五道溝地區近50年淺層地溫（0～40?cm）變化規律分析及預測模型構建

摘要 淺層地溫對作物種子發芽和生長具有重要作用。本文利用五道溝實驗站近50年淺層地溫（0～40 cm）實測資料，采用Mann-Kendall檢驗、斯皮爾曼相關性分析、氣候要素變化趨勢分析和其他氣候要素篩選，分析研究區近50年淺層地溫年、季尺度演變規律，提出淺層地溫與氣溫、降水量、風速、日照時數和水汽壓力差多氣象要素的相關性，并構建了多元回歸預測模型。結果表明，（1）年際變化上，研究區域各層地溫均呈現上升趨勢，各層地溫的變化趨勢基本一致。各季淺層地溫變化趨勢不盡相同，冬季地溫趨勢率最大，春季、夏季和秋季淺層地溫升溫趨勢在較小范圍內波動。（2）在Mann-Kendall突變檢驗中，0、10、15、20和40 cm淺層地溫分別在2012、2018、2015、2017和2017年發生突變，在這些年份發生突變后地溫有明顯上升趨勢。（3）冬季淺層地溫與氣溫呈極強正相關關系（R2gt;0.8），不同季節下研究區風速、日照時數和水汽壓力差與淺層地溫存在一定的線性相關性。（4）建立了不同季節淺層地溫與各氣候因子預測模型，并且用該模型對2022年月平均地溫進行擬合檢驗，該模型精度較高，可用于研究區地溫預測。

關鍵詞 淺層地溫；線性回歸；候傾向率；M-K檢驗

中圖分類號 P468.0" "文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2024）11-0102-09

The variation law and prediction model of shallow ground temperature（0～40 cm ）in Wudaogou area in recent 50 years

LI Jie1" " ZHANG Qibin2" " JIANG Peng1" " CHEN Xiaofeng2" " CHEN Yu1" " JIANG Xinping1" " WANG Zhenlong2

（1State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， China;2Anhui Province （Huai Committee of the Ministry of Water Resources） Water Resources Science Research Institute Wudaogou Hydrological Experimental Station， Bengbu 233000， China）

Abstract Shallow soil temperature plays an important role in the germination and growth of crop seeds. This article used the measured data of shallow ground temperature （0～40 cm） from the Wudaogou experimental station in the past 50 years， and used Mann-Kendall test， Spearman correlation analysis， climate element change trend analysis， and other climate element screening to analyze the annual and seasonal variation patterns of shallow ground temperature in the region in the past 50 years. The correlation between shallow ground temperature and multiple meteorological elements such as temperature， precipitation， wind speed， sunshine hours， and water vapor pressure difference was proposed， and a multiple regression prediction model was constructed.The results showed that（1） In terms of interannual variation， the ground temperature of each layer in the study area had shown an upward trend， and the trend of ground temperature change in each layer was basically consistent. The trend of shallow ground temperature variation varied in different seasons， with the highest trend rate in winter and fluctuations in shallow ground temperature warming trends within a small range in spring， summer， and autumn.（2） In the Mann-Kendall mutation test， the shallow ground temperature at 0， 10， 15， 20， and 40 cm experienced mutations in 2012， 2018， 2015， 2017， and 2017， respectively. After these mutations， the ground temperature showed a significant upward trend.（3） There was a strong positive correlation between shallow ground temperature and temperature in winter （R2gt;0.8）， and there was a certain linear correlation between wind speed， sunshine hours， and water vapor pressure difference in the study area and shallow ground temperature in different seasons. （4） We had established prediction models for shallow ground temperature and various climate factors in different seasons， and conducted fitting tests on the monthly average ground temperature in 2022 using the model. The accuracy of the model was high and could be used for ground temperature prediction in the region.

Keywords shallow ground temperature; linear regression; pentad tendency rate; M-K test

地溫通常是指一定深度范圍內的土壤溫度[1]。在地—氣循環過程中，地溫被視為一個重要的表征參數，地溫高低主要取決于土壤、植被、雨雪和水文氣象等復雜因素間的相互作用。地溫會對植物根系的生長狀況產生一定的影響，也會間接影響到土壤內部原生礦物的風化作用[2]，該參數對于地—氣之間的能量循環和水文循環，植物和微生物等的生長發育都會產生一定影響。因此，研究地溫在氣候要素影響下的變化規律具有重要意義。近年來，地溫變暖現象受到廣泛關注，已經有許多科研人員開展了關于不同區域、不同土壤埋深下地溫變化規律及成因的研究，如閆軍輝等[3]通過研究西北地區月平均氣溫和淺層地溫資料，發現該地區平均地溫呈升高趨勢，且淺層地溫中0 cm地溫升溫速率最大。同時，也有學者對不同地理區域范圍內不同埋深下的地溫進行研究，其研究結果表明東北北部地區以及西北大部分地區近年來淺層地溫有升高的趨勢[4-6]。淺層地溫也可以反映大氣—土壤間能量轉化的狀況，并受到諸多大氣因素的影響，氣溫、風速、降水量、日照時數和水汽壓力等氣象要素都會對淺層地溫產生一定的影響[7]。

本文利用五道溝水文實驗站近50年氣溫、風速、降水量、日照時數、水汽壓力差和0～40 cm各層地溫資料，分析該地區0～40 cm淺層地溫年、季變化特征，探討不同季節各層地溫與氣象要素（氣溫、風速、降水量、日照時數和水汽壓力差）之間的相關關系，為進一步研究淮北平原氣候變化特征及其與氣象因子的響應提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區基本情況

研究區位于黃淮海平原南端，地勢平坦，水、土、光和熱資源較為豐富[8]，是重要的糧、棉和油生產基地之一[9-11]。該地區屬暖溫帶半濕潤季風氣候區，季節特征分明[11]。年平均降水量770～950 mm，自北向南遞增；蒸發量1 000～1 200 mm，自北向南遞減。主要種植作物有小麥、大豆、玉米、油菜和棉花等，耕作制度多為一年二熟制。農業生產受氣候、土壤以及灌排技術等因素影響，開展氣候變化背景下地溫變化規律研究對農作物健康生長有重要意義。

1.2 數據來源

研究區水文實驗站設有地面氣象項目觀測設施，可獲得干濕球溫度、標準降水量、梯度溫度、日照時間和風速風向等水文氣象要素，存有多年水文實驗實測資料。對于地溫的觀測嚴格按照標準進行布置，即地表溫度表水平安放在地段中央偏東的地面上，感應部分及表身50%埋入土中，50%露出地面，埋入土中的感應部分與土壤緊貼；露出地面的感應部分和表身保持干凈，同時于每天2：00、8：00和14：00采集地溫數據。

1.3 研究方法

1.3.1 Mann-Kendall檢驗法分析地濕演變規律" 在M-K（Mann-Kendall）突變檢驗中，假定時間序列[xi（i=1， 2， ...， n]）是[n]個相互獨立并且同分布的樣本[12-13]。定義趨勢統計量Sk計算如下。

[SK=i=1Kri， ri=1" xigt;xj0" xilt;xj， j=1， 2， ... ， i] （1）

式（1）中，[SK]是第[i]時刻數值大于[j]時刻數值個數的累計值。設[SK]的均值[E（SK）=n（n-1）4]，方差[Var SK=n（n?1）（2n+5）72]。在時間序列隨機獨立的假定下定義統計量計算如下。

[UFK=SK-ESKVar（SK）， K=1， 2， ...， n] （2）

式（2）中，通過正態分布得知，在顯著性水平α=0.05下，|UFK|gt;1.96，表明±1.96為曲線的臨界線，若UFK的值大于0，說明序列有上升的趨勢，若UFK的值小于0則有下降的趨勢，當UFK的值在臨界線以內變化，說明該序列變化的趨勢和突變不明顯；當UFK曲線超過臨界線，說明序列上升或下降趨勢明顯。如果兩條曲線在臨界線之間出現交點，則交點對應的時刻為突變開始的時間；也可以根據UFK曲線的變化來直接觀察地溫的變化趨勢。

1.3.2 斯皮爾曼相關性分析" 本文利用斯皮爾曼相關系數[14]進行序列相關性分析，分析地濕與氣候因素的相關性。其公式如下。

[ρ=i=1n（Xi-x）（Yi-y）i=1n（Xi-x）2i=1n（Yi-y）2] （3）

式（3）中，ρ表示相關系數，說明x和y之間的相關程度，Xi和Yi分別表示第i年的x和y具體值，[x]和[y]分別為x和y的均值。當相關系數越接近1，表示序列x和y相關性越大；當ρgt;0時，表示變量x和y呈正相關，當ρlt;0則呈負相關。

1.3.3 氣象要素變化趨勢分析" 氣候傾向率是指氣象要素隨時間變化而變化的趨勢[15]，其結果一般可采用一次函數來表示，公式如下。

[Y=a0+a1t] （4）

式（4）中，Y為進行趨勢分析的氣候要素，t為時間；a0和a1用最小二乘法計算得出，表示回歸系數。a1可直接反映氣候要素的變化趨勢，所以定義[a1×10]表示氣候傾向率，單位℃/10 a，[a1]gt;0表示氣候要素具有上升趨勢，[a1]lt;0表示氣候要素具有下降趨勢。

1.3.4 其他氣候要素篩選及預測模型構建" 依托SPSS 22.0軟件建立回歸預測模型，選擇逐步篩選法探究其他氣象要素對地溫的影響，對變量進行回歸模型檢驗，選擇符合條件的變量，對進入模型的變量再次進行檢驗，以剔除不符合條件的變量。

2 結果與分析

2.1 淺層地溫演變規律

2.1.1 淺層地溫年際變化規律" 研究區0、5、10、15、20和40 cm淺層地溫年變化情況如圖1所示。

由圖1可知，研究區近50年各分層地溫整體呈現上升趨勢，地溫年均值最高19.48 ℃，出現在2019年（0 cm），最低15.25 ℃，出現在1974年（5 cm），同時對各分層地溫進行線性趨勢分析，得出0、5、10、15、20和40 cm地層年平均地溫升溫率分別為0.21、0.14、0.14、0.14、0.13和0.08 ℃/10 a。各層地溫年均值有明顯的階段性變化特征：1980—1990年左右呈現波動下降趨勢，2010—2021年地溫呈明顯上升趨勢，同時發現各層地溫變化趨勢較為一致。

2.1.2 淺層地溫季節變化特征" 淺層地溫季節變化特征如圖2（A—F）所示。由圖2可知，近年來0、5、10、15、20和40 cm淺層地溫季平均值呈現緩慢上升的趨勢，0、5、10、15、20和40 cm地層地溫以冬季趨勢率為最大，分別為0.33、0.69、0.30、0.33、0.32和0.13 ℃/10 a，冬季以5 cm地層地溫趨勢率最高、40 cm地溫趨勢率最小，春、夏和秋季各層地溫氣候傾向率范圍分別為0.21～0.42，0.02～0.17和0.06～0.18 ℃/10 a。

2.1.3 Man-Kendall檢驗法突變檢驗分析" 本文采取Man-Kendall檢驗法對年序列進行突變檢驗，研究區近50年地溫突變檢驗結果如圖3所示。

利用M-K趨勢突變檢驗對研究區0～40 cm淺層地溫年平均值進行突變檢驗，圖3兩條曲線的交點是突變開始的時間。除5 cm地層地溫外，0、10、15、20和40 cm地層地溫突變檢驗圖3兩條曲線交點在臨界線以內的個數均只有一個，這些淺層地溫交點的年份分別為2012、2018、2015、2017和2017年，UFK統計值均大于0，表明發生突變后地溫有升高趨勢；其中10、15、20和40 cm淺層地溫突變圖在1985—2000年UFK值小于0，說明該階段地溫有下降的趨勢。5 cm地溫受到自然界與人類活動的影響較大，導致其突變有多個交點，無法用單一方法判斷其突變年份，該層地溫在2000年以后UFK值逐漸增大且多數情況下大于0，說明地溫在2000年之后有逐漸升溫的態勢。

2.2 淺層地溫與氣候因素相關性分析及預測模型構建

2.2.1 氣溫與淺層地溫的相關性分析" 大氣中各氣候因子與淺層地溫存在一定的聯系[16]。本文采用斯皮爾曼相關系數的分析方法，研究不同季節各分層地溫與氣溫、降水量、風速、日照時數和水汽壓力差5個氣候要素之間的相關性，研究結果見表1—5。

由表1可知，該地區近50年不同季節氣溫與淺層地溫（0～40 cm）相關性較強，4個季節的氣溫與不同深度地溫除冬季40 cm地層外在0.01雙側檢驗上正相關。利用SPSS 22.0軟件得出不同季節氣溫與淺層地溫之間相關系數，氣溫與各層地溫相關性在夏季、秋季（R2gt;0.5）較強，在春、冬季相關性極強（R2gt;0.8）。

2.2.2 降水量與淺層地溫的相關性分析" 對不同季節降水量與不同季節各分層地溫進行相關性分析，結果如表2所示。

由表2可知，夏季降水量與5、10、15、20和40 cm各層地溫在0.01雙側檢驗上負相關，與0 cm的地溫在0.05雙側檢驗上負相關，秋季降水量與5、10、20和40 cm各層地溫在0.05雙側檢驗上負相關，春季降水量與各層地溫（0 cm除外）相關性不明顯，春季和秋季降水量與0 cm地溫在0.01雙側檢驗上負相關。研究區冬季處于凍融期，土壤凍結時，外界因素對淺層地溫的影響較小，冬季降水量與0、5、10和40 cm地層地溫相關性無統計學意義（Pgt;0.05）。

2.2.3 風速、日照時數、水汽壓力差與淺層地溫的相關性分析" 采用斯皮爾曼相關性分析，風速、日照時數、水汽壓力差與淺層地溫相關分析結果如表3—5所示。

由表3—5可知，不同季節下研究區風速、日照時數和水汽壓力差與淺層地溫存在一定的線性相關性。

（1）冬季的平均風速與各層地溫在0.01水平雙側檢驗上負相關，春季的平均風速與10、15和20 cm地層地溫在0.05水平雙側檢驗上負相關，與40 cm地層地溫相關性無統計學意義（Pgt;0.05）；夏季的平均風速與15和20 cm地層地溫在0.01水平雙側檢驗上正相關，秋季平均風速（15 cm地層除外）與各層地溫相關性無統計學意義（Pgt;0.05）。

（2）夏季的日照時數與各層地溫在0.01水平雙側檢驗上正相關，冬季的日照時數與5、10和15 cm地溫在0.05水平雙側檢驗上正相關，春季、秋季和冬季與40 cm地層地溫的相關性無統計學意義（Pgt;0.05）。

（3）春季和夏季的平均水汽壓力差與各層地溫在0.01水平雙側檢驗上正相關，秋季的平均水汽壓力差與10、20、40 cm地層地溫在0.01水平雙側檢驗上正相關。冬季的水汽壓力差對5和10 cm地層地溫相關性無統計學意義（Pgt;0.05）?？傮w來看，該地區不同季節下的淺層地溫均會受到氣候要素的影響，不同季節下各種氣候要素與地溫相關性程度均不同。

2.2.4 淺層地溫與各氣候因子的多元回歸關系構建及模型效果檢驗" 利用SPSS 22.0軟件對研究區不同季節淺層地溫與氣溫、降水量、風速、日照時數和水汽壓力差進行相關性分析，并構建回歸模型，采用逐步篩選的方法，得出各分層地溫與5種氣候要素的響應關系（表6），并通過回歸模型計算得到的預測值與研究區2022年月平均值進行對比。不同分層預測模型之間具有一定的差異性。（1）在同一土壤深度，不同季節的預測模型差異較大，夏季、秋季預測模型中的主要影響因素是氣溫、降水量、風速和日照時數，而春季和冬季預測模型中自變量大多數只有氣溫，沒有其他氣象要素。（2）隨著土壤深度的增加，分層預測模型中自變量個數也會發生變化，表明不同氣候要素對不同深度地層地溫變化的影響不同。

利用2022年1—12月實測氣象資料對預測模型進行檢驗，得出的實測值與預測值絕對誤差見表7。由表7可知，各分層模型模擬效果較好，各淺層月平均地溫預測值與實際值絕對誤差較小，模型精度較高。

3 結論與討論

本文利用研究區近50年淺層地溫（0～40 cm）實測資料，采用Mann-Kendall檢驗、斯皮爾曼相關性分析、氣候要素變化趨勢分析和其他氣候要素篩選，研究近50年淺層地溫年、季尺度演變規律，提出與氣溫、降水量、風速、日照時數和水汽壓力差的相關性，并構建了多元回歸預測模型。結果表明，（1）年際變化上，研究區各層地溫均呈現上升趨勢，各層地溫的變化趨勢基本一致。各季淺層地溫變化趨勢不盡相同，冬季地溫趨勢率最大，春季、夏季和秋季淺層地溫升溫趨勢在較小范圍內波動，與趙雯頡等[17]的研究結果一致。（2）在Mann-Kendall突變檢驗中，0、10、15、20和40 cm淺層地溫分別在2012、2018、2015、2017和2017年發生突變，在這些年份發生突變后地溫有明顯上升趨勢，與劉明亮等[11]的研究結果一致。（3）冬季淺層地溫與氣溫呈極強正相關關系（R2gt;0.8），不同季節下研究區風速、日照時數和水汽壓力差與淺層地溫存在一定的線性相關性。（4）建立了不同季節淺層地溫與各氣候因子預測模型，并且用該模型對2022年月平均地溫進行擬合檢驗，該模型精度較高，可用于研究區地溫預測。

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（責編：張 蓓）