1964—2015年霸州市地溫變化特征及其與氣溫和降水的關系

閆利霞 秦云苗 楊海良 張娟 樂章燕

摘要 本文利用1964—2015年霸州市0～20 cm各層逐月平均地溫資料，采用氣候傾向率、M-K法、滑動T檢驗等氣候統計方法分析霸州市淺層平均地溫的變化趨勢、異常年份、氣候突變及其與氣溫和降水的相關性等。結果表明，1964—2015年霸州市各季淺層地溫均呈顯著上升趨勢，氣候傾向率為0.04～0.52 ℃/10年，春季、冬季地溫上升幅度較大；各淺層年平均地溫均呈現明顯上升趨勢（0.16～0.31 ℃/10年）， 0 cm地溫增溫率最大，與同時期的平均氣溫升溫率比較，地溫的氣候傾向率偏低。春季、冬季、年平均淺層地溫多異常偏低年份，主要發生在60年代末期和70年代初期；秋季多異常偏高年份，1965年5 cm地溫、2006年0～20 cm地溫以及1975年5～20 cm地溫發生異常偏高。綜合累積距平和信噪比、M-K法和滑動T檢驗計算分析發現，地溫的突變年份主要發生在1986年附近、1996年和2011年。年、季平均地溫與同期平均氣溫存在較好的相關性，其中0 cm地溫表現最為顯著，相關系數均>0.723。夏季0 cm平均地溫與降水量成明顯的負相關關系，相關系數達-0.600（P<0.01）。

關鍵詞 地溫；氣溫；降水；氣候傾向率；異常年份；河北霸州；1964—2015年

中圖分類號 P468.0+21 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）03-0223-04

地面氣象觀測是對地球表面一定范圍內的氣象狀況及其變化過程進行系統地、連續地觀察和測定，是氣象觀測的重要組成部分，可以為氣象信息、氣候分析、天氣預報、氣象服務和科學研究提供依據。下墊面溫度和不同深度的土壤溫度統稱為地溫[1]，其是地面氣象觀測中較為重要的觀測項目。近年來，諸多學者對地溫的觀測數據進行分析，并得出具有價值的研究結果。1959—2008年遼寧省淺層地溫以0.171～0.823 ℃/10年的速率顯著上升[2]；1961—2005年西雙版納淺層平均地溫的年變化和季變化均呈現極顯著的升高趨勢，升溫率為0.14～0.40 ℃/10年[3]；1961—2005年拉薩淺層地溫以0.45～0.66 ℃/10年的速率顯著上升[4]。以上研究結果表明，在全球變暖的影響下，地溫的升高趨勢明顯。

霸州市氣象局位于冀中平原北部，是廊坊地區唯一的國家基本氣象站，其氣象資料具有較好的代表性。然而1957年建站至今，尚未有系統研究霸州淺層地溫變化的報道。本文根據1964—2015年霸州站地溫資料，運用氣候學統計分析方法，對近52年霸州市地面溫度和淺層地溫的變化趨勢、氣候突變和異常年份等氣候特征進行分析，并深入研究了地溫與氣溫和降水的相關性，以揭示其變化趨勢及氣候變暖的事實，并為進一步從地溫層面研究氣溫變化和降水的關系提供參考。

1 資料和方法

1.1 資料來源

本文選取1964—2015年霸州站0、5、10、15、20 cm逐月地溫觀測資料，用1964—2015年的多年平均值替代缺測數據。季節劃分如下，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月至翌年2月。文中年、季平均淺層地溫為5個土層年、季平均地溫的算術平均值，其他平均值為1981—2010年的標準平均值。

1.2 方法

1.2.1 氣候傾向率。平均地溫的氣候傾向率計算公式如下：

y=a0+a1t

式中，y為平均地溫，t為時間；a1為線性趨勢項，a1×10為平均地溫每10年的變化率。

1.2.2 異常年份。氣候顯著偏離平均狀態稱為氣候異常，判別標準主要有以下2種。一是距平超過標準差的2倍以上，二是出現概率為25年以上一遇。本文采用距平大于標準差的2倍作為異常的判別標準。

1.2.3 氣候突變。氣候突變是指在較短時期內由一種相對穩定的氣候狀態過渡到另一種氣候狀態的變化，是氣候系統非線性性質的一種表現。目前，突變統計分析還不成熟，有專家建議在確定一種氣候系統或過程發生的突變現象時，最好使用多種方法進行比較[5]。因此，本文分別采用了累積距平和信噪比、曼-肯德爾（M-K）法、滑動T檢驗（5年滑動和10年滑動）3種方法對1964—2015年霸州市年、季平均淺層地溫數據進行突變分析。

2 結果與分析

2.1 淺層地溫氣候傾向率

由表1可知，1964—2015年霸州市0～20 cm淺層季平均地溫均呈顯著上升趨勢（P<0.01），氣候傾向率為0.04～0.52 ℃/10年。其中，春季、冬季升溫幅度較大，夏季、秋季相對較小，與20世紀80年代中期以來，我國持續暖冬氣候相符合。除夏季外，0 cm地溫年、季變化幅度均為最大。其中，冬季0 cm地溫的氣候傾向率達0.52 ℃/10年。從各淺層平均地溫的變化來看，春季和冬季以0、5 cm平均地溫升溫率最大，夏季以15、20 cm平均地溫升溫最大，秋季以0 cm平均地溫升溫率最大。從整個淺層來看，0～20 cm平均地溫氣候傾向率為0.06～0.40 ℃/10年，其中春季地溫氣候傾向率最大，秋季最小。1964—2015年霸州市各淺層年平均地溫均呈顯著升高趨勢，氣候傾向率0.16～0.31 ℃/10年，其中0 cm年平均地溫升幅最大（圖1）。

與霸州市同期年平均氣溫的氣候傾向率（0.42 ℃/10年）比較，0～20 cm地溫氣候傾向率年平均值偏低，偏低幅度為0.11～0.26 ℃/10年。從季平均地溫氣候傾向率來看，冬季0 cm地溫與氣溫的氣候傾向率最大，說明0 cm地溫對氣候變暖的響應最強。

2.2 地溫月變化特征

由圖2可知，在春季和夏季，月平均地溫隨深度的增加而降低，說明熱量由淺層向深層傳遞為能量積蓄過程；在秋季和冬季，月平均地溫隨深度的增加而升高，說明熱量由深層向淺層傳遞為能量釋放過程；各淺層最高月平均地溫出現在7月，最低出現在1月。

分析各層平均地溫的年較差可知，0 cm平均地溫的年較差最大，為35.4 ℃，隨著深度的增加，平均地溫的年較差逐漸減小，20 cm平均地溫的年較差最小，為29.0 ℃。由此可見，在一年中，地溫變化幅度隨著深度的增加而減小，與太陽輻射變化有關。

2.3 地溫年代際變化特征

由表2可知，1971—2000年霸州市0、10、20 cm年、季平均地溫較1961—1990年的30年標準氣候平均值偏高了0～0.6 ℃；1981—2010年霸州市0、10、20 cm年、季平均地溫較1971—2000年的30年標準氣候平均值偏高了0～0.6 ℃。其中春季、冬季表現最為明顯，夏季基本持平。

由圖3可知，1964—2015年霸州市年、季平均地溫均經歷了一個“冷—暖”的歷史演變過程，20世紀60年代至90年代早期為偏冷期，90年代中期至21世紀初期為偏暖期。1997—2002年0、10、20 cm地溫連續6年均呈偏高趨勢，偏高幅度在0.2～1.0 ℃之間；2002年0 cm平均地溫偏高了1.0 ℃；2003年平均地溫呈略微下降的趨勢，之后10、20 cm地溫連續3年呈下降趨勢，下降幅度在0.1～0.2 ℃之間；之后的4年又連續上升，直至2010年，0、10、20 cm年平均地溫均出現了下降，下降幅度在0.2～0.4 ℃之間；2011年又出現了明顯的上升趨勢，上升幅度在0.2～0.7 ℃之間；2012年站址遷移到新站，0、10、20 cm年平均地溫連續2年呈明顯下降趨勢，下降幅度為0.3～0.7 ℃；之后的2014年和2015年又出現了穩定上升的趨勢。

由表3可知，20世紀60年代至21世紀初年平均地溫呈緩慢升高趨勢，20世紀60年代、70年代、80年代年平均地溫分別較多年平均值偏低0.5～0.8、0.4～0.8、0.2～0.5 ℃，90年代年平均地溫上升至與多年平均值持平；進入21世紀，地溫持續升高，比多年平均值偏高0.2～0.4 ℃，為過去50年中最高的10年。

20世紀60年代，夏季各淺層平均地溫較多年平均值偏高0.1～0.3 ℃，其他季節平均地溫均較多年平均值偏低，其中冬季、春季偏低最為明顯，較多年平均值偏低0.3～1.3 ℃。20世紀70年代各層季平均地溫較多年平均值偏低0.1～1.1 ℃，以春季、冬季0 cm平均地溫偏低最為明顯。20世紀80年代，春季、冬季各層平均地溫較多年平均值偏低0.1～1.3 ℃，以冬季0 cm平均地溫偏低最為明顯；而夏季、秋季平均地溫開始呈偏高趨勢，較多年平均值偏高0～0.1 ℃。進入90年代，各層季平均地溫較前20年有所升高，各季平均地溫距平均在±0.4 ℃以內。進入21世紀初期，除夏季平均地溫偏低0.2～0.3 ℃外，其他各季平均地溫均呈升高趨勢，較多年平均值偏高0～0.9 ℃，以春季和冬季0 cm平均地溫偏高最為明顯。

2.4 地溫異常特征

由表4可知，春季、冬季、年平均地溫多出現異常偏低年份，均發生在20世紀60年代末期和70年代初期，異常偏低0.8～2.4 ℃；其中春季各層平均地溫在80年代初期出現1次異常偏低，5、10 cm平均地溫在80年代中期出現1次異常偏低。夏季5 cm地溫未出現異常；其他各層在70年代中后期出現異常偏低，偏低1.6～2.9 ℃；其中1997年0 cm地溫出現1次異常偏高，偏高2.6 ℃；1984年15、20 cm地溫各出現1次異常偏高，偏高1.5～1.6 ℃。秋季多發生地溫異常偏高，1965年5 cm地溫出現異常偏高，偏高1.7 ℃；2006年0～20 cm地溫均發生異常偏高，偏高1.6～2.5 ℃；1975年5～20 cm地溫均發生異常偏高，偏高1.6～2.0 ℃。

2.5 地溫突變檢驗

利用累積距平和信噪比、曼-肯德爾（M-K）法、滑動T檢驗（5年滑動和10年滑動）3種方法對1964—2015年霸州市年、季平均地溫進行氣候突變檢驗（表5）。結果表明，利用累積距平和信噪比方法進行氣候突變檢驗，霸州市年、季地溫均未發生突變；用M-K法進行氣候突變檢驗，發現年平均和冬季地溫在1986—1987年附近發生突變，春季在1996年附近發生突變，夏季除0 cm外，其他季節均在2011年發生突變；用滑動T檢驗法進行氣候突變檢驗，發現除20 cm外，其他各淺層年平均地溫均在1996年發生突變，冬季地溫在1987年附近發生突變，春季0、5 cm地溫分別在1999年和1996年發生突變，夏季和秋季均未發生突變。

由此可見，霸州市各層年、季平均地溫的突變年份集中在1986—1987年附近、1996年附近和2011年這3個時間點。1986—1987年的突變是由于1985年地溫異常偏低引起的。1996年由冷向暖轉變的突變與90年代后期全國地溫升溫一致[6]。2011年是一次從氣溫到各層地溫普遍增高過程而導致的突變。另外，從季節來看，冬、春2季比較容易發生突變，而夏、秋2季則比較平穩，這是由于冬、春2季冷空氣活動頻繁造成的，這也與地溫年代際變化特征及地溫的異常年份分析結果相一致。分析結果的差異是由于各種檢測方法都存在不足之處，而突變的物理機制不甚明確造成的。

2.6 淺層地溫與氣溫、降水的相關性分析

對1964—2015年霸州市年、季平均地溫與同期平均氣溫進行相關分析，發現各相關系數均>0.653（P<0.01），其中冬季各淺層平均地溫與氣溫相關性最顯著，相關系數均 >0.875；春季次之，春季0 cm平均地溫與氣溫的相關系數為0.934；年平均地溫與氣溫的相關性也較為顯著，相關系數均>0.767。0 cm季、年平均地溫與同期平均氣溫的相關性較其他各層顯著，相關系數均>0.723。這表明地溫變化主要受氣溫變化的影響，而且對0 cm的影響最大。

對1964—2015年霸州市年、季平均地溫與同期降水量進行相關性分析，發現春季和冬季淺層平均地溫與降水量的相關性較小。而全年、夏季和秋季各淺層平均地溫與降水量均成顯著負相關，相關系數為-0.310以上（P<0.05）。其中，夏季各淺層平均地溫與降水量相關性表現最為明顯，0 cm平均地溫與降水量的相關系數達-0.600（P<0.01）（圖4）。

3 結論

（1）由1964—2015年霸州市0～20 cm淺層平均地溫的氣候傾向率可知，霸州市各層季平均地溫均呈顯著上升趨勢，升幅為0.04～0.52 ℃/10年。其中春季、冬季升幅較大，且以0 cm表現最為明顯；從整個淺層平均來看，四季平均地溫均呈現不同程度的上升趨勢，氣候傾向率為0.06～0.40/10年，春季最大，秋季最小。

（2）1964—2015年霸州市淺層平均地溫均呈顯著上升的趨勢，氣候傾向率為0.16～0.31 ℃/10年，其中0 cm地溫上升幅度最大。與霸州市同期年平均氣溫的氣候傾向率（0.42 ℃/10年）比較，0～20 cm地溫的傾向率偏低。這表明地溫的變化在很大程度上受氣溫變化的影響，而且對0 cm的影響最大。

（3）1964—2015年霸州市春季、夏季平均地溫隨深度的增加而降低，秋季、冬季平均地溫隨深度的增加而升高，各淺層平均地溫的最大值均出現在7月，最小值出現在1月。

（4）從霸州市0、10、20 cm地溫30年標準氣候平均值來看，年、季平均地溫均呈現緩慢升高趨勢，其中春、冬2季表現最為明顯，夏季基本持平。

（5）霸州春季、冬季、年地溫距平均表現為“冷-暖”的變化趨勢；夏季地溫距平表現為“暖-冷-暖-冷”的變化趨勢；秋季地溫距平表現為“冷-暖-冷-暖”的變化趨勢。

（6）春季、冬季、全年淺層平均地溫多異常偏低年份，大多發生在60年代末期和70年代初期，其中1985年5、10 cm年平均地溫發生異常偏低。秋季多異常偏高年份，1965年5 cm地溫、2006年0～20 cm地溫以及1975年5～20 cm地溫發生異常偏高。

（7）用累積距平和信噪比的方法進行氣候突變檢驗，發現霸州年和各季地溫均未發生突變；用M-K法進行氣候突變檢驗，發現年和冬季地溫在1986—1987年附近發生突變，春季地溫在1996年附近發生突變，夏季除0 cm地溫外，其他淺層均在2011年發生突變；用滑動T檢驗法進行氣候突變檢驗，發現年平均地溫除20 cm外，其他淺層均在1996年發生突變，冬季地溫在1987年附近發生突變，春季0、5 cm地溫分別在1999年、1996年發生突變，夏季和秋季均未發生突變。

（8）年、季平均地溫與同期平均氣溫存在較好的相關性，其中0 cm地溫表現最為顯著，說明氣溫上升是影響霸州市地溫上升的重要原因，而且對0 cm地溫影響最大。年、夏季和秋季各淺層平均地溫與降水量均成顯著負相關，其中夏季0 cm平均地溫與降水量的相關性最為顯著。

4 參考文獻

[1] 中國氣象局.地面氣象觀測規范[M].北京：氣象出版社，2007：85.

[2] 孫麗，李志江，李嵐，等.1959—2008年遼寧省淺層地溫變化趨勢分析[J]. 安徽農業科學，2010，38（23）：12869-12870.

[3] 蒙桂云，喻彥.1961～2015年西雙版納淺層地溫對氣候變化的響應[J].氣象科技，2010，38（3）：316-319.

[4] 杜軍，李春，廖健，等. 近45年拉薩淺層地溫對氣候變化的響應[J]. 氣象，2007，33（10）：61-67.

[5] 魏鳳英.現代氣候統計診斷與預測技術[M].北京：氣象出版社，2007：57-66.

[6] 陸曉波，徐海明.中國近50年地溫的變化特征[J].南京氣象學院學報，2006，29（5）：706-712.