延邊地區(qū)季節(jié)凍土變化及其對(duì)氣溫變化的響應(yīng)

黃義強(qiáng), 趙晶, 佟守正, 崔庚*, 張守志*

(1.延邊大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院， 吉林 延吉 133002； 2.延邊朝鮮族自治州氣象局 氣象服務(wù)中心，吉林 延吉 133001； 3.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 濕地生態(tài)組， 吉林 長(zhǎng)春 130102 )

凍土是土壤的一種重要形態(tài).研究表明，凍土的凍融過程不僅能夠影響地面與大氣的熱交換過程[1-2]，而且還能夠影響到土壤性質(zhì)和地下水循環(huán)等[3-4].近些年來，隨著全球氣候變暖，高寒地區(qū)的凍土出現(xiàn)了持續(xù)退化的趨勢(shì)，進(jìn)而使得高寒地區(qū)的生態(tài)變得越來越脆弱[5-6]；因此，研究?jī)鐾磷兓约捌鋵?duì)氣溫變化的響應(yīng)對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義.近年來，許多學(xué)者對(duì)我國(guó)東北地區(qū)的凍土進(jìn)行了研究.例如：張明等研究了長(zhǎng)春市1981—2010年的凍土變化特征[7]，張菁等研究了沈陽(yáng)地區(qū)冬春季凍土深度特征對(duì)氣候變化的響應(yīng)[8]，李佳等研究了松花江流域最大凍土深度的時(shí)空分布及對(duì)氣溫變化的響應(yīng)[9]，任景全等研究了吉林省季節(jié)凍土的凍結(jié)深度變化及其對(duì)氣候的響應(yīng)[10].這些研究顯示，各個(gè)地區(qū)凍土的變化趨勢(shì)雖然存在差異，但整體呈退化趨勢(shì).目前,針對(duì)延邊地區(qū)的季節(jié)凍土變化及其對(duì)氣溫變化的響應(yīng)研究得較少,相關(guān)文獻(xiàn)雖有涉及但缺乏系統(tǒng)性研究.為此，本文利用延邊地區(qū)1965—2018年季節(jié)凍土的逐月凍土深度、凍結(jié)初終日期、月平均氣溫等數(shù)據(jù),以小波分析、Mann -Kendall (M -K)突變檢驗(yàn)等方法分析凍土與氣溫的變化趨勢(shì)及相關(guān)關(guān)系,以為延邊地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工程建筑以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等提供參考.

1 研究區(qū)概況

延邊朝鮮族自治州位于吉林省東部，地處中、朝、俄三國(guó)交界的長(zhǎng)白山地區(qū)(北緯41°59′47″～44°30′42″，東經(jīng)127°27′43″～131°18′33″).延邊朝鮮族自治州的總面積為43 300 km2，其下轄6個(gè)縣級(jí)市、2個(gè)縣，分別為延吉市、圖們市、敦化市、琿春市、龍井市、和龍市、汪清縣、安圖縣.延邊地區(qū)的地貌呈山地、丘陵、盆地3個(gè)梯度，水系發(fā)達(dá)，其中山地面積占總面積的54.8%.該區(qū)域氣候?qū)僦袦貛駶?rùn)季風(fēng)氣候，春季干燥，夏秋季多雨，冬季漫長(zhǎng)寒冷，凍土凍結(jié)日期主要集中于10月中下旬至次年4月或5月[11-12].

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

原始?xì)庀髷?shù)據(jù)來源于延邊朝鮮族自治州氣象局1965—2018年的8個(gè)縣市的逐月凍土觀測(cè)數(shù)據(jù)和逐月氣溫?cái)?shù)據(jù).對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到延邊地區(qū)1965—2018年的最大凍土深度、凍結(jié)開始時(shí)間與化通時(shí)間、主要凍結(jié)時(shí)期的持續(xù)天數(shù)、年平均氣溫等數(shù)據(jù).

2.2 研究方法

分析凍土的變化周期性，傳統(tǒng)的方法通常是采用傅里葉變換法，但該方法因只能提取頻率而無(wú)法確定具體時(shí)刻，因此對(duì)數(shù)據(jù)的分析缺少時(shí)間要素.近年來，一些學(xué)者采用小波分析方法對(duì)凍土的變化周期性進(jìn)行研究表明，小波分析不僅能夠克服傳統(tǒng)傅里葉變換方法的上述缺點(diǎn)[13]，而且還具有很好的局部性(通過尺度伸縮能夠發(fā)現(xiàn)信號(hào)細(xì)節(jié)的變化，以此為判斷異常信息提供依據(jù))[14].因此，本文采用小波分析方法對(duì)凍土的變化周期性進(jìn)行表征.目前，小波分析方法主要包括離散小波、正交小波、實(shí)小波和復(fù)小波等方法.因復(fù)小波同時(shí)具有實(shí)部與虛部，所以該方法不僅能夠給出時(shí)間序列的變化強(qiáng)度及其變化位相[15]，而且還具有較好的準(zhǔn)確性[16-17].因此，本文采用連續(xù)復(fù)小波變換的分析方法分析延邊地區(qū)季節(jié)凍土的多時(shí)間尺度特征.

本文采用氣候傾向率分析凍土及氣溫的逐年變化.氣候傾向率的表達(dá)為y=a+bx, 式中y為氣象要素，x為時(shí)間，a為常數(shù)項(xiàng)，b為氣候傾向率.因b值較小，因此通常用b×10表示氣候傾向率，其單位為 ℃/10 a或cm/10 a.采用 M -K突變檢驗(yàn)法分析延邊地區(qū)的季節(jié)凍土和氣溫的變化趨勢(shì)以及可能出現(xiàn)的突變，采用Pearson相關(guān)系數(shù)法研究季節(jié)凍土與氣溫之間的相互關(guān)系.

3 結(jié)果與分析

3.1 延邊地區(qū)季節(jié)凍土的變化特征

3.1.1凍土深度和凍結(jié)日數(shù)的年際變化特征

圖1為延邊地區(qū)最大凍土深度的歷年變化.由圖1可以看出，延邊地區(qū)年凍土深度的年際變化呈以下特征：從20世紀(jì)60年代中期到20世紀(jì)80年代末，年凍土深度呈明顯減少趨勢(shì)；從20世紀(jì)90年代初至今，年凍土深度相對(duì)較為平穩(wěn).1965—2018年延邊地區(qū)的年最大凍土深度的平均值為160 cm，其中在1989年以前的大部分年份的最大凍土深度都高于該平均值，而在1989年以后的大部分年份的最大凍土深度都低于該平均值，這說明最大凍土深度總體呈逐漸下降趨勢(shì)(傾向率為-6.481 cm/10 a，即每10 a凍土深度減少6.481 cm,R2=0.338 7).

圖2為延邊地區(qū)的土壤凍結(jié)初終日期的歷年變化.由圖2可以看出，季節(jié)凍土的凍結(jié)日期主要集中在10月下旬，且整體呈推遲趨勢(shì)，而凍土化通日期則整體呈提前趨勢(shì).

圖3為1965—2018年延邊地區(qū)凍結(jié)日數(shù)的歷年變化.由圖3可以看出，凍結(jié)日數(shù)呈逐年下降趨勢(shì)，傾向率為-4.307 d/10 a.凍結(jié)日數(shù)的平均值為191 d，其中1988年以前的大部分年份的凍結(jié)日數(shù)高于191 d，而1988年以后的大部分年份的凍結(jié)日數(shù)低于191 d.該結(jié)果與最大凍土深度的變化趨勢(shì)相似.

3.1.2凍土深度和凍結(jié)日數(shù)的周期性變化

復(fù)小波的模(實(shí)部和虛部平方和的開方)的大小可以反映變化周期的強(qiáng)度隨時(shí)間的變化.圖4為延邊地區(qū)季節(jié)凍土深度的小波系數(shù)實(shí)部等值線圖.圖4中，實(shí)線表示小波系數(shù)的實(shí)部值為正，凍土較厚；虛線表示小波系數(shù)的實(shí)部為負(fù)，凍土較淺.由圖4可以看出，凍土深度存在17～24 a、10～16 a 以及3～9 a 3類尺度的周期變化規(guī)律.其中：在17～24 a尺度上出現(xiàn)了淺-厚交替的準(zhǔn)4次震蕩，且各震蕩周期較為穩(wěn)定和具有全域性；在10～16年尺度上出現(xiàn)了準(zhǔn)6次震蕩，各震蕩周期也較為穩(wěn)定和具有全域性；在3～9 a尺度上出現(xiàn)了準(zhǔn)5次震蕩，但震蕩周期僅在1985年以前表現(xiàn)的較為穩(wěn)定.另外，從圖4中還可以看出，在26～32 a尺度上也可能存在周期變化(因本文的數(shù)據(jù)不足，所以難以給出準(zhǔn)確判斷).

小波系數(shù)的模平方能夠反映不同周期的震蕩能量.由圖5可以看出： 17～24 a時(shí)間尺度的能量較強(qiáng)，其周期變化貫穿整個(gè)時(shí)間序列(1965—2018年)； 10～16 a時(shí)間尺度的能量較弱，其周期分布具有局部性(1995—2005年無(wú)震蕩能量).3～9 a時(shí)間尺度的能量最弱，其同期分布僅存在于1965—1970年和2005—2018年.

圖6為1965—2018年延邊地區(qū)凍土深度的小波方差圖.小波方差圖能夠反映凍土?xí)r間序列的波動(dòng)能量隨尺度a的分布情況，可用來確定徑流演化過程中存在的周期.由圖6可以看出，圖中存在4個(gè)較為明顯的峰值，說明凍土深度的變化特征主要表現(xiàn)為4個(gè)周期.其中：最大峰值對(duì)應(yīng)的是21 a的時(shí)間尺度，說明21 a的周期震蕩最強(qiáng)，為凍土變化的第1主周期； 14 a的時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)的是第2峰值，為凍土變化的第2周期； 6 a和3 a的時(shí)間尺度分別對(duì)應(yīng)的是第3和第4峰值，它們依次為凍土深度的第3和第4周期.

3.1.3凍土深度和凍結(jié)日數(shù)的突變及分析

對(duì)延邊地區(qū)年最大凍土深度和平均凍土日期進(jìn)行M -K突變檢驗(yàn)的結(jié)果如圖7所示.圖7顯示，年最大凍土深度的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布序列(UF)和反序列(UB)在1980—1985年存在多個(gè)交點(diǎn)(交點(diǎn)在臨界線之內(nèi))，并且UF統(tǒng)計(jì)量在1990年后達(dá)到顯著水平，由此可以判斷1986年為凍土深度突變開始的時(shí)間.由UF曲線可以看出，20世紀(jì)90年代中期到2018年，凍土的變淺趨勢(shì)均超過0.05顯著性水平線.這表明，延邊地區(qū)年最大凍土深度的變淺趨勢(shì)較為顯著.

圖8為延邊地區(qū)凍土年平均凍結(jié)日數(shù)的M -K檢驗(yàn)結(jié)果.圖8顯示，UF曲線和UB曲線在1994年存在交點(diǎn)，且在信度范圍內(nèi)，這說明1994年為凍結(jié)日數(shù)突變時(shí)間.另外，UF曲線從20世紀(jì)90年代中期開始超過0.05顯著水平線，說明延邊地區(qū)凍土的年平均凍結(jié)日數(shù)從20世紀(jì)90年代中期開始存在明顯的縮短趨勢(shì).

3.2 延邊地區(qū)的氣溫變化特征

由于年平均氣溫能夠反映地表輻射和熱量變化的特點(diǎn)[18]，因此本文對(duì)1965—2018年延邊地區(qū)的平均氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，以探究氣溫在凍土發(fā)展過程中所以起到的作用.

3.2.1氣溫的年際變化特征

延邊地區(qū)1965—2018年的年均氣溫?cái)?shù)據(jù)如圖9所示.由圖9可以看出，年均氣溫整體呈升高趨勢(shì)，傾向率為0.26 ℃/10 a.1965—2018年的平均氣溫為5.1 ℃，其中1988年以前的年均氣溫大都低于該平均氣溫，而1988年以后的年均氣溫大都高于該平均氣溫.最高的年均氣溫出現(xiàn)在2007年，為6.2 ℃；最低的年均氣溫出現(xiàn)在1969年，為3.6 ℃.

3.2.2氣溫突變分析

對(duì)延邊地區(qū)年平均氣溫進(jìn)行M -K檢驗(yàn)的結(jié)果如圖10所示.由圖10可以看出，UF曲線和UB曲線在1987年存在明顯的交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之內(nèi)，說明延邊地區(qū)的年均氣溫在1987年開始突變.由UF曲線可以看出，1990年到1994年的UF值超過顯著性水平0.05臨界線，1994年后的UF值超過0.001顯著性水平臨界線(U0.001=2.56)，這表明延邊地區(qū)的年均氣溫從20世紀(jì)90年代開始逐漸呈升高趨勢(shì).

3.3 季節(jié)凍土對(duì)氣溫變化的響應(yīng)

為了進(jìn)一步研究季節(jié)凍土與氣溫之間的相關(guān)性，采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析了延邊地區(qū)的年最大凍土深度和凍結(jié)日數(shù)與年均氣溫的關(guān)系，并運(yùn)用SPSS軟件對(duì)兩者相關(guān)性的顯著性水平進(jìn)行了檢驗(yàn).檢驗(yàn)結(jié)果顯示，二者的顯著性系數(shù)(P值)為0.000，說明最大凍土深度與年均氣溫呈顯著相關(guān)性.圖11為凍土深度與年均氣溫的散點(diǎn)圖.由圖11可知，凍土深度與年均氣溫的一元線性回歸方程為y=-19.24x+257.83， 即氣溫每升高1 ℃，凍土深度減少19.24 cm.綜上表明，隨著年均氣溫的升高，凍土深度變淺，且兩者呈顯著相關(guān)性.

圖12為凍結(jié)日數(shù)y與年均氣溫x之間的散點(diǎn)圖.凍結(jié)日數(shù)與年均氣溫的一元線性回歸方程為y=-10.35x+243.8，R2=0.377 3(通過信度0.001的檢驗(yàn))，即氣溫每升高1 ℃，凍結(jié)日數(shù)減少10.35 d.由圖12可以看出，隨著平均氣溫的升高，凍結(jié)日數(shù)逐漸縮短，且兩者呈顯著相關(guān)性.該結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了延邊地區(qū)的凍土退化與氣溫變化密切相關(guān).

4 結(jié)論

對(duì)延邊地區(qū)1965—2018年的季節(jié)凍土變化及其對(duì)氣溫變化的響應(yīng)進(jìn)行研究表明：①延邊地區(qū)的氣溫呈上升趨勢(shì)，升幅為0.26 ℃/10 a；凍土深度呈變淺趨勢(shì)，變化幅度為-6.48 ℃/10 a；凍結(jié)開始日期推遲，凍土化通日期提前，凍結(jié)日數(shù)呈縮短趨勢(shì)，傾向率為-4.30 d/10 a.該結(jié)果表明1965—2018年延邊地區(qū)的氣候變暖和凍土退化的趨勢(shì)較為明顯.②延邊地區(qū)凍土深度存在著17～24 a，10～16 a以及3～9 a 3類尺度的周期變化規(guī)律，其中17～24 a尺度的周期變化最為顯著，且具有全局性.③凍土深度、凍結(jié)日數(shù)、年均氣溫均存在突變，三者的突變時(shí)間分別是1986年、1994年和1987年，且自20世紀(jì)90年代中期至今，凍土深度變淺、凍結(jié)日數(shù)縮短、年均氣溫升高的趨勢(shì)較為顯著.④延邊地區(qū)的凍土特征同年均氣溫存在顯著的負(fù)相關(guān)性，溫度每升高1 ℃，最大凍土深度減小19.24 cm，凍結(jié)日數(shù)縮短10.35 d.綜上結(jié)果表明，延邊地區(qū)的凍土對(duì)氣候的響應(yīng)呈明顯的退化趨勢(shì).本文研究結(jié)果可為延邊地區(qū)的生態(tài)保護(hù)及施工建設(shè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考.