劉洋，劉濱輝

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150040)

近幾十年全球變化已成為研究的焦點(diǎn)，IPCC報(bào)告指出在1906～2005年間地表溫度升高了0.74℃，且這種升溫主要集中在近50年，在中高緯度地區(qū)尤為突出［1－2］。在以往氣候變化的研究中主要側(cè)重于對(duì)氣溫與降水的研究，對(duì)地溫的研究較少。近年來(lái)，地溫的研究越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視，Hu等分析了美國(guó)北部和西北部10 cm地溫的變化，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)站點(diǎn)地溫均呈現(xiàn)升溫趨勢(shì)［3］;Zhang等通過(guò)研究加拿大地溫、氣溫以及降水相關(guān)資料，得出三者存在復(fù)雜的響應(yīng)關(guān)系［4］。Ye?il1rmak通過(guò)研究土耳其西部地溫的變化，發(fā)現(xiàn)地溫在4個(gè)季節(jié)中均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)［5］。一些學(xué)者也對(duì)凍土區(qū)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)凍土層溫度也呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)［6－7］。我國(guó)有關(guān)地溫方面的研究始于20世紀(jì)90年代，代玉田等對(duì)我國(guó)淺層地溫進(jìn)行了研究，結(jié)果表明淺層地溫呈現(xiàn)明顯升高趨勢(shì)，且氣溫和降水是影響地溫上升的主要原因［8－9］。也有一些學(xué)者對(duì)深層地溫進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)深層地溫也呈現(xiàn)升高趨勢(shì)［10－11］。在以往的研究中主要是針對(duì)淺層地溫以及青藏高原地區(qū)的深層地溫進(jìn)行研究，但對(duì)吉林省地表溫度的研究比較少。筆者基于吉林省20個(gè)站點(diǎn)的地表溫度及氣溫資料，對(duì)吉林省地表溫度進(jìn)行分析，以期為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局和結(jié)構(gòu)調(diào)整提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料選取 研究數(shù)據(jù)選取吉林省內(nèi)20個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)氣象站1951～2007年的每日0 cm平均地溫(STmean)、0 cm最高地溫(STmax)和0 cm最低地溫(STmin)、平均氣溫(Tmean)、最高氣溫(Tmax)、最低氣溫(Tmin)資料。大部分氣象站是從1950年初期開始觀測(cè)的，由于儀器等相關(guān)問(wèn)題1951～1964年的數(shù)據(jù)缺失較嚴(yán)重，因此該研究?jī)H采用1965～2007年的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，在這期間數(shù)據(jù)缺失較少，數(shù)據(jù)較完整，缺失數(shù)據(jù)僅占總觀測(cè)值的0.09%。所選取的20個(gè)氣象站點(diǎn)在吉林省的空間分布合理，有較好的代表性(圖1)。對(duì)于數(shù)據(jù)連續(xù)缺失超過(guò)7 d的，采用逐步回歸法進(jìn)行插值，對(duì)于數(shù)據(jù)連續(xù)缺失在7 d以內(nèi)的情況則使用簡(jiǎn)單的線性插補(bǔ)法。且將插補(bǔ)過(guò)的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，差異不顯著［12］。

1.2 分析方法 把整個(gè)吉林省作為一個(gè)整體，計(jì)算年平均值，以年份為自變量、平均地溫為因變量，用一元線性方程y=a0+a1t描述地溫隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，用a1×10表示平均地溫每10年的氣候傾向率［13］，以分析整個(gè)吉林省地表溫度的年際變化。

圖1 吉林省20個(gè)氣象站的空間分布

2 結(jié)果與分析

2.1 吉林省地表溫度的氣候傾向率 由吉林省1965～2007年地表溫度的氣候傾向率(表1)可知，1965～2007年0 cm平均地溫(STmean)、0 cm最高地溫(STmax)和0 cm最低地溫(STmin)均呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，增幅分別為 0.62、0.50、0.85℃/10a，其中STmin增幅最大，STmax增幅最小。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，地表溫度2000年前后的氣候傾向率呈現(xiàn)很大差別，為了更好地了解地表溫度的變化規(guī)律，同時(shí)計(jì)算了1965～2000年地表溫度的傾向率，總體看 STmean、STmax以及 STmin在1965～2000的氣候傾向率也均呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，增幅分別為0.45、0.48、0.55 ℃ /10a。對(duì)比2 個(gè)時(shí)間段的變化幅度發(fā)現(xiàn)，2個(gè)時(shí)間段的增幅差呈現(xiàn)STmin＞STmean＞STmax，其中STmax在2個(gè)時(shí)間段的增幅差距不大，而STmean和STmin在1965～2007年的增溫幅度比1965～2000年的增溫幅度分別高出0.17、0.30℃/10a。由地溫日較差(SDTR)的傾向率也可以明顯看出，2000年以前SDTR的變化還不顯著，但整個(gè)時(shí)間段SDTR是顯著下降。由此可以看出1965～2000年STmean顯著上升主要是由于STmax與STmin的顯著上升，2000年以后則主要是由于STmin顯著上升導(dǎo)致的。

與此相對(duì)應(yīng)，吉林省1965～2007年平均氣溫(Tmean)、最高氣溫(Tmax)、最低氣溫(Tmin)均呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，上升幅度分別為0.45、0.34、0.58 ℃ /10a，其中上升幅度最大的為Tmin，上升幅度最小的是 Tmax;在1965～2000年間 Tmean、Tmax、Tmin的氣候傾向率也均呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，上升幅度分別為0.47、0.30、0.64 ℃ /10a(表1)。對(duì)比1965～2007年與1965～2000年氣溫的傾向率可知，其中Tmean、Tmin以及氣溫日較差(DTR)1965～2007年的變化幅度小于1965～2000年的變化幅度，Tmax則呈現(xiàn)相反的規(guī)律，但差距均不大。

對(duì)比地溫、氣溫的氣候傾向率可知，整個(gè)時(shí)間段地表溫度無(wú)論是白天還是夜間的升溫幅度均大于氣溫的升溫幅度。1965～2000年除STmax的氣候傾向率大于Tmax外，STmean、STmin均小于Tmean與Tmin的氣候傾向率，2000年以前STmean與Tmean的變化較一致，2000年以后STmean的升溫幅度顯著高于Tmean，這主要是由于2000年以后STmin顯著上升造成的。

表1 吉林省年平均地表溫度與氣溫以及降水的氣候傾向率 ℃/10a

2.2 吉林省地表溫度的年際變化規(guī)律 為了更好地了解地溫的長(zhǎng)期變化規(guī)律，對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行了九點(diǎn)二次平滑處理。由圖2 可知，1965 ～2007 年 STmean、STmax、STmin均呈上升趨勢(shì);STmean、STmax的變化大致可分為2個(gè)階段，1965～2000年持續(xù)穩(wěn)步上升，2000年以后STmean明顯上升，升溫幅度較大，而STmax變化不大;STmin的變化大致可以分為3個(gè)階段，1965～1990年持續(xù)穩(wěn)步上升，1990～2000年基本不變，2000～2007年突然上升;STmax和STmin的這種變化規(guī)律使SDTR的變化也呈階段性，1965～2000年的SDTR基本不變，2000年以后迅速下降。由此進(jìn)一步證實(shí)STmean的變化趨勢(shì)與STmax、STmin密切相關(guān)，且2000年以后的變化趨勢(shì)主要是由于STmin的變化帶來(lái)的。

圖2 1965～2007年吉林省地表平均溫度ST mean、最高溫度ST max、最低溫度STmin變化

由吉林省1965～2007年氣溫的的年際變化(圖3)可知，1965～2007年Tmean、Tmax、Tmin均呈上升趨勢(shì);Tmean、Tmax、Tmin的變化趨勢(shì)均可以分為3個(gè)階段，Tmean、Tmin1965～1985年持續(xù)緩慢上升，1985～1990年快速上升，1990～2007年變化不大;Tmax1965～1985年的變化不大，1985～1990年快速上升，1990～2007年變化不大。Tmax和Tmin的這種變化規(guī)律致使DTR的變化也呈階段性，即1965～1985年呈下降趨勢(shì)，1985～2007年變化不大。由此可見，平均氣溫在1985年以前的升溫主要是由于Tmin上升帶來(lái)的，1985年以后由于Tmax、Tmin的變化較一致，因此Tmean的變化規(guī)律是這2個(gè)因子共同作用的結(jié)果。

圖3 1965～2007年吉林省平均氣溫Tmean、最高氣溫T max、最低氣溫T min變化

綜上可知，1965～2000年之間STmean與Tmean之間的變化趨勢(shì)基本一致，且地溫的升溫幅度稍低于氣溫，但自2000年以后地溫迅速上升，而此階段氣溫基本保持不變。由于STmax、STmin與 Tmax、Tmin的隨時(shí)間變化規(guī)律存在差異，因此SDTR與DTR的隨時(shí)間變化規(guī)律差距也比較大。主要表現(xiàn)為DTR在1965～1985年呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，SDTR在2000年以后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2.3 吉林省地表溫度與氣溫的關(guān)系 為了更好地了解地表溫度與氣溫的關(guān)系，對(duì)地表溫度與氣溫進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明(表 2)，STmean與 STmax、STmin、Tmean、Tmax、Tmin均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)均在0.80以上。其中與STmean的相關(guān)性由強(qiáng)到弱呈現(xiàn)為Tmean＞ STmin＞Tmin＞ Tmax＞STmax，總體看 STmean與 Tmean的相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)達(dá) 0.95，STmax、STmin與氣溫指標(biāo)的相關(guān)性強(qiáng)于與地溫指標(biāo)的相關(guān)性，且STmax與Tmax相關(guān)性最強(qiáng)，STmin與Tmin相關(guān)性最強(qiáng)。與此相對(duì)應(yīng)，雖然Tmax、Tmin與相對(duì)應(yīng)的 STmax、STmin相關(guān)性最強(qiáng)，但它們與其他氣溫指標(biāo)的相關(guān)性強(qiáng)于地溫指標(biāo)的相關(guān)性，這符合以前的研究結(jié)果［14］，即氣溫是影響地溫的最主要的氣象因子，且氣溫對(duì)地溫的影響強(qiáng)于地溫對(duì)氣溫的影響。STmin與STmean的相關(guān)性強(qiáng)于STmax與STmean相關(guān)性，這也可以更好地解釋為何2000年以后STmean變化與STmin比較一致。SDTR與STmax呈顯著正相關(guān)，與STmin呈顯著負(fù)相關(guān)，進(jìn)一步證實(shí)了2000年以后SDTR的下降是由STmax的下降與STmin的上升共同作用的結(jié)果;與此相對(duì)應(yīng)，DTR與Tmin呈顯著負(fù)相關(guān)，與Tmax相關(guān)性很弱，進(jìn)一步證實(shí)了1985年以前DTR的下降主要是由于Tmin上升導(dǎo)致的。

表2 1965～2007年吉林省地表溫度與氣溫的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

(1)1965 ～2007 年吉林省 STmean、STmax、STmin均呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，增幅分別為 0.62、0.50、0.85 ℃ /10a;與此相對(duì)應(yīng)，Tmean、Tmax、Tmin也均呈現(xiàn)出顯著上升趨勢(shì)，上升幅度分別為0.45、0.34、0.58 ℃ /10a，整個(gè)時(shí)間段地表溫度升溫幅度大于氣溫的升溫幅度。

(2)雖然 1965 ～2007 年吉林省 STmean、STmax、STmin與Tmean、Tmax、Tmin均呈上升趨勢(shì)，但它們隨時(shí)間變化的規(guī)律卻存在明顯的差別。主要體現(xiàn)在2000年以后Tmean、Tmax、Tmin均變化不大，同時(shí)STmax略微下降，STmean、STmin呈顯著上升趨勢(shì)。

(3)1965～2007年吉林省SDTR與DTR均呈顯著下降趨勢(shì)，但他們的變化規(guī)律有所不同，SDTR是從2000以后呈顯著下降趨勢(shì)，DTR是在1985年之前呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。

(4)地溫與氣溫的相關(guān)關(guān)系表明，氣溫對(duì)地溫的影響強(qiáng)于地溫對(duì)氣溫的影響，這也證實(shí)了氣溫是主導(dǎo)地溫變化的重要?dú)庀笠蜃印?/p>

［1］IPCC.Climate change 2007:Synthesis report［R］.Oslo:Intergovernmental Panel on Climate Change，2007.

［2］QIAN B，GREGORICH E G，GAMEDA S，et al.observed soil temperature trends associated with climate change in Canada［J］.Journal of Geophysical Research:Atmospheres，2011，116(D2):116.

［3］HU Q，F(xiàn)ENGS.A daily soil temperature dataset and soil temperature climatology of the contiguous United States［J］.Journal of Applied Meteorology，2003，42:1139 －1156.

［4］ZHANG Y，CHENWJ，SMITH SL，et al.Soil temperature in Canada during the twentieth century:complex responses toatmospheric climatechange［J］.JGeophys Res，2005，110(D03):112.

［6］ZHANG T，BARRY R G，GILICHINSKY D，et al.An amplified signal of climatic change in soil temperatures during the last century at Irkutsk，Russia［J］.Climatic Change，2011，49:41 －76.

［7］OSTERKAMPT E，ROMANOVSKY V E.Evidence for warming and thawing of discontinuous permafrost in Alaska［J］.Permafrost and Periglacial Processes，1999，10(1):17 －37.

［8］代玉田，裴洪芹，楊玉霞，等.近49年德州淺層地溫的變化特征分析［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2011，32(S1):1 －4.

［9］周紹毅，勞煒，蘇志，等.1961 －2010 年廣西淺層地溫變化特征［J］.西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2012(4):1372 －1375.

［10］張煥平，張占峰，汪青春.近50年西寧深層地溫變化趨勢(shì)分析［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40(27):13493 －13494，13572.

［11］胡軍，杜軍，邊多，等.西藏地溫的年際和年代際變化［J］.地理學(xué)報(bào)，2007(9):925－934.

［12］LIU B H，XUM，HENDERSON M，et al.Taking China Temperature Daily Range Warming Trends and Regional Variations［J］.Journal of Climate，2004，17:4453 －4462.

［13］袁文濤，劉濱輝，劉燕玲，等.黑龍江省1960－2000年0cm地溫的變化趨勢(shì)［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(2):67－71.

［14］CARSON JE.Soil temperature and weather conditions［R］.Argonne，Illinois:Argonne National Laboratory ANL －6470，1961:244.