1 引言

地温包括下垫面温度和不同深度的土壤温度，是土壤热状况综合表征指标，其分布和变化特征对气候的变化产生重要的影响(陆晓波等，2006)。下垫面温度又称为地面温度，地面以下土壤中的温度又称为地中温度，根据距离地表面的深度可以分为浅层地温(5、10、15、20 cm)和深层地温(40、80、160、320 cm)。

目前国内外学者对地温的研究较多的集中于单层地温和单一站点的分析，如Toy et al.(1978)利用美国8个气象站点1962～1971年的月均气温和5 cm深度月均土壤温度数据，建立土壤温度与气温的简单回归模型并预测了美国月均和季均土壤温度；Meikle and Treadway(1979，1981)基于美国114个站点1964～1978年土壤温度数据和加拿大52个站点1970～1976年土壤温度数据，应用四阶多项式拟合预测了美国和加拿大每个气象站点10 cm深度日均最高和最低土壤温度；刘晓东和韦志刚(1992)分析了我国31个站点1.6 m地温距平时空变化的气候学特征，发现地温距平场的季节变 化存在明显的准半年韵律现象；佘军等(1993)利用EOF(经验正交函数)迭代恢复了缺测的0.8 m和1.6 m地温资料，并进行了地温的持续性和振荡特征分析；杨梅学等(1999)用一个年周期的土壤温度资料，对藏北高原D110点的日变化特征的月变化进行了分析；向毓意等(1999)对西藏地区7个站点的深层地温进行了系统分析，认为深层地温近40年经历了暖冷暖3次交替，并且与气温有较好的对应关系； 郭维栋等(2004)从各圈层相互作用的观点分析了深层地温对1998年夏季长江和嫩江流域洪涝灾害的影响，发现深层地温和同期降水场的分布较为一致，降水过程对下垫面脉冲性热扰动有较为敏感的响应；李栋梁等(2005)对青藏高原86个站点的地面(0 cm)温度进行了分析，得出地面温度主要受海拔高度与纬度影响的结论；张文纲等(2008)利用MK法对青藏高原60个站点的土壤观测资料进行趋势突变和周期检验，发现1969～1970年为明显的突变点，深层地温存在3.25年的周期变化；王晓婷等(2009)分析了我国东部土壤温度和土壤湿度的长期趋势及其与气温、降水的变化关系。此外还有许多类似的相关研究(董文杰和汤懋苍，1992；李超等，1995；关德新等，2006；胡军等，2007；赵红岩等，2007；杜军等，2008；李兴荣等，2009；张慧智等，2009)，此处不再一一列举，但是由于地温观测资料，特别是深层地温资料的缺乏，对多层土壤温度的分布及其变化特征分析较为少见。本文旨在分析新疆地区夏季土壤温度垂直分布特征和变化趋势，及其与多个气象要素(降水、气温和日照时数等)之间的相关分析，研究结果有利于加强对我国新疆地区多层土壤温度的垂直结构和变化规律的认识，为改善陆面过程模式中土壤温度的相关参数提供可靠依据。

本文所用的资料来自新疆气象局，原数据共109个站，时间从建站到2005年，观测数据包括土壤温度、气温、降水量和日照时数等各种气象要素。其中0、5、10、15、20和40 cm的土壤温度的 观测每日4次，分别为02:00(北京时间，下同)、08:00、14:00和20:00，80、160、320 cm的土壤温度只有在每日14:00有观测值，为了和深层地温统一对比分析，本文取14:00的观测值作为当日的观测值，并只分析夏季(6月、7月和8月)的资料，这样可以一定程度上消除积雪、冻土等因素的影响。由于各个站点建站的时间不同，所以观测资料的开始时间并不一样，大部分站点在1961年以前的观测资料缺测值较多，而且80 cm以下的深层 土壤温度均在1981年以后才有相对较全的观测值，为了统一处理，先将观测年限小于30年的资料舍去，而且只分析1961年到2005年共45年的资料，另外80 cm以下的深层地温只分析1981年以后的时间序列。筛选后的站点资料共有87个，其中有效观测次数占总观测次数的比例从浅层到深层分别为97.70%、96.27%、96.22%、96.14%、95.94%、78.16%、28.19%、24.74%、22.98%。分布区域见图 1，基本覆盖了新疆大部分地区。由于深层缺测资料较多，对本文深层土壤温度变化的分析的带来了一定困难，因而深层的土壤温度变化规律还有待今后采用其他方法进行补充研究，但本文在现有资料基础上讨论了新疆各层土壤温度时空变化规律，将为该地区的陆气相互作用模拟提供土壤温度变化的客观事实基础。

图 1 新疆地区 87 个站点分布 Fig. 1 Locations of 87 stations in Xinjiang

为了分析新疆地区土壤温度的空间分布特征，本文先将新疆区域分成0.5°(纬度)×0.5°(经度)的经纬度网格，然后采用Cressman插值方法将站点数据插值到格点上，冯锦明等(2004)的研究表明，Cressman客观分析方法的插值结果与原始资料最为接近。

土壤温度梯度表征单位垂直距离内的温度变化，本文取向下为正方向，故可表示为：

另外还用到MK方法(魏凤英，2007)进行突变检验，还有二项式平滑和相关分析等统计方法。

用Cressman插值方法分别计算出各层地温夏季的10年(1996～2005年)平均地理分布特征，再对浅层地温(5、10、15、20 cm)和深层地温(40、80、160、320 cm)进行平均，得到图 2a和图 2b两幅图。从图中可以看出，新疆地区土壤温度分布特征表现为南疆高于北疆，平原高于山区。浅层土壤温度(图 2a)由于离地表面较近，除了天山山脉以外，其他地区仍保持有较高的地温，其中最高温度出现在42°N附近的天山以南地区，最高值达到38 ℃以上，其中近10年平均的浅层地温最高的站点为吐鲁番站(51573)，超过35 ℃的站点还有托克逊站(51571)和鄯善站(51581)，均分布在42°N附近。另外天山山脉和新疆北部等山区由于海拔较高，位置偏北，夏季可能还有积雪存在，使得浅层土壤温度较低，其中天山西部地区最低能达到22 ℃以下。深层土壤温度(图 2b)由于离地面较深，地温分布均较低，新疆东部部分地区最高在25 ℃以上，而新疆北部的地温只有15 ℃左右。

图 2 新疆地区 1996～2005 年平均夏季土壤温度（单位：℃）分布：（a）浅层地温；（b）深层地温；（c）浅层与深层地温差值 Fig. 2 The average distribution of soil temperature (℃) in summer during 1996–2005: (a) Shallow soil temperature; (b) deep soil temperature; (c) difference between shallow and deep soil temperature

为了分析不同深度土壤温度的地温较差情况，图 2c给出了浅层地温和深层地温的差值分布(浅层地温减去深层地温)，从图中可以看出，新疆南部和北疆的准格尔盆地地区有较大的地温较差分布，最大值达12 ℃以上，这些地方的植被类型主要是裸土和灌丛，气候干旱，降水稀少，使得浅层地温分布较高，土壤温度梯度较大。相反的，天山附近和北疆的山地地区由于海拔较高，夏季降水较为丰富(辛渝等，2009)，气候湿润，地温较差分布均较小，基本在9 ℃以下。

图 3a、3b分别给出新疆地区夏季多层土壤温度的逐年变化及其1981～2005年的深度—时间剖面图，从图中可以看出，地面温度(0 cm)最高，浅层土壤温度次之，深层土壤温度最低，即从地面到深层土壤，温度逐步降低。图 3a表明，新疆地区夏季地面温度45年来可以分为三个阶段，20世纪60年代到70年代中期的下降过程，20世纪70年代中期到80年代初的较快增温过程，以及20世纪80年代以后的缓慢下降过程，最低值出现在1972年，只为39.07 ℃，而最高值出现在1990年，为49.34 ℃。由表 1可知，地面温度从20世纪70年代到80年代上升了5.195 ℃。浅层地温和地面温度相比，变化并没有那么剧烈，从20世纪60年代到90年代均表现为缓慢的上升趋势，而到了2000年以后有所下降。20世纪60年代到90年代浅层地温上升的幅度分别为：1.342 ℃(5 cm)、0.685 ℃(10 cm)、0.754 ℃(15 cm)和0.817 ℃(20 cm)的上升。

图 3 新疆地区夏季地温（单位：℃）（a）不同深度逐年变化及其（b）深度和时间剖面分布 Fig. 3 (a) The interannual variation of soil temperature (℃) at different lavers and (b) the depth–time profile

表1(Table 1)

表 1 新疆地区夏季浅层地温不同年代的平均值和变化趋势 Table 1 The average value and trend of shallow soil temperature at different times in summer

表 1 新疆地区夏季浅层地温不同年代的平均值和变化趋势 Table 1 The average value and trend of shallow soil temperature at different times in summer

从深度和时间剖面图(图 3b)可以看出，30 cm以上的地温等值线比较密集，而30 cm以下的地温等值线逐渐稀疏，说明从地面往下，土壤温度梯度是逐渐减小的。表 2说明，深层地温从20世纪80年代到90年代主要是下降的趋势，20世纪90年 代以后有所上升，如图 3b所示的300 cm处的地温，20世纪80年代末只有14 ℃，2004年上升到15 ℃左右。深层地温2000年后的比20世纪90年代上升的幅度分别为：0.278 ℃(40 cm)、0.141 ℃(80 cm)、0.431 ℃(160 cm)和0.265 ℃(320 cm)。

表2(Table 2)

表 2 新疆地区夏季浅层地温不同年代的平均值和变化趋势 Table 2 The average value and trend of shallow soil temperature at different times in summer

表 2 新疆地区夏季浅层地温不同年代的平均值和变化趋势 Table 2 The average value and trend of shallow soil temperature at different times in summer

针对新疆地区夏季不同深度的土壤温度年际变化特征，本文利用MK方法对其进行突变特征检验，结果表明，地面温度(0 cm)在45年来有突变现象(图 4)，突变点发生在1978年左右，并且通过了95%的信度检验，说明1978年以后，新疆地区夏季地面温度增大趋势显著，其他层次的土壤温度年际变化没有明显的突变点(图略)。

图 4 地面温度（0 cm）MK 突变检验，C1 是地面温度标准正态分布， C2 是其反序列的标准正态分布 Fig. 4 The MK test of surface soil temperature (0 cm), C1 indicates surface soil temperature’s standard normal distribution, C2 indicates the anti sequence’s standard normal distribution

由于40 cm以下深度的深层土壤温度资料站点相对稀少和记录时间较短(仅1981～2005年)，故只讨论40 cm以上新疆地区土壤温度梯度的变化。图 5a表明，土壤温度梯度45年来的变化趋势与地 面温度比较一致，也经历了20世纪60年代到70年代中期的下降，20世纪70年代中期到80年代 初的较快增长以及20世纪80年代以后的缓慢下 降过程，最低值出现在1971年，数值为0.412 ℃/cm，而1985年时出现最高值，为0.658 ℃/cm，这一时期的土壤温度梯度增长率达到0.0176 ℃cm^{–1 a–1}。新疆地区不同年代土壤温度梯度均值分别为：0.463 ℃/cm(20世纪60年代)、0.479 ℃/cm(20世纪70年代)、0.597 ℃/cm(20世纪80年代)、0.584 ℃/cm(20世纪90年代)和0.571 ℃/cm(2001～2005年)。与土壤温度类似，本文也利用MK方法对土壤温度梯度进行突变检验，结果(图 5b)表明，新疆地区夏季40cm以上的土壤温度梯度在45年来也有突变现象，突变点发生在1978年左右，和地面温度较为一致，而且也通过了95%的信度检验，说明1978年以后，新疆地区夏季土壤温度梯度增大趋势显著。

图 5 40 cm 以上土壤温度（a）梯度逐年变化及其（b）MK 突变检验，C1 是地面温度标准正态分布，C2 是其反序列的标准正态分布 Fig. 5 (a) The annual variation of soil temperature gradient and (b) its MK test, C1 indicates surface soil temperature’s standard normal distribution, C2 indicates the anti sequence’s standard normal distribution

在不同深度的土壤温度中，除了160 cm和320 cm地温的热源一部分来自于地壳(汤懋苍和张建，1994)以外，其它层次土壤温度的热源主要来自地面上的其他气象因子，土壤温度对气候变化有一定的响应，为此，本文下面进一步分析新疆地区夏季降水量、日照时数和地面气温的变化特征及其与土壤温度可能的关系。

图 6给出了新疆地区夏季降水量、地面气温和日照时数45年(1961～2005年)来的变化趋势。从降水量的时间变化(图 6a)上可见，新疆地区夏季的降水量从20世纪60年代到70年代中期表现为弱的下降趋势，并在1973年达到了45年来的极小值，只为12.52 mm，而后出现较大的增长特征，并且降水增长率达到0.69 mm/a，夏季降水不同年代的平均值分别为：23.40 mm(20世纪60年代)、19.20 mm(20世纪70年代)、24.05 mm(20世纪80年代)、29.02 mm(20世纪90年代)和31.06 mm (2001～2005年)。新疆地区夏季日照时数(图 6b)在20世纪60年代到70年代中期有弱的上升，20世纪70年代以后出现明显的下降趋势，而地面气温45年来最低值出现在1972年，仅为20.957 ℃，而1974年则出现了最大值，为24.659 ℃，两年间的增温达3.70 ℃，之后没有明显的变化趋势。进一步分析降水量、日照时数和地面气温与多层土壤温度的相关系数(表 3)表明，土壤温度与降水量成负相关关系，与日照时数和地面气温主要成正相关关系。与降水量相关较好的地温为5 cm和10 cm深的浅层土壤温度，相关系数分别为－0.516和－0.388，并且都通过了99%的信度检验，15 cm和20 cm的地温的相关系数也通过了95%的信度检验。与日照时数的相关关系较差一些，只有5 cm地温达到0.334，通过95%的信度检验。与地面气温的相关关系是最好的，10 cm地温的相关系数达到最高，为0.918，而且，0 cm到40 cm深的地温相关系数均通过了99%的信度检验。3个气象因子与多层地温的相关关系从高到底的排列为：地面气温、降水量、日照时数，而且浅层地温高于深层地温。

图 6 40 cm 新疆地区夏季（a）降水量、（b）日照时数和（c）地面气温的年 际变化 Fig. 6 The interanual variation of (a) precipitation, (b) sunshine duration, and (c) surface air temperature in summer

表3(Table 3)

表 3 新疆地区夏季多层地温与气象因子的相关系数 Table3 The correlation coefficients between soil temperature at different layers and meteorological factors (precipitation, sunshine duration, and surface air temperature) 深度(cm) 降水量 日照时数 地面气温 0 －0.101 0.072 0.581** 5 －0.516** 0.334 0.887** 10 －0.388** 0.184 0.918** 15 －0.334 0.097 0.917** 20 －0.291 0.054 0.898** 40 －0.194 0.037 0.784** 80 －0.254 0.004 0.258 160 －0.132 0.002 0.116 320 －0.074 －0.156 －0.069 * 、 ** 分别表示通过 0.05、0.01 的显著性水平，80、160 和 320 cm 地温 取 1981～2005 年的时间系列。

表 3 新疆地区夏季多层地温与气象因子的相关系数 Table3 The correlation coefficients between soil temperature at different layers and meteorological factors (precipitation, sunshine duration, and surface air temperature)

本文利用覆盖新疆大部分地区的87个站点资料，对1961～2005年新疆地区夏季的多层土壤温度进行了系统的分析，并结合降水量、日照时数和地面气温3个对地温影响较大的气象因子进行相关分析，得出以下主要结论：

(1)对新疆地区夏季地温的空间分布特征分析表明，分布特征表现为南疆高于北疆，平原高于山区。浅层土壤温度除了天山山脉以外，其他地区仍保持有较高的地温，最高值达到38 ℃以上，而天山地区最低能达到22 ℃以下。深层土壤温度只有新疆东部部分地区有25 ℃左右，北部的地温只有15 ℃左右。对不同深度土壤温度的温较差分析表明，新疆南部和北疆的准格尔盆地地区有较大的地温较差分布，天山附近和北疆的山地地区地温较差分布均较小，甚至天山的部分地区出现负值，说明该地区深层土壤温度比浅层土壤温度还要高。

(2)对多层土壤温度的年际和年代际变化分析可得，从地面到深层土壤，温度逐步降低，而且地面温度45年来经历了3个阶段，20世纪60年代到70年代中期的下降过程，20世纪70年代中期到80年代初的较快增温过程，以及20世纪80年代以后的缓慢下降过程，地面温度从20世纪70年代到 80年代上升了5.195 ℃。浅层地温和地面温度相比，波动不大。利用MK方法对不同深度的土壤温度年际变化进行突变特征检验结果表明，地面温度(0 cm)在1978年左右有突变现象，并且通过了95%的信度检验，说明1978年以后，新疆地区夏季地面温度增大趋势显著，其他层次的土壤温度年际变化没有明显的突变特征。

(3)40 cm以上新疆地区夏季土壤温度梯度经历了20世纪60年代到70年代中期的下降，20世纪70年代中期到80年代初的较快增长以及20世纪80年代以后的缓慢下降过程，其中20世纪80年代较快增长时期的增长率达到0.0176 ℃ cm^{–1 a–1}。MK方法对其进行突变检验表明，1978年以后，新疆地区夏季土壤温度梯度增大趋势显著，而且也通过了95%的信度检验。

(4)新疆地区夏季降水量从20世纪60年代到70年代中期表现为弱的下降趋势，而后出现较大的增长特征，并且降水增长率达到0.69 mm/a。日照时数在20世纪60年代到70年代中期有弱的上升，20世纪70年代以后出现明显的下降趋势，而地面气温最低值出现在1972年，1974年则出现了最大值，两年间的增温达3.70 ℃。进一步分析降水量、日照时数和地面气温与多层土壤温度的相关系数表明，土壤温度与降水量成负相关关系，与日照时数和地面气温主要成正相关关系。与降水量相关较好的地温为5 cm和10 cm深的浅层土壤温度，相关系数分别为－0.516和－0.388，并且都通过了99%的信度检验，15 cm和20 cm的地温的相关系数也通过了95%的信度检验。与日照时数的相关关系较差一些，只有5 cm地温达到0.334，通过95%的信度检验。与地面气温的相关关系是最好的，10 cm地温的相关系数达到最高，为0.918，而且，0 cm到40 cm深的地温相关系数均通过了99%的信度检验。3个气象因子与多层地温的相关关系从高到底的排列为：地面气温、降水量、日照时数，而且浅层地温高于深层地温。