珠峰地區(qū)淺層地溫的變化特征—以定日縣為例

平措次旺 , 索南才吉 , 桑旦平措 , 羅桑曲珍

（1. 西藏自治區(qū)定日縣氣象局，定日 858200；2. 西藏自治區(qū)日喀則市氣象局，日喀則 857000；3. 西藏高原大氣環(huán)境科學(xué)研究所，拉薩 850001）

引言

IPCC第五次評估報告指出，1880～2012年，全球地表平均溫度呈線性上升趨勢，升高約0.85℃[1]，中國氣候變暖與世界表現(xiàn)一致[2]。地溫是指下墊面溫度和不同深度的土壤溫度，主要包括離地面5、10、15、20cm深度的淺層地溫及離地面40、80、160、320cm深度的深層地溫[3]，其變化直接影響植物的生長、發(fā)育和土壤的形成。全球氣候增暖的背景下，學(xué)術(shù)界對淺層地溫的時空變化引起普遍關(guān)注。有學(xué)者通過對1961～2010年地面0cm地溫數(shù)據(jù)，研究了中國0cm地溫變化特征，發(fā)現(xiàn)全國0cm地溫呈先降低后升高的趨勢[4]。區(qū)域尺度上，西北大部、西藏地區(qū)的淺層地溫及東北北部0cm地溫均呈顯著升高的趨勢[5?8]。

青藏高原是世界上面積最大、平均高度最高，地形也最復(fù)雜的高原，通過輻射、感熱和潛熱形成一個高聳入大氣的熱源，大氣的下邊界物理屬性，如土壤的溫度、濕度變化直接影響著地氣間的感熱與潛熱通量，從而影響地球陸-氣間三維熱力結(jié)構(gòu)的變化[9]。土壤作為天氣變化的能量調(diào)節(jié)器，它的能量儲放可以對長期天氣變化產(chǎn)生重要影響[10]。以西藏為例，平均淺層地溫表現(xiàn)為顯著的升高趨勢，冬季增幅最大，夏季最小，絕大部分站點年、季淺層平均地溫相比同時期的平均氣溫增溫幅度更明顯[9]。雖然前人已對淺層地溫進行了大量研究，但這些研究多集中于低海拔地區(qū)，對青藏高原的地溫研究較少，尤其對珠峰區(qū)域淺層地溫變化及其對氣候變化響應(yīng)的關(guān)注不多。《珠峰地區(qū)氣候環(huán)境變化評估》報告[11]指出：近50年來，珠峰地區(qū)持續(xù)變暖，而降水變化不明顯；珠峰地區(qū)冰川顯著退縮，冰湖面積擴張，河流徑流增加，反映了水文過程對氣候變暖的響應(yīng)；珠峰地區(qū)大氣環(huán)境受到跨境傳輸?shù)拇髿馕廴疚锏娘@著影響；珠峰地區(qū)生態(tài)環(huán)境總體為轉(zhuǎn)好趨勢。然而全球變暖背景下珠峰地區(qū)淺層地溫的變化規(guī)律仍然是個未知數(shù)。因此，本文利用定日氣象站1980～2019年逐月平均氣溫、0～20cm淺層地溫資料和氣候統(tǒng)計方法，通過分析40a來定日淺層地溫，揭示珠峰地區(qū)淺層地溫的變化特征，研究結(jié)果不僅有助于深入理解全球氣候變暖背景下珠峰地區(qū)地溫的變化規(guī)律，還可為珠峰地區(qū)合理利用氣候資源、提高農(nóng)作物產(chǎn)量等提供參考依據(jù)和科學(xué)基礎(chǔ)。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)概況

定日縣隸屬西藏自治區(qū)日喀則市，地處喜瑪拉雅山脈中段北麓珠峰腳下，是珠穆朗瑪峰自然保護區(qū)的中心地帶，舉世聞名的珠穆朗瑪峰、洛子峰等均在該縣行政邊界范圍內(nèi)。

如圖1所示，定日站屬國家基本站，觀測場海拔高度為4300m，具有良好的地形代表性，能代表其北部的岡底斯山脈和南部的喜馬拉雅山之間的廣大地形[12]，為高原地區(qū)科學(xué)研究發(fā)揮著重要作用。

圖1 研究區(qū)定日和珠峰的地理位置

1.2 資料來源

采用定日氣象站1980～2019年逐月平均氣溫和0～20cm淺層地溫資料。氣溫數(shù)據(jù)來自中國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集（http://data.cma.cn/），并將其與MDOS系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)進行了對比；地溫數(shù)據(jù)基于MDOS系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴格的質(zhì)量控制，質(zhì)量可靠。為獲得定日站近40a連續(xù)、完整的淺層地溫序列，本文采用線性回歸訂正方法對缺失的地溫數(shù)據(jù)進行逐月補插[13]，季節(jié)劃分上為春季（3～5月）、夏季（6～8月）、秋季（9～11月）、冬季（12月～次年2月）。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 氣候傾向率

平均地溫氣候傾向率采用一元線性方程表示，即：

式中a、b分別是回歸常數(shù)和系數(shù)，a、b用最小二乘法估計。b×10即為每10a氣候傾向率，單位為℃/10a。

1.3.2 Mann-Kendall突變檢驗

M-K突變檢驗是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，是一種氣候診斷與預(yù)測技術(shù)，可以判斷氣候序列中是否存在氣候突變，并可確定突變發(fā)生時間。其結(jié)構(gòu)簡單，計算簡便，是一種常用的突變檢驗方法。

2 結(jié)果分析

2.1 淺層地溫的變化速率

40年來定日淺層地溫多年平均值隨深度增加呈先增后減再增的波動型趨勢（表1）。5cm地溫多年平均值最高，為8.86℃；其次是10cm、20cm和0cm，分別為8.74℃、8.63℃和8.61；15cm地溫的多年平均值最低，為8.55℃。各層年平均地溫的最大值除15cm地溫外，其余均出現(xiàn)在2009年，最大值為9.7℃(0cm)，其次是9.6℃（5cm和20cm）和9.5℃（10cm），15cm地溫最大值（9.2℃）出現(xiàn)時間是2001年。而年平均地溫的最小值均出現(xiàn)在1997年，0～20cm層地溫分別是7.4℃、7.5℃、7.6℃、7.6℃和7.7℃。對比各層地溫變差系數(shù)，0cm年平均地溫變差系數(shù)最大（6.02%），其余各地層年均溫的變差系數(shù)相對較小，表明0cm地溫波動最明顯，5～20cm地溫波動則較為平緩。

表1 1980～2019年定日淺層地溫基本特征

從1980～2019年定日0～20cm年平均地溫的時間變化（圖2）可知，除5cm外各層年地溫均呈升溫趨勢，其中0cm地層升溫幅度最大。一元線性擬合顯示，1980年以來定日0cm地溫以0.187℃/10a速度增加（通過0.05水平的顯著性檢驗），其次是20cm、10cm和15cm地溫，氣候傾向率分別是0.11℃/10a、0.05℃/10a和0.03℃/10a，而5cm地溫呈不明顯的降溫趨勢，氣候傾向率是?0.01℃/10a。

圖2 1980～2019年定日淺層地溫時間變化特征（a. 0cm，b. 5cm，c.10cm，d. 15cm，e. 20cm）

雖然定日各層年平均地溫（除5cm外）均呈升溫趨勢，但存在著季節(jié)性差異。各層地溫在春季和冬季升溫最顯著（表2），除了0cm層外，各層地溫在夏季和秋季呈降溫趨勢。5cm、15cm和20cm地溫春季增溫最明顯，變化速率分別是0.20℃/10a、0.207℃/10a和0.291℃/10a。0cm和10cm地溫冬季增溫最明顯，變化速率分別是0.257℃/10a和0.133℃/10a。雖然5cm年均地溫整體呈下降趨勢，但是春季和冬季仍為升溫趨勢。0cm冬季、5cm夏季以及15cm和20cm春季年平均地溫變率均通過0.05水平的顯著性檢驗。

表2 1980～2019年定日淺層地溫的季節(jié)變化(單位：℃/10a)

定日5～20cm層地溫的分布情況和四季氣溫的變化一致，冬季最低，夏季最高，春季略低于秋季。而0cm地溫（圖3）在春季高于秋季，與5～20cm地溫季節(jié)變化存在差異。冬季地溫隨著深度的增加而升高，說明淺層土壤熱量傳導(dǎo)自下而上；夏季地溫隨著深度的增加而降低，說明淺層土壤熱量傳導(dǎo)自上而下。

圖3 1980～2019年定日0cm地溫季節(jié)變化

2.2 淺層地溫的突變分析

利用M-K突變檢驗法，分析了1980～2019年定日縣0～20cm年平均地溫的突變現(xiàn)象，設(shè)定0.05水平的顯著性檢驗臨界值為u0.05=±1.96。除了5cm外，各層從21世紀起均陸續(xù)發(fā)生突變現(xiàn)象，各層地溫均是從相對偏冷期躍變?yōu)橄鄬ζ冢渲?0cm和15cm地溫突變不明顯，出現(xiàn)突變時間最晚，突變點在2015年之后。由圖4可知，0cm和20cm地溫在20世紀80～90年代中后期，UF曲線統(tǒng)計量＜0，表明地溫呈下降趨勢，自20世紀末期地溫轉(zhuǎn)為上升趨勢，尤其0cm地溫升溫趨勢超過了臨界值，20cm地溫升溫趨勢接近臨界值，可見0cm和20cm地溫在21世紀前期明顯發(fā)生由冷轉(zhuǎn)暖的突變。5cm地溫一直呈多波動下降趨勢，但下降趨勢不顯著，10cm和15cm地溫的下降趨勢和時段與20cm的相似，下降趨勢顯著，但上升趨勢緩慢（圖略）。

圖4 1980～2019年定日淺層地溫M-K統(tǒng)計檢驗（a. 0cm，b. 20cm）

3 淺層地溫與氣溫因子的關(guān)系

定日多年平均氣溫（3.31℃）比各層多年平均地溫值低5.2～5.6℃。分別對氣溫及各層地溫進行線性擬合，得出氣溫的氣候傾向率為0.40℃/10a，0～20 cm層氣 溫 氣 候 傾 向 率 分 別 為0.187℃/10a、?0.01℃/10a、0.052℃/10a、0.03℃/10a和0.11℃/10a，其中氣溫擬合結(jié)果通過0.01水平的顯著性檢驗，0cm通過0.05水平的顯著性檢驗，其余各層地溫未通過顯著性檢驗，說明近40年定日年平均氣溫相比各層地溫升溫幅度更大。

年平均氣溫與各層地溫距平變化趨勢比較相似（圖5），與20cm地溫的相關(guān)性最顯著，相關(guān)系數(shù)達到了0.741，其次是0cm、10cm和15cm地溫，其相關(guān)系數(shù)分別是0.703、0.566和0.463，5cm地溫與氣溫的相關(guān)性最低，僅為0.402；除了5cm，各層地溫與氣溫的相關(guān)性均通過0.01水平的顯著性檢驗（表3）。氣溫與各層地溫的差異主要表現(xiàn)在1980～1996年氣溫變化幅度更大（即氣溫偏低更明顯），1996年后氣溫偏高更加明顯。各層地溫與同期季節(jié)氣溫的相關(guān)分析（表略）表明，各淺層地溫與氣溫呈正相關(guān)，在冬季和春季相關(guān)性最顯著，說明冬季和春季對氣溫最敏感，其次是夏季，秋季最不顯著。除秋季外，其余季節(jié)相關(guān)性均通過了0.01水平的顯著性檢驗。

表3 1980～2019年定日0～20cm淺層地溫與平均氣溫的相關(guān)關(guān)系

圖5 1980～2019年定日年均氣溫和年均地溫距平變化（a. 0cm，b. 5cm，c.10cm，d. 15cm，e. 20cm）

4 結(jié)論與討論

基于定日氣象站1980～2019年逐月平均氣溫、0～20cm淺層地溫資料，應(yīng)用氣候統(tǒng)計方法分析了近40a定日淺層地溫的變化特征。結(jié)論如下：

（1）除5cm地溫外，各層年平均地溫均呈升溫趨勢，升溫幅度為0.03～0.187℃/10a，0cm地溫升溫率最大，15cm地溫升溫速率最小，5cm地溫呈弱下降趨勢。在春季和冬季，各層地溫升溫最顯著，除了0cm外，各層地溫在夏、秋季呈降溫趨勢。氣溫與同期年、季各層地溫呈正相關(guān)，冬季和春季相關(guān)性最顯著，其次是夏季，秋季最不顯著。冬季地溫隨著深度的增加而升高，夏季相反。

（2）各層（除5cm外）年平均地溫在21世紀后均陸續(xù)發(fā)生突變現(xiàn)象，突變點不一致，但都是從相對偏冷期躍變?yōu)橄鄬ζ凇Ｖ袑樱?0cm和15cm）年平均地溫突變不明顯，0cm和 20cm地溫在21世紀前期明顯發(fā)生由冷轉(zhuǎn)暖的轉(zhuǎn)折。

（3）定日40年平均氣溫比各層平均地溫低，年平均氣溫升溫幅度比各層地溫更顯著，氣溫與各層地溫距平變化趨比較相似，與20cm地溫的相關(guān)性最顯著。除5cm外，各層地溫與氣溫的相關(guān)性均通過0.01水平的顯著性檢驗。

值得關(guān)注的是，與其他層不同的5cm年平均地溫的“異常”下降趨勢主要受其秋季變溫速率（?0.2℃/10a）的影響。探究其成因，可能與除氣溫外的其他因素（降水、日照、高原晝夜溫差、人類活動等）有關(guān)[14?15]。定日歷年夏季降水量占年總降水量的84%，秋季占11%，冬、春季僅占5%。1980～2019年定日夏季降水量呈增長的趨勢（3.5mm/10a），5cm屬淺層地溫最上一層，接受到的日照輻射比0cm層少，夏季土壤表層濕度最高，到了秋季蒸發(fā)土壤表層水分需要吸收能量，這可能是秋季5cm地溫呈下降趨勢的主要原因，也可能是5cm與其他層地溫變化規(guī)律存在明顯差異的原因之一。篇幅所限，文中沒有就這些問題展開討論，有待于在后續(xù)工作中深入研究。