陳 超，周廣勝，2，*

(1.中國氣象科學研究院，北京 100081;2.中國科學院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點實驗室，北京 100093)

第四次“政府間氣候變化專門委員會”的評估報告(簡稱IPCC)指出［1］:近100年(1906—2005年)全球平均地表溫度上升了0.74℃，過去50a的升溫速率幾乎是過去100a的2倍，其中以北半球中高緯度大陸增溫最為明顯。近百年來，中國的氣候變化和全球基本一致，平均氣溫升高了0.5—0.8℃［2］。

氣溫變化不可避免地引起地表溫度的變化［3］。研究表明，近百年來前蘇聯(lián)大多數(shù)氣象臺站0.4—3.2 m深度的年均地溫呈升高趨勢［4］;20世紀80年代以來瑞士阿爾卑斯山地表10 m內(nèi)的多年凍土層溫度的增溫速率達(0.5—1.0℃)/10a［5］;20世紀80年代后期至1996年間阿拉斯加南北方向的多年凍土上限處溫度升高了0.5—1.5℃［6］;20世紀60—90年代青藏高原風火山一帶多年凍土15m深處的溫度升高了0.2—0.3℃［7］;1961—2001年青藏鐵路南部和北部的地面溫度增加顯著，特別是鐵路南部地面溫度升高速率平均達0.56℃/10a，中部較小，為0.34℃/10a［8］;1970—1990年大興安嶺阿木爾地區(qū)0.2 m層的地溫上升了0.8℃［9］;1961—1996年雅魯藏布江中游大部地區(qū)淺層地溫呈上升趨勢，而且冬春較汛期升幅要高［10］;1961—2005年云南西雙版納各年、季0—20 cm平均地溫均呈現(xiàn)極顯著的升高趨勢［11］;1958—1990年黑龍江上游河谷地區(qū)10 m深處的地溫上升了0.3—0.6℃［12］。這些研究表明，氣候變化背景下地溫具有升高的趨勢。但是，不同氣候區(qū)(如干旱、濕潤、青藏高原等氣候區(qū))的地溫變化規(guī)律及其與氣溫的關系如何仍缺乏系統(tǒng)的研究。

目前，模擬試驗方法成為研究全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)關系的重要手段之一［13］，其中，紅外輻射器增溫法已被廣泛用于生態(tài)系統(tǒng)控制實驗，該裝置通過懸掛在樣地上方、可散發(fā)紅外輻射的燈管來實現(xiàn)增溫［14］，較開頂式氣室和溫室更真實地反映了野外條件，特別是非對稱性增溫對植物的影響［15-20］。然而，紅外輻射器增溫方法更多地改變了近地面氣溫，其對土壤溫度變化的影響及能否合理地模擬作為植物整體的地表與地下溫度環(huán)境仍缺乏相關的研究，從而制約著模擬試驗結果的機理解釋與推廣應用。為此，迫切需要弄清不同氣候區(qū)(如干旱、濕潤、青藏高原等氣候區(qū))的地溫變化規(guī)律及其與氣溫的關系，以為生態(tài)系統(tǒng)模擬試驗的設計及其結果解釋提供依據(jù)。

本研究試圖以亞熱帶濕潤地區(qū)的廣西桂林氣象站為研究對象，利用1961—2010年的氣溫和0—80 cm各層平均地溫的逐月資料，研究分析近50年桂林氣溫和各層地溫的年代和季節(jié)變化趨勢、地氣溫差變化、氣候突變和異常年份以及氣溫和地溫關系，以為正確認識和評估氣候變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響及設計模擬試驗等提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)及數(shù)據(jù)來源

廣西桂林地處南嶺山系的西南部，屬中亞熱帶季風氣候，境內(nèi)氣候溫和，雨量充沛，無霜期長，光照充足，熱量豐富，夏長冬短，四季分明且雨熱基本同季，氣候條件十分優(yōu)越，1961—2010年年均氣溫19.0℃，年均降水量1887.1 mm，年均日照時數(shù)1528.3 h。地表植被覆蓋率高，以紅壤土為主，土層深厚，耕作性良好。

本研究采用國家氣象信息中心提供的廣西桂林氣象站氣溫資料和0 cm及其以下到80 cm的7層(0、5、10、15、20、40、80 cm)地溫資料(表1)。在亞熱帶地區(qū)選擇桂林為研究對象是因為該站點的氣溫和地溫資料年代較長，且資料完整性較好。選用80 cm層以上的地溫資料主要是考慮在0—80 cm層的資料相對較全，80 cm層以上地溫受深層熱源影響相對較小;深層160 cm和320 cm的資料不全，且160 cm和320 cm深層地溫的熱源一部分來自于地殼，氣候擾動對其影響很小［21］。按12—2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季生成逐季序列，分析年、季平均氣溫和各層平均地溫的年際和年代際變化。

表1 氣象站情況Table1 The status of weather station

1.2 方法

1.2.1 氣候傾向率

平均氣溫、平均地溫的氣候傾向率采用一次線性方程表示，即:

式中，Y為平均氣溫或地溫，a0為常數(shù)，a1為線性趨勢項，t為時間，把a1×10表示為平均氣溫或地溫每10a的氣候傾向率。

1.2.2 累積距平和信噪比

氣候突變是氣象要素變化過程中存在的某種不連續(xù)現(xiàn)象，常用累積距平曲線確定:

式中，C(t)為氣象要素累積距平，Xi為平均氣溫或地溫的歷年值，ˉX為平均氣溫或地溫多年平均值。若氣象要素累積距平絕對值達到最大時，所對應的t為突變年份。

式中，S/N為信噪比，ˉX1、ˉX2和S1、S2分別為轉折年份前后兩階段平均氣溫或地溫的平均值和標準差。當S/N大于1.0時，認為存在氣候突變，最大信噪比的時間定義為氣候突變出現(xiàn)的時間。

1.2.3 距平和標準差

氣候異常是氣候要素的距平達到一定數(shù)量級(如1—3倍均方差以上)的氣候狀況。世界氣象組織對氣候異常提出兩種判別標準，一是距平超過標準差的2倍以上，二是它出現(xiàn)的幾率為25a以上一遇。本研究采用距平大于標準差的2倍作為異常，分析氣溫和地溫的異常特征［23］。

為了檢驗轉折是否達到氣候突變的標準，對轉折年份計算它們的信噪比［22］:

2 結果分析

2.1 氣溫與地溫變化趨勢的關系

近50年來，桂林的氣溫和各層地溫都以增溫為主，但年均氣溫明顯低于各層地溫(圖1)，地氣溫差為正表明，桂林地區(qū)地表對大氣的加熱作用大于冷卻作用，以向大氣輸送熱量居主導地位。

利用1961—2010年的年均氣溫和年均0 cm地溫資料，建立1961—2010年地氣溫序列。應用統(tǒng)計回歸方法建立地氣溫線性關系的相關系數(shù)R達0.906，通過0.001顯著性檢驗(圖2)。近50年年均氣溫與同期各層(0—80 cm)平均地溫的線性回歸表明(表2)，各相關系數(shù)均在0.784以上且均通過0.001顯著性檢驗，說明地溫與氣溫的變化趨勢具有較好的一致性。

圖1 桂林年均氣溫和年均地溫變化Fig.1 Changes of annual mean air and ground temperatures in Guilin

圖2 桂林年均氣溫和年均0cm地溫的關系Fig.2 Relationship between annual mean air temperature and annual mean ground temperature at 0cm in Guilin

表2 年均氣溫與各層年均地溫的回歸關系Table2 Relationship between annual mean air and ground temperatures

2.2 氣溫和地溫的年代際變化

表3列出了桂林年均氣溫和地溫的年代際平均、1961—2010年多年平均及氣候傾向率。近50年來桂林的增溫極其顯著(通過0.001顯著性檢驗)，年均氣溫在2000年代較50a平均氣溫上升了0.6℃，是近50年中最暖的10a;1960—1980年代分別比50a平均偏低0.2℃、0.2℃和0.3℃;1990年代偏高了0.1℃;1960年代到2000年代的50a，氣溫上升了0.8℃;各個年代氣溫的變化幅度有所不同，在1960—1970年代沒有升溫，到了1980年代降低了0.1℃，1990年代升溫明顯，1980—1990年代升高了0.4℃，到了2000年代繼續(xù)升溫，1990—2000年代升高了0.5℃。

土壤各層地溫從1960年代至2000年代總體呈升高趨勢，升溫幅度比較明顯(通過0.001顯著性檢驗)，但并不是均勻升溫的。1960—1990年代是一個相對平穩(wěn)的時段，各層地溫較50年平均持平或偏低0.1—0.4℃;2000年代溫度迅速上升，各層地溫達到近50年來的最高值，較50年平均偏高了0.2—0.8℃。1960年代到2000年代的50年，各深度地溫升高了0.4—1.0℃。

比較1961—2010年平均氣溫和各層地溫的氣候傾向率和變化幅度可以看出，近50年平均氣溫為19.0℃，低于各層的50年平均地溫1.3—2.1℃;但年均氣溫的增溫率和增溫幅度分別為0.184℃/10a和0.8℃，高于除0 cm地溫外其它各層年均地溫的增溫率0.071—0.138℃/10 a和增溫幅度0.4—0.7℃。由此表明，在氣候變暖前提下，年均氣溫比地溫(0 cm地溫除外)的響應更快、更強烈，氣溫和地溫的升溫存在非對稱性。

表3 桂林年均氣溫和地溫的年代際平均、50年平均及其氣候傾向率Table3 Interdecadal mean air and ground temperatures，annual mean air and ground temperatures in recent 50 years，and climatic trend rate of annual mean temperatures in Guilin

2.3 氣溫和地溫的季節(jié)變化

表4是桂林四季氣溫和地溫的年代際平均、50年平均及氣候傾向率。近50年來四季氣溫和土壤各層地溫大部分以升溫為主，僅有夏季5—15 cm和40 cm地溫呈略微減小的趨勢。四季氣溫2000年代與50a平均相比分別上升了0.7、0.3、0.7、0.6 ℃，是近50年中最暖的10a;1960 年代到 2000 年代的50a，四季氣溫分別增加了0.8、0.5、0.9、0.9℃。春、秋和冬季土壤各層地溫的年代際變化與氣溫類似，最高溫度出現(xiàn)在2000年代，與 50a 平均相比分別上升了 0.3—1.0、0.2—1.0、0.3—0.7;1960 年代到 2000 年代的50a，春、秋和冬季各層地溫分別增加了0.3—1.1、0.4—1.3、0.1—1.0 ℃。夏季 0 cm 地溫的最高值出現(xiàn)在 2000 年代，而其它各層地溫的最高值出現(xiàn)在1980年代;1960年代到2000年代的50a夏季各層地溫的變化值為－0.1—0.8℃。

平均氣溫、5—40 cm 地溫在冬季的增溫速率最高，分別為 0.269、0.229、0.218、0.206、0.182 ℃ /10 a 和0.197℃/10 a;而0 cm和80 cm地溫增溫速率的最高值分別出現(xiàn)在秋季和夏季。

春季和夏季，隨著土壤深度的增加，地溫呈減小趨勢;春季氣溫的增溫率0.158℃/10 a小于0 cm和15 cm地溫的增溫率0.239℃/10 a和0.171℃/10 a而大于其它各層地溫的增溫率0.021—0.157℃/10 a，氣溫的50年平均小于0—15 cm地溫(溫差0.1—1.2℃)而大于20—80 cm地溫(溫差0.1—0.7℃);夏季氣溫的增溫率0.089℃/10 a小于0 cm和80 cm而大于其它各層地溫的變化率，氣溫的50a平均小于0—40 cm(溫差0.6—3.6℃)而大于80 cm地溫(溫差0.5℃)。秋季和冬季與春、夏季相反，隨著土壤深度的增加，地溫呈增加趨勢;秋季氣溫的增溫率0.215℃/10a小于0 cm地溫的增溫率0.276℃/10a而大于其它各層地溫的增溫率0.075—0.162℃/10a，而氣溫的50a平均小于各層的地溫(溫差1.8—3.6℃);冬季氣溫的增溫率0.269℃/10 a大于除0 cm外其它各層地溫的增溫率0.024—0.229℃/10a，氣溫的50a平均小于各層的地溫(溫差0.8—5.0℃)。總體來看，近50年來四季氣溫的增溫速率要大于除0cm外其它各層地溫的變化。

由此表明，氣候變暖背景下，四季平均氣溫比除0 cm外其它各層地溫的響應更快、更強烈。

表4 桂林季節(jié)氣溫和地溫的年代際平均(℃)、50年平均(℃)及氣候傾向率(℃/10a)Table4 Interdecadal seasonal mean air and ground temperatures(℃)，seasonal mean air and ground temperatures in recent 50 years(℃)，and climatic trend rate of seasonal mean temperatures(℃/10a)in Guilin

2.4 地氣溫差的變化

近50年來，桂林0 cm地溫和氣溫溫差呈升高趨勢，而其它各層地溫和氣溫的溫差呈現(xiàn)減小趨勢(圖3)，這主要是因為氣溫的增加幅度要大于5—80 cm地溫而小于0 cm地溫。0—80 cm地溫和氣溫的溫差在1960—1980年代變化幅度不大，到1990年代地氣溫差明顯減小，2000年代0—20 cm地氣溫差和1990年代相比持平或升高，而40 cm和80 cm地氣溫差繼續(xù)減小;1960年代到2000年代的50a，0 cm地溫和氣溫溫差升高了 0.2 ℃，5—80 cm 地溫和氣溫溫差分別降低了 0.2、0.2、0.1、0.2、0.4、0.3 ℃(表 5)。

圖3 桂林年均地溫和氣溫溫差的變化Fig.3 Changes of difference between annual mean ground and air temperatures in Guilin

5—80 cm年均地溫和氣溫溫差的氣候傾向率為－0.113—－0.046 ℃ /10a，隨著土壤深度的增加，地溫和氣溫溫差的減小速率增加，即土壤越深，地氣溫溫差的減小幅度越大。

表5 桂林年均地溫和氣溫溫差的年代際平均、50年平均及氣候傾向率Table5 Interdecadal difference between mean ground and air temperatures，annual mean temperature difference in recent 50 years，and climatic trend rate of annual mean temperature difference in Guilin

2.5 氣溫和地溫的氣候突變和異常特征

利用式(2)、(3)計算桂林平均氣溫和各層平均地溫氣候突變年份(表6)的結果表明，年均氣溫和夏季80 cm地溫的突變年分別出現(xiàn)在1997和1977年，即氣溫和地溫從一個相對偏冷期躍變?yōu)橐粋€相對偏暖期;而年均地溫和四季氣溫、地溫大多未出現(xiàn)氣候突變現(xiàn)象。

桂林年、季平均氣溫和各層平均地溫的異常年份(表7)特征:首先，春季平均氣溫在1996年異常偏低，這與5—80 cm平均地溫有相同的異常偏低年，而僅有0 cm地溫在2007年出現(xiàn)了異常偏高現(xiàn)象。夏季，0、15cm和20cm地溫在1976年出現(xiàn)異常偏低現(xiàn)象，40 cm和80 cm地溫在1978年異常偏高，5 cm和10 cm地溫無異常年份，而平均氣溫和各層地溫間無相同的異常年份。秋季，平均氣溫、40 cm和80 cm均在1967年出現(xiàn)異常偏低現(xiàn)象;而平均氣溫的異常偏高年為1998年，與0—20 cm地溫的異常偏高年1974年不同。冬季，平均氣溫的異常偏高年為1987和1999年，無異常偏低年，這與各層地溫的異常年份不同;各層地溫的異常偏高和偏低年主要出現(xiàn)在2009和1984年。其次，年均氣溫和年均地溫的異常年份較多;年均氣溫在2007和2009年異常偏高，這與各層地溫的異常偏高年較一致;而年均氣溫的異常偏低年出現(xiàn)在1984年，僅與40 cm地溫有相同的異常偏低年;各層地溫間異常年份的一致性較好，異常偏高和偏低年大多分別出現(xiàn)在2007、2009年和1976年。

表6 桂林年、季平均氣溫和地溫的突變年份Table6 Abrupt change yearsofannual and seasonal mean air and ground temperatures in Guilin

比較平均氣溫和各層平均地溫的異常年份，春季平均氣溫和5—80 cm各層平均地溫的異常偏低年較一致，夏季平均氣溫和和各層地溫間無相同的異常年份，秋季平均氣溫僅和40、80 cm地溫的異常偏低年一致，冬季平均氣溫和地溫的異常年份對應性較差，而年均氣溫和各層地溫的異常偏高年份較一致。

表7 桂林年、季平均氣溫和地溫的異常年份Table7 Anomalous years ofannual and seasonal meanair and ground temperatures in Guilin

3 討論

全球氣候變化正經(jīng)歷一次以變暖為主要特征的變化，與此同時，北半球和我國氣候變暖中又出現(xiàn)了增溫的非對稱性特征，即冬、春季與夜間的增幅幅度顯著的高于夏、秋季和白天［1，24-27］。晝夜溫度對作物的生理效應不同，日最高氣溫和日最低氣溫的升高可能對植物生長有不同影響，國內(nèi)外學者通過模型和試驗等方法對此進行了研究［16-20］。但是，地溫也是影響植物生長的主要因素之一，在氣候變暖背景下，關注地溫的變化趨勢，研究氣溫和地溫增溫特征的一致性與否，以期進一步研究各因素對作物生長的影響機理，可以為制定合理的農(nóng)業(yè)氣候變化適應措施和農(nóng)業(yè)管理提供理論支撐。過去，很多學者對不同時期、不同地區(qū)氣溫和地溫的變化趨勢開展了一些研究［28-35］，但是他們都沒有關注氣溫和地溫在變化過程中的關系，缺少二者間的對比分析。

本文對廣西桂林氣溫和地溫的研究表明，近50年來，各年、季氣溫和各層地溫大部分呈顯著的升高趨勢，這與已有研究結果一致［28-35］;但本研究還表明，桂林氣溫和地溫的升溫速率和幅度不一致，即升溫存在非對稱性，不同于IPCC第三次評估報告［36］提出的升溫存在時間尺度(夜間增溫大于白天，冬季增溫大于夏季)和空間尺度(高緯度地區(qū)增溫大于低緯度地區(qū))的非對稱性。現(xiàn)有的全國和不同區(qū)域地氣溫差研究［37-41］大多僅關注地表(0 cm)溫度和氣溫溫差的季節(jié)和年際變化，指出全國大部地區(qū)的地氣溫差場為正值，西北干旱區(qū)冬季和秋末地氣溫差呈減小趨勢，其它季節(jié)地氣溫差呈上升趨勢。本研究對桂林0—80 cm各層地溫和氣溫的溫差分析表明，各層地溫和氣溫的溫差為正，除0 cm地溫和氣溫溫差存在年際間的升高趨勢外，由于氣溫的增幅大于5—80 cm各層地溫的增幅，近50年來5—80 cm地溫和氣溫的溫差都呈減小趨勢。由于氣溫和地溫間呈現(xiàn)增溫的非對稱性特征，氣溫和地溫的年、季氣候突變現(xiàn)象和異常年份也存在著差異。因此，桂林地溫與近地面層氣溫變化特征的不一致性是否會造成利用氣溫數(shù)據(jù)來評估氣候變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)影響的結論存在較大誤差;同時，桂林屬于亞熱帶濕潤地區(qū)，而對于其它氣候類型地區(qū)來說地溫和氣溫的變化趨勢是否一致，這些都是需要進一步討論的問題。

4 結論

本研究利用氣溫和地溫的逐月資料，分析了近50年桂林氣溫和各層地溫的年代和季節(jié)變化趨勢、地氣溫差變化、氣候突變和異常年份以及氣溫和地溫關系，主要結論如下:

(1)桂林年均氣溫與各層地溫的相關系數(shù)均在0.784以上且均通過0.001顯著性檢驗，這說明地溫與氣溫的變化趨勢具有較好的一致性。

(2)近50年來，年均氣溫和各層地溫均呈極顯著的升高趨勢，但年均氣溫低于各層地溫1.3—2.1℃。年均氣溫的增溫速率和增溫幅度0.184℃/10a和0.8℃高于除0 cm地溫外其它各層地溫的變化。可以看出，氣候變暖的背景下，年均氣溫比地溫(0 cm地溫除外)的響應更快、更強烈，氣溫和地溫的升溫存在非對稱性。

(3)四季氣溫和各層地溫大部分以升溫為主，僅有夏季5—15 cm和40 cm地溫呈略微減小的趨勢，平均氣溫、5—40 cm地溫在冬季的增溫速率最高，而0 cm和80 cm地溫增溫速率的最高值分別出現(xiàn)在秋季和夏季。春季和夏季，隨著土壤深度的增加，地溫呈減小趨勢，春季氣溫的50年平均小于0—15 cm而大于20—80 cm地溫，夏季氣溫的50a平均小于0—40 cm而大于80 cm地溫;秋季和冬季，隨著土壤深度的增加，地溫呈增加趨勢，秋、冬季氣溫的50a平均小于各層的地溫?？傮w來看，近50年來四季氣溫的增溫速率要大于除0 cm外其它各層地溫的變化，由此表明，氣候變暖背景下，四季平均氣溫比除0 cm外其它各層地溫的響應更快、更強烈。

(4)近50年來，桂林0 cm地溫和氣溫溫差升高了0.2℃，而其它各層地溫和氣溫的溫差減小了0.1—0.4℃，這主要是因為氣溫的增加幅度要大于5—80 cm地溫而小于0 cm地溫;5—80 cm年均地氣溫差的氣候傾向率為－0.113—－0.046℃/10a，且隨著土壤深度的增加，地氣溫差的減小幅度加大。

(5)桂林年均氣溫和夏季80 cm地溫的突變年分別出現(xiàn)在1997和1977年，即氣溫和地溫從一個相對偏冷期躍變?yōu)橐粋€相對偏暖期;而年均地溫和四季氣溫、地溫大多未出現(xiàn)氣候突變現(xiàn)象。

(6)春季平均氣溫和5—80 cm各層平均地溫的異常偏低年較一致，秋季平均氣溫和40、80 cm地溫的異常偏低年一致，夏、冬季平均氣溫和地溫的異常年份對應性較差，而年均氣溫和各層地溫的異常偏高年較一致。

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