商洛市地表温度的时空变化及影响因素

李 亮，刘 帆，王 华，田 亮，严红梅

（1洛南县气象局，陕西商洛 726100；2咸阳市气象局，陕西咸阳 712000；3陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室，西安 712034；4陕西省气象局，西安 712034）

0 引言

地表温度(Land surface temperature，LST)是全球气候变化研究的一个重要参数，表示大气底层和陆地表层之间热量状态的重要指标，是地表显热和潜热通量共同作用的结果[1-2]。地表温度的变化直接影响下垫面的反射率以及土壤的湿度，对气候造成很大影响[3]。同时，地表温度的定量研究及时空格局，对农业气象、生态环境以及城市建设等具有重要意义[4-5]。IPCC第五次发布的报告指出，平均地表温度自1880—2012年大约升温0.85℃[6]。众多学者从不同区域、不同角度对地表温度变化特征进行研究分析，结果发现中国大部分地区地表温度都有升温趋势[7]，且北方和青藏高原地区增温最明显[8]。同时，西部地区的地表温度相比气温变化更加剧烈[9]，气候也变得更加极端[10]。地表温度与大气环流之间相互影响，一方面，地表温度变化受地形、气象要素等环境因素的影响[11-12]，另一方面地表温度和湿度及地表反照率又对大气环流和气候变化产生作用[13-14]。

秦岭是中国南北地理环境的重要分界线，对气候变化的响应极为敏感。大量的研究表明秦岭地区的气温增加明显，降水减少显著，气候呈现暖干化特征[15-16]，同时秦岭四季气温也增加显著，春季增温幅度最大，夏季最小[17-19]。以上研究主要集中在秦岭地区气温或降水的变化特征上，而针对地表温度的变化及其影响因素、地气温差的变化等研究甚少。

商洛市地处秦岭南麓腹地，总面积1.96万km2，地跨长江、黄河两大流域，生态环境质量居陕西之首，森林覆盖率69.56%，是国家南水北调中线水源涵养区和水质保育区，农林特产丰富，包括中药材、核桃、板栗、食用菌、茶叶等。地表温度预报是商洛市春播期的农业气象服务的重点，同时也是秦岭地区森林防火服务的重要理论依据。因此，本研究根据多年气象资料研究气候变化背景下商洛市地表温度的时空变化特征及其影响因素，以期为合理开发利用秦岭地区气候资源及指导农业生产提供理论重要的参考依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源及方法

气象资料由陕西省气象局提供。选取商洛市的商州、洛南、丹凤、商南、山阳、镇安、柞水7个国家气象站1960—2020年的逐日地表温度、气温、降水、日照时数等气象观测资料进行统计分析。按照气候统计上进行季节划分，3—5 月为春季，6—8 月为夏季，9—11 月为秋季，12月—翌年2月为冬季。

采用ArcGIS空间叠置分析方法[20]，通过对商洛市基础地理背景数据（1:10 万）和DEM 数据进行数据重采样、格式转换、裁剪和叠置等处理，提取商洛乡镇以上行政边界及其所在位置以及经度、纬度、海拔、坡度、坡向等地理属性数据。研究站点分布见图1。

图1 商洛市气象站点分布

1.2 研究方法

1.2.1 空间插值方法 考虑到7个气象站的气候资料不能满足商洛市复杂地形空间插值的要求，因此利用气候资料与气象站的地理信息（包括经度、纬度、海拔高度、坡度、坡向等）采用数理统计学方法建立地表温度与地理要素之间空间分析模型（表1），并利用GIS技术推算出无测站地区的地表温度，方程的F 值通过了0.01水平的显著性检验，可信度较高。

表1 商洛市气温和地表温度的空间分析模式

1.2.2 气候倾向率 气候倾向率[21]用来表示气候要素随时间的变化趋势，建立时间序列t与气象要素LST之间的一元线性回归方程，如式(1)所示。

式中，LSTi为地表温度序列，a 为常数项，ti为时间序列（1960—2020年），b为线性趋势项，b×10得到的数值称为该气象要素的气候倾向率(/10 a)，单位为℃。

1.2.3 突变分析Mann-Kendall突变检验[21]是一种非参数检验，不受异常值的干扰，计算简单，常用于检验样本随时间尺度的变化趋势及突变情况。

对于具有n个样本量的时间序列x，构造一秩序列，如式(2)～(3)所示。

其中，

在时间序列随机福利的假定下，定义统计量UFk，见式(4)。

其中UF1=0，E(sk)、Var(sk)分别为累计数sk的均值和方差，见式(5)～(6)。

给定显著性水平α=0.01，临界值U0.01=±2.32，当U＜|UF|，说明序列具有显著的变化趋势。若UFk的值大于0，表明序列呈上升趋势，小于0则呈下降趋势，若超过临界线的范围，表示上升或下降趋势明显。按时间序列的逆序，使UBk的=-UFk，若UFk和UBk两条曲线出现焦点，且交点在临界线之间，则交点对应的时间为突变开始的时间。

1.2.4 周期分析 小波分析[22-23]是具有时—频多分辨率功能的分析方法，可以揭示某一现象在时间序列的变化周期及其变化趋势。

Morlet 连续复小波基函数(Complex Morlet Wavelet)简称为cmor，其表达式见(7)。

本研究有一定局限性，由于目前在实际操作过程中，延续性护理团队实现目标方式不尽相同，因此，本研究纳入的文献干预方案并不完全统一，可能是导致结果异质性增加的原因，且本研究只纳入已发表的文献，且文献数目较少，纳入文献未对是否进行分配隐藏和盲法实施等内容进行具体描述，可能会对本研究可靠性产生影响，希望未来此类研究予以注意并完善。综上所述，延续性护理对我国老年糖尿病患者的血糖控制有积极作用，可在临床或社区工作中开展应用，但需要更高质量的RCT和更大样本量进一步论证。

式中：Fb是频带宽度系数；Fc是Morlet的中心频率。

小波方差(Var)是将小波系数的平方值在时间平移域(b)上进行积分，公式见(8)。

Var随时间周期a的变化分布图，称为小波方差分布图。它可以直观反映信号波动的能量随时间周期a的分布情况，用来确定不同振荡周期的相对强度和振荡主周期。

2 结果与分析

2.1 商洛市地表温度时间变化特征

2.1.1 年内变化 分析1960—2020 年商洛市平均地表温度和地气温差的年内变化（见图2），可以看出，2 条曲线基本上呈单峰型特征。平均地表温度最低值出现在1 月，为1.3℃；从1 月开始逐渐上升，7 月达到峰值，为28.8℃，之后又开始逐渐减小。平均地气温差年内12个月均为正值，其中12月最小，为0.4℃，夏季6月和7月相对较大，分别为4.5℃和4.4℃。

图2 商洛市平均地表温度和地气温差的月变化

2.1.2 年际变化 图3分析了商洛市1960—2020年年平均地表温度和季节地表温度随时间的变化趋势，商洛市的年平均地表温度为15.5℃。1993 年以前，大多数年份年平均地表气温低于多年平均值，1993 年开始，除2003和2005年以外，年平均地表气温均在平均值以上。地表温度平均值的季节排序为夏季＞春季＞秋季＞冬季。

图3 商洛市1960—2020年平均地表温度的年际变化(a)和季节变化(b)

从年际变化来看，商洛市全年平均地表温度总体波动呈现上升趋势，年际气候倾向率达到0.36℃/10 a，与全球变暖的大背景一致。其中，春季平均地表温度上升趋势最为显著，气候倾向率为0.55℃/10 a，秋季和冬季地表温度分别以0.33、0.22℃/10 a 的气候倾向率上升，且均通过了0.01的显著性水平检验，夏季上升趋势最小，为0.15℃/10 a，但未通过显著性检验。因此，商洛市全年和四季尺度上平均地表温度呈上升趋势，且春季的增温贡献率最大。

2.1.3 年代际变化 表2统计了商洛市1960—2020年的地表温度年代的距平值，地表温度在20世纪的60、70、80 年代均为负距平，而从90 年代至2020 年各年代的地表温度均为正距平。年和各季节地表温度在不同年代的变化略有不同。从20世纪60年代开始，春季、冬季和年平均地表温度变化一致，均呈现逐年代上升趋势；秋季在21世纪00年代的地表温度明显降低，其余年代也表现为上升趋势；但夏季地表温度变化无明显规律，这可能与夏季降水充沛，地表潜热增温有关的。

表2 商洛市各年代际地表温度距平平均值 ℃

2.1.4 突变特征分析 利用Mann-Kendall 检验方法，在0.01的显著性水平下（99%置信度检验）检验商洛市地表温度的变化规律（见图4），发现1960—2020 年地表温度整体呈现先波动下降后升高的变化趋势，1969年以前地表温度处于下降阶段，之后稳步上升，并在1997 年超过信度曲线，上升趋势显著。同时，地表温度在1997 年发生了突变，突变前地表平均温度为15.0℃，突变后上升了1.2℃。

图4 地表温度M-K检验曲线

2.1.5 周期分析 结合Morlet 复小波变换对商洛市1960—2020年间地表温度的周期变化进行分析，如图5 所示，地表温度变化存在多时间尺度特征，主要有3类尺度的周期变化，分别为20～32、8～20、3～7 年。其中，3～6 年尺度的周期振荡在2000 年以前表现的比较稳定，8～20 年尺度的周期振荡发生在20 世纪80 年代以后，而20～32 年尺度的周期变化在整个分析时段均表现稳定，具有全域性，表现为“低—高”交替的准3次振荡，且现今表现为较低的地表温度水平地表温度在6 年左右的周期振荡最强，为地表温度变化的第一主周期，10年为地表温度的第二主周期，14、28年的时间尺度对应为地面温度的第三、四主周期。

图5 地表温度Morlet小波分析

2.2 商洛市地表温度空间分布特征

利用GIS 空间叠置分析方法，结合表1 的地表温度空间分析模式，对商洛市7 个站点的地表温度进行空间插值（图6a），可以看出1960—2020年整个区域的年平均地表温度变化幅度在14.1～16.4℃，平均值为15.5℃，大致上表现为自西北向东南，呈现出随经度增加、纬度降低而逐渐升高的空间分布特征。高值中心出现在商南，为16.4℃，海拔高度为523.0 m，低值中心在洛南，为14.1℃，海拔高度为963.4 m，区域地表温度差值为2.3℃，海拔高度差440.4 m。

商洛市的地表温度总体呈上升趋势，气候倾向率为0.37℃/10 a。从各地的气候倾向率看（图6b），各站的地表温度的气候倾向率均为正值，即各地区地表温度均为上升趋势，且上升幅度自西向东逐渐减小。其中，柞水和镇安上升趋势显著，分别为0.66℃/10 a 和0.64℃/10 a，其余各地上升幅度均小于0.3℃/10 a，且上升幅度最小为商州，为0.21℃/10 a。

图6 商洛市1960—2020年平均地表温度与气候倾向率空间分布图

2.3 商洛市平均地表温度的影响因素

地形地势对地表温度的变化和分布产生一定的作用，高海拔山地区可以降低气温对地表温度的直接影响[23]。通过对商洛市7 个气象站的地理因子（包括经度、纬度、海拔、坡度和坡向）与平均地表温度进行相关分析，结果发现地表温度的空间分布与海拔高度呈负相关，海拔越高，地表温度越低（见表3），当海拔升高100 m，地表温度下降0.5℃。而平均地表温度与经度、纬度、坡度和坡向的关系不明显。

表3 商洛市地表温度与气候因子的线性回归分析

气象因子也是影响地表温度变化的重要因素。地表温度的变化主要取决于太阳辐射量、下垫面温湿状况和当地的盛行天气形势等[24]。各地区由于不同地理环境，地表温度和地气温差的年内分布特征也不同。将平均气温、降水、风速和日照时数与平均地表温度进行相关分析，如表2所示。地表温度与气温、日照时数呈现显著正相关关系。当平均气温每升高1℃，地表温度显著上升1.2℃；当日照时数每升高10 h，地表温度显著上升0.8℃。而降水量、风速对地表温度的影响作用不显著。

因此，海拔是影响商洛市地表温度的主要地理因子，气温和日照时数是影响商洛市地表温度的主要气象因子。

3 结论与讨论

（1）1960—2020年商洛市平均地表温度大致上从西北向东南呈现逐渐升高的空间分布。地表温度总体呈上升趋势，气候倾向率为0.37℃/10 a，且各站的上升幅度自西向东逐渐减小。年平均地表温度变化幅度在14.1～16.4℃，高值中心出现在商南，低值中心在洛南，区域地表温度差值为2.3℃，海拔高度差440.4 m。同时，地表温度平均值的季节排序为夏季＞春季＞秋季＞冬季。

（2）地表温度在20世纪的60、70、80年代均为负距平，而90 年代至2020 年各年代的地表温度均为正距平。春季、冬季和年平均地表温度均呈现逐年代上升趋势；秋季地表温度在21世纪00年代的明显降低，其余年代也表现为上升趋势；但夏季地表温度变化无明显规律。

（3）地表温度整体呈现先波动下降后升高的变化趋势，1969 年以前地表温度处于下降阶段，之后稳步上升，并在1997 年发生了突变，突变前地表平均温度为15.0℃，突变后上升了1.2℃。地表温度存在6、10、14、28年的周期振荡频率，且6年为地表温度变化的第一主周期，10年为地表温度的第二主周期。

（4）地表温度与气温、日照时数呈正相关，地形地势对地表温度的变化和分布也产生一定的作用，与海拔呈负相关，即高海拔山地区可以降低气温和日照对地表温度的直接影响。当平均气温每升高1℃，地表温度显著上升1.2℃；当日照时数每升高10 h，地表温度显著上升0.8℃。

在气候变暖的大背景下，商洛市地表温度也呈现上升趋势，且春季、秋季和冬季上升显著，即地表温度的升高可以缓解低温对农业生产造成的灾害，总体上在一定时间内对农业结构调整有利。但地表温度及其气候变化率在空间上差异较大，秦岭南北气候差异大，秦岭北麓变暖程度超过南麓[16,25]，使得植物的生长向北扩展[26]。因此，在地表温度时空变化规律基础上，后期应从生态保护、农业生产和应对气候变化等方面展开研究，为生态适应气候变化及农业服务提供理论依据。