1961～2013年菏泽0cm地温变化特征及成因分析*

窦　坤，黄玉芳，丁媛媛，王　琛，孙翠凤※

(1.山东省菏泽市气象局，菏泽　274000； 2.山东省寿光市气象局，寿光　262700)



·问题研究·

1961～2013年菏泽0cm地温变化特征及成因分析*

窦坤1，黄玉芳1，丁媛媛1，王琛2，孙翠凤1※

(1.山东省菏泽市气象局，菏泽274000； 2.山东省寿光市气象局，寿光262700)

利用1961～2013年菏泽地面气象观测站逐日资料，采用气候倾向率和相关分析等方法，分析了近53年菏泽0cm地温的变化趋势以及与气温、日照时数、降水量、水汽压的相关关系。结果表明：近53年来，菏泽年平均地面温度呈极显著上升趋势，平均每10年升高0.22 ℃，冬、春季节的升温对年平均地面温度的升高有主要贡献； 年平均地面最高温度呈弱上升趋势且春季显著趋暖、夏季趋凉，年平均地面最低温度呈极显著的上升趋势且冬春季节趋暖； 平均地面温度自20世纪90年代中期显著趋暖，地面最低温度的趋暖在平均地面温度的趋暖中起主要贡献； 年平均地气温差呈递减趋势，秋冬季节地气温差减小，不利于近地层污染物的扩散，致使菏泽秋冬季霾天气出现多，空气污染加重； 近53年来，降水量减少、水汽压极显著增大，导致菏泽地面温度极显著升高，日照时数极显著减少对地面温度升温趋势有弱的减缓作用。

地面温度气候倾向率气候突变相关分析

0　引言

近年来，在全球气候变暖的大背景下，光能、热能和水分等农业气候资源发生了明显的变化，对农业会造成一定的影响[1]。下垫面与大气的相互作用影响着各种尺度的天气、气候变化[2]，研究地温的变化特征也有助于揭示地温对农业生产和生态环境的影响[3]。不少学者对地温的气候变化进行了研究：陆晓波等[4-8]相继研究了全国和各地地温的气候变化特征，揭示了各层地温的变化趋势及时空变化特征。张爱萍等[9-10]研究了地温与沙尘天气、冬小麦生长发育的关系。但是针对0 cm地温和地气温差变化特征及其相关影响因素的细致研究却不多见。菏泽是典型的平原地区和重要的粮棉油生产基地，受全球气候变暖的影响，近50年来菏泽气温呈极显著的升温趋势[11]，在此情况下，大气下垫面的地表温度又有哪些变化，却尚未见到相关报道。文章运用气候倾向率和相关分析方法，对菏泽近53年地面温度的变化特征及其影响因素进行分析，旨在为当地合理利用气候资源安排农业生产提供参考。

1　资料和方法

1.1资料

选取菏泽气象观测站1961～2013年逐日平均地面(观测场0 cm地温，下同)温度、平均地面最高温度、平均地面最低温度及逐日气温、日照、降水量、空气水汽压等气象资料。季节划分： 3～5月为春季、6～8月为夏季、9～11月为秋季， 12月至翌年2月为冬季。多年均值为1961～2013年53年平均值。

1.2方法

1.2.1线性变化趋势

线性变化趋势采用下式进行估计[12]：

(1)

(2)

当a为正时，表示序列随时间呈上升趋势，反之则为下降趋势。

1.2.2Mann-Kendall法

Mann-Kendall法是一种非参数统计检验方法[12]，既可用于检测序列的变化趋势，也可用于检测气候突变，而且它是目前检测气候突变的一种常用方法。

对于具有n个样本量的时间序列x，构造一秩序列：

(3)

式中，当xi>xj时，取ri=1，否则ri=0(j=1， 2，...，i)

在时间序列随机独立的假定下，定义统计量

(4)

1.2.3相关系数

相关系数是描述两个随机变量线性关系的统计量[12]，计算公式为：

(5)

2　结果分析

2.1平均地面温度的变化特征

由表1和图1可知，近53年菏泽年平均地面温度呈上升趋势，平均每10年升高0.22 ℃，通过了α=0.001的显著性检验，说明升温趋势极显著，较菏泽平均气温每10年升高0.26 ℃[11]的升温幅度略小。年平均地面温度的变化曲线与年平均气温变化曲线呈同位相变化。近53年菏泽平均地面温度四季均呈升温趋势，春季升温趋势极显著，通过了α=0.001的显著性检验； 冬季升温趋势显著，通过了α=0.05的显著性检验。由此可见，近53年菏泽地面温度冬春季节的升温对年平均地面温度的升高有主要贡献。分析每月平均地面温度变化趋势(表略)可知， 8、11月呈弱降温趋势，平均每10年降低0.01～0.05 ℃； 1～7月、9～10月、12月均呈升温趋势，平均每10年升高0.02～0.55 ℃； 2～4月和10月的升温趋势显著。近53年，菏泽年平均地面温度已升高1.15 ℃，春季升温最为明显，已升高2.41 ℃； 4月升温趋势最为显著，已升高2.92 ℃； 呈降温趋势的月份降温幅度较小， 8月和11月平均地面温度仅下降0.27 ℃和0.05 ℃。

表1　1961～2013年菏泽平均地面温度、地气温差变化趋势　℃/10年

图1　1961～2013年菏泽年平均地面温度及年平均气温变化曲线

2.2平均地面最高温度的变化特征

由表1和图2可知，近53年菏泽年平均地面最高温度呈弱上升趋势，平均每10年升高0.05℃，未通过显著性检验，说明升温趋势不显著，较菏泽平均最高气温每10年升高0.15 ℃[11]的升温幅度小。进一步分析发现， 1981～2013年年平均地面最高温度呈降低趋势，每10年降低0.572 ℃。近53年菏泽平均地面最高温度春季和秋季呈升温趋势，春季升温趋势明显，通过了α=0.05的显著性检验； 夏季和冬季呈降温趋势，均未通过显著性检验。分析每月平均地面最高温度变化趋势(表略)可知， 2～5月、9～11月均呈升温趋势，平均每10年升高0.02～0.93 ℃； 6～8月、12月至翌年1月均呈降温趋势，平均每10年降低0.15～0.5 ℃； 仅有3月和4月变化趋势显著。近53年，菏泽年平均地面最高温度仅升高0.28 ℃，但春季升温明显，已升高3.02 ℃； 4月升温趋势最为显著，已升高4.93 ℃； 1月和8月降温最为明显，均降低2.65 ℃。表明，春季显著趋暖、夏季趋凉，是近53年菏泽地面最高温度变化趋势的突出特征，预示着夏季地面最高温度强度趋减，夏季高温危害可能减少。

图2　1961～2013年菏泽年及春季平均地面最高温度变化曲线

2.3平均地面最低温度的变化特征

由表1和图3可知，近53年菏泽年平均地面最低温度呈上升趋势，平均每10年升高0.26℃，通过了α=0.001的显著性检验，说明升温趋势极显著，较菏泽平均最低气温每10年升高0.35 ℃[11]的升温幅度小。平均地面最低温度的升温趋势大于平均地面温度和平均地面最高温度的升温趋势，表明近53年菏泽地面最低温度的升高对平均地面温度的升高有主要贡献。近53年菏泽平均地面最低温度四季均呈升温趋势，春季和冬季升温趋势明显，春季升温趋势通过了α=0.001的显著性检验，说明春季升温趋势是极显著的； 冬季升温趋势通过了α=0.01的显著性检验，说明冬季升温趋势是显著的。由此可见，冬春季节的升温对年平均地面最低温度的升高有主要贡献。分析每月平均地面最低温度变化趋势(表略)可知，全年各月均呈升温趋势，平均每10年升高0.02～0.64 ℃； 2～6月和9月的变化趋势显著。近53年，菏泽年平均地面最低温度已升高1.35 ℃，冬季升温最为明显，已升高2.40 ℃； 2月升温趋势最为显著，已升高3.39 ℃。冬季和春季升温幅度大且升温趋势显著，表明冬春季节气候趋暖是近53年菏泽地面最高温度变化趋势的突出特征，预示冬季地面最低温度强度趋弱，冬季低温危害可能减少。

图3　1961～2013年菏泽年及冬季平均地面最低温度变化曲线

2.4地气温差变化特征

由表1和图4可知，近53年菏泽年平均地气温差呈递减趋势，平均每10年递减0.04℃，未通过显著性检验。近53年菏泽平均地气温差春季和夏季呈递增趋势，春季递增趋势明显，通过了α=0.05的显著性检验； 秋季和冬季呈递减趋势，冬季递减趋势明显，通过了α=0.001的显著性检验。分析每月平均地气温差变化趋势(表略)可知， 3月、7～9月均呈递增趋势，平均每10年增加0.01～0.19 ℃； 8月、10月至翌年2月均呈递减趋势，平均每10年减小0.05～0.25 ℃； 4月、11月至翌年2月的变化趋势显著。近53年，菏泽年平均地气温差减小0.22 ℃，冬季递减最为明显，已减小1.23 ℃，春季递增最为明显，已增加0.63 ℃； 12月递减趋势最为显著，已减小1.33 ℃； 4月递增趋势最为显著，已增加1.01 ℃。秋季和冬季的递减幅度大于春季和夏季的递增幅度。

一般情况下都是地温高于气温。地气温差减小，预示着近地层空气稳定度增加，对流减弱，地表水分蒸发量减少，有利于保持土壤水分，但不利于近地层污染物的扩散，空气污染加重[8]。研究表明，菏泽霾日数总体呈上升趋势，秋冬季霾天气出现多，春夏季出现少[13]。

图4　1961～2013年菏泽年及冬季地气温差变化曲线

2.5地面温度和地气温差的突变分析

给定α=0.05(Uα=±1.96)的显著性标准，用Mann-Kendall检验法分析近53年菏泽地面温度和地气温差序列的突变，得出UF和UB曲线(图5)。可以看出，平均地面温度的突变点在1986年， 1996年开始持续通过α=0.05显著性水平。由此可见，菏泽平均地面温度自20世纪90年代中期显著趋暖。平均地面最高温度分别在1963年、1965年和2013年发生了突变，由于2003年的交点不在临界值内，此处不考虑为突变开始时间。平均地面最低温度的突变点在2002年， 2007年开始持续通过α=0.05显著性水平。平均地气温差的突变点在2004年，说明平均地气温差在2004年发生了由高到低的突变。

图5　1961～2013年菏泽地面温度和地面最高、最低温度及地气温差M-K曲线

2.6主要影响因素

地面温度的变化，是一个复杂的能量传输、转化过程，其中主要影响因素有太阳辐射、下垫面性质、大气环流、气象要素状况及地热传导等[8]。该文主要分析气象因素对地面温度的影响。

2.6.1日照时数与地面温度相关分析

太阳辐射是地面温度变化的根本能量源，日照时数多少，对地面温度影响较大。由表2可以看出，各月日照时数与平均地面最高温度均呈正相关，相关系数在0.488～0.825之间，均通过α=0.001的显著性检验，即各月均为极显著正相关； 年相关系数为0.384,通过α=0.01的显著性检验，为显著正相关。各月日照时数与平均地面最低温度的相关系数，除7月为弱的正相关，其余月份均为负相关， 9月至翌年2月均通过了α=0.01的显著性检验，即秋冬季节为显著负相关； 年相关系数为-0.481,通过α=0.001的显著性检验，为极显著负相关。各月日照时数与平均地面温度的相关系数大小居于日照时数与平均地面最低温度、平均地面最高温度相关系数之间，除1月为弱的负相关、12月为显著负相关之外，其余月份均为正相关， 3～9月均通过了α=0.01的显著性检验，即春夏季节为显著正相关； 年相关系数为-0.077,为弱的负相关。

由上述分析可见，日照时数是影响地面温度的重要因子。日照时数多时，往往是晴天多，白天地面接受到的太阳辐射多，地面温度上升快，温度相对较高，所以日照时数与平均地面最高温度呈正相关。日照时数多时，空气中的水汽相对较少，大气纯净度相对较高，夜间，地面的长波辐射被大气吸收的少，同时返向地面的大气逆辐射就少，地面就会失温较快，所以日照时数与地面最低温度呈负相关。

有关研究表明，近年来，菏泽日照时数极显著减少，年日照时数平均每10年减少121.66 h， 1981年是菏泽日照时数减少突变的时间点[14]。这是影响年平均地面最高温度仅呈弱升温趋势的重要原因，也解释了地面最高温度1981～2013年呈降低趋势的原因。

表21961～2013年菏泽日照时数与地面温度的相关系数

1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年地面温度-0.0170.0510.453***0.714***0.654***0.427**0.477***0.613***0.419**0.1670.078-0.393**-0.077地面最高温度0.610***0.546***0.593***0.825***0.746***0.579****0.488***0.689***0.654***0.564***0.783***0.544***0.384**地面最低温度-0.408**-0.494***-0.103-0.166-0.185-0.2530.094-0.091-0.537***-0.545***-0.544***-0.604***-0.481***

2.6.2降水量与地面温度相关分析

由表3可以看出，各月降水量与平均地面最高温度均呈负相关，相关系数在-0.328～-0.692之间，除2月通过α=0.05的显著性检验，其余月份均通过α=0.001的显著性检验，即2月为显著负相关，其余各月均为极显著负相关； 年相关系数为-0.729,通过α=0.001的显著性检验，为极显著负相关。各月降水量与平均地面最低温度的相关系数，除7月为弱的负相关，其余月份均为正相关， 2月、8月、11～12月均通过了α=0.05的显著性检验； 年相关系数为0.217,未通过α=0.05的显著性检验，为弱的正相关。各月降水量与平均地面温度的相关系数大小居于两者之间，除2月、12月为弱的正相关，其余月份均为负相关， 3～10月均通过了α=0.05的显著性检验，即除了秋季末期和冬季之外均为显著负相关； 年相关系数为-0.553,通过α=0.001的显著性检验，为极显著负相关。

分析菏泽近53年平均降水量资料发现，当地年平均降水量呈弱的递减趋势，平均每10年减少10.432mm。2001～2010年是菏泽近50年降水最多的时期[15]，该时段平均地面温度的升温趋势有所减缓。比较年降水量与平均地面温度的变化趋势呈明显反位相(图6)。由此可见，降水量的递减是地面温度呈升温趋势的原因之一。

表31961～2013年菏泽降水量与地面温度的相关系数

1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年地面温度-0.1090.064-0.272*-0.474***-0.608***-0.417**-0.560***-0.398**-0.556***-0.390**-0.0050.085-0.553***地面最高温度-0.532***-0.328*-0.498***-0.653***-0.692***-0.503***-0.573***-0.566***-0.624***-0.534***-0.623***-0.652***-0.729***地面最低温度0.1860.369**0.2180.2340.1400.149-0.0650.274*0.2170.0990.493***0.377**0.217

图6　降水量与地面温度相关关系

2.6.3空气水汽压与地面温度相关分析

由表4可以看出，各月平均水汽压(绝对湿度)与平均地面最高温度均呈负相关，相关系数为-0.050～-0.599, 1月、5～6月、9～11月均通过α=0.01的显著性检验，即春末夏初和秋季为显著负相关； 年相关系数为-0.376,通过α=0.01的显著性检验，为显著负相关。各月平均水汽压与平均地面最低温度均呈正相关，除6月为显著正相关，其余月份均为极显著正相关； 年相关系数为0.547,通过α=0.001的显著性检验，为极显著正相关。各月平均水汽压与平均地面温度的相关系数大小居于两者之间，除5～6月、9月为负相关，其余月份均为正相关， 11月至翌年2月均通过了α=0.001的显著性检验，即秋末和冬季均为显著正相关； 年相关系数为0.170,未通过α=0.05的显著性检验，为弱的正相关。

白天，大气中的水分能削弱到达地面的太阳辐射，影响地面温度的提升，空气湿度越大，这种作用越强，所以空气湿度与地面最高温度呈负相关。夜间，大气中的水分能吸收地面辐射，并向地面逆辐射能量，使地面有效辐射减弱，地面温度不至于降得太低，空气湿度越大，这种作用越强，所以空气湿度与地面最低温度呈正相关。分析菏泽近53年平均水汽压资料发现，当地年平均水汽压呈极显著递增趋势，平均每10年增加0.201 hPa。53年来，年平均水汽压约增加10.7 hPa。这是影响年平均地面最低温度呈显著升温趋势的原因之一。

表41961～2013年菏泽空气水汽压与地面温度的相关系数

1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年地面温度0.618***0.635***0.2670.169-0.186-0.402**0.0610.105-0.0050.290*0.605***0.813***0.170地面最高温度-0.410**-0.050-0.175-0.237-0.402**-0.599***-0.232-0.209-0.482***-0.349**-0.374**-0.262-0.376**地面最低温度0.754***0.825***0.739***0.773***0.562***0.390**0.695***0.700***0.754***0.838***0.839***0.802***0.547***

3　结论

(1)近53年，菏泽年平均地面温度呈极显著上升趋势，平均每10年升高0.22 ℃，冬春季节的升温对年平均地面温度的升高有主要贡献； 年平均地面最高温度呈现出春季显著趋暖、夏季趋凉的变化特征； 年平均地面最低温度呈现出冬春季节气候趋暖的变化特征。平均地面温度自20世纪90年代中期开始趋暖，地面最低温度的趋暖在平均地面温度的趋暖中起主要贡献。

(2)近53年，菏泽年平均地气温差呈递减趋势，秋冬季节地气温差减小，近地层空气稳定度增加，不利于近地层污染物的扩散，致使菏泽秋冬季霾天气出现多，空气污染加重。

(3)近53年，菏泽降水量减少、水汽压极显著增大，导致地面温度极显著升温，日照时数极显著减少对地面温度升温趋势有弱的减缓作用。

[1]戴声佩，李海亮，刘海清，等.全球气候变暖背景下华南地区农业气候资源时空变化特征.中国农业资源与区划， 2014, 35(1): 52～60

[2]李崇银. 气候动力学引论.北京：气象出版社， 1995， 290～296

[3]周绍毅， 劳炜，苏志，等.1961～2010年广西浅层地温变化特征.西南农业学报， 2012, 25(4): 1372～1375

[4]陆晓波， 徐海明，孙丞虎，等.中国近50年地温的变化特征.南京气象学院学报， 2006, 29(5): 706～712

[5]张翠华， 张文煜，郭立平.河北石家庄浅层地温变化特征.干旱气象， 2013, 31(1): 78～81

[6]赵勇， 何冬燕，秦贺.乌鲁木齐地温特征及其与降水的关系.沙漠与绿洲气象， 2012, 6(2): 13～17

[7]王宝军， 施斌，姜洪涛，等.近30年南京市浅层地温场变化规律研究.高校地质学报， 2009, 15(2): 199～205

[8]贾金明， 朱腾冉，王惠芳，等.濮阳市0cm地温变化特征及成因分析.气象科技， 2009, 37(3): 330～335

[9]张爱萍， 李玲萍.河西走廊东部冬季浅层地温与春季沙尘天气的关系.干旱气象， 2014, 32(4): 582～587

[10]王春玲， 申双和，王润元，等.中原地区地温对冬小麦发育期、生长量和产量的影响.干旱气象， 2012, 30(1): 66～70

[11]孙翠凤， 窦坤，徐国栋，等.近50年菏泽气温与高低温日数变化特征分析.山东气象， 2014, 34(2): 20～25

[12]魏凤英. 现代气候统计诊断与预测技术(第2版).北京：气象出版社， 2007.18～19， 37～38， 63～64

[13]窦坤， 徐国栋，程德海，等.菏泽霾气候特征及影响因素分析.农学学报， 2014, 4(10): 103～106

[14]孙翠凤， 窦坤，徐国栋，等.近46年山东菏泽日照变化特征及影响因子.干旱气象， 2013, 31(4): 744～749

[15]孙翠凤， 窦坤，吴雷柱，等.鲁西南近50年降水量和雨日雨强变化趋势.中国农业资源与区划， 2014, 35(2): 29～34

RESPONSES OF GROUND SURFACE TEMPERATURE ON CLIMATIC CHANGE IN HEZE CITY, SHANDONG PROVINCE FROM 1961 TO 2013

Dou Kun1，Huang Yufang1，Ding Yuanyuan1，Wang Chen3，Sun Cuifeng1

(1.Heze Meteorological Bureau of Shandong Province，Heze 274000，China；2.Shouguang Meteorological Bureau of Shandong Province，Heze 274000，China)

Based on the data of ground temperature in Heze from 1961 to 2013, using the methods of climate tendency rate and correlation analysis, this paper analyzed the variation characteristics of ground temperature, temperature, sunshine times, precipitation and vapor pressure and their relationship in recent 53 years. The results showed that the average ground temperature significantly elevated with the climate tendency rise of 0.22℃/10a in recent 53 years. The temperature rising in winter and spring had major contribution. The highest average ground temperature had a weak rising trend, but the lowest average ground temperature increased significantly. The average ground temperature became warming since the mid-1990s due to the rising of surface minimum temperature. Average air-ground temperature showed decline trend. The air-ground temperature difference in autumn and winter decreased and affected the diffusion of the pollutants from the surface layer, and hence led to more haze weather and air pollution in the autumn and winter. Reduced precipitation and air vapor pressure significantly increase the ground temperature. However, the decrease of sunshine hours significantly caused slow ground temperature warming trend.

ground temperature; climate tendency rate; climate abrupt change; correlation analysis

10.7621/cjarrp.1005-9121.20160610

2015-04-02

窦坤(1980—)，男，山东菏泽人，工程师。研究方向：气象服务管理和气候变化研究。※通讯作者：孙翠凤(1979—)，女，山东菏泽人，高级工程师。研究方向：气候变化和应用气象研究。Email：sdhzscf@126.com

山东省气象局青年科研基金项目“鲁西南地区气象灾害风险评估系统与区划研究”(2014SDQN20)

P468.0+21

A

1005-9121[2016]06-0063-07