四川省地表温度变化特征及气象因素影响分析

2021-07-07李传辉

内江师范学院学报 2021年6期

甄英，季薇，李传辉，郑杨

(内江师范学院地理与资源科学学院，四川内江 641100)

0 引言

IPCC评估报告中称近百年全球地表气温升高约0.89℃，气候变化使得生态系统和人类生存正面临着前所未有的严峻挑战.陆地下垫面过程是引起气候变化的重要因子，地表温度(0 cm地温)则是土壤的重要物理指标.随着人们对土地利用程度的不断加大，下垫面的改变对气候、植被等产生了重要影响[1],因此，了解地表温度的变化对深入研究气候与农业生产有重要意义.

已有较多学者对地表温度变化特征进行了研究，如乔丽等[2]对中国近50 a地表温度时空变化特征分析，指出中国平均地表温度呈显著上升趋势，尤其2000年以来中国年平均地表温度增温趋势最显著;王雪姣等[3]对新疆0 cm地温的时空分布特征及突变分析指出新疆0 cm地温呈显著波动上升趋势，突变点为1999年.在全球变暖的背景下，气温、降水等的变化也影响着地温，人们也密切关注着它们的相互变化[4-7].如王佳琳等[8]对中国0 cm地温变化特征及与气温关系进行了分析，指出中国0 cm地温呈先降低后升高的趋势，大部分地区0 cm地温与气温变化趋势一致;周刊社等[9]对我国西藏地表温度对气温的响应研究中发现，地表温度随着气温显著升高，西藏西部和中部的增温幅度明显高于东部.

四川省地处西南内陆，川内地势起伏落差较大，东部是典型盆地区,西部是高原山地区，加之受大气环流的影响，东西部气候截然不同，也是我国自然灾害多发的区域之一.已有较多学者对四川降水[10-12]、气温[13-14]等特征做了详细研究，但是针对地表温度的研究还较少报道，只有王冰等[15]对川南山区6个分区的地表温度与气温变化做了研究，于真[16]对四川地表温度时空变化特征及评价模型做了研究，但未分析其影响因素.因此，本文通过对近38年来四川省地表温度变化的时空分布规律及突变和周期性进行研究，分析气象要素对其影响关系，能更系统地了解四川省气候变化的原因.

1 数据来源与研究方法

本文选用0 cm地温表示地表温度，气象数据(包括降水量、日照时数、气温与风速)来源于中国国家气象服务中心.选取四川省1980—2017年26个气象台站的日平均数据,包括川东的万源、达州、巴中、广元、阆中、绵阳、遂宁、成都、乐山、峨眉山、叙永；川西北的若尔盖、红原、松潘、马尔康、小金、康定、色达、甘孜、石渠、德格、道孚和理塘；川西南的木里、西昌和会理等.

通过对日数据求均值得到月、四季、年数值，采用气候倾向率、M-K检验、Morlet小波变换等分析方法，结合ArcGIS空间插值技术,对地表温度时空变化特征、突变性和周期性，以及降水、日照、气温与风速对地表温度的影响进行分析.

2 结果分析

2.1 地温时间变化特征

2.1.1 年际变化特征

近38年来四川省地表温度均值为13.38℃，整体以0.48℃/10a的速率呈显著上升趋势(p<0.05)(见图1),这与全国地温呈升温趋势相一致,但升温速率高于全国水平(0.29℃/10 a)[2].具体来看，四川省地表温度整体变化经历了“升-降-升-降-升”五个阶段：1980—1988年是第一阶段，整体呈上升趋势；第二阶段为1989—1993年，整体呈下降趋势，且1993年为研究时段地表温度最低点(12.37℃)；第三阶段为1994—2006年，整体波动上升，其中2006年为研究时段地表温度最高点(14.99℃)；第四阶段为2007—2012年，整体波动下降；2013—2017年整体又呈上升趋势是第五阶段.

图1 四川省地表温度年际变化趋势

2.1.2 四季变化特征

四川省各季节地表温度均呈显著的升温趋势(通过P=0.05置信度检验)，但不同季节升温幅度及年际变化程度都存在明显差异(见图2).春季，地表温度升温明显，速率为0.57℃/10 a，按其变化趋势大概分为两个阶段：20世纪80年代地温先升后降，到1989年达到最低值后以升温趋势为主.夏季，地表温度以0.41℃/10 a的速率轻微上升，1980—1990年代降温为主，进入21世纪开始波动升温.秋季地表温度的升温速率为0.40℃/10 a，变化趋势与夏季相似，即呈先降温后升温的趋势.冬季0 cm地温升温最明显，速率为0.67℃/10 a，研究时段整体均呈上升趋势.综上所得，地表温度年际变化具有明显的季节性差异，冬、春升温最为明显而秋季最为微弱，且夏、秋季升温过程较相近.

图2 四川省地表温度四季变化趋势

2.2 地温空间变化特征

2.2.1 年际空间变化特征

四川省地表温度空间分布如图3(a)所示.地表温度整体呈从西北到东南逐渐升高的趋势，西部是高原山地区,而东部是典型盆地区，海拔逐渐降低，地温随之增加.具体来看，地表温度最高地区位于川西南山地的西昌(20.50℃)和川东南的叙永(20.34℃),地表温度低温中心主要位于川西北高原的石渠(2.43℃)和色达(4.29℃).由四川省地表温度气候倾向率空间分布如图3(b)所示.地表温度变化倾向率在0.07～1.41℃/a之间，这表明其整体为升温趋势.就升温幅度而言，西部地区升温高于较东部地区，增温幅度最大位于川西南山地的木里(1.41℃/a)、其次为川西北高原的若尔盖(0.94℃/a).

综合图3来看，四川省地表温度较高的东部地区气候倾向率却较低，而在地温的低温中心即川西北高原却呈现了较高的增温趋势.由此可见，地表温度的温差在过去的38年中是呈缩小趋势的，这与王佳琳等[8]研究的中国0 cm地表温度变化特征结论相一致.

2.2.2 四季空间变化特征

四季变化中，除春季外其他季节地表温度气候倾向率分布存在普遍规律，即西部地区地表温度升温幅度高于东部地区，但各季节也表现出较为明显的差异性(见图4).春季，四川省地表温度整体呈升温趋势，川西南山地区的木里和川东盆地区的阆中升温幅度最大，达到了2.16℃/a.夏季地表温度以升温为主，只有乐山在过去38年中出现降温趋势，且降温幅度较小(-0.074℃/a)；呈现升温趋势的地区，其升温幅度也较小(最大值0.114℃/a).秋季，四川省大部分地区仍表现为升温，升温最明显的地区为西部地区，幅度略高于夏季(最大值0.140℃/a)；川东绝大部分地区呈降温趋势，降温幅度(-0.160℃/a)也大于夏季.冬季，地表温度除川西北高原区的小金呈降温(-0.033℃/a)外，四川省整体呈升温趋势，且西部地区升温明显，升温幅度为0.146℃/a.

2.3 突变与周期分析

2.3.1 突变性分析

利用M-K检验法对四川省地表温度进行突变检验，一般取显著性水平P=0.05(对应临界值U0.05=±1.96)，将UF和UB两个序列曲线和±1.96两条直线均绘在一张图上(见图5).由图5可知，UF曲线值从2002年开始均大于0，表明四川省地表温度呈上升趋势，进一步观察UF和UB曲线交点处在2004年且在±1.96两条直线间，则表明地表温度在此时开始发生变化，地表温度开始明显升高.

图5 四川省地表温度M-K检验趋势

2.3.2 周期性分析

对四川省地表温度数据标准差标准化后的序列进行Morlet小波变换，绘出小波变换图和小波方差图(见图6).由图6可反映出地表温度序列不同时间尺度变化位相结构和突变线分布：小波系数零等值线对应于突变线，正的等值线(实线)表示地温偏高，负的等值线(虚线)表示地温偏低.由图6(a)可知，研究区地表温度序列具有多时间尺度的变化特征：其中周期为25～38 a的低频振荡，在研究时段内出现了2条突变线，第一条位于1980年至1995年左右，第二条出现在1998至2005年,表明1980年代至1990年代中期为高温期,1998至2005年为低温时期，2005年至2017年为高温时期.周期为16～25 a的低频振荡表现更强烈，出现了4条突变线，分别出现在1980年代、1990年代、2005年和2013—2017年,说明1960年代、2005年为低温时期，1990年代和2013—2017年为高温时期.周期小于16 a的高频振荡的位相结构和突变线分布更复杂，以突变线为分界线，高温期与低温期交替出现.

为了给出地表温度多时间尺度变化的主周期，进一步绘制了研究区小波方差(见图6(b)).由图6(b)可知，研究区地温序列存在3 a、5 a和23 a左右三个时间尺度的主周期，其中尤以主周期为23 a的振荡能量最强大.

图6 四川省地表温度Morlet小波变换及方差

2.4 气象因素影响分析

对四川省近38 a的年均降水量、年均日照时数、年均气温与年均风速数据的统计结果如图7所示.年均气温呈增加趋势，其余三项因素均呈减小趋势.为进一步明确地表温度与降水量、日照时数、气温与风速的相关关系，利用SPSS软件作皮尔逊(Pearson)相关分析并进行显著性检验结果显示，气温、日照时数都与地温在0.01水平下呈显著(P=0.00)的正相关关系，相关系数分别为0.858和0.339，表明其两者对地温的影响较强；降水、风速与地温分别在0.05水平下,呈不显著(P=0.535、P=0.389,且均大于0.05)负相关关系，相关系数分别为-0.104和-0.144，表明两者对地温的影响较弱.因此，影响四川地表温度的气象因子依次为气温、日照时数、风速和降水.