“双碳”目标背景下山西省地温时空变化分析

范秀平 戴翠贤 贾斯 苏睿杰 方红娟 岳改慧

摘 要：【目的】探索山西省近40 a地温变化规律，为其地热开发、碳达峰路径选择提供参考。【方法】选取1981—2020年山西省108个台站地表温度数据，利用气候倾向率、突变检验、小波分析、经验正交函数分解等方法进行分析。【结果】山西省近40 a地温呈明显上升趋势，上升速率为0.499 ℃/10 a。地温呈现“南高北低”分布，高纬地区低于低纬地区，高海拔地区低于低海拔地区。吕梁山脉走向对地温升降影响明显，西北部升温速率最快。【结论】山西省地温与时间相关系数高值区基本与趋势系数高值区重合。地温同位相变化占主导地位，即趋于整体一致的偏高或偏低变化，并在1999年后趋向于更明显的升温趋势。近40 a存在18 a、12 a、6 a左右的周期震荡，未来一段时间山西地温趋向夏季更高、秋季更低。地温变化与气温变化密切相关，约2/3站点地温变化与降水量呈负相关；约1/3站点地温变化与日照时数显著相关。

关键词：山西省；地表温度；时空变化

中图分类号：P423     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）08-0097-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.08.019

Analysis of Spatiotemporal Changes of Land Surface Temperature in Shanxi for Carbon Peaking and Carbon Neutrality Goals

FAN Xiuping1 DAI Cuixian2 JIA Si3 SU Ruijie1 FANG Hongjuan2 YUE Gaihui1

（1.Shanxi Meteorological Information Center， Taiyuan 030006， China; 2.Sanmenxia Meteorological Bureau of Henan Province， Sanmenxia 472000， China; 3.Xinxiang Changyuan Meteorological Bureau of Henan Province， Changyuan 453400， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to explore the variation rule of land surface temperature in Shanxi Province during the past 40 years， and provide reference for geothermal development and carbon peak path selection in Shanxi Province. [Methods] This paper selected the land surface temperature data of 108 stations in Shanxi from 1981 to 2020，used the methods of climate propensity rate analysis，M～K mutation detection， wavelet analysis etc analyze land surface temperature. [Findings] The land surface temperature of nearly 40 a in Shanxi showed a significant upward trend， with an increase rate of 0.499 ℃/10 a. The land surface temperature high in the south and low in the north， high latitudes are clearly lower than those in low latitudes， high altitudes are significantly lower than low altitudes. The trend of the Lüliang Mountain has a significant impact on the rise and fall of land surface temperature. The northwest has the fastest rate of warming. [Conclusions] The high value area of correlation coefficient of land surface temperature and time in the whole province basically coincides with the high value area of trend coefficient. The phase change of the land surface temperature is dominant， the high or low change tends to be consistent as a whole， and tends to be a more obvious warming trend after 1999. there are periodic oscillations of about 18 a， 12 a and 6 a， and the land surface temperature in Shanxi has a tendency to be higher in summer and lower in autumn in the future. The land surface temperature variation is closely related to air temperature variation. About 2/3 of the stations showed negative correlation between land surface temperature and precipitation. About 1/3 of the sites have significant correlation between land surface temperature and sunshine duration.

Keywords： Shanxi Province; the land surface temperature; spatiotemporal changes

0 引言

气候变化对人类社会可持续发展的严峻挑战是各个国家面临的重要议题。实现“双碳”目标和应对气候变化，需要多部门、多学科的广泛合作与交融。地表温度的变化趋势、变化频率对区域气候［1-2］、农作物布局、农业生产、土壤养分变化、气候产量［3］、海绵城市建设、区域地质灾害［4-5］等有着重要影响，甚至与输电线路运转［6］等密切相关。无论是基于全国地表温度数据变化研究，还是基于区域地表温度分析，其气候空间特征和突变特征都可为助力经济转型升级、粮食生产安全等提供有效参考。本研究利用山西省1981—2020年108个气象站地表温度资料进行分析，探究山西省近40 a地温变化规律，为其地热开发、碳达峰路径选择提供参考。

1 资料与方法

1.1 气候倾向率

假设：yt = a+bx，（t = 1，2，3，4[…]n） （1）

式中：yt为对应年份地表温度；t为时间序列；x为年份值；b为回归系数，b>0说明y随时间增加呈上升趋势，b<0说明y随时间增加呈下降趋势。

1.2 小波分析方法

对于时间序列函数f（x），小波变换定义为式（2）。

wf（a，b）= [a12（x）ψ*.x-badx] （2）

式中：wf（a，b）为小波系数；a为伸缩因子，决定小波宽度；b为平移因子。

1.3 突变检验方法

采用Mann-Kendall法进行突变点检验。对于具有n个样本量的时间序列x，构造一个序列，如式（3）。

Sk = [i=1kri k=]2，3，…，n （3）

其中：ri = [0，当xi≤xj1，当xi>xj   ] j=1，2，…，n

序列Sk是第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计数。在时间序列随机独立的假设下，定义UFk为式（4）。

UFk = [Sk-E（Sk）VAR（Sk）]k=1，2，…，n （4）

2 分析结果

2.1 时间分布特征

山西省近40 a平均地温为10.7（1984年）～13.6 ℃（2019年），平均为12.2 ℃，40 a地温平均值比气候平均值（1991—2020年）的12.5 ℃偏低0.3 ℃（如图1所示），最大正距平为1.1 ℃，最大负距平为-1.7 ℃，近40 a上升速率为0.499 ℃/10 a。

极端最高地温平均值为60.2（2003年）～ 67.5 ℃（2010年），上升速率为0.939 ℃/10 a。最大值为2019年7月27日的76.1 ℃，最小值为2003年7月30日的66.1 ℃。年极端最高值19站次出现在运城、临汾地区。极端最低地温平均值为-27.1（2002年）～-16.9 ℃（2017年），上升速率为1.298 ℃/10 a。最大值为2020年12月30日的-26.2 ℃，最小值为1998年1月18日的-40.3 ℃，年极端最低值多出现在大同、朔州、忻州一带。

山西省近40 a冬季均值为-3.7 ℃，春季均值为14.8 ℃，夏季均值为26.6 ℃，秋季均值为11.3 ℃。各季均值随年代际变化均呈持续上升趋势，冬、夏季上升趋势一致，春、秋季变化幅度相当。

2.2 空间分布特征

1981—2020年山西省地表温度平均值分布及趋势系数与时间系数（阴影）叠加如图2所示。由图2（a）可知，由北向南均值在7.1～16.6 ℃之间，高纬地区低于低纬地区，高海拔地区低于低海拔地区。吕梁山脉走向对地温分布影响明显，西北部低于东南部。极端最高地温均值在58.1～67.0 ℃之间，最小值位于交口，最大值位于永济。极端最低在-31.2～13.3 ℃之间，最小值位于右玉，最大值位于平陆。由图2（b）可知，各地上升速率在0.185～0.914 ℃/10 a，西北部速率相对偏快，临汾西部山区及太行山一带升温较慢。地温均值与时间的相关系数在0.33～0.90之间，时间相关系数高值区与趋势系数高值区基本重合。

2.3 小波分析

各季节小波系数实部变换分布如图3所示。由图3可知，山西省近40 a准18 a周期震荡非常显著。2019年后等值线未闭合，预示未来地温有望回落，同时包含有12 a、6 a的小周期震荡。冬季呈明显的12 a周期变化且地温有望下降。春季准18 a周期震荡与6 a周期并存。夏季呈现24 a的高—低周期震荡，2008年后又反弹上升，提示未来有继续上升倾向。秋季呈现6 a、12 a、18 a周期变化震荡，2018年后等值线未闭合且信号增强，预示秋季地温更加偏低。

2.4 突变检验

各季Mann-Kendall统计量曲线如图4所示。由图4可知，全部UF、UB交点均在信度线之外，无法判断突变点的存在。但从1987年开始UF>0，并在1999年超过了显著性水平线，即1999年后升温加剧。冬季突变点在1997年；春季在2004年；夏季UF、UB在信度线内交于1997和2004年，结合夏季小波变换分析，可认为夏季突变点出现在1997年；秋季突变点在2009年。

2.5 经验正交函数分解

对地温标准化资料进行经验正交函数分解（EOF），第1模态方差贡献率达79.4%，前3模态累积方差贡献率为86.6%。

第一特征向量相对空间函数均为正值，属同位相，变化范围0.07～0.1之间，方差贡献率为79.4%。即同位相变化占主导地位，反映山西省地温在大多数年份整体要么偏高、要么偏低。第一特征向量所对应的时间系数正值2019年，负值2021年，正相位与负相位事件相当，即山西省地温一致偏高或偏低的概率相当，基本反映了近40 a地温年际变化特征。第二特征向量大致表现为山西省南部大部、西北部与山西省中北部的反相位，变化范围-0.19～0.25之间，方差贡献率3.8%。第三特征向量大致表现为山西省东南大部与山西省西北大部的反相位，变化范围-0.24～0.23之间，方差贡献率3.4%，与第二特征向量贡献率相当。

2.6 与气温、降水量、日照时数的相关分析

地温与气温相关系数在0.59～0.96之间，在0.01水平上均呈显著正相关；与降水量相关系数在-0.47～0.25之间，约2/3站点与降水量呈负相关；与日照时数相关系数在-0.62～0.48之间，仅有32站在0.1水平上显著相关，其中显著正相关15站，显著负相关17站。

3 结论

山西省近40 a地温介于10.7～13.6 ℃之间，上升速率为0.499 ℃/10 a。极端最高、最低地温也呈上升趋势，气候倾向率分别为0.939 ℃/10 a、1.298 ℃/10 a。地温分布由南向北次第减小，各地均值在7.1～16.6 ℃之间，高纬地区明显低于低纬地区，高海拔地区低于低海拔地区。吕梁山脉走向对地温分布影响明显，西北部升温速率快于东南部。

近40 a地温存在3类尺度周期变化规律。准18 a周期震荡非常显著，12 a、6 a左右的小周期震荡包含在大震荡周期中。山西省1999年之后上升趋势更加明显，冬、春、夏、秋季突变点分别发生在1997年、2004年、1997年、2009年。地温同位相变化占主导地位，最大概率是趋于整体一致的偏高或偏低变化。地温变化与气温变化密切相关。约2/3站点与降水量呈负相关，约1/3站点与日照时数显著相关。

参考文献：

［1］王佳琳，潘志华，韩国琳，等.1961—2010年中国0 cm地温变化特征及其与气温变化的关系［J］.资源科学，2016，38（9）：1733-1741.

［2］刘强军，梁赟，宋军芳，等.近42年山西省晋城市地温与气温时空特征研究［J］.江苏农业科学，2020，48（6）：240-245.

［3］吉春容，穆彩芸，胡启瑞，等.干旱区哈密瓜生长和产量与气候要素的关系［J］.生态环境学报，2021，30（1）：10-18.

［4］赵美亮，曹广超，曹生奎，等.1980—2017年青海省地表温度时空变化特征［J］.干旱区研究，2021，38（1）：178-187.

［5］蔡霞，李亚军，李智才，等.山西省春季地温的特征对崩塌滑坡的影响研究［J］.干旱区资源与环境，2022，36（9）：158-165.

［6］张翠华，张文煜，张艳品.输电线路雷击前近距离气象要素变化特征分析：以石家庄市为例［J］.气象与减灾研究，2019，42（4）：295-300.

收稿日期：2023-10-17

基金项目：山西省气象局面上项目（SXKMSQH20226328）。

作者简介：范秀平（1974—），女，本科，高级工程师，研究方向：气象数据质控评估变化分析。