应城市1979—2023年浅层地温变化特征分析

摘要：利用应城国家基本气象站1979—2023年逐日平均气温、降水量及5、10、15、20cm浅层地温观测资料，采用线性倾向估计、Mann-Kendall突变检验和Pearson相关分析等方法，系统分析了应城市浅层地温的年际和季节变化特征、突变规律及其与气温、降水的关系。结果表明：1979—2023年应城市各深度年平均地温均呈极显著升温趋势，10cm地温升温最快，15cm最慢；季节差异明显，春季升温最显著，夏季最弱；各深度均发生了伴随显著趋势的增温突变，突变年份在2009—2013年之间；年尺度上各深度地温与气温呈极显著正相关，与降水呈极显著负相关；季节尺度上气温对地温的驱动作用全年均极显著，降水的负相关在夏秋季最突出，冬春季不显著。

关键词：浅层地温；变化特征；Mann-Kendall检验；相关分析；应城市

引言

应城市位于湖北省中北部，地处江汉平原中部，属亚热带季风气候，四季分明，日照充足，降水充沛，雨热同期，是湖北省重点农业市之一。地温是地表及以下不同深度土壤温度的统称，其中离地面5、10、15、20 cm深度的地中温度被称为浅层地温。浅层地温的变化不仅反映气候变化信号，而且直接影响种子发芽出苗、作物根系发育、土壤微生物活动及水肥运移，对农业生产具有深刻影响[1-3]。

在全球气候变暖背景下，IPCC第六次评估报告指出，全球平均地表温度持续上升，近十年（2011—2020年）较1850—1900年升高约1.09 ℃[4]。我国多数地区地温呈上升趋势，但升温幅度存在明显的区域差异和季节差异[5-10]，已有研究对中国区域[1]、中国东部夏季[6]、上海[7]、西北地区[8]、山东[9]及青藏高原[10]等地的地温变化特征进行了分析。然而，由于各地气候、地理和土壤性质不同，区域性地温变化特征及其与控制因子的响应关系仍需深入研究，目前针对应城市乃至江汉平原腹地浅层地温长时间序列变化特征的系统研究尚不多见。

本研究利用应城国家基本气象站1979—2023年共45年的逐日气象观测资料，采用线性倾向估计、Mann-Kendall突变检验和Pearson相关分析等方法，分析浅层地温的年际和季节变化趋势、突变特征及其与气温、降水的关系，旨在揭示应城市浅层地温变化规律，为优化农业生产布局、调整播种期、防御低温冻害等提供科学依据。

1  资料与方法

1.1  资料来源

研究资料来源于应城国家基本气象站地面观测数据，包括1979年至2023年逐日平均气温、日降水量及5、10、15、20 cm日平均地温。年平均地温、年平均气温和年降水量采用逐年统计数据，所有数据均经过严格质量控制，质量可靠。

季节划分采用气象学标准：春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月至次年2月（跨年处理）。

1.2  研究方法

1.2.1  线性倾向估计法

线性倾向估计法是气候趋势分析中最常用的参数统计方法之一。假设气象要素 x 与时间 t 之间存在线性关系，建立一元线性回归方程：

式中：a为回归常数，b为回归系数，利用最小二乘法计算。b＞ 0 表示序列呈上升趋势，b＜ 0表示呈下降趋势。通常将b×10称作气候变化倾向率[11]。

1.2.2  Mann-Kendall突变检验法

M-K检验是一种非参数统计检验方法，不受样本分布和异常值干扰[11-14]。通过计算正序统计量 UF和逆序统计量 UB，若 UF与 UB曲线出现交点，则该交点对应时刻为可能的突变开始时间；若交点位于临界线（±1.96，α=0.05）之外，则指示伴随显著趋势的突变。对于具有 n个样本量的时间序列 x，构造秩序列 S_k为：

秩序列 S_k表示第 k时刻之前序列中满足后值大于前值的样本累计数。在时间序列随机独立的假定下，秩序列 Sk 近似服从正态分布，其期望与方差分别为：

约定初始值UF₁ = 0。UF_K 服从标准正态分布，其值大于0表示序列呈上升趋势，小于0表示呈下降趋势。

将原时间序列逆序排列（即 x_n，x_n-1， x₁），重复上述正向计算过程，得到逆序序列的统计量 UF_k，再通过下式转换得到与原时间点一一对应的反向统计量序列：

约定末尾值 UB_n = 0。UB曲线反映从序列末端向始端的趋势变化过程。

对于给定的显著性水平 a（通常取 a = 0.05），对应的标准正态分布双侧临界值为 ±Z_{a/2}。当 a = 0.05 时，Z_{0.025} = 1.96。

突变点的判定规则如下：

（1）当 UF ＞ Z_{a/2} 时，表明序列在该时刻存在统计显著的上升或下降趋势；

（2）当UF曲线与 UB曲线的交点落在 ±Z_{a/2} 置信区间内时，该交点对应的时间即为统计显著的突变起始点；

（3）置信区间外的交点不具备统计学意义，不能判定为突变点。

1.2.3  Pearson相关分析

Pearson相关分析是一种参数统计方法，用于度量两个连续变量之间线性相关的程度和方向。Pearson相关系数r的定义为两个变量的协方差与各自标准差的乘积之比，计算公式为：

式中：r_xy为变量x与y之间的Pearson相关系数；x、y分别为两组序列的均值；n为样本容量。

Pearson相关系数的取值范围为[−1, 1]，绝对值越接近1，线性相关程度越强；正值表示正相关，负值表示负相关。

本文利用SPSS统计软件计算各深度地温与气温、降水量之间的Pearson相关系数，显著性水平取p ＜ 0.05（*）和p ＜ 0.01（**）。

2  结果与分析

2.1  年平均浅层地温变化特征

1979—2023年应城市四个深度年平均地温均呈极显著升温趋势（p ＜0.001），见表1和图1。线性倾向率在0.398～0.525℃/10a之间，其中10 cm地温升温最快，为0.525℃/10a，15 cm地温升温最慢，为0.398℃/10a。各深度拟合优度R²在0.536～0.660之间，10 cm地温线性趋势最为显著（R² = 0.660），15 cm相对较弱（R² = 0.536）。

从深度分布看，浅层地温随深度增加升温幅度呈先增后减特征，10 cm处为升温高值层。5 cm地温倾向率为0.506℃/10a，20 cm为0.419℃/10a，表明近地表层对气候变暖的响应较深层更为敏感，但10 cm层因土壤热力性质和水分条件的综合作用成为升温最显著的层次。

a:5 cm地温；b:10 cm地温；c:15 cm地温；d:20 cm地温

图1  应城市1979—2023年各深度年平均地温年际变化及线性趋势图

表1  应城市1979—2023年各深度年平均地温年际变化线性拟合参数

2.2  分季节浅层地温变化特征

按季节对各深度地温进行线性倾向估计，结果见表2和图2—图5。各季节地温变化特征差异显著。

表2  分季节各深度地温线性拟合参数

注：*表示p ＜ 0.05，**表示p ＜ 0.01。

2.2.1  春季

春季是四个季节中浅层地温升温趋势最显著的季节。各深度线性倾向率在0.601～0.763℃/10a之间，10 cm地温升温最快（0.763℃/10a），20 cm最慢（0.601℃/10a），R² 在0.484～0.566之间，10 cm拟合最优。春季地温升温幅度明显高于年均值，是浅层地温对气候变暖响应最敏感的季节。

a:5 cm地温；b:10 cm地温；c:15 cm地温；d:20 cm地温

图2  应城市1979—2023年春季各深度地温线性倾向趋势图

2.2.2  夏季

夏季浅层地温升温趋势在四季中最弱，线性倾向率在0.297～0.475℃/10a之间，10 cm最大（0.475℃/10a），20 cm最小（0.297℃/10a），R²仅0.128～0.247，其中5、10 cm达极显著水平（p ＜0.01），15、20 cm仅达显著水平（p ＜0.05），夏季地温年际波动大、离散性强，升温信号相对较弱。

a:5 cm地温；b:10 cm地温；c:15 cm地温；d:20 cm地温

图3  应城市1979—2023年夏季各深度地温线性倾向趋势图

2.2.3  秋季

秋季浅层地温呈中等强度升温趋势，线性倾向率在0.367～0.504℃/10a之间，5 cm地温升温最快（0.504℃/10a），15 cm最慢（0.367℃/10a），R²在0.295～0.426之间，表层（5、10 cm）升温趋势较深层更为明显。

a:5 cm地温；b:10 cm地温；c:15 cm地温；d:20 cm地温

图4  应城市1979—2023年秋季各深度地温线性倾向趋势图

2.2.4  冬季

冬季浅层地温升温趋势较弱，线性倾向率在0.291～0.362℃/10a之间，20 cm地温升温最快（0.362℃/10a），15 cm最慢（0.291℃/10a），R²在0.237～0.341之间。与其他季节不同，冬季深层（20 cm）升温幅度略大于浅层，可能与土壤热量传导的滞后效应有关。

a:5 cm地温；b:10 cm地温；c:15 cm地温；d:20 cm地温

图5  应城市1979—2023年冬季各深度地温线性倾向趋势图

综合年平均及分季节分析，应城市1979—2023年浅层地温整体呈升温趋势，季节差异明显：春季升温最快（0.601～0.763℃/10a），秋季次之（0.367～0.504℃/10a），冬季较弱（0.291～0.362℃/10a），夏季最弱且趋势不显著（R² ＜ 0.25）。深度分布上，年平均及春、夏、秋季均以10 cm或5 cm层升温最为突出，冬季则深层（20 cm）升温略大。

2.3  浅层地温突变特征分析

对各深度年平均地温序列进行Mann-Kendall突变检验，结果见表3和图6。

表3  各深度浅层地温M-K检验统计表

各深度统计量曲线均在1981年由负值转为正值，标志浅层地温自20世纪80年代初由降温/平稳期转入累积升温阶段；至序列末端（2023年）各深度UF值均远超+1.96临界线，UF_max在5.322～6.261之间，增暖在统计上高度显著。

UF与UB曲线的交点（突变年份）出现在2009—2013年之间：10 cm最早（2009年），5 cm次之（2011年），20 cm为2012年，15 cm最晚（2013年），且均位于±1.96临界线之外，指示发生了伴随显著趋势的增温突变。

从深度差异看，10 cm层增温最强、突变最早（2009年，UF_max=6.261），15 cm层增温相对平缓、突变最晚（2013年，UF_max=5.322），体现了浅层地温对气候增暖响应的深度差异与滞后性。

a:5 cm地温；b:10 cm地温；c:15 cm地温；d:20 cm地温

图6  应城市1979—2023年各深度浅层地温年际变化M-K检验法统计量曲线图

2.4  浅层地温与气温、降水的关系

2.4.1  数据描述性统计

基于1979—2023年共45年的观测资料，对年平均气温、年总降水量及各层次浅层地温进行描述性统计，结果见表4。年尺度上，应城市1979年至2023年年平均气温为16.59 ℃，年平均降水量为1092.94 mm；各层次地温均值在18.03～18.24 ℃之间，随深度增加略有升高，标准差在0.71～0.85 ℃之间，年际波动幅度较为接近。

表4  年尺度各要素描述性统计（n=45）

季节尺度上，各要素呈现明显的季节差异。夏季平均气温最高（27.35 ℃），冬季最低（4.89 ℃）；降水量集中于夏季（487.83 mm），冬季最少（106.40 mm）。各层次地温同样表现为夏季最高、冬季最低，且随深度增加地温逐渐升高，秋冬季尤为明显，体现了土壤温度的滞后效应和热力惯性。

2.4.2  年尺度相关分析

年尺度上，各深度地温与年平均气温呈极显著正相关（p ＜0.01），相关系数在0.91～0.94之间，其中10 cm地温相关最高（r = 0.9434），气温是驱动地温变化的主导因子；各深度地温与年降水量呈极显著负相关（p ＜0.01），相关系数在-0.39～-0.43之间，5 cm相关最强（r = -0.4304），降水偏多年份地温偏低。见表5。

表5  年尺度各深度地温与气温、降水的Pearson相关系数

注：**表示 p ＜ 0.01，*表示 p ＜ 0.05；n = 45（1979—2023年）。

2.4.3  季节尺度相关分析

季节尺度上，各深度地温与季平均气温全年均呈极显著正相关（p ＜0.01），春季最高（0.956～0.970），夏秋季次之（0.878～0.951），冬季为0.932～0.955，气温对地温的驱动作用全年存在、春季耦合最紧密。见表6。

降水对地温的影响存在明显季节差异：夏秋季地温与季降水量呈极显著负相关（p ＜0.01），夏季为-0.570～-0.602，秋季为-0.464～-0.482，降温作用最显著；春季为负相关但不显著（-0.181～-0.211）；冬季相关系数接近0且不显著。

表6  季节尺度各深度地温与气温、降水的Pearson相关系数

注：**表示 p ＜ 0.01，*表示 p ＜0.05； n =45（1979—2023年，冬季已剔除1978年数据）。

3  结论与展望

3.1  研究结论

（1）1979—2023年应城市各深度年平均地温均呈极显著升温趋势（p ＜0.001），5、10、15、20 cm气候倾向率分别为0.506、0.525、0.398、0.419℃/10a，10 cm升温最快、15 cm最慢，浅层地温升温幅度随深度增加呈先增后减特征。

（2）季节差异明显，春季升温最显著（0.601～0.763℃/10a），秋季次之（0.367～0.504℃/10a），冬季较弱（0.291～0.362℃/10a），夏季最弱且趋势不显著（p ＜0.25）。年平均及春、夏、秋季均以10 cm或5 cm层升温最突出，冬季深层（20 cm）升温略大。

（3）Mann-Kendall检验显示各深度均发生伴随显著趋势的增温突变，突变年份在2009—2013年之间（10 cm最早，15 cm最晚），各层均于1981年由负转正，增温趋势至今持续增强，10 cm层最强、15 cm相对最弱。

（4）气温是地温变化的主导因子，年尺度相关系数0.91～0.94（p ＜0.01）；降水与地温呈极显著负相关（-0.39～-0.43，p ＜0.01）；季节尺度上气温影响全年极显著、春季耦合最紧密，降水负相关在夏秋季最突出、冬春季不显著。

3.2  讨论

应城市浅层地温显著升高对农业生产有多方面启示：春季地温快速上升（10 cm达0.763℃/10a），喜温作物播种期可适当提前，建议结合5 cm地温稳定通过10℃、12℃的日期变化调整播期；冬季地温虽上升但年际波动大，仍需防范强寒潮导致的低温冻害；夏秋季降水与地温显著负相关，降水偏少年份应加强灌溉保墒，降水偏多年份注意排涝降渍；地温升高有利于扩大喜温作物种植面积，但也可能加剧病虫害越冬存活，需加强监测预警。

本研究首次对应城市1979—2023年长达45年的多深度浅层地温进行了系统分析，综合运用线性趋势、M-K突变检验和多尺度相关分析，揭示了江汉平原腹地浅层地温的年际和季节变化规律及其与气温、降水的定量关系，填补了该区域相关研究空白。

本研究存在以下局限：

（1）仅使用应城单站数据，研究结果的区域代表性有限；

（2）未考虑土壤性质（质地、有机质、湿度）、植被覆盖、地形地貌等因子对地温的影响；

（3）相关分析仅揭示了统计关联，不能直接等同于因果关系，地温变化的驱动机制仍需进一步研究。后续可扩展至江汉平原多站点联合分析，引入土壤湿度、蒸发、日照等因子建立多因子归因模型。

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作者简介：郭继声（1998.04），男，汉族，湖北广水，本科，助理工程师，研究方向：气象。