1961—2010年桂林气温和地温的变化特征

2013-09-07周广胜

生态学报 2013年7期

陈超，周广胜，2，*

(1.中国气象科学研究院，北京 100081;2.中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室，北京 100093)

第四次“政府间气候变化专门委员会”的评估报告(简称IPCC)指出［1］:近100年(1906—2005年)全球平均地表温度上升了0.74℃，过去50a的升温速率几乎是过去100a的2倍，其中以北半球中高纬度大陆增温最为明显。近百年来，中国的气候变化和全球基本一致，平均气温升高了0.5—0.8℃［2］。

气温变化不可避免地引起地表温度的变化［3］。研究表明，近百年来前苏联大多数气象台站0.4—3.2 m深度的年均地温呈升高趋势［4］;20世纪80年代以来瑞士阿尔卑斯山地表10 m内的多年冻土层温度的增温速率达(0.5—1.0℃)/10a［5］;20世纪80年代后期至1996年间阿拉斯加南北方向的多年冻土上限处温度升高了0.5—1.5℃［6］;20世纪60—90年代青藏高原风火山一带多年冻土15m深处的温度升高了0.2—0.3℃［7］;1961—2001年青藏铁路南部和北部的地面温度增加显著，特别是铁路南部地面温度升高速率平均达0.56℃/10a，中部较小，为0.34℃/10a［8］;1970—1990年大兴安岭阿木尔地区0.2 m层的地温上升了0.8℃［9］;1961—1996年雅鲁藏布江中游大部地区浅层地温呈上升趋势，而且冬春较汛期升幅要高［10］;1961—2005年云南西双版纳各年、季0—20 cm平均地温均呈现极显著的升高趋势［11］;1958—1990年黑龙江上游河谷地区10 m深处的地温上升了0.3—0.6℃［12］。这些研究表明，气候变化背景下地温具有升高的趋势。但是，不同气候区(如干旱、湿润、青藏高原等气候区)的地温变化规律及其与气温的关系如何仍缺乏系统的研究。

目前，模拟试验方法成为研究全球变化与陆地生态系统关系的重要手段之一［13］，其中，红外辐射器增温法已被广泛用于生态系统控制实验，该装置通过悬挂在样地上方、可散发红外辐射的灯管来实现增温［14］，较开顶式气室和温室更真实地反映了野外条件，特别是非对称性增温对植物的影响［15-20］。然而，红外辐射器增温方法更多地改变了近地面气温，其对土壤温度变化的影响及能否合理地模拟作为植物整体的地表与地下温度环境仍缺乏相关的研究，从而制约着模拟试验结果的机理解释与推广应用。为此，迫切需要弄清不同气候区(如干旱、湿润、青藏高原等气候区)的地温变化规律及其与气温的关系，以为生态系统模拟试验的设计及其结果解释提供依据。

本研究试图以亚热带湿润地区的广西桂林气象站为研究对象，利用1961—2010年的气温和0—80 cm各层平均地温的逐月资料，研究分析近50年桂林气温和各层地温的年代和季节变化趋势、地气温差变化、气候突变和异常年份以及气温和地温关系，以为正确认识和评估气候变化对陆地生态系统的影响及设计模拟试验等提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究地区及数据来源

广西桂林地处南岭山系的西南部，属中亚热带季风气候，境内气候温和，雨量充沛，无霜期长，光照充足，热量丰富，夏长冬短，四季分明且雨热基本同季，气候条件十分优越，1961—2010年年均气温19.0℃，年均降水量1887.1 mm，年均日照时数1528.3 h。地表植被覆盖率高，以红壤土为主，土层深厚，耕作性良好。

本研究采用国家气象信息中心提供的广西桂林气象站气温资料和0 cm及其以下到80 cm的7层(0、5、10、15、20、40、80 cm)地温资料(表1)。在亚热带地区选择桂林为研究对象是因为该站点的气温和地温资料年代较长，且资料完整性较好。选用80 cm层以上的地温资料主要是考虑在0—80 cm层的资料相对较全，80 cm层以上地温受深层热源影响相对较小;深层160 cm和320 cm的资料不全，且160 cm和320 cm深层地温的热源一部分来自于地壳，气候扰动对其影响很小［21］。按12—2月为冬季，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季生成逐季序列，分析年、季平均气温和各层平均地温的年际和年代际变化。

表1 气象站情况Table1 The status of weather station

1.2 方法

1.2.1 气候倾向率

平均气温、平均地温的气候倾向率采用一次线性方程表示，即:

式中，Y为平均气温或地温，a0为常数，a1为线性趋势项，t为时间，把a1×10表示为平均气温或地温每10a的气候倾向率。

1.2.2 累积距平和信噪比

气候突变是气象要素变化过程中存在的某种不连续现象，常用累积距平曲线确定:

式中，C(t)为气象要素累积距平，Xi为平均气温或地温的历年值，¯X为平均气温或地温多年平均值。若气象要素累积距平绝对值达到最大时，所对应的t为突变年份。

式中，S/N为信噪比，¯X1、¯X2和S1、S2分别为转折年份前后两阶段平均气温或地温的平均值和标准差。当S/N大于1.0时，认为存在气候突变，最大信噪比的时间定义为气候突变出现的时间。

1.2.3 距平和标准差

气候异常是气候要素的距平达到一定数量级(如1—3倍均方差以上)的气候状况。世界气象组织对气候异常提出两种判别标准，一是距平超过标准差的2倍以上，二是它出现的几率为25a以上一遇。本研究采用距平大于标准差的2倍作为异常，分析气温和地温的异常特征［23］。

为了检验转折是否达到气候突变的标准，对转折年份计算它们的信噪比［22］:

2 结果分析

2.1 气温与地温变化趋势的关系

近50年来，桂林的气温和各层地温都以增温为主，但年均气温明显低于各层地温(图1)，地气温差为正表明，桂林地区地表对大气的加热作用大于冷却作用，以向大气输送热量居主导地位。

利用1961—2010年的年均气温和年均0 cm地温资料，建立1961—2010年地气温序列。应用统计回归方法建立地气温线性关系的相关系数R达0.906，通过0.001显著性检验(图2)。近50年年均气温与同期各层(0—80 cm)平均地温的线性回归表明(表2)，各相关系数均在0.784以上且均通过0.001显著性检验，说明地温与气温的变化趋势具有较好的一致性。

图1 桂林年均气温和年均地温变化Fig.1 Changes of annual mean air and ground temperatures in Guilin

图2 桂林年均气温和年均0cm地温的关系Fig.2 Relationship between annual mean air temperature and annual mean ground temperature at 0cm in Guilin

表2 年均气温与各层年均地温的回归关系Table2 Relationship between annual mean air and ground temperatures

2.2 气温和地温的年代际变化

表3列出了桂林年均气温和地温的年代际平均、1961—2010年多年平均及气候倾向率。近50年来桂林的增温极其显著(通过0.001显著性检验)，年均气温在2000年代较50a平均气温上升了0.6℃，是近50年中最暖的10a;1960—1980年代分别比50a平均偏低0.2℃、0.2℃和0.3℃;1990年代偏高了0.1℃;1960年代到2000年代的50a，气温上升了0.8℃;各个年代气温的变化幅度有所不同，在1960—1970年代没有升温，到了1980年代降低了0.1℃，1990年代升温明显，1980—1990年代升高了0.4℃，到了2000年代继续升温，1990—2000年代升高了0.5℃。

土壤各层地温从1960年代至2000年代总体呈升高趋势，升温幅度比较明显(通过0.001显著性检验)，但并不是均匀升温的。1960—1990年代是一个相对平稳的时段，各层地温较50年平均持平或偏低0.1—0.4℃;2000年代温度迅速上升，各层地温达到近50年来的最高值，较50年平均偏高了0.2—0.8℃。1960年代到2000年代的50年，各深度地温升高了0.4—1.0℃。

比较1961—2010年平均气温和各层地温的气候倾向率和变化幅度可以看出，近50年平均气温为19.0℃，低于各层的50年平均地温1.3—2.1℃;但年均气温的增温率和增温幅度分别为0.184℃/10a和0.8℃，高于除0 cm地温外其它各层年均地温的增温率0.071—0.138℃/10 a和增温幅度0.4—0.7℃。由此表明，在气候变暖前提下，年均气温比地温(0 cm地温除外)的响应更快、更强烈，气温和地温的升温存在非对称性。

表3 桂林年均气温和地温的年代际平均、50年平均及其气候倾向率Table3 Interdecadal mean air and ground temperatures，annual mean air and ground temperatures in recent 50 years，and climatic trend rate of annual mean temperatures in Guilin

2.3 气温和地温的季节变化

表4是桂林四季气温和地温的年代际平均、50年平均及气候倾向率。近50年来四季气温和土壤各层地温大部分以升温为主，仅有夏季5—15 cm和40 cm地温呈略微减小的趋势。四季气温2000年代与50a平均相比分别上升了0.7、0.3、0.7、0.6 ℃，是近50年中最暖的10a;1960 年代到 2000 年代的50a，四季气温分别增加了0.8、0.5、0.9、0.9℃。春、秋和冬季土壤各层地温的年代际变化与气温类似，最高温度出现在2000年代，与 50a 平均相比分别上升了 0.3—1.0、0.2—1.0、0.3—0.7;1960 年代到 2000 年代的50a，春、秋和冬季各层地温分别增加了0.3—1.1、0.4—1.3、0.1—1.0 ℃。夏季 0 cm 地温的最高值出现在 2000 年代，而其它各层地温的最高值出现在1980年代;1960年代到2000年代的50a夏季各层地温的变化值为－0.1—0.8℃。

平均气温、5—40 cm 地温在冬季的增温速率最高，分别为 0.269、0.229、0.218、0.206、0.182 ℃ /10 a 和0.197℃/10 a;而0 cm和80 cm地温增温速率的最高值分别出现在秋季和夏季。

春季和夏季，随着土壤深度的增加，地温呈减小趋势;春季气温的增温率0.158℃/10 a小于0 cm和15 cm地温的增温率0.239℃/10 a和0.171℃/10 a而大于其它各层地温的增温率0.021—0.157℃/10 a，气温的50年平均小于0—15 cm地温(温差0.1—1.2℃)而大于20—80 cm地温(温差0.1—0.7℃);夏季气温的增温率0.089℃/10 a小于0 cm和80 cm而大于其它各层地温的变化率，气温的50a平均小于0—40 cm(温差0.6—3.6℃)而大于80 cm地温(温差0.5℃)。秋季和冬季与春、夏季相反，随着土壤深度的增加，地温呈增加趋势;秋季气温的增温率0.215℃/10a小于0 cm地温的增温率0.276℃/10a而大于其它各层地温的增温率0.075—0.162℃/10a，而气温的50a平均小于各层的地温(温差1.8—3.6℃);冬季气温的增温率0.269℃/10 a大于除0 cm外其它各层地温的增温率0.024—0.229℃/10a，气温的50a平均小于各层的地温(温差0.8—5.0℃)。总体来看，近50年来四季气温的增温速率要大于除0cm外其它各层地温的变化。

由此表明，气候变暖背景下，四季平均气温比除0 cm外其它各层地温的响应更快、更强烈。

表4 桂林季节气温和地温的年代际平均(℃)、50年平均(℃)及气候倾向率(℃/10a)Table4 Interdecadal seasonal mean air and ground temperatures(℃)，seasonal mean air and ground temperatures in recent 50 years(℃)，and climatic trend rate of seasonal mean temperatures(℃/10a)in Guilin

2.4 地气温差的变化

近50年来，桂林0 cm地温和气温温差呈升高趋势，而其它各层地温和气温的温差呈现减小趋势(图3)，这主要是因为气温的增加幅度要大于5—80 cm地温而小于0 cm地温。0—80 cm地温和气温的温差在1960—1980年代变化幅度不大，到1990年代地气温差明显减小，2000年代0—20 cm地气温差和1990年代相比持平或升高，而40 cm和80 cm地气温差继续减小;1960年代到2000年代的50a，0 cm地温和气温温差升高了 0.2 ℃，5—80 cm 地温和气温温差分别降低了 0.2、0.2、0.1、0.2、0.4、0.3 ℃(表 5)。

图3 桂林年均地温和气温温差的变化Fig.3 Changes of difference between annual mean ground and air temperatures in Guilin

5—80 cm年均地温和气温温差的气候倾向率为－0.113—－0.046 ℃ /10a，随着土壤深度的增加，地温和气温温差的减小速率增加，即土壤越深，地气温温差的减小幅度越大。

表5 桂林年均地温和气温温差的年代际平均、50年平均及气候倾向率Table5 Interdecadal difference between mean ground and air temperatures，annual mean temperature difference in recent 50 years，and climatic trend rate of annual mean temperature difference in Guilin

2.5 气温和地温的气候突变和异常特征

利用式(2)、(3)计算桂林平均气温和各层平均地温气候突变年份(表6)的结果表明，年均气温和夏季80 cm地温的突变年分别出现在1997和1977年，即气温和地温从一个相对偏冷期跃变为一个相对偏暖期;而年均地温和四季气温、地温大多未出现气候突变现象。

桂林年、季平均气温和各层平均地温的异常年份(表7)特征:首先，春季平均气温在1996年异常偏低，这与5—80 cm平均地温有相同的异常偏低年，而仅有0 cm地温在2007年出现了异常偏高现象。夏季，0、15cm和20cm地温在1976年出现异常偏低现象，40 cm和80 cm地温在1978年异常偏高，5 cm和10 cm地温无异常年份，而平均气温和各层地温间无相同的异常年份。秋季，平均气温、40 cm和80 cm均在1967年出现异常偏低现象;而平均气温的异常偏高年为1998年，与0—20 cm地温的异常偏高年1974年不同。冬季，平均气温的异常偏高年为1987和1999年，无异常偏低年，这与各层地温的异常年份不同;各层地温的异常偏高和偏低年主要出现在2009和1984年。其次，年均气温和年均地温的异常年份较多;年均气温在2007和2009年异常偏高，这与各层地温的异常偏高年较一致;而年均气温的异常偏低年出现在1984年，仅与40 cm地温有相同的异常偏低年;各层地温间异常年份的一致性较好，异常偏高和偏低年大多分别出现在2007、2009年和1976年。

表6 桂林年、季平均气温和地温的突变年份Table6 Abrupt change yearsofannual and seasonal mean air and ground temperatures in Guilin

比较平均气温和各层平均地温的异常年份，春季平均气温和5—80 cm各层平均地温的异常偏低年较一致，夏季平均气温和和各层地温间无相同的异常年份，秋季平均气温仅和40、80 cm地温的异常偏低年一致，冬季平均气温和地温的异常年份对应性较差，而年均气温和各层地温的异常偏高年份较一致。

表7 桂林年、季平均气温和地温的异常年份Table7 Anomalous years ofannual and seasonal meanair and ground temperatures in Guilin

3 讨论

全球气候变化正经历一次以变暖为主要特征的变化，与此同时，北半球和我国气候变暖中又出现了增温的非对称性特征，即冬、春季与夜间的增幅幅度显著的高于夏、秋季和白天［1，24-27］。昼夜温度对作物的生理效应不同，日最高气温和日最低气温的升高可能对植物生长有不同影响，国内外学者通过模型和试验等方法对此进行了研究［16-20］。但是，地温也是影响植物生长的主要因素之一，在气候变暖背景下，关注地温的变化趋势，研究气温和地温增温特征的一致性与否，以期进一步研究各因素对作物生长的影响机理，可以为制定合理的农业气候变化适应措施和农业管理提供理论支撑。过去，很多学者对不同时期、不同地区气温和地温的变化趋势开展了一些研究［28-35］，但是他们都没有关注气温和地温在变化过程中的关系，缺少二者间的对比分析。

本文对广西桂林气温和地温的研究表明，近50年来，各年、季气温和各层地温大部分呈显著的升高趋势，这与已有研究结果一致［28-35］;但本研究还表明，桂林气温和地温的升温速率和幅度不一致，即升温存在非对称性，不同于IPCC第三次评估报告［36］提出的升温存在时间尺度(夜间增温大于白天，冬季增温大于夏季)和空间尺度(高纬度地区增温大于低纬度地区)的非对称性。现有的全国和不同区域地气温差研究［37-41］大多仅关注地表(0 cm)温度和气温温差的季节和年际变化，指出全国大部地区的地气温差场为正值，西北干旱区冬季和秋末地气温差呈减小趋势，其它季节地气温差呈上升趋势。本研究对桂林0—80 cm各层地温和气温的温差分析表明，各层地温和气温的温差为正，除0 cm地温和气温温差存在年际间的升高趋势外，由于气温的增幅大于5—80 cm各层地温的增幅，近50年来5—80 cm地温和气温的温差都呈减小趋势。由于气温和地温间呈现增温的非对称性特征，气温和地温的年、季气候突变现象和异常年份也存在着差异。因此，桂林地温与近地面层气温变化特征的不一致性是否会造成利用气温数据来评估气候变化对陆地生态系统影响的结论存在较大误差;同时，桂林属于亚热带湿润地区，而对于其它气候类型地区来说地温和气温的变化趋势是否一致，这些都是需要进一步讨论的问题。

4 结论

本研究利用气温和地温的逐月资料，分析了近50年桂林气温和各层地温的年代和季节变化趋势、地气温差变化、气候突变和异常年份以及气温和地温关系，主要结论如下:

(1)桂林年均气温与各层地温的相关系数均在0.784以上且均通过0.001显著性检验，这说明地温与气温的变化趋势具有较好的一致性。

(2)近50年来，年均气温和各层地温均呈极显著的升高趋势，但年均气温低于各层地温1.3—2.1℃。年均气温的增温速率和增温幅度0.184℃/10a和0.8℃高于除0 cm地温外其它各层地温的变化。可以看出，气候变暖的背景下，年均气温比地温(0 cm地温除外)的响应更快、更强烈，气温和地温的升温存在非对称性。

(3)四季气温和各层地温大部分以升温为主，仅有夏季5—15 cm和40 cm地温呈略微减小的趋势，平均气温、5—40 cm地温在冬季的增温速率最高，而0 cm和80 cm地温增温速率的最高值分别出现在秋季和夏季。春季和夏季，随着土壤深度的增加，地温呈减小趋势，春季气温的50年平均小于0—15 cm而大于20—80 cm地温，夏季气温的50a平均小于0—40 cm而大于80 cm地温;秋季和冬季，随着土壤深度的增加，地温呈增加趋势，秋、冬季气温的50a平均小于各层的地温。总体来看，近50年来四季气温的增温速率要大于除0 cm外其它各层地温的变化，由此表明，气候变暖背景下，四季平均气温比除0 cm外其它各层地温的响应更快、更强烈。

(4)近50年来，桂林0 cm地温和气温温差升高了0.2℃，而其它各层地温和气温的温差减小了0.1—0.4℃，这主要是因为气温的增加幅度要大于5—80 cm地温而小于0 cm地温;5—80 cm年均地气温差的气候倾向率为－0.113—－0.046℃/10a，且随着土壤深度的增加，地气温差的减小幅度加大。

(5)桂林年均气温和夏季80 cm地温的突变年分别出现在1997和1977年，即气温和地温从一个相对偏冷期跃变为一个相对偏暖期;而年均地温和四季气温、地温大多未出现气候突变现象。

(6)春季平均气温和5—80 cm各层平均地温的异常偏低年较一致，秋季平均气温和40、80 cm地温的异常偏低年一致，夏、冬季平均气温和地温的异常年份对应性较差，而年均气温和各层地温的异常偏高年较一致。

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