新疆阿勒泰地区近50 a暖季浅层地温变化特征分析

李焕，王欢，吐尔逊，塔拉甫汉

（1.哈巴河县气象局，新疆哈巴河 836700，2.阿勒泰地区气象局，新疆阿勒泰 836500）

新疆阿勒泰地区近50 a暖季浅层地温变化特征分析

李焕1，王欢2，吐尔逊1，塔拉甫汉1

（1.哈巴河县气象局，新疆哈巴河 836700，2.阿勒泰地区气象局，新疆阿勒泰 836500）

利用阿勒泰地区1961—2010年7个观测站暖季（5—9月）5～20 cm土层的逐月平均地温资料，采用气候统计诊断分析方法，对近50 a阿勒泰暖季浅层平均地温、各月平均地温的气候变化趋势及突变特点进行研究。结果表明，近50 a阿勒泰地区暖季浅层地温呈上升趋势，富蕴升温幅度最大，为0.88℃/10 a（P<0.01）。暖季浅层各月平均地温均呈上升趋势，升幅最大值为1.02～1.07℃/10 a（P<0.01），均以富蕴或青河升温幅度最大，7月增幅最大，9月增幅最小，各层自1981年以来增温尤为明显。1961—2010年暖季大部站点平均浅层地温在1972年发生了突变，而各月平均浅层地温大部分在20世纪60年代中期到70年代中期发生了突变。暖季5、10、15、20 cm 4个土层温度与同期气温和地表温度均呈显著的正相关关系，二者的显著升高正是导致浅层地温呈明显升高趋势的原因。

阿勒泰；浅层地温；气候特征；气候突变

地温是衡量地表土壤热能的物理量，其变化比气温变化更具有保守性和滞后性，对大气环流和气候变化有重要影响[1]。近年来，人们在关注气温变化[2-3]的同时，也在关注地温的变化[4]。地温、地温场是地热的重要参数之一[5]，是土壤表面吸收太阳辐射后转变为土壤热能并传送到较深层的表述，其变化比气温变化更具有保守性和滞后性。土壤温度不仅影响种子的萌发、幼苗和根系的生长、发育，而且也影响植物对水分、养分的运输和吸收及土壤中有效养分的变化等[6-7]，土壤温度的年日变化对土壤内部生物物理（biophysical）和化学过程的影响非常强烈[8]。近年来有不少学者对土壤温度的气候变化进行了研究，陆晓波等[9]研究了中国近50年地温的变化特征发现，20世纪后半段，全国年平均地温的年代际变化大致经历了3个阶段，即地温下降阶段，相对气候冷期及90年代后期的升温阶段；汤懋苍等[10]对深层土壤（3.2 m）温度与后期降水的关系作了长期研究；阿布都克日木·阿巴司[11]对新疆喀什市1961—2007年浅层地温进行了研究，得出各层年平均地温以0.1～0.4℃/10 a的升温率显著上升，15 cm深度的升温率最大；裴洪芹等[12]研究了近48 a临沂浅层地温的变化特征发现，各层年平均地温以0.215～0.297℃/10 a的升温率显著上升，0 cm的升温率最大；王宝军等[13]对近30年南京市浅层地温场变化规律分析，浅层地温场总体呈现上升趋势，其中地表上升最大值达2.8℃，0～20 cm土层温度变化幅度比较接近，上升最大值达2.0℃，40 cm处最大值达1.75℃；贾效禄等[14]对乌鲁木齐市气象局1961—2009年的深层地温资料进行了分析，得出乌鲁木齐深层平均地温在1985年之后的年际和季节变化均呈升高趋势。而研究新疆偏北部地区浅层地温变化的结果尚未见报道。

在气候变暖背景下，探讨浅层地温变化规律对合理利用气候资源及农业可持续发展具有重要意义。因此，本文拟选取阿勒泰地区6县1市1961—2010年暖季（5—9月）5、10、15、20cm平均地温，研究近50 a阿勒泰地区暖季浅层地温的气候变化特征，以期为阿勒泰气候变化研究和气象学研究提供依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

阿勒泰地区地处欧亚大陆腹地，新疆最北部，北部和东北部为阿尔泰山脉，西南部为萨吾尔山区，南接准噶尔盆地，额尔齐斯河、乌伦古河横贯中部；地势为北部至东北部高，向西南逐渐降低，到河谷最低，由河谷向西南逐渐升高。该地气候具有春旱多风、夏短少炎、秋高气爽、冬寒漫长和多大风的特点，并在高山盆地、丘陵平原等复杂地形区又形成了多样的局部小气候。

1.2 资料来源及分析方法

本文选取阿勒泰地区6县1市哈巴河、吉木乃、布尔津、福海、阿勒泰、富蕴、青河7个气象观测站1961—2010年暖季5、10、15和20 cm平均地温的观测资料，站点分布见图1。

按照《地面气象观测规范》规定，下垫面温度和不同深度的土壤温度统称地温，浅层地温包括离地面5、10、15、20 cm深度的地中温度[15]。阿勒泰地区2004年以前浅层地温资料采用玻璃液体地温表人工读取，并且由于阿勒泰地区10月—翌年4月浅层地温低且不稳定，极易冻坏玻璃液体温度表，所以只能观测暖季（5—9月）浅层地温，2005年才开始使用铂电阻地温传感器自动获取。因此为了使研究的资料更具代表性和连续性，本文主要分析暖季（5—9月）浅层地温资料。

数据处理及分析采用Excel2003，地温的变化趋势用气候倾向率[16-17]和气候趋势系数[18]表述，用Mann-Kendall突变检测方法进行突变分析。

2 结果与分析

2.1 浅层地温的年际变化趋势

2.1.1 暖季平均地温

表1为阿勒泰地区各站暖季平均地温、各月地温的气候倾向率。由表中可见，近50 a阿勒泰地区各站暖季浅层平均地温均呈上升趋势，4个土层升幅最大值在0.83～0.85℃/10 a（P<0.01），除20 cm升幅最大在富蕴外，其他均以青河站升幅最大。各土层地温中除阿勒泰站变化趋势不十分显著外，其他6站均通过0.01水平的显著性检验。

2.1.2 暖季各月平均地温

由表1可见，5 cm土层各月均呈升温趋势，5月布尔津站增幅最大，为0.85℃/10 a（P<0.01）；6—8月青河站增幅最大，分别为为0.88℃/10 a（P< 0.01）；1.07℃/10 a（P<0.01）；0.92℃/10 a（P< 0.01）。9月富蕴站升幅最大，为0.86℃/10 a（P< 0.01）。6—9月除阿勒泰站外其他6站均达到极显著水平；5月有4站达到极显著水平，2站达到显著水平。全地区5—9月均达到极显著水平，阿勒泰站5—9月均变化不明显。

10cm土层各月也均呈升温趋势，5月布尔津站增幅最大，为1.06℃/10 a（P<0.01）；6—7月青河站增幅最大，分别为0.91℃/10 a（P<0.01），1.02℃/10 a（P<0.01）；8—9月富蕴站升幅最大，分别为0.91℃/ 10 a（P<0.01）)，0.90℃/10 a（P<0.01）。6—9月除阿勒泰站外其他6站均达到极显著水平；5月有5站达到极显著水平，1站达到显著水平。全地区5—9月均达到极显著水平，阿勒泰站除6月达到显著水平，其他各月均变化不明显。

15cm土层各月仍均呈升温趋势，5月布尔津站增幅最大，为1.08℃/10 a（P<0.01）；6—7月青河站增幅最大，分别为为0.93℃/10 a（P<0.01）；1.03℃/ 10 a（P<0.01）；8—9月富蕴站升幅最大，分别为1.01℃/10 a（P<0.01），0.94℃/10 a（P<0.01）。6月、9月除阿勒泰站外其他6站均达到极显著水平；5月有5站达到极显著水平，1站达到显著水平；7—8月有5站达到极显著水平，1站达到显著水平，阿勒泰站变化不明显。全地区5—9月均达到极显著水平，阿勒泰站除6月份达到显著水平，其他各月均变化不明显。

20cm土层各月仍均呈升温趋势，5月布尔津站增幅最大，为1.06℃/10 a（P<0.01）；6月青河站、布尔津站增幅最大，均为0.87℃/10 a（P<0.01）；7—9月富蕴站升幅最大，分别为1.03℃/10 a（P<0.01），1.05℃/10 a（P<0.01），0.97℃/10 a（P<0.01）。6月、9月除阿勒泰站外其他6站均达到极显著水平；5月、7月有5站达到极显著水平，1站达到显著水平；8月有5站达到极显著水平，2站变化不明显。全地区5—9月均达到极显著水平，阿勒泰站5—9月均变化不明显。

可见，阿勒泰地区各站暖季平均、暖季各月平均浅层地温均呈升高趋势，全地区平均浅层地温以0.59～0.61℃/10 a（P<0.01）的速率升高，而近30 a升幅更明显，各土层增幅最大达0.94℃/10 a（P< 0.01）；全地区各月平均浅层地温升幅为0.52～0.69℃/10 a（P<0.01），以7月增幅最大，9月最小，各土层近30 a增温尤为明显，其中7月最突出，各土层增幅最大达1.28℃/10 a（P<0.01），这表明阿勒泰地区暖季浅层地温升温幅度有加大的趋势。

2.2 浅层地温的年代际变化特点

由图2可见，各层暖季平均地温所有站点呈逐年代升高趋势，20世纪60年代最低，21世纪初最高。60年代4个土层最高值均出现在阿勒泰站，其次是福海站，2l世纪初4个土层均以青河站最高，其次是布尔津站。60年代和70年代所有站点均为负距平，80年代和90年代距平有正有负，2l世纪初期均为正距平。七个站四个土层平均地温距平最高值均出现在21世纪初；哈巴河、吉木乃、布尔津、富蕴四个土层平均地温距平最低值均出现在60年代，阿勒泰、青河出现在70年代，福海5、10 cm平均地温距平最低值出现在60年代，15、20 cm最低值出现在70年代。

2.3 暖季浅层地温的突变特征2.3.1平均地温

阿勒泰绝大部站点暖季平均浅层地温突变时间发生在20世纪70年代初中期，各站浅层地温发生了一个由相对偏冷期跃变为相对偏暖期的气候突变现象。采用Mann-Kendall法对阿勒泰地区浅层地温进行突变检验，阿勒泰地区1961—2010年7站暖季浅层地温气候突变年份（表2）。由表2可见，7个站均发生了明显突变。大部站点各层在1972、1976年发生了突变，哈巴河15、20 cm土层，福海20 cm土层，青河15 cm土层突变出现在1964年，福海3个土层突变出现在1962年，富蕴15、20 cm土层突变出现在1969年。全地区暖季平均浅层地温在1972年发生了突变。表明阿勒泰地区浅层地温升高的趋势十分显著，从地域分布看，地处阿勒泰地区中部的福海暖季平均浅层地温的突变要明显早于全地区其它县。

2.3.2 各月平均地温

阿勒泰地区各站暖季各月浅层地温突变时间绝大部分发生在20世纪70年代初中期，各站暖季各月浅层地温发生了一个由相对偏冷期跃变为相对偏暖期的气候突变现象。根据式（2）、（3）计算得到7个站5、10、15、20 cm浅层地温暖季各月的气候突变年份，经检验7站均发生了突变（表3）。由表可知，（1）阿勒泰地区近50 a5月哈巴河、吉木乃、富蕴4个土层在1976年发生了突变，布尔津、福海、全地区平均4个土层在1974年发生了突变，阿勒泰4个土层在1964年，青河4个土层在1980年；（2）6月吉木乃、阿勒泰4个土层在1976年发生了突变，富蕴4个土层，布尔津3个土层，青河2个土层，哈巴河1个土层在1963年发生了突变，福海4个土层、，全地区平均3个土层、青河2个土层、哈巴河、布尔津各1个土层在1970年发生了突变；（3）7月哈巴河、布尔津、阿勒泰4个土层，全地区平均、福海3个土层，富蕴、青河2个土层在1964年发生了突变，吉木乃4个土层在1976年发生了突变，富蕴2个土层在1966年发生了突变，青河、全地区平均1个土层在1972年发生了突变；（4）8月布尔津、福海、富蕴、全地区平均4个土层在1974年发生了突变，哈巴河4个土层在1966年发生了突变，吉木乃4个土层在1976年发生了突变，青河4个土层在1971年发生了突变；（5）9月吉木乃、阿勒泰4个土层在1976年发生了突变，全地区平均4个土层、富蕴、青河3个土层在1970年发生了突变，布尔津、福海3个土层在1972年发生了突变，哈巴河3个土层在1966年发生了突变。阿勒泰各站暖季各月均发生了突变现象，突变年份大部分出现在20世纪60年代初中期和20世纪70年代初中期。

2.4 浅层地温与气温、地表温度和降水量的关系

近50 a阿勒泰地区7站暖季5、10、15、20 cm浅层平均地温与同期平均气温、地表温度、降水量的相关分析表明，气温与浅层地温呈明显的正相关，相关系数0.608～0.954（P<0.01），地表温度与浅层地温呈显著正相关，相关系数0.746～0.989（P<0.01）；降水量与浅层地温呈负相关，相关系数0.042～0.623。

近50 a年全地区暖季平均气温总体呈上升趋势，气候倾向率为0.32℃/10 a（P<0.01），其中在20世纪90年代初呈下降趋势，90年代中期以后开始上升，上升趋势持续至2008年。全地区各层暖季平均地温均呈上升趋势，倾向率分别为0.60、0.61、0.59、0.61℃/10 a。暖季平均气温与同期浅层5、10、15、20 cm平均地温相关性分析结果表明，气温与浅层地温呈明显的正相关，相关系数0.608～0.954（P< 0.01），气温上升的阶段，各浅层地温均上升。近50 a暖季平均气温总体呈上升趋势，各浅层地温也均呈上升趋势，由图可见，气温和各浅层地温均在20世纪90年代初呈下降趋势，90年代中期—2008年呈上升趋势。1992、1993年出现最低气温值16.5℃时，各浅层地温同步出现最低值。

图3显示，近50 a阿勒泰地区暖季地表温度呈线性上升趋势，气候倾向率为0.70℃/10 a（P< 0.01），对比地表温度与浅层层平均地温的年变化趋势可知，当地表温度上升时，5～20 cm浅层地温也呈上升趋势；地表温度下降时，5～20 cm浅层地温也呈下降趋势。

从图3中近50 a阿勒泰地区暖季降水量变化来看，近50 a阿勒泰地区暖季降水量呈增多趋势，增幅为2.5 mm/10 a，暖季降水多时，同期浅层平均地温相对较低，暖季降水少时，同期浅层平均地温相对较高。表明浅层平均地温的高低与降水量的多少有关。

3 结论与讨论

（1）近50 a阿勒泰地区各站浅层暖季平均地温以0.59～0.61℃/10 a（P<0.01）的速率升高，而近30 a升幅更明显，高达0.94℃/10 a（P<0.01），4个土层升幅最大值在0.83～0.85℃/10 a（P<0.01），除20 cm升幅最大在富蕴外，其他均以青河站升幅最大。

（2）全地区暖季各月平均浅层地温升幅为0.52～0.69℃/10 a（P<0.01），以7月增幅最大，9月最小，近30 a增温最突出，增幅达1.28℃/10 a（P< 0.01）。

（3）1961—2010年阿勒泰地区大部站点4个土层均发生了明显突变，大部分站点的突变年份为1972、1976年，全地区暖季平均浅层地温在1972年发生了突变；各站暖季各月均发生了突变现象，突变年份大部分出现在20世纪60年代初中期和20世纪70年代初中期，暖季平均地温、暖季各月平均地温发生了从一个相对偏冷期跃变为相对偏暖期的气候突变。

（4）阿勒泰地区暖季气温与浅层地温呈明显的正相关，相关系数0.608～0.954（P<0.01），地表温度与浅层地温呈显著正相关，相关系数0.746～0.989（P<0.01）；降水量与浅层地温呈负相关，相关系数0.042～0.623。

气候变暖后，热量条件有所改善，有利于阿勒泰地区作物生长季的延长、可表现为牧草返青期提前，黄枯期推后，夏、秋季草场利用时间延长；地温上升也有利于牲畜越冬。同时考虑到未来农业气象灾害、病虫害也可能更加频繁，从而导致农业生产不稳定性加大。因此，根据地温的变化适时调整农业生产布局和结构，积极应对可能出现的情况是十分必要的。

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Variation Characteristics of Shallow Soil Temperature in Altay Region during 1961-2010

LI Huan1，WANG Huan2，Tuerxun1，Talafuhan1

（1.Habahe Meteorological Bureau，Habahe 836700，China；2.Altay Meteorological Bureau，Altay 836500，China）

The monthly climate change tendency and climate abrupt change of average shallow soil temperature in warm season in latest 50 years were analyzed，using climate statistical diagnosis analysis method，based on the monthly average 5～20 cm soil temperature data in warm season from 7 observation stations in Altay region from 1961 to 2010.The results showed that the annual average shallow soil temperature in warm season increased in last 50 years，the maximum increasing was found in the Fuyun region at the rate of 0.88℃/10 a（P<0.01）.The monthly annual average soil temperature in warm season for levels of 5cm，10 cm，15 cm，20 cm also showed rising trends，which ranged from1.02℃/10 a to1.07℃/10 a（P<0.01）.The maximum increasing also was found in Fuyun, and the trend was obviously from 1981.Climate abrupt change of average soil temperature in warm season occurred in 1972 at the most of stations.The monthly average soil temperture abrupt change occurred form 1960s to 1970s and there was clear positive correlation between shallow soil temperature and surface temperature,and between shallow soil temperature and air temperature in warm season.The air temperature and surface temperature rising might resulted in the shallow soil temperature increasing.The results could provide references to optimal utilize climate resources and to adjust agricultural structure.

Altay；shallow soil temperature；climate characteristic；climate abrupt

P468

B

1002-0799（2015）04-0037-06

李焕，王欢，吐尔逊，等.新疆阿勒泰地区近50 a暖季浅层地温变化特征分析[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（4）：37-42.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.04.006

2015-03-07；

2015-06-01

李焕（1978-），女，工程师，现从事天气预报及气象服务工作。E-mail：hbhqxjlh@sina.com