王佳琳^1,, 潘志华^1,, 韩国琳¹, 程路², 董智强¹, 张婧婷¹, 潘宇鹰¹, 黄蕾¹, 赵慧¹, 樊栋樑¹, 吴东¹
1. 中国农业大学资源与环境学院,北京 100193
2. 国家气象中心,北京 100081

Variation in ground temperature at a depth of 0 cm and the relationship with air temperature in China from 1961 to 2010

WANGJialin^1,, PANZhihua^1,, HANGuolin¹, CHENGLu², DONGZhiqiang¹, ZHANGJingting¹, PANYuying¹, HUANGLei¹, ZHAOHui¹, FANDongliang¹, WUDong¹
1. College of Resources and Environmental Sciences,China Agricultural University,Beijing 100193 ,China
2. National Meteorological Center,Beijing 100081,China
通讯作者:通讯作者：潘志华,E-mail：panzhihua@cau.edu.cn
收稿日期:2016-01-26
修回日期:2016-06-20
网络出版日期:2016-09-25
版权声明:2016《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
基金资助:公益性行业（气象）科研专项（GYHY201506016）国家重大科学研究计划“973”项目（2012CB956204）国家自然科学基金项目（41271110.41371232）国家科技支撑计划（2012BAD09B02）
作者简介:
-->作者简介：王佳琳,女,河北邯郸人,硕士生,主要从事气候变化影响与农业适应方面的研究。E-mail：wangjial@cau.edu.cn



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摘要
近年来,气候变化尤其是气候变暖已成为一个全球性问题。下垫面作为大气的直接热源、水源,对气候的形成及维持具有重要意义。因此,研究地温变化特征及其与气温变化之间的关系,对探究气候变化机理具有重要意义。本研究利用中国581个气象站1961-2010年0cm地温、气温数据,将全国分为8个区域,采用相关分析、M-K非参数检验等方法,对0cm地温的时空变化、区域分异以及季节分异特征进行了研究,并分析了0cm地温变化与气温变化的关系。研究表明：中国0cm地温呈先降低后升高的趋势,2000年突变后升温趋势更为明显;中国大部分地区0cm地温都表现为升温趋势,且北方地区较南方升温更加明显,在过去50年中,南北温差呈现缩小的趋势;就各季节而言,冬季升温最明显,夏季升温最弱;相关分析表明,气温与0cm地温变化趋势及程度在大部分地区很相近,但在20世纪70年代之前及20世纪后期,0cm地温与气温变化存在较大差异。相对于气温的变化,0cm地温的升温幅度更大,突变时间较晚。

关键词：气候变化;地温;气温;时间变化;突变;季节分异;空间分异
Abstract
In recent years,climate warming has become a global problem. As the underlying surface is the direct heat and water source of the atmosphere,it has a strong effect on forming and maintaining local climates. The study of ground temperature variation characteristics helps to understand climate change more clearly and researching the relationship between ground temperature and air temperature variation is of great significance to understanding the mechanism of climate change. Based on daily mean air temperature and ground temperature at a depth of 0 cm from 581 stations during 1961 to 2010,correlation analysis and Mann-Kendall nonparametric tests,spatial and temporal variation characteristics,regional differentiation characteristics and seasonal differentiation characteristics of ground temperature at the depth of 0 cm and air temperature were analyzed. The results indicate that ground temperature at a depth of 0 cm in China decreased and then increased with an abruption around 2000,after the abruption the rising trend of ground temperature tended to be more obvious. In most regions,ground temperature at 0 cm rose and the trend in the north was more obvious than the south. The rise in ground temperature at 0 cm in winter was more apparent than in summer. Correlation analysis showed that variation air temperature and ground temperature at 0 cm were similar,but before the1970s and after the 20th century,large differences were apparent. Compared to variation in air temperature,ground temperature at 0 cm from 1961 to 2010 tended to have a larger range and later abruption.

Keywords：climate change;ground temperature;air temperature;variation characteristics;abruption;seasonal differentiation characteristics;regional differentiation characteristics

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王佳琳, 潘志华, 韩国琳, 程路, 董智强, 张婧婷, 潘宇鹰, 黄蕾, 赵慧, 樊栋樑, 吴东. 1961-2010年中国0cm地温变化特征及其与气温变化的关系[J]. , 2016, 38(9): 1733-1741 https://doi.org/10.18402/resci.2016.09.11
WANG Jialin, PAN Zhihua, HAN Guolin, CHENG Lu, DONG Zhiqiang, ZHANG Jingting, PAN Yuying, HUANG Lei, ZHAO Hui, FAN Dongliang, WU Dong. Variation in ground temperature at a depth of 0 cm and the relationship with air temperature in China from 1961 to 2010[J]. 资源科学, 2016, 38(9): 1733-1741 https://doi.org/10.18402/resci.2016.09.11

1 引言

2013年IPCC第5次评估报告指出,近130多年（1880-2012年）来,全球地表平均温度上升约0.85℃,1983-2012年可能是过去1400年来最热的30年^[1]。气候变化已经威胁到人类赖以生存的环境以及人类社会的可持续发展。目前,各国政府都在加强合作,共同致力于减缓气候变化。
下垫面是气候形成以及气候维持的重要因子。随着人们对土地利用程度的加剧,下垫面的改变对气候产生了重要影响^[2]。在全球变暖的背景下,人们密切关注着气温与地温的变化^[3-6]。陆晓波等对中国0.8m地温的时空变化特征进行了分析,指出中国0.8m地温呈先降低后升高的变化趋势, 0.8m地温与气温变化趋势较为近似^[7]。杨明等研究中国西部地区地温及气温变化规律,发现地温变化较于气温变化更加剧烈^[8]。另有研究分别对中国不同区域浅层地温进行分析,得到不同地区浅层地温时间变化特征^[9-16]。
地表与大气的联系最为紧密,目前对地面温度的研究主要局限在局部地区,缺乏对不同地区地温变化特征的比较及其与气温相互关系的研究。本文采用1961-2010年全国0cm地温、气温资料对中国地面温度时空特征及其与气温的关系进行分析,以期为探讨地温与气温的相互作用规律提供科学依据。

2 数据来源与研究方法

本研究所使用的气象数据来自国家气象信息中心（http：//www.nmic.cn/web/index.htm）。为保证数据质量,研究筛选了记录全面、数据质量较高的581个气象站点的数据,数据包括各气象站的经度、纬度及1961-2010年的逐日平均气温、0cm地温等。
本文采用回归分析方法^[17]研究气温及0cm地温变化趋势,确定气候倾向率;采用相关分析方法^[17]研究气温与0cm地温之间相关关系;通过对气温、0cm地温数据进行M-K非参数检验^[18]研究其突变特征;基于ArcGIS利用反距离加权空间插值法^[19]直观表达气温及0cm地温空间分布。季节划分：3-5月为春季,6-8月为夏季,9-11月为秋季,12月-翌年2月为冬季。
中国国土面积大,气候类型丰富,区域气温差距大,为方便分析,依据不同地域0cm地温、气温时空分布的不同特征,将全国划分为8个区域（图1）：东北地区（NE）包括黑龙江、吉林、辽宁及内蒙古东五盟市（呼伦贝尔、通辽、赤峰、兴安盟、锡林郭勒盟）;华北地区（N）包括北京、天津、河北、山西、山东及内蒙古西部;西北地区（NW）包括陕西、甘肃、宁夏及新疆;西南地区（SW）包括重庆、四川、贵州、云南;华南地区（S）包括广东、广西、海南;华东地区（E）包括上海、江苏、浙江、安徽、江西、福建;中南地区（C）包括湖南、湖北、河南;青藏地区（Q-T）包括青海、西藏。
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图1研究区域分区及气象站点分布
-->Figure 1The partition of study area and the distribution of meteorological stations
-->

3 结果分析

3.1 0cm地温时间变化特征

总的来说,中国0cm地温时间变化特征呈现先降低后升高的变化趋势（图2）,大体可以分为三个阶段：第一阶段为20世纪60年代初,1961年温度较高,之后几年在平均值附近波动;第二阶段为60年代中期到90年代中期,属于相对低地温期;第三阶段为90年代中期之后,0cm地温呈现显著的上升趋势,0cm地温最高值出现于2007年。通过对0cm地温进行M-K突变检验,全国0cm地温在2000年前后发生突变,突变点后0cm地温较前时段呈现出更为明显的升温趋势（表1）。
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图21961-2010年全国年均0cm地温和年均气温时间距平变化趋势
-->Figure 2Annual mean ground temperature at the depth of 0cm and air temperature anomalies over China from 1961 to 2010
-->

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图31961-2010年8个区域年均0cm地温变化趋势
-->Figure 3Annual mean ground temperature at the depth of 0cm in eight sub-regions from 1961 to 2010
-->

Table 1
表1
表1全国与8个区域0cm地温M-K非参数检验结果
Table 1Results of the abrupt change of ground temperature at the depth of 0 cm by Mannual-Kendall method in China and eight sub-regions

区域	突变前			突变年份 /年	突变后
	气候倾向率 （℃/10a ）		均值	方差	气候倾向率 （℃/10a）	均值	方差
全国	0.17	13.28	0.254	2000	1.04	14.47	0.208
东北	0.32	5.77	0.521	2000	1.99	7.49	0.791
华北	0.12	11.45	0.263	1993	0.55	12.45	0.323
西北	0.18	10.51	0.291	2000	1.63	12.08	0.473
华南	0.08	24.40	0.222	1995	0.38	24.97	0.186
华东	0.14	18.65	0.344	1993	0.53	19.72	0.227
中南	0.02	17.84	0.321	2000	0.34	18.49	0.169
西南	-	-	-	NSA	-	-	-
青藏	-	-	-	NSA	-	-	-

注： NSA没有突变（P>0.05）。
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分析不同地区0cm地温时间变化特征（图3）,可以发现：各区域0cm平均地温集中表现为北方地区及高海拔地区较低,其中东北地区及青藏地区最低,西南地区、中南地区较为接近,华南地区最高;就波动范围来讲,东北地区0cm地温的波动程度最大,其次为西北地区,其他区域波动幅度相近且较小,大致在±1℃之间变化。
利用M-K非参数检验法分别对全国不同区域0cm地温进行突变检验（表1）,发现东北、华北、西北、华南、华东、中南地区在1961-2010年间均出现一次突变。其中华东、华北地区突变起始年份较早,为1993年;华南地区为1995年;东北、中南、西北地区大概在2000年左右开始突变。在突变年份之后,各地区均表现为由较弱升温变为较强升温。西南地区和青藏地区0cm地温在1961-2010年间没有表现出突变现象,西南地区0cm地温在20世纪80年代之前表现为较明显的波动,1980年后波动减弱呈微弱升温趋势;青藏地区80年代之前0cm地温基本在均值附近波动,1983年达到最低值后呈升温趋势,但对青藏地区各站点的相关研究表明,该地区大部分站点存在突变现象,大部分站点浅层地温突变发生在1997-1998年^[14,15],结果存在差异可能与选取区域尺度有关。

3.2 1961-2010年0cm地温空间分布特征

利用反距离加权空间插值法（IDW）对全国范围1961-2010年0cm地温进行空间差值分析（图4a）。0cm地温高温地区主要集中于东南部,西部以及东北部0cm地温偏低。0cm地温最高地区位于海南省,广东省南部以及云南省南部个别地区,新疆南部较同纬度地区表现出较高的温度。0cm地温的低温中心主要位于东北地区北部、西北地区北部以及青藏高原地区。
利用同样的方法（IDW）,对全国1961-2010年0cm地温气候倾向率进行空间差值分析,得到全国0cm地温气候倾向率空间分布（图4b）。除了南部个别地区的0cm地温的气候倾向率小于0,其他地区的0cm地温气候倾向率都大于0,也就是说,绝大部分地区0cm地温的变化趋势都表现为升温趋势。就升温幅度而言,北方地区升温较南方更加明显,增温幅度最大的地区位于东北地区北部、新疆东部部分地区以及青海西部部分地区,对比陆晓波等的研究结果^[7],0cm地温变暖中心与0.8m地温变暖中心大致重合。
综合图4a、图4b, 0cm地表平均温度较高的东南部地区气候倾向率却较低,个别地区甚至出现下降趋势;而在0cm地温的低温中心即东北部北部以及青藏高原地区却呈现了较高的增温趋势。基于此,可以得出结论,0cm地温的温差在过去的50年中呈现缩小的趋势。
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图41961-2010年全国0cm地温与0cm地温气候倾向率空间分布
-->Figure 4Annual mean ground temperature at the depth of 0cm and the tendency of annual mean ground temperature at the depth of 0cm in China from 1961 to 2010
-->

3.3 0cm地温四季变化特点

3.3.1 0cm地温不同季节时间变化特征
就全国范围而言,各季节0cm地温均呈显著的升温趋势（P<0.05）,但不同季节0cm地温上升幅度及年际变化程度存在明显差异（图5、表2）。春季,0cm地温的升温速度为0.31℃/10a,其变化趋势大概分为两个阶段：20世纪60年代以降温为主,到1970年达到最低值后以升温趋势为主。夏季,0cm地温年际变化最为平缓,在±1℃之间波动,升温速度也较小,为0.10℃/10a。秋季,0cm地温的升温速度为0.32℃/10a,变化趋势与春季0cm地温变化规律相似,即呈先降温后升温的趋势,且升温趋势占主导地位。冬季,0cm地温的年际变化最为明显,波动范围达到了±3℃,升温趋势也最为明显,气候倾向率达到0.69℃/10a,但在60年代中期呈现较明显的降温,1967年达到最低值后呈现明显的波动上升趋势。综上,0cm地温年际变化具有明显的季节性差异,冬季温度变化最为明显而夏季0cm地温年际变化较为微弱,春秋季较为相近。
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图51961-2010年全国季节平均0cm地温、气温距平变化趋势
-->Figure 5Seasonal mean ground temperature at the depth of 0cm and air temperature anomalies over China from 1961 to 2010
-->

Table 2
表2
表2全国与8个区域各季节0cm地温气候倾向率
Table 2Climate tendency rates of seasonal ground temperature at the depth of 0cm in China and eight sub-regions （℃/10a）

	春	夏	秋	冬
全国	0.31**	0.10*	0.32**	0.69**
东北	0.47**	0.35**	0.40**	1.07**
华北	0.39**	0.26**	0.22**	0.52**
华东	0.38**	-0.07	0.39**	0.65**
华南	0.13	0.08	0.22**	0.33**
西南	-0.07	0.05	-0.02	-0.02
青藏	-0.02	-0.07	0.08	0.25**
西北	0.39**	0.32**	0.37**	0.65**
中南	0.28**	-0.18*	0.15*	0.27**

注：**和*分别为0.01和0.05显著性水平（P<0.01和P<0.05）。
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分别对全国范围各季节的0cm地温时间序列进行M-K检验（表3）,其中春、秋、冬季在研究时段中均出现一次突变,且突变后表现出较突变前更为明显的升温趋势,春、秋季突变时间为2000年,冬季突变时间较早,在1992年前后;夏季没有出现突变现象。
就不同区域而言（表2）。北方地区即东北、华北、西北地区0cm地温在各季节均呈现显著的升温趋势,冬季升温最明显,春季次之,东北冬季升温达到了1.07℃/10a,明显高于其它地区、其他季节。东南部地区即华东、华南、中南地区,0cm地温在春、秋、冬季表现为升温趋势,除华南地区春季外均达到显著水平（P<0.05）,在夏季没有表现明显的升温或降温趋势。西南及青藏地区,除了青藏地区冬季0cm地温的升温趋势达到显著水平（P<0.01）外,其余季节0cm地温变化均未通过显著性检验,相对来讲各个季节0cm地温年际变化没有表现出明显的升温或降温趋势。
Table 3
表3
表3全国不同季节0cm地温M-K非参数检验结果
Table 3Results of the abrupt climate change of seasonal ground temperature at the depth of 0cm by Mannual-Kendall method in China

季节	突变前			突变年份 /年	突变后
	气候倾向率 ℃/10a）		均值	方差	气候倾向率 ℃/10a）	均值	方差
春季	0.12	14.49	0.343	2000	0.24	15.74	0.282
夏季	-	-	-	NSA	-	-	-
秋季	0.16	13.42	0.388	2000	1.37	14.52	0.439
冬季	0.50	-1.49	1.122	1992	1.30	0.25	0.899

注：NSA没有突变（p>0.05）。
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图61961-2010年全国四季0cm地温气候倾向率分布
-->Figure 6Tendency of seasonal mean ground temperature at the depth of 0cm in China from 1961 to 2010
-->

3.3.2 不同季节0cm地温的空间分布特征
不同季节0cm地温气候倾向率分布存在普遍规律,即北方地区0cm地温升温幅度大于南方,但同时各季节也表现出较明显的差异性（图6）。春季,全国0cm地温以升温为主,只有云贵高原局部地区以及广东省的大部分地区0cm地温在过去50年中呈现降温的趋势,且降温幅度相对较小。就升温趋势而言,东北地区、内蒙古西部以及青海西部升温幅度最大,气候倾向率达到了1℃/10a以上。夏季,相较于其他季节,较多的地区0cm地温表现出降温趋势,降温地区主要位于东南部。呈现升温趋势的地区,其升温趋势也较小（相对于春季和冬季）,但在内蒙古西部以及青海西部地区同样表现为较大幅度的增温。秋季,全国绝大部分地区表现为升温,升温最明显的地区为东北及西北地区。冬季,0cm地温升温最为明显,其中东北以及西北北部地区0cm地温气候倾向率达到1.8℃/10a,同时,内蒙古以及青藏高原升温也较明显。

3.4 与气温变化的关系

全国范围而言,0cm地温的年平均值（13.53℃）较气温年均值（11.15℃）高。分别对0cm地温以及气温进行线性拟合,得到两者的气候倾向率分别为0.34℃/10a、0.26℃/10a,拟合结果均通过显著性检验（P<0.01）,说明在这50年中,0cm地温以及气温均呈升高趋势,且0cm地温升温幅度更大。
气温与0cm地温变化趋势很相近（图2）,两者相关系数达到0.93以上,通过了显著性检验（P<0.01）。差异主要表现在：①20世纪70年代前,0cm地温变化幅度更大,即降温更加明显;②20世纪后期,0cm地温升温更加明显。对全国气温进行M-K突变检验,得出气温在1993年左右开始发生突变,气温突变较0cm地温突变早。
对于不同区域0cm地温与气温相关系数均通过显著性检验（P<0.01）（表4）,说明各区域0cm地温变化与气温变化都很密切。但就相关系数而言,西南、青藏地区相关系数仅为0.5左右,较其他地区,相关系数较小,说明相关性较弱。
对于不同季节,0cm地温与气温变化趋势较相近,除夏季外,各季节气温均呈升温趋势（表4）,且升温趋势均小于0cm地温。各季节中0cm地温与气温相关性均较高,均达到0.90以上,通过显著性检验（P<0.01）。
Table 4
表4
表4全国与8个区域各季节气温气候倾向率及地温与气温相关系数
Table 4Climate tendency rates of seasonal air temperature and the correlation coefficients between ground temperature at the depth of 0cm and air temperature in China and eight sub-regions

	春	夏	秋	冬	相关系数
全国	0.25**	0.16**	0.25**	0.43**	0.931**
东北	0.35**	0.26*	0.30**	0.55**	0.867**
华北	0.34**	0.21**	0.27**	0.58**	0.944**
华东	0.26**	0.11*	0.21**	0.37**	0.900**
华南	0.12	0.13**	0.20**	0.31**	0.865**
西南	0.13*	0.12**	0.19**	0.30**	0.450**
青藏	0.26**	0.25**	0.35**	0.55**	0.513**
西北	0.27**	0.22**	0.33**	0.49**	0.918**
中南	0.26**	-0.02	0.19**	0.31**	0.879**

注： **和*分别为0.01和0.05显著性水平（（P<0.01和P<0.05）。
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北方地区即东北、华北、西北地区,与0cm地温规律相似,气温在各季节均呈现升温趋势,冬季升温最为明显,但东北冬季的气温升温幅度较0cm地温升温幅度小。东南部地区,即华东、华南、中南地区,除了中南地区夏季外,气温均表现为升温趋势。与0cm地温相比,升温趋势相对较小,基本在0.3℃/10a以下。对于西南及青藏地区,气温在各季节均表现出显著的升温趋势,而0cm地温表现为并不显著的升温或降温变化,气温与0cm地温年际变化规律存在较大差异。

4 结论与讨论

通过以上分析,得到以下结论：
（1）全国范围内0cm地温呈先降低后升高的趋势,在2000年前后发生突变,突变后较突变前呈现更明显的升温趋势。
（2）中国大部分地区0cm地温都表现为升温趋势,且北方地区升温较南方更加明显,增温幅度最大的地区位于东北地区、新疆东部及青海西部部分地区。
（3）就全国范围而言,冬季升温最明显,夏季升温最弱。就区域而言,北方地区0cm地温在各季节均呈现明显的升温趋势;东南部地区0cm地温在春、秋、冬季表现为明显的升温趋势,夏季0cm地温的年际变化不明显;西南及青藏地区,0cm地温各个季节的年际变化均没有表现出明显的升温或降温趋势。
（4）就全国范围而言,0cm地温及气温均呈升高趋势且变化趋势相近,差异主要表现在但在20世纪70年代前及在2000年后。相对的,0cm地温升温幅更大,突变较晚。对于大部分区域两者变化都很相近,但西南及青藏地区,0cm地温与气温年际变化规律存在较大差异。
0cm地温时空变化虽然总体上呈现出较好的规律性,但各个区域各个季节有着较大的差异。在对比0cm地温及气温距平曲线时发现1970年之前0cm地温的降温趋势明显强于气温,1970年之后两者变化曲线基本重合,2000年后0cm地温的升温趋势又明显强于气温。前后两个时期0cm地温与气温变化表现出较大差异的原因值得进一步研究。西南及青藏地区0cm地温与气温年际变化规律存在较大差异,这可能与区域复杂的地形及高海拔有关系,但具体原因需要进一步研究。另外,就0cm地温与气温温度变化的相互关系,有研究认为地温的升高起因于气温升高^[14],M-K非参数检验结果表明气温突变点较0cm地温早,但从能量角度讲,地面是大气的直接热源,地温的变化应该是气温变化的原因,地温与气温的关系表现出复杂性,具体原因仍需进一步研究。
The authors have declared that no competing interests exist.

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