劉明亮，王振龍，呂海深，汪躍軍，周 超，趙雯頡

（1.河海大學(xué)，南京210098；2.安徽?。ㄋ炕次┧茖W(xué)研究院 五道溝水文實(shí)驗(yàn)站，安徽 蚌埠233000；3.淮河水利委員會(huì)水文局（信息中心），安徽 蚌埠233000）

0 引 言

【研究意義】地溫是下墊面和不同深度土層溫度的統(tǒng)稱(chēng)，是重要的土壤狀態(tài)參數(shù)[1-2]，不僅反映氣候變化，而且直接影響種子的發(fā)芽和出苗、作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育、土壤微生物活動(dòng)和土壤水肥運(yùn)動(dòng)[3]。因此研究地溫變化規(guī)律及其與氣溫的響應(yīng)關(guān)系對(duì)農(nóng)作物地區(qū)[4]具有重要的意義。

【研究進(jìn)展】地溫受多種氣象因素的影響，隨著全球變暖，地溫的時(shí)空變化引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注并得出了一系列成果。如，王佳琳等[5]利用中國(guó)581 個(gè)氣象站0 cm 地溫和氣溫?cái)?shù)據(jù)，分析了我國(guó)0 cm 地溫的區(qū)域分異、季節(jié)分異和時(shí)空變化特征，發(fā)現(xiàn)中國(guó)0 cm 地溫總體呈先降低后升高的趨勢(shì)。以往研究發(fā)現(xiàn)1961—2013年菏澤地區(qū)0 cm 層年平均地面溫度呈極顯著上升趨勢(shì)，平均每10 a 升高0.22 ℃；0～40 cm 層年平均地溫上升的平均速率為0.139 ℃/10 a[6-8]。研究發(fā)現(xiàn)，1961—2019年柴達(dá)木盆地南緣0、10、20 cm年平均地溫均呈增加的趨勢(shì)，變化趨勢(shì)大體趨于一致，傾向率分別為0.43、0.32、0.33 ℃/10 a[9-10]。鄭燕等[11]研究發(fā)現(xiàn)1961—2019年安慶市5、10、20、40 cm 各層年平均地溫變化相似，各層的年平均地溫呈上升趨勢(shì)。劉恬等[12]研究發(fā)現(xiàn)1981—2016年江淮地區(qū)淺層地溫和氣溫均表現(xiàn)為波動(dòng)上升的趨勢(shì)，其中0 cm 地溫的氣候傾向率為0.65 ℃/10 a，增幅大于5～20 cm 地溫。Gong 等[13]研究發(fā)現(xiàn)1981—2010年Dabancheng 地區(qū)各淺層地溫呈升高的趨勢(shì)，地面0 cm 的氣候傾向率最大，為0.778 ℃/10 a，由淺至深依次減小，5、10、15、20 cm 地溫的氣候傾向率分別為0.648、0.630、0.527 ℃/10 a。以上研究均與IPCC 第五次評(píng)估報(bào)告指出的全球地表溫度升高一致[14]。

【切入點(diǎn)】淮北平原位于我國(guó)南北氣候過(guò)度敏感地帶，又是我國(guó)重要的糧、棉、油生產(chǎn)基地，有關(guān)該地區(qū)升溫背景下的地溫變化規(guī)律及其對(duì)氣候變化定量響應(yīng)的研究相對(duì)較少?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】為此，利用五道溝水文水資源實(shí)驗(yàn)站1971—2020年月平均氣溫和0～320 cm 地溫資料，分析五道溝水文實(shí)驗(yàn)站0～320 cm 地溫的變化特征及其對(duì)氣溫響應(yīng)，為進(jìn)一步研究淮北平原氣候變化特征及其與地溫的響應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

五道溝水文實(shí)驗(yàn)站位于安徽省蚌埠市固鎮(zhèn)縣新馬橋境內(nèi)，地處淮北平原南部區(qū)，臨近京滬鐵路和蚌徐公路，屬于暖溫帶半干旱半濕潤(rùn)的氣候區(qū)。該站積累了1953—2021年水文實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)資料，站內(nèi)設(shè)有水文氣象全要素觀測(cè)場(chǎng)、62 套非稱(chēng)質(zhì)量式大型蒸滲儀、10 套自動(dòng)稱(chēng)質(zhì)量式蒸滲儀及大型野外人工降雨實(shí)驗(yàn)等設(shè)備，其中氣象觀測(cè)場(chǎng)為配合水文實(shí)驗(yàn)研究，開(kāi)展了長(zhǎng)系列氣象全要素觀測(cè)，包括：干濕球溫度、E601 水面蒸發(fā)、20 m2口徑水面蒸發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)雨量、自記雨量、梯度溫度、日照時(shí)間、風(fēng)速風(fēng)向等水文氣象要素。

2 資料來(lái)源與研究方法

2.1 資料來(lái)源

本文選取淮北平原南部地區(qū)五道溝水文實(shí)驗(yàn)站氣象場(chǎng)實(shí)測(cè)的逐日地溫和氣溫?cái)?shù)據(jù)資料，時(shí)間序列為1971—2020年，共50 a。該站的氣象場(chǎng)氣溫?cái)?shù)據(jù)在每天02:00、08:00、14:00、20:00 測(cè)定，地溫?cái)?shù)據(jù)在每天08:00、14:00、20:00 測(cè)定。該區(qū)1964—2009年年平均氣溫每10 a 增加0.14 ℃[15]。

2.2 研究方法

采用線(xiàn)性?xún)A向估計(jì)法分析該區(qū)0～320 cm 層地溫的變化速率；利用M-K 檢驗(yàn)對(duì)各層年平均地溫序列趨勢(shì)變化進(jìn)行突變檢驗(yàn)；通過(guò)小波分析得到各層年平均地溫序列周期的變化規(guī)律；利用SPSS 分析地溫與氣溫以及不同土層地溫間的相關(guān)性分析。

2.2.1 線(xiàn)性?xún)A向估計(jì)

用yi表示樣本量為n的某一氣候變量，用xi表示yi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，建立yi與ti之間的一元線(xiàn)性回歸方程[15]，計(jì)算式為：

式中：k為回歸系數(shù)，表示某一氣候序列隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，當(dāng)k>0 時(shí)，序列呈增加的趨勢(shì)，當(dāng)k<0 時(shí)，序列呈減小的趨勢(shì)，k=0 表示序列無(wú)變化趨勢(shì)；b為常數(shù)可通過(guò)最小二乘法求得[16]。本文用k×10 表示氣候傾向率，單位為（℃/10 a）。

為檢驗(yàn)該氣候傾向率的顯著性，設(shè)定顯著性水平為α=0.1、α=0.05、α=0.01，并運(yùn)用SPSS 檢驗(yàn)其顯著性是否通過(guò)。

2.2.2 M-K 檢驗(yàn)

M-K 檢驗(yàn)[17-18]是計(jì)算比較簡(jiǎn)單的非參數(shù)檢驗(yàn)法，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布即無(wú)分布檢驗(yàn)，也不受少數(shù)異常值的干擾。

M-K 檢驗(yàn)不僅可以進(jìn)行突變檢驗(yàn)還可以檢驗(yàn)時(shí)間序列的變化趨勢(shì)，為了更進(jìn)一步的表示序列的顯著性水平，結(jié)合M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)中的MK-Z統(tǒng)計(jì)量來(lái)檢驗(yàn)其顯著性是否通過(guò)。M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)置信度90%、95%、99%所對(duì)應(yīng)的臨界值分別為1.674、2.006 和2.672[19]。

2.2.3 小波分析

小波分析[20-21]通過(guò)將時(shí)間系列分解到時(shí)間頻率域內(nèi)，從而得出時(shí)間系列的顯著的波動(dòng)模式，即周期變化動(dòng)態(tài)，以及周期變價(jià)動(dòng)態(tài)的時(shí)間格局[16]。本文利用小波分析并運(yùn)用Matlab 軟件計(jì)算得到該區(qū)0～320 cm 土層年平均地溫的周期變化規(guī)律。

3 結(jié)果與分析

3.1 地溫在月尺度上的變化趨勢(shì)分析

五道溝地區(qū)1971—2020年0～320 cm 地溫月平均氣候傾向率見(jiàn)表1。運(yùn)用線(xiàn)性?xún)A向估計(jì)法并結(jié)合SPSS 數(shù)據(jù)分析工具對(duì)0～320 cm 各層月平均地溫系列進(jìn)行計(jì)算，得出各層各月氣候傾向率。由表1 可知，五道溝水文實(shí)驗(yàn)站0～320 cm 地溫除6—9月外，其余月份各層總體均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，最大增幅在3月（ 0.11～0.68 ℃/10 a ）， 最小增幅在10月（0.02～0.18 ℃/10 a），且除5月和10月沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)外，其余月份地溫變化趨勢(shì)總體通過(guò)0.1 顯著性檢驗(yàn)，其中2月和3月更是通過(guò)0.01 顯著性檢驗(yàn)。各層地溫變化方面（表1），在1—5月和10—12月0～160 cm 各層地溫均呈上升的趨勢(shì)，且0 cm地溫增幅最大，160 cm 增幅最??；320 cm 地溫整體呈下降的趨勢(shì)。

表1 五道溝地區(qū)1971—2020年0～320 cm 地溫月平均氣候傾向率Table 1 Monthly average climate tendency rate of 0～320 cm ground temperature in Wudaogou area from 1971 to 2020

3.2 地溫的周期性分析

1971—2020年五道溝實(shí)驗(yàn)站0～320 cm年平均地溫小波分析結(jié)果見(jiàn)圖1。0～320 cm 各層地溫小波系數(shù)實(shí)部等值線(xiàn)圖具有較明顯的3～6、8～12 a 和15～25 a尺度的周期變化，其中0～320 cm 各層地溫15～25 a尺度在整個(gè)系列年都較為穩(wěn)定；0 cm 層8～12 a 尺度和10 cm 層3～6 a 和8～12 a 貫穿整個(gè)系列年且較穩(wěn)定，0 cm 層3～6 a 尺度在1971—1990年和2006—2020年較穩(wěn)定；40 cm 層（圖1（c））4～6 a 尺度在1971—1986年和2005—2020年較為穩(wěn)定，8～12 a 尺度在1978—1996年較穩(wěn)定；80 cm（圖1（d））層3～6 a尺度在1986—200年較穩(wěn)定；160 cm 層（圖1（e））3～6 a 尺度在1983—2020年，但穩(wěn)定性較弱。

圖1 五道溝實(shí)驗(yàn)站地溫小波系數(shù)等值線(xiàn)圖Fig.1 Ground temperature wavelet coefficient contour map of Wudaogou experimental station

3.3 地溫的突變檢測(cè)

給定顯著性水平α=0.05，即μ0.05=±1.96。利用M-K 突變檢驗(yàn)對(duì)五道溝地區(qū)0～320 cm年平均地溫進(jìn)行突變檢驗(yàn)（圖2），UF曲線(xiàn)和UB曲線(xiàn)的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為突變點(diǎn)。圖2（a）、圖2（b）和圖2（d）顯示0、10 cm 和80 cm 地溫突變發(fā)生的年份分別為2013、2016年和2019年左右，發(fā)生突變后UF線(xiàn)均超出臨界線(xiàn)，且UF統(tǒng)計(jì)值大于0，表明地溫顯著升高；圖2（e）顯示160 cm 地溫突變年份發(fā)生在2017年左右，1974—1982年和1986—1998年間UF曲線(xiàn)超出臨界值，且UF統(tǒng)計(jì)值小于0，表明在此年間160 cm 地溫具有明顯的下降趨勢(shì)。

圖2（f）顯示320 cm 地溫突變的年份發(fā)生在1972年左右，且突變后UF曲線(xiàn)在臨界線(xiàn)內(nèi)，突變后地溫變化趨勢(shì)不明顯，1974—1976年和1987—2014年間UF曲線(xiàn)超出臨界線(xiàn)，且UF統(tǒng)計(jì)值小于0，表明在此年間320 cm 地溫具有明顯的下降趨勢(shì)。

圖2 五道溝水文實(shí)驗(yàn)站0～320 cm 地溫M-K 檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Fig.2 M-K test statistics of 0～320 cm ground temperature at Wudaogou hydrological experimental station

3.4 地溫對(duì)氣溫及其各層間的變化響應(yīng)

3.4.1 地溫對(duì)氣溫變化的響應(yīng)

各層月平均地溫與氣溫的相關(guān)性分析如表2 所示。隨著土層深度的增加，地溫與氣溫的相關(guān)系數(shù)逐漸減小，表明地溫對(duì)氣溫的敏感性隨土層深度的增加而減小，其中，0～40 cm 土層地溫與月平均氣溫呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均大于0.522。除6月外，其余月份80 cm月平均地溫與月平均氣溫正相關(guān)。各月份160 cm 和320 cm 地溫與氣溫的相關(guān)性差異較大，160 cm 在1、4、5、7、9、10月相關(guān)系數(shù)均通過(guò)0.05 顯著性檢驗(yàn)，呈弱相關(guān)，其中9月160 cm 地溫與氣溫呈負(fù)相關(guān)，而在2、3、6、8、11、12月相關(guān)系數(shù)通過(guò)0.01 顯著性檢驗(yàn)，呈強(qiáng)相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)均大于0；320 cm 地溫與氣溫相關(guān)性較差，其中2—4月和11月相關(guān)系數(shù)均小于0，呈負(fù)相關(guān)，其余月份呈正相關(guān)。

表2 五道溝實(shí)驗(yàn)站月平均地溫與氣溫相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation between monthly average ground temperature and air temperature at Wudaogou experimental station

3.4.2 各層地溫之間的相關(guān)性分析

各層年平均地溫間相關(guān)性及顯著性檢驗(yàn)如表3 所示。0～160 cm 各土層間年平均地溫呈強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)性均大于0.551（p<0.01）；320 cm 地溫與其余土層相關(guān)性較弱，相關(guān)性隨土層深度的增加而提高，而0 cm 地溫與其余土層相關(guān)性隨土層深度增加而減小。

表3 五道溝實(shí)驗(yàn)站各層年平均地溫間的相關(guān)性Table 3 Correlation analysis of annual average ground temperature in each layer of Wudaogou experimental station

4 討論

本研究得出的五道溝各土層地溫的變化特征與相關(guān)研究[10-12]結(jié)果基本一致，各土層月平均地溫總體呈顯著升高趨勢(shì)，但各土層地溫變化速率存在細(xì)微的差異，其中變化較大的是0 cm（0.16～0.68 ℃/10 a）土層，特別是突變后尤為明顯。M-K 突變檢驗(yàn)顯示各層突變點(diǎn)基本上都發(fā)生在20 世紀(jì)末和21 世紀(jì)初，與突變前相比，突變后的年平均地溫變化率都顯著性升高，并且增幅隨著土層深度的增加而減小。這一現(xiàn)象表明五道溝地區(qū)地溫升溫速率在加快，并沒(méi)有對(duì)21 世紀(jì)初全球及中國(guó)普遍出現(xiàn)的“全球增暖停滯”現(xiàn)象做出響應(yīng)[14,22]，有關(guān)此現(xiàn)象的原因仍進(jìn)一步研究。周期方面，五道溝各層年平均地溫變化周期以3～6 a 和8～12 a 尺度為主周期，與張翠華等[23]研究結(jié)果1981—2010年河北石家莊5～20 cm年平均地溫以4～6 a 和9～10 a 尺度為主周期相一致，而1961—2012年銀川0～20 cm 平均地溫主要以2～4 a 尺度為主周期，未檢測(cè)出太陽(yáng)活動(dòng)周期等較長(zhǎng)尺度周期。這是由于不同研究者所用的資料時(shí)間系列及時(shí)間尺度不同造成的，另外區(qū)域不一致、研究方法如周期檢測(cè)方法等不同也是造成這些差異的主要原因。

本文采用五道溝實(shí)驗(yàn)站1970—2020年0～320 cm地溫及氣溫實(shí)測(cè)資料，主要開(kāi)展了地溫變化及其對(duì)氣溫的響應(yīng)關(guān)系研究，在更大區(qū)域上的不同尺度相關(guān)研究及其應(yīng)用，有待進(jìn)一步探討。

5 結(jié)論

1）從不同月份來(lái)看，其中6—9月各層地溫變化趨勢(shì)差異顯著，其余月份各層地溫總體呈增加趨勢(shì)，其中，最大增幅在3月最小增幅在10月；從各土層來(lái)看，0～160 cm 各層地溫在1—5月和10—12月均呈上升趨勢(shì)，且0 cm 地溫增幅最大，160 cm 增幅最小，而320 cm 地溫總體呈下降趨勢(shì)。

2）從各層地溫變化周期來(lái)看，各層地溫具有明顯的3～6、8～12、15～25 a 尺度周期變化，且3～6 a尺度在0、10、40、80 cm 和160 cm 層較穩(wěn)定，8～12 a 在0 cm 和10 cm 較穩(wěn)定，15～25 a 尺度在各層都較穩(wěn)定。

3）從各層地溫突變情況來(lái)看，0、10、80、160 cm 和320 cm 各層地溫均發(fā)生突變，突變的年份分別在2012、2017、2016、2019年和1972年，其中0、10、80 cm 發(fā)生突變后UF曲線(xiàn)超出臨界線(xiàn)，UF統(tǒng)計(jì)值均大于0，表明地溫顯著性升高；其他層突變后變化不顯著。

4）不同深度的月平均地溫對(duì)氣溫變化的響應(yīng)存在明顯的差異，0～80 cm 地溫對(duì)氣溫變化較為敏感；160 cm 地溫對(duì)氣溫變化敏感性較弱；320 cm 地溫與氣溫的相關(guān)性較弱，基本不受氣溫變化的影響。