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四川省地表温度时空变化特征及评价模型研究

于真  
【摘要】:地表温度作为气候变化的指标,在土壤的形成和演化过程中起着非常重要的作用,同时气温、降水、地表覆盖变化等对地表温度的变化有很大的影响,它主要通过改变下地表反射率、土壤湿度以及土壤热储量三个方面来影响着全球天气、气候变化。四川省位于青藏高原的东部,受高原季风气候、西南季风以及高原背风坡系统等因素的综合影响,具有独一无二的气候特征,又由于典型的地理位置和复杂的地形结构,使得四川省不同地区显示不同气候特征和不同的大气环流模式。从过去的研究文献资料看,过去对气候的研究多集中于对气温和降水方面,缺乏对土壤温度时空分布特征及相关气象因子对其影响的系统性的分析;尤其是对地温长期演变规律、年际和年代际变化研究则更少,而地温变化对天气、气候所造成的影响研究尚处于起步阶段。其次,由于地温与近地面层气温的变化特征存在非对称性,那么利用气温数据评估气候变化对植物生长的影响就可能存在较大误差。再次,之前的一些研究只是单独考虑地温或者只考虑气温这一个气象因子与地温之间的关系,对气候变暖情况下,地温的研究相对比较单。另外,我国目前对地温的研究多集中于热带、亚热带地区,或者像青藏高原这种高海拔和大兴安岭这种高纬度的地区,针对四川省地温相关的研究几乎没有。因此,深入的系统的开展四川省地表温度的变化研究,能更加深入的了解该区域气候变化的原因。本文选取四川省34个气象站点从1961年至2014年的地表温度资料和各气象要素资料(日平均气温、日照时数、每日平均降雨量、和日平均风速),采用了气候倾向率法、相关与回归分析、累计距平法、小波周期分析、Mann-Kendall突变检验、以及主成分分析、信噪比检验法R/S分析法,系统分析了四川省地表温度的时空分布特征、影响地表温度的因素、地气温差变化特征及其影响因素、地表温度的变化对气候变化的响应、地表温度未来变化趋势预测等,在此基础上应用GIS对四川省地表温度评价模型进行了研究。本文的主要结论如下:(1)四川省年、季、月地表温度在不同的年代的变化存在很大的差异,20世纪60、70、80、90年代为负距平,2001-2014年为正距平。从年际变化来看,四川省年、季、月地表温度都表现出了上升趋势,且大部分通过了0.05的显著性检验,与年的相关性也是非常明显的。冬季地表温度变化幅度大,不稳定;夏季地表温度增温趋势较稳定。四川省年、季、月地表温度的年际变化趋势及其显著性在空间上不尽相同。秋季和冬季地表温度分别在2004和1999年发生了明显的突变,均通过了信噪比检验,其它季节突变不明显;但春季地表温度接近异常的年份最多。四川省年、季、月地表温度存在明显的周期振荡特征,不同时间尺度对应的地表温度的结构特征存在差别。四川省年、季、月地表温度与经、纬度表现出显著负的相关性,而与海拔高度呈显著正的相关性。(2)从四川省地气温差概率分布直方图可以看出,与地表温度和气温相比较地气温差变化幅度相对较小,在2.5℃附近有一个非常明显的峰值。2月地气温差幅度变化最强,而5月变化最弱。地气温差多年平均的空间分布在冷季、暖季和年均上都有着较明显的“西→中→东”的东西带状大趋势。主成分分析发现,冷季地气温差的收敛速度最快。地气温差在冷季、暖季和年均上前三个载荷向量场大致可表现为第一载荷向量全区一致的正值,第二、第三载荷向量正负区从西北向东南变化相反,其共同点是东南部有多中心存在。在冷季、暖季和年均上三个载荷向量场对应的时间场来说,年均第一空间分布型强弱随时间的变化情况总体呈减少趋势,与空间总体趋势相反,第二、三空间分量与空间总体趋势相一致;冷、暖季变化与年均变化存在不一致性。四川省地气温差与夏季西太平洋副高面积指数呈负的相关性,地气温差与西太平洋副高西伸脊点及脊线在四川省北部大部分地区及南部边缘地带表现为负相关性,而其它大部分地区为正相关性。(3)地表温度和气温空间分布在年、季变化上具有极大的相似性,它们之间存在明显正相关关系,都通过了0.001的显著性检验,其相关系数在冬季最大,夏季最小。地表温度与降水在春、秋、年呈相反变化趋势,且降水的变化趋势只有秋季通过了0.01的显著性检验,在较多降雨的年份普遍对应着较低的地表温度。季节日照时数与地表温度的相关系数都为正值,而年为负值,只有春季和夏季通过了0.01的显著性检验,其相关系数及显著性在空间分布存在巨大的差异。夏季风速与地表温度相关系数为正值,其它季节和年都为负值,但只有秋季和年两者的相关性通过了0.05的显著性检验。极端气温指数对地表温度有很好的指示作用;年降水量、小雨天数、中雨天数、持续降水天数与地表温度呈负相关性,说明降雨的减少使土壤湿度减少,从而导致用于蒸发的能量减少,从而使土壤温度上升;持续干旱天数与地表温度也呈正相关性,且通过了0.01的显著性检验,说明随着地表温度的增加干旱程度也在逐步加强。1961-2014年间每年大气CO2浓度以1.536×10-6/a的速度在增加;从各季节变化情况来看,冬季稍快,其次为春季,夏季最小,都通过了0.01的显著性检验。用三次方函数对其年、季变化趋势进行了拟合,与其直线拟合相比较,冬、春季节两者差异较小,具有很好的线性趋势,这两个季节因大量燃煤等使大气CO2浓度增加,说明人类活动对温室气体的增加有巨大的影响。近1000年太阳黑子的多年平均周期为11.24年,在单数世纪太阳黑子周期长度平均值均偏长,双数世纪太阳黑子周期长度平均值均偏短。从周期的振幅来看,单数世纪周期振幅一般比较大而双数世纪周期振幅一般比较小。可以预测21世纪太阳黑子周期长度(SCL)总体将变长,而且前50年比后50年更明显。从年、季地表温度与大气C02浓度的相关性来看,它们的相关性都通过了0.05的显著性检验,其中冬春季节相关性最好。整体来说太阳黑子对四川省地表温度的影响不那么明显,它们之间存在负的相关性。综合考虑大气CO2浓度和SCL对地表温度的共同影响时,除冬季地表温度对两者综合作用的响应与单一因子接近外,其它时间比单一因子作用效果好,说明冬季人类活动排放到大气中的CO2是影响四川省冬季地表温度的主要因素,而太阳黑子的影响不那么显著。(4)四川省夏、秋、冬、年、月地表温度具有很强的持续性,未来有可能向极端化方向发展。Hurst试验、累加试验结果表明,年、夏、冬地表温度在今后变化趋势与过去一致,且不发生突变,在将来有着更强的变化趋势;春季和秋季出现了地表温度的突变点。对月地表温度来说,Hurst试验以及其累加试验表明,2月、3月、7月、11月出现了气候的突变点。(5)整合相关研究数据,依据建立的综合评价模型,开发四川省地表温度的时空变化特征分析原型系统,基于GIS技术实现浅层地表温度分析的自动化、智能化和可视化,为其它地区的地表温度模型分析提供支持。


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