近40年高淳浅层地温变化特征分析

2021-07-25宋如东狄啸夏晓敏陆一磊孔维财

安徽农学通报 2021年12期

宋如东狄啸夏晓敏陆一磊孔维财

摘要：利用1980—2019年高淳国家气象站0～20cm浅层地温资料，分析了地温的变化趋势、突变和异常特征，结果表明：（1）近40年以来地温增温明显，较浅深度地温增速大;0、5、15和20cm年代际平均地温均为10年代最高，且上升趋势一致。（2）浅层地温四季均呈上升趋势，春季上升趋势最为明显。春季0、5和10cm地温在00年代上升趋势最大;夏季0cm地温在各年代际的上升趋势越来越小，其余各层与之相反;秋季变化趋势与夏季相同;冬季上升趋势最大均为20世纪90年代。（3）春季、秋季与冬季浅层地温的异常年份基本一致，冬季与全年异常年份一致性较差。0cm气候突变出现时间较早，其对气候变暖的响应最快。因地温测点与耕种田块存在差异性，更准确反映耕种状态有待后续研究。

关键词：浅层地温;气候变化;突变;异常

中图分类号 P423.7文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）12-0148-03

IPCC第5次报告指出，近年来全球气候變暖进一步加剧[1]，土壤是地-气系统的重要组成部分，地温的变化对地气间热量交换有着直接的影响，对长期天气变化也有着重要的影响。地温的变化是土壤对气候变化的响应[2]。浅层地温一般包括地面0cm和地下5、10、15、20cm深度的温度[3]。地温的变化对土壤的物理化学和生物过程有重要的影响[4]，地温偏高或偏低都会对作物的发芽、出苗和生长造成影响，从而影响作物的产量[5-6]。研究地温的变化，对于分析气候变化对农业的影响和指导农业生产有重要的意义。

研究表明，我国近50年地温变化区域化特征明显[7]，我国东部浅层地温呈现上升趋势，西宁、潍坊等局部地区升高不明显，南北部地温温差变小[8-12]，浅层地温相互之间、与气温之间存在显著相关[13]。有学者通过统计方法建立地温与环境因子之间的回归方程，以此来预测地温。也有研究表明，福建地温震荡周期与热带气旋数存在很好的相关性[14]。虽然研究成果较多，但因研究区域气候与地理环境的不同，浅层地温的变化趋势与规律也不尽相同。高淳位于中国东部，四季分明，土层较厚，适宜作物生长，主要种植水稻、小麦和油菜等作物，是典型的江南“鱼米之乡”。在全球气候变暖的背景下，本研究开展了高淳浅层地温变化特征的分析，为研究其对气候变化的响应和指导农事活动、政府决策提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源选取高淳国家级气象站1980—2019年逐月、年地温（0、5、10、15、20cm）数据资料，其中，因迁站等非自然变化因素导致的数据变化均进行了处理，具有较好的代表性和连续性。本研究将3—5月划分为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月至次年2月为冬季。

1.2 研究方法气候倾向率：采用线性趋势回归方程计算地温气候倾向率。设定自变量xn（x1，x2，……，xn）为年份，与数据年份按顺序依次对应，设定因变量yn（y1、y2、……，yn）为温度，与数据按顺序依次对应，建立一次线性回归方程：yn=a+bxn，a为回归常数，b为回归系数，使用最小二乘法可确定a和b。气象学上一般把b×10称作气候倾向率，其单位为℃/10a。

气候异常年份：是指气象要素距平大于标准差的2倍的年份[15]。

累计距平和信噪比：气候突变是气象要素变化过程中某种不连续的现象，常用累计距平指标来确定，公式为：

式中，C（t）为累计距平，Xi为地温的历年值，[X]为地温的多年平均值，如果累计距平达到最大值时，该年为突变年份。为检验突变年份的准确性，本文计算突变年份的信噪比，公式为：

式中，S/N为信噪比，[X1]、[X2]表示突变年份前后2个阶段的平均地温，S1、S2表示突变年份前后连个阶段的标准差。当S/N大于1.0即存在气候突变，其年份即为突变年份[16]。

2 结果与分析

2.1 年变化特征在全球气候变暖的背景下，近40年以来高淳各浅层地温增温明显（见图1、表1）。年平均地温最低值均出现在1980年，0、5cm的最高值出现在2018年，10、15、20cm的最高值出现在2018和2019年;距平方面，0cm在1997年前均呈现负距平，在1997年后均呈现正距平，10cm的正负距平分界年份为2000年，10、15cm分界年份为2004年，20cm分界年份为2006年，随深度增加，各层地温增温有所延迟;气候倾向率大小顺序为：0、10cm>5cm>20cm>15cm，较浅深度地温增速较大;年代际方面，0、5、15和20cm年代际平均地温均为10年代最高，各年代际上升趋势一致，5、10cm地温各年代际间距平不断变大，增速逐渐增大，0cm地温在各年代际增速先升后降，15、20cm增速先降后升，这表明，在全球气候变暖的大背景下，0、10cm地温的响应速度最快。

2.2 季节变化特征近40a高淳浅层地温四季均呈现上升趋势（表2）。从整体来看，春季上升趋势最为明显，夏季次之，冬季趋势最不明显;春季中，0cm地温上升趋势最大，气候倾向率为1.06℃/10a，最小为15cm地温，气候倾向率为0.87℃/10a;夏季、秋季、冬季与春季趋势相同，这3个季节的15cm气候倾向率均为最小，分别为0.63、0.51和0.28℃/10a。春季各层地温在年代际上均呈现上升趋势。0、5和10cm地温在00年代上升趋势最大，分别比上一年代高1.9、1.3、1.3、1.0和1.0℃，15和20cm在00年代和10年代上升趋势一致且最大，平均地温均比上一年代高1.0℃。夏季0cm地温在各年代际的上升趋势越来越小，其余各层与之相反，均在10年代达到了最大，秋季变化趋势与夏季相同。冬季上升趋势最大均为20世纪90年代，平均地温分别比上一年代高1.0、0.9、0.9、0.9和0.8℃，15cm在00年代与上一年代相比呈下降趋势，平均地温下降0.1℃，这也是唯一与上一年代际相比呈下降的年代际。

2.3 气候异常特征及气候突变分析四季各浅层地温大部分存在异常偏高年份，春季各层地温异常一致，秋季与冬季各层地温之间异常年份基本一致。春季与全年异常年份也十分相似，而冬季与全年异常年份一致性较差（表3）。其中，春季各层地温均在2018年出现异常偏高;夏季0cm在1999年为异常偏低，5cm无异常年份，10、15和20cm与春季异常偏高年份相同;秋季各层均在1981年出现异常偏低，在2019年出现异常偏高，5cm地温在1992年多出现一个异常偏低;冬季各层均在1984年出现异常偏低，在2017年出现异常偏高，15cm地温在1999年多出现一个异常偏高;全年0cm无异常年份，其余各层均在2018年出现异常偏高，10、15和20cm在2019年也出现了另一个异常偏高。

通过式（1）、（2）计算地温气候突变结果如表4所示，各突变年份的信噪比S/N均大于1.0，突变显著。其中，0cm气候突变出现时间较早，在1999年，浅层低温对气候变暖响应最快，其余各层地温气候突变均出现在10年代。

3 結论与讨论

基于1980—2019年高淳国家气象站浅层地温数据，分析了地温的变化趋势和突变、异常特征，得到以下结论：

（1）近40年以来高淳地温增温明显，年平均最低值均出现在1980年;0cm在1997年前均呈现负距平，在1997年后均呈现正距平;气候倾向率从大到小的排序为：0、10cm>5cm>20cm>15cm，较浅深度地温增速比较大;0、5、15和20cm年代际平均地温均为10年代最高，且上升趋势一致。5、10cm地温各年代际间增速逐渐增大，0cm地温在各年代际增速先升后降，15、20cm增速先降后升，0、10cm地温对气候变化的响应速度最快。

（2）四季浅层地温均呈现上升趋势。春季上升趋势最为明显，夏季次之，冬季趋势最不明显;四季0cm地温上升趋势最大。春季各层地温在年代际上均呈现上升趋势。0、5和10cm地温在00年代上升趋势最大，15、20cm在00年代和10年代上升趋势一致且最大。夏季0cm地温在各年代际的上升趋势越来越小，其余各层与之相反，秋季变化趋势与夏季相同。冬季上升趋势最大均为90年代，15cm在00年代与上一年代相比呈下降趋势。

（3）四季各浅层地温大部分存在异常偏高年份，春季、秋季与冬季异常年份基本一致，冬季与全年异常年份一致性较差。0cm气候突变出现时间较早，其对气候变暖响应最快，其余各层地温气候突变均出现在10年代。

因地面气象观测规范规定，地温测点周围地面不进行耕种，而耕种田块受翻耕、灌溉、种植等人为因素的影响，两者之间的土壤含水量、物理化学性质的区别较大，如何更准确反映耕种土壤状态有待后续研究中改进。

参考文献

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