甄 英， 季 薇， 李傳輝， 鄭 楊

(內(nèi)江師范學(xué)院 地理與資源科學(xué)學(xué)院， 四川 內(nèi)江 641100)

0 引言

IPCC評(píng)估報(bào)告中稱近百年全球地表氣溫升高約0.89℃，氣候變化使得生態(tài)系統(tǒng)和人類生存正面臨著前所未有的嚴(yán)峻挑戰(zhàn).陸地下墊面過(guò)程是引起氣候變化的重要因子，地表溫度(0 cm地溫)則是土壤的重要物理指標(biāo).隨著人們對(duì)土地利用程度的不斷加大，下墊面的改變對(duì)氣候、植被等產(chǎn)生了重要影響[1],因此，了解地表溫度的變化對(duì)深入研究氣候與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要意義.

已有較多學(xué)者對(duì)地表溫度變化特征進(jìn)行了研究，如喬麗等[2]對(duì)中國(guó)近50 a地表溫度時(shí)空變化特征分析，指出中國(guó)平均地表溫度呈顯著上升趨勢(shì)，尤其2000年以來(lái)中國(guó)年平均地表溫度增溫趨勢(shì)最顯著;王雪姣等[3]對(duì)新疆0 cm地溫的時(shí)空分布特征及突變分析指出新疆0 cm地溫呈顯著波動(dòng)上升趨勢(shì)，突變點(diǎn)為1999年.在全球變暖的背景下，氣溫、降水等的變化也影響著地溫，人們也密切關(guān)注著它們的相互變化[4-7].如王佳琳等[8]對(duì)中國(guó)0 cm地溫變化特征及與氣溫關(guān)系進(jìn)行了分析，指出中國(guó)0 cm地溫呈先降低后升高的趨勢(shì)，大部分地區(qū)0 cm地溫與氣溫變化趨勢(shì)一致;周刊社等[9]對(duì)我國(guó)西藏地表溫度對(duì)氣溫的響應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn)，地表溫度隨著氣溫顯著升高，西藏西部和中部的增溫幅度明顯高于東部.

四川省地處西南內(nèi)陸，川內(nèi)地勢(shì)起伏落差較大，東部是典型盆地區(qū),西部是高原山地區(qū)，加之受大氣環(huán)流的影響，東西部氣候截然不同，也是我國(guó)自然災(zāi)害多發(fā)的區(qū)域之一.已有較多學(xué)者對(duì)四川降水[10-12]、氣溫[13-14]等特征做了詳細(xì)研究，但是針對(duì)地表溫度的研究還較少報(bào)道，只有王冰等[15]對(duì)川南山區(qū)6個(gè)分區(qū)的地表溫度與氣溫變化做了研究，于真[16]對(duì)四川地表溫度時(shí)空變化特征及評(píng)價(jià)模型做了研究，但未分析其影響因素.因此，本文通過(guò)對(duì)近38年來(lái)四川省地表溫度變化的時(shí)空分布規(guī)律及突變和周期性進(jìn)行研究，分析氣象要素對(duì)其影響關(guān)系，能更系統(tǒng)地了解四川省氣候變化的原因.

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

本文選用0 cm地溫表示地表溫度，氣象數(shù)據(jù)(包括降水量、日照時(shí)數(shù)、氣溫與風(fēng)速)來(lái)源于中國(guó)國(guó)家氣象服務(wù)中心.選取四川省1980—2017年26個(gè)氣象臺(tái)站的日平均數(shù)據(jù),包括川東的萬(wàn)源、達(dá)州、巴中、廣元、閬中、綿陽(yáng)、遂寧、成都、樂(lè)山、峨眉山、敘永；川西北的若爾蓋、紅原、松潘、馬爾康、小金、康定、色達(dá)、甘孜、石渠、德格、道孚和理塘；川西南的木里、西昌和會(huì)理等.

通過(guò)對(duì)日數(shù)據(jù)求均值得到月、四季、年數(shù)值，采用氣候傾向率、M-K檢驗(yàn)、Morlet小波變換等分析方法，結(jié)合ArcGIS空間插值技術(shù),對(duì)地表溫度時(shí)空變化特征、突變性和周期性，以及降水、日照、氣溫與風(fēng)速對(duì)地表溫度的影響進(jìn)行分析.

2 結(jié)果分析

2.1 地溫時(shí)間變化特征

2.1.1 年際變化特征

近38年來(lái)四川省地表溫度均值為13.38℃，整體以0.48℃/10a的速率呈顯著上升趨勢(shì)(p<0.05)(見(jiàn)圖1),這與全國(guó)地溫呈升溫趨勢(shì)相一致,但升溫速率高于全國(guó)水平(0.29℃/10 a)[2].具體來(lái)看，四川省地表溫度整體變化經(jīng)歷了“升-降-升-降-升”五個(gè)階段：1980—1988年是第一階段，整體呈上升趨勢(shì)；第二階段為1989—1993年，整體呈下降趨勢(shì)，且1993年為研究時(shí)段地表溫度最低點(diǎn)(12.37℃)；第三階段為1994—2006年，整體波動(dòng)上升，其中2006年為研究時(shí)段地表溫度最高點(diǎn)(14.99℃)；第四階段為2007—2012年，整體波動(dòng)下降；2013—2017年整體又呈上升趨勢(shì)是第五階段.

圖1 四川省地表溫度年際變化趨勢(shì)

2.1.2 四季變化特征

四川省各季節(jié)地表溫度均呈顯著的升溫趨勢(shì)(通過(guò)P=0.05置信度檢驗(yàn))，但不同季節(jié)升溫幅度及年際變化程度都存在明顯差異(見(jiàn)圖2).春季，地表溫度升溫明顯，速率為0.57℃/10 a，按其變化趨勢(shì)大概分為兩個(gè)階段：20世紀(jì)80年代地溫先升后降，到1989年達(dá)到最低值后以升溫趨勢(shì)為主.夏季，地表溫度以0.41℃/10 a的速率輕微上升，1980—1990年代降溫為主，進(jìn)入21世紀(jì)開(kāi)始波動(dòng)升溫.秋季地表溫度的升溫速率為0.40℃/10 a，變化趨勢(shì)與夏季相似，即呈先降溫后升溫的趨勢(shì).冬季0 cm地溫升溫最明顯，速率為0.67℃/10 a，研究時(shí)段整體均呈上升趨勢(shì).綜上所得，地表溫度年際變化具有明顯的季節(jié)性差異，冬、春升溫最為明顯而秋季最為微弱，且夏、秋季升溫過(guò)程較相近.

圖2 四川省地表溫度四季變化趨勢(shì)

2.2 地溫空間變化特征

2.2.1 年際空間變化特征

四川省地表溫度空間分布如圖3(a)所示.地表溫度整體呈從西北到東南逐漸升高的趨勢(shì)，西部是高原山地區(qū),而東部是典型盆地區(qū)，海拔逐漸降低，地溫隨之增加.具體來(lái)看，地表溫度最高地區(qū)位于川西南山地的西昌(20.50℃)和川東南的敘永(20.34℃),地表溫度低溫中心主要位于川西北高原的石渠(2.43℃)和色達(dá)(4.29℃).由四川省地表溫度氣候傾向率空間分布如圖3(b)所示.地表溫度變化傾向率在0.07～1.41℃/a之間，這表明其整體為升溫趨勢(shì).就升溫幅度而言，西部地區(qū)升溫高于較東部地區(qū)，增溫幅度最大位于川西南山地的木里(1.41℃/a)、其次為川西北高原的若爾蓋(0.94℃/a).

綜合圖3來(lái)看，四川省地表溫度較高的東部地區(qū)氣候傾向率卻較低，而在地溫的低溫中心即川西北高原卻呈現(xiàn)了較高的增溫趨勢(shì).由此可見(jiàn)，地表溫度的溫差在過(guò)去的38年中是呈縮小趨勢(shì)的，這與王佳琳等[8]研究的中國(guó)0 cm地表溫度變化特征結(jié)論相一致.

2.2.2 四季空間變化特征

四季變化中，除春季外其他季節(jié)地表溫度氣候傾向率分布存在普遍規(guī)律，即西部地區(qū)地表溫度升溫幅度高于東部地區(qū)，但各季節(jié)也表現(xiàn)出較為明顯的差異性(見(jiàn)圖4).春季，四川省地表溫度整體呈升溫趨勢(shì)，川西南山地區(qū)的木里和川東盆地區(qū)的閬中升溫幅度最大，達(dá)到了2.16℃/a.夏季地表溫度以升溫為主，只有樂(lè)山在過(guò)去38年中出現(xiàn)降溫趨勢(shì)，且降溫幅度較小(-0.074℃/a)；呈現(xiàn)升溫趨勢(shì)的地區(qū)，其升溫幅度也較小(最大值0.114℃/a).秋季，四川省大部分地區(qū)仍表現(xiàn)為升溫，升溫最明顯的地區(qū)為西部地區(qū)，幅度略高于夏季(最大值0.140℃/a)；川東絕大部分地區(qū)呈降溫趨勢(shì)，降溫幅度(-0.160℃/a)也大于夏季.冬季，地表溫度除川西北高原區(qū)的小金呈降溫(-0.033℃/a)外，四川省整體呈升溫趨勢(shì)，且西部地區(qū)升溫明顯，升溫幅度為0.146℃/a.

2.3 突變與周期分析

2.3.1 突變性分析

利用M-K檢驗(yàn)法對(duì)四川省地表溫度進(jìn)行突變檢驗(yàn)，一般取顯著性水平P=0.05(對(duì)應(yīng)臨界值U0.05=±1.96)，將UF和UB兩個(gè)序列曲線和±1.96兩條直線均繪在一張圖上(見(jiàn)圖5).由圖5可知，UF曲線值從2002年開(kāi)始均大于0，表明四川省地表溫度呈上升趨勢(shì)，進(jìn)一步觀察UF和UB曲線交點(diǎn)處在2004年且在±1.96兩條直線間，則表明地表溫度在此時(shí)開(kāi)始發(fā)生變化，地表溫度開(kāi)始明顯升高.

圖5 四川省地表溫度M-K檢驗(yàn)趨勢(shì)

2.3.2 周期性分析

對(duì)四川省地表溫度數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化后的序列進(jìn)行Morlet小波變換，繪出小波變換圖和小波方差圖(見(jiàn)圖6).由圖6可反映出地表溫度序列不同時(shí)間尺度變化位相結(jié)構(gòu)和突變線分布：小波系數(shù)零等值線對(duì)應(yīng)于突變線，正的等值線(實(shí)線)表示地溫偏高，負(fù)的等值線(虛線)表示地溫偏低.由圖6(a)可知，研究區(qū)地表溫度序列具有多時(shí)間尺度的變化特征：其中周期為25～38 a的低頻振蕩，在研究時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)了2條突變線，第一條位于1980年至1995年左右，第二條出現(xiàn)在1998至2005年,表明1980年代至1990年代中期為高溫期,1998至2005年為低溫時(shí)期，2005年至2017年為高溫時(shí)期.周期為16～25 a的低頻振蕩表現(xiàn)更強(qiáng)烈，出現(xiàn)了4條突變線，分別出現(xiàn)在1980年代、1990年代、2005年和2013—2017年,說(shuō)明1960年代、2005年為低溫時(shí)期，1990年代和2013—2017年為高溫時(shí)期.周期小于16 a的高頻振蕩的位相結(jié)構(gòu)和突變線分布更復(fù)雜，以突變線為分界線，高溫期與低溫期交替出現(xiàn).

為了給出地表溫度多時(shí)間尺度變化的主周期，進(jìn)一步繪制了研究區(qū)小波方差(見(jiàn)圖6(b)).由圖6(b)可知，研究區(qū)地溫序列存在3 a、5 a和23 a左右三個(gè)時(shí)間尺度的主周期，其中尤以主周期為23 a的振蕩能量最強(qiáng)大.

圖6 四川省地表溫度Morlet小波變換及方差

2.4 氣象因素影響分析

對(duì)四川省近38 a的年均降水量、年均日照時(shí)數(shù)、年均氣溫與年均風(fēng)速數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示.年均氣溫呈增加趨勢(shì)，其余三項(xiàng)因素均呈減小趨勢(shì).為進(jìn)一步明確地表溫度與降水量、日照時(shí)數(shù)、氣溫與風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系，利用SPSS軟件作皮爾遜(Pearson)相關(guān)分析并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)結(jié)果顯示，氣溫、日照時(shí)數(shù)都與地溫在0.01水平下呈顯著(P=0.00)的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.858和0.339，表明其兩者對(duì)地溫的影響較強(qiáng)；降水、風(fēng)速與地溫分別在0.05水平下,呈不顯著(P=0.535、P=0.389,且均大于0.05)負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.104和-0.144，表明兩者對(duì)地溫的影響較弱.因此，影響四川地表溫度的氣象因子依次為氣溫、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速和降水.

圖6 四川省年均降水量、年均日照時(shí)數(shù)、年均氣溫與年均風(fēng)速變化趨勢(shì)

3 結(jié)論

通過(guò)分析四川省1980—2017年地表溫度數(shù)據(jù)的時(shí)空變化特征、突變性，以及氣象因素對(duì)地溫的影響關(guān)系，得到如下結(jié)論：

(1)四川省地表溫度平均13.38℃，整體以0.48℃/10 a的速率呈顯著上升趨勢(shì).地表溫度整體呈西北低東南高的分布特征，東部地區(qū)升溫幅度低于西部地區(qū)，表明省內(nèi)整體地表溫度溫差在縮小.

(2)四川省地表溫度各季節(jié)均呈升溫狀態(tài)，分別以0.57℃/10 a、0.41℃/10 a、0.40℃/10 a和0.67℃/10 a的速率上升，冬春季升溫明顯，秋季升溫最弱.

(3)四川省地表溫度在2004年發(fā)生突變，具有多時(shí)間尺度變化特征，以突變線為分界線，高溫期與低溫期交替出現(xiàn).地表溫度序列存在3 a、5 a和23 a左右三個(gè)時(shí)間尺度的主周期，其中主周期為23 a的振蕩能量最強(qiáng)大.

(4)年均氣溫與地表溫度變化均呈增加趨勢(shì)，且兩者間具有顯著相關(guān)性，日照時(shí)數(shù)也呈顯著相關(guān)性，這是影響地表溫度變化的兩個(gè)主要?dú)庀笠蛩?

隨著氣候的變暖，地表溫度也逐漸升高，但四川省內(nèi)各地地表溫度變化差異較大.本文主要探討了氣溫、降水等氣象因素和地勢(shì)對(duì)其的影響，而環(huán)流和季風(fēng)對(duì)地表溫度的影響涉及較少，這都有待研究.