黔南1961—2018年淺層地溫變化特征分析

陳 楊，潘啟學，顧 欣，唐紅忠

(貴州省黔南布依族苗族自治州氣象局，貴州 都勻 558000)

0 引言

地溫是地表面和以下不同深度處土壤溫度的統稱。它能反映土壤熱儲量狀況，通過陸地下墊面過程來引起氣候變化。如Zhang等[1]研究得出，20世紀加拿大土壤溫度對氣溫和降水的響應過程在氣候變化上的影響明顯。

離地面5、10、15、20 cm深度的地中氣溫稱為淺層地溫[2]，其對農作物根系生長有重要影響。目前已有不少學者對淺層地溫進行了大量研究[3-5]，但貴州省在此方面研究較少[6-7]，黔南地區更是空缺。

黔南位于貴州省中南部，地處云貴高原東南部向廣西丘陵過渡的斜坡地帶，地勢呈西北高、東南低，內轄12個縣市，南北跨度較大。研究1961—2018年黔南地區淺層地溫分布特征、變化規律有著重要氣候學意義，可為農業生產、資源利用提供科學依據。

1 數據及方法

1.1 數據來源

選取黔南地區12個國家基本氣象站1961—2018年0、5、10、15、20 cm逐日平均地溫資料，統計出5個層次年、季、月地溫序列。

1.2 分析方法

用線性傾向率法分析地溫變化趨勢，用Mann-Kendall檢驗法對地溫進行突變檢驗[8]，用Morlet小波分析法研究地溫周期變化特征[9-10]。用ArcGIS的空間分析功能探究淺層地溫空間分布特征。

2 淺層地溫年際變化特征分析

2.1 淺層地溫的年際分布特征

1961—2018年黔南地區5～20 cm年平均地溫為18.3 ℃，各層最高值分別為19.1、19.2、19.2、19.3 ℃，均出現在2016年，最低值為17.8、17.6、17.5、17.0 ℃，分別出現在1976、1984、1984、1962年。由圖1可見，各層平均地溫年變化相似，均呈上升趨勢，5 cm地溫整體升幅不大，10、15、20 cm平均地溫1961—1997年整體偏低(相比58 a平均值)，1998—2018年整體偏高。用線性傾向率法分析得出黔南地區5、10、15、20 cm 的氣候傾向率分別為0.095、0.140、0.174、0.194 ℃/10 a，可見各層的年平均地溫呈增溫趨勢，增幅為0.095～0.194 ℃/10 a。20 cm年平均地溫增幅最大，5 cm增幅最小，隨著深度增加增幅增加。

圖1 1961—2018年黔南地區5～20 cm地溫年變化Fig.1 Annual changes of 5～20 cm ground temperature in Qiannan area from 1961 to 2018

2.2 淺層地溫年際突變分析

用Mann-Kendall檢驗法[11]，給定顯著性水平α=0.05，即u0.05=±1.96，研究1961—2018年黔南地區5～20 cm各層平均地溫的突變特征。近10 a黔南地區淺層平均地溫呈明顯增加的趨勢(圖2)。5 cm的UF和UB曲線有多個交點，平均地溫波動較大，突變特征不明顯。10、15、20 cm的 UF和UB曲線有唯一交點，即突變點。根據交點位置得出10、15、20 cm的平均地溫分別從2002、2004、2004年開始突變，突變點后上升趨勢遠超過顯著性水平0.05臨界線，表明10、15、20 cm的平均地溫增溫趨勢明顯。

圖2 1961—2018年黔南地區5～20 cm地溫年變化Mann-Kendall檢驗Fig.2 Mann-Kendall test of the annual change of 5-20 cm ground temperature in Qiannan area from 1961 to 2018

2.3 淺層地溫周期特征

該文用Morlet小波分析法對黔南地區5～20 cm淺層地溫的時間序列進行小波變換(如圖3)，可見小波頻率分布與氣候信號變化幾乎一致。頻率等值中心為冷暖中心，其大小可反映振動強度。5、10 cm地溫在1990年之前的振蕩周期頻率較高為5～10 a，1990年后的振蕩周期頻率較低為15～25 a；15、20 cm地溫在1961—2018年的振蕩周期頻率均較高為5～15 a。

圖3 1961—2018年黔南地區5～20 cm地溫的小波變換Fig.3 Wavelet transformation of 5～20 cm ground temperature in Qiannan area from 1961 to 2018

3 淺層地溫季節特征分析

各季節地溫均呈升高趨勢，且隨深度增加氣候傾向率逐漸增大，夏季的氣候傾向率為四季中最大。春、冬季淺層地溫隨深度增加而升高，秋季淺層地溫隨深度增加而降低。

表1 1961—2018年黔南地區5、10、15、20 cm地溫季變化統計Tab.1 Seasonal changes of ground temperature at 5,10,15,20 cm in Qiannan area from 1961 to 2018

4 淺層地溫月際特征分析

黔南地區5～20 cm各層平均地溫月變化呈單峰形勢。各層地溫最大值出現在8月，最小值出現在1月。3—9月地溫由高到低為5 cm>10 cm>15 cm>20 cm，即暖月隨深度增加地溫遞減，10月—次年2月地溫由高到低為20 cm>15 cm>10 cm>5 cm，即冷月隨深度增加地溫遞增。

圖4 1961—2018年黔南地區5～20 cm地溫月變化Fig.4 Monthly changes of 5～20 cm ground temperature in Qiannan area from 1961 to 2018

5 淺層地溫的空間分布特征

黔南處在106.22～108.23°E，25.12～27.48°N，海拔高度242～1961m的斜坡地帶，地形地勢差異使南北氣候差異明顯。用ArcGIS的空間分析功能，探究黔南地區12個縣市近58 a的年平均淺層地溫空間分布特征。從圖5可看出淺層地溫呈自北向南逐漸升高的特征，甕安最低，羅甸最高。

圖5 1961—2018年黔南地區5～20 cm淺層地溫空間分布Fig.5 Spatial distribution of 5～20 cm shallow ground temperature in Qiannan area from 1961 to 2018

黔南地區5 cm年平均地溫范圍為16.1～22.2 ℃，10 cm年平均地溫范圍為16.0～22.2 ℃，15 cm年平均地溫范圍為15.9～22.3 ℃，20 cm年平均地溫范圍為15.9～22.3 ℃。羅甸近58 a的平均淺層地溫為12縣市中最高，甕安為最低。淺層地溫垂直變化上，從5～20 cm羅甸、獨山逐漸上升，福泉、龍里、平塘、荔波、三都、都勻逐漸下降，甕安、惠水、長順在5～10 cm下降，10～20 cm上升，貴定在5～10 cm上升，10～20 cm下降。整體上年平均淺層地溫由高到低的順序為5 cm>10 cm>15 cm>20 cm。

6 結論

①近58 a黔南地區5～20 cm各層平均地溫年際變化呈上升趨勢，氣候傾向率隨著深度增加升幅逐漸增加。5 cm的平均地溫波動較大，突變特征不明顯，10、15、20 cm的平均地溫分別從2002、2004、2004年開始突變。5 cm、10 cm地溫在1990年之前的振蕩周期頻率較高，1990年后的振蕩周期頻率較低，15 cm、20 cm地溫近58 a的振蕩周期頻率均較高。

②各季節地溫均呈增溫趨勢，且隨深度增加氣候傾向率逐漸增大。各層平均地溫月變化呈單峰形勢。暖月隨深度增加地溫遞減，即冷月隨深度增加地溫遞增。

③近58 a淺層地溫呈自北向南逐漸升高的規律，甕安最低，羅甸最高。12縣市淺層地溫垂直變化特征各不相同。