潍坊市地表温度变化及影响因子分析

朱翠红，张 娜，李晶晶

（1.潍坊市寒亭气象局，山东潍坊 261100；2.山东省安丘市气象局，山东安丘 262100）

潍坊市地表温度变化及影响因子分析

朱翠红1，张 娜2，李晶晶1

（1.潍坊市寒亭气象局，山东潍坊 261100；2.山东省安丘市气象局，山东安丘 262100）

揭示潍坊市地表温度变化规律及特征。采用Microsoft Excel 2013和DPS7.05软件，利用气候统计分析方法，将潍坊市1971～2015年逐月的地面0 cm温度及气温、降水、日照、相对湿度、云量和风速等相关气象要素为研究对象，建立年代际、年、季的数据序列进行相关分析研究。表明：（1）潍坊市地表平均温度和地表平均最低温度的年序列呈现上升趋势，地表平均最低温度增温达极显著水平；地表平均最高温度显著下降，倾向率为-0.37℃/10 a；地表平均温度、最高温度和最低温度年代变化均呈现“升—降—升”的趋势，21世纪10年代变化最为显著，对地表温度的增温贡献最大。（2）地表温度月变化均呈现单峰式曲线。（3）地表平均温度的年、季变化均未发生突变；地表平均最高温度的年、春季变化在1990年附近发生突变；地表平均最低温度近45年出现一次明显突变；地表温度变化存在明显的周期性。（4）地表平均温度和地表平均最低温度与气温正相关最为显著，降水量对地表平均温度和地表平均最高温度显著负相关。

地表温度 气候变化 相关分析

地表温度是大气与地表结合部的温度状况，是非常有用的气候资源，地温的变化也是气候变化研究中的重要问题之一。哪些气象因子与这些变化相关，目前没有这方面的研究文献出现。文章利用1971～2015年潍坊市地面温度资料和相关气象资料进行分析，揭示潍坊市地表温度的变化规律和特征，为研究区域气候变化对该地区农业的区域规划和农业生产提供科学参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

选用潍坊市国家基本气象站（东经119°12′，北纬36°45′，海拔高度22.2 m）1971～2015年逐月的地面0 cm温度及气温、降水、日照、相对湿度、云量和风速等相关气象要素为研究对象，并建立年代际、年、季的数据序列进行相关分析。四季采用气象学上的标准进行划分：春季（3～5月）、夏季（6～8月）、秋季（9～11月）、冬季（12月～翌年2月）。气候平均值采用1971～2015年的要素平均值。

1.2 研究方法

（1）利用一元一次线性回归法分析潍坊市地面0 cm温度的变化趋势，并采用相关系数进行显著性检验[1]。

（2）利用滑动t检验和山本（Yamamoto）法对地表温度进行突变检验。

（3）用相关分析法对地面0 cm温度和气温等11个影响因子进行相关性分析。

（4）统计分析采用Microsoft Excel 2013和DPS7.05软件进行数据处理和数据分析。

2 结果与分析

2.1 地表温度变化趋势分析

2.1.1 地表温度的年际和年代际变化

由图1可以看出，近45年潍坊市年地表平均温度为15.1℃，呈上升趋势，变化倾向率为0.12℃/10 a，但上升趋势不显著（r=0.238 5，未通过α=0.05的显著性检验）。在1976年地表平均温度为最低值13.8℃，最高值16.2℃有两年，分别为2006年和2015年，年际变化较大。从9 a滑动平均来看，近45年呈现“升—降—升”的变化趋势。20世纪70年代后期至80年代末，地表平均温度呈现缓慢上升趋势，1983年通过平均线，到90年代初达到高点后开始呈现下降趋势，1992年通过平均线，90年代末达到最低点。从21世纪00年代初开始缓慢上升，10年代初明显上升并持续至今。

图1 潍坊市地表平均温度的变化趋势

从图2看，地表平均最高温度为30.9℃，呈现显著的下降趋势，通过了α=0.05的显著性检验，倾向率为-0.37℃/10 a，近45年下降了1.68℃。最高值出现在1981年（33.7℃），最低值为2005年（28.0℃），极差达到5.7℃。从9 a滑动平均来看，变化大体呈现“升—降—升”的趋势。20世纪70年代后期到0年代末呈现上升趋势，到90年代初达到最高点后开始明显下降，1996年通过平均线，下降趋势持续到到21世纪00年代末，10年代初开始上升，但未达到平均线。

图2 潍坊市地表平均最高温度的变化趋势

从图3来看，地表平均最低温度为6.3℃，以0.45℃/10 a的速度上升（r=0.692 5），上升的趋势通过了0.001的显著性水平检验，达到极显著水平。最高值在2015年（8.4℃），最低值为4.9℃，出现在1972年。从9 a滑动平均来看，变化趋势大体呈现“升—降—升”趋势。20世纪70年代后期至80年代初小幅上升后缓慢下降，80年代中期到90年代末变化曲线比较平缓，21世纪00年代初开始上升，到2004年通过了平均线，明显的上升趋势一直持续至今。从表1可以看出，20世纪70年代～21世纪10年代，各年代的倾向率都为正值，上升趋势显著，80年代通过了α=0.05的显著性检验，90年代通过了α=0.01的显著性检验，20世纪70年代、21世纪的00年代和10年代均通过了α=0.001的显著性水平检验，变化达到极显著水平，其中21世纪10年代变化最为显著，倾向率为5.2℃/10 a，相关系数r值达到了0.964。

2.1.2 地表温度的突变分析

采用滑动t检验法和Yamatomo法对潍坊市地表温度进行突变分析，两项检验法的显著性水平给定α=0.01，子序列均取n1=n2=10，由于两种检验分析方法均有不足之处，导致分析结果存在差异。由表1可以看出，年、季地表温度的突变年份基本保存一致。地表平均温度的年季变化均未发生突变，地表平均最高温度的年、春季变化在1990年附近发生了突变，地表平均最低温度年、季均发生了突变，突变多发生在2001年和2005年附近，说明在21世纪初地表平均最低温度出现了明显突变。

2.1.3 地表温度的周期分析

对近45年潍坊市地表平均温度、地表平均最高温度和地表平均最低温度做Morlet小波分析。图4所示，横坐标为时间t（1—45分别代表1971～2015年），纵坐标为频率周期（4～26年），等值线越密集，代表信号震荡中心的强度越强，相应的周期特征越明显。

图3 潍坊市地表平均最低温度的变化趋势

表1 近45年潍坊市地表平均温度、地表平均最高温度和地表平均最高温度的突变分析

由图5 a看，近45年潍坊市地表平均温度在4年以下的部分没有出现明显的闭合中心，说明该尺度范围周期变化非常弱，时间序列存在6～8年左右尺度的周期；由图5 b看，地表平均最高温度存在4～6年、10年左右尺度的周期，图5 c发现地表平均最低温度存在4年、8年、14年左右尺度的周期。

图4 近45年潍坊市地表平均温度、地表平均最高温度和地表平均最低温度的小波分析

2.2 地表温度的影响因子分析

地表温度的变化过程是一个能量传输、转化的复杂过程，一些研究表明，影响地表温度的因素主要为太阳辐射、大气环流、下垫面性质和气象要素等[2-3]。利用DPS7.05软件中的相关分析，对潍坊市的地表温度与同期的气温、降水、日照等11项要素进行相关性分析。

由表2可以看出，地表平均温度的正相关因子有6个，气温、极端最高气温、极端最低气温、降水量和相对湿度明显正相关，其中气温的正相关系数达到0.86，通过了0.01的显著性水平检验，负相关因子有5个，降水量的负相关系数最大，为-0.46，通过了0.01的显著性水平检验；与地表平均最高温度正相关因子有7个，显著正相关的为日照时数，相关系数通过了0.05的显著性水平检验，有4个负相关因子，显著负相关的有降水量、低云量和相对湿度，其中降水量的负相关系数最大（-0.52），通过了0.01的显著性水平检验；地表平均最低温度的正相关因子有5个，显著正相关有气温、极端最低气温、低云量和最小相对湿度，其中气温的正相关最显著，相关系数为0.86，通过了0.01的显著性水平检验，显著负相关的有日照时数、平均风速和日最大风速，其中平均风速的负相关系数最大，为-0.60，也通过了0.01的显著性水平检验。通过分析，地表平均温度、平均最高温度和平均最低温度的相关因子和因子相关性各不相同。气温对地表平均温度和地表平均最低温度的影响最为显著，地表温度的变化直接体现了大气与下垫面的热量交换；降水量对地表平均温度和地表平均最高温度的变化显著负相关，说明降水增多，土壤湿度增大，导热率和热容量增加，土壤失热降温。日照时数与地表平均最高温度正相关，低云量与之负相关，说明晴天时，日照时数多，低云量少，地面受到的太阳辐射就多，地表温度的增温就迅速；与地表平均最低温度的相关关系正好相反。

表2 潍坊市地表温度的相关因子

3 结论与讨论

（1）近45年潍坊市年地表平均温度为15.1℃，呈上升趋势，变化倾向率为0.12℃/10 a，上升趋势未通过显著性水平检验，年代变化呈现“升—降—升”的变化趋势，21世纪10年代温度最高（15.6℃）；地表平均最高温度呈现显著的下降趋势（通过了α=0.05的显著性检验），平均每10 a下降0.37℃，年代变化大体呈现“升—降—升”的趋势；地表平均最低温度的增温最为显著，以0.45/10 a的速度上升，并通过了0.001的极显著性水平检验，年代变化也呈现“升—降—升”趋势。地表平均温度、地表平均最高温度和地表平均最低温度在21世纪10年代的变化最明显，均通过了α=0.001的极显著性水平检验，地表平均温度和地表平均最低温度20世纪10年代平均值均为近45年来的最大值，增温最为显著，对近45年的增温贡献最大。

（2）地表平均温度、地表平均最高温度和地表平均最低温度月变化均呈现单峰式变化曲线，最小值均出现在1月，地表平均温度和地表平均最低温度最大值均为7月，而地表平均最高温度出现在6月。地表平均温度和地表平均最低温度的月变化大多呈上升趋势，地表平均最高温度的月变化大多呈现下降趋势，均与其年变化趋势保持一致。

（3）从季变化来看，近45年潍坊市地表平均温度、地表平均最高温度和地表平均最低温度的冬季变化最为明显，地表平均温度和地表平均最低温度的四季均呈现上升趋势。地表平均最低温度的四季增温均通过了显著性水平检验，对地表温度的上升贡献最大。

（4）潍坊市地表平均温度的年、季序列未出现明显突变，地表平均最高温度的年、春季序列突变发生在1990年附近，地表平均最低温度年、季均发生了突变，突变多发生21世纪初，说明在21世纪初地表平均最低温度出现了一次的明显突变；地表温度存在明显的周期性变化。

（5）通过对11项因子进行相关性分析，发现气温对地表平均温度和地表平均最低温度的正相关最为显著，降水量对地表平均温度和地表平均最高温度显著负相关，均通过了0.01的显著性水平检验。

（6）地表温度的变化复杂，与农业生产息息相关，目前针对潍坊市地温及地温影响的研究相对较少。下一步需要整理更密集、更广泛的气象观测资料，开展不同深度地温的变化分析，并针对不同深度地温变化对当地农业生产的影响做进一步的研究。

[1]魏凤英．现代气候统计诊断与预测技术（第2版）．北京：气象出版社，2007

[2]董平，王凤娇，魏敏．夏季不同下垫面最高温度变化规律及影响因子．安徽农学通报，2009，15（13）：160～161

[3]李雄，董蕙青，黄嘉华，等．南宁各种下垫面温度特征及预报方法探讨．气象科技，2005，33（6）：487～491

潍坊市气象局基金项目“气候变化对木本植物物候期影响评价”（2016 wfqxkt09）