東北地區(qū)凍土的時空變化特征

晁華 王當(dāng) 龔強

摘要 ? ?本文收集并整理了東北地區(qū)143個氣象站有凍土觀測記錄以來的凍土數(shù)據(jù)資料，分析了東北地區(qū)凍土深度的時空變化及其分布特征。結(jié)果表明，東北地區(qū)凍土深度表現(xiàn)為隨緯度升高而遞增，即緯度越高凍土越深。從各年代100 cm和150 cm凍深線來看，凍土呈明顯變淺趨勢，且越高緯凍土退化越為嚴(yán)重。在氣候變暖的情況下，20世紀(jì)70年出現(xiàn)極端最大凍土深度的氣象站最多，90年代沒有氣象站出現(xiàn)極端最大凍土，21世紀(jì)00年代、10年代仍有極端最大凍結(jié)深度出現(xiàn)，且10年代較00年代出現(xiàn)的站點偏多，說明即使氣候變暖但是極端情況仍然出現(xiàn)，且可能有愈加嚴(yán)重趨勢。平均氣溫與最大凍土深度變化存在明顯的負(fù)相關(guān)，即隨著氣候變暖，凍土期縮短、凍土初日推遲、翌年凍土消融日提前的現(xiàn)象。東北地區(qū)除黑龍江最北端為多年凍土區(qū)外，其余地區(qū)均為季節(jié)性凍土區(qū)。

關(guān)鍵詞 ? ?最大凍土深度;凍土期;凍深線;初終日;消融日;東北地區(qū)

中圖分類號 ? ?P642.4;P423.3 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2019）18-0144-04 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

凍土具有獨特的水熱特性，因而成為了地球陸地表面過程中一個非常重要的因子[1]。季節(jié)性凍土區(qū)凍結(jié)和融化層在土壤溫度年變化層的上部，更接近地表，對氣候變化更為敏感，反應(yīng)更加迅速，是氣候變化的敏感指示器[2]。張森琦等[3]基于黃河源區(qū)多年凍土退化引起的生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問題與效應(yīng)的實際資料，明確了凍漲-融沉地質(zhì)作用會影響工程建筑的穩(wěn)定性，是凍土區(qū)工程地質(zhì)問題的主要起因。吳青柏等[4]研究指出，氣候變化和工程活動引起多年凍土溫度升高、活動層厚度增加、地下冰融化，導(dǎo)致路基工程穩(wěn)定性變化。近年來，一些學(xué)者在東北地區(qū)凍土特征研究方面已做了大量的研究工作[5-7]，并取得了許多成果。為更全面地了解東北地區(qū)凍土特征及其近年的變化情況，及時了解凍土變化狀況對相關(guān)工程建設(shè)施工的影響，本文利用東北地區(qū)最新觀測資料，分析了東北地區(qū)凍土的時空變化特征及其在東北地區(qū)的分布情況，從而更好地為東北地區(qū)相關(guān)工程的凍土設(shè)計提供參考。

1 ? ?資料與方法

利用東北地區(qū)相對完整的143個國家氣象站逐日凍土深度觀測資料進(jìn)行分析研究。其中，最早的凍土觀測起始于1955年，其余各站均在1955—2003年間陸續(xù)開始有凍土觀測，站點情況詳見圖1。凍土深度數(shù)據(jù)采用凍土觀測的下界深度，以“cm”為單位。

為了解凍土的長期變化趨勢，本文采用線性傾向估計[8]、距平、基于ArcGIS的反距離權(quán)重插值法以及相關(guān)統(tǒng)計學(xué)方法，對東北地區(qū)凍土的時空變化特征及其分布情況進(jìn)行了分析。

2 ? ?結(jié)果與分析

2.1 ? ?最大凍土深度空間分布特征

從東北地區(qū)143個氣象站有凍土觀測以來的極端最大凍土深度分布（圖2）看，等深線具有緯向特征，160 cm等深線位于北緯43°附近，220 cm等深線位于北緯46°附近，南壓4～5個緯度。黑龍江省大部分區(qū)域極端最大凍土深度大于200 cm，漠河最深達(dá)到400 cm;吉林省極端最大凍土深度為140～250 cm，最北部的白城最深（250 cm）;遼寧省極端最大凍土深度在200 cm以下，遼東北部和遼西北地區(qū)的最大凍土深度超過140 cm，最大值出現(xiàn)在本溪縣（200 cm），最小值出現(xiàn)在遼南的旅順（80 cm）。

2.2 ? ?極端凍結(jié)深度出現(xiàn)時間的年代特征

對143個氣象站有凍土深度觀測以來出現(xiàn)的極端最大凍結(jié)深度的出現(xiàn)時間按年代進(jìn)行統(tǒng)計（圖3）。可以發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)50年代有3個氣象站出現(xiàn)60余年來的極端最大凍結(jié)深度，36個氣象站出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，53個氣象站出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，31個氣象站出現(xiàn)在80年代，20世紀(jì)90年代沒有出現(xiàn)，6個氣象站出現(xiàn)在21世紀(jì)00年代，14個站出現(xiàn)在21世紀(jì)10年代。各年代出現(xiàn)站數(shù)的多少雖與各站數(shù)據(jù)起始年代有關(guān)（20世紀(jì)50年代與60年代站點較少，尤以50年代站點最少），但也反映出20世紀(jì)70年代出現(xiàn)極端最大凍結(jié)深度最多，20世紀(jì)90年代凍土較淺，未出現(xiàn)過極端最深情況。氣候變暖情況下，21世紀(jì)00年代、10年代仍有極端最大凍結(jié)深度出現(xiàn)，且21世紀(jì)10年代較00年代出現(xiàn)的站點偏多，說明即使氣候變暖但是極端情況仍然出現(xiàn)，且可能有更加嚴(yán)重的趨勢。

2.3 ? ?凍土分布的季節(jié)特征

由圖4可知，東北地區(qū)的土壤一般從秋季的10月開始凍結(jié)。隨著夏季風(fēng)的南撤，冷空氣開始入侵，東北地區(qū)從北部率先開始凍結(jié)，凍結(jié)深度不超過30 cm;到11月，凍土的凍結(jié)面積顯著增加，東北全區(qū)均出現(xiàn)凍土。

隨著冬季的到來，凍土的深度顯著增加。12月凍土的凍結(jié)深度有所加深，至此，隨著冷空氣不斷侵入，氣溫不斷下降，凍土深度也在不斷加深。到翌年2月，南部靠海地區(qū)的凍土深度已經(jīng)達(dá)到了一年中的最大值，從3月開始凍土深度呈減小的趨勢;往北部地區(qū)分別依次為3月、4月的凍土深度為一年中的最大值，即越往北最大凍土深度出現(xiàn)的時間越靠后。在3月和4月北部地區(qū)凍土在加深的同時，南部地區(qū)的凍土已經(jīng)開始逐漸消融。

從3月開始，隨著氣溫的逐漸回升，凍土自南向北開始逐漸消退。春季，凍土主要表現(xiàn)為在凍結(jié)范圍大面積縮小的同時，伴隨著凍結(jié)深度變淺。南部地區(qū)凍土的消融速度較快，北部地區(qū)的消融速度較為緩慢。6月遼寧省無凍土，7月吉林省無凍土，而黑龍江省的北端則終年存在凍土。

2.4 ? ?凍土初終日及其凍結(jié)期特征

東北地區(qū)年內(nèi)存在較長的凍土期，從1981—2010年數(shù)據(jù)來看，如圖5所示，凍土期日數(shù)基本從南向北遞增，為97～290 d，即凍土期從南到北長達(dá)3～10個月。其中，遼寧省的凍土期為5個月左右，吉林省為6個月左右，黑龍江省南部和中部地區(qū)為7個月左右，北部地區(qū)為8～10個月。

從凍土初終日期看（圖6），土壤開始凍結(jié)的日期由北向南逐漸推遲，消融日由南向北逐漸推遲。黑龍江省北部地區(qū)凍結(jié)較早，基本在9月底和10月上旬，最早出現(xiàn)在9月29日的塔河氣象站;吉林省、黑龍江省中部和南部的大部分地區(qū)平均凍結(jié)初日基本出現(xiàn)在10月;遼寧省除東部和北部部分地區(qū)出現(xiàn)在10月下旬以外，其余地區(qū)基本出現(xiàn)在11月，大連沿海地區(qū)凍結(jié)較晚，平均凍結(jié)初日在11月中、下旬，最晚出現(xiàn)在11月30日。遼寧沿海地區(qū)凍土消融較早，平均消融日在3月，最早出現(xiàn)在3月6日，遼寧省其余地區(qū)和吉林省南部、西南部地區(qū)平均消融日出現(xiàn)在4月，遼寧地區(qū)凍土的初、終日變化特征與晁 ?華等[5]的研究結(jié)論一致;吉林省其他地區(qū)和黑龍江省南部地區(qū)出現(xiàn)在5月;黑龍江省中部和北部地區(qū)的凍土基本均在6月消融，最北端的塔河氣象站則在7月15日左右才全部消融。

2.5 ? ?凍土期變化特征

從1961—2016年季節(jié)性凍土區(qū)觀測數(shù)據(jù)來看（圖7），東北地區(qū)凍土平均初日明顯推遲，推遲速率為1.9 d/10 a。凍土平均終日明顯提前，提前速率為3.3 d/10 a。凍土期平均日數(shù)為減少趨勢，減少速率為5.2 d/10 a?？梢姡瑬|北地區(qū)隨著氣候變暖，凍土期表現(xiàn)為縮短，凍土初日推遲，翌年凍土消融日提前。

另外，可以發(fā)現(xiàn)，凍土初日呈現(xiàn)穩(wěn)定推遲趨勢，但凍土終日和凍土期日數(shù)在1988年前后存在突變，即前期在平均線以上較為穩(wěn)定的下滑趨勢（為穩(wěn)定提前和減少狀態(tài)），后期則在低于平均線以下呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的年際波動，趨勢性不明顯，突變時間與年最大凍結(jié)深度由深變淺的突變點吻合，說明凍土凍結(jié)程度在氣候變暖背景下不僅僅體現(xiàn)在凍深的變化，還體現(xiàn)在凍土初日、終日、凍土期長度的變化。

2.6 ? ?凍深線變化特征

從各年代100 cm凍深線演變看（圖8），6個年代凍深線存在著明顯的北撤趨勢，即存在凍土退化趨勢。20世紀(jì)60年代、70年代凍深線位于最南端;80年代較60年代、70年代進(jìn)一步向北退縮，其中遼西部地區(qū)向北退縮較為明顯;90年代向北退縮幅度較大，在6個年代中最為顯著;21世紀(jì)00年代和21世紀(jì)10年代凍深線在遼寧地區(qū)有明顯的南移，兩者在遼寧地區(qū)基本重合，但在吉林地區(qū)10年代有明顯的北退，在6個年代中處于最北端。整體看來，東北地區(qū)凍深線北退，21世紀(jì)90年代是凍深線北退顯著期，進(jìn)入21世紀(jì)以來凍深線北退趨緩，與氣候變暖趨緩現(xiàn)象一致，150 cm凍深線演變基本與100 cm凍深線一致北退，但幅度整體大于100 cm凍深線，21世紀(jì)10年代較21世紀(jì)60年代北退3～4個緯度，21世紀(jì)90年代北退幅度最大，21世紀(jì)00年代略向南進(jìn)?？傮w上看，緯度越高凍土退化越嚴(yán)重。

2.7 ? ?最大凍結(jié)深度與氣溫的關(guān)系特征

采用128個氣象站1967—2016年歷年12月至翌年3月氣溫變化統(tǒng)計結(jié)果和1967—2016年季節(jié)凍土最大凍結(jié)深度監(jiān)測結(jié)果（圖9）顯示，東北區(qū)域平均氣溫以每10年升高0.4 ℃的速度呈變暖趨勢，平均最大凍結(jié)深度呈明顯變淺的趨勢，平均每10年變淺7.0 cm。最大凍結(jié)深度具有明顯的階段性特征，1988年以前為凍結(jié)深度較大期，之后基本持續(xù)小于1981—2010年的平均值。平均氣溫與最大凍土深度變化存在明顯的負(fù)相關(guān)，區(qū)域氣溫在不斷升高，而凍土深度則隨之逐漸減小，這與實際情況一致，即氣溫越高凍土層越淺。

東北地區(qū)109個氣象站點季節(jié)凍土最大凍結(jié)深度監(jiān)測結(jié)果顯示（圖10），1961—2017年平均最大凍結(jié)深度呈明顯變淺趨勢，平均每10年變淺5.9 cm。最大凍結(jié)深度具有明顯的階段性特征，1988年以前為凍結(jié)深度較大期，之后基本持續(xù)小于1981—2010年的平均值。2017年東北地區(qū)季節(jié)凍土區(qū)域平均最大凍結(jié)深度較1981—2010年平均值偏淺18.5 cm，為1961年以來的第二小值，位列2014年（-20.8 cm）之后。

上述分析可見，東北地區(qū)凍土深度在氣候變暖背景下呈明顯變淺趨勢，距平波動大于氣溫，1988年是明顯的由深變淺的突變點，突變時間與氣溫突變時間基本一致。

3 ? ?結(jié)論與討論

本文通過對東北地區(qū)143個氣象站逐日凍土深度觀測資料的整理，分析了東北地區(qū)凍土的時空變化和分布特征。結(jié)果表明，東北地區(qū)凍土深度基本表現(xiàn)為隨緯度升高而遞增的趨勢，即由南向北依次加深，其中遼南的旅順地區(qū)最淺，黑龍江北部的漠河地區(qū)最深。東北地區(qū)的土壤從10月開始凍結(jié)，隨著氣溫不斷下降，凍土深度也不斷加深，到翌年3月凍土由南向北開始逐漸消退，6月遼寧省無凍土，7月吉林省無凍土，而黑龍江省北端則終年存在凍土。東北地區(qū)除黑龍江最北端為多年凍土區(qū)外，其余地區(qū)均為季節(jié)性凍土區(qū)。

東北地區(qū)凍土期表現(xiàn)為縮短，凍土期平均日數(shù)減少速率為5.2 d/10 a;凍土初日推遲，平均以1.9 d/10 a的速率推遲;翌年凍土消融日提前，平均以3.3 d/10 a的速率提前。與凍結(jié)深度一致，凍土終日和凍土期日數(shù)也在1988年前后存在突變。

東北地區(qū)各年代100、150 cm凍深線明顯北撤，20世紀(jì)90年代向北退縮幅度最大，進(jìn)入21世紀(jì)以來凍深線北退趨緩，與氣候變暖趨緩現(xiàn)象一致。值得注意的是，在氣候變暖的情況下，21世紀(jì)00年代、10年代仍有極端最大凍結(jié)深度出現(xiàn)，且10年代較00年代出現(xiàn)的站點偏多，說明即使氣候變暖但極端情況仍然出現(xiàn)，且可能呈愈加嚴(yán)重趨勢。

東北地區(qū)凍土深度在氣候變暖背景下，呈明顯變淺趨勢，平均氣溫與最大凍土深度變化存在明顯的負(fù)相關(guān)，區(qū)域氣溫在不斷升高，而凍土深度則隨之逐漸減小，這與實際情況一致，即氣溫越高凍土層越淺。

應(yīng)注意，地下工程的埋深在考慮經(jīng)濟(jì)條件的基礎(chǔ)上，也要考慮氣候變暖會導(dǎo)致極端低溫事件發(fā)生的現(xiàn)實性。凍土變化可對工程建設(shè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境、城市工程地質(zhì)、氣候造成影響。

4 ? ?參考文獻(xiàn)

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