黑龍江多年凍土變化趨勢以及與氣溫的相關(guān)關(guān)系研究

趙博宇

(哈爾濱師范大學(xué))

黑龍江多年凍土變化趨勢以及與氣溫的相關(guān)關(guān)系研究

趙博宇

(哈爾濱師范大學(xué))

利用ARCGIS的空間統(tǒng)計分析和柵格計算功能，對黑龍江省30個氣溫站1960～2015年間的凍土平均厚度和氣溫數(shù)據(jù)進行相關(guān)關(guān)系的分析.研究發(fā)現(xiàn)：(1)黑龍江多年凍土出現(xiàn)退化趨勢，主要表現(xiàn)為凍土厚度和分布面積縮小以及部分多年凍土消失.(2)1960～2015年間氣溫升高是多年凍土退化的主要自然原因. (3) 55年來黑龍江凍土退化與平均氣溫呈顯著負相關(guān)的相關(guān)關(guān)系.

黑龍江；凍土退化；相關(guān)關(guān)系；氣候變暖

0 引言

凍土是土壤的一種特殊存在方式.凍土就是指溫度不高于零攝氏度，且結(jié)構(gòu)中含有冰的土壤或者其他土質(zhì)形態(tài).根據(jù)凍土形成的時間周期進行分類，這里要探討的是形成時間較長的多年凍土.黑龍江省由于山地較多形成大面積的梯度山脈，從而造就了各地差異性的地理環(huán)境和氣候特征.其氣溫環(huán)境和積雪覆蓋為凍土的形成創(chuàng)造了自然條件，此地形成的多年凍土區(qū)域是我國僅有的高緯度多年凍土區(qū)，且有用黑龍江省第二大凍土區(qū)域面積.但近年來由于氣候變暖以及人類活動的影響黑龍江多年凍土出現(xiàn)了退化的現(xiàn)象，對于黑龍江省以及東北地區(qū)的土壤結(jié)構(gòu)和地理環(huán)境都有著顯著影響.該文要研究的正是黑龍江省1960～2015年間多年凍土的變化趨勢.

凍土的形成是受氣溫、降水量、風(fēng)以及大氣壓力等多方面氣候因素的綜合影響，其中與氣溫的關(guān)系最為密切.筆者在此利用1960～2015年黑龍江省30個氣溫站的凍土資料以及期間的氣溫數(shù)據(jù)，通過線性回歸和顯著性相關(guān)來分析黑龍江省多年凍土的變化趨勢以及與氣溫的相關(guān)關(guān)系.

1 研究區(qū)域概況

黑龍江省位于我國最東北部，其緯度是黑龍江省之最.黑龍江地勢由西北部、東南部向西南部、東北部方向呈由高到低的地勢變化.黑龍江地理遼闊，面積約為47萬 km2.黑龍江地理環(huán)境特殊，其橫跨多個經(jīng)緯度以及熱帶區(qū)、濕潤區(qū).

黑龍江地處邊境，受臨界西伯利亞的氣候影響黑龍江省長期嚴寒.資料顯示自1961年開始黑龍江的全省年平均氣溫多在不高于5℃之間，且全省超過半年時間都處于霜凍期，嚴寒氣候持續(xù)周期較長.此外黑龍江降雨量較少，在低溫環(huán)境中土壤濕度比較飽和不宜蒸發(fā).這樣的嚴寒氣候造就了黑龍江多年凍土的生長和分布格局.圖1為黑龍江省地理分布圖.

圖1 黑龍江省地理分布圖

2 研究數(shù)據(jù)方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

該文研究的數(shù)據(jù)來源于1960～2015年黑龍江省30個氣溫站的所觀測的每日凍土氣溫資料以及氣溫資料.氣溫站通過凍土器深入土中以后容器內(nèi)部的水凍結(jié)的位置和深度來測量凍土的上下限厚度，以及凍土的層次類型.其中這里的厚度均以cm為單位且所有小數(shù)取整.氣溫資料是1960～2015年黑龍江省30個氣溫站所測定的55年間的平均氣溫數(shù)據(jù).使用GIS軟件進行克里金叉反距離全中插值的方法來建立多年凍土的空間數(shù)據(jù)模型.

2.2 研究方法

2.2.1 黑龍江多年凍土分布特征即趨勢分析

選取黑龍江1960～2015年間多年凍土厚度數(shù)據(jù)，通過計算其平均值用 GIS 求出多年凍土的年平均及多年平均厚度值，結(jié)合多年凍土在各地的分布面積、分布地形特征來分析黑龍江省多年凍土整體分布情況.通過比較多年凍土年厚度平均值在1960-2015年間逐年多年凍土厚度中的波動情況來判斷其變化情況，其變化的顯著程度則可以通過線性回歸來分析.利用這個原理模擬出多年凍土55年來的變化趨勢，根據(jù)變化的程度分為增加、減少和無明顯變化三個范圍.具體的趨勢數(shù)學(xué)公式為：

2.2.2 黑龍江多年凍土趨勢與氣溫的相關(guān)性分析

這里將利用ARCGIS中的克里金插值法對1960～2015年間的氣溫數(shù)據(jù)進行提取處理，再對其進行反權(quán)重差值處理，從而獲取與多年凍土投影和空間分辨率均相同的柵格數(shù)據(jù).再對柵格中的氣溫和多年凍土數(shù)據(jù)進行柵格計算，來分析55年來多年凍土與平均氣溫之間的相關(guān)性以及其相關(guān)系數(shù)的顯著程度，具體的計算公式如下所示：

3 結(jié)果分析

3.1 多年凍土年際變化趨勢與空間特征分析

根據(jù)上文中的線性回歸方法來分析黑龍江多年凍土的變化趨勢,結(jié)果顯示1960～2015年間黑龍江省多年凍土呈退化趨勢.首先從線性回歸趨勢圖2可以看,黑龍江省大部分地區(qū)的趨勢系數(shù)b<0,由此可見黑龍江省大部分地區(qū)多年凍土深度都呈減小趨勢,由圖可知退化比較嚴重的區(qū)域有大興安嶺北部、小興安嶺北部，其中大興安嶺北部阿木爾的厚度減小了0.43m.所有地區(qū)中最大的減小趨勢達到了1.5 cm/a，厚度由數(shù)百米降至幾米.此外凍土的上限出現(xiàn)了很明顯的下降趨勢，55年間下降了2.3～10.4m左右的厚度，而下限出現(xiàn)了上升變化，55年間上升了1.3～5.4m左右的厚度.凍土的上下限變化情況說明了凍土厚度的明顯縮小，正是其退化的明顯象征.另外一個退化的表現(xiàn)是多年凍土的南部邊界向北部進行移動，最大幅度達到55～125 km的范圍.黑龍江省的多年凍土島由1960年最初占黑龍江小興安嶺地區(qū)總面積的10%以上到1980年左右?guī)缀跸?

圖2 黑龍江省多年凍土空間分布圖

3.2 黑龍江省1960～2015年氣溫的變化情況

通過對采集到的30個氣象站的氣溫數(shù)據(jù)進行分析可知，黑龍江省1960～2015 年 55年間各地區(qū)的平均氣溫溫為 14.18℃，最高均溫14.71℃( 2012 年) ，最低均溫為13.64℃,如圖3所示.由圖可知，55年來黑龍江省各地區(qū)氣溫呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，其上升幅度為0.9～2.2℃.其中嫩江、黑河、北安等地區(qū)的平均氣溫最低，為-0.14℃.

圖3 1960～2015年間黑龍江省各地平均氣溫變化趨勢圖

3.3 黑龍江省多年凍土對氣溫變化的響應(yīng)

數(shù)據(jù)表明黑龍江多年凍土與氣溫呈負相關(guān)關(guān)系，多年凍土與氣溫表現(xiàn)為顯著負相關(guān)(P<0.06)，相關(guān)系數(shù)在 0. 4～1.0.說明氣溫變化是影響多年凍土變化的重要自然因素.此外黑龍江省不同地區(qū)的多年凍土對于氣溫的相關(guān)性差異性不是很大.多年退化比較嚴重的區(qū)域有大興安嶺北部、小興安嶺北部等地區(qū)氣溫均呈上升幅度較明顯趨勢，其中1960-2015年間大興安嶺北部阿木爾年平均氣溫升高1.7℃，而其地區(qū)的多年凍土厚度減薄了87cm，二者顯著負相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)在0.5～1.0.而北安、嫩江地區(qū)的年平均氣溫升高0.8℃，而其地區(qū)的多年凍土厚度減薄了56 cm.二者顯著負相關(guān)(P<0.2)，相關(guān)系數(shù)在0.2～1.0.整個黑龍江地區(qū)55年間平均氣溫升高幅度為0.9～2.2℃，而凍土厚度自1966年最厚的厚度119.5081cm降至2015年的71.3245cm，二者顯著負相關(guān)(P<0.06)，相關(guān)系數(shù)在 0. 4～1.0.這些數(shù)據(jù)無疑說明了氣溫升高是影響黑龍江省多年凍土區(qū)域性退化的主要自然原因.

圖4 1960～2015年間黑龍江省多年凍土厚度與氣溫平均值的相關(guān)關(guān)系

4 結(jié)論

該文利用ARCGIS的空間統(tǒng)計分析和柵格計算功能，對黑龍江省30個氣溫站1960～2015年間的凍土平均厚度和氣溫數(shù)據(jù)進行相關(guān)關(guān)系的分析.研究發(fā)現(xiàn)黑龍江多年凍土出現(xiàn)退化趨勢，主要表現(xiàn)為凍土厚度和分布面積縮小以及部分多年凍土消失.1960～2015年間氣溫升高是多年凍土退化的主要自然原因. 55年來黑龍江凍土退化與平均氣溫呈顯著負相關(guān)的相關(guān)關(guān)系.

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(責(zé)任編輯：李家云)

Research on Change Trend of Frozen Soil and Correlation with Temperature in Heilongjiang Province over the Years

Zhao Boyun

(Harbin Normal University)

Used the climatic trend and spatial statistics function of Arcgis, the data from 83 meteorological station about the average thickness and temperature in Heilongjiang since 1960 to 2015 is analyzed. The study shows that (1)The expression of frozen soil degeneration is the upper limit come down, temperature raised, thickness thinned, melting region expanded, island of frozen soil disappeared, and frozen soil in south moved to north.(2)The main natural reason of frozen soil degeneration since 1960 to 2015 is the temperature raised especially in winter, and the change of precipitation and ice in thickness and time.(3)The relationship between Frozen soil degeneration in Heilongjiang in the past 55 years and the average temperature is A significant negative correlation.

Heilongjiang Province; Frozen soil degeneration; Correlation; Climate warming

2016-12-12

P642.14

A

1000-5617(2016)05-0077-04