海南岛0 cm地温变化特征及其相关气象要素

羊清雯 易雪 施晨晓 李涛 陈统强

(1 海南省气象信息中心,海口 570203； 2 海南省南海气象防灾减灾重点实验室, 海口 570203；3 中国气象局沈阳大气环境研究所,沈阳 110166； 4 西安财经大学统计学院，西安 710010；5 海南省海口市气象局,海口 571100)

引言

下垫面温度和不同深度的土壤温度均统称为地温[1]。其中，地表温度，即0 cm地温，既能反映出太阳辐射与大气对地表间、海陆间的相互作用，也可以反映出不同的地表类型、地表的水文情况以及水热间的收支特征等[2]。《气候变化国家评估报告》第4次报告指出，中国年平均地表温度在进入20世纪后有明显的增加，较同期全球升温幅度平均值略高0.5～0.8 ℃，且20世纪的升温幅度比过去1000年以来的任何时段都要高[3]。在IPCC的第5次评估报告中再一次指出，自1880—2012年的132年以来，全球的地表平均温度约上升了0.85 ℃，可能是过去1400年以来最热的30年[4]。因此，有必要了解在全球气候变暖的背景下，地表温度的变化对气候变化的影响和响应。

国内外学者对此做了大量的研究。Ercan Yesilirmak[5]通过分析土耳其西部的1970—2006年Büyük Menderes盆地共8个观测站点的土壤温度及其与气温、降水和日照的关系发现，该地区的土壤温度在夏季有明显增暖的现象，特别是5 cm、10 cm和20 cm。气温是直接和主要影响土壤温度变化的气候因子；反过来，土壤温度对日照和降水也有较大的影响。Zhang等[6]通过分析了20世纪加拿大的土壤温度发现，土壤温度在对气候变化造成明显影响的过程中，其与气温和降水的响应过程很复杂。Gilichinsky等[7]则利用前苏联季节性冻土的气象台站和常年冻土区的气象台站的地温观测资料分析发现，在大部分气象台站中，0.4 m的年平均值在近一个世纪以来呈上升的趋势。王佳琳等[8]将全国分为8个区域，采用相关分析、M-K等方法分析了每个区域近50年的0 cm地温和气温数据发现，中国 0 cm地温呈先降低后升高的趋势，2000年突变后升温趋势更为明显，且北方地区较南方升温更加明显，在过去50年中，南北温差呈现缩小的趋势。窦坤等[9]利用气候倾向率和相关分析等方法，分析了近53年菏泽0 cm 温的变化趋势以及与气温、日照时数、降水量、水汽压的相关关系，发现菏泽年平均地面温度呈极显著上升趋势，降水量减少、水汽压极显著增大，导致菏泽地面温度极显著升高，日照时数极显著减少对地面温度升温趋势有弱的减缓作用。周刊社等[10]则通过分析1971—2013年西藏西部、中部和东部8个气象站的浅层(5、10、20 cm)地温和较深层(40、80 cm)地温以及气温逐月的观测资料，发现西藏在进入21 世纪后，地温随着气温显著升高，藏西部和藏中部增温幅度整体高于藏东部。年均地温高于气温，且其升温幅度大于气温。预估至21世纪末，昌都、拉萨、波密地温水平将分别达到偏南的八宿、泽当和察隅现有地温水平，相当于所有站点南移近1个纬度。

海南省地处我国热带地区，既是中国唯一的热带气候省份，也是海域面积最大的省份，陆地面积约为3.5万km2[11]。陆地面积虽小，但地表温度对研究海南岛的海陆相互作用具有重要的意义。邢旭煌[12]通过对海口市各层地温和影响海南的热带气旋频数的相关及周期进行分析，发现利用深层地温作为预报因子，建立回归方程，对影响海南的TC年频数进行预报，具有较好的效果。王刚等[13]则利用线性趋势分析等方法，分析了海口市1981—2010年浅层地温的变化特征及其与气候因子的响应，发现海口市浅层地温呈正趋势变化，增温最大出现在冬季，气温、降水是影响浅层地温变化的主要影响因子。

面对海南自贸港建设以及国家生态文明试验区建设等需求，有必要对海南省气候资源进行研究，尤其是与农业生产和生态环境紧密相关的地温，但相关的研究也仅限于海口市的地温与气候因子的关系分析。因此，本文利用海南省17个气象观测站，1980—2018年逐月平均0 cm地温、平均气温、累计降水量、累计日照时数、平均风速观测资料，分析0 cm 地温近39年时空变化趋势特征及其与气象要素间的关系，并采用概率密度函数分析海南岛不同年代际间0 cm地温的出现概率，旨在为海南岛合理利用气候资源安排农业生产提供参考。

1 研究资料及方法

1.1 研究资料

文中所用的资料为海南省17个气象观测站，1980—2018年逐月平均0 cm地温、平均气温、累计降水量、累计日照时数、平均风速观测资料，由于三亚站迁移站点后海拔高度发生变化导致温度变化较大，故本文选取海南岛除三亚市外的17个市县气象站观测资料作为研究对象(图1)，这17个气象站均匀分布在整个海南岛，可以较好地代表研究区整体的地表温度及气象要素的变化特征。

图1 海南省高程及研究区域气象站点分布

根据气象划分法，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月至次年2月为冬季。

1.2 研究方法

1.2.1 气候倾向率

本文采用气候倾向率法[14]分析气候变化趋势，该方法是气象统计分析中最为常用的一种方法，是用来寻找不同变量之间关系的一种方法。通过该方法分析海南岛0 cm地温及各气象因子的年及四季的线性变化，找到其变化特征。将0 cm地温及各气象因子y的长期变化趋势用一元线性方程表示[15]，即：

y=ax+b,x=1,2,…,n

(1)

其中，x为时间序列；n为时间序列长度；b为常数；a为线性趋势项，其值的大小反映了上升或下降的速率，a>0，表示y随时间呈上升趋势；反之，a<0，表示y随时间呈下降趋势，将a×10得到的数值称为气象要素的气候倾向率(/10a)。

1.2.2 Mann-Kendall非参数检验

Mann-Kendall法是一种非参数统计检验方法[16]，既可用于检测序列的变化趋势，也可用于检测气候突变，在气象上常用做趋势分析[17-18]。对给定的序列x(t)(t=1,2,…,n)，建立一统计量:

(2)

该统计量是考查序列中各个时间点(j)的要素值大于该时刻的要素值的个数的总体情况。假设该序列是递降序列Q有较大的正值，那么其值将趋于n；反之，如是递升序列则其值趋于0。在变量任一时刻均遵从同一分布的假定下，统计量

(3)

当U的绝对值大于1.96时，表明序列有非随机性变化趋势(显著性水平为0.05)。统计量Q是由时间序列按时间顺序发生的，也可以按时间逆序产生的，即对原序列按j=1,2,…,n取不同样本容量计算一系列U值，在图上点出形成前U曲线。另外，按照j=n,n-1,…,1的样本容量计算可得后向U曲线，两条曲线相交，且交点在临界直线间，则交点时刻即为突变时刻[16]。

1.2.3 概率密度函数

利用概率密度函数研究海南岛不同年代际0 cm地温不同温度值出现的概率。概率密度函数[19]是指随机变量X的分布函数F(X)，存在非负函数f(x)，使对于任意实数x有

(4)

则称X为连续型随机变量，其中函数f(x)称为X的概率密度函数。对于任意实数x1，x2(x1≤x2)，则

(5)

对海南岛不同研究时间段17个站点逐月0 cm地温利用R软件进行Shapiro-Wilk法(夏皮罗-威尔克，W检验)[20]，发现海南岛不同时间段0 cm地温均服从正态分布，且通过α=0.01的显著性检验，其概率密度函数为

(6)

其中,μ为数学期望，σ为标准差。

2 结果与分析

2.1 0 cm地温年际变化特征分析及突变检验

图2给出了海南岛年和四季平均0 cm地温随时间的变化趋势图，由图2a可以看出海南岛年平均0 cm地温总体呈波动上升趋势，1980—2018年升温速率为0.24 ℃/10a，通过了α=0.01的显著性检验，说明升温趋势显著，这与我国其他地区0 cm地温升温趋势一致[8,21-23]，且高于同期海南岛平均气温升温速率(表1)。海南岛年均0 cm地温2000年以前是低温期，大多数年份的0 cm地温低于平均值，进入21世纪后，平均地表温度明显增大，大多数年份的0 cm地温高于平均值。海南岛1980—2018年多年平均0 cm地温为28.1 ℃，近39年来海南岛平均0 cm地温最高的年份为2015年(29.4 ℃)，较多年平均值偏高1.3 ℃，最低的年份为1985年(27.1 ℃)，较多年平均值偏低1 ℃。

图2 1980—2018年海南岛年和四季0 cm地温时间变化

表1 海南岛年和四季平均0 cm地温和气温气候倾向率 ℃/10a

1980—2018年海南岛春季平均0 cm地温为29.7 ℃，夏季为32.4 ℃，秋季为27.8 ℃，冬季为22.3 ℃，夏季0 cm地温最高，春季次之，冬季最低。海南岛不同季节0 cm地温变化趋势存在明显差异(图2b～e)。近39年春、秋、冬季0 cm地温呈升温趋势，与同期气温变化趋势一致，其中秋季0 cm地温升温趋势最为显著，升温速率为0.37 ℃/10a，通过α=0.01的显著性检验，高于其他几个季节升温速率，说明秋季增温对年均温的增长贡献大于其他季节，这与我国其他地区冬季升温速率最大研究结论不一致[8-9,23-24]，说明有必要分析海南岛的0 cm地温变化趋势，同时秋季0 cm地温升温速率也高于同期气温升温速率；其次为春季，升温速率为0.32 ℃/10a，通过α=0.05的显著性检验，高于同期气温升温速率；冬季升温速率为0.18 ℃/10a，未通过显著性检验，升温趋势不显著，且低于同期气温升温速率。夏季0 cm地温表现为弱的升温趋势，而同期的夏季气温具有明显升温趋势，夏季地表温度和气温变化趋势不同步。综上所述，海南岛0cm地温的升高主要是出现在秋季，其次是春季。

给定α=0.05(Uα=±1.96)的显著性标准，利用M-K非参数检验法[25-26]对海南岛年和四季0 cm地温进行突变检验。由图3a可知，年平均0 cm地温在1980—1985年间特征曲线UF呈波动下降，随后开始快速上升，突变点在1996年，且位于置信区间，2002年开始持续通过α=0.05显著性水平。由此可见，海南岛年平均0 cm地温自21世纪初开始显著增暖。由图3b～e可知，春季突变点在1997年，1997年以后开始持续增暖，2015年开始通过α=0.05显著性检验，突变之后增温趋势显著。尽管夏季在±1.96的置信区间有多个交叉点，但特征曲线UF没有明显变化趋势，夏季0 cm地温未发生突变。秋季突变点在1999年，而后波动上升，2004年开始通过检验，升温显著。冬季突变点在1989年，突变时间早于年和其他季节，但UF特征曲线未通过±1.96的置信区间，表明冬季地表温度变化没有通过显著性检验，变化趋势不显著，UF特征曲线从2009年开始下降，冬季0 cm地温2009年后开始下降。

图3 海南岛1980—2018年和四季0 cm地温M-K检验曲线

2.2 0 cm地温年代际变化特征分析

从年代际变化来看(表2)，海南岛年0 cm地温从20世纪80年代至21世纪10年代逐年代增高，21世纪00年代比20世纪80、90年代分别上升了0.70 ℃和0.38 ℃，而2010年之后较21世纪00年代略微下降，下降了0.03 ℃。从整个研究时间段来看，21世纪00年代为近39年来最暖的时期。不同季节的0 cm地温年代际变化趋势也不尽相同，春季从20世纪80年代至21世纪10年代持续升高，20世纪80、90年代温度偏低，进入21世纪后，各年代际均温高于平均值，21世纪10年代比20世纪80、90年代和21世纪00年代分别上升了1.08 ℃、0.54 ℃和0.22 ℃。夏季呈微弱升高趋势，20世纪80年代至21世纪10年代温度距平分别为-0.11 ℃、-0.02 ℃、0.06 ℃和0.07 ℃，各年代际平均地表温度均与多年平均值接近。秋季从20世纪80年代至21世纪10年代也表现为持续升高，21世纪10年代比20世纪80、90年代和21世纪00年代分别上升了0.95 ℃、0.79 ℃和0.29 ℃。冬季地表温度年代际变化趋势与其他几个季节明显不同，表现为先升高后降低，从20世纪80年代到21世纪00年代逐渐升高，21世纪10年代开始降低， 表现为负距平，甚至低于20世纪90年代，所以导致近39年来冬季地表温度升温趋势不显著。

表2 海南岛年和四季不同年代际0 cm地温 ℃

图4给出海南岛年和四季不同年代际0 cm地温服从正态分布的概率密度函数。由图4a可以看出，近39年来海南岛月平均0 cm地温从11～39 ℃，概率密度曲线自20世纪80年代至21世纪00年代逐年代整体向右移动，平均值增大且对应的概率密度值也逐渐增大，说明温度整体升高，而并非个别现象，尽管21世纪10年代平均值与21世纪00年代一致，但对应的概率密度值明显低于21世纪00年代，表明年0 cm地温在21世纪10年代升温趋势开始减缓，但21世纪10年代温度数据分布比其他年代际离散，表明极端温度事件增加。春季概率密度曲线同样逐年代右移，持续升温，且80—90年代升温最为明显，其中20世纪90年代0 cm地温离散度最小，说明这一时间段内全岛温差较小，而21世纪10年代离散度最高，意味着10年代春季极端低温和高温事件增多。夏季温度范围较为集中，28～38 ℃，不同年代际的概率密度曲线峰值对应的0 cm地温集中在32 ℃附近，尽管曲线右移，但幅度很小，升温趋势不明显。秋季0 cm地温20～36 ℃，80—90年代增温最为明显，10年代开始增温减缓，且不同年代际0 cm地温最小值、最大值也逐年代向右移动。冬季从20世纪80年代到21世纪00年代右移，21世纪10年代左移，意味着10年代地表温度开始回落。总的来说，无论从年还是四季，0 cm地温在21世纪10年代以前升温趋势明显，10年代以后升温趋势减缓或者降温，且21世纪10年代极端温度事件明显多于其他年代。

图4 海南岛年和四季不同年代际0 cm地温正态概率密度曲线

2.3 0 cm地温空间分布特征

图5给出了海南岛1980—2018年多年平均年和四季0 cm地温的空间分布图，由图5a可以看出海南岛年平均0 cm地温分布整体上呈现出“中间低、南部高”的特征，与海南岛气温空间分布类似[27]。年平均0 cm地温高值中心位于海南岛西南部和东南部，温度高达30 ℃左右，而低温中心主要集中在海南岛琼中附近，温度仅为26 ℃左右，考虑是因为这里地势高森林植被茂密的原因。海南岛0 cm地温空间温差达4 ℃，说明海南岛0 cm地温具有明显的空间差异性。

从海南岛不同季节0 cm地温空间分布图(图5b～e)可以看出，不同季节的海南岛0 cm地温空间分布特征略有不同。春、秋季海南岛0 cm地温与年平均0 cm地温分布类似。而夏季0 cm地温的空间分布与其他几个季节不同，呈现出经向分布，即海南岛东、西部高，中间低的分布特征，夏季地表温度高值中心位于东方，35.3 ℃，次高值中心位于万宁，33.6 ℃，低值中心位于琼中、五指山一带，30 ℃左右。冬季0 cm地温整体上呈现出从西南到东北递减的空间特征，高值区位于西南到东南一带，低值中心仍位于琼中，但低值地区范围比其他几个季节有所扩大，包括了海南岛北部和中部地区。

图5 1980—2018年海南岛年和四季0 cm地温空间分布

2.4 0 cm地温气候倾向率空间分布特征

图6给出了1980—2018年海南岛年和四季0 cm 地温气候倾向率的空间分布图，由图6a可知，年0 cm地温气候倾向率除了东南沿海地区小于0，其他地区均大于0，说明海南岛绝大部分地区0 cm地温表现为升温趋势。海南岛大部分地区的升温速率在0.2～0.4 ℃/10a，只有澄迈和五指山高于0.4 ℃/10a的升温速率，少部分地区的升温速率小于0.2 ℃/10a。

近39年海南岛不同季节0 cm地温的气候倾向率空间分布不同。由图6b～e可见，除秋季全岛均表现为升温趋势外，其他季节0 cm地温气候倾向率与年0 cm地温气候倾向率空间分布类似，即海南岛大部地区0 cm地温气候倾向率大于0以升温趋势为主，只有东南部沿海地区气候倾向率小于0呈降温趋势。不同季节升温速率表现出明显的差异性。春季，海南岛西北部的临高和澄迈、西部的昌江和东方以及中部的五指山地区升温速率最大，大于0.4 ℃/10a，其他大部分地区升温速率在0.2～0.4 ℃/10a。夏季，除东南沿海地区呈降温趋势外，北部海口地区也表现为降温趋势，且降温趋势明显，降温速率超过0.2 ℃/10a，其他地区均表现为弱的升温趋势，且升温速率小于春季。秋季，0 cm地温升温速率最大，海南岛西部大部分地区、中部的五指山地区以及东部的文昌、琼海升温速率均大于0.4 ℃/10a，其中澄迈升温速率达0.64 ℃/10a，其余大部地区升温速率在0.2～0.4 ℃/10a；冬季，大部分地区表现为升温，升温速率小于春、秋两季，但大于夏季，五指山地区仍是升温速率最大的地区。

2.5 0 cm地温与其他气象要素的关系

地表温度变化的过程是一个复杂的热量交换过程，主要受太阳辐射、日照高度、大气环流、土壤类型、土壤湿度、表面粗糙度及地热传导等因素影响。本文主要分析0 cm地温与气象要素的关系。

表3给出了年和各季0 cm地温与气温、降水、日照时数和风速的相关系数。由表3可以看出年和四季0 cm地温与气温相关性均为正相关，相关系数均大于0.83，且相关性均通过了显著性检验，说明气温对0 cm地温具有显著的正向驱动，其中冬季0 cm 地温与气温相关系数最大，高达0.96。从近39年来气温年际变化来看(图7a)，年平均气温整体上呈波动上升趋势，且气温与0 cm地温在年际波动变化上一致，结合表1，除夏季外，年和春、秋、冬季的0 cm地温与气温升温趋势同步，气温升温速率大的季节，地表温度升温速率也较大，升温趋势显著的季节，地表温度升温趋势也显著。这是由于地表与空气交接，土壤与大气之间随时会发生热量交换[28]，所以0 cm地温与气温的相关性十分显著。

表3 海南岛年、四季0 cm地温与气温、降水、日照时数及风速的相关系数

降水可以通过影响土壤湿度进而影响土壤温度，土壤湿度影响土壤热容量，后者随着含水量的增加而增加[28]，土壤热容量大，增温慢，故土壤干湿度对土壤温度的高低有较大的影响，另外降水多，意味着日照时数少，也会影响地表接收热量。由表3可知，年和四季0 cm地温与降水的相关性均为负，这与我国其他地区的结论一致[9,29]。其中年和夏、秋季降水量与0 cm地温的相关性通过了显著性检验，而夏、秋季正是海南岛降水量最多的两个季节，分别占全年降水量的40%和37%，这两个季节降水量充沛，对土壤含水量影响较大，进而对0 cm地温影响显著，由图7b可知近39年来海南岛降水量呈增加趋势，增加速率为63.6 mm/10a，且海南岛四季降水量均为增加趋势，说明海南岛降水量的增加对地表温度的增加是负反馈。

图7 海南岛1980—2018年0 cm地温与平均气温(a)、降水量(b)、日照时数(c)、风速(d)变化

土壤热量最主要来源于太阳辐射，而日照时数的变化可以体现出太阳辐射大小的变化[30-31]。有研究表明，年平均地表温度与日照时数呈正相关[29,32]，本文也证明了这一结论，海南岛年和四季0 cm 地温与日照时数均为正相关(表3)，且均通过显著性检验，但相关系数均小于与气温的相关系数。尽管近39年来海南岛日照时数呈下降趋势(图7c)，年日照时数每10年减少43.3 h，日照时数减少意味着地面接收到的太阳辐射能减少，将会导致地表温度降低，但地表温度仍为升温趋势，说明0 cm 地温受日照时数的影响不如气温的影响显著，日照时数的减少对地表温度的上升有减缓作用。其中夏季与日照时数的相关性最大，由表1可知，夏季的气温升温趋势明显，而地表温度升温趋势不明显，说明夏季受日照时数下降趋势的影响较为显著。

风速对地表温度的影响，是一个复杂的过程，风速可以通过影响土壤蒸散间接影响地表温度，风速越大，蒸散作用越强，土壤失水越快[33]，而在蒸散的过程中又会引起地表热量的散失。由表3可知，春、夏两季0 cm地温与风速为正相关，其中春季通过显著性检验，年和秋、冬季均为负相关，秋季通过显著性检验，说明春、秋两季0 cm地温受风速影响较大。海南岛年平均风速表现为下降趋势(图7d)，下降速率为0.06(m·s-1)/10a，且四季的风速也均为下降趋势。对于春季，风速和地表温度呈显著正相关，也就是说春季风速下降将不利于地表温度升高；而对于秋季，0 cm地温与风速显著负相关，且秋季0 cm地温与风速的相关性高于降水和日照时数，说明秋季风速的减弱是地表温度升高的主要原因之一，这是由于风速的减弱，不利于地表热量的散失。

3 结论

本文利用海南岛17个气象观测站1980—2018年0 cm地温月平均数据，分析了海南岛0 cm地温的时空变化特征，以及可能对0 cm地温变化产生影响的气象要素的关系，主要结论如下：

(1)近39年来海南岛年和四季平均0 cm地温总体呈波动上升趋势，其中秋季增温速率最大，春季次之，而夏季0 cm地温呈微弱不显著升温趋势。海南岛年及春、秋两季0 cm地温分别在1996、1997年和1999年发生突变，突变后升温趋势明显。

(2)从年代际变化看，年平均0 cm地温从20世纪80年代到21世纪00年代逐年代增加，21世纪10年代略微下降，且21世纪10年代极端温度事件明显多于其他年代。

(3)海南岛0 cm地温整体上呈现出“中间低、南部高”的特征。除秋季全岛均表现为升温趋势外，年和其他季节0 cm地温均表现为东南部沿海地区呈弱的降温趋势，其他大部地区以升温趋势为主。

(4)海南岛0 cm地温与气温、日照时数为显著正相关，其中气温对地表温度为正反馈，而日照时数的减少对地表温度升温趋势有减缓作用；海南岛降水量的增加对地表温度的增加呈负反馈；0 cm地温与春季风速呈显著正相关，而与秋季呈显著负相关。总的来说，夏季0 cm地温升温趋势不显著考虑是受降水的增加和日照时数的减少影响较为显著；秋季与气温的相关性低于其他几个季节，但秋季与风速的相关性最大，考虑秋季风速的减小是秋季0 cm地温增加的主要因素之一。

地表温度的变化并不能以单个或多个气象因子的线性关系来说明，且地表温度的变化也会影响其他气象要素的变化，对于它们之间的互相影响，本文只初步研究了地表温度与气象要素的相关性，而并未考虑地表温度对气象要素的反作用，下一步工作可借助模式揭示地表温度与气象要素相互作用的内在机理机制，这将是后续的研究工作内容。