1905—2018年浙江地温序列构建及其变化特征

肖晶晶，马 浩，张育慧，贺忠华，李 娜，温泉沛，李正泉

(1.浙江省气候中心， 浙江 杭州 310017；2.山西省气象决策服务中心，山西 太原 030006；3.武汉区域气候中心，湖北 武汉 430074)

引 言

地温是反映土壤热能状态的因子[1]，是重要的陆面变量[2]和农事指示温度[3]。地温的变化直接影响土壤物理化学过程[4]和作物生长发育、生理代谢及作物物候期和产量[5-6]，地区种植制度与地温高低密切相关[7]。地温变化受地形、土壤特性、地表植物以及覆盖物等因素影响，气候变暖背景下不同地区地温的响应不同[8]，但总体表现为地温升高，从而使得农作物生育期加快、农耕期延长、高海拔地区作物适种面积扩大、理论产量增加等[6-7]。另一方面，地温升高会导致干旱地区土壤缺水更加严重[9]，土壤中安全越冬虫卵增多、病虫发生的范围扩大、危害等级上升等[10-11]，因此，研究地温变化对农林牧业区域规划、气候资源挖掘利用等具有积极意义。

国内外有关地温变化特征的研究较多，涉及不同时间尺度[12-13]和不同区域[14-15]，研究对象包括浅层地温和深层地温[15-16]，地温序列的构建方法主要有站点观测[12]、模型重建[17]、数值模拟[2]、遥感反演[18]等。但基于站点观测、遥感资料等构建的地温序列较短，百年尺度的地温序列研究较少见，虽然朱西德等[17]基于树木年轮资料序列与柴达木地区1962—2001年5—6月地温资料序列之间较好的同期相关特征，重建了柴达木地区5—6月0 cm地面平均温度和最高温度的千年历史资料序列，但未涉及年时间尺度的长期地温序列。

浙江地处欧亚大陆与西北太平洋过渡地带，属典型的亚热带季风气候。气候变暖背景下，1905—2012年浙江平均气温增温速率为0.11 ℃·(10 a)-1，1980—2012年增温速率达0.51 ℃·(10 a)-1[19]，近50 a浙江0、20 cm四季平均地温与平均气温的相关系数为0.72～0.98[20]。本文以浙江68个气象站气温、地温观测资料为基础，通过均一性检验、插补形成浙江68站1981—2018年平均地温序列，采用局部台站观测值全局修正(GAoSV)方法结合百年气温观测资料反演构建浙江百年地温变化序列，利用气候诊断方法分析浙江百年地温变化特征，以期为充分利用气候资源、优化农业结构和农业可持续发展提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资 料

气象资料来自浙江省气象信息网络中心，包括1951—2018年浙江68个气象台站逐日0 cm、20 cm地温和平均气温资料；1905—1950年杭州站和1924—1950年温州站年平均气温资料；1951—2018年浙江气象台站历史沿革资料。图1为1951—2018年浙江气温和0 cm、20 cm地温的气象观测台站数变化。文中附图涉及地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)3333的标准地图制作，底图无修改。

图1 1951—2018年浙江气温和0 cm、20 cm地温气象观测台站数变化Fig.1 Numbers of meteorological observation stations of air temperature and 0 cm, 20 cm ground temperature in Zhejiang from 1951 to 2018

1.2 研究方法

1.2.1 均一性检验

结合台站历史沿革资料，基于RHtest方法的惩罚最大F检验(PMFT)和惩罚最大T检验(PMT)对地温和气温的月数据序列进行均一性检验[21-23]。检验规则如下：(1)对于有元数据记录的台站，PMT或PMFT方法检验出的突变点与元数据记录时间一致，确定该点为突变点；(2)对于无元数据记录的台站，只有当PMT和PMFT方法同时检验出突变点时，才认为该点为突变点。根据相关业务和研究，参考序列选用通过PMFT检验，且两站相关系数超过0.8、海拔差不超过100 m、距离不超过150 km的台站[24]。以安吉站为例，1951—2018年安吉站共有3次迁站，具体信息见表1。

表1 1951—2018年安吉站迁站信息Tab.1 Information of Anji station moving from 1951 to 2018

安吉站月平均气温和0 cm地温资料长度为1960—2018年，20 cm地温观测资料长度为2004—2018年。利用RHtest方法对安吉站的月平均气温和月平均0 cm、20 cm地温序列进行均一性检验，置信水平设置为95%。基于PMFT和PMT检验，发现0 cm、20 cm地温共25个突变点。结合安吉站元数据记录可以确定，安吉站月平均气温和月平均20 cm地温在2013年1月存在明显的突变点。此外，安吉站0 cm、20 cm月平均地温序列在2004年和2013年的其他时间检验出多个突变点，虽然月份不同，但突变点均出现在迁站年份(表2)，由此可见长距离的台站迁移或明显的地理环境变化是造成地温序列非均一的原因之一。

表2 基于RHtest方法的安吉站气温、0 cm、20 cm地温非均一性检验结果Tab.2 Results of heterogeneity test of air temperature, 0 cm and 20 cm ground temperature at Anji station based on RHtest

1.2.2 非均一性序列的订正与插补

以安吉站20 cm地温T20序列为例，用2013—2018年邻近台站通过均一性检验的富阳月平均气温T1、海宁月平均气温T2、义乌月平均气温T3、淳安月平均气温T4、新昌月平均气温T5对安吉站T20进行逐步回归拟合，回归方程如下：

T20=1.20+1.36T4-0.80T3+0.42T2

R2=0.99

(1)

基于回归方程计算得到2004—2018年安吉站 20 cm月平均地温。采用RHtest方法对20 cm月平均拟合地温序列进行检验，结果通过均一性检验。计算安吉站逐年平均20 cm地温，发现拟合前年平均20 cm地温的气候倾向率为-0.031 ℃·(10 a)-1，与气温变化趋势不一致，拟合后年平均20 cm地温的气候倾向率为0.65 ℃·(10 a)-1，更为合理。

图2 2004—2018年安吉站月平均(a)及年平均(b)20 cm地温观测与拟合曲线Fig.2 The observation and fitting curves of monthly average (a) and annual average (b) 20 cm ground temperature at Anji station from 2004 to 2018

1981—2018年浙江68个台站月平均地温资料采用类似方法，将通过均一性检验的邻近台站气温数据序列对非均一性台站地温进行逐步多元线性回归，基于回归方程和参考序列，计算出拟合序列。

1.3 局部台站观测值全局修正(GAoSV)方法

局部台站观测值全局修正(global adjusting of station value, GAoSV)方法是构建区域气候要素长序列的方法，其前提是局部台站观测要素与全区台站观测要素具备高信度的线性相关性[19]。为构建百年尺度的地温序列，采用具备百年气温观测序列的杭州站和温州站作为参考序列，故而首先要分析局部台站(杭州站和温州站)与全区台站的相关性。1981—2018年杭州站年平均气温与浙江68个台站年平均0 cm和20 cm地温的相关系数分别为0.69～1.0和0.61～1.0，其中相关系数大于等于0.80的台站数分别为51个和60个；温州站年平均气温与浙江68个台站的年平均0 cm和20 cm地温的相关系数分别为0.50～0.88和0.53～0.90，其中相关系数大于等于0.80的台站数分别为10个和26个。1981—2018年杭州站与浙江68站年平均0 cm、20 cm地温均值的相关系数分别为0.97、0.95；温州站对应的相关系数均为0.98；杭州站与温州站年平均气温均值与全省68站年平均0 cm、20 cm地温均值的相关系数均为0.99。由此可知，代表站(杭州站与温州站)年平均气温均值与全省68站年平均0 cm、20 cm地温均值存在高度的线性相关性，满足GAoSV方法的使用条件。

2 结果与分析

2.1 序列构建合理性分析

用1981—2018年局部台站单站(杭州站或温州站)的年平均气温及两站年平均气温的均值对全省年平均0 cm、20 cm地温进行拟合，用1971—1980年年平均地温数据来进行检验，以验证序列的合理性。1971—1980年0 cm和20 cm地温观测台站数分别为38～68个和5～17个，虽然20 cm地温观测台站较少，但分布均匀(浙北4个、浙东3个、浙西4个、浙南6个)。当浙江0 cm、20 cm地温观测台站数达到5～10个且代表性较好时，代表台站的年平均地温均值与浙江全省年平均地温均值的相关系数超过0.95，误差范围为-0.5～0.5 ℃(图略)。1981—2018年杭州、温州年平均气温拟合的浙江0 cm地温误差分别为-0.44～0.40 ℃和-0.38～0.50 ℃，用两站年平均气温均值拟合的0 cm地温误差为-0.36～0.33 ℃；用杭州、温州年平均气温拟合的浙江20 cm年平均地温误差分别为-0.25～0.27 ℃和-0.26～0.22 ℃，两站年平均气温均值拟合的20 cm年平均地温误差为-0.15～0.13 ℃。

用1971—1980年杭州站、温州站年平均气温拟合的浙江0 cm年平均地温误差分别为-0.03～0.27 ℃和-0.10～0.30 ℃，两站均值拟合的浙江0 cm年平均地温的误差为-0.01～0.15 ℃；用杭州站、温州站年平均气温拟合的浙江20 cm年平均地温误差分别为-0.53～0.27 ℃和-0.29～0.32 ℃，两站均值拟合的浙江20 cm地温误差为-0.44～0.25 ℃。综上所述，基于局部台站(杭州站和温州站)的年平均气温拟合历史年平均地温是可行的，两站均值拟合值变率和绝对误差均优于单站拟合(图3)。因此，下文采用两站气温均值来拟合浙江全省0 cm和20 cm地温。

图3 1971—2018年浙江年平均0 cm(a)、20 cm(b)地温观测与拟合曲线Fig.3 Observation and fitting curves of annual average 0 cm (a) and 20 cm (b) ground temperature in Zhejiang from 1971 to 2018

2.2 浙江百年地温序列构建

1981—2018年杭州站和温州站年气温均值T与全省平均0 cm地温Ta0和20 cm地温Ta20序列建立的拟合方程如表3所示。

表3 基于1981—2018年杭州站和温州站年气温均值T的Ta0和Ta20拟合方程Tab.3 Fitting equations of provincial mean 0 cm, 20 cm ground temperature based on mean value of annual average temperature at Hangzhou and Wenzhou stations from 1981 to 2018

2.3 地温时间变化

2.3.1 年际变化

根据拟合方程，结合1905—1980年杭州站和温州站两站年平均气温均值(1905—1923年用杭州站值代替两站均值)序列，反演计算得到1905—1980年浙江0 cm、20 cm地温资料。将1905—1980年的地温拟合值与1981—2018年的地温观测值拼接，得到1905—2018年浙江年平均0 cm、20 cm地温序列(图4)。1905—2018年浙江年平均0 cm、20 cm地温均值分别为18.6和18.1 ℃，最低值分别为16.5和16.1 ℃，最高值分别为20.5和19.9 ℃。1905—2018年浙江0 cm、20 cm地温变化速率均为0.20 ℃·(10 a)-1(P<0.05)，变化趋势与陆晓波等[25]研究的结论一致，变化速率较中国南方地温大，但较东北和拉萨等地区要小[25-26]，这可能与序列长度和地区气候变化特点有关。

图4 1905—2018年浙江年平均0 cm(a)、20 cm(b)地温变化Fig.4 The variation of annual average ground temperature at a depth of 0 cm (a) and 20 cm (b) in Zhejiang Province from 1905 to 2018

2.3.2 年代际变化

浙江年平均0 cm和20 cm地温1981—2010年较1911—1940年均值偏高1.2 ℃和0.7 ℃。通过对浙江年平均0 cm和20 cm地温序列做9点2次平滑低通滤波[27]，发现浙江0 cm和20 cm地温均有明显的“冷、暖”气候演变。1905年至20世纪90年代为偏冷阶段，20世纪90年代以后为偏暖阶段，偏冷、偏暖阶段0 cm、20 cm地温平均值分别为19.3 ℃和18.7 ℃，其中2006—2018年年平均0 cm地温较1981—2010年偏高0.5～1.3 ℃，特别是2012年以后，连续3 a偏高1.2～1.3 ℃。1905—1925年和1991—2018年0 cm和20 cm地温呈现明显上升趋势[0.40～0.49 ℃·(10 a)-1]；1951—1990年0 cm和20 cm地温年代际变化不明显，波动幅度仅为±0.2 ℃；1990年代以后地温升高明显，且在2000年代之后地温较1981—2010年增加0.1～1.2 ℃，这与中国20世纪80年代初气温开始增暖、1987年以后增暖加速[27-28]的结论一致，与浙江百年气温变化特点也一致[19]。但浙江地温在1951—2001年并没有明显的先降后升，与陆晓波等[25]对长江中下游地区地温的年代际变化研究结论略有不同，这可能与站点数和研究区域有关。

图5 1905—2018年浙江年平均地温年代际变化(a)及年平均0 cm(b)、20 cm(c)地温的低通滤波Fig.5 The inter-decadal variation of annual average ground temperature (a) and low-pass filtering of annual average 0 cm (b) and 20 cm (c) ground temperature in Zhejiang from 1905 to 2018

2.3.3 周期与突变

图6为1905—2018年浙江0 cm、20 cm年平均地温序列的Morlet小波变换能量谱及M-K检验[29]。可以看出，1905—2018年浙江年平均0 cm和20 cm地温2～6 a的振荡周期比较显著。具体来看，20世纪初到1920年代、1940—1950年代、1960年代、1980—2010年代， 2～6 a的振荡比较强；1940—1960年代存在6～8 a的变化周期，1930—1980年代存在明显的16～20 a的变化周期，这可能与中国气温变化周期有关[28]。M-K检验表明， 年平均0 cm和20 cm地温在1986年前后存在突变(P<0.01)，这与浙江气温变化在1980年代后上升趋势明显的研究结论一致[19]，但突变年份与中国区域和长江中下游气温突变时间略有不同[27-28,30]，这可能与研究范围和资料长度有关。

图6 1905—2018年浙江年平均0 cm(a、c)、20 cm(b、d)地温序列的Morlet小波变换能量谱(a、b)及M-K检验(c、d)Fig.6 Energy spectrum of Morlet wavelet transformation (a, b) and M-K test (c, d) of annual average 0 cm (a, c) and 20 cm (b, d) ground temperature series in Zhejiang from 1905 to 2018

2.4 空间分布

浙江0 cm地温和20 cm地温观测台站数在1981年前波动较大，且观测序列离散、连续性较差，因此主要分析1981年以来地温空间变化特征。图7为1981—2018年浙江年平均0 cm和20 cm地温空间分布。可以看出，浙江年平均0 cm和20 cm地温均表现出南高北低的分布特征，其中年平均0 cm地温为17.6～21.1 ℃，高值区分布在文成、龙泉、丽水和温岭南部，云和、青田和永嘉多年年平均地温大于20.5 ℃，低值区分布在安吉、萧山、德清、湖州和长兴地区；年平均20 cm地温为17.6～20.5 ℃，高值区、低值区与0 cm地温分布类似，但高值区数值较年平均0 cm地温低0.2～0.9 ℃。

图7 1981—2018年浙江年平均0 cm(a)和20 cm(b)地温空间分布(单位：℃)Fig.7 The spatial distribution of annual average 0 cm (a) and 20 cm (b) ground temperature in Zhejiang from 1981 to 2018 (Unit: ℃)

3 结 论

(1)采用局部台站观测值全局修正(GAoSV)方法，构建了浙江地区的百年地温序列。

(2)1905—2018年浙江年平均0 cm地温的最高值、最低值和平均值分别为20.5、16.5和18.6 ℃，年平均20 cm地温的最高值、最低值和平均值分别为19.9、16.1和18.1 ℃，气候变化趋势均为0.20 ℃·(10 a)-1。浙江0 cm和20 cm年平均地温经历了 “冷、暖”的气候演变，1990年代中期之前偏冷、之后偏暖，两个明显的上升阶段分别为1905—1925年和1991—2018年，1990年代以后地温升高明显。

(3)浙江年平均0 cm、20 cm地温在20世纪初到1920年代、1940—1950年代、1960年代、1980—2010年代存在2～6 a周期的明显振荡， 1940—1960年代存在6～8 a振荡周期， 1930—1980年代存在明显的16～20 a的变化周期；年平均0 cm和20 cm地温突变年份均发生在1986年前后。

(4)1981—2018年浙江0 cm、20 cm年平均地温在空间上均表现出北南高北低的分布特征，高值区分布在文成、龙泉、丽水、温岭南部等地区，低值区分布在安吉、萧山、德清、湖州、长兴等地区。