张家口市坝上地区气温和地温的变化特征

王玉坤，于洋，卜跃刚，田亚男，郝桂珍，裴宏伟

（河北建筑工程学院，河北 张家口 075000）

地温是指地表面及其以下不同深度处土壤温度的统称，土壤与大气之间不断进行着能量交换，气候直接对地温产生影响[1～5]。冻土是指0℃以下并含有冰的各种岩石和土壤，分为短时冻土、季节性冻土和多年冻土3种，张家口地区以季节性冻土为主。季节或昼夜温度变化使得在土壤表层及一定深度土层形成反复的冻结—解冻过程，可显著改变土壤结构和水热运动规律[6]。冻土具有流变性，在冻土区建造建筑物时必须考虑冻胀和冻土融沉的问题，因此，对土壤温度分布和变化进行研究十分必要。

国内外学者针对土壤温度变化展开了一系列研究工作。Yang K等[7]利用热扩散方程得到土壤温度分布，然后根据土壤温度观测值与计算值之间的差异调整温度分布，通过整合土壤温度剖面获得土壤通量。李飞[8]对松嫩平原地温和气温不对称增温现象进行了研究。李得勤等[9]将土壤湿度和土壤温度作为判断依据，检验陆面模式中不同参数对于土壤湿度和土壤温度模拟的敏感性，关注模式中水文参数的敏感性和优化效果。韩春兰等[10]在全国范围内建立数学模型，以反映不同水热条件下各地区的平均地温特征。另外，还有一些学者[11～15]分别对我国青藏高原、东北地区、塔克拉玛干沙漠，以及土耳其、南极洲等典型地区的土壤温度变化特征进行了分析与研究。

张家口市坝上地区位于内蒙古高原的东南缘，海拔高度1 100～2 400 m，地处农牧交错地带，土壤类型以栗钙土为主。该区是京津冀地区的重要生态屏障，也是京津冀地区的重要水源涵养地和生物多样性保护重要基地，对保障京津冀地区的生态安全和水资源供给具有举足轻重的作用[16]。对张家口坝上地区气温的年际和季节变化趋势，以及各深度土壤温度的季节变化、昼夜变化和垂直分布特征进行分析，并提出了各深度土壤温度的计算公式，对于正确认识张家口坝上地区气温变化对地温的影响具有重要意义，也可为农业生产和地下管道铺设提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

张家口市位于河北省西北部，地处内蒙古高原与华北平原之间，阴山山脉将张家口市分为坝上地区和坝下地区两部分，其中属于坝上地区的县域有沽源、尚义、张北和康保。张家口市坝上地区为温带大陆性半干旱季风气候，冬季寒冷漫长，夏季凉爽短促，全年干燥少雨且多风，干旱、风沙和霜冻等自然灾害频发，是我国生态脆弱地带之一。根据坝上地区的气候特点，本研究中四季划分时，以3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12月～翌年2月为冬季。

1.2 研究资料

本研究数据来源于张家口市尚义县、沽源县、张北县和康保县的气象观测资料。项目包括1960～2018年逐日平均气温、最高气温和最低气温；1960～2016年逐日地表平均温度、最高温度和最低温度；2017～2018 年 0、10、20、30、40、50、60、80、100、120、150 cm深度处的土壤温度（每小时测定1次）。

1.3 研究方法

1.3.1 气候倾向率 气候倾向率表示气候要素的变化趋势。采用最小二乘法通过历年实际数据拟合一元线性回归方程y=kx+b，其中，k为回归系数，b为截距。当k为正数时，表示呈增加趋势；反之，为降低趋势。越大，表示变化速率越快；其越接近于0，表示变化越不明显。

1.3.2相关分析相关系数（r）是用来描述2个变量线性相关的统计量，其值在-1和1之间。r＞0，表示两变量呈正相关；反之，呈负相关。|r|越接近于1，表示2个变量之间相关越显著。

1.3.3 Mann-kendall检验法 简称M-K检验，是一种非参数检验方法。其优点是不需要样本遵循一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用于类型变量和顺序变量，计算便捷，在水文、气象等领域应用广泛。UFk和UBk分别为按时间序列顺序排列和逆序排列的秩序列计算出的统计量。当UFk超过U0.05临界线时，表明上升/下降趋势显著；如果UFk与UBk的交点出现在临界线以内，则交点对应时刻即为突变开始时刻。

1.4 数据处理与分析

利用SPSS 21和EXCEL软件进行气温和地温的描述性统计分析；利用Matlab 2014a软件完成Mannkendall检验的趋势检验和突变检验，以及滑动平均计算；利用OriginPro 8.0软件制作数据图。

2 结果与分析

2.1 张家口市坝上地区气温的变化特征

2.1.1 气温的年际变化特征 1960～2018年坝上地区年平均气温为2.81℃，其中2014年平均气温最高（4.40℃）、1969年最低（1.31℃），年平均气温极差为3.09℃。从历年平均气温的变化曲线（图1） 看，1960～2018年坝上地区年平均气温呈显著增加趋势（P＜0.01），气候倾向率为 0.313℃/10 a。其中，1960～1987年气候偏冷，气温5 a滑动平均值均在多年平均值以下；1988年开始转入暖期。20世纪60年代年平均气温呈波动下降趋势，1969年达到最低点；之后气温表现为波动上升。同时，最高温度和最低温度也呈现显著增加趋势（P＜0.01），但是最低温度增速较快、最高温度增速相对较慢，年平均气温日较差呈显著下降趋势（P＜0.01），与全球整体气温变化趋势[17]相一致。

1969年我国天气异常寒冷，多地创下了有气象记录以来的最低温度记录。坝上四县的年平均气温最低值也均出现在1969年，沽源县、尚义县、张北县和康保县的最低年平均气温分别为0.34、2.53、1.91、0.45℃。我国最暖年份记录曾出现在1998年，此后年平均气温最高值记录多次被刷新。2000年以前，张家口市坝上地区仅1998年的年平均气温（4.33℃）超过了4℃；2000年之后年平均气温超过4℃的频次已经有3次，分别是2007年（4.29℃）、2014年（4.40℃）和2017年（4.13℃）。尚义县和张北县的最高年平均气温均出现在1998年，分别为4.98和5.06℃；康保县和沽源县的最高年平均气温均出现在2014年，分别为4.18和3.71℃。

图1 1960～2018年张家口市坝上地区历年平均气温的变化Fig.1 Variation of annual average temperature in Bashang area of Zhangjiakou during 1960-2018

从坝上地区不同县域的年度气温平均值（表1）看，其随区域纬度由南向北而逐渐降低；变化趋势均表现为显著上升（P＜0.01），其中尚义县增速相对较慢。M-K趋势检验结果显示，坝上四县的年度平均气温变化趋势都通过了0.01水平的显著性检验，增温趋势明显。M-K趋势检验结果与利用年份数据和气候数据进行回归分析得到的结果相一致。2.1.2 气温的季节变化和月际变化特征 从1960～2018年月气温平均值变化（图2）看，坝上地区逐月平均气温呈现近似于正弦函数的周期性变化，其中，1月平均气温最低（-15.97℃），7月平均气温最高（18.97℃）；1 a中有7个月（1～4月、10～12月） 的月平均气温低于10℃，其中5个月（1～3月、11月、12月）的月平均气温低于0℃。

表1 1960～2018年张家口市坝上地区各县域的年度气温平均值及其变化趋势Table 1 Annual average temperature and change trend in each country in Bashang area of Zhangjiakou during 1960-2018

1960～2018年坝上地区春、夏、秋、冬季的平均气温分别为4.24、17.62、3.19和-13.82℃，倾向率分别为0.385、0.295、0.237和0.334℃/10 a，均通过了0.01水平的显著性检验，其中春季和冬季气温增速较快。此外，从月平均气温标准差看气候的变化发现，初春和冬季标准差较大，表明这2个季节气温变化较为剧烈；5～9月标准差较小，表明5～9月气温较为稳定，变化幅度较小，适合农业生产。

图2 1960～2018年张家口市坝上地区逐月平均气温和标准差的变化Fig.2 Variation of monthly average temperature and standard deviation in Bashang area of Zhangjiakou during 1960-2018

2.1.3 年际气温的突变性检验 用M-K检测方法，给定显著性水平α=0.05，临界值U0.05=±1.96，对张家口市坝上地区的年平均气温数据进行突变性检验。结果（图3）显示，1977年以前，坝上地区年平均气温呈下降趋势；1977年之后UFk＞0，年平均气温呈上升趋势，并通过了0.05水平的显著性检验，甚至通过了0.001水平的显著性检验（U0.001=±2.56），表明1977年之后年际增温十分显著。UFk曲线与UBk曲线在1990年产生交点，且交点位置在0.05水平的2条临界线（U0.05=±1.96）之间，表明年平均气温在1990年发生了突变。

图3 1960～2018年张家口市坝上地区年平均气温的统计量曲线Fig.3 Curve of Mann-Kendall statistics of annual average temperature in Bashang area of Zhangjiakou during 1960-2018

2.2 张家口市坝上地区地温的变化特征

2.2.1 地温的年际变化特征 1960～2016年坝上地区年地表温度的变化趋势与年气温的变化趋势基本一致，相关分析结果显示二者呈显著正相关（r=0.851），表明气温升高是导致地表温度升高的主要原因。地表温度的倾向率为0.817℃/10 a，增速快于气温，通过了0.01水平的显著性检验，存在着最低温度增速快于最高温度的现象。

2.2.2 地温的月际变化特征 2017～2018年坝上地区地表温度以及各深度土壤的月平均温度变化曲线（图4）基本一致，且与气温的月际变化曲线也较为一致。10、50、100、150 cm深度的月平均地温波动范围分别为-13.18～24.62、-7.92～23.71、-5.37～21.33、-2.82～19.54℃，表明地温振幅随着土壤深度的增加而逐渐衰减。这是因为随着土壤深度的增加，太阳辐射向深层土壤的传输量降低，传输速度减慢。当土壤到达一定深度时，此处的地温振幅可以忽略不计，该处的地温可视为终年不变，不受大气温度的影响。各深度的最高月平均地温均出现在8月；最低月平均地温因土壤深度的不同而异，其中，10～50 cm深度的最低值出现在1月，60～150 cm深度的最低值出现在2月，随着土壤深度的增加，地温的变化存在滞后现象。

图4 张家口市坝上地区2017～2018年各深度地温的月际变化Fig.4 Monthly variation of soil temperature at each depth in Bashang area of Zhangjiakou during 2017-2018

土层冰冻线即冻结土与非冻结土的分界线，其深度为冻结深度。冻结深度取决于当地的气候条件，天气越严寒时冻结深度越大，一般以0℃作为冻结的标准。4～10月各深度的地温均在0℃以上。11月起表层土壤温度降至0℃以下，0℃温度线在地表线下10～20 cm处；之后，随着气温降低，0℃等温线逐渐向深层土壤移动，12月在距地表80～100 cm处，1～3月所处深度与地表的距离均超过了150 cm，其中2月所处深度最大；3月起随着气温升高，0℃等温线开始变浅。年度内0℃等温线的变化特征与陈博等的研究结果[18]相一致。

2.2.3 地温的昼夜变化特征 分别选择2月和8月作为研究时段，分析不同时空条件下0、10、50、100和150 cm深度地温的昼夜变化。选择相同时刻不同日期进行叠加，然后求平均值，获得该月该时刻排除降水等影响的平均地温，进而获得地温的昼夜变化。

2月地表温度峰值出现在15：00（-2.82℃），谷值出现在7：00（-15.39℃），平均振幅为6.29℃；10 cm深度地温的峰值出现在18：00（-7.41℃），谷值出现在8：00（-12.43℃）；50、100和150 cm深度的地温昼夜变化不明显（图5）。

图5 2月0～150 cm各深度地温的昼夜变化Fig.5 Diurnal variation of soil temperature at 0-150 cm depths in February

8月地表温度峰值出现在16：00（33.37℃），谷值出现在6：00（15.37℃），平均振幅为9.00℃；10 cm深度地温的峰值出现在16：00（32.44℃），谷值出现在7：00（18.92℃）；50 cm深度地温的峰值和谷值分别出现在2：00和15：00，温度分别为23.74和22.89℃，与浅层土壤相比波动幅度明显减小；100和150 cm深度的地温随昼夜变化很小，无明显的峰值和谷值（图6）。

图6 8月0～150 cm各深度地温的昼夜变化Fig.6 Diurnal variation of soil temperature at 0-150 cm depths in August

可以看出，随着土壤深度的增加，昼夜地温的波动幅度明显变缓，至50 cm深度时地温已无明显变化（温差在1℃以内），且与浅层土壤相比峰值和谷值均出现时间滞后现象。表层土壤更易受到气温变化的影响，而深层土壤的温度在短时间内具有一定的稳定性。

2.2.4 地温的垂直分布特征 随着土壤深度的增加，10～50 cm深度的年平均地温呈增加趋势；60 cm深度降低至7.27℃，80 cm深度增至7.78℃；80～150 cm深度年平均地温保持在7.79℃左右，未发生明显变化（图7）。从整体上来看，地温随着土壤深度的增加呈现增加趋势，但是到达一定深度后继续增加深度，地温基本不变。

图7 0～150 cm各深度年平均地温的变化Fig.7 Variation of average annual soil temperature at 0-150 cm depths

从季节变化上来看，4～8月地温随着土壤深度的增加而逐渐降低；9月地温随着土壤深度的增加呈先升高后降低的变化；10月～翌年2月地温随着土壤深度的增加而逐渐升高；3月地温随着土壤深度的增加呈先降低后升高的变化。这是因为春、夏季土壤作为热汇，热量从土壤的表层传递到深层，故地温随着土壤深度的增加而降低；秋、冬季土壤作为热源，热量从土壤的深层传递到表层，因此，地温表现为随着土壤深度的增加而升高[19]。3月和9月为过渡月，因受气温变化的影响，浅层土壤温度分布已发生变化；而深层土壤温度变化滞后，仍然保持上一阶段的变化规律。

2.2.5 土壤温度计算 地表温度的变化可用以下公式来表示：

式中，ts（τ，0）为地表温度（℃）；ts′（τ，0）为地表平均温度（℃）；As为地表温度波动振幅（℃）；τ为时间（h）；Φ为地表温度相位。由此可得：

任意深度Z处的土壤温度随着地表温度呈周期相同的正弦函数变化。即：

式中，ts（τ，Z）为在τ时刻深度Z处的土壤温度（℃）；ts′（Z）为Z深度土壤的年平均温度（℃）；a为土壤的导温系数（m2/s）。

利用SPSS 21软件进行非线性回归分析，得到Φ=-0.54π，R2=0.918，经试验测得 a=6.9×10-7m2/s。将Φ和a代入公式（3），可计算出不同时间不同深度的土壤温度。计算值与实测值变化趋势一致，计算公式能够反映土壤温度的变化。

3 结论与讨论

受全球变暖的影响，1960年以来张家口市坝上地区气温和地表温度均呈显著上升趋势，对农业生产以及地下管道铺设影响重大。热量在土壤中传递引起延迟，故不同深度土壤温度及其随时间变化特征差异较大。

通过线性回归和M-K检验可知，1960～2018年张家口市坝上地区年平均气温呈显著上升趋势，气候倾向率为0.313℃/10 a，1990年发生突变，且最低气温的增速快于最高气温增速，故昼夜温差逐渐减小。四季气温均呈显著上升趋势，从增速来看，春季和冬季增速较快，夏季和秋季增速相对较缓；从年际变化来看，初春和冬季年际变化较大，5～9月年际变化较小。

气温变化是导致地表温度变化的主要原因。1960～2016年年平均地表温度与年平均气温的变化趋势一致，二者呈显著正相关，但地温的增速快于气温，这种现象在全球大部分地区均有出现。随着土壤深度的增加，地温的月际变化和昼夜变化波动变缓，50 cm以下的土壤昼夜温度变化已不明显，与浅层土壤相比深层土壤温度滞后明显。从地温垂直分布上看，0～50 cm地温随着土壤深度的增加而升高，80 cm以下地温基本不变。由于热力关系不同，四季土壤温度的垂直分布规律不同，其中，春夏两季地温随着土壤深度的增加而降低，秋冬两季地温随着土壤深度的增加而升高，3月和9月为过渡月。气温变化和地温变化均近似于正弦函数，通过非线性拟合得到的地温公式计算值与试验得到的地温实际测定值相一致，能够较准确地计算出不同深度不同时刻的土壤温度。

张家口坝上地区冬季寒冷漫长，时间长达半年以上，最低温度低于-20℃，存在季节性冻土。冻结深度对于建筑、交通运输和农业生产等具有重要意义。例如在严寒地区铺设地下管道时，需要在冬季对管道采取加热或绝热措施，或者将管道埋至最大冻土层以下，以免发生冻裂的危险。同时，增加管道埋深也增加了载荷，且增加了施工难度与成本。对各个季节土壤分布的研究有助于管道和土壤间传热过程的研究，对于管道的铺设具有指导意义。热量在土壤中的传递受土壤成分、含水率、孔隙度等因素的影响，且不同区域、深度和时间土壤性质差异较大，故今后可对这些因素对于土壤温度分布的影响进行深入研究。