李曉鶴 張誠 武方舒 李亞麗 楊宏偉

摘要為了全面分析天水55年來各深層地溫的氣候變化特征，利用天水國家氣象觀測站1964—2018年0.8、1.6、3.2 m逐月平均地溫資料，對其變化規(guī)律進行研究。結果表明，1964—2018年天水各深層地溫呈顯著的上升趨勢，其升溫幅度為0.398～0.426 ℃/10 a。0.8、1.6 m 深層地溫最大值出現(xiàn)在夏季，最小值出現(xiàn)在冬季;3.2 m深層地溫最大值出現(xiàn)在秋季，最小值出現(xiàn)在春季。春、秋兩季1.6 m土層平均地溫的變化最活躍;夏、冬兩季各層地溫的變化特點正好相反，夏季深層平均地溫隨深度增加而降低，冬季則相反。氣溫和淺層地溫與深層平均地溫的年變化趨勢呈顯著正相關關系，在變化尺度上保持了高度的一致性。采用Mann-Kendall檢驗法檢測天水各深層地溫序列的突變現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，各深層平均地溫在2001年前后均發(fā)生了突變，表明從2001年開始天水的深層平均地溫進入了增高時期，以突變點2001年為界，增暖后時段的平均值比增暖前高0.37～0.52 ℃/10 a。

關鍵詞深層地溫;變化特征;Mann-Kendall檢驗;天水市

中圖分類號P423文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2020）04-0212-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.04.062

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Analysis of the Variation Characteristics of Deep Layer Underground Temperature at Tianshui City from 1964 to 2018

LI Xiao-he1，2，ZHANG Cheng3，WU Fang-shu3 et al（1.Tianshui Meteorological Bureau，Tianshui，Gansu 741018;2.Tianshui Weather Modification Office，Tianshui，Gansu 741018;3.Zhangjiachuan Meteorological Bureau，Zhangjiachuan，Gansu 741500）

AbstractIn order to study the characteristics of deep layer underground temperature，the variation characteristics in every deep layer temperature had been analyzed with the data of underground temperature at 0.8 m，1.6 m，3.2 m on the Tianshui National Meteorological Observation Station from 1964 to 2018.The results showed that the deep layer temperature had been turned to arising from 1964 to 2018 and the range was from 0.398 ℃ to 0.426 ℃ every ten years.The peak value of underground temperature at 0.8 m and 1.6 m appeared at summer while its lowest value appeared at winter.The peak value of underground temperature at 3.2 m appeared in at autumn while its lowest value appeared at spring.The underground temperature at 1.6 m varies actively during spring and autumn.In summer and winter，the variation of ground temperature in each layer were just opposite which the temperature decrease with the depth in summer and increase with depth in winter.The underground temperature variation trend of the shallow layer and deep layer showed significant positive correlation and keep a high degree of consistency on the scale.The Mann-Kendall test was used to detect the abrupt changes in the underground temperature sequence of each layer in Tianshui.It was found that the average underground temperature in each of the deep layers changed abruptly around 2001，indicating that the deep average underground temperature in Tianshui had entered an increasing period since 2001.For the boundary，the average value after the warming period was 0.37-0.52 ℃/10 a higher than that before the warming.

Key wordsUndergroud temperature in deep layer;Variation characteristics;Mann-Kendall test;Tianshui City

陸地下墊面與大氣之間的相互作用影響著各種尺度的天氣、氣候變化，它主要通過下墊面反射率、土壤濕度、土壤熱儲量3個方面對大氣環(huán)流和氣候變化產(chǎn)生重要影響[1-2]。在下墊面與大氣之間的相互作用中，土壤自身吸收和釋放太陽輻射能量產(chǎn)生的熱量變化，會對大氣中的天氣氣候變化產(chǎn)生一定的反饋作用[3-5]。對于土壤溫度的變化特征，先后有多位學者進行了研究，Zhang等[6]對20世紀加拿大土壤溫度變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)土壤溫度對氣溫和降水的響應過程對氣候變化會產(chǎn)生明顯影響;Hu等[7]通過分析美國1967—2002年地溫的季節(jié)變化特征，認為地溫與氣溫的變化有較一致的同步性;董文杰等[8]提出了用地溫資料計算土壤熱流的方法;湯懋蒼等[9]對深層土壤溫度與后期降水的關系進行了長期研究，開始用深層地溫來做降水預報。天水地處甘肅省東南部，屬于溫和半干旱半濕潤氣候類型，氣候變化在很大程度上影響著當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展。近年來，對天水市的降水、雷暴、氣溫等要素變化特征已經(jīng)有了較多的研究，但對天水深層地溫變化規(guī)律的研究鮮見報道。因此，筆者選取甘肅天水國家氣象觀測站1964—2018年0.8、1.6和3.2 m深層地溫逐月平均資料，分析近55年來天水深層地溫的變化特征，以期揭示其對天氣氣候變化的響應。

1資料與方法

1.1資料選取從保證資料的均一性和序列長度的原則考慮，選取資料年限在50年以上的天水國家氣象觀測站（104°53′E，34°43′N，1 141.7m）1964—2018年0.8、1.6和3.2 m深層地溫逐月平均資料進行分析。其中，對站址有遷移的2004—2005年資料，通過一年的對比觀測資料進行了差值法訂正。資料采集方式上，2003年以前采用玻璃液體地溫表人工觀測資料，2004年以后采用WZP-1型鉑電阻溫度傳感器自動采集數(shù)據(jù)。資料統(tǒng)計方法遵循《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)定，日平均值取每日02：00、08：00、14：00、20：00 4次定時值之和除以定時次數(shù)而得，月平均值為該月逐日的日平均合計值除以該月總日數(shù)而得。季節(jié)劃分為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—翌年2月）。

1.2分析方法采用Excel 2003軟件統(tǒng)計處理數(shù)據(jù)，利用趨勢分析法[10]分析其變化特征，采用Mann-Kendall法[11]對資料序列進行突變檢驗。

2結果與分析

2.1深層地溫年際變化特征

1964—2018年天水0.8、1.6、3.2 m深層地溫平均值分別為13.2、13.4、13.6 ℃。其中，0.8、1.6 m深層地溫最大值出現(xiàn)在夏季，最小值出現(xiàn)在冬季;3.2 m深層地溫最大值出現(xiàn)在秋季，最小值出現(xiàn)在春季。

由圖1可知，天水0.8、1.6、3.2 m深層地溫的年平均值呈明顯的階段性特征。1964—1976年各層地溫呈下降趨勢;1977—1992年各層地溫在平均值上下呈現(xiàn)波動;1993—2016年各層地溫均呈極顯著上升趨勢;2016年后各層地溫又呈現(xiàn)下降趨勢。總體來看，1964—2018年天水深層地溫呈波動狀緩慢上升趨勢，且各土層地溫變化趨勢具有較強的一致性。0.8、1.6、3.2 m深層地溫的變化傾向率分別為0.398、0.418、0.426 ℃/10 a，其相關系數(shù)分別為0.784 4、0.825 8、0.853 5。在相同的時間段，土層越深則溫度越高;在不同的變化階段，較淺的土層地溫變化幅度比深層的土層大。

分析深層地溫的年際和四季變化情況（表1）可知，1964—1990年深層地溫（與多年平均值相比）偏低，1991—2000年比多年平均值稍低，進入2001年后各深層地溫明顯偏高。以2001年為界，其前、后2個階段，各層地溫的變化趨勢差異顯著。

從季平均地溫的各年代氣候變化傾向率看，2000年之前各季深層地溫均有所下降，其中0.8、1.6 m平均地溫在夏季降幅較大，3.2 m平均地溫在秋季降幅較大，各層平均降溫幅度為0.01～0.02 ℃/l0 a;2001年之后各季深層地溫增溫趨勢明顯，其中0.8、1.6 m平均地溫在夏季升溫幅度較大，3.2 m在夏季和秋季升溫幅度較大，各層平均增溫幅度為0.76～0.84 ℃/l0 a。

2.2深層地溫月變化特征

從0.8、1.6和3.2 m各深層平均地溫的逐月變化情況（圖2）可以看出，0.8 m深層平均地溫在1—8月為上升趨勢，且3—6月升幅較大，其平均地溫最高值出現(xiàn)在8月;在8月—翌年1月為下降趨勢，且10—12月降幅較大，其平均地溫最低值出現(xiàn)在1月。1.6 m深層平均地溫在2—8月為上升趨勢，且4—7月升幅較大，其平均地溫最高值出現(xiàn)在8月;在9月—翌年2月為下降趨勢，其平均地溫最低值出現(xiàn)在2月。3.2 m深層平均地溫變化趨勢相對比較緩慢，在3—10月呈上升趨勢，在10月—翌年3月呈下降趨勢，月平均地溫最高值出現(xiàn)在9月，最低值出現(xiàn)在3月。從天水0.8、1.6、3.2 m各深層地溫各月氣候變化趨勢（表2）可看出，各月深層平均地溫均呈增高趨勢。

2.3深層地溫季變化特征

從圖3可看出，1964—2018年天水0.8、1.6、3.2 m各深層地溫的各季節(jié)變化也具有顯著的階段性特征，但各季節(jié)深層地溫的變化情況不盡相同。春季，1964—1992年各層地溫均呈下降趨勢，降幅在0.01～0.09 ℃/l0 a;1993年之后增溫明顯，升幅在0.28～0.91 ℃/l0 a;春季0.8 m土層平均地溫最高，3.2 m土層次之，1.6 m土層的平均地溫最低，各層的變化幅度相差不大。夏季，1976年前各層地溫均呈下降趨勢，降幅在0.39～0.49 ℃/10 a;1977—1993年在平均值上下波動;1994年之后增溫明顯，升幅達1.15～1.53 ℃/l0 a;夏季0.8 m土層平均地溫最高，1.6 m土層次之，3.2 m土層的平均地溫最低。秋季，1976年前各層地溫均呈下降趨勢，降幅在0.53～0.68 ℃/l0 a;1977—1992年呈現(xiàn)波動上升，升幅在0.02～0.33 ℃/l0 a;1993年之后增溫明顯，升幅在0.84～1.24 ℃/l0 a;秋季1.6 m土層的平均地溫最高，3.2 m土層最低。冬季，1976年前各層地溫均呈下降趨勢，降幅在0.38～0.57 ℃/l0 a;1977年后呈現(xiàn)緩慢上升，升幅在0.03～0.19 ℃/l0 a;冬季3.2 m平均地溫最高，1.6 m 土層次之，0.8 m土層的平均地溫最低。

從上述分析可見，1.6 m土層春季的平均地溫最低，秋季的平均地溫最高，說明在春、秋兩季1.6 m土層平均地溫的變化比0.8和3.2 m活躍。夏季各土層的平均地溫隨深度的增加而降低，說明熱量傳遞由淺向深，是土壤自身吸收太陽輻射、積蓄能量的過程;冬季正好相反，各土層的平均地溫隨深度的增加而升高，說明熱量傳遞由深向淺，是土壤釋放能量的過程?？傮w來看，1964—2018年天水四季深層平均地溫的變化趨勢存在共同特征，均呈上升趨勢。其中21世紀以來0.8、1.6、3.2 m各深層平均地溫均高于20世紀以前。

2.4深層地溫與淺層地溫和氣溫的關系

由圖4可見，1964—2018年天水0、15、40 cm淺層平均地溫總體呈上升趨勢，其氣候傾向率為0.227～0.334 ℃/10 a（P<0.01）。從淺層與深層平均地溫的年變化趨勢對比可知，兩者的變化趨勢具有較高的一致性，但當?shù)販厣仙龝r，淺層地溫的上升幅度比深層大;當?shù)販叵陆禃r，淺層地溫的下降幅度比深層小。對0、15、40 cm淺層平均地溫和0.8、1.6、3.2 m深層平均地溫進行相關檢驗，其相關系數(shù)在0.603～0.787（P<0.01）。

1964—2018年天水平均氣溫總體也呈上升趨勢，氣候傾向率為0.384 ℃/10 a（P<0.01）。其中，1964—1976年平均氣溫呈現(xiàn)下降趨勢，1977—1993年在平均值上下呈緩慢波動上升，1994年以后氣溫快速上升。對1964—2018年平均氣溫與0.8、1.6、3.2 m深層平均地溫進行相關分析，發(fā)現(xiàn)其相關系數(shù)分別為0.831、0.847、0.831（P<0.01），表明氣溫與各深層地溫之間關系呈顯著正相關。

2.5深層地溫的突變檢驗從圖5可看出，近55年來天水0.8、1.6、3.2 m深層地溫均在2001年發(fā)生了突變，且各層次地溫的變化趨勢較為一致，說明從2001年開始天水的深層平均地溫進入了增高時期，其變化趨勢與全國和西北地區(qū)基本一致[12-13]。以突變點2001年為界，統(tǒng)計天水0.8、1.6、3.2 m深層地溫突變前（1964—2000年）、后（2001—2018年）的各層地溫平均值，突變前、后上升幅度分別為0.11～0.17和0.48～0.69 ℃/10 a，增暖后時段的平均值比增暖前高0.37～0.52 ℃/10 a。

3結論與討論

（1）1964—2018年天水0.8、1.6、3.2 m深層平均地溫分別為13.2、13.4、13.6 ℃，各深層地溫總體上均呈緩慢上升趨勢，其升溫幅度分別為0.398、0.418、0.426 ℃/10 a。

（2）各季節(jié)深層地溫的變化情況不盡相同。0.8、1.6 m深層地溫最大值出現(xiàn)在夏季，最小值出現(xiàn)在冬季;3.2 m深層地溫最大值出現(xiàn)在秋季，最小值出現(xiàn)在春季。在春、秋兩季，1.6 m土層平均地溫的變化最活躍;夏、冬兩季各層地溫的變化特點正好相反，夏季深層平均地溫隨深度增加而降低，冬季深層平均地溫隨深度增加而升高。

（3）氣溫變化是影響深層地溫變化的主要因素之一，1964—2018年天水平均氣溫與各深層地溫間呈顯著正相關關系，年平均氣溫高的年份，深層地溫也高。1964—2018年天水0～40 cm淺層地溫與0.8～3.2 m深層地溫的總體變化趨勢也高度一致，呈顯著正相關關系。

（4）Mann-Kendall突變檢驗表明，天水0.8、1.6、3.2 m深層地溫均在2001年發(fā)生了突變，表明從2001年開始天水的深層平均地溫進入了增高時期，以突變點2001年為界，增暖后時段的平均值比增暖前高0.37～0.52 ℃/10 a。

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