1974—2016年河北省最大凍土深度及其與溫度的關(guān)系

楊 帥，侯奇奇，耿雪瑩，高宇俊，劉 璇，周 鵬

(1.河北省廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000；2.河北省文安縣氣象局，河北 文安 065800)

引 言

凍土是土壤狀況的一個重要組成部分，是一種對溫度極為敏感的土體介質(zhì)，土壤的凍融情況對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、道路、建筑行業(yè)等有著舉足輕重的影響[1-3]。

近年來，隨著全球氣候變暖，中國最大凍土深度總體呈逐漸減小趨勢，但不同地區(qū)的時空分布特點不完全一致[4-8]。總體上，我國最大凍土深度空間分布呈海拔垂直分帶性[9]、緯度地帶性[8-10]和區(qū)域性[9]等特點；大部地區(qū)最大凍土深度呈減小趨勢，但不同區(qū)域減小的分界線并不一致。例如松花江流域大部分地區(qū)[10]、西北大部分地區(qū)[11]凍土變淺的轉(zhuǎn)折點發(fā)生在1980年代，新疆高海拔和低海拔地區(qū)[12]分別發(fā)生在1990年代和1970年代。而東北大興安嶺部分地區(qū)、柴達木盆地北部和青海東南部部分地區(qū)凍土深度則呈增加趨勢[4]。

氣溫、地溫、土壤水分、緯度、降水量、地形、海拔高度等均是影響凍土深度的因素[8-11,13-18]，但不同地區(qū)影響凍土的主要因素也不一致[11-12]。如山西省大同市季節(jié)性凍土主要受氣溫、地形、地勢影響[17]；西藏地區(qū)季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度對年均氣溫的響應(yīng)比年降水量更顯著[9]。河北省地貌復雜多樣，高原、山地、丘陵、盆地、平原類型齊全，以往有研究對河北省凍土分布特點或部分地區(qū)的地溫、氣溫進行過分析[14,19-21]，本文針對1974—2016年河北省季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度的時空分布特征及其對氣溫和地表溫度的響應(yīng)進行研究，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟建設(shè)提供科學的參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省位于華北地區(qū)，界于36°05′N—42°40′N，113°27′E—119°50′E之間，總面積188 800 km2。地勢西北高、東南低，由西北向東南傾斜(圖1)。地貌復雜多樣，高原、山地、丘陵、盆地、平原類型齊全，有壩上高原、燕山和太行山山地、河北平原三大地貌單元。壩上高原屬蒙古高原一部分，地形南高北低，平均海拔1200～1500 m，面積15 954 km2，占河北省總面積的8.5%。燕山和太行山山地，包括中山山地區(qū)、低山山地區(qū)、丘陵地區(qū)和山間盆地4種地貌類型，海拔多在2000 m以下，山地面積90 280 km2，占河北省總面積的48.1%。河北平原主要由黃河和海河等沖積而成，地勢低平，海拔由100 m左右降低至渤海沿岸的3 m左右，占河北省總面積的43.4%。河北屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，1月平均氣溫在3 ℃以下，7月平均氣溫18～27 ℃。

1.2 資 料

數(shù)據(jù)均來自河北省氣象信息共享平臺，且經(jīng)過河北省氣象信息中心的質(zhì)量檢驗。選用河北省142個氣象站點1974—2016年10月至次年4月0 cm平均地表溫度、平均氣溫和年凍土凍結(jié)深度資料。其中，萬全、靈壽、唐縣、遷西、灤南、盧龍、灤縣、豐潤、豐南、撫寧、望都、安平、蠡縣、肅寧、雄縣、孟村、武強、武邑、冀州、棗強、景縣、南皮22個氣象站的觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)長達十余年的缺測或者連續(xù)中斷等情況，為研究帶來不確定性，因此最終選擇其余120個氣象站數(shù)據(jù)作為研究內(nèi)容，圖1為河北省地形及氣象站點分布。

1.3 方 法

為研究河北省季節(jié)性凍土凍結(jié)深度與平均氣溫、平均地溫的相關(guān)性，選擇用person相關(guān)系數(shù)來確定兩個變量之間相似程度，計算公式如下：

圖1 河北省地形和氣象站點分布Fig.1 Terrain and distribution of meteorological stations in Hebei Province

(1)

式中：ρX,Y是person相關(guān)系數(shù)，cov(X,Y)是變量X、Y的協(xié)方差，σX,σY分別是X、Y的標準差，μX、μY分別是X、Y的總體均值。當兩個變量的線性關(guān)系增強時，相關(guān)系數(shù)趨于1(正相關(guān))或者-1(負相關(guān))，當兩個變量獨立時，相關(guān)系數(shù)為0；反之，則不成立。

2 結(jié)果分析

2.1 季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度的時空分布

圖2為1974—2016年河北省季節(jié)性凍土平均最大凍結(jié)深度的年際變化。圖3為不同時段河北省季節(jié)性凍土的最大凍結(jié)深度空間分布?？梢钥闯?1974—2016年河北省季節(jié)性凍土的最大凍結(jié)深度總體上呈波動性減小趨勢，平均每10 a 減小1.95 cm，不同地區(qū)的最大凍土深度變化也不完全一致?？当?、沽源等站點大于250 cm的凍土最大凍結(jié)深度逐漸減小，面積也逐漸縮??；凍土最大凍結(jié)深度為150～200 cm的面積在1974—1984年達最大，1985—2006年該區(qū)域逐漸縮小，且1996—2006年面積縮至最小，而2007—2016年該區(qū)域范圍又有所擴大；凍土最大凍結(jié)深度小于100 cm的區(qū)域呈現(xiàn)逐漸擴大趨勢，且該區(qū)域占河北省大部分面積。

圖2 1974—2016年河北省季節(jié)性凍土平均最大凍結(jié)深度的年際變化Fig.2 Annual variation of mean maximum freezing depth of seasonal frozen soil in Hebei Province from 1974 to 2016

圖3 1974—1984年(a)、1985—1995年(b)、1996—2006年(c)、2007—2016年(d)河北省季節(jié)性凍土的最大凍結(jié)深度空間分布(單位：cm)Fig.3 The spatial distribution of the maximum freezing depth of seasonal frozen soil in Hebei Province during 1974-1984 (a), 1985-1995 (b), 1996-2006 (c), 2007-2016 (d) (Unit: cm)

圖4為1974—2016年河北省季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度平均值的空間分布。可以看出，受海拔、緯度、地形等影響，河北省季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度在空間分布上具有垂直分布和緯向分布特征。具體表現(xiàn)為：(1)高海拔地區(qū)凍土深度大于低海拔地區(qū)，即凍土深度隨海拔高度升高逐漸增大，呈垂直分布特征。例如在河北北部緯度相近的站點中，康保、沽源海拔高度大于1400 m，凍土最大凍結(jié)深度為250～300 cm，圍場、豐寧海拔高度為700～900 m，凍土最大凍結(jié)深度為140～200 cm，承德、平泉海拔高度為400～550 m，凍土最大凍結(jié)深度為120～140 cm；(2)高緯度地區(qū)凍土深度大于低緯度地區(qū)，即凍土最大深度隨著緯度的降低而減小，呈緯向分布特征。以海拔高度為250～350 m的站點為例，河北北部承德、青龍最大凍結(jié)深度為105～120 cm，河北中部井陘、阜平最大凍結(jié)深度為50～60 cm，而南部的武安最大凍結(jié)深度僅為43 cm左右。綜上所述，受海拔、緯度等因素影響，河北省季節(jié)性凍土的最大凍結(jié)深度從西北向東南逐漸遞減。

圖4 1974—2016年河北省季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度平均值的空間分布(單位：cm)Fig.4 The spatial distribution of mean value of maximum freezing depth of seasonal frozen soil in Hebei Province from 1974 to 2016 (Unit: cm)

2.2 季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度對氣溫和地溫的響應(yīng)

氣象因素中，凍土深度的深淺受氣溫、地溫、降水量等因素的影響[8-9]。選用平均氣溫和地表溫度分析河北省季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度對氣候變化的響應(yīng)。

按照最大凍結(jié)深度與平均氣溫及平均地溫的相關(guān)性分布特征，將河北省所屬觀測站點劃分為5個區(qū)域，分別是張家口市、承德市(簡稱“張承”)，秦皇島市、唐山市(簡稱“秦唐”)，保定市、石家莊市(簡稱“保石”)，衡水市、滄州市、廊坊市(簡稱“衡滄廊”)，邢臺市、邯鄲市(簡稱“邢邯”)，再分別計算5個區(qū)域近43 a凍土最大凍結(jié)深度的年變化率、平均氣溫年變化率和平均地溫年變化率(表1)。可以看出，近43 a來，河北省各區(qū)域平均氣溫和地表溫度均呈上升趨勢，而季節(jié)性凍土的最大凍結(jié)深度均呈減少趨勢。但各區(qū)域凍土的最大凍結(jié)深度遞減趨勢不一致，河北省南部的邢邯區(qū)域遞減率最小，中部的保石、衡滄廊區(qū)域其次，為-0.22～-0.23 cm·a-1，北部的張承、秦唐區(qū)域遞減率最大，為-0.31～-0.36 cm·a-1。

圖5為1974—2016年河北省季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度隨平均氣溫和平均地溫變化的遞減率分布?？梢钥闯?，總體上河北省中北部大部分地區(qū)季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度隨平均氣溫和平均地溫變化的遞減率一致，南部大部分地區(qū)隨平均氣溫變化的遞減率大于隨平均地溫變化的遞減率。其中，北部地區(qū)除圍場外，季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度隨平均氣溫和平均地溫變化的遞減率均在0.00～0.10 cm·℃-1之間，中部大部分地區(qū)季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度隨平均氣溫和平均地溫變化的遞減率大于0.15 cm·℃-1，南部大部分地區(qū)季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度隨平均氣溫變化的遞減率大于0.15 cm·℃-1，而隨平均地溫變化的遞減率則在0.00～0.15 cm·℃-1之間。說明河北省南部地區(qū)季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度對平均氣溫的響應(yīng)大于對平均地溫的響應(yīng)。

圖6、圖7分別為1974—2016年河北省不同區(qū)域季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度與平均氣溫、平均地溫的關(guān)系?？梢钥闯?，1974—2016年河北省平均氣溫每升高1 ℃，張承、秦唐、保石、衡滄廊、邢邯5個區(qū)域凍土最大凍結(jié)深度分別減少9.46、9.40、7.45、6.79、4.57 cm，其均值為7.53 cm；地表溫度每升高1 ℃，各區(qū)域的凍土最大凍結(jié)深度分別減少7.03、9.33、7.65、6.28、2.45 cm，其均值為6.55 cm。

圖8為1974—2016年河北省季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度與平均氣溫及平均地表溫度的相關(guān)性分布，其中相關(guān)系數(shù)在區(qū)間(-0.8，-0.4]、(-0.4，-0.3]時分別通過α=0.01、α=0.05的顯著性檢驗。可以看出，河北省季節(jié)性凍土的最大凍結(jié)深度與平均氣溫和平均地溫整體呈負相關(guān)。其中，河北省中北部大部分地區(qū)最大凍結(jié)深度與平均氣溫和平均地溫的相關(guān)性通過α=0.01的顯著性檢驗，南部大部分地區(qū)最大凍結(jié)深度與平均氣溫的相關(guān)性通過α=0.05的顯著性檢驗，而與平均地溫的相關(guān)性沒有通過顯著性檢驗。經(jīng)統(tǒng)計，最大凍結(jié)深度與平均氣溫的相關(guān)性未通過顯著性檢驗的站點有10個，與平均地溫的相關(guān)性未通過顯著性檢驗的站點有22個，進一步說明河北省大部分地區(qū)季節(jié)性凍土的最大凍結(jié)深度對氣溫升高的響應(yīng)更顯著。

表1 1974—2016年河北省不同區(qū)域季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度、平均氣溫和平均地溫的年變化率Tab.1 The annual change rate of maximum freezing depth of seasonal frozen soil, mean air temperature and mean surface temperature in different areas in Hebei Province from 1974 to 2016

圖5 1974—2016年河北省季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度隨平均氣溫(a)和平均地溫(b)變化的遞減率分布(單位：cm·℃-1)Fig.5 The decline rate distribution of maximum freezing depth of seasonal frozen soil with mean air temperature (a) and mean surface temperature (b) in Hebei Province from 1974 to 2016 (Unit: cm·℃-1)

圖6 1974—2016年河北省不同區(qū)域季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度與平均氣溫的關(guān)系Fig.6 The relationship between the maximum freezing depth of seasonal frozen soil and mean air temperature in different areas in Hebei Province from 1974 to 2016

圖7 1974—2016年河北省不同區(qū)域季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度與平均地溫的關(guān)系Fig.7 The relationship between maximum freezing depth of seasonal frozen soil and mean surface temperature in different areas in Hebei Province from 1974 to 2016

圖8 1974—2016年河北省季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度與平均氣溫(a)及平均地溫(b)的相關(guān)系數(shù)分布Fig.8 The spatial distribution of correlation coefficients between maximum freezing depth of seasonal frozen soil and mean air temperature (a), mean surface temperature (b) in Hebei Province from 1974 to 2016

3 結(jié)論與討論

(1)河北省季節(jié)性凍土的最大凍結(jié)深度由西北向東南逐漸遞減，且具有垂直分布和緯向分布特征，具體表現(xiàn)為高海拔地區(qū)大于低海拔地區(qū)、高緯度地區(qū)大于低緯度地區(qū)。

(2)在全球變暖的大趨勢下，1974—2016年河北省季節(jié)性凍土的最大凍結(jié)深度呈波動性減少趨勢。

(3)河北省中北部大部分地區(qū)季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度隨氣溫和地溫變化的遞減率一致，南部大部分地區(qū)隨氣溫變化的遞減率大于隨地溫變化的遞減率。平均氣溫每升高1 ℃，凍土最大凍結(jié)深度平均值減少7.53 cm。而地表溫度每升高1 ℃，最大凍結(jié)深度平均值減少6.55 cm。

(4)1974—2016年河北省季節(jié)性凍土的最大凍結(jié)深度與平均氣溫和地表溫度呈負相關(guān)，季節(jié)性凍土的最大凍結(jié)深度的減小趨勢是對氣溫和地溫升高的響應(yīng)，且河北省大部分地區(qū)季節(jié)性凍土的最大凍結(jié)深度對氣溫升高的響應(yīng)更顯著。

受海拔、植被、土壤等因素影響[22]，最大凍土深度減小的原因較復雜，這里只討論了平均氣溫和地表溫度對最大凍土深度的影響，從這兩個因素來看，河北省大部分地區(qū)季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度對氣溫響應(yīng)更大，而其他氣候因素對凍土深度的影響需要今后展開進一步的研究。