程清平, 王 平, 徐 強(qiáng)

(云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院, 昆明 650500)

1960-2013年云南地面溫度時(shí)空變化特征

程清平, 王 平, 徐 強(qiáng)

(云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院, 昆明 650500)

利用云南省1960—2013年逐日0 cm地面溫度觀測(cè)資料，運(yùn)用Mann-Kendall趨勢(shì)和突變檢驗(yàn)法、小波分析法等分析了云南地面溫度的空間分布、變化趨勢(shì)及突變特征、周期變化及可能的影響因素。結(jié)果表明：年平均地溫、年平均最低地溫整體上呈現(xiàn)“南高北低”的分布特點(diǎn)，年平均最高地溫呈現(xiàn)出“西北、東北低，中部、南部高；深切河谷高，高原面較低，高聳山地更低”的分布特點(diǎn)；同時(shí)，也表現(xiàn)出明顯的區(qū)域性差異；年平均地溫、年平均最高(低)地溫高值中心主要分布在元江河谷(元江站)，金沙江河谷(元謀站)，滇南瀾滄江及其支流河谷(景洪站、勐臘站)；平均地溫、平均最高(低)地溫季節(jié)分布特點(diǎn)與年際分布大致相似。平均地溫、平均最高(低)地溫年際、季節(jié)及不同氣候帶均呈增溫趨勢(shì)；年平均地溫、年平均最高(低)地溫均以冬季增溫幅度最大；年平均地溫、年平均最低地溫以高原氣候帶增溫幅度最大，年平均最高地溫以北熱帶增溫幅度最大。年平均地溫、年平均最高(低)地溫及不同氣候帶地溫均發(fā)生顯著突變；其中，年平均地溫、年平均最高(低)地溫顯著突變點(diǎn)分別為2000年、2004年、1997年；年平均地溫、年平均最高(低)和不同氣候帶地溫均以長(zhǎng)周期變化為主周期；其中，年平均地溫、年平均最高(低)地溫主周期分別為28 a，26 a，26 a。年平均地溫、年平均最高(低)地溫與緯度和海拔呈極其顯著的負(fù)相關(guān)；1960—2013年亞洲區(qū)極渦面積(強(qiáng)度)，西太平洋副高西伸脊點(diǎn)指數(shù)顯著減弱，西太平洋副高面積(強(qiáng)度、脊線)、印緬槽、西藏高原、印度副高面積指數(shù)呈顯著增加可能是引起云南地溫變化的原因之一。

云南省; 地面溫度; 時(shí)空變化; 影響因素

地球表面作為地球和大氣能量交換的直接界面，能量交換過程勢(shì)必對(duì)大氣環(huán)流和氣候變化過程產(chǎn)生極其重要的影響[1]，地面溫度(指地面0 cm溫度，以下簡(jiǎn)稱地溫)是表征地表自然生態(tài)環(huán)境的一個(gè)重要物理量，并決定地表向大氣長(zhǎng)波能量的輻射能力，也是氣候系統(tǒng)變化的一個(gè)重要參數(shù)[1-2]。氣象因子的變化必然引起地表溫度的變化；反之，地表反照率、地表溫度和濕度又對(duì)大氣環(huán)流和氣候變化有重要影響[1,3]；因此，地表溫度和大氣環(huán)流之間是相互作用、相互影響的[4]。地溫的變化實(shí)際上反映氣候變化對(duì)土壤熱狀況的影響，是地球資源監(jiān)測(cè)和地表生態(tài)系統(tǒng)研究的重要指標(biāo)，同時(shí)也是全球和區(qū)域尺度地表物理過程的一個(gè)關(guān)鍵因子，可以反映土壤—植被—大氣系統(tǒng)能量流動(dòng)、物質(zhì)交換[3,5]和氣候變化幅度[6]。因而，地溫也是氣候?qū)W、水文學(xué)、生態(tài)學(xué)、生物化學(xué)等研究領(lǐng)域的重要要素之一[7]，而且在農(nóng)業(yè)氣象、地表能量通量、熱慣量計(jì)算等方面也有重要的應(yīng)用價(jià)值[8]。近年來，有不少學(xué)者對(duì)地溫變化特點(diǎn)及與大氣環(huán)流的關(guān)系做了研究，并得到了一些有意義的結(jié)果。周章等[9]對(duì)海南島尖峰嶺林區(qū)1957—2005年熱量因子的研究表明，年平均地溫、年平均最高(低)地溫升高趨勢(shì)顯著；丁文魁等[4]對(duì)河西走廊1961—2010年0 cm地溫研究得出，年平均地溫、年平均最高(低)地溫增溫趨勢(shì)顯著；張煥平等[10]對(duì)青海1971—2010年5—20 cm研究表明，5—20 cm 土層年平均地溫及四季地溫均呈增溫趨勢(shì)；楊曉玲等[11]對(duì)石羊河流域1961—2013年0—20 cm地溫研究指出，年及各季地溫均呈顯著的增溫趨勢(shì)；張文綱等[12]利用青藏高原1960—2005年土壤溫度觀測(cè)資料研究指出，青藏高原淺層(5—20 cm)土壤溫度自1970年以來增溫趨勢(shì)明顯；楊智等[13]利用云南0 cm地溫和氣溫資料計(jì)算地氣溫差并分析得出，云南地氣溫差值夏季最大，其次分別為秋季、春季、冬季；蒙桂云等[14]對(duì)1961—2005年西雙版納景洪站0—20 cm淺層地溫研究得出，年、季淺層平均地溫均呈現(xiàn)極顯著的增溫趨勢(shì)；吳曉娜等[15]利用1960—2010年NCEP/NCAR逐月再分析資料研究指出，西風(fēng)環(huán)流指數(shù)的變化與地表溫度的增溫密切相關(guān)，而歐亞遙相關(guān)型指數(shù)與中高緯度地區(qū)地表溫度異常的分布類型密切相關(guān)。趙紅巖等[16]發(fā)現(xiàn)夏季西太平洋副熱帶高壓位置的變化與中國(guó)深層地溫的變化有明顯關(guān)系，西太平洋副熱帶高壓脊線偏北年份深層地溫偏高，偏南年份地溫偏低。

對(duì)于云南平均氣溫[17-19]和極端氣溫[20-21]已有不少研究并取得了許多有價(jià)值的研究成果，但也有一些不足；例如，站點(diǎn)數(shù)量較少[21]或者空間插值方法[20-21](反距離權(quán)重插值法)上并不能很好的體現(xiàn)云南特殊地形、地貌影響下地溫的分布特點(diǎn)，且目前對(duì)于云南空氣溫度的研究較多，而對(duì)地面溫度的研究未見報(bào)道。因此，本文利用云南省35個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)/基本氣象站逐日0 cm地溫資料，分析云南地溫的年際、季節(jié)時(shí)空變化特點(diǎn)，并對(duì)地溫與大氣環(huán)流之間的相關(guān)性做嘗試性討論，可為完善和全面認(rèn)識(shí)云南氣候變化特點(diǎn)，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、護(hù)林防火、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等提供有關(guān)科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

云南地處我國(guó)西南邊陲，北回歸線橫貫?zāi)喜?，屬低緯高原地區(qū)，總面積39.4萬km2。北依廣袤的亞洲大陸，南臨遼闊的印度洋和太平洋，同時(shí)與被稱為世界屋脊的青藏高原相鄰。云南特殊的地理位置及獨(dú)特地貌環(huán)境使得云南氣候差異明顯，呈“一山分四季，十里不同天”的立體氣候特征。同時(shí)受東亞、南亞兩支季風(fēng)的共同作用，形成了鮮明的區(qū)域氣候特征[22]。研究站點(diǎn)基本信息見表1。

表1 研究站點(diǎn)基本信息

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

資料來源于中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心(http:∥www.nmic.gov.cn/)—中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)提供的逐日0 cm平均地溫、平均最高(低)地溫，所有站點(diǎn)均經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制，包括極值檢驗(yàn)、時(shí)間一致性檢驗(yàn)，最終選擇數(shù)據(jù)完整的1960年1月1日—2014年2月28日逐日0 cm地溫?cái)?shù)據(jù)。高程數(shù)據(jù)為分辨率90 m(DEM)的SRTM，來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)。利用泰森多邊形方法獲得云南地溫平均狀況(其中，屏邊站平均地溫、平均最高(最低)地溫缺1960年，太華山站平均最高最低地溫缺1960年，鎮(zhèn)雄站平均最高地溫缺1960年，則該站該年不參與計(jì)算)。參照已有研究結(jié)果[23]，將云南氣候劃分為高原氣候帶、溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶、南亞熱帶、北熱帶。大氣環(huán)流指數(shù)來自國(guó)家氣候中心提供的74項(xiàng)環(huán)流指數(shù)。按照氣候統(tǒng)計(jì)上的春季(3—5月)，夏季(6—8月)，秋季(9—11月)，冬季(12月—翌年2月)統(tǒng)計(jì)各季地溫。

2.2.1 時(shí)間變化研究方法

(1) M-K趨勢(shì)和突變檢測(cè)法。為了檢測(cè)地溫時(shí)間序列的演變趨勢(shì)和突變特點(diǎn)，采用世界氣象組織推薦的Mann-kendall(M-K)趨勢(shì)檢驗(yàn)和突變檢驗(yàn)法[24]，它不需要樣本遵從一定的分布也不受少數(shù)異常值的干擾。同時(shí)，結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)突變點(diǎn)。M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)法通過統(tǒng)計(jì)量Z值來確定變化趨勢(shì)，對(duì)于統(tǒng)計(jì)量Z值，大于0表示時(shí)間序列呈上升趨勢(shì)；小于0時(shí)時(shí)間序列呈下降趨勢(shì)。Z絕對(duì)值≥1.65，1.96，2.58，3.29時(shí)，分別表示通過了顯著性水平α=0.1，0.05，0.01，0.001的檢驗(yàn)。同時(shí)，由于Sen式斜率能避免時(shí)間序列數(shù)據(jù)缺失及數(shù)據(jù)分布形態(tài)對(duì)分析結(jié)果的影響，并剔除異常值對(duì)時(shí)間序列的干擾[25]，因此采用Sen式斜率計(jì)算云南省各站點(diǎn)地溫變化趨勢(shì)幅度。

(2) 小波分析。Morlet連續(xù)復(fù)小波[26]基函數(shù)(Complex Morlet Wavelet)在matlab 系統(tǒng)中簡(jiǎn)稱為cmor，其表達(dá)

(1)

式中：Fb是頻帶寬度系數(shù)；Fc是wavelet的中心頻率；π，e為常數(shù)。將小波系數(shù)的平方值在時(shí)間平移域(b)上積分，可得到小波方差var，即

(2)

var隨時(shí)間周期a的變化分布圖，稱為小波方差分布圖。它能直觀地反映信號(hào)波動(dòng)能量隨周期的分布，可用于確定不同振蕩周期的相對(duì)強(qiáng)度和振蕩主周期。

2.2.2 空間插值方法 有關(guān)學(xué)者[27-29]對(duì)氣溫、降水、相對(duì)濕度等要素采用多種空間插值方法對(duì)比分析得出，協(xié)同克里金插值方法由于考慮到經(jīng)度、緯度、地貌等因子的影響，相較于反距離權(quán)重插值、普通克里金插值、張力樣條插值等插值效果更佳[29-30]。同時(shí)，胡丹桂等[27]也指出，協(xié)同克里金插值法在站點(diǎn)數(shù)量少插值時(shí)較站點(diǎn)數(shù)量多插值時(shí)均方根誤差更小，插值效果更佳。因而，對(duì)于站點(diǎn)數(shù)量少，采用協(xié)同克里金插值方法效果更理想。綜合以上，在此以DEM高程作為協(xié)同因子進(jìn)行地溫的空間插值。

3 地溫時(shí)空變化特征

3.1 年際、季節(jié)平均地溫

3.1.1 空間分布 云南年平均地溫變化幅度9.3～27.9℃，平均值為19.3℃，整體表現(xiàn)為“南高北低”的空間分布特點(diǎn)，呈現(xiàn)出隨緯度的降低而升高，同時(shí)也表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異(附圖1)。最高值未出現(xiàn)在最南端的勐臘站(25.6℃)，而是元江干熱河谷中的元江站(27.9℃)；金沙江干熱河谷的元謀站(25.3℃)，怒江下游河谷和伊洛瓦底江支流河谷(瑞麗站24.1℃)地溫也較高。研究站點(diǎn)中僅迪慶州3個(gè)站低于15℃。除冬季外，春、夏、秋季平均地溫與年平均地溫空間分布一致(圖略，下同)，均隨著緯度的降低而升高，且最高值均未出現(xiàn)在緯度最南端。春季最高值為元江站(30.2℃)，次高值為元謀站(28.5℃)，最低值為德欽站(8.9℃)，次低值為香格里拉站(9.7℃)。夏季最高值為元江站(32.7℃)，次高值為元謀站(30.6℃)，滇西北的華坪站(27.5℃)地溫也較高；最低值為香格里拉站(17.1℃)，次低值為德欽站(18.0℃)。秋季最高值為元江站(17.7℃)，次高值為瀾滄江下游的景洪站(26.8℃)，最低值為香格里拉站(9.6℃)，次低值為德欽站(10.6℃)。冬季平均地溫隨著緯度增加而降低，最高值為最南端的勐臘站(21.2℃)，元江站(20.8℃)和元謀站(17.9℃)也是兩個(gè)高值中心；最低值為香格里拉站(0.5℃)，次低值為德欽站(1.0℃)。

圖1 1960-2013年云南年平均地溫變化趨勢(shì)與突變檢驗(yàn)

3.1.2 變化趨勢(shì)及突變特征 從圖1A可知云南年平均地溫僅有2個(gè)站點(diǎn)呈下降趨勢(shì)，分別是華坪(-0.03℃/10 a)和廣南(-0.004℃/10 a)，且下降趨勢(shì)不顯著(圖1B)。增溫幅度以滇西北(包括迪慶州、怒江州、麗江市，下同)的德欽站(0.806℃/10 a)最大；滇西南(包括普洱市、臨滄市、西雙版納州、保山市，下同)的騰沖站(0.488℃/10 a)，滇東北(包括昭通市、曲靖市，下同)的永善站(0.474℃/10 a)，滇中(昆明市、楚雄州、玉溪市，下同)的楚雄站(0.456℃/10 a)增溫幅度也較大。整體來看，云南年平均地溫傾向率為0.257℃/10 a(圖1C，Z=5.31)，上升趨勢(shì)十分顯著。所研究的35個(gè)站點(diǎn)中僅有江城、華坪、元謀、廣南、會(huì)澤站Z絕對(duì)值<1.96未通過顯著性檢驗(yàn)(圖1B)，其余站點(diǎn)均通過0.05及以上的顯著性檢驗(yàn)。從不同氣候帶來看(圖略，下同)，增溫幅度表現(xiàn)為高原氣候帶(0.585℃/10 a，Z=7.05)>北亞熱帶(0.29℃/10 a，Z=4.96)>中亞熱帶(0.262℃/10 a，Z=5.11)>溫帶(0.246℃/10 a，Z=4.08)>北熱帶(0.221℃/10 a，Z=4.59)>南亞熱帶(0.183℃/10 a，Z=5.25)。四季平均地溫也呈極其顯著的增溫趨勢(shì)(圖略，下同)，呈現(xiàn)冬季0.384℃/10 a(Z=4.90)>秋季0.236℃/10 a(Z=4.01)>春季0.229℃/10 a(Z=3.64)>夏季0.188℃/10 a(Z=4.24)。

年平均地溫在順序列UF和逆序列UB曲線之間于2000年交于一點(diǎn)，并于2002—2013年突破2.58的臨界線，通過0.01的顯著性檢驗(yàn)，這種突變是由相對(duì)低溫到相對(duì)高溫的突變，經(jīng)滑動(dòng)t檢驗(yàn)知2000年為顯著突變點(diǎn)(圖1D)。四季平均地溫與年平均地溫一致，呈突變?cè)鰷刳厔?shì)(表2)，且均通過0.01的顯著性檢驗(yàn)。春、夏、秋、冬季突變點(diǎn)分別為2003年、2001年、2000年、1996年；秋季突變年份與年一致，冬季突變超前于春、夏、秋季。

從不同氣候帶來看(年際突變特點(diǎn)，下同)，高原氣候帶在順序列UF和逆序列UB之間雖有交點(diǎn)，但交點(diǎn)位于信度線外，沒有發(fā)生突變；溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶均于2001年發(fā)生突變(表3)，均超過0.01的臨界線，突變?cè)鰷刳厔?shì)顯著。南亞熱帶顯著突變點(diǎn)為1997年，北熱帶為1994年，高原氣候帶、南亞熱帶、北熱帶突變于90年代，超前于溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶。

表2 1960-2013年云南年平均地溫、年平均最高地溫、年平均最低地溫季節(jié)突變年份

注：“*”通過0.05顯著性檢驗(yàn);“**”通過0.01顯著性檢驗(yàn);“***”通過0.001顯著性檢驗(yàn),下同。

表3 1960-2013年云南不同氣候帶年平均地溫、年平均最高地溫、年平均最低地溫突變年份

3.1.3 周期變化 從圖2A可知，年平均地溫存在貫穿整個(gè)研究時(shí)段的2～5 a左右的短周期變化和20～30 a左右的長(zhǎng)周期變化，20世紀(jì)70—80年代存在6～9 a左右的短周期變化，60年代前期及80年代相對(duì)偏暖，60年代后期至70年代前期、90年代相對(duì)偏冷，21世紀(jì)以來相對(duì)偏暖，且曲線未封閉，這表明未來一段時(shí)間這種偏暖趨勢(shì)仍將繼續(xù)。

從小波方差(圖2B)知，年平均地溫存在4 a和8 a的短周期變化和26 a的長(zhǎng)周期變化，以28 a長(zhǎng)周期變化為第一主周期。

圖2 1960-2013年云南年平均地溫小波變換系數(shù)(A)和小波方差(B)

從不同季節(jié)來看(表4)，春、秋、冬季年平均地溫均存在一致的8 a短周期變化和28 a長(zhǎng)周期變化；此外，春、冬季還存在一致的4 a短周期變化；夏季存在5 a短周期和27 a長(zhǎng)周期變化；各季節(jié)均以長(zhǎng)周期變化為以第一主周期。

從表5可知(年際周期變化，下同)，高原氣候帶以26 a長(zhǎng)周期變化為主周期，不存在短周期變化；溫帶、北熱帶、中亞熱帶、南亞熱帶存在一致的4 a短周期變化；中亞熱帶、南亞熱帶、北熱帶存在一致的8 a短周期變化；溫帶和中亞熱帶存在一致的28 a長(zhǎng)周期變化；南亞熱帶和北熱帶存在一致的27 a長(zhǎng)周期變化；北亞熱帶存在30 a長(zhǎng)周期變化；各氣候帶與全省一致，均以長(zhǎng)周期變化為第一主周期。

表4 1960-2013年云南年平均地溫、平均最高地溫、平均最低地溫季節(jié)周期變化

注：下劃線為主周期,下同。

表5 1960-2013年云南不要?dú)夂驇昶骄販?、平均最高地溫、平均最低地溫周期變?/p>

3.2 年際、季節(jié)平均最高地溫

3.2.1 空間分布 云南年平均最高地溫變化范圍為30.2～49.0℃，平均38.8℃，呈現(xiàn)出“西北、東北低，中部、南部高；深切河谷高，高原面較低，高聳山地更低”等分布特點(diǎn)(附圖2)；最高值為元江站49.0℃，次高值為元謀站47.0℃，而緯度最南端的景洪站(45.8℃)和勐臘站(42.9℃)均低于干熱河谷的元江站和元謀站；最低值為滇東北的鎮(zhèn)雄站(30.2℃)和永善站(30.3℃)，次低值為滇西北的德欽站(31.5℃)和香格里拉站(31.9℃)；低于35℃的區(qū)域主要出現(xiàn)在滇西北、滇東北。

四季與年平均最高地溫變化一致，最高值均未出現(xiàn)在緯度最南端。春季最高值為元謀站(55.0℃)，次高值是元江站(54.3℃)，滇西北的華坪站(53.0℃)是繼元江站和元謀站之外的另一高值中心；最低值出現(xiàn)在滇西北的貢山站(30.4℃)，而不是緯度最北的德欽站(31.3℃)，次低值是滇東北的鎮(zhèn)雄站(33.3℃)。夏季最高值為元江站(53.1℃)，次高值為元謀站(49.4℃)；最低值為滇中太華山站(35.8℃)，而不是緯度最北的德欽站(39.1℃)。秋季最高值為元江站(47.5℃)，次高值為景洪站(44.1℃)；最低值為滇東北的永善站(28.2℃)；冬季最高值為滇南的景洪站(42.8℃)，元江(41.6℃)和元謀站(41.3℃)也較高；最低值為滇東北的鎮(zhèn)雄站(16.0℃)。

3.2.2 變化趨勢(shì)及突變特征 從圖3A和圖3B可知，云南年平均最高地溫變化較為復(fù)雜。35個(gè)站點(diǎn)中有17個(gè)站點(diǎn)Z絕對(duì)值≥2.58通過α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，其中15個(gè)站點(diǎn)呈顯著的增溫趨勢(shì)，2個(gè)站點(diǎn)呈顯著的降溫趨勢(shì)，分別是華坪和江城站；4個(gè)站點(diǎn)Z絕對(duì)值≥1.96通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，其中2個(gè)站點(diǎn)呈增溫趨勢(shì)，2個(gè)站點(diǎn)呈降溫趨勢(shì)；有4個(gè)站點(diǎn)Z絕對(duì)值≥1.65通過0.1的顯著性檢驗(yàn)；其余10個(gè)站點(diǎn)未通過顯著性檢驗(yàn)，其中8個(gè)站點(diǎn)呈增溫趨勢(shì)，2個(gè)站點(diǎn)呈降溫趨勢(shì)。從圖3C可知，云南年平均最高地溫傾向率為0.314℃/10 a(Z=3.48)，上升趨勢(shì)十分顯著。以南盤江流域的沾益站(1.274℃/10 a)增溫幅度最大，其次是德欽站(0.969℃/10 a)和勐臘站(0.881℃/10 a)。各氣候帶也呈顯著的增溫趨勢(shì)，其傾向率呈北熱帶(0.58℃/10 a，Z=4.84)>高原氣候帶(0.556℃/10 a，Z=3.56)>北亞熱帶(0.29℃/10 a，Z=3.13)>中亞熱帶(0.284℃/10 a，Z=2.61)>溫帶(0.243℃/10 a，Z=2.12)>南亞熱帶(0.14℃/10 a，Z=1.86)。四季平均最高地溫與年平均地溫一致，呈增溫趨勢(shì)；其中，冬季增溫趨勢(shì)極其顯著，其傾向率為0.535℃/10 a(Z=3.06)，其次是秋季(0.34℃/10 a，Z=2.40)和夏季(0.258℃/10 a，Z=2.08)，春季增溫幅度最小(0.109℃/10 a，Z=0.85)，且增溫趨勢(shì)不顯著。

從圖3D知，云南年平均最高地溫54 a來發(fā)生了顯著的突變?cè)鰷?，順序列UF曲線在1977年以前呈波動(dòng)減少趨勢(shì)，1977年以后呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，且在1985年以后順序列UF曲線一直在0以上，并于2004年與逆序列UB交于一點(diǎn)，結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)知2004年為顯著突變點(diǎn)。突變時(shí)間區(qū)域?yàn)?010—2014年，突變后較突變前升高了1.5℃。四季中春季在順序列UF和逆序列UB之間于2003年交于一點(diǎn)，但位于端點(diǎn)處，一般不可取，因此，春季未發(fā)生突變。夏、秋、冬季均發(fā)生顯著的突變?cè)鰷?，突變點(diǎn)分別為2004年、2002年、1993年(表2)，冬季突變超前于夏、秋季。不同氣候帶突變特征與年一致(表3)，均發(fā)生顯著的突變。結(jié)合經(jīng)滑動(dòng)t檢驗(yàn)知，高原氣候帶與北熱帶顯著突變點(diǎn)均為2001年，溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶、南亞熱帶顯著突變點(diǎn)分別為2004年、2005年、2003年、1989年，南亞熱帶超前與溫帶、北亞熱帶和中亞熱帶，呈非對(duì)稱性變化。

3.2.3 周期變化 年平均最高地溫存在2～5 a、6～9 a、20～30 a左右的周期變化，其中，20～30 a左右的長(zhǎng)周期變化貫穿整個(gè)研究時(shí)段，且20世紀(jì)90年代相對(duì)偏冷較為明顯；6～9 a左右的短周期變化主要發(fā)生在70—80年代(圖4A。從小波方差(圖4B)可知，年平均最高地溫以26 a長(zhǎng)周期變化為第一主周期，并存在3 a和8 a短周期變化。從不同季節(jié)來看(表4)，春季有4 a，8 a，16 a和26 a的周期變化，以26 a長(zhǎng)周期變化為第一主周期；夏季有5 a短周期和27 a長(zhǎng)周期變化，以27 a長(zhǎng)周期變化為第一主周期；春、秋季一致，以26 a長(zhǎng)周期變化為第一主周期；冬季以28 a長(zhǎng)周期變化為第一主周期，同時(shí)還存在5 a和12 a的周期變化。不同氣候帶也存在明顯的周期變化(表5)，高原氣候帶以26 a長(zhǎng)周期變化為第一主周期，同時(shí)還存在2 a短周期變化；溫帶以20 a長(zhǎng)周期變化為第一主周期，3 a和9 a短周期變化為第二、三周期；北熱帶以30 a長(zhǎng)周期變化為第一主周期，8 a，4 a短周期變化分別為第二、第三周期；南亞熱帶以27 a長(zhǎng)周期變化為第一主周期，4 a短周期變化為第二主周期；中亞熱帶以25 a長(zhǎng)周期變化為第一主周期，7 a短周期變化為第二周期；北熱帶以28 a長(zhǎng)周期變化為第一主周期，3 a，8 a短周期變化為第二、三周期。

圖3 1960-2013年云南年平均最高地溫變化趨勢(shì)與突變檢驗(yàn)

圖4 1960-2013年云南年平均最高地溫小波變換系數(shù)(A)和小波方差(B)

3.3 年際、季節(jié)平均最低地溫

3.3.1 空間分布 云南年平均最低地溫-0.9～18.6℃，平均10.6℃，呈現(xiàn)出“南高北低”的空間分布特點(diǎn)(附圖3)。滇西北的香格里拉站(-0.9℃)最低，最高值為元江河谷的元江站(18.6℃)，而沒有出現(xiàn)在緯度最南端的勐臘站(18.1℃)；此外，金沙江流域的元謀站(14.7℃)也較高。研究站點(diǎn)中最高值與最低值極差19.5℃，大于10℃的區(qū)域主要在南部區(qū)域和元謀干熱河谷。春、夏季平均最低地溫空間分布特征與年相似，高值中心均出現(xiàn)在元江站(春季為19.1℃，夏季為24.7℃)，而最南端的勐臘站(春季為17.7℃，夏季為22.7℃)相較于元江站低；再者，元謀站春(24.7℃)、夏(22.0℃)季平均最低地溫也較高；低值中心均出現(xiàn)在滇西北的香格里拉站(春季為-1.9℃，夏季為8.9℃)；此外，滇東北的昭通站(6.6℃)和會(huì)澤站(7.0℃)春季平均地溫也較低，而滇中太華山站夏季(13.2℃)平均最低地溫也較低。秋、冬季平均最低地溫隨緯度的升高而降低，最高值均位于最南端的景洪站(秋季為19.6℃，冬季為11.2℃)和勐臘站(秋季為19.5℃，冬季為12.1℃)，而元江站(秋季為19.5℃，冬季為11.0℃)也較高；最低值均為香格里拉站(秋季0℃，冬季為-10.6℃)。

3.3.2 變化趨勢(shì)及突變特征 從圖5A和圖5B可知，云南各站點(diǎn)年平均最低地溫均呈上升趨勢(shì)，35個(gè)站點(diǎn)中除元謀站(Z=1.02)，沾益站(Z=1.35)增溫趨勢(shì)不顯著和屏邊站增溫趨勢(shì)通過0.05的顯著性檢驗(yàn)外，其余站點(diǎn)均通過0.001的顯著檢驗(yàn)，增溫趨勢(shì)十分顯著。整體來看，云南年平均最低地溫傾向率為0.344℃/10 a(Z=6.69)，呈十分顯著的上升趨勢(shì)(圖5C)；以瀾滄江上游的德欽站(1.02℃/10 a)和金沙江上游的香格里拉站(0.636℃/10 a)以及滇中的楚雄站(0.748℃/10 a)增溫幅度最明顯。而南盤江上游的沾益站(0.043℃/10 a)和金沙江中游的元謀站(0.078℃/10 a)增溫幅度最小。從不同氣候帶來看，各氣候帶均呈極其顯著的增溫趨勢(shì)，增溫幅度為高原氣候帶(0.825℃/10 a，Z=7.66)>中亞熱帶(0.386℃/10 a，Z=7.07)>北亞熱帶(0.326℃/10 a，Z=6.62)>南亞熱帶(0.311℃/10 a，Z=6.09)>溫帶(0.285℃/10 a，Z=5.34)>北熱帶(0.202℃/10 a，Z=4.35)。四季平均最低地溫與年一致，呈極其顯著的增溫趨勢(shì)，以冬季(0.453℃/10 a，Z=6.30)增溫幅度最大，其次是春季(0.415℃/10 a，Z=6.72)，秋季(0.268℃/10 a，Z=4.75)，夏季(0.241℃/10 a，Z=5.87)增溫幅度較小。

圖5 1960-2013年云南年平均最低地溫變化趨勢(shì)與突變檢驗(yàn)

從突變特征來看，云南年平均最低地溫在順序列UF和逆序列UB曲線之間于1997年交于一點(diǎn)，并于1998—2013年突破臨界線，突變?cè)鰷刳厔?shì)極其顯著，結(jié)合經(jīng)滑動(dòng)t檢驗(yàn)知1997年為顯著突變點(diǎn)(圖5D)。四季也發(fā)生顯著的突變?cè)鰷兀?、秋季通過0.01的顯著性檢驗(yàn)，春、冬季通過0.001的顯著檢驗(yàn)(表2)。結(jié)合經(jīng)滑動(dòng)t檢驗(yàn)知，春、夏、秋、冬季顯著突變點(diǎn)分別為1999年、1997年、1998年和1996年。從不同氣候帶來看(表3)，除高原氣候帶未發(fā)生突變外，溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶、南亞熱帶、北熱帶顯著突變點(diǎn)分別為1998年、1996年、1995年、1998年、2001年，且北亞熱帶、中亞熱帶通過0.001的顯著性檢驗(yàn)。

圖6 1960-2013年云南年平均最低地溫小波變換系數(shù)(A)和小波方差(B)

3.3.3 周期變化 從圖6A可知，云南年平均最低地溫存在5～10 a和20～30 a左右的周期變化；5～10 a短周期變化貫穿整個(gè)時(shí)段，且正負(fù)相位交替出現(xiàn)。從圖6B小波方差知，年平均最低地溫在26 a時(shí)間尺度上振蕩最強(qiáng)，振幅最大，為年平均最低地溫第一主周期；此外，還存在8 a短周期變化。從季節(jié)來看(表4)，夏、秋季均以25 a長(zhǎng)周期變化為第一主周期；同時(shí)，夏季還存在7 a短周期和14 a長(zhǎng)周期變化，秋季還存在8 a短周期變化。春、冬季分別存在28 a和24 a的長(zhǎng)周期變化，且為第一主周期。同時(shí)，春、冬季還分別存在4 a和7 a短周期變化。從不同氣候帶來看(表5)，高原氣候帶、溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶、南亞熱帶、北熱帶周期均以長(zhǎng)周期變化為第一主周期，分別為26 a，24 a，26 a，28 a，25 a，24 a，同時(shí)各氣候帶還存在一致的8 a短周期變化。

表6 云南年平均地溫與同期大氣環(huán)流指數(shù)相關(guān)關(guān)系

注：“*”在0.05顯著，“**”在0.01顯著。

4 結(jié)論與討論

(1) 總體來看，云南年平均地溫、年平均最低地溫大致隨著緯度的降低而升高，而年平均最高地溫表現(xiàn)為“西北、東北低，中部、南部高；深切河谷高，高原面較低，高聳山地更低”的空間分布特點(diǎn)：同時(shí)也表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異，這種分布特點(diǎn)與云南年平均氣溫[19]和年極端最高(低)氣溫[20]的分布相似。四季平均地溫最高(低)值與年平均地溫空間分布相似，最高值均未出現(xiàn)在最南端，而冬季最高值出現(xiàn)在最南端，最低值出現(xiàn)在最北端。平均最高地溫四季空間分布與年一致。平均最低地溫春、夏季與年空間分布相似，秋、冬季最高值均出現(xiàn)在最南端，最低值均出現(xiàn)在最北端。54 a來年平均地溫和年平均最高地溫最高值分別為20.7℃和41.3℃均出現(xiàn)2009年，年平均最低地溫最高值為2010年的12℃。從季節(jié)來看，年平均地溫秋、冬季最高值分別為21.3℃和14.2℃，均出現(xiàn)在2009年。年平均最高地溫秋、冬季最高值分別為41.8℃和37.3℃，均出現(xiàn)在2009年。年平均最低地溫秋、冬季最高值分別為13.2℃和3.9℃，均出現(xiàn)在2010年?？梢姡?009—2010年云南發(fā)生百年一遇的特大干旱[31]與地溫的偏高有一定的關(guān)系。

(2) 年平均地溫、年平均最高(低)地溫均發(fā)生顯著的突變?cè)鰷?，突變點(diǎn)分別為2000年、2004年和1997年，尤以年平均最低地溫突變極其顯著，且突變超前于年平均地溫和年平均最高地溫。除年平均最高地溫春季未發(fā)生突變外，年平均地溫和年平均最高(低)地溫各季節(jié)均發(fā)生顯著的突變?cè)鰷亍３咴瓪夂騾^(qū)年平均最低地溫未發(fā)生突變外，不同氣候帶年平均地溫、年平均最高(低)地溫均發(fā)生顯著的突變?cè)鰷?。除南亞熱帶年平均地溫突變?0世紀(jì)80年代外，平均地溫、平均最高(低)地溫年際、季節(jié)和不同氣候帶均突變于二十世紀(jì)90年代以來，與云南平均氣溫[19]和極端氣溫[20]的年際、季節(jié)和不同氣候帶[19]的突變時(shí)間相一致。

(3) 平均地溫、平均最高(低)地溫年際、季節(jié)及不同氣候帶均以長(zhǎng)周期變化為主；此外，還存在2～9 a短周期變化，與云南平均氣溫[19]和極端氣溫[20]年、季節(jié)和不同氣候帶均以長(zhǎng)周期變化為主，且還存2～8.7 a的短周期變化相一致。具體來看，年平均最高(低)地溫和年平均最低地溫均存在8 a短周期和26 a長(zhǎng)周期變化；年平均最高地溫存在4 a和8 a短周期和28 a長(zhǎng)周期變化。平均地溫、平均最高(低)地溫不同季節(jié)均表現(xiàn)出3～8 a短周期和12～28 a長(zhǎng)周期變化，而不同氣候帶表現(xiàn)為2～9 a短周期和20～30 a長(zhǎng)周期變化。

(4) 云南年平均地溫、年平均最高(低)地溫均呈極其顯著的增溫趨勢(shì)，其氣候傾向率分別為0.257℃/10 a，0.314℃/10 a，0.342℃/10 a，同時(shí)也存在明顯的區(qū)域差異。平均地溫年、季節(jié)及不同氣候帶的變化趨勢(shì)與云南平均氣溫年、季節(jié)[19]及不同氣候帶[20]變化趨勢(shì)一致，即年平均地溫均呈顯著的增溫，均以冬季增溫最為明顯，且均以高原氣候帶增溫幅度最大；年平均最高地溫與年平均最低地溫均以冬季增溫幅度最大；年平均最高地溫以北熱帶增溫幅度最大，而年平均最低地溫以高原氣候帶增溫幅度最大，季節(jié)變化特點(diǎn)與全國(guó)0 cm地溫[32]變化特點(diǎn)一致。以上分析表明，年與季節(jié)平均地溫和平均最高(低)地溫變化特點(diǎn)不一致，其形成原因與復(fù)雜地形、地貌、坡度、坡向等密切相關(guān)，即與“通道—阻隔”作用[33]有關(guān)。例如，位于河谷地區(qū)的元謀站和元江站，年平均地溫、年平均最高(低)地溫均較高；通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，年平均地溫與經(jīng)度、緯度、海拔相關(guān)系數(shù)分別為-0.005(α>0.05)，-0.776(α<0.001)，-0.916(α<0.001)；年平均最高地溫與經(jīng)度相關(guān)系數(shù)為-0.173(α>0.05)，與緯度相關(guān)系數(shù)為-0.592(α<0.001)，與海拔相關(guān)系數(shù)為-0.524(α<0.001)；年平均最低地溫與經(jīng)度、緯度、海拔相關(guān)系數(shù)分別為0.095(α>0.05)，-0.781(α<0.001)，-0.964(α<0.001)；此外，周刊社等[34]指出地溫的升高起因于氣溫的升高。而季節(jié)變化特點(diǎn)，張慧智等[35]指出地溫的季節(jié)變化會(huì)受到太陽輻射、氣溫、降水量、植被覆蓋多方面因素的影響。

(5) 有關(guān)學(xué)者指出地溫的變化與大氣環(huán)流背景有密切的關(guān)系[15-16,36]。利用國(guó)家氣候中心提供的74項(xiàng)大氣環(huán)流指數(shù)，選取密切相關(guān)的12項(xiàng)環(huán)流指數(shù)，計(jì)算同期環(huán)流指數(shù)與云南年平均地溫的相關(guān)關(guān)系。從表6得知，云南年平均地溫與亞洲極渦面積(強(qiáng)度)呈顯著的負(fù)相關(guān)；這說明亞洲極渦面積越小(大)，強(qiáng)度越弱(強(qiáng))，南下云南的冷空氣偏弱(強(qiáng))，從而導(dǎo)致云南年平均地溫偏高(低)；同時(shí)副高西伸脊點(diǎn)指數(shù)與云南平均地溫也呈顯著負(fù)相關(guān)，這意味著副高偏西(東)，有利于云南地溫偏高(低)；西太平副高(面積、強(qiáng)度、脊線、北界)，印緬槽指數(shù)、西藏高原指數(shù)、印度副高面積與年平均地溫呈顯著的正相關(guān)，這表明在西太平洋副高面積越大(小)，強(qiáng)度越強(qiáng)(弱)，脊線和北界偏北(南)，印緬槽越弱(強(qiáng))，西藏高原高度越大(小)，印度副高面積越大(小)的形勢(shì)下，云南地溫呈偏高(低)。同時(shí)計(jì)算1960—2013年各指數(shù)變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，亞洲區(qū)極渦面積(強(qiáng)度)、西太平洋副高系數(shù)脊點(diǎn)指數(shù)呈顯著減弱，西太平洋副高面積(強(qiáng)度、脊線、北界)、印緬槽、西藏高原、印度副高面積指數(shù)呈顯著增加。上述環(huán)流因子的共同作用可能是引起云南平均地溫變化的主要原因之一。此外，冬半年滇黔準(zhǔn)靜止鋒(昆明準(zhǔn)靜止鋒或西南準(zhǔn)靜止鋒)在東、西部控制時(shí)間的長(zhǎng)短和影響強(qiáng)度的空間差異[37-38]對(duì)地溫也有十分顯著的影響；再者，人類活動(dòng)等的影響也不容忽視。

(6) 淺層地溫(0—40 cm)作為一種積蓄在地下的無形自然資源，是地球深部熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流與太陽輻射共同作用的產(chǎn)物，為淺層土壤溫度與距離地表1.5 m處百葉箱溫度之間存在常年溫差而形成的能量，是兩個(gè)狀態(tài)不同的溫度場(chǎng)之間存在的勢(shì)能[39-40]。土壤溫度是重要的土壤物理性質(zhì)，其變化特征直接影響著土壤生物的生長(zhǎng)發(fā)育、繁殖和分布，與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境緊密相關(guān)[41]。農(nóng)業(yè)是對(duì)氣候變化反應(yīng)最敏感的領(lǐng)域之一，氣候變化會(huì)影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)和布局，也會(huì)對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育等產(chǎn)生影響。在氣候變暖背景下，近地面層氣溫和各層地溫升溫速率是否一致，關(guān)系到利用氣溫?cái)?shù)據(jù)來評(píng)估氣候變化對(duì)農(nóng)作物的影響的適用性[42]。在此分析了云南年平均地溫和年平均最高(低)地溫的年際與季節(jié)變化特點(diǎn)，并對(duì)其原因做了嘗試性探討。由于對(duì)云南1.5 m處百葉箱溫度的研究已有許多研究成果和篇幅的限制，因而未對(duì)地溫與氣溫的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行探討；此外，由于資料的限制，也未對(duì)深層次地溫進(jìn)行研究；因此，有必要對(duì)深層地溫和氣溫的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究，才能更好的為云南農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等提供參考。

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TemporalandSpatialVariationCharacteristicsofSurfaceTemperatureinYunnanDuring1960-2013

CHENG Qingping, WANG Ping, XU Qiang

(SchoolofTourismandGeographicalSciences,YunnanNormalUniversity,Kunming650500,China)

The spatial and temporal characteristics, abrupt change, variation periodic and possible atmospheric circulation influence factor are analyzed through using linear trend, Mann-Kendall nonparametric test, wavelet analysis and the data from 1960 to 2013 of Yunnan Province 0 cm surface temperature. The results showed that: on the whole, the distribution characteristics of annual average surface temperature, annual average minimum surface temperature were low in the northern region and high in the southern region; but the annual average maximum temperature was low in the northwest and northeast, high in the central and southern areas, high in deep valley, low in the plateau area, lower in the high mountain region. at the same time, there were differences on the regional scales, the annual average surface temperature, annual average maximum (minimum) surface temperature high value center mainly distributed in Jinsha River valley (Yuanmou meteorological station) and Yuanjiang River valley (Yuanjiang meteorological station), the Valley South Lancang River and its tributaries (Jinghong and Mengla meteorological station); the seasonal distributions of annual average surface temperature, annual average maximum (minimum) surface temperature were similar to the annual. The annual average surface temperature, annual average maximum (minimum) surface temperature and different climate zone showed significant warming trend, from the seasons, the most increase occurred in winter; from the different climatic zones, the warming trend was obvious in the plateau climatic zone of the annual average surface temperature and annual average minimum surface temperature, the annual average maximum surface temperature was observed in the north tropical zone. Annual average surface temperature, annual average maximum (minimum) surface temperature and different climate zone significantly mutated warming; among them, annual average surface temperature, annual average maximum (minimum) surface temperature marked mutation in 2000, 2004, 1997, respectively. The variation period was mainly long time scale of annual average surface temperature, annual average maximum (minimum) surface temperature and different climate zone; among them, the mainly variation period of annual average surface temperature, annual average maximum (minimum) surface temperature are 28 a, 26 a, 26 a, respectively. The annual average surface temperature, annual average maximum (minimum) surface temperature had significant negatively correlation with latitude and elevation; Asia polar vortex area (strength), Western Pacific deputy high west ridge point index significantly reduced, and the Western Pacific subtropical high pressure(extent, intensity, ridge line, north side ), the India Burma trough, Tibet plateau, India subtropical high area index showed significant increase in 1961—2013, which may be the reasons for the surface temperature change of Yunnan Province.

Yunnan Province; surface temperature; temporal and spatial characteristics; influence factor

S159

A

1005-3409(2017)06-0111-11

2016-09-08

2016-12-12

國(guó)家自然科學(xué)基金“滇東巖溶高原峰林湖盆水資源枯竭機(jī)制研究”(41261007)

程清平(1987—),男,云南昭通人,碩士研究生,主要從事氣候變化與災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究。E-mail:446925163@qq.com

王平(1965—),男,云南昭通人,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事區(qū)域自然地理和自然環(huán)境保護(hù)研究。E-mail:ynwangping@163.com