论文部分内容阅读
摘要 利用1961—2011年沈阳市0.8、1.6、3.2 m逐月平均地温资料，采用气候倾向率、累计距平、信噪比等气候学诊断方法，分析沈阳市各深层地温年、季、月变化趋势及异常、突变等特征。结果表明：各层年平均地温均呈增温趋势；且随着深度的加深，其月变化幅度逐渐减小，并具有滞后性；年、季平均地温异常年份多出现在20世纪90年代中后期，异常偏高年份明显多于异常偏低年份；且均发生了气候突变。
关键词 深层地温；气候变暖；变化特征；气候异常；气候突变；辽宁沈阳
中图分类号 P461.4 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）23-0252-02
近年来在全球变暖的大背景下，人们在关注气温变化的同时[1-4]，也在关注地温的变化。陆小波等[5]通过对中国近50年的地温变化进行分析指出：地温的区域变化特征显著，20世纪90年代后东北地区增温最显著，春季地温年际变化出现异常的频率最大。刘晓东等[6]对青藏高原地区地表热状况在夏季东亚大气环流中的作用进行了一些数值试验和分析，结果发现土壤温度等地表状况的变化对大气环流有很大影响。朱乾根等[7]采用美国Oregon州立大学的2层大气环流模式考查了土壤湿度和地表反射率对北方气候的影响。王旻燕等[8]在《GMS5反演中国几类典型下垫面晴空地表温度的日变化及季节变化》中指出：地表是地球和大气能量交换的界面，地表温度是描述地表自然生态环境的一个重要物理量，它决定着地表向大气的长波能量辐射能力，也是气候系统变化的一个重要参数。辽宁省地处全球气候变暖的敏感区内，变暖趋势大于全球的平均变暖趋势[9]，因此有必要研究地温的变化特征，揭示其对气候变化的响应，可以为确定作物播种期、调整种植结构等提供参考依据。
1 资料与方法
1.1 资料来源
资料来源于辽宁省气候中心，选取沈阳市1961—2011年0.8、1.6、3.2 m 月平均地温常规气象观测资料，其中12月至翌年2月为冬季，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季。多年平均值采用1971—2000年30年的平均值。
1.2 研究方法
1.2.1 气候倾向率。平均地温的气候倾向率采用一元线性方程法[10]，见式（1）。
Y=at b（1）
式（1）中，Y为年平均地温；t为年份；a为回归系数，也称线性趋势项，把a×10称为平均地温每10年的气候倾向率。
1.2.2 累积距平和信噪比。气候突变是指气象要素变化过程中存在的某种不连续现象，此处用累积距平曲线来确定[10]，计算公式见式（2）。
Xt=■（Xi-X）（2）
式（2）中，Xi为地温的某年均值；X为地温的多年平均值。当Xt值达到最大时，该年为突变转折年。为了检验突变转折年是否达到气候突变的标准，计算其信噪比[10]，计算公式见式（3）。
RSN=■（3）
式（3）中，X1、X2和S1、S2分别为转折年前、后2个阶段平均地温的平均值和标准差；RSN为信噪比，当RSN>1.0，则认为存在气候突变，最大信噪比所对应的年份为气候突变出现年。
2 结果与分析
2.1 深层地温的气候倾向率
1961—2011年沈阳市深层地温的气候倾向见表1。由表1可知，近51年沈阳市0.8、1.6、3.2 m年平均地温均呈增温趋势。其中，1.6 m增温幅度最大（0.349 ℃/10年），3.2 m次之（0.319 ℃/10年），0.8 m增温幅度最小（0.247 ℃/10年）。
从各层季平均地温的倾向率来看，除3.2 m季平均地温在夏季呈微弱的下降趋势外（-0.02 ℃/10年），其他各层各时段均呈增温趋势。其中，0.8 m在春季增温明显，平均升温0.407 ℃/10年，秋季次之，为0.281 ℃/10年，冬季最小，为0.147 ℃/10年；1.6 m在春季增温明显，平均升温0.445 ℃/10年，秋季次之，为0.395 ℃/10年，夏季最小，为0.220 ℃/10年；3.2 m在冬季增温明显，平均升温0.585 ℃/10年，春季次之，为0.485 ℃/10年，夏季地温下降0.02 ℃/10年。
2.2 深层地温的年际变化特征
近51年沈阳市0.8、1.6、3.2 m地温有一个共同的特征，1961—1993年间除极个别年份外，多为负距平，1994—2007年间0.8、1.6 m均为正距平，3.2 m正距平持续到2005年，之后均为负距平。其中各层距平在1996—1999年间明显偏高。
1961—2011年沈阳市各深层平均地温逐年变化曲线见图1。由图1可知，近51年沈阳市0.8、1.6、3.2 m地温在20世纪60年代变化平稳，70年代初期明显上升之后出现下降，在1977年达到近51年来最低，分别为8.2、8.5、9.1 ℃；70年代末期至90年代初期变化平稳，20世纪90年代至21世纪00年代中期各层地温明显高于其他年代，1.6、3.2 m最大值出现在此时段的1996年，0.8 m最大值出现在1998年，各层在21世纪00年代后期均呈下降趋势。
2.3 深层地温的月变化特征
1961—2011年沈阳市各深层平均地温逐月变化趋势见图2。由图2可知，越接近地表，气温的月变化幅度越大。其中，0.8 m地温3—8月逐渐上升，在8月达到最大，为21.5 ℃，4—5月间增幅最大（上升7.8 ℃），9月至翌年2月逐渐下降，2月最低，为-0.7 ℃。1.6 m地温4—8月逐渐上升，在8月、9月达到最大，均为18.3 ℃，10月至翌年3月逐渐下降，3月最低，为2.5 ℃。3.2 m地温5—9月逐渐上升，在9月、10月达到最大，均为14.9 ℃，11月至翌年4月逐渐下降，在4月最低，为6.7 ℃。由此可见，随着月份的变化平均地温在上升、下降阶段，3.2、1.6、0.8 m相续滞后1个月，上升阶段同时也是热量由浅层向深层传递的过程，反之亦然。 2.4 深层地温的异常特征
气候异常主要指显著偏离平均状态的异常情况。通过对1961—2011年沈阳市深层年、季平均地温异常年份分析（表2）发现：近51年沈阳市深层地温异常年份多出现在20世纪90年代中后期，且异常偏高年份明显多于异常偏低年份。从年平均地温来看，0.8 m在1997年、1998年出现异常偏高，1.6 m在1996年、1997年、1998年出现异常偏高，3.2 m在1995年、1996年、1997年出现异常偏高。从季平均地温来看，1.6 m在1977年春季出现异常偏低，0.8 m在1972年秋季，1970年、1977年冬季出现异常偏低，0.8、1.6、3.2 m各季平均地温异常偏高年份多发生在90年代中后期。
2.5 深层地温的突变特征
利用累积距平和信噪比方法计算了深层平均地温气候突变的年份（表3），结果表明：各层年、季平均地温均发生了气候突变，且发生暖突变多出现在20世纪90年代中后期，即地温从一个相对偏冷期跃变为一个相对偏暖期。近51年仅0.8 m季平均地温在1972年秋季发生冷突变，即从一个相对偏暖阶段跃变为一个偏冷阶段。
3 结论
（1）近51年沈阳市0.8、1.6、3.2 m年平均地温均呈增温趋势。其中，1.6 m增温幅度最大，3.2 m次之，0.8 m增温幅度最小。从各层季平均地温的倾向率来看，除3.2 m季平均地温在夏季呈微弱的下降趋势外（-0.02 ℃/10年），其他各层各时段均呈增温趋势。
（2）近51年沈阳市0.8、1.6、3.2 m地温变化趋势基本趋于一致，在20世纪60年代变化平稳，70年代初期明显上升之后出现下降，在1977年达到近51年来最低，70年代末期至90年代初期变化平稳，20世纪90年代至21世纪00年代中期各层地温明显高于其他年代，各层在21世纪00代年代后期呈下降趋势。
（3）随着深度的增加，深层地温月变化具有滞后的特性，并且多年平均地温随着深度的增加，其月变化幅度逐渐减小。各深度地温值可以表现表层热量在垂直方向上的传递过程。
（4）近51年沈阳市深层地温异常年份多出现在20世纪90年代中后期，且异常偏高年份明显多于异常偏低年份。各层年、季平均地温均发生了气候突变，且发生暖突变多出现在20世纪90年代中后期。
4 参考文献
[1] 丁一汇，戴晓苏.中国近百年来的温度变化[J].气象，1994，20（12）：19-26.
[2] 任国玉，徐铭志，初子莹，等.近54年中国地面气温变化[J].气候与环境研究，2005，10（4）：719-721.
[3] 孙风华，杨修群，路爽，等.东北地区平均、最高、最低气温的时空变化特征及对比分析[J].气象科学，2006，26（2）：158-161.
[4] 赵春雨，刘勤明，李晶.辽宁省近48年来气候变化研究[J].气象，2000，26（5）：32-35.
[5] 陆晓波，徐海明，孙丞虎，等.中国近50a地温的变化特征[J].南京气象学院学报，2006，29（5）：709-711.
[6] 刘晓东，罗四维，钱永蒲.青藏高原地表热状况对夏季东亚大气环流影响的数值模拟[J].高原气象，1989，8（3）：205-215.
[7] 朱乾根，兰红平，沈桐立.土壤湿度和地表反射率变化对中国北方气候影响的数值研究[J].气象学报，1996，54（4）：493-500.
[8] 王旻燕，吕达仁.GMS5反演中国几类典型下垫面晴空地表温度的日变化及季节变化[J].气象学报，2005，63（6）：957-968.
[9] 李辑，陈传雷，龚强.辽宁省大雾演变规律及对气候变暖的响应研究[J].环境科学研究，2007，20（2）：112-117.
[10] 魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].北京：气象出版社，2007：36-62.
关键词 深层地温；气候变暖；变化特征；气候异常；气候突变；辽宁沈阳
中图分类号 P461.4 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）23-0252-02
近年来在全球变暖的大背景下，人们在关注气温变化的同时[1-4]，也在关注地温的变化。陆小波等[5]通过对中国近50年的地温变化进行分析指出：地温的区域变化特征显著，20世纪90年代后东北地区增温最显著，春季地温年际变化出现异常的频率最大。刘晓东等[6]对青藏高原地区地表热状况在夏季东亚大气环流中的作用进行了一些数值试验和分析，结果发现土壤温度等地表状况的变化对大气环流有很大影响。朱乾根等[7]采用美国Oregon州立大学的2层大气环流模式考查了土壤湿度和地表反射率对北方气候的影响。王旻燕等[8]在《GMS5反演中国几类典型下垫面晴空地表温度的日变化及季节变化》中指出：地表是地球和大气能量交换的界面，地表温度是描述地表自然生态环境的一个重要物理量，它决定着地表向大气的长波能量辐射能力，也是气候系统变化的一个重要参数。辽宁省地处全球气候变暖的敏感区内，变暖趋势大于全球的平均变暖趋势[9]，因此有必要研究地温的变化特征，揭示其对气候变化的响应，可以为确定作物播种期、调整种植结构等提供参考依据。
1 资料与方法
1.1 资料来源
资料来源于辽宁省气候中心，选取沈阳市1961—2011年0.8、1.6、3.2 m 月平均地温常规气象观测资料，其中12月至翌年2月为冬季，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季。多年平均值采用1971—2000年30年的平均值。
1.2 研究方法
1.2.1 气候倾向率。平均地温的气候倾向率采用一元线性方程法[10]，见式（1）。
Y=at b（1）
式（1）中，Y为年平均地温；t为年份；a为回归系数，也称线性趋势项，把a×10称为平均地温每10年的气候倾向率。
1.2.2 累积距平和信噪比。气候突变是指气象要素变化过程中存在的某种不连续现象，此处用累积距平曲线来确定[10]，计算公式见式（2）。
Xt=■（Xi-X）（2）
式（2）中，Xi为地温的某年均值；X为地温的多年平均值。当Xt值达到最大时，该年为突变转折年。为了检验突变转折年是否达到气候突变的标准，计算其信噪比[10]，计算公式见式（3）。
RSN=■（3）
式（3）中，X1、X2和S1、S2分别为转折年前、后2个阶段平均地温的平均值和标准差；RSN为信噪比，当RSN>1.0，则认为存在气候突变，最大信噪比所对应的年份为气候突变出现年。
2 结果与分析
2.1 深层地温的气候倾向率
1961—2011年沈阳市深层地温的气候倾向见表1。由表1可知，近51年沈阳市0.8、1.6、3.2 m年平均地温均呈增温趋势。其中，1.6 m增温幅度最大（0.349 ℃/10年），3.2 m次之（0.319 ℃/10年），0.8 m增温幅度最小（0.247 ℃/10年）。
从各层季平均地温的倾向率来看，除3.2 m季平均地温在夏季呈微弱的下降趋势外（-0.02 ℃/10年），其他各层各时段均呈增温趋势。其中，0.8 m在春季增温明显，平均升温0.407 ℃/10年，秋季次之，为0.281 ℃/10年，冬季最小，为0.147 ℃/10年；1.6 m在春季增温明显，平均升温0.445 ℃/10年，秋季次之，为0.395 ℃/10年，夏季最小，为0.220 ℃/10年；3.2 m在冬季增温明显，平均升温0.585 ℃/10年，春季次之，为0.485 ℃/10年，夏季地温下降0.02 ℃/10年。
2.2 深层地温的年际变化特征
近51年沈阳市0.8、1.6、3.2 m地温有一个共同的特征，1961—1993年间除极个别年份外，多为负距平，1994—2007年间0.8、1.6 m均为正距平，3.2 m正距平持续到2005年，之后均为负距平。其中各层距平在1996—1999年间明显偏高。
1961—2011年沈阳市各深层平均地温逐年变化曲线见图1。由图1可知，近51年沈阳市0.8、1.6、3.2 m地温在20世纪60年代变化平稳，70年代初期明显上升之后出现下降，在1977年达到近51年来最低，分别为8.2、8.5、9.1 ℃；70年代末期至90年代初期变化平稳，20世纪90年代至21世纪00年代中期各层地温明显高于其他年代，1.6、3.2 m最大值出现在此时段的1996年，0.8 m最大值出现在1998年，各层在21世纪00年代后期均呈下降趋势。
2.3 深层地温的月变化特征
1961—2011年沈阳市各深层平均地温逐月变化趋势见图2。由图2可知，越接近地表，气温的月变化幅度越大。其中，0.8 m地温3—8月逐渐上升，在8月达到最大，为21.5 ℃，4—5月间增幅最大（上升7.8 ℃），9月至翌年2月逐渐下降，2月最低，为-0.7 ℃。1.6 m地温4—8月逐渐上升，在8月、9月达到最大，均为18.3 ℃，10月至翌年3月逐渐下降，3月最低，为2.5 ℃。3.2 m地温5—9月逐渐上升，在9月、10月达到最大，均为14.9 ℃，11月至翌年4月逐渐下降，在4月最低，为6.7 ℃。由此可见，随着月份的变化平均地温在上升、下降阶段，3.2、1.6、0.8 m相续滞后1个月，上升阶段同时也是热量由浅层向深层传递的过程，反之亦然。 2.4 深层地温的异常特征
气候异常主要指显著偏离平均状态的异常情况。通过对1961—2011年沈阳市深层年、季平均地温异常年份分析（表2）发现：近51年沈阳市深层地温异常年份多出现在20世纪90年代中后期，且异常偏高年份明显多于异常偏低年份。从年平均地温来看，0.8 m在1997年、1998年出现异常偏高，1.6 m在1996年、1997年、1998年出现异常偏高，3.2 m在1995年、1996年、1997年出现异常偏高。从季平均地温来看，1.6 m在1977年春季出现异常偏低，0.8 m在1972年秋季，1970年、1977年冬季出现异常偏低，0.8、1.6、3.2 m各季平均地温异常偏高年份多发生在90年代中后期。
2.5 深层地温的突变特征
利用累积距平和信噪比方法计算了深层平均地温气候突变的年份（表3），结果表明：各层年、季平均地温均发生了气候突变，且发生暖突变多出现在20世纪90年代中后期，即地温从一个相对偏冷期跃变为一个相对偏暖期。近51年仅0.8 m季平均地温在1972年秋季发生冷突变，即从一个相对偏暖阶段跃变为一个偏冷阶段。
3 结论
（1）近51年沈阳市0.8、1.6、3.2 m年平均地温均呈增温趋势。其中，1.6 m增温幅度最大，3.2 m次之，0.8 m增温幅度最小。从各层季平均地温的倾向率来看，除3.2 m季平均地温在夏季呈微弱的下降趋势外（-0.02 ℃/10年），其他各层各时段均呈增温趋势。
（2）近51年沈阳市0.8、1.6、3.2 m地温变化趋势基本趋于一致，在20世纪60年代变化平稳，70年代初期明显上升之后出现下降，在1977年达到近51年来最低，70年代末期至90年代初期变化平稳，20世纪90年代至21世纪00年代中期各层地温明显高于其他年代，各层在21世纪00代年代后期呈下降趋势。
（3）随着深度的增加，深层地温月变化具有滞后的特性，并且多年平均地温随着深度的增加，其月变化幅度逐渐减小。各深度地温值可以表现表层热量在垂直方向上的传递过程。
（4）近51年沈阳市深层地温异常年份多出现在20世纪90年代中后期，且异常偏高年份明显多于异常偏低年份。各层年、季平均地温均发生了气候突变，且发生暖突变多出现在20世纪90年代中后期。
4 参考文献
[1] 丁一汇，戴晓苏.中国近百年来的温度变化[J].气象，1994，20（12）：19-26.
[2] 任国玉，徐铭志，初子莹，等.近54年中国地面气温变化[J].气候与环境研究，2005，10（4）：719-721.
[3] 孙风华，杨修群，路爽，等.东北地区平均、最高、最低气温的时空变化特征及对比分析[J].气象科学，2006，26（2）：158-161.
[4] 赵春雨，刘勤明，李晶.辽宁省近48年来气候变化研究[J].气象，2000，26（5）：32-35.
[5] 陆晓波，徐海明，孙丞虎，等.中国近50a地温的变化特征[J].南京气象学院学报，2006，29（5）：709-711.
[6] 刘晓东，罗四维，钱永蒲.青藏高原地表热状况对夏季东亚大气环流影响的数值模拟[J].高原气象，1989，8（3）：205-215.
[7] 朱乾根，兰红平，沈桐立.土壤湿度和地表反射率变化对中国北方气候影响的数值研究[J].气象学报，1996，54（4）：493-500.
[8] 王旻燕，吕达仁.GMS5反演中国几类典型下垫面晴空地表温度的日变化及季节变化[J].气象学报，2005，63（6）：957-968.
[9] 李辑，陈传雷，龚强.辽宁省大雾演变规律及对气候变暖的响应研究[J].环境科学研究，2007，20（2）：112-117.
[10] 魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].北京：气象出版社，2007：36-62.