1961～2013年菏澤0cm地溫變化特征及成因分析*

竇　坤，黃玉芳，丁媛媛，王　琛，孫翠鳳※

(1.山東省菏澤市氣象局，菏澤　274000； 2.山東省壽光市氣象局，壽光　262700)

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·問題研究·

1961～2013年菏澤0cm地溫變化特征及成因分析*

竇坤1，黃玉芳1，丁媛媛1，王琛2，孫翠鳳1※

(1.山東省菏澤市氣象局，菏澤274000； 2.山東省壽光市氣象局，壽光262700)

利用1961～2013年菏澤地面氣象觀測站逐日資料，采用氣候傾向率和相關分析等方法，分析了近53年菏澤0cm地溫的變化趨勢以及與氣溫、日照時數、降水量、水汽壓的相關關系。結果表明：近53年來，菏澤年平均地面溫度呈極顯著上升趨勢，平均每10年升高0.22 ℃，冬、春季節的升溫對年平均地面溫度的升高有主要貢獻； 年平均地面最高溫度呈弱上升趨勢且春季顯著趨暖、夏季趨涼，年平均地面最低溫度呈極顯著的上升趨勢且冬春季節趨暖； 平均地面溫度自20世紀90年代中期顯著趨暖，地面最低溫度的趨暖在平均地面溫度的趨暖中起主要貢獻； 年平均地氣溫差呈遞減趨勢，秋冬季節地氣溫差減小，不利于近地層污染物的擴散，致使菏澤秋冬季霾天氣出現多，空氣污染加重； 近53年來，降水量減少、水汽壓極顯著增大，導致菏澤地面溫度極顯著升高，日照時數極顯著減少對地面溫度升溫趨勢有弱的減緩作用。

地面溫度氣候傾向率氣候突變相關分析

0　引言

近年來，在全球氣候變暖的大背景下，光能、熱能和水分等農業氣候資源發生了明顯的變化，對農業會造成一定的影響[1]。下墊面與大氣的相互作用影響著各種尺度的天氣、氣候變化[2]，研究地溫的變化特征也有助于揭示地溫對農業生產和生態環境的影響[3]。不少學者對地溫的氣候變化進行了研究：陸曉波等[4-8]相繼研究了全國和各地地溫的氣候變化特征，揭示了各層地溫的變化趨勢及時空變化特征。張愛萍等[9-10]研究了地溫與沙塵天氣、冬小麥生長發育的關系。但是針對0 cm地溫和地氣溫差變化特征及其相關影響因素的細致研究卻不多見。菏澤是典型的平原地區和重要的糧棉油生產基地，受全球氣候變暖的影響，近50年來菏澤氣溫呈極顯著的升溫趨勢[11]，在此情況下，大氣下墊面的地表溫度又有哪些變化，卻尚未見到相關報道。文章運用氣候傾向率和相關分析方法，對菏澤近53年地面溫度的變化特征及其影響因素進行分析，旨在為當地合理利用氣候資源安排農業生產提供參考。

1　資料和方法

1.1資料

選取菏澤氣象觀測站1961～2013年逐日平均地面(觀測場0 cm地溫，下同)溫度、平均地面最高溫度、平均地面最低溫度及逐日氣溫、日照、降水量、空氣水汽壓等氣象資料。季節劃分： 3～5月為春季、6～8月為夏季、9～11月為秋季， 12月至翌年2月為冬季。多年均值為1961～2013年53年平均值。

1.2方法

1.2.1線性變化趨勢

線性變化趨勢采用下式進行估計[12]：

(1)

(2)

當a為正時，表示序列隨時間呈上升趨勢，反之則為下降趨勢。

1.2.2Mann-Kendall法

Mann-Kendall法是一種非參數統計檢驗方法[12]，既可用于檢測序列的變化趨勢，也可用于檢測氣候突變，而且它是目前檢測氣候突變的一種常用方法。

對于具有n個樣本量的時間序列x，構造一秩序列：

(3)

式中，當xi>xj時，取ri=1，否則ri=0(j=1， 2，...，i)

在時間序列隨機獨立的假定下，定義統計量

(4)

1.2.3相關系數

相關系數是描述兩個隨機變量線性關系的統計量[12]，計算公式為：

(5)

2　結果分析

2.1平均地面溫度的變化特征

由表1和圖1可知，近53年菏澤年平均地面溫度呈上升趨勢，平均每10年升高0.22 ℃，通過了α=0.001的顯著性檢驗，說明升溫趨勢極顯著，較菏澤平均氣溫每10年升高0.26 ℃[11]的升溫幅度略小。年平均地面溫度的變化曲線與年平均氣溫變化曲線呈同位相變化。近53年菏澤平均地面溫度四季均呈升溫趨勢，春季升溫趨勢極顯著，通過了α=0.001的顯著性檢驗； 冬季升溫趨勢顯著，通過了α=0.05的顯著性檢驗。由此可見，近53年菏澤地面溫度冬春季節的升溫對年平均地面溫度的升高有主要貢獻。分析每月平均地面溫度變化趨勢(表略)可知， 8、11月呈弱降溫趨勢，平均每10年降低0.01～0.05 ℃； 1～7月、9～10月、12月均呈升溫趨勢，平均每10年升高0.02～0.55 ℃； 2～4月和10月的升溫趨勢顯著。近53年，菏澤年平均地面溫度已升高1.15 ℃，春季升溫最為明顯，已升高2.41 ℃； 4月升溫趨勢最為顯著，已升高2.92 ℃； 呈降溫趨勢的月份降溫幅度較小， 8月和11月平均地面溫度僅下降0.27 ℃和0.05 ℃。

表1　1961～2013年菏澤平均地面溫度、地氣溫差變化趨勢　℃/10年

圖1　1961～2013年菏澤年平均地面溫度及年平均氣溫變化曲線

2.2平均地面最高溫度的變化特征

由表1和圖2可知，近53年菏澤年平均地面最高溫度呈弱上升趨勢，平均每10年升高0.05℃，未通過顯著性檢驗，說明升溫趨勢不顯著，較菏澤平均最高氣溫每10年升高0.15 ℃[11]的升溫幅度小。進一步分析發現， 1981～2013年年平均地面最高溫度呈降低趨勢，每10年降低0.572 ℃。近53年菏澤平均地面最高溫度春季和秋季呈升溫趨勢，春季升溫趨勢明顯，通過了α=0.05的顯著性檢驗； 夏季和冬季呈降溫趨勢，均未通過顯著性檢驗。分析每月平均地面最高溫度變化趨勢(表略)可知， 2～5月、9～11月均呈升溫趨勢，平均每10年升高0.02～0.93 ℃； 6～8月、12月至翌年1月均呈降溫趨勢，平均每10年降低0.15～0.5 ℃； 僅有3月和4月變化趨勢顯著。近53年，菏澤年平均地面最高溫度僅升高0.28 ℃，但春季升溫明顯，已升高3.02 ℃； 4月升溫趨勢最為顯著，已升高4.93 ℃； 1月和8月降溫最為明顯，均降低2.65 ℃。表明，春季顯著趨暖、夏季趨涼，是近53年菏澤地面最高溫度變化趨勢的突出特征，預示著夏季地面最高溫度強度趨減，夏季高溫危害可能減少。

圖2　1961～2013年菏澤年及春季平均地面最高溫度變化曲線

2.3平均地面最低溫度的變化特征

由表1和圖3可知，近53年菏澤年平均地面最低溫度呈上升趨勢，平均每10年升高0.26℃，通過了α=0.001的顯著性檢驗，說明升溫趨勢極顯著，較菏澤平均最低氣溫每10年升高0.35 ℃[11]的升溫幅度小。平均地面最低溫度的升溫趨勢大于平均地面溫度和平均地面最高溫度的升溫趨勢，表明近53年菏澤地面最低溫度的升高對平均地面溫度的升高有主要貢獻。近53年菏澤平均地面最低溫度四季均呈升溫趨勢，春季和冬季升溫趨勢明顯，春季升溫趨勢通過了α=0.001的顯著性檢驗，說明春季升溫趨勢是極顯著的； 冬季升溫趨勢通過了α=0.01的顯著性檢驗，說明冬季升溫趨勢是顯著的。由此可見，冬春季節的升溫對年平均地面最低溫度的升高有主要貢獻。分析每月平均地面最低溫度變化趨勢(表略)可知，全年各月均呈升溫趨勢，平均每10年升高0.02～0.64 ℃； 2～6月和9月的變化趨勢顯著。近53年，菏澤年平均地面最低溫度已升高1.35 ℃，冬季升溫最為明顯，已升高2.40 ℃； 2月升溫趨勢最為顯著，已升高3.39 ℃。冬季和春季升溫幅度大且升溫趨勢顯著，表明冬春季節氣候趨暖是近53年菏澤地面最高溫度變化趨勢的突出特征，預示冬季地面最低溫度強度趨弱，冬季低溫危害可能減少。

圖3　1961～2013年菏澤年及冬季平均地面最低溫度變化曲線

2.4地氣溫差變化特征

由表1和圖4可知，近53年菏澤年平均地氣溫差呈遞減趨勢，平均每10年遞減0.04℃，未通過顯著性檢驗。近53年菏澤平均地氣溫差春季和夏季呈遞增趨勢，春季遞增趨勢明顯，通過了α=0.05的顯著性檢驗； 秋季和冬季呈遞減趨勢，冬季遞減趨勢明顯，通過了α=0.001的顯著性檢驗。分析每月平均地氣溫差變化趨勢(表略)可知， 3月、7～9月均呈遞增趨勢，平均每10年增加0.01～0.19 ℃； 8月、10月至翌年2月均呈遞減趨勢，平均每10年減小0.05～0.25 ℃； 4月、11月至翌年2月的變化趨勢顯著。近53年，菏澤年平均地氣溫差減小0.22 ℃，冬季遞減最為明顯，已減小1.23 ℃，春季遞增最為明顯，已增加0.63 ℃； 12月遞減趨勢最為顯著，已減小1.33 ℃； 4月遞增趨勢最為顯著，已增加1.01 ℃。秋季和冬季的遞減幅度大于春季和夏季的遞增幅度。

一般情況下都是地溫高于氣溫。地氣溫差減小，預示著近地層空氣穩定度增加，對流減弱，地表水分蒸發量減少，有利于保持土壤水分，但不利于近地層污染物的擴散，空氣污染加重[8]。研究表明，菏澤霾日數總體呈上升趨勢，秋冬季霾天氣出現多，春夏季出現少[13]。

圖4　1961～2013年菏澤年及冬季地氣溫差變化曲線

2.5地面溫度和地氣溫差的突變分析

給定α=0.05(Uα=±1.96)的顯著性標準，用Mann-Kendall檢驗法分析近53年菏澤地面溫度和地氣溫差序列的突變，得出UF和UB曲線(圖5)。可以看出，平均地面溫度的突變點在1986年， 1996年開始持續通過α=0.05顯著性水平。由此可見，菏澤平均地面溫度自20世紀90年代中期顯著趨暖。平均地面最高溫度分別在1963年、1965年和2013年發生了突變，由于2003年的交點不在臨界值內，此處不考慮為突變開始時間。平均地面最低溫度的突變點在2002年， 2007年開始持續通過α=0.05顯著性水平。平均地氣溫差的突變點在2004年，說明平均地氣溫差在2004年發生了由高到低的突變。

圖5　1961～2013年菏澤地面溫度和地面最高、最低溫度及地氣溫差M-K曲線

2.6主要影響因素

地面溫度的變化，是一個復雜的能量傳輸、轉化過程，其中主要影響因素有太陽輻射、下墊面性質、大氣環流、氣象要素狀況及地熱傳導等[8]。該文主要分析氣象因素對地面溫度的影響。

2.6.1日照時數與地面溫度相關分析

太陽輻射是地面溫度變化的根本能量源，日照時數多少，對地面溫度影響較大。由表2可以看出，各月日照時數與平均地面最高溫度均呈正相關，相關系數在0.488～0.825之間，均通過α=0.001的顯著性檢驗，即各月均為極顯著正相關； 年相關系數為0.384,通過α=0.01的顯著性檢驗，為顯著正相關。各月日照時數與平均地面最低溫度的相關系數，除7月為弱的正相關，其余月份均為負相關， 9月至翌年2月均通過了α=0.01的顯著性檢驗，即秋冬季節為顯著負相關； 年相關系數為-0.481,通過α=0.001的顯著性檢驗，為極顯著負相關。各月日照時數與平均地面溫度的相關系數大小居于日照時數與平均地面最低溫度、平均地面最高溫度相關系數之間，除1月為弱的負相關、12月為顯著負相關之外，其余月份均為正相關， 3～9月均通過了α=0.01的顯著性檢驗，即春夏季節為顯著正相關； 年相關系數為-0.077,為弱的負相關。

由上述分析可見，日照時數是影響地面溫度的重要因子。日照時數多時，往往是晴天多，白天地面接受到的太陽輻射多，地面溫度上升快，溫度相對較高，所以日照時數與平均地面最高溫度呈正相關。日照時數多時，空氣中的水汽相對較少，大氣純凈度相對較高，夜間，地面的長波輻射被大氣吸收的少，同時返向地面的大氣逆輻射就少，地面就會失溫較快，所以日照時數與地面最低溫度呈負相關。

有關研究表明，近年來，菏澤日照時數極顯著減少，年日照時數平均每10年減少121.66 h， 1981年是菏澤日照時數減少突變的時間點[14]。這是影響年平均地面最高溫度僅呈弱升溫趨勢的重要原因，也解釋了地面最高溫度1981～2013年呈降低趨勢的原因。

表21961～2013年菏澤日照時數與地面溫度的相關系數

1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年地面溫度-0.0170.0510.453***0.714***0.654***0.427**0.477***0.613***0.419**0.1670.078-0.393**-0.077地面最高溫度0.610***0.546***0.593***0.825***0.746***0.579****0.488***0.689***0.654***0.564***0.783***0.544***0.384**地面最低溫度-0.408**-0.494***-0.103-0.166-0.185-0.2530.094-0.091-0.537***-0.545***-0.544***-0.604***-0.481***

2.6.2降水量與地面溫度相關分析

由表3可以看出，各月降水量與平均地面最高溫度均呈負相關，相關系數在-0.328～-0.692之間，除2月通過α=0.05的顯著性檢驗，其余月份均通過α=0.001的顯著性檢驗，即2月為顯著負相關，其余各月均為極顯著負相關； 年相關系數為-0.729,通過α=0.001的顯著性檢驗，為極顯著負相關。各月降水量與平均地面最低溫度的相關系數，除7月為弱的負相關，其余月份均為正相關， 2月、8月、11～12月均通過了α=0.05的顯著性檢驗； 年相關系數為0.217,未通過α=0.05的顯著性檢驗，為弱的正相關。各月降水量與平均地面溫度的相關系數大小居于兩者之間，除2月、12月為弱的正相關，其余月份均為負相關， 3～10月均通過了α=0.05的顯著性檢驗，即除了秋季末期和冬季之外均為顯著負相關； 年相關系數為-0.553,通過α=0.001的顯著性檢驗，為極顯著負相關。

分析菏澤近53年平均降水量資料發現，當地年平均降水量呈弱的遞減趨勢，平均每10年減少10.432mm。2001～2010年是菏澤近50年降水最多的時期[15]，該時段平均地面溫度的升溫趨勢有所減緩。比較年降水量與平均地面溫度的變化趨勢呈明顯反位相(圖6)。由此可見，降水量的遞減是地面溫度呈升溫趨勢的原因之一。

表31961～2013年菏澤降水量與地面溫度的相關系數

1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年地面溫度-0.1090.064-0.272*-0.474***-0.608***-0.417**-0.560***-0.398**-0.556***-0.390**-0.0050.085-0.553***地面最高溫度-0.532***-0.328*-0.498***-0.653***-0.692***-0.503***-0.573***-0.566***-0.624***-0.534***-0.623***-0.652***-0.729***地面最低溫度0.1860.369**0.2180.2340.1400.149-0.0650.274*0.2170.0990.493***0.377**0.217

圖6　降水量與地面溫度相關關系

2.6.3空氣水汽壓與地面溫度相關分析

由表4可以看出，各月平均水汽壓(絕對濕度)與平均地面最高溫度均呈負相關，相關系數為-0.050～-0.599, 1月、5～6月、9～11月均通過α=0.01的顯著性檢驗，即春末夏初和秋季為顯著負相關； 年相關系數為-0.376,通過α=0.01的顯著性檢驗，為顯著負相關。各月平均水汽壓與平均地面最低溫度均呈正相關，除6月為顯著正相關，其余月份均為極顯著正相關； 年相關系數為0.547,通過α=0.001的顯著性檢驗，為極顯著正相關。各月平均水汽壓與平均地面溫度的相關系數大小居于兩者之間，除5～6月、9月為負相關，其余月份均為正相關， 11月至翌年2月均通過了α=0.001的顯著性檢驗，即秋末和冬季均為顯著正相關； 年相關系數為0.170,未通過α=0.05的顯著性檢驗，為弱的正相關。

白天，大氣中的水分能削弱到達地面的太陽輻射，影響地面溫度的提升，空氣濕度越大，這種作用越強，所以空氣濕度與地面最高溫度呈負相關。夜間，大氣中的水分能吸收地面輻射，并向地面逆輻射能量，使地面有效輻射減弱，地面溫度不至于降得太低，空氣濕度越大，這種作用越強，所以空氣濕度與地面最低溫度呈正相關。分析菏澤近53年平均水汽壓資料發現，當地年平均水汽壓呈極顯著遞增趨勢，平均每10年增加0.201 hPa。53年來，年平均水汽壓約增加10.7 hPa。這是影響年平均地面最低溫度呈顯著升溫趨勢的原因之一。

表41961～2013年菏澤空氣水汽壓與地面溫度的相關系數

1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年地面溫度0.618***0.635***0.2670.169-0.186-0.402**0.0610.105-0.0050.290*0.605***0.813***0.170地面最高溫度-0.410**-0.050-0.175-0.237-0.402**-0.599***-0.232-0.209-0.482***-0.349**-0.374**-0.262-0.376**地面最低溫度0.754***0.825***0.739***0.773***0.562***0.390**0.695***0.700***0.754***0.838***0.839***0.802***0.547***

3　結論

(1)近53年，菏澤年平均地面溫度呈極顯著上升趨勢，平均每10年升高0.22 ℃，冬春季節的升溫對年平均地面溫度的升高有主要貢獻； 年平均地面最高溫度呈現出春季顯著趨暖、夏季趨涼的變化特征； 年平均地面最低溫度呈現出冬春季節氣候趨暖的變化特征。平均地面溫度自20世紀90年代中期開始趨暖，地面最低溫度的趨暖在平均地面溫度的趨暖中起主要貢獻。

(2)近53年，菏澤年平均地氣溫差呈遞減趨勢，秋冬季節地氣溫差減小，近地層空氣穩定度增加，不利于近地層污染物的擴散，致使菏澤秋冬季霾天氣出現多，空氣污染加重。

(3)近53年，菏澤降水量減少、水汽壓極顯著增大，導致地面溫度極顯著升溫，日照時數極顯著減少對地面溫度升溫趨勢有弱的減緩作用。

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RESPONSES OF GROUND SURFACE TEMPERATURE ON CLIMATIC CHANGE IN HEZE CITY, SHANDONG PROVINCE FROM 1961 TO 2013

Dou Kun1，Huang Yufang1，Ding Yuanyuan1，Wang Chen3，Sun Cuifeng1

(1.Heze Meteorological Bureau of Shandong Province，Heze 274000，China；2.Shouguang Meteorological Bureau of Shandong Province，Heze 274000，China)

Based on the data of ground temperature in Heze from 1961 to 2013, using the methods of climate tendency rate and correlation analysis, this paper analyzed the variation characteristics of ground temperature, temperature, sunshine times, precipitation and vapor pressure and their relationship in recent 53 years. The results showed that the average ground temperature significantly elevated with the climate tendency rise of 0.22℃/10a in recent 53 years. The temperature rising in winter and spring had major contribution. The highest average ground temperature had a weak rising trend, but the lowest average ground temperature increased significantly. The average ground temperature became warming since the mid-1990s due to the rising of surface minimum temperature. Average air-ground temperature showed decline trend. The air-ground temperature difference in autumn and winter decreased and affected the diffusion of the pollutants from the surface layer, and hence led to more haze weather and air pollution in the autumn and winter. Reduced precipitation and air vapor pressure significantly increase the ground temperature. However, the decrease of sunshine hours significantly caused slow ground temperature warming trend.

ground temperature; climate tendency rate; climate abrupt change; correlation analysis

10.7621/cjarrp.1005-9121.20160610

2015-04-02

竇坤(1980—)，男，山東菏澤人，工程師。研究方向：氣象服務管理和氣候變化研究。※通訊作者：孫翠鳳(1979—)，女，山東菏澤人，高級工程師。研究方向：氣候變化和應用氣象研究。Email：sdhzscf@126.com

山東省氣象局青年科研基金項目“魯西南地區氣象災害風險評估系統與區劃研究”(2014SDQN20)

P468.0+21

A

1005-9121[2016]06-0063-07