近50年石家庄地气温差变化特征

卞韬 任国玉 刘思廷 赵煊 范欣

(1 河北省气象与生态环境重点实验室,石家庄 050021; 2 中国气象局雄安大气边界层重点开放实验室,雄安新区 071800;3 河北省石家庄市气象局,石家庄 050081; 4 中国地质大学(武汉)环境学院大气科学系,武汉430074;5 中国气象局国家气候中心,北京 100081)

引言

地表面和大气间的能量交换,特别是水汽和热量的交换,是决定小气候及区域气候的重要因子,其时空变化在某种程度上决定了水文乃至气候环境的变化,对人类经济活动和社会的持续发展产生了一定的影响[1]。陆地上地温和表面气温的变化差异在一定程度上代表了陆地感热加热状况[2],而感热通量又是大气加热的重要形式之一。地-气温差是地表感热通量的主要贡献项,地-气温差的变化基本反映了地表感热通量的变化特征[3-5],对大气环流、天气变化、农业生产和生态环境有重要影响,因此研究地-气温差具有重要的气候学和生态学意义。

国内外一些学者开展了地-气温差变化规律和成因的研究工作。Song等[6]分析美国Phoenix地区地、气温度相互关系,发现地-气的互相作用与直接太阳辐射和风速最为敏感。很多学者对国内外地-气温差气候学特征及其长期变化和影响进行了研究,增进了对不同地区地-气温差时空特征及其机理的理解。例如,Satya等[7]对2009—2013年北美地区的气温和地温的差异进行了系统评估;张文纲等[4]、胡洁等[8]分析了青藏高原地-气温差的时空变化特征;Wei等[9]、周连童等[10]分析了我国西北地区地-气温差的年代际变化特征;杨智等[11]分析了1960—2007年云南地-气温差的时空变化特征;王超等[12]利用敦煌双墩子戈壁试验站2008年12月1日至2009年12月31日的塔站资料,分析了该地区地气温差的概率分布、日变化、日际变化、年变化和典型天气下的变化特征;温李明等[13]对我国东西部地区地-气温差的年代际变化特征及其差异进行了研究;陈超等[14]分析了阿拉善左旗气温和地温的年代和季节变化趋势以及地气温差的变化特征;杨晓玲等[15]分析了1961—2010年甘肃省武威市地-气温差变化趋势及影响因子;朱玲等[16]分析了辽宁省地-气温差的变化特征以及地-气温差变化的主要原因;穆海振等[17]利用1961—2015年上海地区9个气象台( 站) 的地表温度、地面气温、风速、降水、日照时数、蒸发量、相对湿度观测资料,对上海地区地-气温差变化特征及其影响因素进行了分析;廖要明等[18]系统分析了1961—2016中国地区地-气温差的时空分布以及变化趋势。还有学者研究了地-气温差对降水的影响,例如,周连童等[10]的研究表明,我国西北干旱、半干旱区春季地-气温差可能是华北地区夏季降水年代际变化的原因之一,而且西北地区地气温差以及感热对我国夏季降水有着明显的影响[19];刘颖等[20]、周连童等[21]的研究表明,长江中下游地区地-气温差对夏季降水有一定的指示意义。

石家庄地处中纬欧亚大陆东岸,属暖温带半湿润季风型气候,西依太行山,东临华北平原,处于山区与平原的过渡地带,地形地貌复杂多样。近半个世纪以来,石家庄地区的气候显著增暖[22-23],城市热岛效应明显[24-25],同时城市化带来的局地气候环境效应也非常显著[26-29]。在气候变暖和城市化双重作用下,石家庄的地-气温差发生了什么变化?目前还没有相关的研究,而研究该地的地-气温差变化特征可以进一步深入了解石家庄地区近地层热环境变化规律,为合理指导农业生产、保护和改善城市生态环境提供科学的参考依据。

本文利用石家庄市17个国家站长时间序列的气温、0 cm地温资料,系统分析了石家庄地-气温差的变化特征。本文的结论对科学认识石家庄城市生态环境的变化具有参考意义。

1 数据来源与方法介绍

1.1 站点和数据

本文使用了石家庄市17个国家气象站1972—2021年逐日平均气温和0 cm地温资料,为02:00、08:00、14:00和20:00 4次观测的平均值。所用资料由河北省气象局气象信息中心进行了质量控制,订正了由于各种人为因素造成的错误值。该17个站点覆盖了石家庄的全部县(市、区),资料序列足够长, 时间连续性高,具有较好的代表性。

1.2 方法

将某气象观测站的地表温度与气温的差值定义为该站的地-气温差,即Ts-Ta,其中Ts表示地表温度,即0 cm地温;Ta表示气温,为离地面1.5 m高度处的空气温度。

由于研究区域比较小,区域平均采用所有站点地-气温差值的简单算术平均方法。采用线性趋势等[30]统计方法分析石家庄地-气温差的变化特征。显著性水平达到0.10、0.05、0.01(0.001)分别表示变化速率为较显著、显著、非常显著。季节划分为:春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月至次年2月)。标准气候期为1991—2020年。

2 结果分析

2.1 地-气温差的年变化

图1给出了石家庄区域平均的气温Ta、0 cm地温Ts和地-气温差(Ts-Ta)的多年平均值的年变化曲线。从图中可以看到,3条曲线的年变化趋势基本上是一致的,都呈抛物线型。从气温和0 cm地温的变化趋势上也可以看出,在深秋11月和冬季2条曲线非常接近或基本重合,说明深秋11月和冬季地-气温差很小;夏季地-气温差最大,春季地-气温差大于秋季。气温和0 cm地温的最小值都出现在1月,分别为-2.7 ℃、-3.3 ℃;气温和0 cm地温从1月开始持续上升,7月达到最大值,最大值分别为26.3 ℃、30.1 ℃,然后从7月开始又逐渐减小。地-气温差从1月开始逐渐增加,到5月达到最大值5.0 ℃,然后开始减小,12月达到最小值-0.8 ℃。地-气温差在1月、11月和12月为负值,即这3个月气温高于0 cm地温,其余月则均为正值。不同地区地理环境和下垫面热力状况等存在差异,会造成地-气温差的年内变化特征有所不同[18]。

图1 1972—2021年石家庄区域平均气温(Ta)、0 cm地温(Ts)和地-气温差(Ts-Tq)的年变化

2.2 地-气温差的空间分布

从石家庄1972—2021年多年平均(图2)及四季(图3)地-气温差空间分布可以看出:①石家庄多年平均地-气温差在1.6～2.6 ℃之间,区域平均为2.1 ℃;西部的井陉、平山、石家庄和正定低于2.0 ℃,低值中心为井陉和石家庄;其他县(市、区)都在2.0 ℃及以上,仅新乐超过2.5 ℃,年平均地-气温差达到2.6 ℃;整体上东部大于西部。②春季、夏季和秋季的平均地-气温差均为正值:春季平均地-气温差在3.0～3.9 ℃之间,区域平均为3.6 ℃,井陉最低,行唐、新乐和无极最高,石家庄为3.1 ℃;夏季平均地-气温差在3.4～4.8 ℃之间,区域平均为4.1 ℃,石家庄最低,新乐最高;秋季平均地-气温差在0.7～1.9 ℃之间,区域平均为1.2 ℃,井陉最低,新乐最高,石家庄为0.8 ℃。③冬季平均地-气温差以负值为主,在-1.0～0.0 ℃,区域平均为-0.4 ℃,井陉最低,行唐和元氏最高,均为0.0 ℃,说明行唐和元氏冬季平均地温与平均气温相同。

图2 1972—2021年石家庄多年平均地-气温差空间分布

图3 1972—2021年石家庄春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)平均地-气温差空间分布

廖要明等[18]认为,地-气温差夏季最大、冬季最小是因为夏季湍流交换最强,冬季湍流交换最弱的缘故。冬季我国东北、华北以及内蒙古中东部、新疆等地的地-气温差出现负值,主要是由于这些地区冬季地表多为冰雪覆盖,反照率大,地表获得的太阳有效辐射较小,同时浅层土壤为冻土,还需要吸收地表的大量热量,因而造成地表温度低于气温,地-气温差为负值。

2.3 地-气温差的变化速率

2.3.1 逐年变化速率

图4a给出了1972—2021年石家庄逐年平均气温、0 cm地温的变化曲线和线性趋势,可以看到,近50年石家庄平均气温和0 cm地温均呈非常显著的上升趋势(均通过0.001水平显著性检验),上升速率分别为0.40 ℃/10a、0.26 ℃/10a,平均气温的上升速率比0 cm地温更强。图4b给出了近50年石家庄逐年平均地-气温差的变化曲线和线性趋势,可以看到,20世纪90年代前,石家庄年平均地-气温差年际变化不大;20世纪90年代开始到21世纪00年代地-气温差呈现持续减小趋势,2008年达到最低值1.1 ℃(最高值为2.9 ℃,出现在1972年);21世纪10年代开始地-气温差又表现为增大趋势。整体上,近50年石家庄地区年平均地-气温差呈非常显著的减小趋势,变化速率为-0.14 ℃/10a,通过了0.001水平显著性检验。

从年平均地-气温差变化趋势的空间分布看(图5),除赞皇表现为弱的增大趋势(0.01 ℃/10a)外,其他县(市、区)年平均地-气温差均呈减小趋势,变化速率在-0.38～-0.01 ℃/10a之间,正定减小趋势最强,石家庄市区为-0.17 ℃/10a。西南部的井陉、元氏、赵县和高邑的减小趋势较弱,未通过显著性检验;无极仅通过0.10水平显著性检验,减小趋势较为显著;平山通过0.05水平显著性检验,减小趋势显著;另外10个县(市、区)均通过0.01及以上水平显著性检验,减小趋势非常显著。

图5 1972—2021年石家庄年平均地-气温差变化速率的空间分布(▲、△、○、●分别表示通过0.001、0.01、0.05、0.1的显著性水平检验,下同)

2.3.2 四季变化速率

近50年春、夏、秋冬四季平均地-气温差均在波动中表现为减小趋势(图略),变化速率分别为-0.09 ℃/10a、-0.26 ℃/10a、-0.13 ℃/10a和-0.08 ℃/10a。夏、秋、冬三季通过了0.01水平显著性检验,即这三季地-气温差的减小趋势非常显著,其中夏季的减小趋势最强;春季仅通过了0.10水平显著性检验,因此春季地-气温差的减小趋势比较显著。

图6给出了石家庄四季平均地-气温差变化趋势的空间分布。在春季, 井陉、无极和赵县的地-气温差表现为微弱的增大趋势,变化速率分别为0.02、0.08和0.05 ℃/10a,均未通过显著性检验。其他14个县(市、区)均为减小趋势,变化速率在-0.35～-0.02 ℃/10a,正定减小趋势最强,石家庄市区为-0.10 ℃/10a。在夏季,各县(市、区)地-气温差均呈减小趋势,变化速率在-0.58～-0.08 ℃/10a,正定减小趋势最强,石家庄市区为-0.27 ℃/10a。在秋季,井陉、元氏和赞皇的地-气温差呈微弱的增大趋势,变化速率分别为0.05、0.03和0.03 ℃/10a,均未通过显著性检验。其他14个县(市、区)均为减小趋势,变化速率在-0.36～-0.05 ℃/10a,栾城减小趋势最强,石家庄市区为-0.17 ℃/10a。在冬季,新乐、深泽、元氏、赞皇和高邑地-气温差表现为微弱的增大趋势,变化速率在0.03～0.16 ℃/10a,赞皇的增大趋势最强。赵县地-气温差的变化速率为0。其他11个县(市、区)均为减小趋势,变化速率在-0.40～-0.04 ℃/10a,栾城减小趋势最强,石家庄市区为-0.12 ℃/10a。

图6 1972—2021年石家庄春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)平均地-气温差变化速率的空间分布

3 结论与讨论

利用石家庄17个国家气象站1972—2021年逐日气温、0 cm地温资料,对石家庄地-气温差的变化特征进行了分析,得到以下结论:

(1)石家庄地-气温差从1月开始逐渐增加,5月达到最大值5.0 ℃,然后开始减小,12月达到最小值-0.8 ℃;石家庄地-气温差在11月、12月和次年1月为负值,其余月均为正值。

(2) 石家庄多年平均地-气温差在1.6～2.6 ℃之间,平均为2.1 ℃;西部的井陉、平山、石家庄和正定低于2.0 ℃,低值中心为井陉和石家庄;其他县(市、区)都在2.0 ℃及以上,新乐超过2.5 ℃,年平均地-气温差达到2.6 ℃;整体上东部大于西部。春季、夏季和秋季的平均地-气温差均为正值,夏季地-气温差最大,春季大于秋季;冬季平均地-气温差以负值为主。

(3)近50年石家庄年平均地-气温差呈显著的减小趋势,变化速率为-0.14 ℃/10a。大部分县(市、区)年平均地-气温差均呈显著或非常显著的减小趋势。春、夏、秋、冬4季平均地-气温差均表现为减小趋势,变化速率分别为-0.09 ℃/10a、-0.26 ℃/10a、-0.13 ℃/10a和-0.08 ℃/10a;夏、秋、冬3季的减小趋势非常显著,其中夏季的减小趋势最强。石家庄市区和近郊站点年和四季地-气温差的减少趋势更显著。