DOI 10.12006/j.issn.1673-1719.2018.199廖要明 , 陈德亮 , 刘秋锋 . 中国地气温差时空分布及变化趋势 [J]. 气候变化研究进展 , 2019, 15 4 374-384Liao Y M, Chen D, Liu Q F. The spatiotemporal characteristics and long-term trends of surface-air temperatures difference in China [J]. Climate Change Research, 2019, 15 4 374-384中国地气温差时空分布及变化趋势廖要明1，陈德亮2，刘秋锋11 国家气候中心 中国气象局气候研究开放实验室，北京 100081；2 Department of Earth Sciences, University of Gothenburg, Gothenburg 40530, Sweden气候变化研究进展第 15 卷 第 4 期 2019 年 7 月 CLIMATE CHANGE RESEARCHVol. 15 No. 4July 2019摘 要 利用中国 825 个气象站点 1961 2016 年的逐日地表温度和气温观测资料，系统分析了中国地区地气温差（地表温度减气温）的时空分布以及变化趋势。结果表明，中国多年平均的年地气温差西部大部地区及华南部分地区在 2.5℃以上，而中东部大部地区在 2.5℃以下。其中春、夏季全国各地地气温差均为正值，且总体呈经向型分布，西高东低；秋、冬季中国各地地气温差总体呈纬向型分布，南高北低，尤其是冬季北方部分地区为负值。年内，中国区域平均各月地气温差均为正值，其中 1 月份和 12 月份相对较小， 6 8 月份（夏季）相对较大。不同地区地气温差的年内分布特征有所不同，西藏地区地气温差年平均值为全国最大，最大值出现在雨季来临前的 5 月份；东北、华北、黄淮、西北及内蒙古地区最大值均出现在雨季来临前的 6 月份；江淮、江汉、江南、华南地区地气温差最大值均出现在雨季过后的 7月份或 8 月份；西南地区年内各月地气温差变化相对较小，在雨季之前的 5 月和雨季之后的 8 月出现 2 次峰值，呈双峰型分布。 1961 2016 年，中国区域平均地气温差 4 月和 4 10 月上升趋势较明显，而 7 月和 10 月变化趋势不明显或略有上升趋势。空间分布上，东北、西北及内蒙古、西藏西部等地平均地气温差有增加趋势，而中东部地区有减小趋势。关键词 地气温差；时空分布；气候变化；中国收稿日期 2018-12-28； 修回日期 2019-02-20资助项目 国家重点研发计划项目（ 2018YFA0606304；公益性行业（气象）科研专项（ GYHY201506001）作者简介 廖要明，男，高级工程师， 引 言中国幅员辽阔，南北从热带经亚热带到温带延伸约 50 个纬度[1]，东临世界最大的海洋太平洋，西有全球最高的高原青藏高原，地形、地貌极其复杂。因此，中国具有多种类型的下垫面，既有戈壁、沙漠的典型干旱区，黄土高原和草原的半干旱区，又有季风湿润区，还有青藏高原区，这些全球具有一定代表性和典型性的下垫面的能量和水分循环特性的差异对于全球气候和水文的变化，特别是对气候灾害的发生有严重影响[2-4]。地表感热通量是低层大气的重要能量来源，也是地面热量平衡的重要分量，在陆气相互作用过程中，感热通量对于陆面和大气边界层热力交换起着极为重要的作用，其水平分布的不均匀必然会引起陆面对大气加热的差异，从而影响季风环流气 候 系 统 变 化4 期 375廖要明，等中国地气温差时空分布及变化趋势的建立和维持[5-11]。地气温差是地表感热通量的主要贡献项，不少学者利用地温、气温和地面附近风场等要素的观测资料计算地表感热通量[12-15]。地气温差的变化基本反映了地表感热通量的变化特征[16-18]，对大气环流、天气变化、农业生产和生态环境有重要影响。研究中国地气温差的时空分布及气候变化特征，可以更好地掌握中国的地表感热通量分布及变化特征，对于了解中国气候变化的内在机制和短期气候预测都具有重要意义。同时，地气温差对长江中下游地区夏季降水有一定的指示意义[19-20]，也是衡量土壤荒漠化程度和进程的重要指标[21]；地气温差对农作物的种子发芽、出苗以及光合作用等有直接影响，对作物病虫害的发生、发展，土壤微生物的活动也有不同程度的影响，对农作物的正常生长发育有着十分重要的作用[22]。近年来，我国对地气温差的研究分析主要集中在中国的西北地区、青藏高原或者个别省份，甚至个别气象站点。范丽军等[16]、符睿等[23]分析了西北干旱区地气温差的时空变化特征；周连童等[19]分析了我国西北干旱、半干旱区春季和夏季地气温差的年代际变化特征及其与夏季降水的联系；王澄海等[24]分析了东亚夏季风建立前青藏高原地气温差变化特征；杨智等［ 25］研究发现云南省地气温差在夏季最大，其次为秋季和春季，冬季最小，且有逐年缓慢上升趋势；陈超等[26]、王超等[27]分别利用阿拉善左旗气象站和敦煌双墩子戈壁试验站资料，分析了当地地气温差的变化规律。而我国幅员辽阔，地形复杂，具有多种典型的下垫面，气候类型多种多样。因此，很有必要对中国全国范围的地气温差时空分布和气候变化特征等进行系统、全面分析。虽然温李明等[28]对我国东西部地区地气温差的年代际变化特征及其差异进行了一些研究，但研究站点有限（ 218 个 ，研究区域主要集中在中国的西北部和东南部，对中国的代表性不够。本文将利用中国 825 个站点1961 2016 年共 56 年的逐日地表温度和平均气温观测资料，系统地分析中国各地全年及各个季节地气温差的时空分布及其变化趋势。1 资料与方法由于我国部分气象站点不同时具有地表温度和气温观测资料，且 20 世纪 50 年代观测站点较少，资料缺测比较严重。所以本文选择 19612016 年作为研究时段，选择该时段同时具有 25年以上逐日地表温度和气温观测资料的 825 个站点（其中中国香港、澳门和台湾资料缺）作为研究站点。将某气象观测站的地表温度与气温的差值定义为该站的地气温差，即 Ts-Ta，其中 Ts表示地表温度，即 0 cm 地温， Ta表示气温，为离地面 1.5 m 高度处的空气温度。把中国划分为东北、华北、西北、黄淮、江淮、江汉、江南、华南、西南、西藏和内蒙古共 11 个区域[29]，中国各区域及 825 个气象观测站点的空间分布见图 1。把一年划分为春季（ 3 5月 、夏 季（ 6 8月 、秋 季（ 911 月 、冬季（ 12 月至次年 2 月） 4 个季节。图 1 研究站点分布及中国气候分区图Fig. 1 Distribution of stations and climate zones in China我国气象观测站点在 2005 年以后开始普遍采用自动站取代人工观测，由于自动站地表温度的观测规范与人工观测不同，会造成冬季地面有积雪时自动站观测地表温度比人工观测偏高。这是由于当人工观测地表温度时，如果温度表被雪埋住，按照地面气象观测规范规定必须将温度表从雪中取出，水平安装在未被破坏的雪面上，感应部分和表身埋入雪中一半，再进行读数[30]，所以人工观测的地表温度实际上就是雪面温度。而在使用自动站观测时，由于铂电阻地面温度传50˚N40˚N30˚N20˚N70˚E 90˚E100˚E 120˚E130˚E110˚E50˚N40˚N30˚N20˚N气象台站90˚E 110˚E80˚E 130˚E感器被积雪埋住时仍按正常观测，所以自动站观测的地表温度是雪下温度，这两个观测数据之间存在差异，造成了有积雪时，自动站观测地表温度比人工观测的记录偏高。为排除 2005 年以后冬季降雪自动观测站点地表温度因观测手段改变所带来的影响，本文在分析年及四季多年平均值时未使用 2000 年以后的数据，仅使用 19612000 年的数据；在分析中国地区地气温差的年代际气候变化特征时，舍弃较冷的几个月，只统计1961 2016 年 4 月（代表春季、 7 月（代表夏季、10 月（代表秋季）及 4 10 月的数据。文中利用最小二乘法[31]估计各站点 1961 2016 年不同季节地气温差的线性变化趋势。2 结果分析2.1 空间分布特征由中国 1961 2000 年平均的年（图 2）及四季（图 3）地气温差空间分布可以看出 1 中国西部大部地区及华南部分地区年平均地气温差在2.5℃以上，其中西藏大部、青海西部、云南南部、海南大部等地在 3.5℃以上，西藏南部、海南西部的部分地区达 4.0℃以上；而中国中东部大部地区年平均地气温差在 2.5℃以下，其中东北、华北东部以及山东西部、江苏东南部、湖南北部、湖北西南部、重庆、四川东部、新疆东北部等地在 2.0℃以下，黑龙江大部、吉林东部等地在 1.5℃以下。我国地气温差的这种西高东低的空间分布格局，与东、西气候和地表特征差异密切相关西部地区太阳辐射强烈，植被覆盖稀疏，土壤干燥，地表感热加热强；中东部地区则是全球强季风区，降水丰富，土壤湿润，植被茂密，地表感热加热相对较弱。 2 春、夏季，中国各地平均地气温差均为正值，总体呈经向型分布，东部偏低、西部偏高，这种分布格局与中国地势等值线西高东低的分布型基本吻合，可能与山脉的抬高加热作用有关，西部多山脉，海拔相对较高，相当于将太阳辐射的吸收面抬高了，从而可以吸收更多的太阳辐射，产生更强的热力对流[32]，地气温差增大。春季地气温差高值中心位于西藏、青海、新疆西南部、四川南部、海南等地，地气温差在4.0℃以上，低值中心位于西南东部、江南西部、华南北部、东北北部和东部等地，地气温差在 2.0℃以下；夏季地气温差高值中心位于西藏西部、青海西部、新疆、甘肃西部等地，地气温差在 5.0℃以上，低值区主要出现在四川盆地、江苏东南部、广东中南部、辽宁东部等地的部分地区，地气温差在 3.0℃以下。 3 秋、冬季，由于太阳直射点向南半球偏移，中国各地地气温差总体呈纬向型分布，南方地区偏高、北方地区偏低。秋季高值区主要位于华南以及西藏、青海南部、云南南部等地的部分地区，地气温差在 3.0 ～ 4.0℃，局部地区在 4.0℃以上；冬季高值区主要位于西藏东南部、云南南部、四川南部、雷州半岛、海南等地，地气温差在 2.0 ～ 3.0℃，局部地区在 3.0℃以上。秋、冬季节，我国广大北方地区地气温差均相对较低，尤其是冬季，东北、华北以及内蒙古中东部、新疆等地地气温差出现负值，主要是由于这些地区冬季地表多为冰雪覆盖，反照率大，地表获得的太阳有效辐射较小，同时浅层土壤为冻土，还需要吸收地表的大量热量，因而造成地表温度低于气温，地气温差为负值。2.2 时间分布特征由中国地区 825 个站点 1961 2000 年逐日地表温度和气温资料计算得到的中国平均地表温度、图 2 中国年平均地气温差分布Fig. 2 Distribution of annual mean surface-air temperature difference in China50˚N40˚N30˚N20˚N70˚E 90˚E100˚E 120˚E130˚E110˚E50˚N40˚N30˚N20˚N地气温差 /℃90˚E 110˚E80˚E 130˚E4.54.0 ～ 4.53.5 ～ 4.03.0 ～ 3.52.5 ～ 3.02.0 ～ 2.51.5 ～ 2.07地气温差 /℃ 6 ～ 7 5 ～ 6 4 ～ 5 3 ～ 4 2 ～ 3 1 ～ 2 0 ～ 1 0℃，最大值均出现在雨季来临前的 6 月份，分别为 4.5 ℃和 4.8 ℃。 3 黄淮和西北地区年平均地气温差分别为 2.1℃和 2.6℃，4 期 377廖要明，等中国地气温差时空分布及变化趋势年内 1 月份、 11 月份和 12 月份地气温差接近 0℃，其余月份均在 0.5℃以上，最大值也均出现在雨季来临前的 6 月份，分别为 4.1℃和 5.4℃。 4 江淮、江汉、江南地区年平均地气温差相差不大，分别为 2.1 ℃、 2.3 ℃和 2.2 ℃，年内各月平均地气温差均 0℃，最小值均出现在 12 月或 1 月，最大值均出现在雨季过后的 7、 8 月份。 5 西南和华南地区年平均地气温差分别为 2.6℃和 2.7℃，年内各月平均地气温差均在 1.4℃以上，月际间的变化幅度较其他地区相对较小，其中华南地区平均地气温差最大值出现在雨季过后的 7 月份，西南地区出现在雨季过后的 8 月份，且西南地区地气温差年内分布呈双峰型，即 5 月和 8 月出现两个峰值，这可能与西南地区 6 7 月降水充沛有关，加之下垫面植被茂盛，这段时间地气交换以潜热为主，地表通过潜热的方式向大气输送的热量较感热要大，因此地气温差在 6 7 月略有下降[33]。6 青藏高原作为北半球同纬度地区的一个强大热源，其热力作用强化了亚洲季风，并影响中国的降水[5]。因此，西藏地区年平均地气温差较全国其他地区明显偏大，达 4.0℃，年内各月平均地气温差除 1 月份和 12 月份在 2.0℃以下外，其余月份均在 2.0℃以上，其中最小值出现在 12 月份，表 1 中国及其 11 个区域 1 12 月和全年平均地气温差Table 1 Average monthly and annual surface-air temperature difference in China and its 11 regions地区东北华北黄淮西北江淮江汉江南华南西南西藏内蒙古全国1 月℃2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月-1.1-0.40.4-0.10.60.71.01.81.51.2-0.80.40.00.61.00.81.11.21.11.91.92.60.21.11.51.91.92.01.61.51.32.02.43.81.91.81.93.02.93.42.32.31.72.22.95.43.02.72.94.13.94.73.22.82.33.03.36.54.23.63.84.54.15.43.53.62.83.13.06.44.84.03.63.93.45.33.64.24.23.83.55.64.44.23.33.53.64.64.14.44.23.73.75.23.84.02.32.62.73.12.93.03.23.53.04.52.63.00.71.11.51.51.81.92.33.22.33.71.01.8-0.20.00.30.20.70.91.32.31.82.2-0.20.8-0.9-0.50.0-0.40.30.51.02.01.41.0-0.90.3全年1.52.02.12.62.12.32.22.72.64.02.02.3为 1.0℃，最大值出现在雨季来临之前的 5 月份，达 6.5℃。中国各地地气温差的这种年内分布特征，特别是北方地区最大值基本出现在雨季来临前的一个月，南方地区出现在雨季之后的一个月，与各地太阳辐射的年内分布特征非常相似[34]。2.3 变化趋势1961 2016 年，中国区域平均 4 月、 7 月、10 月以及 4 10 月平均地表温度和气温总体均有增加趋势，且地表温度较气温增加幅度相对更大，所以地气温差总体也有增加趋势（图 5。 1 4 月，中国平均地表温度、气温和地气温差总体均呈增加趋势，地表温度和气温的最小值出现在2010 年，分别为 14.0℃和 11.1℃，最大值出现在1998 年，分别为 18.2℃和 15.4℃； 4 月，中国区域平均地气温差在 2.2 ～ 3.6℃，年代际变化特征明显，其中 1961 2003 年，中国 4 月平均地气温差基本在 2.2 ～ 3.0 ℃，最小值（ 2.2 ℃）出现在1969 年， 2003 年以后大部分年份中国区域平均地气温差在 3.0℃以上，最大值（ 3.6℃）出现在2011 年。 2 7 月，中国区域平均地表温度、气温和地气温差总体呈略微增加的变化趋势，其中 20世纪 60 年代到 90 年代初，地表温度和气温略有气候变化研究进展 2019 年气 候 系 统 变 化下降趋势， 1994 年以后略有上升趋势； 7 月，中国平均地气温差相对较大，在 3.7 ～ 4.7℃，最小值出现在 1996 年，最大值出现在 1978 年。 3 20世纪 60 年代至 80 年代初，中国 10 月平均地表温度和气温基本都呈下降趋势，最小值出现在 1981年，分别为 12.9 ℃和 11.2 ℃，但从 1982 年开始出现上升趋势，最大值出现在2006年，分别为17.2℃和 15.0℃； 10 月，中国区域平均地气温差相对较小，在 1.4 ～ 2.4 ℃，最小值出现在 1972年，最大值出现在 2014 年，长期变化趋势不明显，但 2004 年以来有明显的增大趋势，大部分年份平均地气温差在 2.0℃以上。 4 20 世纪 60 年代至 70 年代后期，中国 4 10 月平均地表温度和气温总体都呈下降趋势，最小值出现在 1976 年，分别为 21.2℃和 18.0℃，但从 20 世纪 80 年代开始出现上升趋势，最大值出现在 2016 年，分别为23.2 ℃和 19.6 ℃； 4 10 月，中国平均地气温差在 3.0 ～ 3.8 ℃，总体呈上升趋势，特别是 2006年以来中国平均地气温差相对较大，大部分年份≥ 3.6℃。图 6 给出 1961 2016 年中国 4 月、 7 月、10 月和 4 10 月的平均地气温差线性变化趋势空图 5 1961 2016 年 4 月 a、 7 月 b、 10 月 c 及 4 10 月 d 中国平均地温、气温和地气温差历年变化Fig. 5 Changes of monthly mean surface temperature, air temperature and surface-air temperature difference of April a, July b, October c and from April to October d in China from 1961 to 2016间分布，可以看出 1 4 月平均地气温差线性变化趋势，除广东东部、福建南部、浙江东部、四川盆地等地为负值外，全国其余大部分地区为正值，其中西北大部、黄淮、江淮、江汉、东北大部以及西藏中西部、内蒙古、云南东部和北部、海南大部等地在 0.1 ～ 0.3℃ /10a，部分地区超过0.3℃ /10a，增大趋势较明显。 2 7 月平均地气温差线性变化趋势， 0.1℃ /10a 的区域往北往西收缩，主要位于西北大部及西藏西部、内蒙古、黑龙江大部、吉林等地；而中东部 0.1℃ /10a，河北中南部、天津、广东中部、福建南部等地＜- 0.1℃ /10a 外，全国其余大部地区在- 0.1 ～ 0.1℃ /10a。 4 4 10 月，除西北大部、东北大部及内蒙古大部、西藏西部等地地气温差线性变化趋势在 0.1 ～ 0.3℃ /10a，局部地区超过 0.3℃ /10a 外，中国其余大部地区地气温差线性变化趋势在 0.1℃ /10a 以下，其中中东19171816151214114.03.53.02.52.01961地气温差/℃温度/℃1330.528.529.527.526.523.525.522.524.5温度/℃5.34.84.33.83.3地气温差/℃17181615121411温度/℃131971 1981 1991 2001 2011 年 1961 1971 1981 1991 2001 2011 年3.22.72.21.71.2地气温差/℃23.821.822.820.818.819.817.84.23.93.63.33.0温度/℃2.7地气温差/℃a 4 月c 10 月b 7 月d 4 10 月地温 线性趋势气温 地气温差4 期 379廖要明，等中国地气温差时空分布及变化趋势部大部地区为负值，地气温差呈减小趋势，河北中部、江苏东南部、浙江东部、湖北中南部、广东东部等地减小趋势在 - 0.2 ～- 0.1℃ /10a，局部地区 0.3地气温差线性趋势 /℃ /10a0.2 ～ 0.3 0.1 ～ 0.2 0～ 0.1 -0.1 ～ 0 -0.2 ～- 0.1 0.10 ℃ /10a，内蒙古地区平均达0.16℃ /10a；华北、黄淮、江淮、西南和西藏大部地区平均地气温差变化趋势不明显；南方的江汉、江南和华南地区平均地气温差均有下降趋势，线4 期 381廖要明，等中国地气温差时空分布及变化趋势参考文献郑景云 , 卞娟娟 , 葛全胜 , 等 . 1981 2010 年中国气候区划 [J]. 科学通报 , 2013, 58 3088-3099. 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