珠峰地区浅层地温的变化特征—以定日县为例

平措次旺 , 索南才吉 , 桑旦平措 , 罗桑曲珍

（1. 西藏自治区定日县气象局，定日 858200；2. 西藏自治区日喀则市气象局，日喀则 857000；3. 西藏高原大气环境科学研究所，拉萨 850001）

引言

IPCC第五次评估报告指出，1880～2012年，全球地表平均温度呈线性上升趋势，升高约0.85℃[1]，中国气候变暖与世界表现一致[2]。地温是指下垫面温度和不同深度的土壤温度，主要包括离地面5、10、15、20cm深度的浅层地温及离地面40、80、160、320cm深度的深层地温[3]，其变化直接影响植物的生长、发育和土壤的形成。全球气候增暖的背景下，学术界对浅层地温的时空变化引起普遍关注。有学者通过对1961～2010年地面0cm地温数据，研究了中国0cm地温变化特征，发现全国0cm地温呈先降低后升高的趋势[4]。区域尺度上，西北大部、西藏地区的浅层地温及东北北部0cm地温均呈显著升高的趋势[5−8]。

青藏高原是世界上面积最大、平均高度最高，地形也最复杂的高原，通过辐射、感热和潜热形成一个高耸入大气的热源，大气的下边界物理属性，如土壤的温度、湿度变化直接影响着地气间的感热与潜热通量，从而影响地球陆-气间三维热力结构的变化[9]。土壤作为天气变化的能量调节器，它的能量储放可以对长期天气变化产生重要影响[10]。以西藏为例，平均浅层地温表现为显著的升高趋势，冬季增幅最大，夏季最小，绝大部分站点年、季浅层平均地温相比同时期的平均气温增温幅度更明显[9]。虽然前人已对浅层地温进行了大量研究，但这些研究多集中于低海拔地区，对青藏高原的地温研究较少，尤其对珠峰区域浅层地温变化及其对气候变化响应的关注不多。《珠峰地区气候环境变化评估》报告[11]指出：近50年来，珠峰地区持续变暖，而降水变化不明显；珠峰地区冰川显著退缩，冰湖面积扩张，河流径流增加，反映了水文过程对气候变暖的响应；珠峰地区大气环境受到跨境传输的大气污染物的显著影响；珠峰地区生态环境总体为转好趋势。然而全球变暖背景下珠峰地区浅层地温的变化规律仍然是个未知数。因此，本文利用定日气象站1980～2019年逐月平均气温、0～20cm浅层地温资料和气候统计方法，通过分析40a来定日浅层地温，揭示珠峰地区浅层地温的变化特征，研究结果不仅有助于深入理解全球气候变暖背景下珠峰地区地温的变化规律，还可为珠峰地区合理利用气候资源、提高农作物产量等提供参考依据和科学基础。

1 资料和方法

1.1 研究区概况

定日县隶属西藏自治区日喀则市，地处喜玛拉雅山脉中段北麓珠峰脚下，是珠穆朗玛峰自然保护区的中心地带，举世闻名的珠穆朗玛峰、洛子峰等均在该县行政边界范围内。

如图1所示，定日站属国家基本站，观测场海拔高度为4300m，具有良好的地形代表性，能代表其北部的冈底斯山脉和南部的喜马拉雅山之间的广大地形[12]，为高原地区科学研究发挥着重要作用。

图1 研究区定日和珠峰的地理位置

1.2 资料来源

采用定日气象站1980～2019年逐月平均气温和0～20cm浅层地温资料。气温数据来自中国地面气候资料月值数据集（http://data.cma.cn/），并将其与MDOS系统观测数据进行了对比；地温数据基于MDOS系统观测数据统计，这些数据经过严格的质量控制，质量可靠。为获得定日站近40a连续、完整的浅层地温序列，本文采用线性回归订正方法对缺失的地温数据进行逐月补插[13]，季节划分上为春季（3～5月）、夏季（6～8月）、秋季（9～11月）、冬季（12月～次年2月）。

1.3 数据分析方法

1.3.1 气候倾向率

平均地温气候倾向率采用一元线性方程表示，即：

式中a、b分别是回归常数和系数，a、b用最小二乘法估计。b×10即为每10a气候倾向率，单位为℃/10a。

1.3.2 Mann-Kendall突变检验

M-K突变检验是一种非参数统计检验方法，是一种气候诊断与预测技术，可以判断气候序列中是否存在气候突变，并可确定突变发生时间。其结构简单，计算简便，是一种常用的突变检验方法。

2 结果分析

2.1 浅层地温的变化速率

40年来定日浅层地温多年平均值随深度增加呈先增后减再增的波动型趋势（表1）。5cm地温多年平均值最高，为8.86℃；其次是10cm、20cm和0cm，分别为8.74℃、8.63℃和8.61；15cm地温的多年平均值最低，为8.55℃。各层年平均地温的最大值除15cm地温外，其余均出现在2009年，最大值为9.7℃(0cm)，其次是9.6℃（5cm和20cm）和9.5℃（10cm），15cm地温最大值（9.2℃）出现时间是2001年。而年平均地温的最小值均出现在1997年，0～20cm层地温分别是7.4℃、7.5℃、7.6℃、7.6℃和7.7℃。对比各层地温变差系数，0cm年平均地温变差系数最大（6.02%），其余各地层年均温的变差系数相对较小，表明0cm地温波动最明显，5～20cm地温波动则较为平缓。

表1 1980～2019年定日浅层地温基本特征

从1980～2019年定日0～20cm年平均地温的时间变化（图2）可知，除5cm外各层年地温均呈升温趋势，其中0cm地层升温幅度最大。一元线性拟合显示，1980年以来定日0cm地温以0.187℃/10a速度增加（通过0.05水平的显著性检验），其次是20cm、10cm和15cm地温，气候倾向率分别是0.11℃/10a、0.05℃/10a和0.03℃/10a，而5cm地温呈不明显的降温趋势，气候倾向率是−0.01℃/10a。

图2 1980～2019年定日浅层地温时间变化特征（a. 0cm，b. 5cm，c.10cm，d. 15cm，e. 20cm）

虽然定日各层年平均地温（除5cm外）均呈升温趋势，但存在着季节性差异。各层地温在春季和冬季升温最显著（表2），除了0cm层外，各层地温在夏季和秋季呈降温趋势。5cm、15cm和20cm地温春季增温最明显，变化速率分别是0.20℃/10a、0.207℃/10a和0.291℃/10a。0cm和10cm地温冬季增温最明显，变化速率分别是0.257℃/10a和0.133℃/10a。虽然5cm年均地温整体呈下降趋势，但是春季和冬季仍为升温趋势。0cm冬季、5cm夏季以及15cm和20cm春季年平均地温变率均通过0.05水平的显著性检验。

表2 1980～2019年定日浅层地温的季节变化(单位：℃/10a)

定日5～20cm层地温的分布情况和四季气温的变化一致，冬季最低，夏季最高，春季略低于秋季。而0cm地温（图3）在春季高于秋季，与5～20cm地温季节变化存在差异。冬季地温随着深度的增加而升高，说明浅层土壤热量传导自下而上；夏季地温随着深度的增加而降低，说明浅层土壤热量传导自上而下。

图3 1980～2019年定日0cm地温季节变化

2.2 浅层地温的突变分析

利用M-K突变检验法，分析了1980～2019年定日县0～20cm年平均地温的突变现象，设定0.05水平的显著性检验临界值为u0.05=±1.96。除了5cm外，各层从21世纪起均陆续发生突变现象，各层地温均是从相对偏冷期跃变为相对偏暖期，其中10cm和15cm地温突变不明显，出现突变时间最晚，突变点在2015年之后。由图4可知，0cm和20cm地温在20世纪80～90年代中后期，UF曲线统计量＜0，表明地温呈下降趋势，自20世纪末期地温转为上升趋势，尤其0cm地温升温趋势超过了临界值，20cm地温升温趋势接近临界值，可见0cm和20cm地温在21世纪前期明显发生由冷转暖的突变。5cm地温一直呈多波动下降趋势，但下降趋势不显著，10cm和15cm地温的下降趋势和时段与20cm的相似，下降趋势显著，但上升趋势缓慢（图略）。

图4 1980～2019年定日浅层地温M-K统计检验（a. 0cm，b. 20cm）

3 浅层地温与气温因子的关系

定日多年平均气温（3.31℃）比各层多年平均地温值低5.2～5.6℃。分别对气温及各层地温进行线性拟合，得出气温的气候倾向率为0.40℃/10a，0～20 cm层气 温 气 候 倾 向 率 分 别 为0.187℃/10a、−0.01℃/10a、0.052℃/10a、0.03℃/10a和0.11℃/10a，其中气温拟合结果通过0.01水平的显著性检验，0cm通过0.05水平的显著性检验，其余各层地温未通过显著性检验，说明近40年定日年平均气温相比各层地温升温幅度更大。

年平均气温与各层地温距平变化趋势比较相似（图5），与20cm地温的相关性最显著，相关系数达到了0.741，其次是0cm、10cm和15cm地温，其相关系数分别是0.703、0.566和0.463，5cm地温与气温的相关性最低，仅为0.402；除了5cm，各层地温与气温的相关性均通过0.01水平的显著性检验（表3）。气温与各层地温的差异主要表现在1980～1996年气温变化幅度更大（即气温偏低更明显），1996年后气温偏高更加明显。各层地温与同期季节气温的相关分析（表略）表明，各浅层地温与气温呈正相关，在冬季和春季相关性最显著，说明冬季和春季对气温最敏感，其次是夏季，秋季最不显著。除秋季外，其余季节相关性均通过了0.01水平的显著性检验。

表3 1980～2019年定日0～20cm浅层地温与平均气温的相关关系

图5 1980～2019年定日年均气温和年均地温距平变化（a. 0cm，b. 5cm，c.10cm，d. 15cm，e. 20cm）

4 结论与讨论

基于定日气象站1980～2019年逐月平均气温、0～20cm浅层地温资料，应用气候统计方法分析了近40a定日浅层地温的变化特征。结论如下：

（1）除5cm地温外，各层年平均地温均呈升温趋势，升温幅度为0.03～0.187℃/10a，0cm地温升温率最大，15cm地温升温速率最小，5cm地温呈弱下降趋势。在春季和冬季，各层地温升温最显著，除了0cm外，各层地温在夏、秋季呈降温趋势。气温与同期年、季各层地温呈正相关，冬季和春季相关性最显著，其次是夏季，秋季最不显著。冬季地温随着深度的增加而升高，夏季相反。

（2）各层（除5cm外）年平均地温在21世纪后均陆续发生突变现象，突变点不一致，但都是从相对偏冷期跃变为相对偏暖期。中层（10cm和15cm）年平均地温突变不明显，0cm和 20cm地温在21世纪前期明显发生由冷转暖的转折。

（3）定日40年平均气温比各层平均地温低，年平均气温升温幅度比各层地温更显著，气温与各层地温距平变化趋比较相似，与20cm地温的相关性最显著。除5cm外，各层地温与气温的相关性均通过0.01水平的显著性检验。

值得关注的是，与其他层不同的5cm年平均地温的“异常”下降趋势主要受其秋季变温速率（−0.2℃/10a）的影响。探究其成因，可能与除气温外的其他因素（降水、日照、高原昼夜温差、人类活动等）有关[14−15]。定日历年夏季降水量占年总降水量的84%，秋季占11%，冬、春季仅占5%。1980～2019年定日夏季降水量呈增长的趋势（3.5mm/10a），5cm属浅层地温最上一层，接受到的日照辐射比0cm层少，夏季土壤表层湿度最高，到了秋季蒸发土壤表层水分需要吸收能量，这可能是秋季5cm地温呈下降趋势的主要原因，也可能是5cm与其他层地温变化规律存在明显差异的原因之一。篇幅所限，文中没有就这些问题展开讨论，有待于在后续工作中深入研究。