升趋势。0、5和10cm地温在00年代上升趋势最大,分别比上一年代高1.9、1.3、1.3、1.0和1.0℃,15和20cm在00年代和10年代上升趋势一致且最大,平均地温均比上一年代高1.0℃。夏季0cm地温在各年代际的上升趋势越来越小,其余各层与之相反,均在10年代达到了最大,秋季变化趋势与夏季相同。冬季上升趋势最大均为20世纪90年代,平均地温分别比上一年代高1.0、0.9、0.9、0.9和0.8℃,15cm在00年代与上一年代相比呈下降趋势,平均地温下降0.1℃,这也是唯一与上一年代际相比呈下降的年代际。
2.3 气候异常特征及气候突变分析 四季各浅层地温大部分存在异常偏高年份,春季各层地温异常一致,秋季与冬季各层地温之间异常年份基本一致。春季与全年异常年份也十分相似,而冬季与全年异常年份一致性较差(表3)。其中,春季各层地温均在2018年出现异常偏高;夏季0cm在1999年为异常偏低,5cm无异常年份,10、15和20cm与春季异常偏高年份相同;秋季各层均在1981年出现异常偏低,在2019年出现异常偏高,5cm地温在1992年多出现一个异常偏低;冬季各层均在1984年出现异常偏低,在2017年出现异常偏高,15cm地温在1999年多出现一个异常偏高;全年0cm无异常年份,其余各层均在2018年出现异常偏高,10、15和20cm在2019年也出现了另一个异常偏高。
通过式(1)、(2)计算地温气候突变结果如表4所示,各突变年份的信噪比S/N均大于1.0,突变显著。其中,0cm气候突变出现时间较早,在1999年,浅层低温对气候变暖响应最快,其余各层地温气候突变均出现在10年代。
3 結论与讨论
基于1980—2019年高淳国家气象站浅层地温数据,分析了地温的变化趋势和突变、异常特征,得到以下结论:
(1)近40年以来高淳地温增温明显,年平均最低值均出现在1980年;0cm在1997年前均呈现负距平,在1997年后均呈现正距平;气候倾向率从大到小的排序为:0、10cm>5cm>20cm>15cm,较浅深度地温增速比较大;0、5、15和20cm年代际平均地温均为10年代最高,且上升趋势一致。5、10cm地温各年代际间增速逐渐增大,0cm地温在各年代际增速先升后降,15、20cm增速先降后升,0、10cm地温对气候变化的响应速度最快。
(2)四季浅层地温均呈现上升趋势。春季上升趋势最为明显,夏季次之,冬季趋势最不明显;四季0cm地温上升趋势最大。春季各层地温在年代际上均呈现上升趋势。0、5和10cm地温在00年代上升趋势最大,15、20cm在00年代和10年代上升趋势一致且最大。夏季0cm地温在各年代际的上升趋势越来越小,其余各层与之相反,秋季变化趋势与夏季相同。冬季上升趋势最大均为90年代,15cm在00年代与上一年代相比呈下降趋势。
(3)四季各浅层地温大部分存在异常偏高年份,春季、秋季与冬季异常年份基本一致,冬季与全年异常年份一致性较差。0cm气候突变出现时间较早,其对气候变暖响应最快,其余各层地温气候突变均出现在10年代。
因地面气象观测规范规定,地温测点周围地面不进行耕种,而耕种田块受翻耕、灌溉、种植等人为因素的影响,两者之间的土壤含水量、物理化学性质的区别较大,如何更准确反映耕种土壤状态有待后续研究中改进。
参考文献
[1]IPCC.Climate Change 2013:The Physical Science Basis,The Summary for Policymakers of the Working Group I Contribution to the Fifth Assessment Report[A].New York:Cambridge University Press,2013.
[2]杜军,胡军,尼玛吉.1981-2017年西藏”一江两河”流域5cm地温及其界限温度时空变化特征[J].地理学报,2019,74(9):1821-1832.
[3]中国气象局.地面气象观测规范[M].北京:气象出版社,2003.
[4]王金花,张峰,师庆东,等.2015年塔克拉玛干沙漠腹地达理雅博依天然绿洲浅层地温变化特征[J].新疆大学学报(自然科学版),2019,36(3):260-266.
[5]兰雪梅,黄彩霞,李博文,等.不同覆盖材料对西北旱地冬小麦地温及产量的影响[J].麦类作物学报,2016,36(8):1084-1092.
[6]孙仕军,许志浩,张旭东,等.地膜覆盖对玉米田间土壤含水率和地温变化的影响[J].玉米科学,2015,23(3):91-98.
[7]陆晓波,徐海明,孙丞虎,等.中国近50a地温的变化特征[J].南京气象学院学报,2006,29(5):706-712.
[8]朱智,师春香,谷军霞,等.近10a来青藏高原地表温度时空变化特征分析[J].科学技术与工程,2020,20(10):3828-3837.
[9]杜军,胡军,罗布次仁,等.西藏浅层地温对气候变暖的响应[J].冰川冻土,2008,30(5):745-751.
[10]高学芹,袁静.1980-2014年潍坊市深层地温对气候变化的响应[J].中国农学通报,2015,31(28):201-206.
[11]闫军辉,刘金科,王娟,等.1961-2012年银川浅层地温变化及其对气候变化的响应[J].土壤通报,2019,50(1):57-62.
[12]王华,张有菊,刘新彦,等.济南市济阳区近14年深层地温变化特征分析[J].湖北农业科学,2019,58(S2):172-175.
[13]陈明惠,陈思蓉,陆小林,等.1961-2019年玉林浅层地温变化特征分析[J].气象研究与应用,2020,41(2):31-34.
[14]吴滨.地温与登陆及影响福建的热带气旋年频数的相关分析[J].海洋预报,2000,17(2):34-38.
[15]陈超,周广胜.1961-2010年阿拉善左旗气温和地温的变化特征分析[J].自然资源学报,2014,29(1):91-101.
[16]杨晓玲,丁文魁,马中华,等.石羊河流域中下游浅层地温变化及其对气温变化的响应[J].土壤学报,2015,52(6):1401-1411.
(责编:张宏民)