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地温变化对气候变化的重要性

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1资料与方法

对站址有迁移情况的台站,根据一年的对比观测资料通过差值法进行订正,以保证资料的连续性和均一性。2004年以前资料采用玻璃液体地温表人工读取,每日02:00、08:00、14:00、20:00共4个数据;2004年开始使用铂电阻地温传感器自动获取,每小时读取数据一次,月平均依然为02:00、08:00、14:00和20:00共4次的定时平均值。按12月~翌年2月为冬季、3~5月为春季、6~8月为夏季、9~11月为秋季生成逐季、逐年序列。对各站近30年年、季深层地温3个层次作算术平均,得到各站1981~2010年年、季平均深层地温序列;采用加权平均法,计算出青海及各站0.8、1.6、3.2m深层地温的平均值,以分析其年、季、年代际变化以及突变等气候特征。同时,选取气温、降水、最大冻土深度,分析其与地温之间的关系。地温的气候倾向率采用一元线性方程分析方法,且对趋势系数进行了显著性检验。气候突变通过累积距平和信噪比等方法来分析地温的突变特征。

2结果与分析

2.1深层地温的年内变化由图1可见,近30年青海各站0.8m深层地温年内最高值出现在8月,1.6m最高出现在8、9月(南部出现在9月),3.2m最高出现在9、10月;0.8m地温最低值出现在1、2月,1.6m最低值出现在2、3月(南部出现在3月),3.2m最低出现在3、4月。随着深度的增加平均地温的年内最高、最低值出现时间基本上推后1个月,年内振幅也趋于减小。就全省8个代表站平均而言,0.8m深层3~8月是地温升温阶段,最大升幅出现在5~6月,月平均升温在3.5~3.7℃;1.6m深层4~9月是地温升温阶段,最大升幅出现在6~7月,月平均升温在2.5~2.7℃;3.2m深层5~10月是地温升温阶段,最大升幅出现在7~8月,月平均升温在1.5~1.6℃。0.8、1.6m深层9月~次年2月是地温降温阶段,最大降幅出现在11月,月平均降温分别达4.6、2.8℃;3.2m层11月~次年4月是地温降温阶段,最大降幅出现在1月,月平均降温平均为1.5℃。春、夏季平均地温变化幅度随深度增加逐步减小,表明热量由浅层向深层传递,是积蓄能量的过程;秋、冬季平均地温变化幅度随深度增加而明显增大,表明热量由深层向浅层传递,是释放能量的过程。

2.2深层地温的长期变化趋势2.2.1不同地层年平均地温的变化。分析青海8站0.8、1.6、3.2m年平均地温的气候倾向率(表1)发现,大部分站点各地层均表现为不同程度的上升趋势,均以玛多升幅最大,在0.62~0.69℃/10a(P<0.01),特别是近20年位于青南地区的玛多、达日、河南、久治各层以0.69~0.82℃/10a(P<0.01)的增温速率上升。0.8、1.6、3.2m均有3站通过了极显著性检验(P<0.01),3站通过了显著性检验(P<0.05);其余站变化趋势不明显。

2.2.2不同地层季平均地温的变化。

2.2.2.10.8m地温。由表1可见,近30年青海0.8m地温夏季全部呈升温趋势,玛多增幅最大,为1.33℃/10a;春季、秋季、冬季大部分站呈升温趋势,春季德令哈增幅最大,为0.99℃/10a(P<0.01);秋季刚察、玛多以0.59℃/10a的速率升温;冬季大部分站呈上升趋势,刚察升幅达最大,为0.38℃/10a。春季有2站,夏季、秋季有1站达到极显著性检验;春季、秋季、冬季有2站,夏季4站达到显著性检验,其余各站变化不明显。

2.2.2.21.6m地温。由表1可见,近30年青海各站1.6m夏季、秋季均呈升温趋势,玛多增幅最大,分别为1.46、0.86℃/10a;春季、冬季大部分站呈上升趋势,春季德令哈增幅最大,为0.78℃/10a;冬季刚察升幅达最大,为0.58℃/10a。四季各有1站达到极显著性检验;春季有5站,夏季、秋季、冬季均有4站达到显著性检验。

2.2.2.33.2m地温。表1显示,近30年青海各站3.2m地温春、夏、冬季绝大部分站表现为上升趋势,秋季各站全部呈升高趋势。春季、冬季增幅最大的刚察分别为0.54、0.65℃/10a,夏季、秋季均以玛多升幅最大,升幅分别为0.88、0.96℃/10a;春季有4站,夏季、冬季有3站,秋季有2站达到极显著性检验;春季、夏季有2站,冬季有1站、秋季有3站达到显著性检验。根据季平均地温的变化趋势分析,发现大部分站四季深层地温呈升高趋势,各地层夏季升幅最大,冬季最小,值得注意的是格尔木、玛多冬季0.8m深度地温呈较显著的降低趋势,原因有待分析;夏季、秋季以玛多升幅为最大,德令哈以春季升温最明显,刚察以冬季升温幅度最突出。

2.3深层地温的年代际变化特点由图2可见,近30年青海各层年平均地温大部站点呈逐年代升高趋势,3个地层年平均地温距平最高值出现在21世纪以来;最低值出现在20世纪80年代。80年代各层最高值均出现在格尔木站,21世纪以来各层均以玛多最高。各地层20世纪80年代各站均为负距平,90年代距平有正有负,21世纪以来均为正距平;21世纪以来与80年代比较,各站升幅0.8m在0~1.3℃、1.6m在0~1.4℃、3.2m在0~1.2℃,玛多升幅最大,格尔木最小。分析青海各站0.8~3.2m地层年平均地温的变化发现,有7站地温显著升高。由青海省玛多和西宁2个代表站年平均地温的变化(图3)可见,玛多升温幅度达0.64℃/10a,西宁站年平均地温的变化呈下降趋势,近20年(1991~2010年)德令哈升温幅度更明显,为0.74℃/10a。

2.4深层地温变化的突变特征

2.4.1年际突变特点。根据累积距平和信噪比等方法计算青海1981~2010年8站0.8、1.6、3.2m深层地温气候突变年份,经检验有5站发生了突变,且3个地层均有4站发生了突变。大部站点各层均在20世纪90年代发生了突变,德令哈0.8、1.6m地层突变出现在1993年,3.2m出现在1989年;刚察3个地层突变发生在1990年;玛多3个地层以及治0.8、3.2m在1997年发生了突变;达日1.6m层突变出现在1998年(表2)。年际突变表明了青海各地层升温的趋势是十分显著的,从地域分布来看,地处柴达木盆地的德令哈、环青海湖地区的刚察各深层地温的突变明显早于位于青南的玛多、达日和久治。可见,青海不同地层深层地温年际突变时间绝大部站点均发生在20世纪90年代中后期,而青藏高原年平均气温此时也发生了气候突变[12],各站不同地层深层地温发生了一个由相对偏冷期跃变为相对偏暖期的气候突变现象。

2.4.2季节突变特点。根据累积距平和信噪比等方法计算得到德令哈、刚察、格尔木、玛多等8站0.8、1.6、3.2m深层地温不同季节的气候突变年份(表3),经检验有7站发生了突变,近30年春季德令哈3.2m突变年份出现在1987年,1.6m出现在1991年,0.8m出现在1993年;刚察、玛多3.2m,玛多、久治0.8m,河南、久治1.6m突变出现在1997年;达日1.6m、久治3.2m在1998年发生了突变。夏季格尔木0.8、1.6m在1986年发生了突变;德令哈1987年3.2m发生了突变,0.8、1.6m在1989年出现了突变;玛多、久治1997年3个地层发生了突变。秋季格尔木1.6、3.2m在1986年,德令哈3.2m在1989年发生了突变;刚察3个地层1993年,玛多1.6、3.2m在1997年也发生了突变。冬季久治0.8m在1986年,德令哈1.6、3.2m在1993年发生突变;刚察1.6、

3.2m以及玛多3.2m突变出现在1997年;达日1.6m在1998年发生了突变。西宁深层地温四季没有发生突变现象。青海大部分站在四季均发生了突变现象,突变年份四季均出现在20世纪80年代中期和90年代中后期。由此可见,青海不同季节深层地温突变时间绝大部站点均发生在20世纪90年代中后期,各站不同季节深层地温发生了一个由相对偏冷期跃变为相对偏暖期的气候突变现象。

2.5深层地温与气温、降水、冻土深度的关系

2.5.1深层地温与气温的关系。近30年青海年平均气温总体呈上升趋势,气候倾向率在0.17~0.69℃/10a(有6站P<0.05),格尔木升温幅度最大,在20世纪80年代中期2.5.3深层地温与冻土深度的关系。近30年来青藏高原多年冻土区的气候变化总的趋势是向着气温升高的方向发展,气温的变化对多年冻土热状况的扰动主要表现在地温场的变化上。30多年高原气温升高0.45℃左右,并引起冻土地温平均升高了0.2~0.3℃。通过对青海8个观测站最大冻土深度的气候倾向率分析,近30年除西宁站以外其他各站最大冻土深度呈显著的减小趋势,变化值在8.92~-29.56cm/10a(有5站P<0.05),刚察减幅最大。青海1981~2010年平均冻土深度变化趋势呈显著的减小趋势,为9.03cm/10a(图4)。这说明近30年青海高原深层地温呈明显的上升趋势与最大冻土深度呈显著的减小趋势关系密切后各站点气温开始上升,一直持续到2010年。与同时期平均气温的增温幅度比较,绝大多数站深层地温的增幅明显偏小。近30年来8站0.8、1.6、3.2m深层地温与同期年平均气温的相关分析表明(表4),气温与深层地温呈明显的正相关,除格尔木以外,其余各站均通过了显著性检验水平,说明气温对深层地温的影响作用明显,深层地温受气温升高的影响也呈升高趋势。此外,有6站随着深度的增加气温与地温的相关性也在降低。

2.5.2深层地温与降水的关系。青海省属典型的高原大陆性气候,气候相当干燥,暖湿气流很难到达,一年四季降水量均很小,年降水量在50.0~450.0mm,集中于5~9月份,从东南向西北递减,且降水多夜雨。分析1981~2010年青海历年降水量变化发现,20世纪80年代以来有6站降水量呈增加趋势,8站降水量变化值在-32.38~30.69mm/10a,西宁降水量增加最明显,久治降水量减少最显著。对年降水量与深层年平均地温相关性的分析表明(表5),刚察、西宁3个地层以及河南1.6和3.2m深层地温与降水量均表现为负相关,其他各站不同层次均表现为正相关,但相关性均不明显,均未通过显著性检验,表明青海降水量对深层地温影响不太显著;而格尔木、玛多、达日、久治4站各地层年平均地温与降水似乎表现为较明显的正相关,这主要是与高原降水的天气特征有关系,特别是夏季气温越高其降水过程强度越大,降水量增加有关。分析青海8站最大冻土深度与深层0.8、1.6、3.2m年平均地温相关性(表6)发现,8站均为负相关,0.8、1.6、3.2m相关系数分别在-0.842、-0.848、-0.854以上,其中年最大冻土与0.8m年平均地温负相关系数最大,说明深层地温受冻土深度减小的影响也呈升高趋势。此外随着深度的增加,大部分站点冻土深度与地温的相关性也在降低。

3结论与讨论

(1)近30年青海0.8m深层地温年内最高值出现在8月,1.6m最高出现在8、9月,3.2m最高出现在9、10月;0.8m深层地温最低值出现在1、2月,1.6m最低值出现在2、3月,3.2m最低出现在3、4月。随着深度的增加平均地温的年内最高、最低值出现时间基本上推后1个月,年内振幅也趋于减小。春、夏季平均地温变化幅度随深度增加逐步减小,表明热量由浅层向深层传递,是积蓄能量的过程;秋、冬季平均地温变化幅度随深度增加而明显增大,表明热量由深层向浅层传递,是释放能量的过程。

(2)近30年青海0.8、1.6、3.2m土层年平均地温均表现为不同程度的上升趋势,特别是近20年位于青南地区的玛多、达日、河南、久治各层以0.69~0.82℃/10a的速率显著升高,黄河源区的玛多站升幅最大。各地层年平均升温率随着深度的增加而减小。青海绝大部站点四季深层地温均呈显著升高趋势,夏季升幅最大,冬季最小。

(3)近30年青海年、季深层地温突变时间绝大部站点发生在20世纪90年代中后期,各站不同季节和年平均深层地温发生了一个由相对偏冷期跃变为相对偏暖期的气候突变现象。

(4)近30年青海年平均气温与各地层地温均为正相关,与降水量的相关性不明显,冻土深度与各地层地温均为负相关。大部分站点随着深度的增加,气温与地温的相关性在降低;深层地温受冻土深度减小的影响也呈升高趋势,此外随着深度的增加,大部分站点冻土深度与地温的相关性也在降低。

(5)青海高原东部的西宁站年、季平均地温表现为明显的降低趋势,与气温变化趋势相反。主要与20世纪90年代中期该站点迁址有关,原站址地势高、地下水位较低,现址地下水位较高、土壤较为湿润;二是由于近30年日照时数明显减少、降水量增加,从而影响土壤热量的传输。而青海其他大部分站点年、季平均地温均呈现显著的升高趋势,这与同时期平均气温明显增温一致。但与同时期平均气温的增温幅度比较,绝大多数站深层地温的增幅明显偏小。

作者:张焕平张占峰汪青春单位:青海省气象信息中心中国大气本底基准观象台青海省气候中心

应用气象学报责任编辑:田老师    阅读:人次