塔城地區(qū)1960—2018 年季節(jié)性凍土變化特征及影響因子分析

井立紅，高 婧，秦 榕，井立軍，董海英，陳 瑤，王金輝，阿來依·艾丁

（1.中亞大氣科學(xué)研究中心，新疆 烏魯木齊830002；2.塔城地區(qū)氣象局，新疆 塔城834700；3.沙灣縣氣象局，新疆 沙灣832100；4.新疆氣象局信息中心，新疆 烏魯木齊830002；5.克孜勒蘇柯爾克孜自治州氣象局，新疆 阿圖什845350）

凍土是指含有水分的土壤因溫度下降到0 ℃以下時(shí)出現(xiàn)的凍結(jié)現(xiàn)象[1]，一般可分為短期凍土、季節(jié)性凍土和多年凍土，其中季節(jié)性凍土處于溫度年變化層的上部，更接近地表，是地表熱力變化的反映，因其性質(zhì)極不穩(wěn)定，故對氣候變化的響應(yīng)更為敏感，更為迅速[2-3]。目前對中國凍土的研究多集中在青藏高原及西北、東北地區(qū)[4-9]，而對其他地區(qū)的研究不多，新疆氣象工作者也開展了有關(guān)凍土變化特征等方面的研究，王秋香等[10]指出，近41 a 新疆各地平均凍土深度、最大凍土深度趨向變淺，土壤封凍期縮短。符傳博等[11]指出近45 a 新疆地區(qū)月最大凍土深度有明顯的季節(jié)變化，低海拔區(qū)域最大值出現(xiàn)在1月份，高海拔區(qū)域出現(xiàn)在2 月，最大凍土深度的地理分布表現(xiàn)為北疆深于南疆，山區(qū)深于平原，且與氣溫的分布有很好的一致性。張山清等[12]的研究表明，近50 a 來，新疆最大凍土深度以-3.5 cm/10 a 的傾向率減小，且負(fù)積溫每減少100 ℃·d,最大凍土深度將減小4.6 cm；姚作新等[13]指出，1960—2015 年新疆塔什庫爾干河谷季節(jié)性凍土凍結(jié)初日推遲，終日提前，年凍結(jié)日數(shù)減少，年累計(jì)凍土厚度減小，年最大凍土深度減小。李楊等[14]指出1960—2007 年北疆地區(qū)最大凍土深度受海拔高度的影響較大，并與其呈正比，最大凍土深度值出現(xiàn)年代從平原向山區(qū)滯后；從20世紀(jì)80 年代后最大凍土深度出現(xiàn)減小的趨勢，且平原較山區(qū)更加明顯。文獻(xiàn)[15-17]指出，伊犁河谷、喀什地區(qū)、石河子各站最大凍土深度逐漸減小，但減小的幅度有著明顯的區(qū)域差異，影響凍土變化的主要因子是冬季平均氣溫和最大積雪深度。

塔城地區(qū)位于新疆西北部，屬中溫帶大陸性干旱和半干旱氣候區(qū)，是北疆北部冬季氣溫較低的區(qū)域，也是氣候變化的敏感區(qū),僅高海拔山區(qū)有永久性凍土，平原地區(qū)均屬季節(jié)性凍土區(qū)。由于季節(jié)性凍土的深度、形成、維持、消失時(shí)間對各類管道、道路、橋梁、鐵路的設(shè)計(jì)和施工、交通、水利設(shè)施、農(nóng)事活動(dòng)都將產(chǎn)生較大影響，而氣候變化對凍土造成的影響及其反饋?zhàn)饔貌粌H波及到這些行業(yè)，也會(huì)影響到周圍的生態(tài)環(huán)境。張家寶[18]、許崇海[19]、馬建勇[20]的研究表明，新疆的氣候增暖過程與中國甚至全球的變暖趨勢基本一致，且冬季升溫更為顯著，高婧等[21]研究表明近45 a 塔城地區(qū)呈增暖趨勢，其中年平均氣溫以0.46 ℃/10 a 的速率變暖，尤以冬季變暖最為突出，其中平均最低氣溫增暖速率為平均最高氣溫的2 倍。因此在全球氣候變暖的大背景下研究塔城地區(qū)季節(jié)性凍土的分布、變化規(guī)律及其與氣象因子的關(guān)系，對研究區(qū)域氣候變化，指導(dǎo)工程建設(shè)及各行業(yè)安全生產(chǎn)，制定農(nóng)業(yè)發(fā)展計(jì)劃、環(huán)境適應(yīng)性對策等方面均具有重要意義。

1 資料與方法

使用近59 a（1960—2018 年）塔城地區(qū)（包括：塔城、額敏、裕民、托里、和豐、烏蘇、沙灣）7 個(gè)氣象觀測站及位于塔城地區(qū)行政區(qū)域內(nèi)的克拉瑪依、炮臺(tái)共9 站（簡稱“塔城地區(qū)”）當(dāng)年9 月1 日—次年5 月31 日期間（簡稱“封凍期”）的凍土深度資料及同期氣溫實(shí)況觀測資料（未經(jīng)任何插補(bǔ)延長處理）。因凍土觀測有上下限深度之分，進(jìn)入冬季后上限深度絕大多數(shù)為0，故本文僅使用凍土下限深度資料，對融凍期間凍土分層情況暫不討論。在統(tǒng)計(jì)分析過程中，依據(jù)區(qū)域氣候特征，將塔城地區(qū)劃分為3 個(gè)氣候區(qū)，即盆地（包括：塔城、額敏、裕民、托里）、中部（包括：和豐、克拉瑪依）、南部（包括：烏蘇、沙灣、炮臺(tái)）。

運(yùn)用最小二乘法原理，采用一元線性回歸方程對近59 a 塔城9 站凍土深度時(shí)間序列進(jìn)行線性擬合，以此來描述其變化趨勢及變化速率，即令y（t）=a+bt，其中t 為時(shí)間序列，b×10 a 表示凍土深度的變化速率，b＞0 表示凍土深度序列呈增加趨勢，b＜0 表示凍土深度序列呈減少趨勢，采用F 檢驗(yàn)對其線性傾向率進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，統(tǒng)一以顯著性水平達(dá)到0.05 作為通過檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)；運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算了9 站最大凍土深度的標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)（Cv），以此來反映同一地區(qū)不同氣候區(qū)內(nèi)凍土深度的差異及其對氣候變化的敏感性；應(yīng)用每10 a 平均值分析平均凍土深度的年代際變化；運(yùn)用逐步回歸方法、相關(guān)分析方法，討論最大凍土深度與氣象因子的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍土的變化特征

2.1.1 最大凍土深度的空間分布

利用近59 a 塔城9 站年最大凍土深度資料，采用克里格插值方法繪制了塔城地區(qū)年最大凍土深度空間分布圖（圖1），結(jié)果表明，近59 a 塔城9 站最大凍土深度均在120 cm 以上，大值區(qū)主要在中部、南部及托里，其中最大凍土深度極值為197 cm（克拉瑪依，1969 年2 月28 日），其后依次為183 cm（和豐）、182 cm（沙灣）、152 cm（烏蘇）、150 cm（托里）、146 cm（塔城）、137 cm（炮臺(tái)）、131 cm（裕民）、126 cm（額敏）。最大凍土深度出現(xiàn)時(shí)間隨氣候區(qū)不同而有變化，其中盆地均出現(xiàn)在2 月，中部出現(xiàn)在2 月底—3 月，南部主要出現(xiàn)在3 月。

圖1 塔城地區(qū)最大凍土深度空間分布

2.1.2 最大凍土深度的年變化特征

由表1 的分析表明，塔城9 站年最大凍土深度線性傾向率除額敏以4.00 cm/10 a 的速率顯著增多（α=0.01）、烏蘇以-1.15 cm/10 a 的速率不顯著減少（未通過檢驗(yàn)）外，其余各站均表現(xiàn)為顯著減少趨勢，其中克拉瑪依、塔城、托里、沙灣分別以-7.79 cm/10 a、-6.6 cm/10 a、-6.21 cm/10 a、-6.1 cm/10 a（α=0.001），炮臺(tái)以-2.79 cm/10 a（α=0.01）、和豐以-2.22 cm/10 a（α=0.05）、裕民以-1.58 cm/10 a（α=0.01）的速率顯著減少，尤以克拉瑪依減幅最大。

2.1.3 最大凍土深度的月變化特征

由表1 可知，塔城9 站各月最大凍土深度變化趨勢各不相同，依據(jù)線性傾向率變化可將其劃分為三種類型：Ⅰ型各月均表現(xiàn)為減少趨勢，代表站點(diǎn)塔城、和豐、克拉瑪依、炮臺(tái)、沙灣，其中克拉瑪依、塔城、沙灣、和豐3 月減幅最大，分別以-8.36 cm/10 a、-7.79 cm/10 a（α=0.001）、-5.98 cm/10 a、-3.86 cm/10 a（α=0.01）的速率顯著減少，炮臺(tái)4 月減幅最大，以-9.26 cm/10 a（α=0.001）的速率顯著減少；Ⅱ型僅個(gè)別月（5 月、9 月或10 月）不顯著增多，其余各月均表現(xiàn)為減少趨勢，代表站點(diǎn)烏蘇、托里、裕民，增多速率在0.01~0.05 cm/10 a 之間，其中托里、烏蘇3 月減幅最大，分別以-7.41 cm/10 a（α=0.001）、-3.34 cm/10 a（α=0.05）的速率顯著減少，裕民1 月減幅最大，以-5.66 cm/10 a（α=0.001）的速率顯著減少；Ⅲ型多個(gè)月表現(xiàn)為不顯著增多趨勢，其余各月呈不顯著減少趨勢，代表站點(diǎn)額敏，其中1 月、2 月分別以3.54 cm/10 a、4.00 cm/10 a（α=0.05）的速率顯著增多，12月呈不顯著增多趨勢（未通過檢驗(yàn)），其余各月均呈不顯著減少趨勢（未通過檢驗(yàn)）。

表1 塔城地區(qū)年、月最大凍土深度線性傾向率cm/10 a

綜上所述，1、2、5、9、10 月僅個(gè)別站表現(xiàn)為增多趨勢，其余站均表現(xiàn)為減少趨勢，而3、4、11、12 月9站均表現(xiàn)為一致的減少趨勢。

2.1.4 最大凍土深度的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)

通過計(jì)算9 站最大凍土深度的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，以此來分析年際間最大凍土深度的穩(wěn)定性及同一地區(qū)不同氣候區(qū)最大凍土深度變化的差異性和變化程度，從側(cè)面反映其對氣候變化的敏感性。

從圖2a 可以看出，塔城地區(qū)最大凍土深度標(biāo)準(zhǔn)差（S）的變幅在13.7~27.3 之間，其中最大值為27.3（塔城），次大值為25.9（沙灣），最小值為13.7（炮臺(tái)），最大和最小值的差值達(dá)到了2 倍，表明塔城9站最大凍土深度隨時(shí)間變化的幅度較大。

用變異系數(shù)（Cv）來比較各站最大凍土深度的相對變化程度，當(dāng)Cv≤10%時(shí)為弱變異性，當(dāng)10%＜Cv＜100%時(shí)為中等變異性，當(dāng)Cv≥100%時(shí)為強(qiáng)變異性。由圖2b 可知，塔城地區(qū)最大凍土深度年際變異系數(shù)在12%~35%之間，均表現(xiàn)為中等變異性，說明塔城地區(qū)各站最大凍土深度對氣候變化的響應(yīng)均比較敏感。

2.1.5 平均凍土深度的年代際分布

平均凍土深度是凍土下限深度＞0 cm 的凍土深度值之和除以凍土下限深度＞0 cm 的天數(shù)。平均凍土深度可以反映站點(diǎn)冬季的平均溫度情況，它與最大凍土深度有一定的相關(guān)性，最大凍土深度越大，持續(xù)的時(shí)間越長，平均凍土深度也越大。

由表2 得到，塔城地區(qū)平均凍土深度年代際分布呈現(xiàn)出“少—多—少—少—少—少”的變化趨勢，其中20 世紀(jì)70 年代平均凍土深度最大（122 cm），其次為20 世紀(jì)60 年代（119 cm），從20 世紀(jì)80 年代開始平均凍土深度逐漸變淺。

9 站平均凍土深度年代際分布各不相同，總體而言，20 世紀(jì)60 年代、70 年代、90 年代、21 世紀(jì)初、2010—2018 年均以克拉瑪依站平均凍土深度最大，塔城或額敏最?。?0 世紀(jì)80 年代和豐站平均凍土深度最大，塔城最小。

圖2 塔城地區(qū)最大凍土深度標(biāo)準(zhǔn)差（a）和變異系數(shù)（b）空間分布

表2 塔城地區(qū)平均凍土深度的年代際分布 cm

9 站均在2010—2018 年出現(xiàn)平均凍土深度最小值，而最大值的差異較大，其中塔城、克拉瑪依、烏蘇于20 世紀(jì)60 年代出現(xiàn)最大值，裕民、托里、克拉瑪依、沙灣于20 世紀(jì)70 年代出現(xiàn)最大值，和豐、炮臺(tái)于20 世紀(jì)80 年代出現(xiàn)最大值，額敏于21 世紀(jì)初出現(xiàn)最大值。

對平均凍土深度的年代際分布的分析表明，隨著冬季顯著變暖，塔城地區(qū)平均凍土深度隨時(shí)間變化呈減小趨勢。

2.1.6 凍土的初、終日

參照文獻(xiàn)[22]中對凍土初、終日的選取標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定上年9 月1 日后第1 d 凍土厚度不為0 作為凍結(jié)始日，以當(dāng)年8 月31 日前最后1 日凍土厚度不為零作為凍結(jié)終日。

由表3 可以看出，塔城地區(qū)凍土初日的分布表現(xiàn)為，盆地出現(xiàn)于9 月下旬，南部出現(xiàn)于10 月上中旬，中部兩站差異較大，相差近1 個(gè)多月；終日盆地出現(xiàn)于4 月下旬或5 月中旬，南部出現(xiàn)于4 月上中旬，中部終日出現(xiàn)時(shí)間相差近1 個(gè)月。全區(qū)而言，凍土初日最早出現(xiàn)于9 月6 日（1968 年，和豐）、最晚出現(xiàn)于10 月11 日（1963 年，沙灣），終日最早出現(xiàn)于4 月6 日（1971 年，沙灣），最晚出現(xiàn)于5 月15 日（1985 年，和豐），初終日的出現(xiàn)時(shí)間與海拔高度及溫度有密切關(guān)系，溫度高（低）、海拔低（高）的區(qū)域初日出現(xiàn)晚（早），終日出現(xiàn)早（晚）。

表3 塔城地區(qū)凍土最早初日、最晚終日及深度

2.2 凍土與氣象因子的關(guān)系

劉明浩等[23]指出凍土作為一種特殊的土體，對外界溫度的變化十分敏感。應(yīng)用逐步回歸方法分析了塔城9 站封凍期最大凍土深度與年（月）平均氣溫、月平均最低氣溫、氣溫日較差、極端最低氣溫的關(guān)系，從中挑選出權(quán)重最大的4 個(gè)因子，進(jìn)行相關(guān)分析，以此揭示氣象要素變化對凍土的影響。

2.2.1 最大凍土深度與溫度的關(guān)系

由表4 可知，塔城9 站最大凍土深度與年平均氣溫除額敏呈不顯著正相關(guān)、裕民呈不顯著負(fù)相關(guān)（未通過檢驗(yàn)）外，其余各站均呈顯著負(fù)相關(guān)。

塔城9 站最大凍土深度與1、10、11、12 月月平均氣溫、月平均最低氣溫均呈負(fù)相關(guān)（11 月9 站均呈顯著負(fù)相關(guān)）；與1、3、11、12 月氣溫日較差均呈正相關(guān)，其中12 月僅裕民呈不顯著正相關(guān)，其余各站均呈顯著正相關(guān)。

2 月最大凍土深度與平均氣溫、平均最低氣溫除額敏呈不顯著正相關(guān)外，其余各站均呈負(fù)相關(guān)，與氣溫日較差除額敏呈不顯著負(fù)相關(guān)外，其余各站均呈正相關(guān)。

3 月最大凍土深度與塔城、裕民、額敏、炮臺(tái)平均氣溫僅呈正相關(guān)，其中額敏呈顯著正相關(guān)，其余各站均呈不顯著負(fù)相關(guān)；平均最低氣溫除額敏、裕民呈正相關(guān)外，其余各站均呈負(fù)相關(guān)。

10 月最大凍土深度與裕民、額敏、炮臺(tái)、沙灣氣溫日較差均呈不顯著正相關(guān)，其余各站為不顯著負(fù)相關(guān)。

4 個(gè)氣象因子的負(fù)相關(guān)最高的站點(diǎn)為沙灣、炮臺(tái)，月份為11、12 月，說明氣溫越低，低溫持續(xù)時(shí)間越長，最大凍土深度越大。

3 結(jié)論

（1）近59 a 塔城地區(qū)9 站最大凍土深度隨時(shí)間的變化幅度較大，對氣候變化的響應(yīng)比較敏感。受氣候變暖影響，年最大凍土深度除額敏以4.00 cm/10 a的速率顯著增多（α=0.01）、烏蘇以-1.15 cm/10 a 的速率不顯著減少（未通過檢驗(yàn)）外，其余各站均表現(xiàn)為顯著減少趨勢，尤以克拉瑪依減幅最大；月際變化中1、2、5、9、10 月僅個(gè)別站表現(xiàn)為增多趨勢，其余站均表現(xiàn)為減少趨勢，而3、4、11、12 月9 站均表現(xiàn)為一致的減少趨勢。

表4 塔城地區(qū)最大凍土深度與年（月）平均氣溫、平均最低氣溫、氣溫日較差的相關(guān)系數(shù)

（2）塔城地區(qū)平均凍土深度年代際分布呈現(xiàn)出“淺—深—淺—淺—淺—淺”的變化趨勢，其中20 世紀(jì)70 年代平均凍土深度最大，其次為20 世紀(jì)60 年代，從20 世紀(jì)80 年代開始平均凍土深度逐漸減小，2010—2018 年為最小值。

（3）塔城地區(qū)最大凍土深度與年平均氣溫、月平均氣溫、月平均最低氣溫總體呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與氣溫日較差總體呈正相關(guān)關(guān)系，表明凍土深度與氣溫尤其是最低氣溫的分布有很好的一致性，此外，冬季寒冷日數(shù)、地形、土壤等也是影響凍土分布的重要因素。