1964—2018年天水市深层地温变化特征分析
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作者:李晓鹤 张诚 武方舒 李亚丽 杨宏伟
摘要為了全面分析天水55年来各深层地温的气候变化特征，利用天水国家气象观测站1964—2018年0.8、1.6、3.2 m逐月平均地温资料，对其变化规律进行研究。结果表明，1964—2018年天水各深层地温呈显著的上升趋势，其升温幅度为0.398～0.426 ℃/10 a。0.8、1.6 m 深层地温最大值出现在夏季，最小值出现在冬季;3.2 m深层地温最大值出现在秋季，最小值出现在春季。春、秋两季1.6 m土层平均地温的变化最活跃;夏、冬两季各层地温的变化特点正好相反，夏季深层平均地温随深度增加而降低，冬季则相反。气温和浅层地温与深层平均地温的年变化趋势呈显著正相关关系，在变化尺度上保持了高度的一致性。采用Mann-Kendall检验法检测天水各深层地温序列的突变现象发现，各深层平均地温在2001年前后均发生了突变，表明从2001年开始天水的深层平均地温进入了增高时期，以突变点2001年为界，增暖后时段的平均值比增暖前高0.37～0.52 ℃/10 a。
关键词深层地温;变化特征;Mann-Kendall检验;天水市
中图分类号P423文献标识码A
文章编号0517-6611（2020）04-0212-05
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.04.062
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Analysis of the Variation Characteristics of Deep Layer Underground Temperature at Tianshui City from 1964 to 2018
LI Xiao-he1，2，ZHANG Cheng3，WU Fang-shu3 et al（1.Tianshui Meteorological Bureau，Tianshui，Gansu 741018;2.Tianshui Weather Modification Office，Tianshui，Gansu 741018;3.Zhangjiachuan Meteorological Bureau，Zhangjiachuan，Gansu 741500）
AbstractIn order to study the characteristics of deep layer underground temperature，the variation characteristics in every deep layer temperature had been analyzed with the data of underground temperature at 0.8 m，1.6 m，3.2 m on the Tianshui National Meteorological Observation Station from 1964 to 2018.The results showed that the deep layer temperature had been turned to arising from 1964 to 2018 and the range was from 0.398 ℃ to 0.426 ℃ every ten years.The peak value of underground temperature at 0.8 m and 1.6 m appeared at summer while it’s lowest value appeared at winter.The peak value of underground temperature at 3.2 m appeared in at autumn while it’s lowest value appeared at spring.The underground temperature at 1.6 m varies actively during spring and autumn.In summer and winter，the variation of ground temperature in each layer were just opposite which the temperature decrease with the depth in summer and increase with depth in winter.The underground temperature variation trend of the shallow layer and deep layer showed significant positive correlation and keep a high degree of consistency on the scale.The Mann-Kendall test was used to detect the abrupt changes in the underground temperature sequence of each layer in Tianshui.It was found that the average underground temperature in each of the deep layers changed abruptly around 2001，indicating that the deep average underground temperature in Tianshui had entered an increasing period since 2001.For the boundary，the average value after the warming period was 0.37-0.52 ℃/10 a higher than that before the warming. Key wordsUndergroud temperature in deep layer;Variation characteristics;Mann-Kendall test;Tianshui City
陆地下垫面与大气之间的相互作用影响着各种尺度的天气、气候变化，它主要通过下垫面反射率、土壤湿度、土壤热储量3个方面对大气环流和气候变化产生重要影响[1-2]。在下垫面与大气之间的相互作用中，土壤自身吸收和释放太阳辐射能量产生的热量变化，会对大气中的天气气候变化产生一定的反馈作用[3-5]。对于土壤温度的变化特征，先后有多位学者进行了研究，Zhang等[6]对20世纪加拿大土壤温度变化进行了研究，发现土壤温度对气温和降水的响应过程对气候变化会产生明显影响;Hu等[7]通过分析美国1967—2002年地温的季节变化特征，认为地温与气温的变化有较一致的同步性;董文杰等[8]提出了用地温资料计算土壤热流的方法;汤懋苍等[9]对深层土壤温度与后期降水的关系进行了长期研究，开始用深层地温来做降水预报。天水地处甘肃省东南部，属于温和半干旱半湿润气候类型，气候变化在很大程度上影响着当地经济的发展。近年来，对天水市的降水、雷暴、气温等要素变化特征已经有了较多的研究，但对天水深层地温变化规律的研究鲜见报道。因此，笔者选取甘肃天水国家气象观测站1964—2018年0.8、1.6和3.2 m深层地温逐月平均资料，分析近55年来天水深层地温的变化特征，以期揭示其对天气气候变化的响应。
1资料与方法
1.1资料选取从保证资料的均一性和序列长度的原则考虑，选取资料年限在50年以上的天水国家气象观测站（104°53′E，34°43′N，1 141.7m）1964—2018年0.8、1.6和3.2 m深層地温逐月平均资料进行分析。其中，对站址有迁移的2004—2005年资料，通过一年的对比观测资料进行了差值法订正。资料采集方式上，2003年以前采用玻璃液体地温表人工观测资料，2004年以后采用WZP-1型铂电阻温度传感器自动采集数据。资料统计方法遵循《地面气象观测规范》规定，日平均值取每日02：00、08：00、14：00、20：00 4次定时值之和除以定时次数而得，月平均值为该月逐日的日平均合计值除以该月总日数而得。季节划分为春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—翌年2月）。
1.2分析方法采用Excel 2003软件统计处理数据，利用趋势分析法[10]分析其变化特征，采用Mann-Kendall法[11]对资料序列进行突变检验。
2结果与分析
2.1深层地温年际变化特征
1964—2018年天水0.8、1.6、3.2 m深层地温平均值分别为13.2、13.4、13.6 ℃。其中，0.8、1.6 m深层地温最大值出现在夏季，最小值出现在冬季;3.2 m深层地温最大值出现在秋季，最小值出现在春季。
由图1可知，天水0.8、1.6、3.2 m深层地温的年平均值呈明显的阶段性特征。1964—1976年各层地温呈下降趋势;1977—1992年各层地温在平均值上下呈现波动;1993—2016年各层地温均呈极显著上升趋势;2016年后各层地温又呈现下降趋势。总体来看，1964—2018年天水深层地温呈波动状缓慢上升趋势，且各土层地温变化趋势具有较强的一致性。0.8、1.6、3.2 m深层地温的变化倾向率分别为0.398、0.418、0.426 ℃/10 a，其相关系数分别为0.784 4、0.825 8、0.853 5。在相同的时间段，土层越深则温度越高;在不同的变化阶段，较浅的土层地温变化幅度比深层的土层大。
分析深层地温的年际和四季变化情况（表1）可知，1964—1990年深层地温（与多年平均值相比）偏低，1991—2000年比多年平均值稍低，进入2001年后各深层地温明显偏高。以2001年为界，其前、后2个阶段，各层地温的变化趋势差异显著。
从季平均地温的各年代气候变化倾向率看，2000年之前各季深层地温均有所下降，其中0.8、1.6 m平均地温在夏季降幅较大，3.2 m平均地温在秋季降幅较大，各层平均降温幅度为0.01～0.02 ℃/l0 a;2001年之后各季深层地温增温趋势明显，其中0.8、1.6 m平均地温在夏季升温幅度较大，3.2 m在夏季和秋季升温幅度较大，各层平均增温幅度为0.76～0.84 ℃/l0 a。
2.2深层地温月变化特征
从0.8、1.6和3.2 m各深层平均地温的逐月变化情况（图2）可以看出，0.8 m深层平均地温在1—8月为上升趋势，且3—6月升幅较大，其平均地温最高值出现在8月;在8月—翌年1月为下降趋势，且10—12月降幅较大，其平均地温最低值出现在1月。1.6 m深层平均地温在2—8月为上升趋势，且4—7月升幅较大，其平均地温最高值出现在8月;在9月—翌年2月为下降趋势，其平均地温最低值出现在2月。3.2 m深层平均地温变化趋势相对比较缓慢，在3—10月呈上升趋势，在10月—翌年3月呈下降趋势，月平均地温最高值出现在9月，最低值出现在3月。从天水0.8、1.6、3.2 m各深层地温各月气候变化趋势（表2）可看出，各月深层平均地温均呈增高趋势。
2.3深层地温季变化特征
从图3可看出，1964—2018年天水0.8、1.6、3.2 m各深层地温的各季节变化也具有显著的阶段性特征，但各季节深层地温的变化情况不尽相同。春季，1964—1992年各层地温均呈下降趋势，降幅在0.01～0.09 ℃/l0 a;1993年之后增温明显，升幅在0.28～0.91 ℃/l0 a;春季0.8 m土层平均地温最高，3.2 m土层次之，1.6 m土层的平均地温最低，各层的变化幅度相差不大。夏季，1976年前各层地温均呈下降趋势，降幅在0.39～0.49 ℃/10 a;1977—1993年在平均值上下波动;1994年之后增温明显，升幅达1.15～1.53 ℃/l0 a;夏季0.8 m土层平均地温最高，1.6 m土层次之，3.2 m土层的平均地温最低。秋季，1976年前各层地温均呈下降趋势，降幅在0.53～0.68 ℃/l0 a;1977—1992年呈现波动上升，升幅在0.02～0.33 ℃/l0 a;1993年之后增温明显，升幅在0.84～1.24 ℃/l0 a;秋季1.6 m土层的平均地温最高，3.2 m土层最低。冬季，1976年前各层地温均呈下降趋势，降幅在0.38～0.57 ℃/l0 a;1977年后呈现缓慢上升，升幅在0.03～0.19 ℃/l0 a;冬季3.2 m平均地温最高，1.6 m 土层次之，0.8 m土层的平均地温最低。 从上述分析可见，1.6 m土层春季的平均地温最低，秋季的平均地温最高，说明在春、秋两季1.6 m土层平均地温的变化比0.8和3.2 m活跃。夏季各土层的平均地温随深度的增加而降低，说明热量传递由浅向深，是土壤自身吸收太阳辐射、积蓄能量的过程;冬季正好相反，各土层的平均地温随深度的增加而升高，说明热量传递由深向浅，是土壤释放能量的过程。总体来看，1964—2018年天水四季深层平均地温的变化趋势存在共同特征，均呈上升趋势。其中21世纪以来0.8、1.6、3.2 m各深层平均地温均高于20世纪以前。
2.4深层地温与浅层地温和气温的关系
由图4可见，1964—2018年天水0、15、40 cm浅层平均地温总体呈上升趋势，其气候倾向率为0.227～0.334 ℃/10 a（P<0.01）。从浅层与深层平均地温的年变化趋势对比可知，两者的变化趋势具有较高的一致性，但当地温上升时，浅层地温的上升幅度比深层大;当地温下降时，浅层地温的下降幅度比深层小。对0、15、40 cm浅层平均地温和0.8、1.6、3.2 m深层平均地温进行相关检验，其相关系数在0.603～0.787（P<0.01）。
1964—2018年天水平均气温总体也呈上升趋势，气候倾向率为0.384 ℃/10 a（P<0.01）。其中，1964—1976年平均气温呈现下降趋势，1977—1993年在平均值上下呈缓慢波动上升，1994年以后气温快速上升。对1964—2018年平均气温与0.8、1.6、3.2 m深层平均地温进行相关分析，发现其相关系数分别为0.831、0.847、0.831（P<0.01），表明气温与各深层地温之间关系呈显著正相关。
2.5深层地温的突变检验从图5可看出，近55年来天水0.8、1.6、3.2 m深层地温均在2001年发生了突变，且各层次地温的变化趋势较为一致，说明从2001年开始天水的深层平均地温进入了增高时期，其变化趋势与全国和西北地区基本一致[12-13]。以突变点2001年为界，统计天水0.8、1.6、3.2 m深层地温突变前（1964—2000年）、后（2001—2018年）的各层地温平均值，突变前、后上升幅度分别为0.11～0.17和0.48～0.69 ℃/10 a，增暖后时段的平均值比增暖前高0.37～0.52 ℃/10 a。
3结论与讨论
（1）1964—2018年天水0.8、1.6、3.2 m深层平均地温分别为13.2、13.4、13.6 ℃，各深层地温总体上均呈缓慢上升趋势，其升温幅度分别为0.398、0.418、0.426 ℃/10 a。
（2）各季节深层地温的变化情况不尽相同。0.8、1.6 m深层地温最大值出现在夏季，最小值出现在冬季;3.2 m深层地温最大值出现在秋季，最小值出现在春季。在春、秋两季，1.6 m土层平均地温的变化最活跃;夏、冬两季各层地温的变化特点正好相反，夏季深层平均地温随深度增加而降低，冬季深层平均地温随深度增加而升高。
（3）气温变化是影响深层地温变化的主要因素之一，1964—2018年天水平均气温与各深层地温间呈显著正相关关系，年平均气温高的年份，深层地温也高。1964—2018年天水0～40 cm浅层地温与0.8～3.2 m深层地温的总体变化趋势也高度一致，呈显著正相关关系。
（4）Mann-Kendall突变检验表明，天水0.8、1.6、3.2 m深层地温均在2001年发生了突变，表明从2001年开始天水的深层平均地温进入了增高时期，以突变点2001年为界，增暖后时段的平均值比增暖前高0.37～0.52 ℃/10 a。
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