闫利霞 秦云苗 杨海良 张娟 乐章燕

摘要 本文利用1964—2015年霸州市0～20 cm各层逐月平均地温资料，采用气候倾向率、M-K法、滑动T检验等气候统计方法分析霸州市浅层平均地温的变化趋势、异常年份、气候突变及其与气温和降水的相关性等。结果表明，1964—2015年霸州市各季浅层地温均呈显著上升趋势，气候倾向率为0.04～0.52 ℃/10年，春季、冬季地温上升幅度较大；各浅层年平均地温均呈现明显上升趋势（0.16～0.31 ℃/10年）， 0 cm地温增温率最大，与同时期的平均气温升温率比较，地温的气候倾向率偏低。春季、冬季、年平均浅层地温多异常偏低年份，主要发生在60年代末期和70年代初期；秋季多异常偏高年份，1965年5 cm地温、2006年0～20 cm地温以及1975年5～20 cm地温发生异常偏高。综合累积距平和信噪比、M-K法和滑动T检验计算分析发现，地温的突变年份主要发生在1986年附近、1996年和2011年。年、季平均地温与同期平均气温存在较好的相关性，其中0 cm地温表现最为显著，相关系数均>0.723。夏季0 cm平均地温与降水量成明显的负相关关系，相关系数达-0.600（P<0.01）。

关键词 地温；气温；降水；气候倾向率；异常年份；河北霸州；1964—2015年

中图分类号 P468.0+21 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）03-0223-04

地面气象观测是对地球表面一定范围内的气象状况及其变化过程进行系统地、连续地观察和测定，是气象观测的重要组成部分，可以为气象信息、气候分析、天气预报、气象服务和科学研究提供依据。下垫面温度和不同深度的土壤温度统称为地温[1]，其是地面气象观测中较为重要的观测项目。近年来，诸多学者对地温的观测数据进行分析，并得出具有价值的研究结果。1959—2008年辽宁省浅层地温以0.171～0.823 ℃/10年的速率显著上升[2]；1961—2005年西双版纳浅层平均地温的年变化和季变化均呈现极显著的升高趋势，升温率为0.14～0.40 ℃/10年[3]；1961—2005年拉萨浅层地温以0.45～0.66 ℃/10年的速率显著上升[4]。以上研究结果表明，在全球变暖的影响下，地温的升高趋势明显。

霸州市气象局位于冀中平原北部，是廊坊地区唯一的国家基本气象站，其气象资料具有较好的代表性。然而1957年建站至今，尚未有系统研究霸州浅层地温变化的报道。本文根据1964—2015年霸州站地温资料，运用气候学统计分析方法，对近52年霸州市地面温度和浅层地温的变化趋势、气候突变和异常年份等气候特征进行分析，并深入研究了地温与气温和降水的相关性，以揭示其变化趋势及气候变暖的事实，并为进一步从地温层面研究气温变化和降水的关系提供参考。

1 资料和方法

1.1 资料来源

本文选取1964—2015年霸州站0、5、10、15、20 cm逐月地温观测资料，用1964—2015年的多年平均值替代缺测数据。季节划分如下，春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月至翌年2月。文中年、季平均浅层地温为5个土层年、季平均地温的算术平均值，其他平均值为1981—2010年的标准平均值。

1.2 方法

1.2.1 气候倾向率。平均地温的气候倾向率计算公式如下：

y=a0+a1t

式中，y为平均地温，t为时间；a1为线性趋势项，a1×10为平均地温每10年的变化率。

1.2.2 异常年份。气候显著偏离平均状态称为气候异常，判别标准主要有以下2种。一是距平超过标准差的2倍以上，二是出现概率为25年以上一遇。本文采用距平大于标准差的2倍作为异常的判别标准。

1.2.3 气候突变。气候突变是指在较短时期内由一种相对稳定的气候状态过渡到另一种气候状态的变化，是气候系统非线性性质的一种表现。目前，突变统计分析还不成熟，有专家建议在确定一种气候系统或过程发生的突变现象时，最好使用多种方法进行比较[5]。因此，本文分别采用了累积距平和信噪比、曼-肯德尔（M-K）法、滑动T检验（5年滑动和10年滑动）3种方法对1964—2015年霸州市年、季平均浅层地温数据进行突变分析。

2 结果与分析

2.1 浅层地温气候倾向率

由表1可知，1964—2015年霸州市0～20 cm浅层季平均地温均呈显著上升趋势（P<0.01），气候倾向率为0.04～0.52 ℃/10年。其中，春季、冬季升温幅度较大，夏季、秋季相对较小，与20世纪80年代中期以来，我国持续暖冬气候相符合。除夏季外，0 cm地温年、季變化幅度均为最大。其中，冬季0 cm地温的气候倾向率达0.52 ℃/10年。从各浅层平均地温的变化来看，春季和冬季以0、5 cm平均地温升温率最大，夏季以15、20 cm平均地温升温最大，秋季以0 cm平均地温升温率最大。从整个浅层来看，0～20 cm平均地温气候倾向率为0.06～0.40 ℃/10年，其中春季地温气候倾向率最大，秋季最小。1964—2015年霸州市各浅层年平均地温均呈显著升高趋势，气候倾向率0.16～0.31 ℃/10年，其中0 cm年平均地温升幅最大（图1）。

与霸州市同期年平均气温的气候倾向率（0.42 ℃/10年）比较，0～20 cm地温气候倾向率年平均值偏低，偏低幅度为0.11～0.26 ℃/10年。从季平均地温气候倾向率来看，冬季0 cm地温与气温的气候倾向率最大，说明0 cm地温对气候变暖的响应最强。

2.2 地温月变化特征

由图2可知，在春季和夏季，月平均地温随深度的增加而降低，说明热量由浅层向深层传递为能量积蓄过程；在秋季和冬季，月平均地温随深度的增加而升高，说明热量由深层向浅层传递为能量释放过程；各浅层最高月平均地温出现在7月，最低出现在1月。

分析各层平均地温的年较差可知，0 cm平均地温的年较差最大，为35.4 ℃，随着深度的增加，平均地温的年较差逐渐减小，20 cm平均地温的年较差最小，为29.0 ℃。由此可见，在一年中，地温变化幅度随着深度的增加而减小，与太阳辐射变化有关。

2.3 地温年代际变化特征

由表2可知，1971—2000年霸州市0、10、20 cm年、季平均地温较1961—1990年的30年标准气候平均值偏高了0～0.6 ℃；1981—2010年霸州市0、10、20 cm年、季平均地温较1971—2000年的30年标准气候平均值偏高了0～0.6 ℃。其中春季、冬季表现最为明显，夏季基本持平。

由图3可知，1964—2015年霸州市年、季平均地温均经历了一个“冷—暖”的历史演变过程，20世纪60年代至90年代早期为偏冷期，90年代中期至21世纪初期为偏暖期。1997—2002年0、10、20 cm地温连续6年均呈偏高趋势，偏高幅度在0.2～1.0 ℃之间；2002年0 cm平均地温偏高了1.0 ℃；2003年平均地温呈略微下降的趋势，之后10、20 cm地温连续3年呈下降趋势，下降幅度在0.1～0.2 ℃之间；之后的4年又连续上升，直至2010年，0、10、20 cm年平均地温均出现了下降，下降幅度在0.2～0.4 ℃之间；2011年又出现了明显的上升趋势，上升幅度在0.2～0.7 ℃之间；2012年站址迁移到新站，0、10、20 cm年平均地温连续2年呈明显下降趋势，下降幅度为0.3～0.7 ℃；之后的2014年和2015年又出现了稳定上升的趋势。

由表3可知，20世纪60年代至21世纪初年平均地温呈缓慢升高趋势，20世纪60年代、70年代、80年代年平均地温分别较多年平均值偏低0.5～0.8、0.4～0.8、0.2～0.5 ℃，90年代年平均地温上升至与多年平均值持平；进入21世纪，地温持续升高，比多年平均值偏高0.2～0.4 ℃，为过去50年中最高的10年。

20世纪60年代，夏季各浅层平均地温较多年平均值偏高0.1～0.3 ℃，其他季节平均地温均较多年平均值偏低，其中冬季、春季偏低最为明显，较多年平均值偏低0.3～1.3 ℃。20世纪70年代各层季平均地温较多年平均值偏低0.1～1.1 ℃，以春季、冬季0 cm平均地温偏低最为明显。20世纪80年代，春季、冬季各层平均地温较多年平均值偏低0.1～1.3 ℃，以冬季0 cm平均地温偏低最为明显；而夏季、秋季平均地温开始呈偏高趋势，较多年平均值偏高0～0.1 ℃。进入90年代，各层季平均地温较前20年有所升高，各季平均地温距平均在±0.4 ℃以内。进入21世纪初期，除夏季平均地温偏低0.2～0.3 ℃外，其他各季平均地温均呈升高趋势，较多年平均值偏高0～0.9 ℃，以春季和冬季0 cm平均地温偏高最为明显。

2.4 地温异常特征

由表4可知，春季、冬季、年平均地温多出现异常偏低年份，均发生在20世纪60年代末期和70年代初期，异常偏低0.8～2.4 ℃；其中春季各层平均地温在80年代初期出现1次异常偏低，5、10 cm平均地温在80年代中期出现1次异常偏低。夏季5 cm地温未出现异常；其他各层在70年代中后期出现异常偏低，偏低1.6～2.9 ℃；其中1997年0 cm地温出现1次异常偏高，偏高2.6 ℃；1984年15、20 cm地温各出现1次异常偏高，偏高1.5～1.6 ℃。秋季多发生地温异常偏高，1965年5 cm地温出现异常偏高，偏高1.7 ℃；2006年0～20 cm地温均发生异常偏高，偏高1.6～2.5 ℃；1975年5～20 cm地温均发生异常偏高，偏高1.6～2.0 ℃。

2.5 地温突变检验

利用累积距平和信噪比、曼-肯德尔（M-K）法、滑动T检验（5年滑动和10年滑动）3种方法对1964—2015年霸州市年、季平均地温进行气候突变检验（表5）。结果表明，利用累积距平和信噪比方法进行气候突变检验，霸州市年、季地温均未发生突变；用M-K法进行气候突变检验，发现年平均和冬季地温在1986—1987年附近发生突变，春季在1996年附近发生突变，夏季除0 cm外，其他季节均在2011年发生突变；用滑动T检验法进行气候突变检验，发现除20 cm外，其他各浅层年平均地温均在1996年发生突变，冬季地温在1987年附近发生突变，春季0、5 cm地温分别在1999年和1996年发生突变，夏季和秋季均未发生突变。

由此可见，霸州市各层年、季平均地温的突变年份集中在1986—1987年附近、1996年附近和2011年这3个时间点。1986—1987年的突变是由于1985年地温异常偏低引起的。1996年由冷向暖转变的突变与90年代后期全国地温升温一致[6]。2011年是一次从气温到各层地温普遍增高过程而导致的突变。另外，从季节来看，冬、春2季比较容易发生突變，而夏、秋2季则比较平稳，这是由于冬、春2季冷空气活动频繁造成的，这也与地温年代际变化特征及地温的异常年份分析结果相一致。分析结果的差异是由于各种检测方法都存在不足之处，而突变的物理机制不甚明确造成的。

2.6 浅层地温与气温、降水的相关性分析

对1964—2015年霸州市年、季平均地温与同期平均气温进行相关分析，发现各相关系数均>0.653（P<0.01），其中冬季各浅层平均地温与气温相关性最显著，相关系数均 >0.875；春季次之，春季0 cm平均地温与气温的相关系数为0.934；年平均地温与气温的相关性也较为显著，相关系数均>0.767。0 cm季、年平均地温与同期平均气温的相关性较其他各层显著，相关系数均>0.723。这表明地温变化主要受气温变化的影响，而且对0 cm的影响最大。

对1964—2015年霸州市年、季平均地温与同期降水量进行相关性分析，发现春季和冬季浅层平均地温与降水量的相关性较小。而全年、夏季和秋季各浅层平均地温与降水量均成显著负相关，相关系数为-0.310以上（P<0.05）。其中，夏季各浅层平均地温与降水量相关性表现最为明显，0 cm平均地温与降水量的相关系数达-0.600（P<0.01）（图4）。

3 结论

（1）由1964—2015年霸州市0～20 cm浅层平均地温的气候倾向率可知，霸州市各层季平均地温均呈显著上升趋势，升幅为0.04～0.52 ℃/10年。其中春季、冬季升幅较大，且以0 cm表现最为明显；从整个浅层平均来看，四季平均地温均呈现不同程度的上升趋势，气候倾向率为0.06～0.40/10年，春季最大，秋季最小。

（2）1964—2015年霸州市浅层平均地温均呈显著上升的趋势，气候倾向率为0.16～0.31 ℃/10年，其中0 cm地温上升幅度最大。与霸州市同期年平均气温的气候倾向率（0.42 ℃/10年）比较，0～20 cm地温的倾向率偏低。这表明地温的变化在很大程度上受气温变化的影响，而且对0 cm的影响最大。

（3）1964—2015年霸州市春季、夏季平均地温随深度的增加而降低，秋季、冬季平均地温随深度的增加而升高，各浅层平均地温的最大值均出现在7月，最小值出现在1月。

（4）从霸州市0、10、20 cm地温30年标准气候平均值来看，年、季平均地温均呈现缓慢升高趋势，其中春、冬2季表现最为明显，夏季基本持平。

（5）霸州春季、冬季、年地温距平均表现为“冷-暖”的变化趋势；夏季地温距平表现为“暖-冷-暖-冷”的变化趋势；秋季地温距平表现为“冷-暖-冷-暖”的变化趋势。

（6）春季、冬季、全年浅层平均地温多异常偏低年份，大多发生在60年代末期和70年代初期，其中1985年5、10 cm年平均地温发生异常偏低。秋季多异常偏高年份，1965年5 cm地温、2006年0～20 cm地温以及1975年5～20 cm地温发生异常偏高。

（7）用累积距平和信噪比的方法进行气候突变检验，发现霸州年和各季地温均未发生突变；用M-K法进行气候突变检验，发现年和冬季地温在1986—1987年附近发生突变，春季地温在1996年附近发生突变，夏季除0 cm地温外，其他浅层均在2011年发生突变；用滑动T检验法进行气候突变检验，发现年平均地温除20 cm外，其他浅层均在1996年发生突变，冬季地温在1987年附近发生突变，春季0、5 cm地温分别在1999年、1996年发生突变，夏季和秋季均未發生突变。

（8）年、季平均地温与同期平均气温存在较好的相关性，其中0 cm地温表现最为显著，说明气温上升是影响霸州市地温上升的重要原因，而且对0 cm地温影响最大。年、夏季和秋季各浅层平均地温与降水量均成显著负相关，其中夏季0 cm平均地温与降水量的相关性最为显著。

4 参考文献

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[2] 孙丽，李志江，李岚，等.1959—2008年辽宁省浅层地温变化趋势分析[J]. 安徽农业科学，2010，38（23）：12869-12870.

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