五道沟地区1971—2020年地温月尺度变化及其对气温的响应

刘明亮，王振龙，吕海深，汪跃军，周 超，赵雯颉

（1.河海大学，南京210098；2.安徽省（水利部淮委）水利科学研究院 五道沟水文实验站，安徽 蚌埠233000；3.淮河水利委员会水文局（信息中心），安徽 蚌埠233000）

0 引 言

【研究意义】地温是下垫面和不同深度土层温度的统称，是重要的土壤状态参数[1-2]，不仅反映气候变化，而且直接影响种子的发芽和出苗、作物根系的生长发育、土壤微生物活动和土壤水肥运动[3]。因此研究地温变化规律及其与气温的响应关系对农作物地区[4]具有重要的意义。

【研究进展】地温受多种气象因素的影响，随着全球变暖，地温的时空变化引起了国内外学者的普遍关注并得出了一系列成果。如，王佳琳等[5]利用中国581 个气象站0 cm 地温和气温数据，分析了我国0 cm 地温的区域分异、季节分异和时空变化特征，发现中国0 cm 地温总体呈先降低后升高的趋势。以往研究发现1961—2013年菏泽地区0 cm 层年平均地面温度呈极显著上升趋势，平均每10 a 升高0.22 ℃；0～40 cm 层年平均地温上升的平均速率为0.139 ℃/10 a[6-8]。研究发现，1961—2019年柴达木盆地南缘0、10、20 cm年平均地温均呈增加的趋势，变化趋势大体趋于一致，倾向率分别为0.43、0.32、0.33 ℃/10 a[9-10]。郑燕等[11]研究发现1961—2019年安庆市5、10、20、40 cm 各层年平均地温变化相似，各层的年平均地温呈上升趋势。刘恬等[12]研究发现1981—2016年江淮地区浅层地温和气温均表现为波动上升的趋势，其中0 cm 地温的气候倾向率为0.65 ℃/10 a，增幅大于5～20 cm 地温。Gong 等[13]研究发现1981—2010年Dabancheng 地区各浅层地温呈升高的趋势，地面0 cm 的气候倾向率最大，为0.778 ℃/10 a，由浅至深依次减小，5、10、15、20 cm 地温的气候倾向率分别为0.648、0.630、0.527 ℃/10 a。以上研究均与IPCC 第五次评估报告指出的全球地表温度升高一致[14]。

【切入点】淮北平原位于我国南北气候过度敏感地带，又是我国重要的粮、棉、油生产基地，有关该地区升温背景下的地温变化规律及其对气候变化定量响应的研究相对较少。【拟解决的关键问题】为此，利用五道沟水文水资源实验站1971—2020年月平均气温和0～320 cm 地温资料，分析五道沟水文实验站0～320 cm 地温的变化特征及其对气温响应，为进一步研究淮北平原气候变化特征及其与地温的响应提供科学依据。

1 研究区概况

五道沟水文实验站位于安徽省蚌埠市固镇县新马桥境内，地处淮北平原南部区，临近京沪铁路和蚌徐公路，属于暖温带半干旱半湿润的气候区。该站积累了1953—2021年水文实验实测资料，站内设有水文气象全要素观测场、62 套非称质量式大型蒸渗仪、10 套自动称质量式蒸渗仪及大型野外人工降雨实验等设备，其中气象观测场为配合水文实验研究，开展了长系列气象全要素观测，包括：干湿球温度、E601 水面蒸发、20 m2口径水面蒸发、标准雨量、自记雨量、梯度温度、日照时间、风速风向等水文气象要素。

2 资料来源与研究方法

2.1 资料来源

本文选取淮北平原南部地区五道沟水文实验站气象场实测的逐日地温和气温数据资料，时间序列为1971—2020年，共50 a。该站的气象场气温数据在每天02:00、08:00、14:00、20:00 测定，地温数据在每天08:00、14:00、20:00 测定。该区1964—2009年年平均气温每10 a 增加0.14 ℃[15]。

2.2 研究方法

采用线性倾向估计法分析该区0～320 cm 层地温的变化速率；利用M-K 检验对各层年平均地温序列趋势变化进行突变检验；通过小波分析得到各层年平均地温序列周期的变化规律；利用SPSS 分析地温与气温以及不同土层地温间的相关性分析。

2.2.1 线性倾向估计

用yi表示样本量为n的某一气候变量，用xi表示yi所对应的时间，建立yi与ti之间的一元线性回归方程[15]，计算式为：

式中：k为回归系数，表示某一气候序列随时间变化的趋势，当k>0 时，序列呈增加的趋势，当k<0 时，序列呈减小的趋势，k=0 表示序列无变化趋势；b为常数可通过最小二乘法求得[16]。本文用k×10 表示气候倾向率，单位为（℃/10 a）。

为检验该气候倾向率的显著性，设定显著性水平为α=0.1、α=0.05、α=0.01，并运用SPSS 检验其显著性是否通过。

2.2.2 M-K 检验

M-K 检验[17-18]是计算比较简单的非参数检验法，其优点是不需要样本遵从一定的分布即无分布检验，也不受少数异常值的干扰。

M-K 检验不仅可以进行突变检验还可以检验时间序列的变化趋势，为了更进一步的表示序列的显著性水平，结合M-K 趋势检验中的MK-Z统计量来检验其显著性是否通过。M-K 趋势检验置信度90%、95%、99%所对应的临界值分别为1.674、2.006 和2.672[19]。

2.2.3 小波分析

小波分析[20-21]通过将时间系列分解到时间频率域内，从而得出时间系列的显著的波动模式，即周期变化动态，以及周期变价动态的时间格局[16]。本文利用小波分析并运用Matlab 软件计算得到该区0～320 cm 土层年平均地温的周期变化规律。

3 结果与分析

3.1 地温在月尺度上的变化趋势分析

五道沟地区1971—2020年0～320 cm 地温月平均气候倾向率见表1。运用线性倾向估计法并结合SPSS 数据分析工具对0～320 cm 各层月平均地温系列进行计算，得出各层各月气候倾向率。由表1 可知，五道沟水文实验站0～320 cm 地温除6—9月外，其余月份各层总体均呈增长趋势，最大增幅在3月（ 0.11～0.68 ℃/10 a ）， 最小增幅在10月（0.02～0.18 ℃/10 a），且除5月和10月没有通过显著性检验外，其余月份地温变化趋势总体通过0.1 显著性检验，其中2月和3月更是通过0.01 显著性检验。各层地温变化方面（表1），在1—5月和10—12月0～160 cm 各层地温均呈上升的趋势，且0 cm地温增幅最大，160 cm 增幅最小；320 cm 地温整体呈下降的趋势。

表1 五道沟地区1971—2020年0～320 cm 地温月平均气候倾向率Table 1 Monthly average climate tendency rate of 0～320 cm ground temperature in Wudaogou area from 1971 to 2020

3.2 地温的周期性分析

1971—2020年五道沟实验站0～320 cm年平均地温小波分析结果见图1。0～320 cm 各层地温小波系数实部等值线图具有较明显的3～6、8～12 a 和15～25 a尺度的周期变化，其中0～320 cm 各层地温15～25 a尺度在整个系列年都较为稳定；0 cm 层8～12 a 尺度和10 cm 层3～6 a 和8～12 a 贯穿整个系列年且较稳定，0 cm 层3～6 a 尺度在1971—1990年和2006—2020年较稳定；40 cm 层（图1（c））4～6 a 尺度在1971—1986年和2005—2020年较为稳定，8～12 a 尺度在1978—1996年较稳定；80 cm（图1（d））层3～6 a尺度在1986—200年较稳定；160 cm 层（图1（e））3～6 a 尺度在1983—2020年，但稳定性较弱。

图1 五道沟实验站地温小波系数等值线图Fig.1 Ground temperature wavelet coefficient contour map of Wudaogou experimental station

3.3 地温的突变检测

给定显著性水平α=0.05，即μ0.05=±1.96。利用M-K 突变检验对五道沟地区0～320 cm年平均地温进行突变检验（图2），UF曲线和UB曲线的交点所对应的时间即为突变点。图2（a）、图2（b）和图2（d）显示0、10 cm 和80 cm 地温突变发生的年份分别为2013、2016年和2019年左右，发生突变后UF线均超出临界线，且UF统计值大于0，表明地温显著升高；图2（e）显示160 cm 地温突变年份发生在2017年左右，1974—1982年和1986—1998年间UF曲线超出临界值，且UF统计值小于0，表明在此年间160 cm 地温具有明显的下降趋势。

图2（f）显示320 cm 地温突变的年份发生在1972年左右，且突变后UF曲线在临界线内，突变后地温变化趋势不明显，1974—1976年和1987—2014年间UF曲线超出临界线，且UF统计值小于0，表明在此年间320 cm 地温具有明显的下降趋势。

图2 五道沟水文实验站0～320 cm 地温M-K 检验统计量Fig.2 M-K test statistics of 0～320 cm ground temperature at Wudaogou hydrological experimental station

3.4 地温对气温及其各层间的变化响应

3.4.1 地温对气温变化的响应

各层月平均地温与气温的相关性分析如表2 所示。随着土层深度的增加，地温与气温的相关系数逐渐减小，表明地温对气温的敏感性随土层深度的增加而减小，其中，0～40 cm 土层地温与月平均气温呈正相关，相关系数均大于0.522。除6月外，其余月份80 cm月平均地温与月平均气温正相关。各月份160 cm 和320 cm 地温与气温的相关性差异较大，160 cm 在1、4、5、7、9、10月相关系数均通过0.05 显著性检验，呈弱相关，其中9月160 cm 地温与气温呈负相关，而在2、3、6、8、11、12月相关系数通过0.01 显著性检验，呈强相关，且相关系数均大于0；320 cm 地温与气温相关性较差，其中2—4月和11月相关系数均小于0，呈负相关，其余月份呈正相关。

表2 五道沟实验站月平均地温与气温相关系数Table 2 Correlation between monthly average ground temperature and air temperature at Wudaogou experimental station

3.4.2 各层地温之间的相关性分析

各层年平均地温间相关性及显著性检验如表3 所示。0～160 cm 各土层间年平均地温呈强相关，相关性均大于0.551（p<0.01）；320 cm 地温与其余土层相关性较弱，相关性随土层深度的增加而提高，而0 cm 地温与其余土层相关性随土层深度增加而减小。

表3 五道沟实验站各层年平均地温间的相关性Table 3 Correlation analysis of annual average ground temperature in each layer of Wudaogou experimental station

4 讨论

本研究得出的五道沟各土层地温的变化特征与相关研究[10-12]结果基本一致，各土层月平均地温总体呈显著升高趋势，但各土层地温变化速率存在细微的差异，其中变化较大的是0 cm（0.16～0.68 ℃/10 a）土层，特别是突变后尤为明显。M-K 突变检验显示各层突变点基本上都发生在20 世纪末和21 世纪初，与突变前相比，突变后的年平均地温变化率都显著性升高，并且增幅随着土层深度的增加而减小。这一现象表明五道沟地区地温升温速率在加快，并没有对21 世纪初全球及中国普遍出现的“全球增暖停滞”现象做出响应[14,22]，有关此现象的原因仍进一步研究。周期方面，五道沟各层年平均地温变化周期以3～6 a 和8～12 a 尺度为主周期，与张翠华等[23]研究结果1981—2010年河北石家庄5～20 cm年平均地温以4～6 a 和9～10 a 尺度为主周期相一致，而1961—2012年银川0～20 cm 平均地温主要以2～4 a 尺度为主周期，未检测出太阳活动周期等较长尺度周期。这是由于不同研究者所用的资料时间系列及时间尺度不同造成的，另外区域不一致、研究方法如周期检测方法等不同也是造成这些差异的主要原因。

本文采用五道沟实验站1970—2020年0～320 cm地温及气温实测资料，主要开展了地温变化及其对气温的响应关系研究，在更大区域上的不同尺度相关研究及其应用，有待进一步探讨。

5 结论

1）从不同月份来看，其中6—9月各层地温变化趋势差异显著，其余月份各层地温总体呈增加趋势，其中，最大增幅在3月最小增幅在10月；从各土层来看，0～160 cm 各层地温在1—5月和10—12月均呈上升趋势，且0 cm 地温增幅最大，160 cm 增幅最小，而320 cm 地温总体呈下降趋势。

2）从各层地温变化周期来看，各层地温具有明显的3～6、8～12、15～25 a 尺度周期变化，且3～6 a尺度在0、10、40、80 cm 和160 cm 层较稳定，8～12 a 在0 cm 和10 cm 较稳定，15～25 a 尺度在各层都较稳定。

3）从各层地温突变情况来看，0、10、80、160 cm 和320 cm 各层地温均发生突变，突变的年份分别在2012、2017、2016、2019年和1972年，其中0、10、80 cm 发生突变后UF曲线超出临界线，UF统计值均大于0，表明地温显著性升高；其他层突变后变化不显著。

4）不同深度的月平均地温对气温变化的响应存在明显的差异，0～80 cm 地温对气温变化较为敏感；160 cm 地温对气温变化敏感性较弱；320 cm 地温与气温的相关性较弱，基本不受气温变化的影响。