張 威,紀 然

遼寧師范大學城市與環(huán)境學院，大連 116029

地溫是指地表溫度和地表以下不同深度的土壤溫度的總稱,是氣候變化的重要評價指標[1]。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第5次評估報告內容指出,1880—2012年間全球地表平均溫度增加約0.85℃[2]。在氣候的形成及演化的過程中下墊面扮演著重要的角色,伴隨人類社會經濟的發(fā)展,對土地使用的需求不斷增加,改變了下墊面原有的狀態(tài),從而對氣候造成了很大的影響[3]。地溫的變化會直接影響下墊面的反射率以及土壤的濕度和熱量,從而對氣候變化造成影響,同時地溫也是重要的農業(yè)氣象參數,土壤的水鹽運動以及肥力的改變均會受到地溫的影響,并且土壤中的一些物理、化學及生物過程也離不開適宜的地溫,與種子的萌發(fā)、生長以及水分養(yǎng)分的吸收和運輸都有密不可分的關系[4- 6]。氣溫與地溫通過陸氣作用相互聯系,因此氣候變化必然會導致地溫的變化。氣候變暖會使土地利用模式及覆蓋狀況發(fā)生改變,影響水循環(huán)系統(tǒng),甚至對生物多樣性造成不可逆的破壞,從而對全球生物化學循環(huán)系統(tǒng)造成影響[7]。另外,地溫升高會促使土壤貧瘠化,對森林植被生長造成影響[8],對凍土區(qū)道路及建筑設施等造成不同程度的破壞,加速全球升溫的趨勢,使溫室效應越來越嚴重[9]。因此全面了解氣候變化背景下地溫的變化對農業(yè)生產、生態(tài)環(huán)境以及城市建設都具有重要意義。

在全球變暖的發(fā)展趨勢下,不同領域專家學者對地溫變化的關注不斷增加,王佳林等采用相關分析、M-K非參數檢驗等方法對中國0cm地溫的變化特征進行了分析,指出中國大部分地區(qū)0cm地溫都表現為升溫趨勢,且北方地區(qū)較南方升溫更加明顯[10]。任國玉等采用計算區(qū)域平均氣候時間序列的方法對中國地面氣溫變化進行分析,得出從區(qū)域上看, 中國大陸地區(qū)最明顯的增溫發(fā)生在北方和青藏高原地區(qū)[11]。楊明等研究中國西部地區(qū)地溫及氣溫變化規(guī)律,發(fā)現地溫變化較氣溫變化更加劇烈[12]。姜曉和魏東平利用氣候傾向率和小波分析方法分析北京地區(qū)的氣候變化,發(fā)現該地區(qū)的淺層地溫和氣溫均有所增加,淺層地溫和氣溫同時存在約10a和15a多重周期變化特征[13]。杜軍等采用氣候傾向率、累積距平、信噪比等氣候統(tǒng)計方法對拉薩淺層地溫進行研究,指出淺層各季節(jié)平均地溫均呈顯著的升高趨勢,其中春季最大,夏季最小[14]。周刊社等采用氣候傾向率法、M-K檢驗等方法分析地氣溫差的變化趨勢,指出淺層地溫均呈顯著上升趨勢,其中藏西部和藏中部比藏東部增溫顯著,預估至21世紀末,地溫增溫幅度相當于南移近1個緯度[15]。張煥平等采用氣候統(tǒng)計診斷分析方法,對青海地溫進行研究得出5—20cm土層地溫呈上升趨勢,并且夏季增幅最大,地溫和氣溫呈明顯的正相關[16]。此外研究學者還發(fā)現,雖然土壤的熱量主要來源于太陽輻射,氣溫變化是影響地溫變化的直接原因,但是地溫還受到諸多其他因素的影響,比如地形因素、土壤自身性質、氣候環(huán)境等,它們對地溫的影響雖然不顯著但卻是不可忽略的一部分[17- 21]。針對遼寧省地溫的研究,如陳鵬獅等對遼寧地溫變化規(guī)律進行分析得出0cm地溫與氣溫均呈增溫趨勢的結論,其中地溫增溫速率高于氣溫,且冬季升溫速率最為明顯,夏季升溫速率最慢[22]。周斌等研究了遼寧省春季表層地溫變化及其與氣溫的關系,指出隨土壤深度的增加,地溫與氣溫的差值逐漸降低[23]。隋景躍等對遼寧西部地區(qū)淺層地溫進行分析,指出各個層次地溫變化均具有升高趨勢,但0cm溫度傾向率最大[24]。以上研究主要集中在地表溫度分布及變化特征的研究上,與其他氣候要素之間的關系涉及較少,遼寧省既是主要的糧食產地又是老工業(yè)發(fā)展基地,區(qū)內存在多種不同的氣候類型,通過對地表溫度變化的研究,將會為遼寧以及全國地區(qū)的地表溫度和氣候變化研究提供有價值的數據,同時對合理開發(fā)利用氣候資源,調整農作物種植結構合理安排農業(yè)生產布局具有參考價值。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文所用的氣象數據均來自中國氣象數據科學共享服務網(http://data.cma.cn),其中地表溫度采用遼寧省24個氣象站點1960—2016年逐日氣象數據,平均溫度、日照時數、降水量和風速為遼寧省24個氣象站點1960—2016年月值數據,選取的24個氣象站臺分別為彰武、阜新、開原、清原、朝陽、建平縣、新民、黑山、錦州、鞍山、沈陽、本溪、撫順、桓仁、綏中、興城、營口、熊岳、岫巖、寬甸、丹東、瓦房店、莊河、大連(圖1),這24個氣象站的氣象數據比較完整,并且均勻的分布在整個研究區(qū)域內,可以較好的代表研究區(qū)整體的地表溫度及氣象要素的變化特征。

對遼寧省24個站點1960—2016年各氣象資料進行處理,得到月平均值及年均值,將地表溫度及其他四項氣象要素按照春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12—2月)的標準,得到遼寧省各氣象要素1960—2016年季節(jié)平均值。

圖1 本文所選遼寧省各氣象站點分布圖Fig.1 Distribution map of various meteorological stations in Liaoning Province selected in this paper

1.2 研究方法

1.2.1分布函數

假設X為一組隨機變量,x為任意實數,那么函數F(x)=P{X≤x},-∞

對任意實數x1、x2(x1

P{x1

(1)

由此,已知X的分布函數,那么就可以知道X落在區(qū)間(x1,x2]上的概率,因此可以說分布函數完整的展現出隨機變量的規(guī)律性。如果將X看成是數軸上的隨機點的坐標,那么,分布函數F(x)在x處的函數值就表示X落在區(qū)間(-∞,x]上的概率。

1.2.2氣候傾向率

氣候傾向率[25]可以用來顯示氣候要素隨時間的變化趨勢,本文利用氣候傾向率展現遼寧省地表溫度的變化特點,建立時間序列t與氣象要素x之間的一元線性回歸方程：

Xi=a+bti

(2)

其中,t為時間序列(1960—2016),b為線性趨勢項,將b×10得到的數值稱為氣象要素的氣候傾向率(/10a)。

1.2.3Mann-Kendall突變檢驗

對于含有n個樣本的時間序列x,構造一秩序數列：

(3)

(4)

(5)

其中

(6)

UF=0,當k增加時,UF很快收斂于標準正態(tài)分布,在給定顯著性水平a下,于正態(tài)分布表中查出臨界值Ua/2,當Ua/2<|UF|,說明序列具有顯著的變化趨勢。將時間序列xi逆序排列,同時使UB=-UF,經過分析序列UF和UB,即可得到變化趨勢,突變時間以及突變區(qū)域。如果UF≥0,則序列為上升的趨勢,反之則為下降的趨勢;超過臨界直線,說明變化趨勢是十分顯著的。若UF和UB相交,且交點在臨界直線間,則交點時刻即為突變時刻[26]。

1.2.4小波分析

對于地表溫度的變化時間序列,由于其受到自然因素的影響呈現出復雜的、非線性且多時間尺度的變化特征,正交或離散小波變換不能夠準確的對信號進行分析。而復小波變換相對于實小波變換,不僅能顯示時間序列變化的振幅,而且能夠給出時間序列變化的位相,使對信號的分析更加深入。此外,復小波變換可以避免由于虛假震蕩而產生的誤差,提高結果的準確性。因此,本文選用連續(xù)Morlet復小波變換對地表溫度的多時間尺度特征進行分析[27-32]。

小波函數是小波分析的重點,它是指具有震蕩性并且可以迅速衰減到零的一類函數,即小波函數ψ(t)∈L2(R)且滿足：

(7)

式中,ψ(t)為基小波函數,進行小波變換得：

(8)

(9)

將由小波變換方程得到的不同時間尺度的所有小波系數在b域上積分,就可得到小波方差,即

(10)

小波方差圖即顯示了小波方差隨尺度a的變化過程。由式(10)可知,它可以體現出信號波動的能量隨尺度a的分布。因此,小波方差圖可檢驗出信號中主要時間尺度,即主周期。

2 結果分析

2.1 遼寧省地表溫度的時間變化特征

2.1.1年代際變化特征分析

距平是指一組數值中某一數值與平均值的差,通過地表溫度年代的距平統(tǒng)計值可以反映其年代際的變化特征(表1)。遼寧省近57年來年及四季地表溫度的年代變化具有很大的差異。其中,地表溫度在20世紀的60、70、80年代均為負距平,低于全省多年平均地表溫度。從20世紀90年代至2016年各年代地表溫度都為正距平,高于全省多年平均地表溫度;各季節(jié)地表溫度在不同年代變化中與年地表溫度變化略有不同。從20世紀60年代到80年代,春季、夏季及秋季與年地表溫度的變化一致,都表現為先降低后升高,但冬季地表溫度則相反,表現為先升高后降低。隨后至21世紀10年代,除10年代春季的地表溫度明顯降低,其余三個季節(jié)地表溫度均呈上升狀態(tài),致使10年代與上一年代在年平均地表溫度上保持不變。

表1 遼寧省各年代際年及各季節(jié)地表溫度距平平均值/℃

為了進一步分析遼寧省地表溫度的年代際變化特征,應用分布函數對年代際地表溫度進行研究,結果如圖2。年地表溫度總體表現為升高的趨勢,但在20世紀60年代至80年代階段,所占比例最大的地表溫度值(以下稱“地表溫度最大值”)基本沒有移動,自90年代開始向正方向移動。春季地表溫度最大值一直在變動,20世紀60年到至21世紀00年代地表溫度最大值由9.8℃增加到13℃,2010—2016年間地表溫度最大值向負方向移動,降低至11℃,且最大值所占比例較低,表明此期間春季地表溫度向寒冷的趨勢發(fā)展;夏季地表溫度變化幅度相對較小,并且在21世紀前地表溫度最大值基本在26℃左右保持穩(wěn)定,進入21世紀開始向正方向移動;秋季地表溫度最大值在20世紀60、70、80年代變化幅度不大,從90年代開始升高;冬季地表溫度變化明顯,地表溫度最大值變化幅度較大,總體趨勢為隨時間向正方向移動,表明冬季地表溫度呈不斷升高的趨勢,此結論與陳鵬獅等對遼寧省地溫變化規(guī)律的研究結果基本一致[22]。

圖2 遼寧省1960—2016年地表溫度年和季節(jié)分布函數圖Fig.2 Annual and seasonal distribution of land surface temperature in Liaoning Province from 1960 to 2016

2.1.2年際變化特征分析

圖3給出了遼寧省1960—2016年、季節(jié)地表溫度隨時間的變化趨勢圖,可以看出遼寧省地表溫度總體呈波動上升趨勢,年際氣候傾向率達到了0.37℃/10a,與全球變暖的大背景相符。在整體上升的趨勢下存在三次短暫的下降階段,分別發(fā)生在1960—1970年間、1980年和2006年;四季地表溫度也均呈上升的趨勢,相比之下冬季回歸趨勢最為顯著,上升幅度最高,夏季上升幅度最低。

圖3 遼寧省1960—2016年地表溫度年、季節(jié)年際變化Fig.3 Annual and seasonal changes in surface temperature during the period from 1960 to 2016 in Liaoning Province

2.1.3地表溫度突變分析

為分析遼寧省1960—2016年間地表溫度的變化規(guī)律,應用Mann-Kendall檢驗方法,在0.05的顯著性水平下(95%置信度檢驗線)檢驗遼寧省地表溫度的突變特征,結果如圖4,遼寧省年地表溫度整體呈先降低后升高的變化趨勢,1960—1970年間地表溫度特征曲線UF呈波動下降,隨后開始快速上升,在1995年發(fā)生突變。四季地表溫度均呈先降低后升高的變化趨勢,其中冬春兩季發(fā)生的突變時間早于秋夏兩季。

圖4 遼寧省1960—2016年各季節(jié)、年地表溫度M-K檢驗曲線Fig.4 Mann-Kendall test curve of surface temperature for each season and year in Liaoning Province from 1960 to 2016

2.1.4地表溫度周期分析

為分析遼寧省1960—2016年間地表溫度的周期變化情況,本研究采用Morlet復小波變換對遼寧省地表溫度進行多時間尺度分析,如圖5所示,春季地表溫度具有30—50a和18—25a兩種尺度的周期震蕩,小波方差圖(圖6顯示),遼寧省地表溫度年際變化存在兩個峰值,對應兩個周期變化,第一個是38a尺度的主周期,第二個是22年尺度的次周期。夏季地表溫度存在29—48a和18—26a兩種尺度的周期震蕩,秋季與春季相似,具有兩種同樣尺度的周期變化。冬季地表溫度的周期變化情況較其他季節(jié)復雜,主要存在三個尺度的變化周期,分別為30—48a、14—25a和10—18a,其中14—25a尺度的周期震蕩主要表現在20世紀70年代后,10—18a尺度的周期震蕩發(fā)生在90年代后,均表現為“高-低”的兩次準交替變換。通過小波方差圖顯示37a為第一主周期,22a和16a為地表溫度變化的第二主周期和第三主周期。年地表溫度周期變化具有兩種尺度,分別為30—46a和19—25a,年地表溫度周期變化過程為“高-低-高”,且現今處于較高的地溫水平,小波方差圖顯示,年地表溫度具有38a的主周期和22a的次周期。

圖5 遼寧省各季、年地表溫度小波系數等直線圖Fig.5 Linear maps of seasonal temperature and annual wavelet coefficients of surface temperature in Liaoning Province

圖6 遼寧省各季、年地表溫度小波系方差Fig.6 Wavelet variance of surface temperature in seasons and years in Liaoning Province

2.2 遼寧省地表溫度的空間分布特征

利用ArcGIS軟件將遼寧省24個站點近57年地表溫度進行插值(圖7)。地表溫度由西南向東北逐漸降低,沿海地區(qū)地表溫度高于內陸地區(qū),整個區(qū)域的年地表溫最大值出現在遼東半島的大連地區(qū),多年平均地表溫度達13.04℃,最小值出現在遼東地區(qū)的清源,地表溫度為7.98℃,區(qū)域地表溫度差值為5.06℃。

利用同樣的方法繪制1960—2016年地表溫度氣候傾向率空間分布圖?？梢钥闯?960—2016年地表溫度變化趨勢系數均為正值,說明近57年各地區(qū)地表溫度均為增高的趨勢,增溫趨勢最顯著的地區(qū)發(fā)生在遼東北的開原、清源一帶,增溫變化率達0.5℃/10a,向西南方向增溫幅度下降,最低值出現在沿海地區(qū)的綏中、大連,最低值為0.26℃/10a。綜合圖6遼寧省地平均表溫度較高的地區(qū)氣候傾向率卻較低,由此可以得出,近57年遼寧省地表溫度的溫差呈現減小的變化趨勢。

圖7 遼寧省1960—2016年平均地表溫度與氣候傾向率空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of average surface temperature in Liaoning Province from 1960 to 2016

2.3 遼寧省地表溫度與氣候變化的關系

圖8為遼寧省1960—2016年平均氣溫的空間分布圖,通過對比地表溫度的空間分布,發(fā)現其空間分布具有極大的相似性,說明遼寧省氣溫的變化對地表溫度的影響是非常顯著的,地表溫度的變化不可避免的受到氣溫的直接影響,即大氣與地面間的熱量交換過程可以直接反應在地表溫度的變化上[33]。此外,相關系數可以不同程度上體現兩者間的相互關系,在研究地表溫度與氣溫的相關性的過程中發(fā)現其相關性在空間分布上也具有一定的特征,圖9為遼寧省各站點年地表溫度與氣溫的相關系數分布圖,從中可以看出,遼寧西部地區(qū)站點的相關性均比東部地區(qū)站點的相關性高,說明整個研究區(qū)域內西部受到氣溫的影響比東部更加顯著。

圖10為遼寧省近57年平均氣溫、降水量、日照時數及風速與地表溫度隨時間的變化趨勢,平均氣溫整體上呈上升趨勢,20世紀80年代前表現為波動下降,隨后開始上升。結合前文分析內容可以發(fā)現,地表溫度也具有同樣的變化趨勢,即地表溫度與氣溫在時間序列的變化趨勢上具有同步的性質,說明氣溫的時間變化對地表溫度的時間變化具有很大的影響。通過對地表溫度和氣溫的相關系數的研究可以進一步了解兩者的相關程度,結果顯示氣溫對地表溫度具有顯著的正向驅動,即地表溫度的變化主要是由氣溫的變化所導致。各季的地表溫度與氣溫也均具有相似的變化情況,其中夏季地表溫度受氣溫影響最顯著,根據已有研究結論,中國東北地區(qū)氣溫增幅明顯,且從20世紀70年代開始,結合本文地溫與氣溫變化趨勢,遼寧省同整個東北地區(qū)的變化趨勢及轉折點完全相同[34]。

根據圖10,降水量偏多的年份對應的地表溫度值都比較低,通過計算遼寧省年及各季地表溫度與降水的相關系數可以看出,夏季與降水的相關關系最大,其余季節(jié)并未顯示出明顯的相關性。夏季降水對地表溫度的影響是通過土壤濕度的反饋機制實現的。

太陽輻射對地表溫度的變化也存在很大的影響,間接的通過地表潛熱和熱能轉換制約著地表溫度的變化,此外,垂直方向的熱能傳輸對地表溫度也會有一定的影響[35]。有研究表明,地表溫度與降水量呈負相關,與日照時數呈正相關[36],圖10顯示日照時數隨時間的變化趨勢與地表溫度的變化趨勢相反,但仔細觀察發(fā)現,雖然變化趨勢相反,但波動過程中的變化一致,即日照時數多的年份其地表溫度比較高,日照時數少的年份其地表溫度比較低,這說明兩者之間是存在正相關關系的。兩者間相關系數顯示,夏季地表溫度與日照時數間的正相關關系是最為顯著的。

有研究表明降水和風速對地表溫度的影響表現在日極值方面,當地表溫度達到最高值的時候,如果此時發(fā)生刮風天氣,那么地表溫度將會大幅度的快速下降[37],如果風速降低,那么促進地表熱量散失的作用就會減弱甚至消失,那么此時地表溫度將會明顯升高[38]。圖10可以看出遼寧省近57年遼寧省風速發(fā)生明顯的下降,地表溫度的變化趨勢剛好與風速的變化趨勢相反,大部分年份中風速較大的時間對應的地表溫度都比較小。各季及年地表溫度與風速均呈負相關關系,相對比地表溫度與日照時數和降水的關系系數,風速與地表溫度的關系更加密切。此外,風速對地表溫度的影響中夏季是最薄弱的,而剛好日照和降水對地表溫度的影響比較顯著,當風速顯著減小時,地表熱量散失的動力就會減小,導致地表溫度升高,而夏季地表溫度主要是受氣溫、日照和降水共同的作用,因此使風速對地表溫度的影響變得不那么明顯。

圖8 遼寧省1960—2016年平均氣溫空間分布 Fig.8 Spatial distribution of annual average temperature in Liaoning Province from 1960 to 2016

圖9 遼寧省各站點年及各季地表溫度與氣溫的相關系數 Fig.9 Correlation coefficient between surface temperature and air temperature at each site in Liaoning Province and each season

圖10 遼寧省1960—2016年平均氣溫、降水量、日照時數及風速與地表溫度變化趨勢Fig.10 Temperature, precipitation, sunshine hours, wind speed and surface temperature trends in Liaoning Province from 1960 to 2016

2.4 遼寧省地表溫度與地形地勢的關系

地表溫度的空間分布特征及與各氣象要素的關系同樣受到地形地勢的影響,圖11為遼寧省地勢高程圖,其整體呈自北向南,由東西向中部傾斜,平原主要分布在中部以及沿海地區(qū),山地丘陵分布在東西兩側,但遼東地區(qū)海拔高于遼西地區(qū)。根據前文地溫的空間分布特征可以看出,地溫的分布與地形地勢存在密切關系,即中部及沿海平原地區(qū)地表溫度高于山地丘陵地區(qū)。此外,地表溫度與氣溫相關性的分布情況同樣與地形地勢存在聯系,通過對比圖9、11可以看出相關系數偏低的地區(qū)多為山地丘陵區(qū),因此地形對土壤溫度的變化產生了一定的作用,從而降低了氣溫對地表溫度的直接影響。

表2 遼寧省1960—2016年平均氣溫、降水量、日照時數及風速與地表溫度相關系數

Table 2 The correlation coefficient between the average temperatur, precipitation, sunshine duration, wind speed and surface temperature of Liaoning Province from 1960 to 2016

年Year春季Spring夏季Summer秋季Autumn冬季Winter平均氣溫Average temperature0.922??0.877??0.916??0.903??0.850??降水量Precipitation-0.3830.142-0.409??-0.3120.088日照時數Sunshine hours-0.1590.020.517??-0.029-0.241風速Wind speed-0.526??-0.451??-0.174-0.556??-0.465??

**表示通過0.01顯著性檢驗(雙尾)

圖11 遼寧省地勢高程圖Fig.11 Liaoning Province terrain elevation map

3 結論

伴隨全球氣候變暖的發(fā)展趨勢,地表溫度也定將會受到影響,而地表溫度的改變影響著農業(yè)、工程以及氣候間的循環(huán)過程,從而對我們人類的生產、生活都會產生巨大的影響。本文利用遼寧省24個氣象站1960—2016年地表溫度月平均數據,分析遼寧省地表溫度的時空變化特征,以及可能對地表溫度變化產生影響的氣象要素間的關系,主要結論如下：

(1)遼寧省地表溫度在不同年代際存在不同的變化趨勢,其中20世紀60—80年代低于多年平均地表溫度,90年代至21世紀10年代高于多年平均地表溫度;年際變化隨時間向暖趨勢發(fā)展,氣候傾向率達0.36℃/10a,其中冬季地表溫度增溫幅度最大;遼寧省年地表溫度在1995年發(fā)生突變,經檢驗表明其升高趨勢顯著;遼寧省年地表溫度具有30—46a和19—25a的兩種時間尺度的周期變化。

(2)遼寧省年地表溫度呈自西南向東北逐漸降低的分布特征。隨時間發(fā)展,地表溫度的溫差呈現減小的變化趨勢。

(3)地表溫度與氣溫的相關性大小在整個區(qū)域內呈西高東低的分布特點,即遼寧省西部地區(qū)地表溫度與氣溫的關系比東部地區(qū)更加緊密;在與降水的關系中,降水量高的年份地表溫度均比較低,夏季與降水的相關關系最大,其余季節(jié)并未顯示出明顯的相關關系;年及各季地表溫度與日照時數均呈相反的變化趨勢,夏季地表溫度與日照時數間的正相關關系是最為顯著的;年及各季地表溫度與風速均呈負相關,其中只有夏季相關性很小,考慮夏季地表溫度主要是受氣溫、日照和降水共同的作用,弱化了風速對地表溫度的影響。