1980—2020年三明市地温与气温变化特征及相关性分析

龚 伟

(1.福建省灾害天气重点实验室,福建 福州 350000;2.福建省三明市气象局,福建 三明 365000)

0 引言

地温是地表面及以下不同深处土壤温度的统称,气温则是表示空气冷热程度的物理量。地温是气象观测项目之一,更是十分有用的气候资源,不仅对植物生长发育有直接影响,还对人类日常生活发挥着重要作用。近年来,很多学者研究发现我国大部分地区地温呈明显升高趋势[1-2],但在不同季节、不同地域对气候变化的响应程度会有所不同[3-7]。我国大部分地区春季地温年际变化发生异常的频率最大,冬夏季节发生异常的频率相对较小。陈超等[8-9]对桂林和阿拉善左旗地区的气温和地温进行了研究分析,发现地温随气温增加而增加,但增温速率有所差异,年均气温比地温对气候变化的响应更快、更强烈(0 cm地温除外),气温和地温的升温存在非对称性;康文英等[10]对气温与浅层地温进行了研究,发现气温与地温变化具有较好的一致性。三明市地处福建省西北部,生态资源禀赋优势明显。在气候变暖的大背景下,本文拟开展地温对气温变化的响应研究,以期为城市热岛效应、绿色建筑建造和精细化城市气象服务等提供参考。

1 资料和方法

1.1 资料

采用1980—2020年三明辖区11个县(市)区气象站的浅层地温(0～20 cm)和气温日均值数据资料。

1.2 累积距平和信噪比

气候突变采用累积距平曲线确定,计算公式如下:

(1)

通过信噪比检验是否产生气候突变[11],计算公式如下:

(2)

2 分析与结果

2.1 地温、气温的年代际变化特征

由图1可知,三明市1980—2020年0～20 cm各层地温都比年平均气温高,表明地面起到给大气补给热量的作用。

由表1可知,气温和各层地温在年代际变化上呈上升趋势,从20世纪90年代开始,平均气温和地温明显增暖。平均气温和各层地温在21世纪10年代是最大的,表明21世纪10年代是1980—2020年中最暖的。

图1 1980—2020年三明市年平均气温和0～20cm地温趋势

表1 三明市各年代际气温和各层平均地温分布表 单位:℃

由表2可知,气温和各层地温阶段性特征明显,不同年代变化幅度不同,但气温和地温变化趋势较一致。

表2 三明市各年代际气温温差和各层地温 单位:℃

由表3可知,1980—2020年平均气温为18.8 ℃,低于各层地温2.4～3.0 ℃,而气候倾向率气温比地温高,表明气温对气候变化的响应速率高于地温,地温、气温的升温速率不对称。

表3 1980—2020年三明市平均温度及气候倾向率 单位:℃

2.2 地温、气温的季节性变化特征

由表4可知,1980—2020年各季平均气温和各层地温总体呈上升趋势,但各季的年代际变化趋势不一致,春冬季呈持续上升趋势,夏秋季呈先降后升趋势。

各季气温和地温年代际变化幅度较不一致,具体来说,春季在20世纪90年代升温幅度最大,20世纪90年代平均气温较20世纪80年代升高了0.4 ℃,0～20 cm各层地温升高了0.2～0.4 ℃;夏季在21世纪00年代升温幅度最大,平均气温较20世纪90年代升高了0.5 ℃,0～20 cm各层地温升高了0.3～0.5 ℃;秋季在 21世纪10年代升温幅度最大,平均气温比20世纪00年代升高了0.7 ℃,0～20 cm各层地温升高了0.4～0.6 ℃;冬季在20世纪90年代升温幅度最大,平均气温比20世纪80年代升高了1.0 ℃,0～20 cm各层地温升高了0.7～0.8 ℃。

表4 三明市各年代际各季节气温和各层地温 单位:℃

2.3 地温、气温相关性分析

以0 cm地温为例,利用三明市1980—2020年年平均气温和0 cm地温,通过回归方程计算相关系数,如图2所示。经分析,气温与0 cm地温相关系数在0.839～0.908,且均能通过0.05显著性检验,表明地温与气温的变化趋势相一致。

图2 平均气温与0 cm地温相关性分析

2.4 地温、气温突变分析

由图3可知,年平均地温与气温经历了一次显著波动,从1980年开始,气温和地温都呈现出明显下降的趋势,且气温下降趋势更加明显,到1996年降至最低点。从1997年开始,气温和地温呈上升趋势。

图3 1980—2020年三明市地温与气温累积距平曲线

通过计算发现,年平均气温1997年信噪比为1.2,信噪比大于1.0,通过信噪比检验,表明气温在1997年发生了突变;0～20 cm各层平均地温信噪比均小于1.0,未通过信噪比检验,表明地温未发生突变现象。由图4(a)可知,年平均气温突变前为18.4 ℃,较历年平均值低0.4 ℃,突变后为19.2 ℃,较历年平均值高0.4 ℃。图4(b)的0 cm地温变化前为21.5 ℃,较历年平均值低0.3 ℃,变化后为22.0 ℃,较历年平均值高0.2 ℃。同理,5、10、15、20 cm平均地温变化前分别为20.8、20.8、21.0、20.9 ℃,较历年平均值均低0.3 ℃,变化后分别为21.3、21.4、21.5、21.5 ℃,较历年平均值高0.2～0.3 ℃。

图4 1980—2020年三明市年平均气温和0 cm年平均地温的变化曲线及其突变

3 结论

①1980—2020年,三明市0～20 cm各层地温比年平均气温都高,表明地面起到给大气补给热量的作用。但从气候倾向率看,气温比地温高,表明气温对气候变化的响应速率高于地温,地气温的升温速率不对称。在年代际变化上,平均气温和各层地温呈现上升趋势,从20世纪90年代开始明显增暖,平均气温和各层地温在21世纪10年代为最大,表明21世纪10年代是1980—2020年中最暖的。气温和各层地温阶段性特征明显,不同年代变化幅度不同,但气温和地温变化趋势较一致。

②1980—2020年,三明市各季平均气温和各层地温总体呈上升趋势,但各季的年代际变化趋势不一致,春冬季呈持续上升趋势,夏秋季呈先降后升趋势。

③通过相关性分析,气温与各层地温的相关系数在0.839～0.908,且均能通过0.05显著性检验,表明地温与气温的变化趋势相一致。

④1980—2020年,三明年平均地温与气温经历了一次显著波动,1980年开始气温和地温呈现出明显下降的趋势,且气温下降趋势更加明显,1996年降至最低点。从1997年开始,气温和地温呈上升趋势,且年平均气温在1997年增暖是一突变现象,突变的时间从1997年开始,而0～20 cm各层平均地温并未发生突变现象。