1980—2020年三明市地溫與氣溫變化特征及相關性分析

龔 偉

(1.福建省災害天氣重點實驗室,福建 福州 350000;2.福建省三明市氣象局,福建 三明 365000)

0 引言

地溫是地表面及以下不同深處土壤溫度的統稱,氣溫則是表示空氣冷熱程度的物理量。地溫是氣象觀測項目之一,更是十分有用的氣候資源,不僅對植物生長發育有直接影響,還對人類日常生活發揮著重要作用。近年來,很多學者研究發現我國大部分地區地溫呈明顯升高趨勢[1-2],但在不同季節、不同地域對氣候變化的響應程度會有所不同[3-7]。我國大部分地區春季地溫年際變化發生異常的頻率最大,冬夏季節發生異常的頻率相對較小。陳超等[8-9]對桂林和阿拉善左旗地區的氣溫和地溫進行了研究分析,發現地溫隨氣溫增加而增加,但增溫速率有所差異,年均氣溫比地溫對氣候變化的響應更快、更強烈(0 cm地溫除外),氣溫和地溫的升溫存在非對稱性;康文英等[10]對氣溫與淺層地溫進行了研究,發現氣溫與地溫變化具有較好的一致性。三明市地處福建省西北部,生態資源稟賦優勢明顯。在氣候變暖的大背景下,本文擬開展地溫對氣溫變化的響應研究,以期為城市熱島效應、綠色建筑建造和精細化城市氣象服務等提供參考。

1 資料和方法

1.1 資料

采用1980—2020年三明轄區11個縣(市)區氣象站的淺層地溫(0～20 cm)和氣溫日均值數據資料。

1.2 累積距平和信噪比

氣候突變采用累積距平曲線確定,計算公式如下:

(1)

通過信噪比檢驗是否產生氣候突變[11],計算公式如下:

(2)

2 分析與結果

2.1 地溫、氣溫的年代際變化特征

由圖1可知,三明市1980—2020年0～20 cm各層地溫都比年平均氣溫高,表明地面起到給大氣補給熱量的作用。

由表1可知,氣溫和各層地溫在年代際變化上呈上升趨勢,從20世紀90年代開始,平均氣溫和地溫明顯增暖。平均氣溫和各層地溫在21世紀10年代是最大的,表明21世紀10年代是1980—2020年中最暖的。

圖1 1980—2020年三明市年平均氣溫和0～20cm地溫趨勢

表1 三明市各年代際氣溫和各層平均地溫分布表 單位:℃

由表2可知,氣溫和各層地溫階段性特征明顯,不同年代變化幅度不同,但氣溫和地溫變化趨勢較一致。

表2 三明市各年代際氣溫溫差和各層地溫 單位:℃

由表3可知,1980—2020年平均氣溫為18.8 ℃,低于各層地溫2.4～3.0 ℃,而氣候傾向率氣溫比地溫高,表明氣溫對氣候變化的響應速率高于地溫,地溫、氣溫的升溫速率不對稱。

表3 1980—2020年三明市平均溫度及氣候傾向率 單位:℃

2.2 地溫、氣溫的季節性變化特征

由表4可知,1980—2020年各季平均氣溫和各層地溫總體呈上升趨勢,但各季的年代際變化趨勢不一致,春冬季呈持續上升趨勢,夏秋季呈先降后升趨勢。

各季氣溫和地溫年代際變化幅度較不一致,具體來說,春季在20世紀90年代升溫幅度最大,20世紀90年代平均氣溫較20世紀80年代升高了0.4 ℃,0～20 cm各層地溫升高了0.2～0.4 ℃;夏季在21世紀00年代升溫幅度最大,平均氣溫較20世紀90年代升高了0.5 ℃,0～20 cm各層地溫升高了0.3～0.5 ℃;秋季在 21世紀10年代升溫幅度最大,平均氣溫比20世紀00年代升高了0.7 ℃,0～20 cm各層地溫升高了0.4～0.6 ℃;冬季在20世紀90年代升溫幅度最大,平均氣溫比20世紀80年代升高了1.0 ℃,0～20 cm各層地溫升高了0.7～0.8 ℃。

表4 三明市各年代際各季節氣溫和各層地溫 單位:℃

2.3 地溫、氣溫相關性分析

以0 cm地溫為例,利用三明市1980—2020年年平均氣溫和0 cm地溫,通過回歸方程計算相關系數,如圖2所示。經分析,氣溫與0 cm地溫相關系數在0.839～0.908,且均能通過0.05顯著性檢驗,表明地溫與氣溫的變化趨勢相一致。

圖2 平均氣溫與0 cm地溫相關性分析

2.4 地溫、氣溫突變分析

由圖3可知,年平均地溫與氣溫經歷了一次顯著波動,從1980年開始,氣溫和地溫都呈現出明顯下降的趨勢,且氣溫下降趨勢更加明顯,到1996年降至最低點。從1997年開始,氣溫和地溫呈上升趨勢。

圖3 1980—2020年三明市地溫與氣溫累積距平曲線

通過計算發現,年平均氣溫1997年信噪比為1.2,信噪比大于1.0,通過信噪比檢驗,表明氣溫在1997年發生了突變;0～20 cm各層平均地溫信噪比均小于1.0,未通過信噪比檢驗,表明地溫未發生突變現象。由圖4(a)可知,年平均氣溫突變前為18.4 ℃,較歷年平均值低0.4 ℃,突變后為19.2 ℃,較歷年平均值高0.4 ℃。圖4(b)的0 cm地溫變化前為21.5 ℃,較歷年平均值低0.3 ℃,變化后為22.0 ℃,較歷年平均值高0.2 ℃。同理,5、10、15、20 cm平均地溫變化前分別為20.8、20.8、21.0、20.9 ℃,較歷年平均值均低0.3 ℃,變化后分別為21.3、21.4、21.5、21.5 ℃,較歷年平均值高0.2～0.3 ℃。

圖4 1980—2020年三明市年平均氣溫和0 cm年平均地溫的變化曲線及其突變

3 結論

①1980—2020年,三明市0～20 cm各層地溫比年平均氣溫都高,表明地面起到給大氣補給熱量的作用。但從氣候傾向率看,氣溫比地溫高,表明氣溫對氣候變化的響應速率高于地溫,地氣溫的升溫速率不對稱。在年代際變化上,平均氣溫和各層地溫呈現上升趨勢,從20世紀90年代開始明顯增暖,平均氣溫和各層地溫在21世紀10年代為最大,表明21世紀10年代是1980—2020年中最暖的。氣溫和各層地溫階段性特征明顯,不同年代變化幅度不同,但氣溫和地溫變化趨勢較一致。

②1980—2020年,三明市各季平均氣溫和各層地溫總體呈上升趨勢,但各季的年代際變化趨勢不一致,春冬季呈持續上升趨勢,夏秋季呈先降后升趨勢。

③通過相關性分析,氣溫與各層地溫的相關系數在0.839～0.908,且均能通過0.05顯著性檢驗,表明地溫與氣溫的變化趨勢相一致。

④1980—2020年,三明年平均地溫與氣溫經歷了一次顯著波動,1980年開始氣溫和地溫呈現出明顯下降的趨勢,且氣溫下降趨勢更加明顯,1996年降至最低點。從1997年開始,氣溫和地溫呈上升趨勢,且年平均氣溫在1997年增暖是一突變現象,突變的時間從1997年開始,而0～20 cm各層平均地溫并未發生突變現象。