黔南1961—2018年浅层地温变化特征分析

陈 杨，潘启学，顾 欣，唐红忠

(贵州省黔南布依族苗族自治州气象局，贵州 都匀 558000)

0 引言

地温是地表面和以下不同深度处土壤温度的统称。它能反映土壤热储量状况，通过陆地下垫面过程来引起气候变化。如Zhang等[1]研究得出，20世纪加拿大土壤温度对气温和降水的响应过程在气候变化上的影响明显。

离地面5、10、15、20 cm深度的地中气温称为浅层地温[2]，其对农作物根系生长有重要影响。目前已有不少学者对浅层地温进行了大量研究[3-5]，但贵州省在此方面研究较少[6-7]，黔南地区更是空缺。

黔南位于贵州省中南部，地处云贵高原东南部向广西丘陵过渡的斜坡地带，地势呈西北高、东南低，内辖12个县市，南北跨度较大。研究1961—2018年黔南地区浅层地温分布特征、变化规律有着重要气候学意义，可为农业生产、资源利用提供科学依据。

1 数据及方法

1.1 数据来源

选取黔南地区12个国家基本气象站1961—2018年0、5、10、15、20 cm逐日平均地温资料，统计出5个层次年、季、月地温序列。

1.2 分析方法

用线性倾向率法分析地温变化趋势，用Mann-Kendall检验法对地温进行突变检验[8]，用Morlet小波分析法研究地温周期变化特征[9-10]。用ArcGIS的空间分析功能探究浅层地温空间分布特征。

2 浅层地温年际变化特征分析

2.1 浅层地温的年际分布特征

1961—2018年黔南地区5～20 cm年平均地温为18.3 ℃，各层最高值分别为19.1、19.2、19.2、19.3 ℃，均出现在2016年，最低值为17.8、17.6、17.5、17.0 ℃，分别出现在1976、1984、1984、1962年。由图1可见，各层平均地温年变化相似，均呈上升趋势，5 cm地温整体升幅不大，10、15、20 cm平均地温1961—1997年整体偏低(相比58 a平均值)，1998—2018年整体偏高。用线性倾向率法分析得出黔南地区5、10、15、20 cm 的气候倾向率分别为0.095、0.140、0.174、0.194 ℃/10 a，可见各层的年平均地温呈增温趋势，增幅为0.095～0.194 ℃/10 a。20 cm年平均地温增幅最大，5 cm增幅最小，随着深度增加增幅增加。

图1 1961—2018年黔南地区5～20 cm地温年变化Fig.1 Annual changes of 5～20 cm ground temperature in Qiannan area from 1961 to 2018

2.2 浅层地温年际突变分析

用Mann-Kendall检验法[11]，给定显著性水平α=0.05，即u0.05=±1.96，研究1961—2018年黔南地区5～20 cm各层平均地温的突变特征。近10 a黔南地区浅层平均地温呈明显增加的趋势(图2)。5 cm的UF和UB曲线有多个交点，平均地温波动较大，突变特征不明显。10、15、20 cm的 UF和UB曲线有唯一交点，即突变点。根据交点位置得出10、15、20 cm的平均地温分别从2002、2004、2004年开始突变，突变点后上升趋势远超过显著性水平0.05临界线，表明10、15、20 cm的平均地温增温趋势明显。

图2 1961—2018年黔南地区5～20 cm地温年变化Mann-Kendall检验Fig.2 Mann-Kendall test of the annual change of 5-20 cm ground temperature in Qiannan area from 1961 to 2018

2.3 浅层地温周期特征

该文用Morlet小波分析法对黔南地区5～20 cm浅层地温的时间序列进行小波变换(如图3)，可见小波频率分布与气候信号变化几乎一致。频率等值中心为冷暖中心，其大小可反映振动强度。5、10 cm地温在1990年之前的振荡周期频率较高为5～10 a，1990年后的振荡周期频率较低为15～25 a；15、20 cm地温在1961—2018年的振荡周期频率均较高为5～15 a。

图3 1961—2018年黔南地区5～20 cm地温的小波变换Fig.3 Wavelet transformation of 5～20 cm ground temperature in Qiannan area from 1961 to 2018

3 浅层地温季节特征分析

各季节地温均呈升高趋势，且随深度增加气候倾向率逐渐增大，夏季的气候倾向率为四季中最大。春、冬季浅层地温随深度增加而升高，秋季浅层地温随深度增加而降低。

表1 1961—2018年黔南地区5、10、15、20 cm地温季变化统计Tab.1 Seasonal changes of ground temperature at 5,10,15,20 cm in Qiannan area from 1961 to 2018

4 浅层地温月际特征分析

黔南地区5～20 cm各层平均地温月变化呈单峰形势。各层地温最大值出现在8月，最小值出现在1月。3—9月地温由高到低为5 cm>10 cm>15 cm>20 cm，即暖月随深度增加地温递减，10月—次年2月地温由高到低为20 cm>15 cm>10 cm>5 cm，即冷月随深度增加地温递增。

图4 1961—2018年黔南地区5～20 cm地温月变化Fig.4 Monthly changes of 5～20 cm ground temperature in Qiannan area from 1961 to 2018

5 浅层地温的空间分布特征

黔南处在106.22～108.23°E，25.12～27.48°N，海拔高度242～1961m的斜坡地带，地形地势差异使南北气候差异明显。用ArcGIS的空间分析功能，探究黔南地区12个县市近58 a的年平均浅层地温空间分布特征。从图5可看出浅层地温呈自北向南逐渐升高的特征，瓮安最低，罗甸最高。

图5 1961—2018年黔南地区5～20 cm浅层地温空间分布Fig.5 Spatial distribution of 5～20 cm shallow ground temperature in Qiannan area from 1961 to 2018

黔南地区5 cm年平均地温范围为16.1～22.2 ℃，10 cm年平均地温范围为16.0～22.2 ℃，15 cm年平均地温范围为15.9～22.3 ℃，20 cm年平均地温范围为15.9～22.3 ℃。罗甸近58 a的平均浅层地温为12县市中最高，瓮安为最低。浅层地温垂直变化上，从5～20 cm罗甸、独山逐渐上升，福泉、龙里、平塘、荔波、三都、都匀逐渐下降，瓮安、惠水、长顺在5～10 cm下降，10～20 cm上升，贵定在5～10 cm上升，10～20 cm下降。整体上年平均浅层地温由高到低的顺序为5 cm>10 cm>15 cm>20 cm。

6 结论

①近58 a黔南地区5～20 cm各层平均地温年际变化呈上升趋势，气候倾向率随着深度增加升幅逐渐增加。5 cm的平均地温波动较大，突变特征不明显，10、15、20 cm的平均地温分别从2002、2004、2004年开始突变。5 cm、10 cm地温在1990年之前的振荡周期频率较高，1990年后的振荡周期频率较低，15 cm、20 cm地温近58 a的振荡周期频率均较高。

②各季节地温均呈增温趋势，且随深度增加气候倾向率逐渐增大。各层平均地温月变化呈单峰形势。暖月随深度增加地温递减，即冷月随深度增加地温递增。

③近58 a浅层地温呈自北向南逐渐升高的规律，瓮安最低，罗甸最高。12县市浅层地温垂直变化特征各不相同。