大通縣季節(jié)性凍土深度變化及影響因子分析

張翠花，柴世秀

(青海省西寧市大通縣氣象局，青海 橋頭 810199)

凍土是指含有水分的土壤因溫度降到0 ℃或以下時而呈凍結(jié)的狀態(tài)，是反映土壤熱狀況的一項指標(biāo)[1]，在研究地表和大氣的熱量交換上有一定的意義。國內(nèi)外許多學(xué)者在凍土變化方面做了相關(guān)研究。如高榮等和李林等研究揭示了青藏高原凍土總體上呈退化的事實； 張國勝等研究青海高原季節(jié)凍土退化的驅(qū)動因素時，得出人類活動對季節(jié)凍土退化的貢獻(xiàn)率要遠(yuǎn)大于氣候變化的貢獻(xiàn)率，且氣候變暖是造成季節(jié)凍土退化的主導(dǎo)氣候因素； 王紹令等研究得出氣候變暖已引起高原凍土面積的減少和下界的升高[2～6]；王秋香等研究認(rèn)為新疆冬季凍土平均深度變薄，最大凍結(jié)深度減小[7]。凍土深度變化與氣象各要素有著緊密聯(lián)系，土壤的凍結(jié)與封凍過程與氣溫、地溫等要素的高低變化有著密切的關(guān)系。因此，研究本地氣候變化特征及對深層地溫和凍土深度的影響，在明確季節(jié)凍土凍結(jié)深度變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)行影響因子分析也尤為重要，冬季溫度變化直接影響凍土深度變化，而土壤凍結(jié)和解凍的早晚影響作物播種和牧草返青的推遲或提前，進(jìn)而影響當(dāng)年農(nóng)作物發(fā)育期和產(chǎn)量，對合理利用氣候資源，針對性的指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)有一定的幫助。

1 資料與方法

本文選取 1994～2019 年大通站最大凍土深度、氣溫、地溫數(shù)據(jù)，利用描述分析和氣候統(tǒng)計方法，分析了要素的年際變化特征，用線性趨勢法計算了最大凍土深度的氣候變化趨勢和氣候傾向率。氣候傾向率的計算是以線性方程 y′=b+ax 進(jìn)行擬合，根據(jù)最小二乘法原理得到變化趨勢a，氣候傾向率為 a×10。 采用相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行變化趨勢的顯著性檢驗和各要素之間的相關(guān)性檢驗[8]。

2 分析與結(jié)果

2.1 凍土最大凍結(jié)深度的年際變化

大通站最大凍土深度27 a平均可達(dá)87 cm，最大值出現(xiàn)在 2007年為114 cm ，最小值出現(xiàn)在2010年和2015年為68 cm，兩者相差46 cm；在整個氣候變暖的大背景下，27 a來大通站最大凍土深度以7.5 cm /10a的趨勢顯著減小，增大趨勢通過了0.01的顯著性檢驗，而且存在明顯的階段性變化，呈現(xiàn)“減—增—減”的趨勢，如圖1a。在1994～1999年的6年間，最大凍土深度以1.7 cm /10a的趨勢減小，凍土層變薄，從2000年開始以18.2 cm /10a趨勢逐年增大，到2007年達(dá)到最大值114 cm，2007年以后該值以7.5 cm /10a的趨勢顯著減小，通過0.01的顯著性檢驗。 可以看出，1994年以來，總體上最大凍土深度在逐漸減小，凍土層明顯變薄。這與中國最大凍土深度的總體變化趨勢是一致的。

圖1 1994～2020年最大凍土深度變化(a)和凍土期間氣溫(b)地溫(c)變化

2.2 凍土最大凍結(jié)深度對氣溫的相關(guān)分析

凍土深度變化與氣溫的變化是密切相關(guān)的。凍土期間的溫度對季節(jié)凍土都有重要的影響，氣溫的升降和持續(xù)時間直接影響著凍土的深度、凍結(jié)和融化。大通縣近27 a凍土期間(10月～翌年4月)平均氣溫、平均最低氣溫和極端最低氣溫的氣候變化趨勢均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(見圖1b)，氣候傾向率分別為0.36 ℃/10a、0.75 ℃/10a和1.02 ℃/10a。27 a來大通站最大凍土深度以7.5 cm /10a的趨勢顯著減小。最大凍土凍結(jié)深度與凍土期間的平均氣溫、平均最低氣溫、極端最低氣溫均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，其中與極端最低氣溫相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為-0.534，達(dá)到了0.001的顯著性水平。也就是說，冬季氣溫越低，最大凍土深度越大，否則最大凍土深度越小(見表1和圖2 )。

表1 大通站近27 a氣溫、地溫變化趨勢及與凍土之間的相關(guān)系數(shù)

圖2 近27a年最大凍結(jié)深度與氣溫的相關(guān)關(guān)系

2.3 凍土最大凍結(jié)深度對地溫的響應(yīng)

地溫與氣溫是相互作用的，太陽輻射一部分被大氣吸收，但很大一部分被地面吸收增熱，地面熱量再通過對流、輻射、傳導(dǎo)等方式傳給大氣，使大氣增熱，氣溫發(fā)生變化。近27 a冬季(10 月～翌年 4 月)平均地面溫度、平均最低地溫及極端最低地溫均有明顯的升高趨勢，(見圖1c)。氣候傾向率分別為0.53 ℃/10a、1.78 ℃/10a和2.43 ℃/10a，顯著性均超過 0.001的信度檢驗。最大凍土深度和平均地面溫度、平均最低地面溫度和極端最低地面溫度也存在著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.3677、-0.5182和-0.4111，均達(dá)到0.01信度的顯著性檢驗(見表1和圖3)，即地溫越低，凍土深度越大，反之地溫越高，則凍土深度越淺。

圖3 近27a年最大凍結(jié)深度與地溫之間的相關(guān)關(guān)系

由此可見，從冬季氣溫、地溫與最大凍土深度看，10月以后，最低氣溫降至零度以下，土壤開始出現(xiàn)凍結(jié)，隨著太陽輻射總量的減少，氣溫逐月降低，土壤凍結(jié)厚度加深，到1月氣溫達(dá)到最低，但凍土深度仍在加深，到1月下旬至2月初凍土深度達(dá)到最大值。而3月中下旬最低氣溫已達(dá)到零度以上，土壤開始慢慢解凍，但完全解凍仍需一段時間，直至3月末至4月初凍土完全解凍消失。凍土最大凍結(jié)深度與氣溫、地溫均呈現(xiàn)很好的負(fù)相關(guān)，也就是說，氣溫、地溫越低，最大凍土深度就越大，否則最大凍土深度越小，并且均達(dá)到 0.01信度的顯著性檢驗。

3 討論與結(jié)論

(1)大通站最大凍土深度27 a平均可達(dá)87 cm，最大值出現(xiàn)在 2007年為114 cm ，最小值出現(xiàn)在2010年和2015年為68 cm，兩者相差46 cm。

(2)在整個氣候變暖的大背景下，27 a來大通站最大凍土深度以7.5 cm /10a的趨勢顯著減小，而且存在明顯的階段性變化，呈現(xiàn)“減—增—減”的趨勢。

(3)凍土深度變化與氣溫和地溫的變化是密切相關(guān)的。凍土期間的溫度對季節(jié)凍土都有重要的影響，最大凍土深度的變化與冬季平均最低地溫和平均最低氣溫的變化呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，氣溫和地溫低，則凍土層厚，否則凍土層則薄，最大凍土深度出現(xiàn)的最早在12月中旬，最晚在1月底，與氣溫和地溫最低極值出現(xiàn)時間一致。

(4)冬季溫度變化直接影響凍土深度變化，而土壤凍結(jié)和解凍的早晚影響作物播種和牧草返青的推遲或提前，進(jìn)而影響當(dāng)年農(nóng)作物發(fā)育期和產(chǎn)量，對合理利用氣候資源，針對性的指導(dǎo)春季農(nóng)作物的適時播種和合理安排春耕生產(chǎn)活動，以及農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)有一定的幫助。