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        近42年山西省晉城市地溫與氣溫時空特征研究

        2020-05-21 03:33:29劉強軍梁赟宋軍芳
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:特征分析

        劉強軍 梁赟 宋軍芳

        摘要:利用1976—2017年晉城市轄區(qū)內(nèi)5個氣象站的氣溫和0~20 cm 地溫資料,采用累積距平、信躁比、氣候傾向率等統(tǒng)計方法,對地溫和氣溫的年、季、月氣候空間特征和突變及異常特征進行相關(guān)分析。結(jié)果表明,年、季平均氣溫和地溫均呈升高趨勢,增幅為0.018~0.056 ℃/年,地溫增幅小于氣溫,氣溫在冬季增幅最大,地溫在春季增幅最大。氣溫與年平均地溫呈顯著正相關(guān)性,全年各層相關(guān)系數(shù)均≥0.89,其中0 cm氣溫與地溫相關(guān)系數(shù)達到0.95,5 cm 最小,為0.89,春季最大,冬季最小(10 cm土層除外)。年平均氣溫和5 cm平均地溫在1994年發(fā)生了突變,其他各層地溫在1998年發(fā)生了突變,氣溫較歷年平均值偏低 0.8 ℃,地溫偏低 0.4~0.5 ℃,屬于冷期;突變后氣溫較歷年平均值偏高 0.5 ℃,地溫偏高 0.4~0.6 ℃,屬于暖期。四季中,氣溫的異常年份與秋季地溫關(guān)聯(lián)性較高,與其他季節(jié)關(guān)聯(lián)性較低。晉城市各層地溫的空間分布均表現(xiàn)為東低西高。以上研究表明,地溫和氣溫相關(guān)性極強,對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

        關(guān)鍵詞:晉城;地溫;氣溫;氣候傾向率;相關(guān)分析

        中圖分類號:S161.2?? 文獻標(biāo)志碼:A? 文章編號:1002-1302(2020)06-0240-06

        在陸氣相互作用中,大氣環(huán)流和氣候變化受地面反照率、土壤溫度和濕度的影響,土壤溫度對作物的生長有著直接的影響[1-3],本研究所指地溫是指下墊面溫度和不同深度的土壤溫度,地溫的變化特征有助于研究各層地溫對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響[4-5],在氣候變暖的大背景下,研究地面淺層下溫度的變化,對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

        晉城市位于山西省東南部,氣候的總體趨勢是變暖,冬、秋波動明顯,夏季變化較小,氣候變暖對農(nóng)作物的生長、發(fā)育、耕作及產(chǎn)量有明顯的影響。近些年,已有杜軍等研究得出年平均地溫呈現(xiàn)明顯升高趨勢,且與氣溫呈線性正相關(guān),趨勢相近[6-10];陸曉波等研究發(fā)現(xiàn),平均地溫年代際變化特征明顯,其中冬季地溫的年代際變化比其他季節(jié)顯著[11-14];陳超等的研究表明,深層地溫均呈升高的趨勢,以冬季地溫升溫最明顯,夏季地溫以下降為主[15-17];虞海燕等研究了1951—2009年我國不同區(qū)域氣溫和降水量變化特征,但對中國中部地區(qū)氣溫研究較多,對變化研究較少[18-20]。目前,針對晉城市氣溫變化與地溫的時空特征分析研究很少,依據(jù)收集的晉城市轄區(qū)近42年的氣溫及0~20 cm地溫資料,采用氣候?qū)W分析方法,研究了氣溫與地溫的時空變化與突變等相關(guān)性,為應(yīng)對氣候變化和指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了重要的依據(jù)。

        1 資料與方法

        1.1 資料

        選取晉城市5個氣象站(晉城、高平市、陽城縣、沁水縣、陵川縣)1976—2017年氣溫和各層地溫資料,所用資料取自山西省氣象局CIMISS系統(tǒng)資料庫,且通過均一化處理[21]。 按農(nóng)業(yè)氣象上的相關(guān)規(guī)定(冬季為12 月至次年 2 月,春季為3—5 月,夏季為6—8 月,秋季為9—11 月)處理數(shù)據(jù),生成各月、季及年氣候資料序列。

        1.2 方法

        本研究采用線性傾向估計法[22]計算氣象要素的長期變化趨勢。通過公式E(t)=∑ti(xi-xj)計算累積距平。式中:xi為歷年平均值,x為多年(42年)平均值,若指標(biāo)絕對值達到最大時,所對應(yīng)的t為突變年份。

        利用信躁比計算氣候突變,公式為S/N=|x1-x2|s1-s2。式中:x1、x2和s1、s2分別為轉(zhuǎn)折年份前后2個階段資料的平均值和標(biāo)準差,當(dāng)距平大于標(biāo)準差的2倍時作為異常;當(dāng)S/N > 1. 0時,為氣候突變。為了解氣候傾向率的顯著性,采用蒙特卡羅方法[23]來估計相關(guān)系數(shù)的臨界值。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 地溫和氣溫的年變化特征

        2.1.1 氣候傾向率分析 根據(jù)晉城市各氣象站平均氣溫和0~20 cm 各土層地溫的氣候傾向率進行計算,結(jié)果見表1。晉城市春夏秋冬和年均地溫、氣溫的氣候傾向率為正,都呈增溫趨勢,增幅為 0.015~0.056 ℃/年。除秋季的10 cm 和 20 cm 土層、冬季的 5 cm 和10 cm 土層地溫上升趨勢通過95% 的信度水平檢驗外,其他信度檢驗均≥99%。0~20 cm 土層地溫春季傾向率最大(0.045 ℃/年),冬季氣溫傾向率最大(0.052 ℃/年);氣溫的夏季傾向率最小,5、10 cm 土層地溫的冬季傾向率最小,15、20 cm地溫為秋季傾向率最小。全年5 cm 地溫傾向率最大(0.037 ℃/年),0 cm 地溫傾向率最?。?.027 ℃/年)。從平均看,年平均地溫及氣溫均呈升高趨勢,全部通過99.9%的信度檢驗,但地溫傾向率小于氣溫傾向率(0.034 ℃/年)。

        2.1.2 年季變化相關(guān)性分析 根據(jù)中國氣象局氣候年鑒資料,1976—2017年,晉城年平均氣溫 11.8 ℃,0~20 cm 平均地溫分別為 14.2、13.3、133、13.6、13.5 ℃。通過0~20 cm土層地溫和氣溫的相關(guān)性分析(表2)可知,全年各層平均氣溫與地溫均呈正相關(guān)關(guān)系,全年相關(guān)系數(shù)5 cm 土層最?。?89),0 cm土層最大(0.95);季節(jié)上看,相關(guān)系數(shù)冬季最小(10 cm土層秋季最?。杭咀畲?。造成該現(xiàn)象的主要原因是晉城屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,春季氣溫回升快,長波輻射易于在氣溫和地溫之間傳遞,冬季氣溫較低,接收地表長波輻射的能力較弱,此為氣溫和地溫相關(guān)性差異的主要原因。

        2.1.3 氣候突變分析 依據(jù)數(shù)據(jù)序列計算1976—2017 年晉城市平均地溫與氣溫累積距平(圖1),分析可知,近42年來,氣溫與年均地溫具有明顯的波動,20 世紀 70年代至90 年代中期下降趨勢明顯,而20世紀90 年代中期至今為持續(xù)上升趨勢。計算氣候突變(圖2至圖7)可以發(fā)現(xiàn),年平均氣溫和 5 cm 土層平均地溫在1994年發(fā)生了突變,0 、10、15、20 cm土層平均地溫在1998年發(fā)生了突變;突變前年平均氣溫、0 、5、10、15 、20 cm 土層地溫值分別為 11.3、13.7、12.7、128、13.2、13.1 ℃,氣溫較歷年平均值偏低 0.8 ℃,地溫偏低 0.4~0.5 ℃,屬于冷期;突變后年平均氣溫、0、5、10、15、20 cm 土層地 溫 值 分 別 為123、14.8、13.8、13.8、14.1、13.9 ℃,氣溫較歷年平均值偏高 0.5 ℃,地溫偏高 0.4~0.6 ℃,屬于暖期。分析突變前后氣候傾向率及距平累積曲線發(fā)現(xiàn),自20世紀90年代以來,平均氣溫與15 cm 地溫的變化規(guī)律最為一致,相似度較高。

        2.2 地溫和氣溫的異常特征

        由表3可知,春季氣溫在2000年和2008年分別出現(xiàn)了異常偏高的現(xiàn)象,地溫在2004年和2014年分別出現(xiàn)了異常偏高的現(xiàn)象;夏季氣溫未出現(xiàn)異常,0 cm 土層地溫在 1993 年異常偏低,而在 1997年所有土層均出現(xiàn)了異常偏高的現(xiàn)象,這是由于降水量嚴重偏少、日照偏多所致;秋冬季的地溫和氣溫均在1998 年同時出現(xiàn)了異常偏高的現(xiàn)象;秋季地溫和氣溫都在1981年同時出現(xiàn)了異常偏低的現(xiàn)象;冬季氣溫分別在1976年、1983年、1984年出現(xiàn)了異常偏低的現(xiàn)象,0 cm 土層地溫在 1983 年出現(xiàn)了異常偏低的現(xiàn)象。全年中,氣溫和地溫均無異常現(xiàn)象。

        2.3 氣溫及地溫的空間特征分析

        2.3.1 氣溫及地溫的空間分布特征 圖 8至圖13為1976—2017 年晉城市年平均氣溫及0、5、10、15、20 cm土層地溫等值線,可以看出,近42年晉城市 0~20 cm 各土層地溫的空間分布特征為西部高、東部低,地溫從陵川縣開始依次向西(高平→晉城→沁水→陽城)逐漸增高。由圖8 可知,緯度和海拔高度與各層地溫的空間分布相關(guān)密切,地溫空間分布與晉城和高平地勢平坦及陵川、沁水、陽城西部

        海拔偏高等密切相關(guān)。

        2.3.2 地溫及氣溫月變化剖面圖分析 由圖14 可知,1976—2017年晉城市各月0~20 cm地溫均為-4. 0 ℃ 以上,其中 12 月至次年 1? 月地溫為-3~4 ℃,3—11 月 地溫為8~28 ℃;6—9月處于 20 ℃ 以上,最低值出現(xiàn)在 1 月,其后逐步上升,7 月達到峰值,然后逐漸下降。與晉城市各月平均氣溫相比,0~20 cm 土層地溫的月變化與氣溫的月變化相似( 1 月為最低值,7月為最高值);5—7 月 0~20 cm土層地溫高于氣溫;4月0~15 cm 土層地溫低于氣溫。

        3 結(jié)論

        本研究通過對山西省晉城市近42年地溫與氣溫的時空特征進行統(tǒng)計分析,得到了以下結(jié)論:

        (1)年、季平均氣溫和各土層地溫均呈升高趨勢,升幅為0.018~0.056 ℃/年。氣溫與年平均地溫呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)均在0.89 以上。

        (2)年平均氣溫和5 cm土層平均地溫在1994年發(fā)生了突變,各土層地溫在1998年發(fā)生了突變,氣溫較歷年平均值偏低 0.8 ℃,地溫偏低 0.4~0.5 ℃,屬于冷期;突變后氣溫較歷年平均值偏高 0.5 ℃,地溫偏高 0.4~0.6 ℃,屬于暖期。

        (3)四季中,氣溫的異常年份與秋季地溫關(guān)聯(lián)性較高,其他季節(jié)關(guān)聯(lián)性較低;春季地溫在2004年、2014年異常偏高,而氣溫在2000年和2008年異常偏高;夏季地溫都是1997年異常偏高,但氣溫?zé)o異常年份;秋季地溫和氣溫都在1981年異常偏低和1998異常偏高;冬季地溫也是在1998年異常偏高,而氣溫在1976年、1983年、1984年異常偏低,1998年異常偏高。

        (4)年度地溫和氣溫都無異常年份;晉城市各層地溫的空間分布均表現(xiàn)為東低西高,根據(jù)地溫變化規(guī)律,可以指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

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