祁連山區(qū)多年凍土空間分布模擬

彭晨陽，盛 煜，吳吉春，曹 偉，何彬彬

（1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點實驗室，甘肅蘭州730000；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

0 引言

多年凍土是指持續(xù)兩年或兩年以上溫度處于0℃及以下巖土層［1］，高海拔多年凍土泛指高緯度多年凍土南界以南、一定海拔高度以上出現(xiàn)的多年凍土［2］。我國高海拔多年凍土面積居世界首位，總面積約173.20×104km2，其中約80%分布在青藏高原［3］。凍土在世界氣象組織（WMO）的全球觀測系統(tǒng)中被列為6個指示全球氣候變化的冰凍圈因子之一［4］，其主要特征是低溫且大部分地區(qū)的土層中含有豐富的地下冰。青藏高原被稱為“亞洲水塔”［5］，其中分布的冰川和凍土是東亞地區(qū)重要的水資源來源。近五十年來青藏高原區(qū)域增溫速率為全球平均值的兩倍［6］，區(qū)域整體氣候正逐步向著暖濕化方向發(fā)展。凍土對氣候變化與人類活動反映極其敏感［7］，在氣候變暖和人類活動雙重影響下，冰川、凍土呈快速退化態(tài)勢［8］。盡管多年凍土對氣候變化響應(yīng)相較于冰川表現(xiàn)不是很明顯，但由于其存在范圍廣，多年凍土的變化對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境影響正在逐漸凸顯，特別是對水資源的影響有著不可忽視的作用。

祁連山區(qū)位于青藏高原的東北緣，橫跨甘肅青海兩省，是我國甘青兩省與河西地區(qū)主要內(nèi)陸河流的發(fā)源地，是“亞洲水塔”的重要組成部分，是我國重要的生態(tài)屏障區(qū)之一［9］。祁連山區(qū)內(nèi)多年凍土分布廣泛，屬于典型的高海拔多年凍土［10］。相關(guān)研究最早可以追溯到20世紀70年代，由中國科學(xué)院在祁連山木里煤礦地區(qū)建立了凍土長年觀測站［1］。早年關(guān)于祁連山多年凍土空間分布的研究主要包含在青藏高原整體多年凍土分布研究的子集中［11-14］，或?qū)ζ钸B山區(qū)局部地區(qū)的多年凍土下界進行調(diào)查，如：王紹令等［15］對祁連山東西段局部地區(qū)多年凍土調(diào)查結(jié)果顯示，西段喀克圖地區(qū)多年凍土下界在3 950～4 000 m，東段達坂山埡口附近的多年凍土下界在3 780～3 830 m，年均地溫偏高，多年凍土層較薄［16］。近年來，有許多學(xué)者對祁連山局部地區(qū)的多年凍土進行了研究，如吳吉春等［10，17］對祁連山東部凍土特征調(diào)查結(jié)果顯示，該區(qū)凍土受垂直地帶性影響顯著，凍土分布呈現(xiàn)季節(jié)凍土-不連續(xù)多年凍土-大片連續(xù)凍土-連續(xù)凍土逐漸過渡分布的模式，且多年凍土正處于退化狀態(tài)；王慶峰等［18］對黑河上游多年凍土考察結(jié)果顯示，該區(qū)多年凍土下界在3 650～3 700 m；王生廷等［19］基于鉆孔數(shù)據(jù)，對大通河源區(qū)多年凍土特征及變化進行了分析，結(jié)果顯示源區(qū)凍土平均地溫隨海拔變化梯度約3.82℃·km-1，整體處于退化狀態(tài)，年平均地溫上升速率為0.0075℃·a-1。Wang等［20］基于模型響應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，受氣候變影響，近幾十年來祁連山區(qū)多年凍土面積減少了約2.63×104km2。

目前關(guān)于祁連山區(qū)多年凍土的研究，大多情況下都是伴隨著區(qū)域經(jīng)濟開發(fā)活動展開的，對多年凍土研究的區(qū)域有比較明顯的限制，多數(shù)研究都集中在東部地區(qū)，中西部地區(qū)幾乎沒有進行過系統(tǒng)調(diào)查。掌握祁連山區(qū)多年凍土的空間分布范圍，是研究多年凍土退化對區(qū)內(nèi)脆弱的高寒生態(tài)環(huán)境影響的前提。在第二次青藏高原綜合科考中，對祁連山區(qū)不同區(qū)域的多年凍土下界進行了較為系統(tǒng)的調(diào)查，本文綜合此次調(diào)查結(jié)果，結(jié)合部分鉆孔資料以及前人的研究的成果，對祁連山區(qū)多年凍土空間分布規(guī)律進行了分析與總結(jié)。

1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)的地理范圍介于93°30′～103°03′E、35°50′～39°50′N之間，基于美國太空總署（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA）聯(lián)合測量的SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為WGS1984坐標(biāo)系后，重采樣成100 m的空間分辨率，采用以此數(shù)據(jù)海拔3 000 m作為界定祁連山區(qū)范圍的基帶，以高于此海拔的祁連山區(qū)作為本文研究對象（圖1），面積約16.90×104km2。

圖1 祁連山區(qū)地形及地理位置示意圖Fig.1 Map showing the topography and geographical position of the Qilian Mountains

祁連山區(qū)地處青藏高原東北前緣，因不斷遭受構(gòu)造隆升，逐漸成為高原的一部分［21］。祁連山區(qū)由一系列條塊狀、逆沖結(jié)構(gòu)的造塊體相互疊覆形成的NWW—SEE走向的7條大致平行的山脈和寬谷組成的，山脈東起于烏鞘嶺，西止于當(dāng)金山口與阿爾金山相接，南靠柴達木盆地，北臨河西走廊［22］，東西長約1 000 km，南北寬約250 km，在一系列構(gòu)造活動中谷地和盆地發(fā)育。

祁連山區(qū)水系豐富，西部海拔相對較高，大量冰磧堆積地貌，第四紀冰川發(fā)育；東部海拔相對較低，黃土堆積較厚［23］；河流以哈拉湖為中心，向四周輻射狀外流。祁連山區(qū)東部水系主要是以黃河水系為主的大通河、湟水等；南部主要以流向柴達木盆地和青海湖的內(nèi)陸河水系為主的巴音郭勒河、布哈河等；西部主要是黨河、魚卡河等；北部主要是疏勒河、北大河、黑河等。

祁連山區(qū)地處青藏高原、黃土高原和蒙新高原交匯地帶，受大陸性氣候和青藏高原氣候綜合影響，處于西風(fēng)環(huán)流、青藏高原季風(fēng)、東亞季風(fēng)三個大氣環(huán)流系統(tǒng)的交匯區(qū)［24］。張強等［25］對祁連山區(qū)空氣水資源研究表明，祁連山區(qū)東西部降水差異較大，其中中部降水量最多，東部較少，東部高于西部，西部最少，平均每年水汽輸送量為8.85×1010m3。近年來祁連山區(qū)中部降水明顯增加［26］，賈文雄等［27］基于氣象站的氣溫和降水資料的分析表明，祁連山區(qū)氣候呈現(xiàn)暖濕化，與我國西北地區(qū)變化規(guī)律基本一致，對全球氣候變化響應(yīng)明顯。曹廣超等［28］基于祁連山區(qū)南坡氣象站的氣溫數(shù)據(jù)表明，祁連山區(qū)多年平均氣溫呈上升趨勢，增長率約0.35℃·（10a）-1。

2 數(shù)據(jù)與方法

目前我國對高海拔多年凍土的研究主要集中在青藏高原。研究方法主要是建立多年凍土空間分布與緯度、高程、平均地溫、凍結(jié)指數(shù)等起決定性作用的宏觀因素的統(tǒng)計關(guān)系。如吳青柏等［30］在對青藏公路沿線凍土分布研究中采用的年平均地溫模型［29］、頂板溫度模型；南卓銅等［31］在對青藏高原整體多年凍土分布研究中采用的地面凍結(jié)數(shù)模型。上述模型可以較好的在宏觀上或局部地區(qū)模擬出多年凍土分布情況，但也存在一定的局限性，如年平均地溫模型需要一定數(shù)量、較均勻分布的地溫數(shù)據(jù)支持，頂板溫度模型被證實在青藏高原不適用于-1.5℃以上的高溫多年凍土分布模擬［30］。

祁連山位于多年凍土南界以南，其中的多年凍土屬于高海拔多年凍土。本文嘗試利用地帶性規(guī)律對祁連山區(qū)多年凍土的空間分布規(guī)律進行探究。地帶性規(guī)律是指程國棟提出的高海拔多年凍土空間分布遵從“三向地帶性”規(guī)律，即由南北熱量差異引起的緯度地帶性［32］；由距海洋遠近和大氣環(huán)流造成的干燥度地帶性；由水熱條件隨高度變化引起的垂直地帶性。高海拔多年凍土與高緯度多年凍土分布相比，多年凍土分布雖然受緯度地帶性、干燥度地帶性影響，但主控因素是海拔，直接受垂直地帶性控制［33］。吳吉春等［10］對祁連山區(qū)研究也表明，祁連山區(qū)多年凍土空間分布具有明顯的垂直地帶性。因此確定祁連山區(qū)地區(qū)的多年凍土分布面積，核心是查明祁連山區(qū)多年凍土分布下界。

Zhao等［34］提出多年凍土下界模型在局部大尺度的多年凍土分布研究中，多年凍土分布面積可能存在高估的現(xiàn)象，其中一部分原因可能與下界模型所采用的下界數(shù)據(jù)有關(guān)。傳統(tǒng)的下界模型將發(fā)現(xiàn)多年凍土存在的最低海拔高度定義為該區(qū)域多年凍土分布下界，即將不連續(xù)多年凍土下界視為多年凍土下界［35］。而在多年凍土分布的邊界區(qū)域的一定海拔范圍內(nèi)，真正存在多年凍土的區(qū)域十分有限。因此采用不連續(xù)多年凍土分布下界為依據(jù)的下界模型，在較大尺度的多年凍土分布研究中，一定程度上會高估多年凍土的分布面積，特別是在高原較為平坦區(qū)域，大量的非多年凍土被誤判為多年凍土。而當(dāng)達到大片連續(xù)多年凍土分布區(qū)的海拔高度時，多年凍土分布受局部因素影響減弱，只在少數(shù)區(qū)域或局部存在融區(qū)，其余區(qū)域一般均發(fā)育多年凍土，因此采用大片連續(xù)多年凍土分布區(qū)下界確定多年凍土分布范圍顯然更為合理。

本文按照不連續(xù)多年凍土分布區(qū)和大片連續(xù)多年凍土分布區(qū)分類建立多年凍土下界統(tǒng)計模型，將大片連續(xù)多年凍土分布區(qū)視為祁連山區(qū)多年凍土分布區(qū)、不連續(xù)多年凍土區(qū)視為多年凍土與季節(jié)凍土之間存在的過渡區(qū)，對祁連山區(qū)多年凍土的空間分布規(guī)律進行分析。本文所采用的多年凍土下界數(shù)據(jù)主要來源于三個方面：①青藏高原第二次綜合科學(xué)考察實地踏勘獲取的數(shù)據(jù)。②早年科學(xué)考察中基于道路勘察、凍土監(jiān)測的祁連山區(qū)多年凍土區(qū)數(shù)據(jù)。③部分前人文獻中所提及的祁連山區(qū)多年凍土下界。

2.1 多年凍土下界數(shù)據(jù)

在第二次青藏高原綜合科考實地考察中，在祁連山區(qū)不同流域的溯源踏勘中依據(jù)凍土環(huán)境，將多年凍土下界按照不連續(xù)多年凍土分布區(qū)和大片連續(xù)多年凍土分布區(qū)分類統(tǒng)計（圖2）。

由于存在某些對多年凍土的發(fā)育影響較大的局部因素，在一定的海拔高度范圍內(nèi)，多年凍土存在于某些最利于多年凍土發(fā)育的區(qū)域，如陰坡山溝出口的緩坡等地帶，但由于不同區(qū)域的地形地貌等條件差異較大，多年凍土呈零星或島狀分布，出現(xiàn)這類多年凍土的區(qū)域最低海拔值，即可代表不連續(xù)多年凍土區(qū)下界；隨著海拔升高，多年凍土在某些不利于多年凍土發(fā)育的區(qū)域也開始發(fā)育，如平坦的谷地等，局部因素對多年凍土發(fā)育影響減弱，多年凍土呈大片連續(xù)乃至連續(xù)分布，出現(xiàn)此類現(xiàn)象的最低海拔即可代表大片連續(xù)多年凍土區(qū)分布下界。由于不連續(xù)多年凍土分布區(qū)，存在大量的非多年凍土，多年凍土表現(xiàn)為零星或島狀分布，因此可以將該區(qū)域視為大片連續(xù)凍土分布區(qū)和季節(jié)凍土分布區(qū)之間的過渡區(qū)。

另一部分數(shù)據(jù)來源于多年凍土分布邊界區(qū)域的鉆孔點，主要是在疏勒河、德令哈、大通河等地或道路兩側(cè)人工鉆取的鉆孔點。鉆孔點數(shù)據(jù)包括鉆孔點的經(jīng)緯度、凍土類型、上限深度、體積含冰量等信息，通過對設(shè)立在多年凍土分布邊緣地帶的鉆孔點及周邊環(huán)境信息分析，也可以獲得相應(yīng)地區(qū)不連續(xù)分布及大片連續(xù)分布的多年凍土區(qū)下界值。

圖2 祁連山區(qū)科考踏勘路線Fig.2 Map showing the scientific investigation route in the Qilian Mountains

此外，祁連山區(qū)的多年凍土一直受到相關(guān)研究者的關(guān)注，不同的研究者開展了有關(guān)多年凍土不同方面的研究和調(diào)查工作，其中有些工作涉及到了祁連山區(qū)多年凍土下界。程國棟等［33］、吳吉春等［10］、王紹令等［15］、王慶鋒等［36］在文獻中提到多年凍土下界，這些工作大部分完成時間較早，雖然多年凍土退化的速度在加快［37］，活動層厚度以0.15 m·（10a）-1的速度增加［38］，但這對近幾十年的尺度上的下界變化影響不是特別顯著，所以這些早期調(diào)查的下界對目前多年凍土分布仍然具有指導(dǎo)意義。通過結(jié)合實地考察結(jié)果，經(jīng)過甄別和具體分析后，也可以獲得相應(yīng)地區(qū)不連續(xù)分布及大片連續(xù)分布的多年凍土下界值。

將上述來源所獲得的下界資料，分為大片連續(xù)分布與不連續(xù)多年凍土分布區(qū)下界數(shù)據(jù)進行整理，由于不連續(xù)多年凍土分布區(qū)多年凍土分布受局地地形影響較大，在不連續(xù)多年凍土分布區(qū)下界數(shù)據(jù)添加坡向分類，坡向基于數(shù)據(jù)點的經(jīng)緯度坐標(biāo)，在已有的高分辨率數(shù)字高程模型（DEM）中通過ESRI公司出版的ArcMap10.3軟件進行提取，結(jié)果如下所示（表1和表2）。

表1 大片連續(xù)多年凍土分布區(qū)下界數(shù)據(jù)表Table 1 Longitude，latitude and the lower bound of large tracts of continuous permafrost in the Qilian Mountains

表2 不連續(xù)多年凍土分布區(qū)下界數(shù)據(jù)表Table 1 Longitude，latitude and the lower bound of discontinuous permafrost in the Qilian Mountains

2.2 多年凍土下界統(tǒng)計模型

本文利用線性回歸方法，建立多年凍土下界統(tǒng)計模型，基于經(jīng)緯度分析祁連山不同區(qū)域的多年凍土下界，探究祁連山區(qū)多年凍土的空間分布規(guī)律。由于大片連續(xù)多年凍土分布區(qū)海拔較高，多年凍土呈大片乃至連續(xù)分布，局部不利因素對多年凍土發(fā)育影響較弱。因此在建立回歸方程時，只將受局部不利因素影響較大的不連續(xù)多年凍土分布區(qū)，按照陽坡陰坡分類建立回歸方程，對于大片連續(xù)多年凍土分布區(qū)，只考慮經(jīng)緯度變化對其下界變化的影響。通過對經(jīng)緯度與下界的回歸分析，得出：

大片連續(xù)多年凍土分布區(qū)下界統(tǒng)計模型：

不連續(xù)多年凍土分布區(qū)下界統(tǒng)計模型（陰坡）：

不連續(xù)多年凍土分布區(qū)下界統(tǒng)計模型（陽坡）：

式中：Long代表經(jīng)度；Lat代表緯度。

F檢驗（F-test）通常是用來分析用了超過一個參數(shù)的統(tǒng)計模型，以判斷該模型中的全部或一部分參數(shù)是否適合用來估計母體，可以較好的體現(xiàn)檢驗方程整體的顯著性。對式（1）、式（2）與式（3）做回歸方程顯著性檢驗，由結(jié)果（表3）可知P＞F概率遠小于0.05，結(jié)果表現(xiàn)顯著，回歸方程顯著性較好，統(tǒng)計模型具有一定的可信度。

表3 回歸方程顯著性檢驗Table 3 Results of the significance test of regression equation

2.3 多年凍土分布模擬制圖

在ESRI公司的ArcMap10.3版本中，將重采樣的DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成帶經(jīng)緯度及海拔數(shù)據(jù)（H）的點，并賦以基于DEM數(shù)據(jù)提取的坡向數(shù)據(jù)。依據(jù)每個點所在的經(jīng)緯度坐標(biāo)，通過式（1）計算出大片連續(xù)多年凍土分布區(qū)下界值H1，再依據(jù)坡向數(shù)據(jù)，分陰坡陽坡通過式（2）和式（3）計算出陰坡不連續(xù)多年凍土分布區(qū)下界值H2與陽坡不連續(xù)多年凍土分布區(qū)下界值H3。再將其海拔（H）與H1、H2、H3值對比，當(dāng)若H＞H1，則認為其所在海拔高于大片連續(xù)多年凍土分布區(qū)下界值，即存在大片連續(xù)分布多年凍土，將其視為多年凍土區(qū)；若H≤H2或H≤H3，則認為不存在多年凍土，將其視為季節(jié)凍土區(qū)；若H≤H1，但H＞H2或H＞H3，即認為其所在海拔低于大片連續(xù)多年凍土分布區(qū)下界值，但高于不連續(xù)多年凍土分布區(qū)下界值，即存在不連續(xù)多年凍土，將其視為多年凍土區(qū)與季節(jié)凍土區(qū)之間的過渡區(qū)，由此獲得祁連山區(qū)多年凍土空間分布模擬（圖3）。此外，由于過渡區(qū)存在著大量的非多年凍土區(qū)，比較合理的估算祁連山區(qū)多年凍土分布面積的方法是只考慮大片連續(xù)多年凍土分布區(qū)所代表的多年凍土區(qū)的面積，將過渡區(qū)中存在的部分多年凍土視作大片連續(xù)多年凍土區(qū)中非多年凍土區(qū)部分的補償，最終得出祁連山區(qū)多年凍土區(qū)面積為8.03×104km2，從多年凍土區(qū)向季節(jié)凍土區(qū)過渡的區(qū)域面積約1.43×104km2。

圖3 祁連山區(qū)多年凍土空間分布模擬Fig.3 Spatial distribution of the simulated permafrost in the Qilian Mountains

3 驗證與討論

3.1 與實地鉆孔點的交叉驗證

本文所采用的鉆孔點主要完成時間在2004—2011年，分布于道路兩側(cè)或部分河流流域。每個鉆孔數(shù)據(jù)都包括鉆孔點的經(jīng)緯度、凍土類型、上限深度、體積含冰量等信息。鉆孔數(shù)據(jù)共有548個，其中季節(jié)凍土的鉆孔數(shù)為117個，多年凍土的鉆孔數(shù)為431個，具體分布情況如下所示（表4、圖4）。

鉆孔點數(shù)據(jù)能很好的體現(xiàn)鉆孔點附近多年凍土分布的真實情況，將下界統(tǒng)計模型計算得到的模擬結(jié)果與已有的鉆孔數(shù)據(jù)做交叉驗證（表5），結(jié)果表明：共有374個鉆孔在模擬結(jié)果為多年凍土區(qū)內(nèi)，其中有337個鉆孔為多年凍土鉆孔，多年凍土鉆孔占比90.1%；共有169個鉆孔點位于模擬結(jié)果為過渡區(qū)中，其中有92個鉆孔為多年凍土鉆孔，多年凍土鉆孔占比54.4%。鉆孔在鉆取時存在一定的人為的干擾因素，這種干擾因素表現(xiàn)為在鉆取鉆孔時人為的傾向選擇多年凍土存在概率較高的區(qū)域。由于多年凍土分布邊界區(qū)域存在著大量的非多年凍土，這種人為干擾因素造成的影響，在過渡區(qū)對驗證結(jié)果的影響尤為顯著。因此可以推斷，基于鉆孔數(shù)據(jù)的驗證的結(jié)果表明：模擬結(jié)果為多年凍土的區(qū)域，實際多年凍土面積占比應(yīng)略低于90.1%，驗證結(jié)果在一定程度上證明了所得到的多年凍土分布區(qū)具有較好的準(zhǔn)確性；而在模擬結(jié)果為過渡區(qū)的區(qū)域，實際多年凍土面積占比應(yīng)遠低于54.4%，驗證結(jié)果也表明，該區(qū)域存在著大量的季節(jié)多年凍土區(qū)。另一方面，由于處在較低海拔的季節(jié)凍土區(qū)鉆孔數(shù)量較少，基于實地鉆孔數(shù)據(jù)交叉驗證的結(jié)果對于季節(jié)凍土區(qū)的驗證不具有代表性。

表4 祁連山區(qū)已有鉆孔點信息表Table 4 Information of the drilling points in the Qilian Mountains

圖4 祁連山區(qū)鉆孔點位置示意圖Fig.4 Map showing the distribution of drill points in the Qilian Mountains

表5 多年凍土模擬與鉆孔點交叉驗證結(jié)果Table 5 Results of cross-validation between permafrost simulation result and borehole observation

3.2 與黑河上游凍土圖的交叉驗證

地表溫度對凍土的空間分布有著重要的影響。葛社民［39］基于黑河上游源區(qū)內(nèi)外九個站點0 cm處的地表溫度，通過空間插值，結(jié)合凍土模擬方法，獲得了黑河上游山區(qū)凍土模擬分布圖（下稱：黑河上游凍土圖），制圖成果將凍土分為多年凍土與季節(jié)凍土兩類，其成果范圍大致在本文所模擬的范圍內(nèi)（圖5）。將其在本文模擬范圍內(nèi)的部分截取，用于與本文模擬的結(jié)果做疊加分析，以進一步驗證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖5 黑河上游凍土圖位置示意圖Fig.5 Map showing the permafrost in the upper reaches of the Heihe River

將截取所獲得的部分與本文模擬結(jié)果做疊加分析（圖6），按照本文所模擬的結(jié)果，將疊加分析的結(jié)果劃分為多年凍土區(qū)、過渡區(qū)和季節(jié)凍土區(qū)三個范圍。

圖6 與黑河上游凍土圖的疊加分析結(jié)果Fig.6 Superposition analysis results with the permafrost map in the upper reaches of the Heihe River

疊加分析（圖6）結(jié)果表明：模擬結(jié)果截取的部分與黑河上游凍土圖有較好的一致性，差異主要集中在多年凍土發(fā)育的邊界區(qū)域。在本文模擬結(jié)果為多年凍土區(qū)的范圍內(nèi)，黑河上游凍土圖中整體上為多年凍土，約占該范圍面積的96.46%；在本文模擬結(jié)果為季節(jié)凍土區(qū)的范圍內(nèi)，黑河上游凍土圖中未出現(xiàn)多年凍土。由于所截取的部分黑河上游凍土圖的制圖使用的是九個站點的實測地表溫度數(shù)據(jù)，具有一定的準(zhǔn)確性，且制圖方法與本文不同，因此盡管該凍土圖只占本文所模擬區(qū)域的一小部分，但檢驗結(jié)果仍舊具有一定的代表性。疊加分析結(jié)果在一定程度上驗證了本文模擬結(jié)果中多年凍土區(qū)和季節(jié)凍土區(qū)的準(zhǔn)確性。過渡區(qū)中存在著大量的季節(jié)凍土，疊加分析結(jié)果也有較好的體現(xiàn)。在過渡區(qū)范圍內(nèi)，黑河上游凍土圖中多年凍土主要集中在本文模擬結(jié)果為多年凍土區(qū)的邊界區(qū)域，多年凍土面積約占過渡區(qū)總面積的24.65%，驗證結(jié)果對本文模擬結(jié)果有較好的支撐。

3.3 與其他制圖成果的比較

本文模擬結(jié)果得出祁連山區(qū)多年凍土區(qū)面積為8.03×104km2，占研究區(qū)總面積的47.5%，從多年凍土區(qū)向季節(jié)凍土區(qū)過渡的區(qū)域面積約1.43×104km2，占研究區(qū)總面積的8.5%。研究區(qū)內(nèi)多年凍土在空間分布上表現(xiàn)為以哈拉海為中心向四周擴散分布的格局，哈拉湖至祁連山區(qū)外圍山區(qū)多年凍土呈大片連續(xù)分布，外圍山區(qū)多年凍土受山體、河谷的地形控制逐漸呈不連續(xù)分布，直至過渡到季節(jié)凍土區(qū)。將模擬結(jié)果與《青藏高原凍土圖》［13］、《中國冰川凍土沙漠圖》［12］以及青藏高原新繪制凍土分布圖（2017）［40］祁連山區(qū)部分比較，結(jié)果如圖7所示。

受海拔因素影響，祁連山區(qū)多年凍土發(fā)育直接受垂直地帶性規(guī)律控制。由上圖可以直觀得出，本文基于祁連山區(qū)實地踏勘數(shù)據(jù)，利用凍土下界由高程之間的統(tǒng)計關(guān)系，建立的空間模型所模擬的結(jié)果整體上與《青藏高原凍土圖》《中國冰川凍土沙漠圖》以及青藏高原新繪制凍土分布圖（2017）中祁連山部分相似，差異主要集中在多年凍土邊界區(qū)域。

《青藏高原凍土圖》同樣是基于凍土下界由高程的統(tǒng)計關(guān)系所模擬的結(jié)果。研究區(qū)在《青藏高原凍土圖》中多年凍土面積為9.02×104km2，該值接近與本文模擬結(jié)果中多年凍土區(qū)面積與過渡區(qū)面積之和9.46×104km2。造成與本模擬結(jié)果邊界區(qū)域差異的主要原因可能與前者所依據(jù)的下界數(shù)據(jù)較低有關(guān)。即《青藏高原凍土圖》在多年凍土分布邊界區(qū)域，將大量季節(jié)凍土判斷為多年凍土，在一定程度上，高估了祁連山區(qū)多年凍土的分布面積。

《中國冰川凍土沙漠圖》主要基于青藏鐵路沿線鉆孔獲取的平均地溫數(shù)據(jù)，建立地溫經(jīng)驗公式，從而對青藏高原整體多年凍土分布進行模擬。研究區(qū)在《中國冰川凍土沙漠圖》中多年凍土分布整體上與本文模擬結(jié)果差異較小，差異較大的區(qū)域集中在祁連山區(qū)東部多年凍土分布邊界區(qū)域，特別是大通河以及布哈河流域。在流域區(qū)域，地溫受地表植被、土壤含水率影響較大，因此較以地溫經(jīng)驗公式為基礎(chǔ)的《中國冰川凍土沙漠圖》，本文的模擬結(jié)果具有更高的可靠性。

圖7 《青藏高原凍土圖》（a）、《中國冰川凍土沙漠圖》（b）、青藏高原新繪制凍土分布圖（2017）（c）中的祁連山區(qū)多年凍土分布及本文模擬結(jié)果（d）Fig.7 Permafrost distribution over the Qilian Mountains，quoted from：the map of permafrost distribution over the Tibetan Plateau（1996）（a），the map of glacier，permafrost and deserts in China（2005）（b），a new map of permafrost distribution on the Tibetan Plateau（2017）（c）and the result of this paper（d）

青藏高原新繪制凍土分布圖（2017）是利用中分辨率成像光譜儀（MODIS）地表溫度（LSTs）的凍融指數(shù)及多年凍土頂部溫度（TTOP）模型模擬生成的。由于成圖時間較晚，分辨率較高，且綜合了多種遙感數(shù)據(jù)，因此較《青藏高原凍土圖》與《中國冰川凍土沙漠圖》具有更高的可靠性。除去資料缺失區(qū)域，本文模擬結(jié)果在青藏高原新繪制凍土分布圖（2017）中差異較小，多年凍土分布結(jié)果基本一致。但在大通河流域、塔塔棱河流域以及黨河流域等區(qū)域，對于多年凍土分布邊界區(qū)域模擬有一定差異，這可能與該區(qū)土壤含水率較高，植被發(fā)育較好，從而對地表溫度遙感解譯產(chǎn)生了影響有關(guān)。此外，由于本文模擬結(jié)果基于地帶性規(guī)律，對于祁連山區(qū)多年凍土模擬沒有出現(xiàn)資料缺失區(qū)域，因此本文模擬結(jié)果可以更好的反映祁連山區(qū)多年凍土分布的情況。

綜上，本文模擬結(jié)果與早年出版的青藏高原多年凍土分布圖中祁連山部分，具有相似的空間分布特征，與近年新繪制的青藏高原多年凍土分布圖中祁連山部分具有較好的一致性。由于本文依據(jù)的多年凍土下界點是依據(jù)實地勘探所獲取的，在祁連山區(qū)域綜合了更多的實地資料，具有更高的可靠性。此外，較已出版的三幅圖件，還給出了位于多年凍土與季節(jié)凍土之間的過渡區(qū)的范圍，因此在祁連山地區(qū)本文模擬結(jié)果具有更好的適用性。

4 結(jié)論與展望

多年凍土分布面積一般來自模型估算，而估算的準(zhǔn)確性取決于模型的合理性和關(guān)鍵數(shù)據(jù)量的支持，祁連山區(qū)多年凍土分布主要控制因素是海拔，多年凍土下界是確定其多年凍土分布的關(guān)鍵參數(shù)。本文基于青藏高原第二次綜合科考，結(jié)合凍土現(xiàn)象分析和核實凍土資料缺失區(qū)域多年凍土下界，獲取了較為詳實的關(guān)鍵數(shù)據(jù)量，并建立了多年凍土分布的統(tǒng)計模型，繪制了祁連山區(qū)多年凍土空間分布模擬圖，并通過已有的鉆孔點資料和前人所做的多年凍土圖進行了驗證與比較。根據(jù)下界統(tǒng)計模型及制作完成的祁連山區(qū)多年凍土空間分布圖，對祁連山區(qū)多年凍土空間分布特征的基本認識歸納如下：

（1）祁連山區(qū)多年凍土在空間上呈現(xiàn)出以哈拉湖為中心向四周擴散的分布格局。哈拉湖至祁連山區(qū)外圍山區(qū)多年凍土大片連續(xù)分布，外圍山區(qū)多年凍土受山體、河谷的地形控制逐漸呈不連續(xù)分布，直至過渡到季節(jié)凍土區(qū)。

（2）在多年凍土區(qū)與季節(jié)凍土區(qū)之間存在著過渡區(qū)，由于過渡區(qū)存在著大量的非多年凍土區(qū)，比較合理的估算祁連山區(qū)多年凍土分布面積的方法是只考慮大片連續(xù)多年凍土分布區(qū)所代表的多年凍土區(qū)的面積，將不連續(xù)多年凍土中存在的部分多年凍土視作大片連續(xù)多年凍土區(qū)中非多年凍土區(qū)部分的補償，根據(jù)統(tǒng)計模型分析，最終得出祁連山區(qū)多年凍土區(qū)面積為8.03×104km2，從多年凍土區(qū)向季節(jié)凍土區(qū)過渡的區(qū)域面積約1.43×104km2。

（3）祁連山區(qū)多年凍土分布具有良好的地帶性規(guī)律，多年凍土下界隨經(jīng)緯度增加而降低。在祁連山區(qū)東北部多年凍土下界最低，如冷龍嶺一帶大片連續(xù)分布多年凍土下界約為3 540 m，不連續(xù)多年凍土分布的下界約3 410 m；在西南部多年凍土下界最高，如大柴旦附近，大片連續(xù)多年凍土分布下界達到了4 050 m，不連續(xù)多年凍土分布下界也達到了3 900 m。整體上下界值呈西南＞西北＞東南＞東北的規(guī)律。

本文以實地考察資料為基礎(chǔ)，估算了祁連山區(qū)多年凍土空間分布，所獲得的下界統(tǒng)計模型模擬結(jié)果較好，為祁連山區(qū)多年凍土空間分布提供了一定的參考。另一方面，受條件限制，祁連山區(qū)西部以及季節(jié)凍土區(qū)的鉆孔點較少，尚需進一步的工作以對目前已取得的模擬結(jié)果進行進一步驗證和改良。

致謝：《黑河上游山區(qū)凍土模擬分布圖》數(shù)據(jù)來源于“國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心”(http：//data.tpdc.ac.cn)，《青藏高原凍土圖》與《中國冰川凍土沙漠圖》數(shù)據(jù)來源于“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”(http：//westdc.westgis.ac.cn/)。