商洛市地表溫度的時空變化及影響因素

李 亮，劉 帆，王 華，田 亮，嚴紅梅

（1洛南縣氣象局，陜西商洛 726100；2咸陽市氣象局，陜西咸陽 712000；3陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點實驗室，西安 712034；4陜西省氣象局，西安 712034）

0 引言

地表溫度(Land surface temperature，LST)是全球氣候變化研究的一個重要參數(shù)，表示大氣底層和陸地表層之間熱量狀態(tài)的重要指標，是地表顯熱和潛熱通量共同作用的結(jié)果[1-2]。地表溫度的變化直接影響下墊面的反射率以及土壤的濕度，對氣候造成很大影響[3]。同時，地表溫度的定量研究及時空格局，對農(nóng)業(yè)氣象、生態(tài)環(huán)境以及城市建設(shè)等具有重要意義[4-5]。IPCC第五次發(fā)布的報告指出，平均地表溫度自1880—2012年大約升溫0.85℃[6]。眾多學者從不同區(qū)域、不同角度對地表溫度變化特征進行研究分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中國大部分地區(qū)地表溫度都有升溫趨勢[7]，且北方和青藏高原地區(qū)增溫最明顯[8]。同時，西部地區(qū)的地表溫度相比氣溫變化更加劇烈[9]，氣候也變得更加極端[10]。地表溫度與大氣環(huán)流之間相互影響，一方面，地表溫度變化受地形、氣象要素等環(huán)境因素的影響[11-12]，另一方面地表溫度和濕度及地表反照率又對大氣環(huán)流和氣候變化產(chǎn)生作用[13-14]。

秦嶺是中國南北地理環(huán)境的重要分界線，對氣候變化的響應極為敏感。大量的研究表明秦嶺地區(qū)的氣溫增加明顯，降水減少顯著，氣候呈現(xiàn)暖干化特征[15-16]，同時秦嶺四季氣溫也增加顯著，春季增溫幅度最大，夏季最小[17-19]。以上研究主要集中在秦嶺地區(qū)氣溫或降水的變化特征上，而針對地表溫度的變化及其影響因素、地氣溫差的變化等研究甚少。

商洛市地處秦嶺南麓腹地，總面積1.96萬km2，地跨長江、黃河兩大流域，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量居陜西之首，森林覆蓋率69.56%，是國家南水北調(diào)中線水源涵養(yǎng)區(qū)和水質(zhì)保育區(qū)，農(nóng)林特產(chǎn)豐富，包括中藥材、核桃、板栗、食用菌、茶葉等。地表溫度預報是商洛市春播期的農(nóng)業(yè)氣象服務的重點，同時也是秦嶺地區(qū)森林防火服務的重要理論依據(jù)。因此，本研究根據(jù)多年氣象資料研究氣候變化背景下商洛市地表溫度的時空變化特征及其影響因素，以期為合理開發(fā)利用秦嶺地區(qū)氣候資源及指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論重要的參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及方法

氣象資料由陜西省氣象局提供。選取商洛市的商州、洛南、丹鳳、商南、山陽、鎮(zhèn)安、柞水7個國家氣象站1960—2020年的逐日地表溫度、氣溫、降水、日照時數(shù)等氣象觀測資料進行統(tǒng)計分析。按照氣候統(tǒng)計上進行季節(jié)劃分，3—5 月為春季，6—8 月為夏季，9—11 月為秋季，12月—翌年2月為冬季。

采用ArcGIS空間疊置分析方法[20]，通過對商洛市基礎(chǔ)地理背景數(shù)據(jù)（1:10 萬）和DEM 數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)重采樣、格式轉(zhuǎn)換、裁剪和疊置等處理，提取商洛鄉(xiāng)鎮(zhèn)以上行政邊界及其所在位置以及經(jīng)度、緯度、海拔、坡度、坡向等地理屬性數(shù)據(jù)。研究站點分布見圖1。

圖1 商洛市氣象站點分布

1.2 研究方法

1.2.1 空間插值方法 考慮到7個氣象站的氣候資料不能滿足商洛市復雜地形空間插值的要求，因此利用氣候資料與氣象站的地理信息（包括經(jīng)度、緯度、海拔高度、坡度、坡向等）采用數(shù)理統(tǒng)計學方法建立地表溫度與地理要素之間空間分析模型（表1），并利用GIS技術(shù)推算出無測站地區(qū)的地表溫度，方程的F 值通過了0.01水平的顯著性檢驗，可信度較高。

表1 商洛市氣溫和地表溫度的空間分析模式

1.2.2 氣候傾向率 氣候傾向率[21]用來表示氣候要素隨時間的變化趨勢，建立時間序列t與氣象要素LST之間的一元線性回歸方程，如式(1)所示。

式中，LSTi為地表溫度序列，a 為常數(shù)項，ti為時間序列（1960—2020年），b為線性趨勢項，b×10得到的數(shù)值稱為該氣象要素的氣候傾向率(/10 a)，單位為℃。

1.2.3 突變分析Mann-Kendall突變檢驗[21]是一種非參數(shù)檢驗，不受異常值的干擾，計算簡單，常用于檢驗樣本隨時間尺度的變化趨勢及突變情況。

對于具有n個樣本量的時間序列x，構(gòu)造一秩序列，如式(2)～(3)所示。

其中，

在時間序列隨機福利的假定下，定義統(tǒng)計量UFk，見式(4)。

其中UF1=0，E(sk)、Var(sk)分別為累計數(shù)sk的均值和方差，見式(5)～(6)。

給定顯著性水平α=0.01，臨界值U0.01=±2.32，當U＜|UF|，說明序列具有顯著的變化趨勢。若UFk的值大于0，表明序列呈上升趨勢，小于0則呈下降趨勢，若超過臨界線的范圍，表示上升或下降趨勢明顯。按時間序列的逆序，使UBk的=-UFk，若UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)焦點，且交點在臨界線之間，則交點對應的時間為突變開始的時間。

1.2.4 周期分析 小波分析[22-23]是具有時—頻多分辨率功能的分析方法，可以揭示某一現(xiàn)象在時間序列的變化周期及其變化趨勢。

Morlet 連續(xù)復小波基函數(shù)(Complex Morlet Wavelet)簡稱為cmor，其表達式見(7)。

本研究有一定局限性，由于目前在實際操作過程中，延續(xù)性護理團隊實現(xiàn)目標方式不盡相同，因此，本研究納入的文獻干預方案并不完全統(tǒng)一，可能是導致結(jié)果異質(zhì)性增加的原因，且本研究只納入已發(fā)表的文獻，且文獻數(shù)目較少，納入文獻未對是否進行分配隱藏和盲法實施等內(nèi)容進行具體描述，可能會對本研究可靠性產(chǎn)生影響，希望未來此類研究予以注意并完善。綜上所述，延續(xù)性護理對我國老年糖尿病患者的血糖控制有積極作用，可在臨床或社區(qū)工作中開展應用，但需要更高質(zhì)量的RCT和更大樣本量進一步論證。

式中：Fb是頻帶寬度系數(shù)；Fc是Morlet的中心頻率。

小波方差(Var)是將小波系數(shù)的平方值在時間平移域(b)上進行積分，公式見(8)。

Var隨時間周期a的變化分布圖，稱為小波方差分布圖。它可以直觀反映信號波動的能量隨時間周期a的分布情況，用來確定不同振蕩周期的相對強度和振蕩主周期。

2 結(jié)果與分析

2.1 商洛市地表溫度時間變化特征

2.1.1 年內(nèi)變化 分析1960—2020 年商洛市平均地表溫度和地氣溫差的年內(nèi)變化（見圖2），可以看出，2 條曲線基本上呈單峰型特征。平均地表溫度最低值出現(xiàn)在1 月，為1.3℃；從1 月開始逐漸上升，7 月達到峰值，為28.8℃，之后又開始逐漸減小。平均地氣溫差年內(nèi)12個月均為正值，其中12月最小，為0.4℃，夏季6月和7月相對較大，分別為4.5℃和4.4℃。

圖2 商洛市平均地表溫度和地氣溫差的月變化

2.1.2 年際變化 圖3分析了商洛市1960—2020年年平均地表溫度和季節(jié)地表溫度隨時間的變化趨勢，商洛市的年平均地表溫度為15.5℃。1993 年以前，大多數(shù)年份年平均地表氣溫低于多年平均值，1993 年開始，除2003和2005年以外，年平均地表氣溫均在平均值以上。地表溫度平均值的季節(jié)排序為夏季＞春季＞秋季＞冬季。

圖3 商洛市1960—2020年平均地表溫度的年際變化(a)和季節(jié)變化(b)

從年際變化來看，商洛市全年平均地表溫度總體波動呈現(xiàn)上升趨勢，年際氣候傾向率達到0.36℃/10 a，與全球變暖的大背景一致。其中，春季平均地表溫度上升趨勢最為顯著，氣候傾向率為0.55℃/10 a，秋季和冬季地表溫度分別以0.33、0.22℃/10 a 的氣候傾向率上升，且均通過了0.01的顯著性水平檢驗，夏季上升趨勢最小，為0.15℃/10 a，但未通過顯著性檢驗。因此，商洛市全年和四季尺度上平均地表溫度呈上升趨勢，且春季的增溫貢獻率最大。

2.1.3 年代際變化 表2統(tǒng)計了商洛市1960—2020年的地表溫度年代的距平值，地表溫度在20世紀的60、70、80 年代均為負距平，而從90 年代至2020 年各年代的地表溫度均為正距平。年和各季節(jié)地表溫度在不同年代的變化略有不同。從20世紀60年代開始，春季、冬季和年平均地表溫度變化一致，均呈現(xiàn)逐年代上升趨勢；秋季在21世紀00年代的地表溫度明顯降低，其余年代也表現(xiàn)為上升趨勢；但夏季地表溫度變化無明顯規(guī)律，這可能與夏季降水充沛，地表潛熱增溫有關(guān)的。

表2 商洛市各年代際地表溫度距平平均值 ℃

2.1.4 突變特征分析 利用Mann-Kendall 檢驗方法，在0.01的顯著性水平下（99%置信度檢驗）檢驗商洛市地表溫度的變化規(guī)律（見圖4），發(fā)現(xiàn)1960—2020 年地表溫度整體呈現(xiàn)先波動下降后升高的變化趨勢，1969年以前地表溫度處于下降階段，之后穩(wěn)步上升，并在1997 年超過信度曲線，上升趨勢顯著。同時，地表溫度在1997 年發(fā)生了突變，突變前地表平均溫度為15.0℃，突變后上升了1.2℃。

圖4 地表溫度M-K檢驗曲線

2.1.5 周期分析 結(jié)合Morlet 復小波變換對商洛市1960—2020年間地表溫度的周期變化進行分析，如圖5 所示，地表溫度變化存在多時間尺度特征，主要有3類尺度的周期變化，分別為20～32、8～20、3～7 年。其中，3～6 年尺度的周期振蕩在2000 年以前表現(xiàn)的比較穩(wěn)定，8～20 年尺度的周期振蕩發(fā)生在20 世紀80 年代以后，而20～32 年尺度的周期變化在整個分析時段均表現(xiàn)穩(wěn)定，具有全域性，表現(xiàn)為“低—高”交替的準3次振蕩，且現(xiàn)今表現(xiàn)為較低的地表溫度水平地表溫度在6 年左右的周期振蕩最強，為地表溫度變化的第一主周期，10年為地表溫度的第二主周期，14、28年的時間尺度對應為地面溫度的第三、四主周期。

圖5 地表溫度Morlet小波分析

2.2 商洛市地表溫度空間分布特征

利用GIS 空間疊置分析方法，結(jié)合表1 的地表溫度空間分析模式，對商洛市7 個站點的地表溫度進行空間插值（圖6a），可以看出1960—2020年整個區(qū)域的年平均地表溫度變化幅度在14.1～16.4℃，平均值為15.5℃，大致上表現(xiàn)為自西北向東南，呈現(xiàn)出隨經(jīng)度增加、緯度降低而逐漸升高的空間分布特征。高值中心出現(xiàn)在商南，為16.4℃，海拔高度為523.0 m，低值中心在洛南，為14.1℃，海拔高度為963.4 m，區(qū)域地表溫度差值為2.3℃，海拔高度差440.4 m。

商洛市的地表溫度總體呈上升趨勢，氣候傾向率為0.37℃/10 a。從各地的氣候傾向率看（圖6b），各站的地表溫度的氣候傾向率均為正值，即各地區(qū)地表溫度均為上升趨勢，且上升幅度自西向東逐漸減小。其中，柞水和鎮(zhèn)安上升趨勢顯著，分別為0.66℃/10 a 和0.64℃/10 a，其余各地上升幅度均小于0.3℃/10 a，且上升幅度最小為商州，為0.21℃/10 a。

圖6 商洛市1960—2020年平均地表溫度與氣候傾向率空間分布圖

2.3 商洛市平均地表溫度的影響因素

地形地勢對地表溫度的變化和分布產(chǎn)生一定的作用，高海拔山地區(qū)可以降低氣溫對地表溫度的直接影響[23]。通過對商洛市7 個氣象站的地理因子（包括經(jīng)度、緯度、海拔、坡度和坡向）與平均地表溫度進行相關(guān)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)地表溫度的空間分布與海拔高度呈負相關(guān)，海拔越高，地表溫度越低（見表3），當海拔升高100 m，地表溫度下降0.5℃。而平均地表溫度與經(jīng)度、緯度、坡度和坡向的關(guān)系不明顯。

表3 商洛市地表溫度與氣候因子的線性回歸分析

氣象因子也是影響地表溫度變化的重要因素。地表溫度的變化主要取決于太陽輻射量、下墊面溫濕狀況和當?shù)氐氖⑿刑鞖庑蝿莸萚24]。各地區(qū)由于不同地理環(huán)境，地表溫度和地氣溫差的年內(nèi)分布特征也不同。將平均氣溫、降水、風速和日照時數(shù)與平均地表溫度進行相關(guān)分析，如表2所示。地表溫度與氣溫、日照時數(shù)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系。當平均氣溫每升高1℃，地表溫度顯著上升1.2℃；當日照時數(shù)每升高10 h，地表溫度顯著上升0.8℃。而降水量、風速對地表溫度的影響作用不顯著。

因此，海拔是影響商洛市地表溫度的主要地理因子，氣溫和日照時數(shù)是影響商洛市地表溫度的主要氣象因子。

3 結(jié)論與討論

（1）1960—2020年商洛市平均地表溫度大致上從西北向東南呈現(xiàn)逐漸升高的空間分布。地表溫度總體呈上升趨勢，氣候傾向率為0.37℃/10 a，且各站的上升幅度自西向東逐漸減小。年平均地表溫度變化幅度在14.1～16.4℃，高值中心出現(xiàn)在商南，低值中心在洛南，區(qū)域地表溫度差值為2.3℃，海拔高度差440.4 m。同時，地表溫度平均值的季節(jié)排序為夏季＞春季＞秋季＞冬季。

（2）地表溫度在20世紀的60、70、80年代均為負距平，而90 年代至2020 年各年代的地表溫度均為正距平。春季、冬季和年平均地表溫度均呈現(xiàn)逐年代上升趨勢；秋季地表溫度在21世紀00年代的明顯降低，其余年代也表現(xiàn)為上升趨勢；但夏季地表溫度變化無明顯規(guī)律。

（3）地表溫度整體呈現(xiàn)先波動下降后升高的變化趨勢，1969 年以前地表溫度處于下降階段，之后穩(wěn)步上升，并在1997 年發(fā)生了突變，突變前地表平均溫度為15.0℃，突變后上升了1.2℃。地表溫度存在6、10、14、28年的周期振蕩頻率，且6年為地表溫度變化的第一主周期，10年為地表溫度的第二主周期。

（4）地表溫度與氣溫、日照時數(shù)呈正相關(guān)，地形地勢對地表溫度的變化和分布也產(chǎn)生一定的作用，與海拔呈負相關(guān)，即高海拔山地區(qū)可以降低氣溫和日照對地表溫度的直接影響。當平均氣溫每升高1℃，地表溫度顯著上升1.2℃；當日照時數(shù)每升高10 h，地表溫度顯著上升0.8℃。

在氣候變暖的大背景下，商洛市地表溫度也呈現(xiàn)上升趨勢，且春季、秋季和冬季上升顯著，即地表溫度的升高可以緩解低溫對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的災害，總體上在一定時間內(nèi)對農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整有利。但地表溫度及其氣候變化率在空間上差異較大，秦嶺南北氣候差異大，秦嶺北麓變暖程度超過南麓[16,25]，使得植物的生長向北擴展[26]。因此，在地表溫度時空變化規(guī)律基礎(chǔ)上，后期應從生態(tài)保護、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和應對氣候變化等方面展開研究，為生態(tài)適應氣候變化及農(nóng)業(yè)服務提供理論依據(jù)。