季節(jié)性凍土變化特征及對氣候因子的響應

賈 超，向 導，郭鳳娟，李紅英

（1.新疆石河子莫索灣氣象站，新疆 石河子 832000；2.石河子烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗站，新疆 石河子 832000）

凍土是在氣溫下降到0 ℃或以下時的自然現(xiàn)象，是土壤性狀的一個重要表現(xiàn)形態(tài)，季節(jié)性凍土深度隨著氣候環(huán)境變化而變化［1-3］；凍土是含冰的負溫地質(zhì)體，季節(jié)性凍土的凍融過程、凍結(jié)深度、凍結(jié)始期、解凍時間對土木工程建設、公路修建、橋涵和鐵路設計、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及水利工程建設等有著較大的影響［4-8］；季節(jié)性凍土最大深度變化與氣候變化具有直接的關系［9-11］，因而研究季節(jié)性凍土深度變化具有重要意義和實用價值。陳博等［12］、蔣復初等［13］、劉小寧等［14］從中國較大范圍研究了凍土分布特征及凍土的變化狀況，認為在氣候變暖的環(huán)境下，凍土區(qū)域在縮減，凍融時間段也在縮短，而凍土層在變薄，季節(jié)性凍土最大深度的變化也與土壤特性、地形、地理位置有著密切的關系，并存在明顯的區(qū)域性。元恩城等［15］、王志堅等［16］研究了中國西部青藏鐵路修建中的凍土問題，認為氣候變化和人類活動對凍土環(huán)境影響很大，由于受認知水平的限制，凍土環(huán)境的擾動和破壞對鐵路設計工程建設產(chǎn)生不良效應。張洪芬等［17］、李海花等［18］、費曉玲等［19］研究了凍土深度變化對冬、春小麥生長發(fā)育期的影響，認為隨著凍土深度變淺，冬、春小麥全發(fā)育期天數(shù)呈減少趨勢。李韌等［20］研究表明總輻射變化與青藏高原季節(jié)凍土凍結(jié)深度呈正相關。李紅英等［21］研究了熱量資源變化對石河子墾區(qū)棉花產(chǎn)量的貢獻。張偉等［22］研究表明積雪和有機質(zhì)土對青藏高原凍土活動層影響顯著。中國北方地區(qū)大地凍融區(qū)域廣闊，凍結(jié)持續(xù)時間隨著緯度和海拔高度的增加而延長，且區(qū)域性差異十分明顯，因此，本研究選用新疆生產(chǎn)建設兵團第八師1962—2018 年季節(jié)性凍土資料，運用氣候診斷分析方法，研究凍結(jié)深度、凍結(jié)始期、融通時間、凍土期在變暖氣候環(huán)境下季節(jié)性凍土變化規(guī)律，并分析季節(jié)性凍土變化與氣象要素的關系。揭示新疆農(nóng)八師地區(qū)季節(jié)性最大凍土深度的時空變化特征及季節(jié)性最大凍土深度隨氣溫變化的定量化關系，以期為地方土木工程建設、公路、橋涵、鐵路設計、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及水利工程建設等行業(yè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)地理概況

新疆生產(chǎn)建設兵團第八師墾區(qū)位于自治區(qū)北部的天山北麓中部，古爾班通古特大沙漠南緣地帶［21］，北緯 43°26′—45°20′，東經(jīng) 84°58′—86°24′，平均海拔450 m。土質(zhì)多系礫質(zhì)土、黏質(zhì)土、沙質(zhì)土等。屬于溫帶大陸性氣候的干旱氣候區(qū)，夏季短而炎熱，冬季長而嚴寒，年平均氣溫4.5～9.1 ℃，日照2 489～2 997 h，年蒸發(fā)量 995～1 800 mm，無霜期147～191 d。大氣降水量很少，年降雨量僅104～367 mm，而地表水和地下水較為豐富，地下水可采量3億m3，河水年徑流量15.3 億m3，大中小型水庫蓄水總量 4.33 億 m3。

1.2 資料來源

選擇新疆生產(chǎn)建設兵團第八師墾區(qū)莫索灣、炮臺、烏蘭烏蘇及石河子氣象站1962—2018 年9 月至翌年4 月各旬凍土深度、凍土初始日期、凍土結(jié)凍穩(wěn)定日期、凍土融通日期，以及同時間段的旬平均氣溫、旬平均最低氣溫、旬平均最高氣溫、同期降水量和最大積雪深度等資料。此外，為便于作圖與分析，凍土初始日期、凍土融通日期將轉(zhuǎn)換成日序。為了分析影響凍土的主要氣象要素，分時間段分別統(tǒng)計了10、11、12、1、2、3 月以及10 月至翌年3 月、11 月至翌年 3 月、11 月至翌年 2 月、12 月至翌年 2 月平均氣溫（T）、平均最高氣溫（TG）、平均最低氣溫（TD）、降水量（R）和積雪最大深度（RM）等作為影響因子。

1.3 方法

1.3.1 標準偏差 用標準偏差方法衡量凍土要素偏離算術平均值的程度，即分散程度，從而可計算出極端事件發(fā)生幾率［22］。計算公式如下：

式中，S為凍土變量標準偏差；yi-y為凍土變量歷年值減總體平均數(shù)；N為變量樣本數(shù)。

1.3.2 相關系數(shù) 為了檢驗歷年凍土要素隨時間變化的顯著性以及凍土要素受氣象要素影響的相關程度，運用相關系數(shù)［23］法，計算公式如下：

式中，r為相關系數(shù)為凍土要素平均值為時間（或氣象要素）平均值。相關系數(shù)的顯著性檢驗水平定為r=0.05。

1.3.3 一元線性回歸 為了分析凍土變化規(guī)律，采用一元線性方程y=ax+b表征變量的變化趨勢特征［23］。一次項系數(shù)a可反映凍土要素歷年變化趨勢，也稱之為傾向率；y為凍土要素；x為時間序列號（或氣象要素）；b為常數(shù)項。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍土年變化分布特征

1962—2018 年凍土資料分析（圖1）表明，新疆生產(chǎn)建設兵團第八師墾區(qū)季節(jié)性凍土非穩(wěn)定凍土層（日融夜結(jié)）始于9 月中旬，凍土日融夜結(jié)融通于4 月中旬，歷時22 個旬，占全年的61.1%。穩(wěn)定凍土層（凍土層穩(wěn)定10 cm）始于11 月上旬，凍土期歷時16個旬，穩(wěn)定凍土時間占全年的44.4%。從圖1 凍土時間分布可以看出，凍土最大深度從凍結(jié)到融通過程隨時間變化呈偏正態(tài)分布，最大值出現(xiàn)在立春之后的2 月上、中旬，而同時段氣溫最低值出現(xiàn)在1 月中下旬，由此可見，凍土最大深度較氣溫最低出現(xiàn)時間位相晚2 個旬。

圖1 凍土最大深度和同期平均氣溫年變化特征

2.2 凍土年際變化特征

2.2.1 凍結(jié)始期與融通日期 隨著深秋氣溫下降，地面溫度達0 ℃以下，土壤中的水分出現(xiàn)凍結(jié)，此時為凍土初始日期。新疆生產(chǎn)建設兵團第八師墾區(qū)1962—2018 年凍土初日1981 年最早出現(xiàn)在9 月7日，1989 年最晚出現(xiàn)在 12 月 14 日，近 57 年變化幅度為98 d，離散度較大。凍土初始階段由于氣溫白晝在0 ℃以上，夜晚氣溫在0 ℃以下，凍土層隨著氣溫變化呈日消夜結(jié)狀態(tài)，當凍土層凍結(jié)10 cm 時氣象部門確定為穩(wěn)定封凍日期。由圖2 可以看出，穩(wěn)定封凍日期 1976 年最早，在 11 月 1 日；2011 年最晚，在11 月 30 日，均分布在 11 月之內(nèi)，而歷年平均在 11 月16 日。經(jīng)統(tǒng)計標準偏差為±6 d，穩(wěn)定封凍日期離散度較小，其中，偏早結(jié)凍有8 年，概率為14.0%；偏晚結(jié)凍有9 年，概率為15.8%。穩(wěn)定封凍日期呈明顯后推趨勢，序列相關系數(shù)（R）為0.289（P＜0.05），達顯著水平，傾向率為 1.12 d∕10 年，線性后推約 6 d。2001 年之后穩(wěn)定封凍日期較之前明顯偏晚，相對比平均晚凍結(jié)5 d。

圖2 穩(wěn)定封凍日期（日序）歷年變化趨勢

當凍土達最大深度之后凍土開始進入融化解凍階段，新疆生產(chǎn)建設兵團第八師墾區(qū)從2 月下旬深層開始出現(xiàn)融化，地表也相應出現(xiàn)日融夜凍現(xiàn)象，進入3 月凍土層逐漸融通。在1962—2018 年凍土層融通日期平均在 3 月 17 日。由圖 3 可以看出，2017 年最早，在 3 月 4 日融通；1979 年最晚，在 4 月 10 日融通，融通日期變化在37 d 之內(nèi)。經(jīng)計算，凍土層融通日期標準偏差為±7d，較為離散，其中，偏晚有8 年，概率為14.0%；偏早有6 年，概率為10.5%。凍土層融通日期呈明顯提前趨勢，序列相關系數(shù)（R）為-0.331（P＜0.01）達極顯著水平，傾向率為-1.42 d∕10年，線性提前約8 d。2001 年之后較之前融通日期平均提前5 d。

圖3 凍土融通日期（日序）歷年變化趨勢

2.2.2 凍土最大深度 新疆生產(chǎn)建設兵團第八師墾區(qū)1962—2018 年凍土最大深度歷年平均為94 cm，最大值出現(xiàn)在1968—1969 年冬季，為140 cm；最小值出現(xiàn)在2016—2017 年冬季，為49 cm。由圖4 可以看出，標準偏差為±20 cm，凍土層偏深出現(xiàn)10 年，占17.5%；偏淺出現(xiàn)6 年，占10.5%。凍土最大深度隨著年度變化逐漸變淺趨勢明顯，序列相關系數(shù)（R）為0.666（P＜0.01），達到極顯著水平，傾向率為-8.09 cm∕10 年，線性變淺46 cm。從歷年波動變化可以看出，在1987—1988 年冬季出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。經(jīng)統(tǒng)計，轉(zhuǎn)折點之前（1961—1962 年冬季至1987—1988年冬季）凍土最大深度平均為108 cm，轉(zhuǎn)折點之后（1988—1989 年冬季至2017—2018 年冬季）平均為82 cm，相對平均變淺26 cm。尤其近5 年（2013—2014 年冬季至2017—2018 年冬季）凍土層變淺更為明顯，平均值僅為64 cm。

圖4 凍土最大深度年際變化特征

2.2.3 穩(wěn)定凍土持續(xù)期 從穩(wěn)定凍土日至凍土融通日為穩(wěn)定凍土持續(xù)期。新疆生產(chǎn)建設兵團第八師墾區(qū)1962—2018 年凍土持續(xù)時間歷年平均為123 d，最長持續(xù)時間出現(xiàn)在1974—1975 年冬季，為146 d，最短持續(xù)時間出現(xiàn)在2016—2017 年冬季，為107 d。由圖5 可以看出，標準偏差為±8 d，凍土持續(xù)時間偏長有5 年，占8.8%；偏短有8 年，占14.0%。凍土持續(xù)期隨著年度變化存在逐漸變短趨勢，序列相關系數(shù)（R）為 0.292（P＜0.05），達到顯著水平，傾向率為-1.36 d∕10 年，線性縮短約8 d。從歷年波動變化可以看出，在1988—1989 年冬季出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。經(jīng)統(tǒng)計，轉(zhuǎn)折點之前（1961—1962 年冬季至1988—1989 年冬季）凍土持續(xù)期平均為125 d，轉(zhuǎn)折點之后（1989—1990 年冬季、2017—2018 年冬季）平均為 121 d，相對平均縮短4 d。

圖5 穩(wěn)定凍土持續(xù)期年際變化特征

2.3 凍土與氣象因子相關及線性分析

新疆生產(chǎn)建設兵團第八師墾區(qū)穩(wěn)定凍土期在11 月至翌年3 月，而同期氣象要素對其影響最大。從表1、表2、表3 相關分析可以看出，影響凍土最大深度的氣象因子主要是同期的平均氣溫、平均最低氣溫、降水量及積雪最大深度，其中，2 月、12 月至翌年2 月、11 月至翌年3 月的平均氣溫及平均最低氣溫與凍土最大深度呈顯著負相關，11 月至翌年3 月降水量、1 月及12 月至翌年2 月積雪最大深度與凍土最大深度之間呈顯著負相關。凍土融通時間的早晚與11 月至翌年3 月平均氣溫呈顯著負相關，與積雪最大深度呈正相關但不顯著。凍土期與11 月至翌年 3 月平均氣溫，與 12 月至翌年 2 月、11 月至翌年3 月平均最低氣溫均呈顯著負相關。2 月氣溫變化對凍土最大深度影響明顯，當2 月平均氣溫或平均最低氣溫每升高1 ℃，凍土深度減少約2.0 cm；11 月至翌年3 月平均氣溫或平均最低氣溫每變化1 ℃，凍土最大深度變化約4.0 cm；11 月至翌年3 月平均氣溫越高，凍土融通日期越提前，而凍土期越短。從降水量（雪量）和積雪最大深度來看，表現(xiàn)出11 月至翌年3 月降水量越多、1 月積雪越深凍土層越淺的特點；11 月至翌年3 月降水量越多，凍土融通的時間越晚。

表1 凍土最大深度、融通日、凍土期與同期氣溫的線性相關分析

表2 凍土最大深度、融通日、凍土期與同期降水量的線性相關分析

表3 凍土最大深度、融通日、凍土期與同期最大積雪的線性相關分析

3 小結(jié)與討論

1）新疆生產(chǎn)建設兵團第八師墾區(qū)凍土穩(wěn)定凍結(jié)平均在 11 月 17 日，凍土融通時間在 3 月 16 日，凍土凍結(jié)持續(xù)期歷時5 個月，平均為123 d。而非穩(wěn)定凍土結(jié)凍日期在1962—2018 年最早出現(xiàn)在9 月上旬，日融夜結(jié)最晚出現(xiàn)在4 月中旬。這種非穩(wěn)定凍土階段可造成災害，在農(nóng)業(yè)上將影響農(nóng)作物（小麥等）幼苗的正常生長和正常成熟（大田作物），使作物苗期受凍致死甚至減產(chǎn)或絕收［17，18］；還將影響土木工程建設、路基、橋涵等工程質(zhì)量，對墻體、基礎具有破壞作用［6，8］。2001 年之后穩(wěn)定封凍日期較 1962—2000年平均推后5 d，而2001 年之后融通時間較1962—2000 年平均提前5 d；凍土穩(wěn)定凍結(jié)持續(xù)期明顯縮短。

2）新疆生產(chǎn)建設兵團第八師墾區(qū)凍土最大深度出現(xiàn)的時間比同期最低氣溫出現(xiàn)時間滯后約20 d，一般出現(xiàn)在2 月上、中旬，比北部的阿勒泰地區(qū)［18］凍土最大深度出現(xiàn)（3 月上旬）時間早兩旬。歷年凍土最大深度平均為94 cm，逐漸變淺的趨勢十分明顯，傾向率為-8.09 cm∕10 年，1988—1989 年之后相比總平均值變淺26 cm，而近5 年（2013—2014 年至2017—2018 年）凍土層平均僅有64 cm，相比總平均值變淺30 cm。

3）新疆生產(chǎn)建設兵團第八師墾區(qū)氣候變暖明顯［21］，冬半年氣候要素的變化導致了凍土各項指標的變化。受11 月至翌年3 月平均氣溫、平均最低氣溫升高的影響，氣溫每升高1 ℃，凍土最大深度變淺約4.0 cm，凍土融通日期提前約1.4 d，而凍土期縮短1.7 d。11 月至翌年3 月降水量（雪量）增加可使凍土深度變淺，而此時段的降水量對凍土融通時間起到了推后作用。1 月積雪加厚可使凍土層變淺。

4）季節(jié)性凍土層逐漸變淺有利有弊，對土木工程、公路、橋涵建筑以及霜期設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)十分有利，可延長工作、生產(chǎn)時間，節(jié)約能耗，降低成本提高效益，這是有利的一面。凍土層變淺也是地面輻射熱增強的反映，地面輻射熱對氣候形成反作用，使氣溫升高；在這種情況下，從小環(huán)境來說，正常在冬季能夠凍滅的細菌、病毒、蟲害等得不到應有的控制，使之大流行，病蟲災害加重、界限北移；從大環(huán)境來說，可改變地球的生物圈，使地球上的生物重組，嚴重威脅現(xiàn)存生物的生存，甚至可能導致物種滅絕。因此，氣候變暖凍土層變淺弊大于利。

本研究結(jié)果可為新疆生產(chǎn)建設兵團第八師墾區(qū)土木工程、公路、橋涵建筑以及霜期設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供參考。