人工凍土觀測的凍點對應(yīng)的土壤溫度研究

孫艷云 苗傳海 叢郁 王若男 侯暢 韓瑩 李琳 肖楠舒

(遼寧省氣象裝備保障中心，遼寧 沈陽 110166)

引言

《地面氣象觀測規(guī)范》[1](以下，簡稱《規(guī)范》)指出，凍土是指含有水分的土壤因溫度下降到0 ℃或0 ℃以下而呈凍結(jié)的狀態(tài)。凍土是反映土壤熱狀況的一項指標(biāo)，在研究地表和大氣的熱量交換上有重要意義。土壤凍結(jié)深度與農(nóng)事活動、建筑、道路橋梁、鐵路設(shè)計等關(guān)系密切，凍土對氣候變化具有敏感性，是氣候變化的重要指標(biāo)[2-5]。為了研究方便，將人工凍土器內(nèi)管中水相態(tài)發(fā)生變化的點所在的深度稱為凍點。凍點有兩種情況，一種情況是由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的點，另一種情況是由固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)的點。凍點表示的是土壤凍結(jié)的上限或下限。

地面氣象觀測中的凍土觀測始于1954年，至2019年凍土觀測全部為人工觀測，所用的設(shè)備為人工凍土觀測器(人工凍土器)，主要設(shè)備型號為TB1-1。自2020年起，凍土自動觀測儀開始在氣象觀測業(yè)務(wù)中應(yīng)用。中國氣象局考核通過的凍土自動觀測儀有測溫式、凍阻式兩種類型[6]。在溫度需要通過玻璃制成的溫度計進(jìn)行人工觀測的年代，人工凍土器非常好的實現(xiàn)了人們動態(tài)掌握土壤熱狀況的需求。研究表明，凍點的溫度與0 ℃相關(guān)但又存在差別[7-9]。王吉興[7]通過溫度插值法對達(dá)尼林凍土器獲得的凍土數(shù)據(jù)進(jìn)行研究指出，凍點對應(yīng)的溫度基本為0 ℃。孟慶勇等[8]結(jié)合地表溫度對凍土數(shù)據(jù)分析指出，08時土壤溫度達(dá)到了-2.4 ～-8.3 ℃而不出現(xiàn)凍結(jié)的情況。陳志超等[9]指出，地面溫度在-2 ℃左右就可能出現(xiàn)凍土現(xiàn)象，而當(dāng)?shù)孛鏈囟鹊陀?5 ℃，5 cm、10 cm 土壤溫度已經(jīng)低于0 ℃，表面土層開始凍結(jié)，儀器觀測卻無凍土層。人工凍土觀測的實質(zhì)是什么，凍點對應(yīng)的土壤溫度是多少？是應(yīng)用凍土數(shù)據(jù)時需要解決的問題。由于此前對土壤溫度的測量數(shù)據(jù)少，無法開展精細(xì)的研究。本文利用測溫式凍土自動觀測儀(DTD4，簡稱：測溫式凍土儀)獲得的高時空密度溫度數(shù)據(jù)，輔以實驗室測量及氣溫資料等，闡述了地面氣象觀測凍土觀測的實質(zhì)，分析了人工凍土觀測的凍點對應(yīng)的溫度，并研究了土壤溫度變化特征。

1 資料與方法

1.1 儀器設(shè)備及相關(guān)實驗

1.1.1 人工凍土器

人工凍土器由外管和內(nèi)管組成(圖1)。外管為一標(biāo)有0 cm刻度線的硬管，最早為橡膠管，后大多使用PP-P管材，長度為50—450 cm(根據(jù)觀測需要確定長度)。內(nèi)管為一根帶有厘米刻度、壁厚2 mm的橡皮管，長度與外管相匹配，管內(nèi)有固定冰用的鏈子或銅絲、線繩，其結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 人工凍土器結(jié)構(gòu)示意(a)和橫截面(b)Fig.1 Structure (a) and cross-section (b) of the manual frozen soil observation apparatus

《氣象觀測規(guī)范》[6]要求，人工凍土器內(nèi)管灌注干凈的河水、井水或自來水至0刻度線處。遼寧省承擔(dān)凍土觀測業(yè)務(wù)的臺站人工凍土器內(nèi)管灌注用水均為臺站自來水。觀測時，一手把凍土器的鐵蓋連同注水軟膠管提到地面之上，用另一只手摸測內(nèi)管冰(包括凍結(jié)得不夠堅實的冰柱)所在位置，從管壁刻度線上讀出冰柱上下兩端的相應(yīng)刻度數(shù)?？梢?，人工凍土觀測根據(jù)內(nèi)管水的相態(tài)來判斷土壤的狀態(tài)，沒有考慮土壤水分、酸堿度、土質(zhì)等因素對土壤凍結(jié)的影響。而水凍結(jié)的溫度為0 ℃，所以說人工凍土觀測的本質(zhì)是觀測土壤溫度0 ℃點所在的位置。人工凍土器的感應(yīng)部位是裝在內(nèi)管中的水，是一種接觸式溫度感應(yīng)設(shè)備。

1.1.2 測溫式凍土儀

測溫式凍土儀通過對垂直方向每1 cm間隔設(shè)置數(shù)字溫度傳感器，每分鐘獲取各溫度數(shù)據(jù)，再由內(nèi)置程序提取“凍點”所在的垂直位置，從而得到凍土上、下限及深度數(shù)據(jù)。所用溫度傳感器將溫度與晶振頻率建立線性關(guān)系，從而將溫度轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號[10]。測試所用測溫式凍土儀外管管壁為PP-P管，比人工凍土器的外管細(xì)、薄。管內(nèi)放置傳感器電路板，傳感器固化在電路板上，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖2和表1所示。

圖2 測溫式凍土儀外觀(a)和橫截面(b)Fig.2 Appearance (a) and cross-section (b) of a temperature-measuring frozen soil observation apparatus

1.2 資料來源

本文選取喀左站(119.77°E、41.11°N)、沈陽站(123.51°E、41.73°N)、遼陽站(123.17°E、41.24°N)、滿洲里站(117.43°E、49.62°N)4個國家級地面氣象站開展對比觀測，觀測時段為2018年12月至2020年6月。滿洲里站安裝了兩套設(shè)備(001設(shè)備和002設(shè)備)，為獲取更多數(shù)據(jù)，除常規(guī)08:00人工觀測外，部分觀測時段增加了14:00和20:00兩個時次的人工觀測。研究所用設(shè)備主要有人工凍土器和測溫式凍土儀。為保證觀測數(shù)據(jù)的可比性，兩種設(shè)備水平安裝位置直線距離為50 cm。同時結(jié)合國家級地面氣象站觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表1 設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)比較Table 1 Comparison of equipment structure parameters

1.3 研究方法

將凍土凍點區(qū)分為淺層凍點和深層凍點以及凍結(jié)階段凍點和融化階段凍點，將各凍點對應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)按不同分類方法分別統(tǒng)計分析。數(shù)據(jù)分析主要運用Excel進(jìn)行統(tǒng)計和對比分析，并繪制圖表。凍點對應(yīng)深度土壤溫度采用自編程序從測溫式凍土自動觀測儀獲取的原始溫度中提取。通過Matlab繪制土壤溫度日等溫線圖及冬季等溫線圖，分析土壤溫度變化特征及其與人工凍土凍點關(guān)系。針對需要進(jìn)一步驗證的內(nèi)容，設(shè)計了實驗室測試。

2 結(jié)果分析

2.1 凍點對應(yīng)土壤溫度的分析

對2018—2019年滿洲里站的融化階段每天08:00、14:00、20:00三個時次和喀左站2018—2019年和2019—2020年冬季每天08:00人工觀測得到的凍點對應(yīng)的土壤溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并對滿洲里站進(jìn)行了分時次統(tǒng)計，對喀左站2019—2020年冬季凍點區(qū)分凍結(jié)過程和融化過程統(tǒng)計(表2和表3)。其中，凍結(jié)過程是指凍土器內(nèi)管的水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程，主要包括第一層、第二層下限加深階段；融化過程是指凍土器內(nèi)管的水由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)過程，主要包括第一層上限加深，第一層、第二層下限減小階段。通過散點圖(圖3)顯示凍土凍點分布情況，通過3個時次凍點對應(yīng)的溫度曲線圖(圖4)揭示深層凍土凍點對應(yīng)的溫度與觀測時次的關(guān)系。

表2 滿洲里站凍點對應(yīng)的溫度統(tǒng)計Table 2 Statistics of temperature corresponding to freezing point at Manzhouli station

表3 喀左站凍點對應(yīng)的溫度統(tǒng)計Table 3 Statistics of temperature corresponding to freezing point at Kazuo station

圖3 2019年滿洲里春季深層(>35cm)融化階段凍點對應(yīng)的溫度Fig.3 The temperature corresponding to the freezing point when the soil in the deep layer (>35 cm) melted in the spring of 2019 in Manzhouli

圖4 2019年滿洲里春季融化階段深層分時次凍點對應(yīng)的溫度Fig.4 The temperatures at different times corresponding to freezing point when soil in deep layer melted in spring of 2019 in Manzhouli

表2和表3淺層數(shù)據(jù)顯示滿洲里三個不同的觀測時次得到的淺層凍土凍點對應(yīng)的溫度差異較大，同一觀測時次獲得的凍土凍點對應(yīng)的溫度極差高達(dá)6.05 ℃；14:00凍點對應(yīng)的溫度最高，平均溫度為1.63 ℃，最大值達(dá)到5.25 ℃，極差也最大，跳躍性變化明顯。淺層凍融交替階段，人工凍土觀測到的凍點對應(yīng)的溫度與0 ℃存在較大差異。淺層土壤溫度變化快，人工凍土器無法快速跟隨土壤溫度變化做出相態(tài)變化，致使淺層出現(xiàn)觀測結(jié)果與實際狀況不相符的情況。

表2和表3深層數(shù)據(jù)顯示喀左、滿洲里深層凍點對應(yīng)的溫度平均值較淺層更接近于0 ℃，極差較小。從圖3和圖4可知，一定時間段凍土凍點對應(yīng)的溫度與0 ℃同向偏離，凍點溫度跳躍性變化減少，凍點溫度最大值和最小值均低于0—35 cm的凍點溫度最大值和最小值；分三個時次的統(tǒng)計結(jié)果表明，三個時次凍土凍點平均極差均小于淺層凍土凍點的極差，且圖4三個時次凍點對應(yīng)的溫度曲線也無明顯差別，說明三個時次數(shù)據(jù)一致性較好。深層土壤融化的凍點溫度稍高于但更接近于0 ℃；深層的凍結(jié)與融化無日周期變化特征，其凍點可以表征土壤熱狀況?？ψ笳緟^(qū)分凍點的凍結(jié)和融化過程統(tǒng)計得到的數(shù)據(jù)顯示，融化過程凍點對應(yīng)的溫度高于凍結(jié)過程凍點對應(yīng)的溫度。

2.2 測溫式凍土儀0 ℃線與人工凍土觀測的凍結(jié)線的比較

為了比較測溫式凍土儀的0 ℃點與人工凍土觀測的凍點的關(guān)系，以喀左2018—2019年和2019—2020年兩個冬季數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在測溫式凍土儀獲得的冬季08:00土壤溫度圖上疊加人工凍土凍點(圖5)。以遼陽和沈陽數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將測溫式凍土儀0 ℃所在深度，與人工凍土凍點深度在同一坐標(biāo)中顯示，如圖6。

從圖5可知，凍結(jié)階段人工凍土凍點落于0 ℃線附近，融化階段，凍點落在0.3 ℃附近。圖5a中A—B階段，0 ℃線與凍點出現(xiàn)較大偏差，對應(yīng)的觀測時間是2018年12月15—22日，測溫式凍土儀探測到0 ℃線上移，而人工凍土凍點持續(xù)。結(jié)合該站其他氣象數(shù)據(jù)(表4)，可以確定有氣溫持續(xù)回升過程。表4是喀左站2018年相應(yīng)時段國家級地面氣象站觀測數(shù)據(jù)，平均氣溫均高于-6 ℃，最高氣溫達(dá)到了7.2 ℃，持續(xù)天數(shù)為8 d。類似的情況出現(xiàn)在圖5b中，對應(yīng)時間為2019年12月10—20日；同樣出現(xiàn)在圖6a中，對應(yīng)的時間為2018年12月19—22日。在圖5a中C點位置，測溫式凍土儀0 ℃線于1月21日出現(xiàn)最大值，然后減小，而人工凍土觀測的凍點在最大值處持續(xù)9 d，于1月31日開始減小。在圖5a中E點，測溫式凍土儀0 ℃線于2月19日出現(xiàn)最大值，然后減小，而人工凍土觀測的凍點在最大值處持續(xù)6 d，于2月25日開始減小。同樣的情況，在圖5b、圖6a和圖6b中均有體現(xiàn)。

圖中紅色線為溫度的0 ℃線，藍(lán)色線為人工凍土觀測的凍結(jié)線；藍(lán)色代表低溫區(qū)；黃色代表高溫區(qū)圖5 2018—2019年(a)和2019—2020年(b)喀左站冬季土壤溫度與凍點疊加圖Fig.5 Superposition maps of ground temperature and freezing point at Kazuo station in winter during 2018-2019(a) and 2019-2020(b)

圖6 2018—2019年遼陽(a)、沈陽(b)冬季人工凍土與0 ℃線變化Fig.6 Variation of manual frozen soil and zero degree line at Liaoyang(a) and Kazuo(b) stations in winter from 2018 to 2019

表4 喀左國家級地面氣象站數(shù)據(jù)Table 4 Data of Kazuo national automatic weather station

分析得到，凍結(jié)階段人工凍土凍點對應(yīng)的溫度為0 ℃點附近，融化階段人工凍點對應(yīng)的溫度稍高于0 ℃；人工觀測的最大凍點與測溫式凍土儀0 ℃線最深點相近但高于后者；人工凍土觀測的“拐點”出現(xiàn)的時間晚于測溫式凍土儀的“拐點”；從完全融化時間上來看，人工凍土器完全融化的時間晚于測溫式凍土儀完全融化的時間。以上特征出現(xiàn)的根源是人工凍土器的滯后性。

2.3 人工凍土器內(nèi)管凍結(jié)特征分析

為探尋人工凍土器內(nèi)管凍結(jié)與所灌注的水是否有關(guān)系，設(shè)計了實驗室測試。所用的設(shè)備主要是恒溫槽，它以酒精為介質(zhì)，具備保持槽內(nèi)溫度恒定的能力；溫度標(biāo)準(zhǔn)器為二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計。被測物體為灌注來自不同臺站自來水的人工凍土器內(nèi)管。被測物起始狀態(tài)有室溫液態(tài)和一定溫度下的凍結(jié)狀態(tài)。測試時，控制恒溫槽的溫度到預(yù)定的測量點，加入被測物和溫度標(biāo)準(zhǔn)器，持續(xù)一定時間后，識別被測物狀態(tài)并讀取標(biāo)準(zhǔn)器的溫度，各測試點的溫度以標(biāo)準(zhǔn)器讀取的溫度為準(zhǔn)。

人工凍土器內(nèi)管的實驗室測試獲得19組有效數(shù)據(jù)，如表5。由表5可知，灌注不同臺站水的凍土器內(nèi)管在相同的溫度環(huán)境下，凍結(jié)與融化狀態(tài)無明顯區(qū)別；在標(biāo)準(zhǔn)器讀數(shù)為-0.73 ℃時，經(jīng)過12 h內(nèi)管依然沒有凍結(jié)，凍結(jié)需要時間長度超乎想象。可以從人工凍土器和測溫式凍土儀結(jié)構(gòu)及原理上分析，如1.1所述，二者本質(zhì)上都是接觸式溫度感應(yīng)設(shè)備，都會存在測溫設(shè)備普遍存在的熱滯效應(yīng)[11]，因各自結(jié)構(gòu)的不同，滯后的程度不同。人工凍土觀測器外管管壁更厚，又比測溫式凍土儀多內(nèi)管，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了其滯后性大于測溫式凍土儀。同時人工凍土器內(nèi)管需要灌注水，需要水或冰的狀態(tài)發(fā)生變化后，才能被觀測到。水的比熱容高于土壤，而且水是有固定相變溫度的物質(zhì)，在發(fā)生相變的時候會釋放(由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài))或者吸收熱量(由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài))，也就是存在相變焓。所以人工凍土器在溫度達(dá)到0 ℃時，還需要持續(xù)的同向溫差將內(nèi)管中水變成冰(或冰變成水)過程所釋放出(或吸收)的熱量抵消，才能完成水(或冰)相態(tài)變化，這是人工凍土器滯后的另一個因素。有研究表明[12]，在時間足夠長的情況下，飽水土的凍結(jié)溫度為-0.06 ℃，飽水砂的凍結(jié)溫度為-0.02 ℃。

表5 人工凍土器內(nèi)管實驗室測量數(shù)據(jù)Table 5 Measurement data of inner pipe of manual frozen soil observation apparatus in the laboratory

2.4 從土壤溫度日變化特征看淺層、深層凍點對應(yīng)溫度的差異

2.1中分析得到淺層凍點對應(yīng)的溫度不穩(wěn)定，呈跳躍性變化特征，而深層凍點對應(yīng)的溫度較穩(wěn)定，為了探究其原因，對土壤溫度變化特征進(jìn)行分析。利用測溫式凍土儀獲取的日溫度數(shù)據(jù)，分析土壤溫度日變化特征。為使數(shù)據(jù)更全面，選取四個站同一日(2019年4月5日)和沈陽站不同日的兩組土壤溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。土壤日溫度數(shù)據(jù)由每10 min間隔的土壤溫度組成。因土壤深度大于60 cm的區(qū)域土壤溫度日變化很小，形成略有傾斜的豎線，為突出淺層變化的特征，截取0—60 cm深度范圍形成圖7和圖8。

圖7和圖8顯示，淺層土壤受太陽輻射影響，白天溫度升高，夜間溫度降低。在0—25 cm，日土壤溫度周期性變化特征明顯；25—35 cm，日土壤溫度有周期性但幅度減小，而35 cm深度以下，無明顯周期變化特征。龔強等[13]指出，40 cm以下深度土壤溫度幾乎不受地表日變化的影響。本文將淺層與深層的分界點確定為35 cm。在2.3中分析了人工凍土器的滯后性，淺層土壤的周期性變化，使得人工凍土器不能隨著溫度的變化而及時做出相態(tài)的改變，形成了淺層人工凍土凍點對應(yīng)的溫度變化幅度大的情況。而在深層，土壤溫度無周期性且日變化很小，深層凍土凍點對應(yīng)的溫度與0 ℃更接近。

圖7 沈陽站1月5日(a)、2月5日(b)、3月5日(c)和4月5日(d)土壤溫度變化Fig.7 Variations of soil temperature at Shenyang station on January 5,February 5,March 5 and April 5,2019

圖8 2019年4月5日喀左(a)、遼陽(b)、沈陽(c)、滿洲里(d)站日土壤溫度變化Fig.8 Variations of soil temperature at Kazuo,Shenyang,Liaoyang,Manzhouli stations on April 5,2019

由圖7和圖8可知，在土壤溫度下降階段，夜間溫度降低的影響大于白天溫度升高的影響，如圖7a和圖7b。而在氣溫升高階段，白天溫度升高的影響大于夜間溫度降低的影響，如圖7c、圖7d、圖8a、圖8b、圖8c和圖8d。圖7中，不同時間的日數(shù)據(jù)等溫線密度不同，也就是土壤溫度變化快慢不同，圖7a和圖7c等溫線密度大，溫度變化快，而圖7b和圖7d等溫線密度小，溫度較穩(wěn)定。由日平均土壤溫度形成的圖可以展示年平均土壤溫度情況，以此為基礎(chǔ)可分析氣候變化等。

3 結(jié)論與討論

(1)淺層凍融交替階段，人工凍土觀測到的凍點對應(yīng)的溫度與0 ℃存在較大差異且跳躍性變化明顯。深層凍點對應(yīng)的溫度平均值較淺層更接近于0 ℃，差值較小；一定時間段凍土凍點對應(yīng)的溫度與0 ℃同向偏離。人工觀測的最深凍點與測溫式凍土儀0 ℃線最深點相近但大于后者；人工凍土觀測的“拐點”出現(xiàn)的時間晚于測溫式凍土儀的“拐點”；從完全融化時間上來看，人工凍土器完全融化的時間晚于測溫式凍土儀完全融化的時間。

(2)人工凍土觀測的實質(zhì)是獲得土壤溫度0 ℃點所在位置。人工凍土器與測溫式凍土儀相比，外管管壁更厚，有2 mm厚的內(nèi)管，內(nèi)管需要灌注水，水的比熱大于土壤，且水在發(fā)生相變時需持續(xù)的同向溫差消除相變焓，導(dǎo)致了其滯后性大于測溫式凍土儀。土壤溫度0—25cm深度日周期性變化特征明顯，25—35 cm有日周期性但變化幅度減小，而35 cm深度以下，無周期性變化特征。淺層凍點對應(yīng)的溫度范圍大，主要是人工凍土器的滯后性和淺層土壤(0—35 cm深度范圍)溫度的日周期變化性共同作用使得人工凍土器內(nèi)管中的水無法快速跟隨土壤溫度的周期性變化及時改變相態(tài)。

(3)測溫式凍土儀除了獲取凍土觀測數(shù)據(jù)外，其獲得的高時空密度土壤溫度數(shù)據(jù)具有重要的科學(xué)研究價值。地球系統(tǒng)各圈層間的作用和制約過程都伴隨著能量傳遞，因而與溫度有著密切聯(lián)系，長期地溫監(jiān)測在地球科學(xué)研究中有重要意義[17]。溫度是土壤呼吸速率時間動態(tài)的主要影響因素[18]。測溫式凍土自動觀測儀首次實現(xiàn)了對每厘米深度土壤溫度的精密探測，精細(xì)展現(xiàn)了土壤溫度變化過程，即使在沒有凍土的低緯度地區(qū)，高時空密度的土壤溫度數(shù)據(jù)也是氣候研究、農(nóng)業(yè)服務(wù)急需的資料，可為研究土壤溫度變化特征及土壤與大氣熱交換提供充足的數(shù)據(jù)支撐。因此，有必要將測溫式凍土自動觀測儀獲得的高時空密度土壤溫度業(yè)務(wù)化應(yīng)用。

(4)測溫式凍土儀在正式生產(chǎn)時，增加了外徑40 mm，內(nèi)徑27 mm，壁厚6.5 mm的PPR管作為外管，其對觀測結(jié)果的影響有待于進(jìn)一步研究。但作為接觸式測溫設(shè)備，減小外因產(chǎn)生的時滯是提高其靈敏度的重要環(huán)節(jié)。建議測溫式凍土儀的外管壁使用溫度滯后效應(yīng)更小的金屬外管。