陳 楊,潘啟學(xué),顧 欣,唐紅忠
(貴州省黔南布依族苗族自治州氣象局,貴州 都勻 558000)
地溫是地表面和以下不同深度處土壤溫度的統(tǒng)稱。它能反映土壤熱儲(chǔ)量狀況,通過陸地下墊面過程來引起氣候變化。如Zhang等[1]研究得出,20世紀(jì)加拿大土壤溫度對(duì)氣溫和降水的響應(yīng)過程在氣候變化上的影響明顯。
離地面5、10、15、20 cm深度的地中氣溫稱為淺層地溫[2],其對(duì)農(nóng)作物根系生長(zhǎng)有重要影響。目前已有不少學(xué)者對(duì)淺層地溫進(jìn)行了大量研究[3-5],但貴州省在此方面研究較少[6-7],黔南地區(qū)更是空缺。
黔南位于貴州省中南部,地處云貴高原東南部向廣西丘陵過渡的斜坡地帶,地勢(shì)呈西北高、東南低,內(nèi)轄12個(gè)縣市,南北跨度較大。研究1961—2018年黔南地區(qū)淺層地溫分布特征、變化規(guī)律有著重要?dú)夂驅(qū)W意義,可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、資源利用提供科學(xué)依據(jù)。
選取黔南地區(qū)12個(gè)國(guó)家基本氣象站1961—2018年0、5、10、15、20 cm逐日平均地溫資料,統(tǒng)計(jì)出5個(gè)層次年、季、月地溫序列。
用線性傾向率法分析地溫變化趨勢(shì),用Mann-Kendall檢驗(yàn)法對(duì)地溫進(jìn)行突變檢驗(yàn)[8],用Morlet小波分析法研究地溫周期變化特征[9-10]。用ArcGIS的空間分析功能探究淺層地溫空間分布特征。
1961—2018年黔南地區(qū)5~20 cm年平均地溫為18.3 ℃,各層最高值分別為19.1、19.2、19.2、19.3 ℃,均出現(xiàn)在2016年,最低值為17.8、17.6、17.5、17.0 ℃,分別出現(xiàn)在1976、1984、1984、1962年。由圖1可見,各層平均地溫年變化相似,均呈上升趨勢(shì),5 cm地溫整體升幅不大,10、15、20 cm平均地溫1961—1997年整體偏低(相比58 a平均值),1998—2018年整體偏高。用線性傾向率法分析得出黔南地區(qū)5、10、15、20 cm 的氣候傾向率分別為0.095、0.140、0.174、0.194 ℃/10 a,可見各層的年平均地溫呈增溫趨勢(shì),增幅為0.095~0.194 ℃/10 a。20 cm年平均地溫增幅最大,5 cm增幅最小,隨著深度增加增幅增加。
圖1 1961—2018年黔南地區(qū)5~20 cm地溫年變化Fig.1 Annual changes of 5~20 cm ground temperature in Qiannan area from 1961 to 2018
用Mann-Kendall檢驗(yàn)法[11],給定顯著性水平α=0.05,即u0.05=±1.96,研究1961—2018年黔南地區(qū)5~20 cm各層平均地溫的突變特征。近10 a黔南地區(qū)淺層平均地溫呈明顯增加的趨勢(shì)(圖2)。5 cm的UF和UB曲線有多個(gè)交點(diǎn),平均地溫波動(dòng)較大,突變特征不明顯。10、15、20 cm的 UF和UB曲線有唯一交點(diǎn),即突變點(diǎn)。根據(jù)交點(diǎn)位置得出10、15、20 cm的平均地溫分別從2002、2004、2004年開始突變,突變點(diǎn)后上升趨勢(shì)遠(yuǎn)超過顯著性水平0.05臨界線,表明10、15、20 cm的平均地溫增溫趨勢(shì)明顯。
圖2 1961—2018年黔南地區(qū)5~20 cm地溫年變化Mann-Kendall檢驗(yàn)Fig.2 Mann-Kendall test of the annual change of 5-20 cm ground temperature in Qiannan area from 1961 to 2018
該文用Morlet小波分析法對(duì)黔南地區(qū)5~20 cm淺層地溫的時(shí)間序列進(jìn)行小波變換(如圖3),可見小波頻率分布與氣候信號(hào)變化幾乎一致。頻率等值中心為冷暖中心,其大小可反映振動(dòng)強(qiáng)度。5、10 cm地溫在1990年之前的振蕩周期頻率較高為5~10 a,1990年后的振蕩周期頻率較低為15~25 a;15、20 cm地溫在1961—2018年的振蕩周期頻率均較高為5~15 a。
圖3 1961—2018年黔南地區(qū)5~20 cm地溫的小波變換Fig.3 Wavelet transformation of 5~20 cm ground temperature in Qiannan area from 1961 to 2018
各季節(jié)地溫均呈升高趨勢(shì),且隨深度增加氣候傾向率逐漸增大,夏季的氣候傾向率為四季中最大。春、冬季淺層地溫隨深度增加而升高,秋季淺層地溫隨深度增加而降低。
表1 1961—2018年黔南地區(qū)5、10、15、20 cm地溫季變化統(tǒng)計(jì)Tab.1 Seasonal changes of ground temperature at 5,10,15,20 cm in Qiannan area from 1961 to 2018
黔南地區(qū)5~20 cm各層平均地溫月變化呈單峰形勢(shì)。各層地溫最大值出現(xiàn)在8月,最小值出現(xiàn)在1月。3—9月地溫由高到低為5 cm>10 cm>15 cm>20 cm,即暖月隨深度增加地溫遞減,10月—次年2月地溫由高到低為20 cm>15 cm>10 cm>5 cm,即冷月隨深度增加地溫遞增。
圖4 1961—2018年黔南地區(qū)5~20 cm地溫月變化Fig.4 Monthly changes of 5~20 cm ground temperature in Qiannan area from 1961 to 2018
黔南處在106.22~108.23°E,25.12~27.48°N,海拔高度242~1961m的斜坡地帶,地形地勢(shì)差異使南北氣候差異明顯。用ArcGIS的空間分析功能,探究黔南地區(qū)12個(gè)縣市近58 a的年平均淺層地溫空間分布特征。從圖5可看出淺層地溫呈自北向南逐漸升高的特征,甕安最低,羅甸最高。
圖5 1961—2018年黔南地區(qū)5~20 cm淺層地溫空間分布Fig.5 Spatial distribution of 5~20 cm shallow ground temperature in Qiannan area from 1961 to 2018
黔南地區(qū)5 cm年平均地溫范圍為16.1~22.2 ℃,10 cm年平均地溫范圍為16.0~22.2 ℃,15 cm年平均地溫范圍為15.9~22.3 ℃,20 cm年平均地溫范圍為15.9~22.3 ℃。羅甸近58 a的平均淺層地溫為12縣市中最高,甕安為最低。淺層地溫垂直變化上,從5~20 cm羅甸、獨(dú)山逐漸上升,福泉、龍里、平塘、荔波、三都、都勻逐漸下降,甕安、惠水、長(zhǎng)順在5~10 cm下降,10~20 cm上升,貴定在5~10 cm上升,10~20 cm下降。整體上年平均淺層地溫由高到低的順序?yàn)? cm>10 cm>15 cm>20 cm。
①近58 a黔南地區(qū)5~20 cm各層平均地溫年際變化呈上升趨勢(shì),氣候傾向率隨著深度增加升幅逐漸增加。5 cm的平均地溫波動(dòng)較大,突變特征不明顯,10、15、20 cm的平均地溫分別從2002、2004、2004年開始突變。5 cm、10 cm地溫在1990年之前的振蕩周期頻率較高,1990年后的振蕩周期頻率較低,15 cm、20 cm地溫近58 a的振蕩周期頻率均較高。
②各季節(jié)地溫均呈增溫趨勢(shì),且隨深度增加氣候傾向率逐漸增大。各層平均地溫月變化呈單峰形勢(shì)。暖月隨深度增加地溫遞減,即冷月隨深度增加地溫遞增。
③近58 a淺層地溫呈自北向南逐漸升高的規(guī)律,甕安最低,羅甸最高。12縣市淺層地溫垂直變化特征各不相同。