近40年高淳浅层地温变化特征分析
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。
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（责编：张宏民）
