濰坊市地表溫度變化及影響因子分析

朱翠紅，張 娜，李晶晶

（1.濰坊市寒亭氣象局，山東濰坊 261100；2.山東省安丘市氣象局，山東安丘 262100）

濰坊市地表溫度變化及影響因子分析

朱翠紅1，張 娜2，李晶晶1

（1.濰坊市寒亭氣象局，山東濰坊 261100；2.山東省安丘市氣象局，山東安丘 262100）

揭示濰坊市地表溫度變化規律及特征。采用Microsoft Excel 2013和DPS7.05軟件，利用氣候統計分析方法，將濰坊市1971～2015年逐月的地面0 cm溫度及氣溫、降水、日照、相對濕度、云量和風速等相關氣象要素為研究對象，建立年代際、年、季的數據序列進行相關分析研究。表明：（1）濰坊市地表平均溫度和地表平均最低溫度的年序列呈現上升趨勢，地表平均最低溫度增溫達極顯著水平；地表平均最高溫度顯著下降，傾向率為-0.37℃/10 a；地表平均溫度、最高溫度和最低溫度年代變化均呈現“升—降—升”的趨勢，21世紀10年代變化最為顯著，對地表溫度的增溫貢獻最大。（2）地表溫度月變化均呈現單峰式曲線。（3）地表平均溫度的年、季變化均未發生突變；地表平均最高溫度的年、春季變化在1990年附近發生突變；地表平均最低溫度近45年出現一次明顯突變；地表溫度變化存在明顯的周期性。（4）地表平均溫度和地表平均最低溫度與氣溫正相關最為顯著，降水量對地表平均溫度和地表平均最高溫度顯著負相關。

地表溫度 氣候變化 相關分析

地表溫度是大氣與地表結合部的溫度狀況，是非常有用的氣候資源，地溫的變化也是氣候變化研究中的重要問題之一。哪些氣象因子與這些變化相關，目前沒有這方面的研究文獻出現。文章利用1971～2015年濰坊市地面溫度資料和相關氣象資料進行分析，揭示濰坊市地表溫度的變化規律和特征，為研究區域氣候變化對該地區農業的區域規劃和農業生產提供科學參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選用濰坊市國家基本氣象站（東經119°12′，北緯36°45′，海拔高度22.2 m）1971～2015年逐月的地面0 cm溫度及氣溫、降水、日照、相對濕度、云量和風速等相關氣象要素為研究對象，并建立年代際、年、季的數據序列進行相關分析。四季采用氣象學上的標準進行劃分：春季（3～5月）、夏季（6～8月）、秋季（9～11月）、冬季（12月～翌年2月）。氣候平均值采用1971～2015年的要素平均值。

1.2 研究方法

（1）利用一元一次線性回歸法分析濰坊市地面0 cm溫度的變化趨勢，并采用相關系數進行顯著性檢驗[1]。

（2）利用滑動t檢驗和山本（Yamamoto）法對地表溫度進行突變檢驗。

（3）用相關分析法對地面0 cm溫度和氣溫等11個影響因子進行相關性分析。

（4）統計分析采用Microsoft Excel 2013和DPS7.05軟件進行數據處理和數據分析。

2 結果與分析

2.1 地表溫度變化趨勢分析

2.1.1 地表溫度的年際和年代際變化

由圖1可以看出，近45年濰坊市年地表平均溫度為15.1℃，呈上升趨勢，變化傾向率為0.12℃/10 a，但上升趨勢不顯著（r=0.238 5，未通過α=0.05的顯著性檢驗）。在1976年地表平均溫度為最低值13.8℃，最高值16.2℃有兩年，分別為2006年和2015年，年際變化較大。從9 a滑動平均來看，近45年呈現“升—降—升”的變化趨勢。20世紀70年代后期至80年代末，地表平均溫度呈現緩慢上升趨勢，1983年通過平均線，到90年代初達到高點后開始呈現下降趨勢，1992年通過平均線，90年代末達到最低點。從21世紀00年代初開始緩慢上升，10年代初明顯上升并持續至今。

圖1 濰坊市地表平均溫度的變化趨勢

從圖2看，地表平均最高溫度為30.9℃，呈現顯著的下降趨勢，通過了α=0.05的顯著性檢驗，傾向率為-0.37℃/10 a，近45年下降了1.68℃。最高值出現在1981年（33.7℃），最低值為2005年（28.0℃），極差達到5.7℃。從9 a滑動平均來看，變化大體呈現“升—降—升”的趨勢。20世紀70年代后期到0年代末呈現上升趨勢，到90年代初達到最高點后開始明顯下降，1996年通過平均線，下降趨勢持續到到21世紀00年代末，10年代初開始上升，但未達到平均線。

圖2 濰坊市地表平均最高溫度的變化趨勢

從圖3來看，地表平均最低溫度為6.3℃，以0.45℃/10 a的速度上升（r=0.692 5），上升的趨勢通過了0.001的顯著性水平檢驗，達到極顯著水平。最高值在2015年（8.4℃），最低值為4.9℃，出現在1972年。從9 a滑動平均來看，變化趨勢大體呈現“升—降—升”趨勢。20世紀70年代后期至80年代初小幅上升后緩慢下降，80年代中期到90年代末變化曲線比較平緩，21世紀00年代初開始上升，到2004年通過了平均線，明顯的上升趨勢一直持續至今。從表1可以看出，20世紀70年代～21世紀10年代，各年代的傾向率都為正值，上升趨勢顯著，80年代通過了α=0.05的顯著性檢驗，90年代通過了α=0.01的顯著性檢驗，20世紀70年代、21世紀的00年代和10年代均通過了α=0.001的顯著性水平檢驗，變化達到極顯著水平，其中21世紀10年代變化最為顯著，傾向率為5.2℃/10 a，相關系數r值達到了0.964。

2.1.2 地表溫度的突變分析

采用滑動t檢驗法和Yamatomo法對濰坊市地表溫度進行突變分析，兩項檢驗法的顯著性水平給定α=0.01，子序列均取n1=n2=10，由于兩種檢驗分析方法均有不足之處，導致分析結果存在差異。由表1可以看出，年、季地表溫度的突變年份基本保存一致。地表平均溫度的年季變化均未發生突變，地表平均最高溫度的年、春季變化在1990年附近發生了突變，地表平均最低溫度年、季均發生了突變，突變多發生在2001年和2005年附近，說明在21世紀初地表平均最低溫度出現了明顯突變。

2.1.3 地表溫度的周期分析

對近45年濰坊市地表平均溫度、地表平均最高溫度和地表平均最低溫度做Morlet小波分析。圖4所示，橫坐標為時間t（1—45分別代表1971～2015年），縱坐標為頻率周期（4～26年），等值線越密集，代表信號震蕩中心的強度越強，相應的周期特征越明顯。

圖3 濰坊市地表平均最低溫度的變化趨勢

表1 近45年濰坊市地表平均溫度、地表平均最高溫度和地表平均最高溫度的突變分析

由圖5 a看，近45年濰坊市地表平均溫度在4年以下的部分沒有出現明顯的閉合中心，說明該尺度范圍周期變化非常弱，時間序列存在6～8年左右尺度的周期；由圖5 b看，地表平均最高溫度存在4～6年、10年左右尺度的周期，圖5 c發現地表平均最低溫度存在4年、8年、14年左右尺度的周期。

圖4 近45年濰坊市地表平均溫度、地表平均最高溫度和地表平均最低溫度的小波分析

2.2 地表溫度的影響因子分析

地表溫度的變化過程是一個能量傳輸、轉化的復雜過程，一些研究表明，影響地表溫度的因素主要為太陽輻射、大氣環流、下墊面性質和氣象要素等[2-3]。利用DPS7.05軟件中的相關分析，對濰坊市的地表溫度與同期的氣溫、降水、日照等11項要素進行相關性分析。

由表2可以看出，地表平均溫度的正相關因子有6個，氣溫、極端最高氣溫、極端最低氣溫、降水量和相對濕度明顯正相關，其中氣溫的正相關系數達到0.86，通過了0.01的顯著性水平檢驗，負相關因子有5個，降水量的負相關系數最大，為-0.46，通過了0.01的顯著性水平檢驗；與地表平均最高溫度正相關因子有7個，顯著正相關的為日照時數，相關系數通過了0.05的顯著性水平檢驗，有4個負相關因子，顯著負相關的有降水量、低云量和相對濕度，其中降水量的負相關系數最大（-0.52），通過了0.01的顯著性水平檢驗；地表平均最低溫度的正相關因子有5個，顯著正相關有氣溫、極端最低氣溫、低云量和最小相對濕度，其中氣溫的正相關最顯著，相關系數為0.86，通過了0.01的顯著性水平檢驗，顯著負相關的有日照時數、平均風速和日最大風速，其中平均風速的負相關系數最大，為-0.60，也通過了0.01的顯著性水平檢驗。通過分析，地表平均溫度、平均最高溫度和平均最低溫度的相關因子和因子相關性各不相同。氣溫對地表平均溫度和地表平均最低溫度的影響最為顯著，地表溫度的變化直接體現了大氣與下墊面的熱量交換；降水量對地表平均溫度和地表平均最高溫度的變化顯著負相關，說明降水增多，土壤濕度增大，導熱率和熱容量增加，土壤失熱降溫。日照時數與地表平均最高溫度正相關，低云量與之負相關，說明晴天時，日照時數多，低云量少，地面受到的太陽輻射就多，地表溫度的增溫就迅速；與地表平均最低溫度的相關關系正好相反。

表2 濰坊市地表溫度的相關因子

3 結論與討論

（1）近45年濰坊市年地表平均溫度為15.1℃，呈上升趨勢，變化傾向率為0.12℃/10 a，上升趨勢未通過顯著性水平檢驗，年代變化呈現“升—降—升”的變化趨勢，21世紀10年代溫度最高（15.6℃）；地表平均最高溫度呈現顯著的下降趨勢（通過了α=0.05的顯著性檢驗），平均每10 a下降0.37℃，年代變化大體呈現“升—降—升”的趨勢；地表平均最低溫度的增溫最為顯著，以0.45/10 a的速度上升，并通過了0.001的極顯著性水平檢驗，年代變化也呈現“升—降—升”趨勢。地表平均溫度、地表平均最高溫度和地表平均最低溫度在21世紀10年代的變化最明顯，均通過了α=0.001的極顯著性水平檢驗，地表平均溫度和地表平均最低溫度20世紀10年代平均值均為近45年來的最大值，增溫最為顯著，對近45年的增溫貢獻最大。

（2）地表平均溫度、地表平均最高溫度和地表平均最低溫度月變化均呈現單峰式變化曲線，最小值均出現在1月，地表平均溫度和地表平均最低溫度最大值均為7月，而地表平均最高溫度出現在6月。地表平均溫度和地表平均最低溫度的月變化大多呈上升趨勢，地表平均最高溫度的月變化大多呈現下降趨勢，均與其年變化趨勢保持一致。

（3）從季變化來看，近45年濰坊市地表平均溫度、地表平均最高溫度和地表平均最低溫度的冬季變化最為明顯，地表平均溫度和地表平均最低溫度的四季均呈現上升趨勢。地表平均最低溫度的四季增溫均通過了顯著性水平檢驗，對地表溫度的上升貢獻最大。

（4）濰坊市地表平均溫度的年、季序列未出現明顯突變，地表平均最高溫度的年、春季序列突變發生在1990年附近，地表平均最低溫度年、季均發生了突變，突變多發生21世紀初，說明在21世紀初地表平均最低溫度出現了一次的明顯突變；地表溫度存在明顯的周期性變化。

（5）通過對11項因子進行相關性分析，發現氣溫對地表平均溫度和地表平均最低溫度的正相關最為顯著，降水量對地表平均溫度和地表平均最高溫度顯著負相關，均通過了0.01的顯著性水平檢驗。

（6）地表溫度的變化復雜，與農業生產息息相關，目前針對濰坊市地溫及地溫影響的研究相對較少。下一步需要整理更密集、更廣泛的氣象觀測資料，開展不同深度地溫的變化分析，并針對不同深度地溫變化對當地農業生產的影響做進一步的研究。

[1]魏鳳英．現代氣候統計診斷與預測技術（第2版）．北京：氣象出版社，2007

[2]董平，王鳳嬌，魏敏．夏季不同下墊面最高溫度變化規律及影響因子．安徽農學通報，2009，15（13）：160～161

[3]李雄，董蕙青，黃嘉華，等．南寧各種下墊面溫度特征及預報方法探討．氣象科技，2005，33（6）：487～491

濰坊市氣象局基金項目“氣候變化對木本植物物候期影響評價”（2016 wfqxkt09）