杜军¹, 胡军², 尼玛吉², 次旺顿珠² 1. 西藏高原大气环境科学研究所,拉萨 850001
2. 西藏自治区气候中心,拉萨 850001

Spatial-temporal change of mean soil temperature and its critical temperature at 5 cm depth in the region of the Yarlung Zangbo River and its two tributaries of Tibet during 1981-2017

DU Jun¹, HU Jun², Nimaji ², Ciwangdunzhu ² 1. Tibet Institute of Plateau Atmospheric and Environmental Science Research, Lhasa 850001, China
2. Tibet Autonomous Region Climate Centre, Lhasa 850001, China

收稿日期:2018-06-28修回日期:2019-07-31网络出版日期:2019-09-25

基金资助:

国家自然科学基金项目.41765011

Received:2018-06-28Revised:2019-07-31Online:2019-09-25

Fund supported:

National Natural Science Foundation of China.41765011

作者简介 About authors
杜军(1969-),男,贵州绥阳人,正研级高级工程师,从事青藏高原气候变化、生态与农牧业气象研究E-mail:dujun0891@163.com。






摘要
利用西藏“一江两河”流域9个气象站点1981-2017年逐日5 cm地温资料,采用线性回归、Mann-Kendall非参数检验等方法,分析了该流域5 cm地温及其界限温度的时空分布、突变特征,并探讨了地温变化率与经纬度、海拔高度之间的关系。结果表明：“一江两河”流域年、季平均5 cm地温总体呈自西向东递增分布,并随海拔升高而降低。1981-2017年流域月平均5 cm地温均呈显著升高趋势,升温率为0.23~0.98 ℃/10a,以4月最大,7月最小。年平均5 cm地温以0.58 ℃/10a的速率显著升高,各季地温也都趋于上升,其中春季升温率最大,夏季最小。5 cm地温≥ 12 ℃表现为初日提早、终日推迟、持续日数延长、积温增加的年际变化趋势。同样,≥ 14 ℃界限温度也有类似的变化,但变幅比≥ 12 ℃的要大。在10年际变化尺度上,流域年、季平均5 cm地温表现为逐年代际升高的变化特征。5 cm地温≥ 12 ℃和≥ 14 ℃界限温度在21世纪前10年呈初日提早、持续日数延长和积温偏多的态势。M-K检验显示,除夏季外,其他三季平均5 cm地温均发生了气候突变,其中春季和秋季的突变点分别出现在2004年和2005年,而冬季发生在1997年;年平均5 cm地温在2003年出现了突变。5 cm地温≥ 12 ℃初日的突变点在2004年,终日发生突变时间较晚,为2014年;持续日数突变点较早,在1997年;积温在2005年发生了突变。而5 cm地温≥ 14 ℃界限温度的突变点发生在2004年前后。相对于气温的变化,5 cm地温的升温幅度更大,突变时间较晚。
关键词： 变化趋势;气候突变;5 cm地温;界限温度;西藏“一江两河”流域;

Abstract
Based on daily mean soil temperature at 5-cm depth from 9 meteorological stations in the Yarlung Zangbo River and its two tributaries in Tibet from 1981 to 2017, the spatial-temporal distribution and climate abrupt characteristics of the mean soil temperature and its critical temperature at 5-cm depth have been comprehensively analyzed using the methods of linear regression and Mann-Kendall test. In particular, the dependence of the change rates of mean soil temperature at 5-cm depth has been explored on the altitudes and longitudes as well. The results show that the annual and seasonal mean soil temperature at 5-cm depth increases gradually from west to east but decreases with the altitude. During 1981-2017, the monthly mean soil temperature exhibits a significantly increasing trend with a rate of 0.23-0.98 ℃/10a, with a peak value occurring in April and the trough value in July. Also, the annual mean soil temperature exhibits a significant upward trend at a rate of 0.58 ℃/10a. Noticeably, the maximum increasing rate occurs in spring and the minimum in summer. In terms of the critical soil temperature ≥ 12 ℃ at 5-cm depth, the first day occurred much earlier, whereas the terminal day was postponed, the duration and elevated accumulated temperature were prolonged. Similarly, the critical soil temperature ≥ 14 ℃ exhibits a similar pattern albeit a larger amplitude. As for the trend over decadal timescale, the annual and seasonal mean soil temperature at 5-cm depth in the watershed investigated here exhibits a pronounced increasing trend. The selection of ≥ 12 ℃ (14 ℃) critical soil temperature at 5-cm depth points to the predated first day, prolonged duration and increased cumulated temperature in the first decade of the 21st century. The M-K mutation test shows that the abrupt change of seasonal mean soil temperature at 5-cm depth in spring and autumn occurred in 2004 and 2005, respectively, whereas the abrupt changes occurred in the winter of 1997, and the mutation of annual mean soil temperature was found in 2005. Furthermore, it was also found that abrupt change point occurred in 2004 for the first day of critical soil temperature ≥ 12 ℃, and a later abrupt point happened in 2014 for the terminal day, as compared to the duration in 1997, and the accumulated temperature occurred in 2005. By comparison, the abrupt change point for the first day, the terminal day, the duration and the accumulated temperature for the critical soil temperature ≥ 14 ℃ at 5-cm depth occurred around 2004. Compared to the variation in air temperature, soil temperature at 5-cm depth from 1981 to 2017 had a larger increasing rate of temperature and but a delayed abruption change point.
Keywords：variation trend;climate abrupt;mean soil temperature at 5-cm depth;critical temperature;the Yarlung Zangbo River and its two tributaries


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本文引用格式
杜军, 胡军, 尼玛吉, 次旺顿珠. 1981-2017年西藏“一江两河”流域5 cm地温及其界限温度时空变化特征. 地理学报[J], 2019, 74(9): 1821-1834 doi:10.11821/dlxb201909009
DU Jun. Spatial-temporal change of mean soil temperature and its critical temperature at 5 cm depth in the region of the Yarlung Zangbo River and its two tributaries of Tibet during 1981-2017. Acta Geographica Sinice[J], 2019, 74(9): 1821-1834 doi:10.11821/dlxb201909009

1 引言

IPCC第5次评估报告指出,1983-2012年,每10年全球地表温度的增暖幅度高于1850年以来的任何时期。在北半球,1983-2012年可能是最近1400年来气温最高的30年,21世纪的第1个10年是最暖的10年^[1]。青藏高原是世界上平均高度最高、地形最复杂的高原,平均海拔高度约4000 m,作为世界上一块隆起的巨大台地,通过边界层辐射、感热和潜热输送形成一个高耸入自由大气中的热源强迫和热对流动力扰源,对中国、东亚乃至全球的天气气候行程和变化都具有特殊的热力和动力作用^{[2,3,4,5,6,7]}。大气的下边界物理属性,如土壤的温度、湿度变化直接影响着地气间的感热与潜热通量,从而影响地球陆气间三维热力结构的变化。土壤作为一个天气变化的能量调节器,它的能量储放可以对长期天气变化产生重要影响^[8]。数值模拟研究表明^[9],土壤温度等地表状况的变化对大气环流有很大影响。鉴于青藏高原热状况在气候变化中的重要性,近来****们在青藏高原地温变化方面进行了大量的研究^{[10,11,12,13,14,15,16]},如李栋梁等^[10]认为青藏铁路北部和南部地面温度的线性升温率较大,特别是青藏铁路南部的升温率平均达到0.56 ℃/10a,铁路中部的线性升温率较小,平均为0.34 ℃/10a。胡军等^[14]分析得出1971-2005年西藏大部分站点季平均地温呈明显的上升趋势,其中西藏西部、南部以夏季升幅最大;北部以冬季增温最突出。上述研究但多侧重于平均状态下的变化,而针对地温界限温度变化的研究却鲜有报道。

一般以地表5 cm地温来确定作物适宜播种期所要求的最低温度指标。西藏农作物的播种深度一般都在5 cm左右,所以5 cm地温对青稞、小麦等主要作物的出苗影响很大^[17]。同时,5 cm地温稳定通过12~14 ℃也是春玉米的适宜播种期,在20世纪80年代的农业气候区划中被广泛应用^[18]。“一江两河”流域是西藏主要粮油生产基地,被誉为“西藏粮仓”,属于高原温带半干旱季风气候,其生态环境脆弱,农业生产和生态环境对气候条件的依赖性较强,国内****对该流域气温、降水等要素的变化也做过一些研究^{[19,20,21,22,23,24]}。如边多等^[19]认为1961-2000年该流域呈现气温升高、降水量增加的暖湿化气候特征;蒸发量、大风日数呈明显的减少趋势。张戈丽等^[23]分析了“一江两河”地区热量资源的变化,得出1959-2008年流域气温显著升高,增温以冬季最为明显;热量资源年际变化表现出显著的增加趋势。如何依据气候资源的变化来调整农业种植结构和农事活动?为此,本文分析全球气候变暖背景下西藏“一江两河”5 cm地温及其大于等于12 ℃和14 ℃界限温度的时空变化特征,以期为本地区适应农业结构调整、合理制定播种期提供参考。

2 研究区概况和研究方法

2.1 研究区概况

西藏“一江两河”区域地处西藏高原的腹心地带,其中一江是指雅鲁藏布江,两河分别指雅鲁藏布江的一级支流年楚河和拉萨河,其经纬度范围为87°4′E~92°37′E、28°60′N~30°30′N,面积6.67×10⁴ km²。该区域东起山南市桑日县,西至日喀则市拉孜县,主要以高原温带季风半干旱气候为主,年平均气温为6.1~9.1 ℃,年降水量为275.7~554.8 mm,降水主要集中于5-9月。该区域面积只有西藏全区的5.48%,人口分布相对密集,约占西藏1/3的人口。区域内社会经济发展水平优于西藏其他区域,西藏最大的2个城市（拉萨市、日喀则市）都分布在该区域内。区域地形起伏大,植被以草地、高山草甸为主,降水季节性变化剧烈,是典型的生态脆弱区^[25]。宜农的土壤类型主要是温暖河谷地区的山地灌丛草原土、潮土和草甸土;从牧地土壤类型来看,约一半以上属高山草甸土,近1/4为亚高山草甸土^[26]。

2.2 数据来源

本文选用西藏“一江两河”流域9个气象站点（图1）1981-2017年逐日5 cm平均地温和月平均气温资料,数据来源于西藏自治区气象信息网络中心,气象观测站土壤以沙壤土为主。按12月-次年2月为冬季,3-5月为春季,6-8月为夏季,9-11月为秋季生成逐季序列,以分析其年、季5 cm平均地温的时空分布特征。

图1

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图1西藏“一江两河”流域气象站点及海拔高度分布图

Fig. 1Map showing the location and altitude of the nine meteorological stations in the region of the Yarlung Zangbo River and its two tributaries of Tibet

2.3 研究方法

本文采用5日滑动平均法来确定5 cm平均地温稳定通过12 ℃和14 ℃的初、终日期及持续日数^[27],并计算初始日期和终止日期间的活动积温作为≥ 12 ℃和14 ℃积温。通过算术平均法建立“一江两河”流域5 cm地温≥ 12 ℃和14 ℃初日、终日、持续日数及积温序列数据。多年平均值为气候基准期1981-2000年的平均值。

Tab. 1
表1
表1西藏“一江两河”流域年、季平均5 cm地温与地理参数的相关系数
Tab. 1Correlation coefficients between annual and seasonal average soil temperature at 5 cm depth and geographical location (such as longitude, latitude and altitude) in the region of the Yarlung Zangbo and its two tributaries of Tibet

	春季	夏季	秋季	冬季	年
经度	0.102	0.024	0.287	0.455	0.214
纬度	-0.421	-0.496	-0.495	-0.185	-0.421
海拔高度	-0.596*	-0.514	-0.653*	-0.791**	-0.661*

注：^*、^**分别表示P < 0.10和P < 0.05。

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气候倾向率^[28]采用公式（1）进行计算：

（1）Y=a0+a1t
式中：Y为地温及其界限温度要素;t为时间;a₀为常数项;a₁为线性趋势项,把a₁×10年称为地温及其界限温度要素每10年的气候倾向率（变化趋势）。对于气候倾向率的显著性,采用时间t与原序列变量y之间的相关系数进行不同程度的显著性检验（P < 0.10,P < 0.05,P < 0.01和P < 0.001,P为显著性检验水平）。

应用Mann-Kendall（简称M-K方法）突变检验方法^[28],分析地温及其界限温度要素的突变气候特征。

3 结果分析

3.1 平均5 cm地温的时空变化特征

3.1.1 平均5 cm地温的空间变化 在多年平均状态下,西藏“一江两河”流域年平均5 cm地温为8.7~13.2 ℃,总体呈自西向东递增分布,并随海拔升高而降低;最大值出现在泽当,最小值在南木林。流域四季平均5 cm地温较同期平均气温偏高1.5~5.0 ℃,其中春、夏两季最大、冬季最小;年平均地气差为3.8 ℃。与地理参数（经纬度、海拔高度）进行相关分析发现,年、季平均5 cm地温（除夏季外）仅与海拔高度呈显著的负相关,即海拔每升高100 m,季平均5 cm地温降低0.51~0.62 ℃,以春季降幅最大,其次是冬季,为0.58 ℃;而年平均5 cm地温降低0.53 ℃。此外,还发现除冬季外,年、季平均5 cm地温与纬度呈显著的二次曲线关系（图2,P < 0.05）,以夏季最显著。对二次曲线求纬度导数,得到29.3°N附近,年、季平均5 cm地温最高;29.3°N以北（南）地区,随着纬度增加,地温随之降低（升高）。

图2

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图2西藏“一江两河”流域年、季平均5 cm地温与纬度的散点图

Fig. 2The relationship between annual and seasonal average soil temperature at 5 cm depth and latitude in the region of the Yarlung Zangbo River and its two tributaries of Tibet (a. Spring; b. Summer; c. Autumn; d. Annual)



3.1.2 5 cm地温时间变化 （1）月平均5 cm地温

分析表明,西藏“一江两河”流域月平均5 cm地温呈单峰型（图3a）,最小值出现在1月,为-0.8 ℃;最大值出现6月,为21.1 ℃。从1981-2017年的变化趋势来看,各月平均5 cm地温均表现为显著升高趋势（图3b）,升温率为0.23~0.98 ℃/10a（其中,6月和7月P < 0.10,其他月份P < 0.01）,升温率以4月最大,其次是3月（0.91 ℃/10a）,7月最小。进入20世纪90年代以来,大部分月份平均5 cm地温升高更为明显（图3b）,仍以4月最显著,升温率达1.21 ℃/10a（P < 0.001）;其次是3月,为1.10 ℃/10a（P < 0.001）;1月和11月升温率无变化,5月升温率略有降低。3-4月为春作物播种期,5 cm地温升高有利于作物出苗齐、长壮苗和生壮根。

图3

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图3西藏“一江两河”流域月平均5 cm地温变化

Fig. 3Variation of monthly average soil temperature at 5 cm depth in the region of the Yarlung Zangbo River and its two tributaries of Tibet during 1981-2017 (a. Inter-monthly variation; b. Linear variation trend)



就地域分布而言,1981-2017年月平均5 cm地温除拉孜8月份趋于降低（-0.18 ℃/10a,未通过显著检验）、南木林10月无变化外,各站其余月份5 cm地温都呈现为升高趋势,升温率为0.02~1.59 ℃/10a（78%的月份P < 0.10,55%的月份P < 0.01）。平均5 cm地温升温率最大值：拉孜、拉萨和墨竹工卡出现在3月份,升温率为0.88~1.59 ℃/10a（P < 0.001）;其他各站均发生在4月份,升温率为0.68~1.43 ℃/10a（P < 0.001）。平均5 cm地温升温率最小值出现月份一致性较差,其中拉孜、日喀则、拉萨和泽当4个站出现在7月,升温率为0.02~0.36 ℃/10a;其他各站出现在10月至翌年1月,升温率为0.06~0.46 ℃/10a;最小值的升温率仅墨竹工卡P < 0.01,其余站均未通过显著性检验。

此外,通过计算各站月平均5 cm地温变化率与经纬度、海拔高度的相关系数,结果发现：只有7-9月平均5 cm地温变化率与经度呈显著的正相关关系（P < 0.05）,即经度每增加10°E,7-9月平均5 cm地温变化率分别升高0.99 ℃/10a、1.40 ℃/10a和1.24 ℃/10a。其他月份的地温变化率与经纬度、海拔高度的线性关系不显著,不过1月和12月平均5 cm地温变化率与经度呈显著的二次曲线关系（P < 0.01,图4）。就二次曲线方程分别对经度求导数,结果表明1月平均5 cm地温升温率在90.46°E附近最低,90.46°E以东（西）地区,随着经度增加（减小）,地温升温率随之升高;12月平均5 cm地温升温率在89.67°E附近最小,89.67°E以东（西）地区,随着经度增加（减小）,地温升温率随之升高。

图4

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图4西藏“一江两河”流域月平均5 cm地温变化趋势与经度的散点图

Fig. 4The relationship between linear variation trend of monthly average soil temperature at 5 cm depth and longitude in the region of the Yarlung Zangbo River and its two tributaries of Tibet (a. January; b. December)



（2）季平均5 cm地温

1981-2017年西藏“一江两河”流域四季平均5 cm地温均呈显著升高趋势（表2）,增幅为0.43~0.83 ℃/10a（夏季P < 0.05,其他季节P < 0.001）,其中春季升温率最大,秋季次之,为0.57 ℃/10a;夏季最小。尤其是1991年以来,四季平均5 cm地温上升趋势更明显,升温率为0.58~0.93 ℃/10a（P < 0.001）,升温率仍以春季最大,其次是夏季,为0.88 ℃/10a;冬季最小。与同期平均气温升温率比较,近37年流域四季平均气温的升温率（0.25~0.49 ℃/10a）均低于平均5 cm地温升温率。这表明,地温的升幅较气温更大。

Tab. 2
表2
表2西藏“一江两河”流域年、季平均5 cm地温变化趋势(℃/10a)
Tab. 2Linear trend of annual and seasonal average soil temperature at 5 cm depth in the region of the Yarlung Zangbo River and its two tributaries of Tibet during 1981-2017 (℃/10a)

站点	春季	夏季	秋季	冬季	年
拉孜	1.09****	0.18	0.56***	0.75****	0.66****
南木林	0.47****	0.21	0.09	0.23****	0.26****
日喀则	0.75****	0.17	0.45****	0.50****	0.47****
尼木	0.58****	0.26	0.43**	0.33****	0.41****
贡嘎	1.30****	0.56****	0.32**	0.49****	0.68****
拉萨	0.76****	0.13	0.69****	0.69****	0.58****
墨竹工卡	1.30****	0.68*	1.02****	0.73****	0.95****
泽当	0.84****	0.45*	0.70****	0.69****	0.68****
江孜	0.81****	0.35**	0.35***	0.35****	0.47****
流域平均	0.83****	0.43**	0.57****	0.47****	0.59****

注：^*、^**、^***、^****分别表示P < 0.10,P < 0.05,P < 0.01和P < 0.001。

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在变化趋势的空间分布上,各站四季平均5 cm地温都表现为不同程度的升高趋势。春季升温率为0.47~1.30 ℃/10a（所有站P < 0.001）,升幅以贡嘎和墨竹工卡最大,拉孜次之,为1.09 ℃/10a,南木林最小;夏季升温率为0.13~0.56 ℃/10a（4个站P < 0.10）,其中贡嘎升幅最大（P < 0.001）,拉萨最小;秋季升温率为0.09~1.02 ℃/10a（除南木林外,其他各站P < 0.05）,以墨竹工卡升幅最大（P < 0.001）,其次是泽当,为0.70 ℃/10a（P < 0.001）,南木林最小;冬季升温率为0.23~0.75 ℃/10a（各站P < 0.001）,最大值出现在拉孜,墨竹工卡次之,为0.73 ℃/10a,最小值仍在南木林。

同样,分析了各站季平均5 cm地温变化率与经纬度、海拔高度的相关系数,发现仅夏季地温变化率与经度呈较显著的正相关关系,相关系数为0.656,大于R_0.10 = 0.582,说明随着经度的增加,地温升温率随之增大,即经度平均每增加10°E,夏季平均5 cm地温升温率增加0.89 ℃/10a。不过还发现秋、冬两季地温升温率与经度呈显著的二次曲线关系（图5）,就二次曲线方程分别对经度求导数,结果表明,秋季和冬季平均5 cm地温升温率分别在89.73°E、89.84°E附近最低,89.73°E和89.84°E以东（西）地区,随着经度增加（减小）,地温升温率随之升高。

图5

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图5西藏“一江两河”流域季平均5 cm地温变化趋势与经度的散点图

Fig. 5The relationship between linear variation trend of seasonal average soil temperature at 5 cm depth and longitude in the region of the Yarlung Zangbo River and its two tributaries of Tibet (a. Autumn; b. Winter)



从西藏“一江两河”流域1981-2010年四季和年平均5 cm地温的10年际变化分析来看（表3）,20世纪80年代除夏季正常外,其他三季地温均偏低;90年代除夏季偏低0.4 ℃,其他各季基本正常;进入到21世纪最初的10年,一年四季均偏高,较平均值偏高0.6~1.0 ℃,尤以春季最为明显。21世纪前10年与20世纪80年代,四季平均5 cm地温偏高了0.7~1.6 ℃,以春季最大、夏季最小。

Tab. 3
表3
表3西藏“一江两河”流域年、季平均5 cm地温年代际距平
Tab. 3The decade mean anomalies of annual and seasonal soil temperature at 5 cm depth in the region of the Yarlung Zangbo River and its two tributaries of Tibet during 1981-2010

时间段	春季	夏季	秋季	冬季	年
1981-1990年	-0.8	0.0	-0.4	-0.4	-0.4
1991-2000年	0.0	-0.4	-0.1	-0.2	-0.2
2001-2010年	1.0	0.7	0.8	0.6	0.8

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（3）年平均5 cm地温

根据1981-2017年西藏“一江两河”流域年平均5 cm地温变化趋势分析,各站均表现为显著的升高趋势,升温率为0.26~0.95 ℃/10a（P < 0.001）,以墨竹工卡最大,泽当和贡嘎次之,为0.68 ℃/10a（P < 0.001）,南木林最小;整个流域也以0.59 ℃/10a（P < 0.001）的速率呈显著升高趋势,尤其是1991-2017年上升趋势更为突出,升温率达0.80 ℃/10a（P < 0.001）。另外,同样分析了1991-2017年各站年平均5 cm地温变化率与经纬度、海拔高度的相关系数,发现88°E以东,年平均5 cm地温变化率仅与经度呈显著的正相关关系,相关系数为0.829（P < 0.05）,表明随着经度的增加,地温升温率随之增大;经度平均每增加10°E,年平均5 cm地温升温率增加1.52 ℃/10a。

在10年际变化尺度上,西藏“一江两河”流域年平均5 cm地温表现为逐年代际升高的变化特征（表3）,20世纪80年代偏低,90年代地温基本正常;21世纪最初的10年地温明显偏高,是近30年最高的10年,这些特征同样体现在流域各站上,也再次佐证了平均5 cm地温趋于升高的变化特征。

3.2 5 cm地温界限温度的时空变化

3.2.1 空间变化 基于平均状态下,西藏“一江两河”流域各站5 cm地温≥ 12 ℃初日为4月2日-5月12日,泽当最早开始,最迟出现在墨竹工卡;终日介于9月28日-10月26日之间,南木林结束的最早,而泽当结束的最晚;持续日数为153.4~207.4 d,以泽当最长、墨竹工卡最短;积温为2309.7~3951.8 ℃·d,最高值位于泽当,最低值在墨竹工卡。5 cm地温≥ 14 ℃初日为4月17日-5月30日,终日为9月5日-10月12日,持续日数为104.2~179.0 d,积温为1758.0~3551.0 ℃·d,最大值和最小值出现的地点与≥ 12 ℃的相同;与≥ 12 ℃界限温度比较,初日推迟15~18 d、终日提早14~23 d、持续日数缩短28.4~38.7 d、积温减少400.8~551.7 ℃·d。

经相关统计分析,≥ 12 ℃的初日、终日、持续日数和积温与经纬度、海拔高度的线性相关性不显著,但与纬度呈显著的二次曲线关系（图6）,总体来看,在29.3°N以北,随着纬度增加,5 cm地温≥ 12 ℃初日推迟、终日提早、持续日数缩短和积温减少;而在29.3°N以南,随着纬度增加,5 cm地温≥ 12 ℃初日提早、终日推迟、持续日数延长和积温增加。同样,≥ 14 ℃的初日、终日、持续日数和积温与经纬度、海拔高度的相关性也不显著,而与纬度呈显著的二次曲线关系,在29.3°N以北（南）也具有相同的分布特点。

图6

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图65 cm地温≥ 12 ℃的初日、终日、持续日数和积温与经度的散点图

Fig. 6The relationship between the beginning day (a), terminal day (b), duration (c) and accumulated temperature (d) of the daily soil temperature at 5 cm depth above 12℃ stably and longitude in the region of the Yarlung Zangbo River and its two tributaries of Tibet



3.2.2 年际和年代际变化 1981-2017年,西藏“一江两河”流域5 cm地温≥ 12 ℃初日呈显著提早趋势,平均每10年提早5.7 d（P < 0.001）;终日以2.0 d/10a（P < 0.01）的速度显著推迟;持续日数表现为明显延长趋势,延长率为7.5 d/10a（P < 0.001）;积温呈显著增加趋势,增幅为194.2 ℃·d/10a（P < 0.001）,尤其是近27年,积温增加得更为明显,增幅达252.3 ℃·d/10a（P < 0.001）。同样,5 cm地温≥ 14 ℃界限温度也表现为这样的变化趋势,平均10年初日延长5.4 d、终日推迟6.3 d、持续日数延长11.7 d、积温增加257.4 ℃·d,变化幅度比≥ 12 ℃的要大。

Tab. 4
表4
表4西藏“一江两河”5 cm地温≥ 12 ℃与≥ 14 ℃初日、终日、持续日数和积温变化趋势
Tab. 4Linear trend of the beginning day, terminal day, duration and accumulated temperature of the daily soil temperature at 5 cm depth above 12 ℃ and 14 ℃ stably in the region of the Yarlung Zangbo River and its two tributaries of Tibet during 1981-2017

站点	≥ 12 ℃				≥ 14 ℃
	初日 (d/10a)	终日 (d/10a)	初终间 (d/10a)	积温 (℃·d/10a)	初日 (d/10a)	终日 (d/10a)	初终间 (d/10a)	积温 (℃·d/10a)
拉孜	-8.8****	2.5*	11.3****	230.5****	-9.7****	5.9**	15.6****	280.7****
南木林	-3.9***	2.5*	5.3***	103.1***	-1.9	8.2***	10.1***	182.1****
日喀则	-3.3*	-0.1	3.2*	113.7****	-4.8***	2.5**	7.3****	171.1****
尼木	-3.4**	1.2	4.5**	151.3***	-6.1****	2.2	8.2***	201.2****
贡嘎	-8.8****	0.8	9.5****	271.8****	-9.3****	0.8	10.1****	275.5****
拉萨	-5.6***	2.9***	8.5****	195.8****	-5.8**	3.3*	9.1***	201.4***
墨竹工卡	-8.1****	7.0****	15.1****	316.0****	-8.2***	10.0****	18.2****	363.5****
泽当	-7.2****	1.9**	9.1****	259.0****	-7.2***	3.9*	11.1****	288.5****
江孜	-4.4***	1.8*	6.2***	164.9****	-4.0**	11.5****	15.5****	301.3****
流域平均	-5.7****	2.0**	7.5****	194.2****	-6.3****	5.4****	11.7****	257.4****

注：^*、^**、^***、^****分别表示P < 0.10,P < 0.05,P < 0.01和P < 0.001。

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在地域分布上来看,1981-2017年流域各站5 cm地温≥ 12 ℃初日都表现为提早趋势,平均每10年提早3.3~8.8 d,以拉孜和贡嘎提早的最多;终日在日喀则上基本无变化,其他各站趋于推迟,为0.8~7.0 d/10a,其中墨竹工卡推迟的最明显;持续日数均呈延长趋势,为3.2~15.1 d/10a（7个站P < 0.01）,仍以墨竹工卡延长的最多;各站积温皆表现为显著的增加趋势,平均10年增加103.1~316.0 ℃·d（所有站P < 0.01）,以墨竹工卡最大、南木林最小。同样,流域各站5 cm地温≥ 14 ℃表现出初日提早、终日推迟、持续日数延长和积温增加的年际变化特征,而绝大部分站点界限温度的变化幅度也比≥ 12 ℃的要大,其中墨竹工卡最为突出,终日推迟率为10.0 d/10a、持续日数延长率为18.2 d/10a、积温增幅达363.5 ℃·d/10a。

通过线性相关分析,5 cm地温≥ 12 ℃初日、终日、持续日数和积温的变化趋势与经纬度、海拔高度的相关不显著,但发现初日、持续日数和积温变化趋势与经度呈显著的二次曲线关系（P < 0.01）,就二次曲线方程分别对经度求导数,结果显示：初日、持续日数和积温变化趋势分别在89.60°E、89.41°E和89.32°E附近最小,这些附近以东（西）地区,随着经度增加（减小）,变化趋势随之增加。而5 cm地温≥ 14 ℃初日、终日、持续日数和积温的变化趋势也与经纬度、海拔高度的线性相关不显著,仅初日和积温的变化趋势与经度呈显著的二次曲线关系（P < 0.05）,对二次曲线方程分别求经度的导数,结果表明,≥ 14 ℃初日变化趋势在89.41°E附近最小,89.41°E以东（西）地区,随着经度增加（减小）,提早趋势随之加大;积温在89.98°E附近增幅最小,89.98°E以东（西）地区,增幅随着经度的增加（减小）而加大。

根据分析西藏“一江两河”流域5 cm地温≥ 12 ℃与≥ 14 ℃初日、终日、持续日数和积温的10年代际变化,结果表明,5 cm地温≥ 12 ℃和≥ 14 ℃界限温度,在20世纪80年代都表现为初日推迟、终日提早、持续日数偏短和积温偏少的特征;90年代呈现为初日、终日和持续日数基本正常,积温略偏少的气候特征;进入21世纪前10年后,≥ 12 ℃和≥ 14 ℃均表现为初日提早、持续日数延长和积温偏多的态势。

3.3 突变分析

3.3.1 平均5 cm地温 通过M-K检验结果表明,1981-2017年西藏“一江两河”流域除夏季外,其他三季平均5 cm地温均发生了气候突变（表5）,其中春季和秋季的突变点分别出现在2004年和2005年,而冬季突变时间较早,发生在1998年;突变点都是从一个相对偏冷期跃变为一个相对偏暖期。突变后的季平均地温比突变前的偏高了1.0~1.7 ℃,以春季最为明显。年平均5 cm地温的突变点发生在2003年,且2003-2017年上升趋势超过了显著性水平0.05临界线,甚至超过了0.01显著性水平（u_0.01 = 2.56）,表明年5 cm地温升高趋势是十分显著的;突变前后年平均地温相差1.3 ℃。此外,分析了同期平均气温的突变情况,发现夏季平均气温的突变点出现在2005年,其他3个季节平均气温突变时间出现在1995年前后,均早于5 cm地温的突变点,其中春季和秋季偏早9~10年,冬季偏早2年;年平均气温在1994年发生了突变,比5 cm地温偏早9年。总之,相对于气温的变化,5 cm地温的升温幅度更大,突变时间较晚。

Tab. 5
表5
表5西藏“一江两河”流域年、季平均5 cm地温突变年份
Tab. 5The curve of climate abrupt change for the annual and seasonal average soil temperature at 5 cm depth in the region of the Yarlung Zangbo River and its two tributaries of Tibet during 1981-2017

站点	春季	夏季	秋季	冬季	年
拉孜	1994	2001	1996	1998	1995
南木林	1994	2001	1996	1998	1996
日喀则	1998	/	/	1998	2008
尼木	2003	2005	2006	2002	2003
贡嘎	1995	2003	2005	1998	1994
拉萨	2005	/	1994	1994	1994
墨竹工卡	2005	2005	2005	2005	2005
泽当	2007	2008	2007	2006	2007
江孜	2002	2003	2004	1988	2002
流域平均	2004	/	2005	1998	2003

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在各站点上,除日喀则夏季和秋季、拉萨夏季平均5 cm地温未发生气候突变外,年、季平均5 cm地温都发生了气候突变。春季有55%的站点、秋季有63%的站点,突变时间发生21世纪前10年;夏季突变点都出现在21世纪前10年,而冬季主要发生在20世纪90年代;此外,江孜站冬季平均5 cm地温突变的最早,发生在1988年。就年平均而言,有55%的站点突变时间发生21世纪前10年,其中日喀则的突变时间最晚,出现在2008年。

3.3.2 5 cm地温界限温度 利用M-K方法对1981-2017年西藏“一江两河”流域5 cm地温≥ 12 ℃初日、终日、持续日数和积温的突变进行分析（图7）,结果表明：≥ 12 ℃初日、终日、持续日数和积温都发生了气候突变,初日的突变点发生在2004年,从一个相对偏晚期跃变为一个相对偏早期;终日发生突变时间较晚,为2014年,从一个相对偏早期跃变为一个相对偏晚期;持续日数从一个相对偏短期跃变为一个相对偏长期,突变点出现的较早,为1997年;积温的突变年份为2005年,从一个相对偏少期跃变为一个相对偏多期。其中,1997-2017年终日推迟趋势超过了显著性水平0.05临界线,甚至超过了0.01显著性水平（u_0.01 = 2.56）,表明5 cm地温≥ 12 ℃终日推迟趋势是十分显著的。同样,2007-2017年积温升高也超过了0.01显著性水平,说明5 cm地温≥ 12 ℃积温升高趋势十分明显。经对突变点前后的平均值比较可知,突变后≥ 12℃初日提早12 d、终日推迟7 d、持续日数延长13 d,积温增加486.1 ℃。

图7

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图71981-2017年西藏“一江两河”流域5 cm地温≥ 12 ℃初日(a)、终日(b)、持续日数(c)和积温(d)的M-K检验

Fig. 7M-K verification of the beginning day (a), terminal day (b), duration (c) and accumulated temperature (d) of the daily soil temperature at 5 cm depth above 12℃ stably in the region of the Yarlung Zangbo River and its two tributaries of Tibet during 1981-2017



类似地利用M-K方法检验出5 cm地温≥ 14 ℃初日、终日、持续日数和积温均发生了气候突变,突变点发生在2004年前后,其中持续日数出现的较早,在2003年;终日发生在2004年,初日和积温都出现在2005年。2008年至今,5 cm地温≥ 14 ℃初日提早趋势、终日推迟趋势、持续日数延长趋势以及积温升高趋势都超过了0.01显著性水平,说明≥ 14 ℃界限温度这种变化趋势十分突出。对比突变点前后平均值发现,突变后≥ 14 ℃初日提早15 d、终日推迟12 d、持续日数延长24 d,积温升高了663.1 ℃。

4 讨论与结论

4.1 讨论

（1）西藏“一江两河”流域气象站点少,分布在海拔相对较低的河谷地区,没有海拔较高的山地站点,且站点的土壤、植被、地貌等类型也不尽相同,这些在一定程度上都会影响到流域5 cm地温及其界限温度时空变化的特征。2010年以来,西藏自治区气象局在该区域相继建立了十几个气象自动站,今后有待补充站点数再进一步研究。

（2）“一江两河”流域年、季平均5 cm地温的升温率较同时期的平均气温增温幅度更明显。有研究认为地温的升高起因于气温升高^{[16, 29]},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。

（3）相对于气温的变化,“一江两河”流域5 cm地温的升温幅度更大,突变时间较晚,这与0 cm地温的变化类似^[30]。5 cm地温升高趋势显著,尤其是播种期的3-4月,温度高发芽快,有利于作物出苗齐、长壮苗和生壮根。同样,5 cm地温≥ 12 ℃初日提早、持续日数延长、积温增加,一来可适当提早春玉米的播种期,二来也有利于玉米的生长。这可为当地政府调整农业结构、合理制定播种期提供参考。

4.2 结论

（1）在多年平均下,西藏“一江两河”流域年平均5 cm地温为8.7~13.2 ℃,总体呈自西向东递增分布,并随海拔升高而降低。各站5 cm地温≥ 12 ℃初日为4月2日-5月12日,终日为9月28日-10月26日之间,持续日数为153.4~207.4 d,积温为2309.7~3951.8 ℃·d。与≥ 12 ℃界限温度比较,≥ 14 ℃初日推迟15~18 d、终日提早14~23 d、持续日数缩短28.4~38.7 d、积温减少400.8~551.7 ℃·d。

（2）1981-2017年流域各月平均5 cm地温均表现为显著升高趋势,平均每10年升高0.23~0.98 ℃,升温率以4月最大、7月最小。自20世纪90年代以来,大部分月份平均5 cm地温升高更为明显,仍以4月最显著,升温率达1.21 ℃/10a。流域四季平均5 cm地温均呈显著升高趋势,平均每10年升高0.43~0.83 ℃,其中春季升温率最大,夏季最小;年平均5 cm地温也以0.58 ℃/10a的速度呈显著升高趋势。

（3）1981-2017年流域5 cm地温≥ 12 ℃初日平均每10年提早5.7 d,终日以2.0 d/10a的速度显著推迟,持续日数延长率为7.5 d/10a,积温增幅达194.2 ℃·d/10a。同样,5 cm地温≥ 14 ℃界限温度也表现为类似的变化趋势,但变化幅度要比≥ 12 ℃的大。

（4）分析发现只有7-9月平均5 cm地温变化率与经度呈显著的正相关关系,1月和12月平均5 cm地温变化率与经度呈显著的二次曲线关系。在季尺度上,夏季平均5 cm地温变化率与经度呈显著的正相关关系;而秋、冬两季地温升温率与经度呈显著的二次曲线关系。此外,发现≥ 12 ℃初日、持续日数和积温的变化趋势与经度呈显著的二次曲线关系,而≥ 14 ℃初日、积温的变化趋势也与经度呈显著的二次曲线关系。5 cm地温及其界限温度的变化趋势与经度呈二次曲线关系或正相关关系,这主要与该区域东西长、南北窄的地理位置有关。

（5）在10年际变化尺度上,流域年、季平均5 cm地温表现为逐年代际升高的变化特征,20世纪80年代偏低,21世纪前10年明显偏高。这些特征同样体现在流域各站上,也再次佐证了平均5 cm地温趋于升高的变化事实。5 cm地温≥ 12 ℃和≥ 14 ℃的界限温度,在20世纪80年代都表现为初日推迟、终日提早、持续日数偏短和积温偏少的特征,而21世纪前10年≥ 12 ℃和≥ 14 ℃均表现为初日提早、持续日数延长和积温偏多的态势。

（6）M-K检验显示,1981-2017年流域除夏季外,其他三季平均5 cm地温均发生了气候突变,其中春季和秋季的突变点分别出现在2004年和2005年,而冬季突变时间较早,发生在1998年。年平均5 cm地温在2003年发生了突变。与同期平均气温比较,突变时间偏晚,其中春季和秋季偏晚9~10年。5 cm地温≥ 12 ℃初日的突变点在2004年,终日发生突变时间较晚,为2014年;持续日数突变点出现的较早,出现在1997年;积温的突变年份在2005年。而5 cm地温≥ 14 ℃界限温度的气候突变点发生在2004年前后。

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