近59 a青南地區(qū)地表溫度和氣溫的變化特征分析

韓忠全，許學(xué)蓮

(1.青海省果洛州久治縣氣象局，青海 智青松多 814499；2.青海省格爾木市氣象局，青海 格爾木 816099)

引言

青南地區(qū)位于青海省南部，是青海省綜合自然區(qū)劃的一個(gè)一級(jí)區(qū)，河流眾多，冰川廣布，為長(zhǎng)江、黃河、瀾滄江發(fā)源地，素有“中華水塔”之稱，是青藏高原的生態(tài)屏障。

地溫和氣溫是影響氣候變化的重要指標(biāo)，地溫和氣溫的改變不僅會(huì)使區(qū)域氣候發(fā)生改變，而且對(duì)大氣環(huán)流產(chǎn)生影響[1]。研究地溫和氣溫的變化特征有助于揭示地氣溫度對(duì)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響[2]，因此，近來(lái)已有許多學(xué)者對(duì)此展開了大量研究，王佳琳等分析了中國(guó)0 cm地溫變化特征及其與氣溫變化的關(guān)系，指出中國(guó)大部分地區(qū)0 cm地溫都表現(xiàn)為升溫趨勢(shì)，且北方地區(qū)較南方升溫更加明顯，就各季節(jié)而言，冬季升溫最明顯，夏季升溫最弱[3]。杜軍等對(duì)西藏淺層地溫對(duì)氣候變暖的響應(yīng)進(jìn)行了分析，指出西藏地區(qū)年、 季平均淺層地溫表現(xiàn)為顯著的升高趨勢(shì)，其中冬季增幅最大，夏季最小[4]。陳超等研究了1961～2010年桂林氣溫和地溫的變化特征，得出氣溫與各層地溫有很好的相關(guān)性；各年、季平均氣溫和各層平均地溫大部分呈顯著的升高趨勢(shì)，但氣溫和地溫的增溫速率不一致，即升溫存在非對(duì)稱性[5]。對(duì)于研究地溫和氣溫變化特征較多[6～12]，但對(duì)青南地區(qū)的地溫和氣溫變化特征很少[13]。本文對(duì)青南地區(qū)的地溫和氣溫變化特征進(jìn)行了深入的分析，為正確評(píng)估氣候變化對(duì)青南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的影響，保護(hù)和恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)提供重要的參考數(shù)據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

采用1961～2019年地表溫度和氣溫的逐月觀測(cè)資料，資料來(lái)自于青海省氣象信息中心。綜合考慮氣象臺(tái)站的遷徙和觀測(cè)資料的完整性，選取青南地區(qū)曲麻萊、囊謙、玉樹、瑪多、達(dá)日、班瑪、久治、興海、同德、澤庫(kù)、河南縣11個(gè)氣象臺(tái)站的資料，按12月至次年2月為冬季，3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，生成逐級(jí)序列以及年序列。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候傾向率 利用氣象要素的時(shí)間序列，以時(shí)間為自變量，要素為因變量，建立一元回歸方程。設(shè)y為某一氣象變量，t為時(shí)間(年份或序號(hào))，建立y與t之間的一元線性回歸方程：

其趨勢(shì)變化率為：把b1×10稱為變化傾向率，單位為d·(10a)-1或mm·(10a)-1；趨勢(shì)方程中系數(shù)b1的計(jì)算式具體見(jiàn)如下：

Y(t)=b0+b1t

(1)

(2)

(3)

b1值的符號(hào)反映上升或下降的變化趨勢(shì)，b1<0表示在計(jì)算時(shí)段內(nèi)呈下降趨勢(shì)，b1>0表示呈上升趨勢(shì)。b1值絕對(duì)值的大小可以度量其演變趨勢(shì)上升、下降的程度。

1.2.2 Mann-Kendall 突變檢驗(yàn) MK法是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，是目前突變性檢驗(yàn)中應(yīng)用較多的一種診斷方法[14]。MK突變檢驗(yàn)中，若正序列(UF)的值大于0，表示序列呈上升趨勢(shì)，小于0則呈下降趨勢(shì)；如果正反序列兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量序列僅有一個(gè)明顯的交點(diǎn)，且在信度線之間，那么該交點(diǎn)為突變點(diǎn)，且統(tǒng)計(jì)上顯著；若交點(diǎn)在信度線之外，或者是存在多個(gè)明顯的交點(diǎn)，則不確定是否為突變點(diǎn)[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 地溫與氣溫的變化關(guān)系

利用氣象臺(tái)站1961～2019年平均地表溫度和平均氣溫資料，建立1961～2019年多年年平均地、氣溫序列。圖1給出了青南地區(qū)1961～2019年平均地表溫度和平均氣溫相關(guān)關(guān)系圖。可以看出，平均地表溫度和平均氣溫相關(guān)系數(shù)為0.8637，通過(guò)0.001顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明地溫與氣溫的變化趨勢(shì)具有很好的一致性。

近59 a來(lái)青南地區(qū)地溫和氣溫多年平均值為4.4 ℃和0.7 ℃，最大值均出現(xiàn)在 2016 年，分別為5.9 ℃和2.2 ℃，最小值均出現(xiàn)在1983年，分別為2.8 ℃和-0.6 ℃。地溫和氣溫均以增溫為主(圖2a)，分別以0.31 ℃/10a和0.36 ℃/10a的幅度上升，通過(guò)0.001顯著性檢驗(yàn)，表明青南地區(qū)地溫和氣溫上升趨勢(shì)明顯，特別是2000年后升溫尤為顯著。近59 a來(lái)青南地區(qū)地氣溫差多年平均值為3.7 ℃，最大值出現(xiàn)在1961年和1965年，為4.7 ℃，最小值出現(xiàn)在2003年，為2.9 ℃。地氣溫差以0.05 ℃/10a的幅度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)(圖2b)，這主要是因?yàn)榈販氐脑鰷胤刃∮跉鉁兀貧鉁夭顪p小趨勢(shì)不顯著，未通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)。地氣溫差為正，說(shuō)明青南地區(qū)地表對(duì)大氣的加熱作用大于冷卻作用，向大氣輸送熱量占主導(dǎo)地位。

圖1 青南地區(qū)年平均地表溫度和年平均氣溫的關(guān)系

2.2 地溫和氣溫的年代際變化

表1列出了青南地區(qū)地表溫度和氣溫的年代際距平。近59 a來(lái)，青南地區(qū)的地表溫度總體呈上升趨勢(shì)，21世紀(jì)10年代距平值為1.2 ℃，是近59 a中最高時(shí)期；20世紀(jì)60～90年代與多年平均相比偏低0.3～0.9 ℃，是近59 a中偏低時(shí)期；21世紀(jì)00年代較多年平均偏高0.8 ℃；20世紀(jì)60年代到21世紀(jì)10年代地溫升高1.5 ℃；各個(gè)年代升溫和降溫幅度不同，70年代比60年代下降0.1 ℃；80年代比70年代下降0.5 ℃；90年代比80年代升高0.3 ℃；21世紀(jì)00年代比20世紀(jì)90年代升高1.4 ℃，升溫幅度較大；到21世紀(jì)10年代升溫幅度有所減緩，21世紀(jì)10年代比00年代上升0.4 ℃，總體地溫呈先降后升的態(tài)勢(shì)。

近59 a來(lái)，青南地區(qū)氣溫升溫顯著，21世紀(jì)10年代距平值為1.0 ℃，是近59 a中最暖的時(shí)期；20世紀(jì) 60～90年代與多年平均相比偏低0.2～0.7 ℃，是近59 a中的偏冷時(shí)期；21世紀(jì)00年代較多年平均偏高0.8 ℃；20世紀(jì)60年代到21世紀(jì)10年代的59 a，氣溫上升1.7 ℃；各個(gè)年代升溫幅度有所不同，60年代到70年代升高0.2 ℃；70年代到80年代升高0.1 ℃；80年代到90年代升高0.2 ℃；90年代到21世紀(jì)00年代升溫幅度較大，升高1.0 ℃；到21世紀(jì)10年代升溫幅度減緩，00年代到10年代升高0.2 ℃，59 a來(lái)，年平均氣溫呈持續(xù)上升態(tài)勢(shì)。

圖2 青南地區(qū)年平均地溫和年平均氣溫的變化及溫差變化

表1 青南地區(qū)地溫和氣溫的年代際距平(℃)

比較1961～2019年平均地溫和平均氣溫的變化幅度可以看出，在氣候變暖背景下，地溫比氣溫的響應(yīng)緩慢、滯后。

2.3 地溫和氣溫的季節(jié)變化

近59 a來(lái)，青南地區(qū)四季地溫和氣溫均以增溫為主(表2)，冬季升溫速率最大，分別為0.48 ℃/10a和0.52 ℃/10a；秋季次之；地溫在夏季升溫率最小；氣溫在春季升溫率最小，除春季和夏季平均地溫通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)外，地溫和氣溫變化趨勢(shì)在其他季節(jié)均通過(guò)0.001顯著性檢驗(yàn)。

春、夏、秋、冬四季地溫21世紀(jì)10年代與多年平均相比分別偏高0.9 ℃、0.9 ℃、1.3 ℃、2.0 ℃，是近59 a中最高時(shí)期。20世紀(jì)60年代到21世紀(jì)10年代的59 a，四季地溫分別上升0.9 ℃、1.0 ℃、1.5 ℃、2.6 ℃。四季氣溫的年代際變化與地溫類似，最暖時(shí)期出現(xiàn)在21世紀(jì)10年代，與多年平均相比分別偏高0.7 ℃、1.0 ℃、1.1 ℃、1.4 ℃；20世紀(jì)60年代到21世紀(jì)10年代的59 a，四季氣溫分別上升1.2 ℃、1.6 ℃、1.9 ℃、2.6 ℃。由此可見(jiàn)，近59 a來(lái)，地溫和氣溫的增溫幅度冬季最大，春季最小，四季最暖期均出現(xiàn)在21世紀(jì)10年代。

綜上所述：在氣候變暖前提下，四季氣溫比地溫響應(yīng)較快，較強(qiáng)烈，尤其在冬季響應(yīng)更迅速、更敏感。

2.4 地溫和氣溫的突變分析

圖3是利用Mann-Kendall 檢驗(yàn)法對(duì)近59 a青南地區(qū)的地溫和氣溫序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)分析，春、夏季平均地溫在2004年發(fā)生明顯氣候突變；秋、冬季平均地溫分別在2005年和2000年發(fā)生氣候突變；年平均地溫在臨界值信度線之間有2個(gè)交點(diǎn)，再經(jīng)過(guò)累積距平和信噪比公式計(jì)算分析，確定年平均地溫在2008年發(fā)生氣候突變。夏、秋、冬季平均氣溫在1997年發(fā)生氣候突變，春季平均氣溫在臨界值信度線之間有2個(gè)交點(diǎn)，年平均氣溫UF和UB兩條曲線交點(diǎn)在臨界線之外，再經(jīng)過(guò)累積距平和信噪比公式計(jì)算分析，確定年和春季平均氣溫分別在1997年和2001年發(fā)生明顯突變。以上分析表明，年、季平均地溫氣候突變發(fā)生在不同年份，氣溫除春季外均在同年發(fā)生突變，氣溫突變比地溫突變?cè)纭?/p>

表2 青南地區(qū)不同年代、季節(jié)、59 a地溫和氣溫平均值(℃)及氣候傾向率

3 結(jié)論

(1) 近59 a來(lái)，青南地區(qū)地溫和氣溫的變化有很好的相關(guān)性，說(shuō)明地溫與氣溫的變化趨勢(shì)具有很好的一致性，兩者變化趨勢(shì)相似，最暖期均出現(xiàn)在21世紀(jì)10年代。

(2)地溫和氣溫均呈明顯上升趨勢(shì)，年平均地溫明顯高于平均氣溫，但地溫的升溫率和升溫幅度低于氣溫的升溫率和升溫幅度，表明在氣候變暖大背景下，地溫比氣溫的響應(yīng)緩慢，地溫和氣溫的升溫速率不一致說(shuō)明升溫存在非對(duì)稱性。

(3)四季地溫和氣溫均以升溫為主，其中，冬季升溫率最高、升溫幅度最大，表明冬季溫度的升高為年平均地溫和年平均氣溫的升高作突出貢獻(xiàn)，四季最暖期均出現(xiàn)在21世紀(jì)10年代。

(4)地溫和氣溫在20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初發(fā)生氣候突變，即從一個(gè)相對(duì)偏冷期躍變?yōu)橄鄬?duì)偏暖期，其中，年、四季平均地溫在21世紀(jì)初發(fā)生突變；氣溫除春季在21世紀(jì)初發(fā)生突變外，其他季節(jié)和年平均氣溫均在20世紀(jì)90年代發(fā)生突變，氣溫突變比地溫突變?cè)纭?/p>