遼西季節(jié)性凍土特征及融化過程對氣候變化的響應(yīng)

苗傳海，孫艷云，張博宇，郭宗凱，沙 莉

（1.遼寧省氣象裝備保障中心，遼寧 沈陽 110116；2.本溪市氣象局，遼寧 本溪 117000）

季節(jié)性凍土對大氣溫度十分敏感[1]。在土木工程建設(shè)、公路、橋涵和鐵路設(shè)計中，土壤凍結(jié)和融化過程是必須考慮的參數(shù)之一[2-4]，而初春凍土融化及地溫變化對農(nóng)業(yè)及水利工程建設(shè)等也存在較大的影響，因此，研究掌握凍土融化特征，開展相關(guān)的預(yù)測預(yù)報具有重要的實(shí)踐意義。凍土的形成與地表面的溫度有關(guān)[5]，氣溫變化是凍土重要的影響因素[6]。多年來對凍土變化特征、凍土影響因素的研究較多[7-9]。在凍土預(yù)測方面，張慧智等[10]利用年平均氣溫與三維地理坐標(biāo)，采用回歸克里格法預(yù)測了中國年平均土壤地溫其效果良好，對研究預(yù)測地溫具有一定的參考價值；李靜等[11]借助于TM 遙感數(shù)據(jù)、GIS 技術(shù)和DEM 數(shù)據(jù)模擬了植被覆蓋區(qū)，預(yù)測凍土地溫分布特征，研究方法具有前瞻性；杜堯東等[12]以氣溫做自變量預(yù)測蔬菜地地溫，預(yù)報效果較好，具有一定借鑒意義。王選耀[13]和崔素芳等[14]采用偏相關(guān)分析方法，選用多個氣象因子對煙臺地區(qū)蔬菜大棚溫度進(jìn)行預(yù)測，該研究未與實(shí)際的天氣預(yù)報結(jié)合，實(shí)用性較低。目前對季節(jié)性凍土特征變化研究的較多[15-16]，而對春季凍土融化期地溫變化以及凍土融化深度的變化規(guī)律研究較少，并且早春熱量對凍土融化深度的預(yù)報業(yè)務(wù)在氣象部門還屬于空白。

本研究通過綜合前人研究成果，選擇遼寧西部地區(qū)大凌河、小凌河、老哈河流域作為研究對象，研究氣候變化對季節(jié)性凍土變化特征及凍土融化過程的影響，旨在為農(nóng)業(yè)、土木工程建筑業(yè)開展凍土預(yù)測預(yù)報專項(xiàng)氣象預(yù)報服務(wù)提供參考。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)概況

遼寧省西部與河北省承德市和內(nèi)蒙古赤峰市接壤，占地面積相當(dāng)于遼寧省陸地面積的1/3。該地帶屬低山丘陵區(qū)，由內(nèi)蒙古高原向沿海平原過渡的坡降地帶，海拔高度在100～1 300 m。大凌河、小凌河及老哈河3 條流域貫穿境內(nèi)。遼西屬北溫帶亞干旱易旱氣候區(qū)，四季分明，雨熱同季，自然災(zāi)害較多[17]，該區(qū)域年平均氣溫6.0～9.0 ℃，年降水量420～550 mm，日照時數(shù)2 800 h左右。

1.2 資料來源

選取4個氣象站代表遼寧西部丘陵地區(qū)，其中老建平代表努魯爾虎山以北的老哈河流域，羊山代表小凌河流域，凌源、朝陽分別代表大凌河流域的上游和中游區(qū)域。通過各地氣象站資料庫查得1960—2019 年10 月至翌年4 月逐日氣候資料。包括地面日平均、最高、最低溫度；10 cm 地溫；日平均、最高、最低氣溫；日照時數(shù)；降水量；土壤凍結(jié)初日、穩(wěn)定凍結(jié)（10 cm）日期，凍土融化初始日期、逐日融化深度、融通日期，最大凍土深度等。依據(jù)溫度資料計算凍土融化期的正積溫。

1.3 分析方法

1.3.1 線性方程 采用線性估算傾向率方法，分析凍土年際變化趨勢，即建立一元線性方程y＝ax＋b，確立凍土深度yi與年代序列號xi的關(guān)系。a為回歸系數(shù)，表示要素的趨勢傾向變化速率，一般以趨勢項(xiàng)a乘以10，代表每10年的氣候傾向率[18]。

1.3.2 相關(guān)分析 為了分析要素yi1與要素yj2間相關(guān)程度，采用相關(guān)分析方法[18]。

式中，r為相關(guān)系數(shù)；為氣象要素平均值，為時間要素平均值。

1.3.3 擬合率分析 通過線性回歸方法，建立要素間相關(guān)模型，回代檢驗(yàn)分析模型的預(yù)測值與觀測值之間的吻合程度[19]。

1.4 分析軟件

線性回歸分析及相關(guān)系數(shù)計算在Excel軟件支持下進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 遼寧西部凍土年變化特征

遼寧西部凍土年變化如圖1所示。

遼寧西部屬季節(jié)性凍土區(qū)域，最早10 月上旬（1967、1969年）開始出現(xiàn)土壤非穩(wěn)定（日融夜凍）凍結(jié)現(xiàn)象，土壤穩(wěn)定凍結(jié)（≥10 cm）平均在11月21—28 日。凍土深度年變化于2 月上旬凍土達(dá)到最大深度，最大深度可持續(xù)到3 月上旬。從3 月中旬凍土開始融化，至4月中旬凍土全部融通。遼西非穩(wěn)定凍土歷時約190 d 左右，占全年的52.1%；穩(wěn)定凍土歷時約130 d左右，占全年的35.6%。從圖1可以看出，凍土深度從凍結(jié)到融通過程隨時間變化呈偏態(tài)分布，最大深度滯后于氣溫年變化最低值出現(xiàn)的時間（氣溫最低值出現(xiàn)在1月上中旬）約30 d左右。

2.2 凍土深度、凍結(jié)化通日期年際變化

2.2.1 凍土最大深度 從表1可以看出，遼寧西部1960—2019 年凍土最大深度3 個流域有一定的差異，其中，老建平凍土最大深度比朝陽、凌源、羊山深（18～38.3）cm，羊山最淺。1976—1977年冬季老建平凍土深度出現(xiàn)最大值，在150 cm 以上，2001—2002 年羊山凍土深度出現(xiàn)最小值，僅為46 cm。歷年凍土最大深度離散度較大，平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為±15.0 cm，有28.5%的年份偏離標(biāo)準(zhǔn)差。凍土最大深度隨著年度變化呈逐漸變淺趨勢，序列相關(guān)達(dá)到極顯著水平，近60 a 凍土深度線性變淺22～31 cm。楊學(xué)強(qiáng)等[20]研究認(rèn)為，1988年凍土出現(xiàn)氣候突變，突變之后（1989—2019年）凍土深度平均變淺18 cm。

2.2.2 土壤結(jié)凍日期 深秋至初冬時節(jié)氣溫下降至0 ℃以下土壤出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，開始為非穩(wěn)定凍結(jié)，即日融夜凍現(xiàn)象。遼寧西部地區(qū)一般在10月中下旬出現(xiàn)非穩(wěn)定凍結(jié)，而1967、1969年出現(xiàn)在10月9 日，為60 a 最早；2005 年最晚，出現(xiàn)在12 月4 日，非穩(wěn)定凍結(jié)初日平均在10 月31 日。由表1 可知，穩(wěn)定凍結(jié)凍土初日平均在11 月下旬，老建平早于其他地區(qū)6～8 d。1972 年穩(wěn)定凍結(jié)在11 月12 日，為60 a 最早，2005 年出現(xiàn)在12 月4 日，為近60 a 最晚，遼寧西部穩(wěn)定凍結(jié)日期變化在36 d 之內(nèi)，平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為±6.0 d，有80%的年份集中在11 月下旬。說明遼寧西部土壤穩(wěn)定凍結(jié)日期明顯推后，平均傾向率為1.87 d/10 a，近60 a線性推后約10 d。

2.2.3 凍土化通日期 遼寧西部凍土從2 月下旬開始地表出現(xiàn)日融夜凍現(xiàn)象，3 月上中旬深層凍土進(jìn)入融化期，有91%的年份在3 月中旬至4 月上旬凍土層逐漸化通，有85%的年份集中在4 上中旬，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為±7 d。由表1可知，遼寧西部1960—2019 年凍土化通日期平均在3 月28 日—4 月5 日，老建平比其他地區(qū)偏晚3～9 d。羊山2001 年3 月9 日化通，為近60 a 最早；老建平1984 年4 月28 日化通，為近60 a 最晚；化通日期變化在32 d 之內(nèi)。凍土層化通日期呈明顯提前趨勢，平均傾向率為-1.459 d/10 a，近60 a線性提前約8 d。

表1 1960—2019年凍土最大深度、結(jié)凍和化通日期趨勢變化特征Tab.1 Trends of maximum depth，freezing，and thawing dates of permafrost from 1960 to 2019

2.3 凍土融化的持續(xù)日期分析

遼寧西部凍土融化日程與凍土融化速率如表2所示。

表2 遼寧西部凍土融化日程與凍土融化速率Tab.2 Permafrost melting schedule and permafrost melting rate in western Liaoning province

由表2可知，遼寧西部凍土融化時間從3月上中旬開始，到4月上中旬結(jié)束，用時30 d左右，老建平較其他地區(qū)偏晚3～5 d。在凍土深度達(dá)到最大值時，隨著天氣轉(zhuǎn)暖，凍土層開始融化，融化過程中凍土深度逐日變淺，而凍土深度逐日變化呈線性關(guān)系，并達(dá)到極顯著水平，凍土平均融化速率3.1～4.0 cm/d。

2.4 氣候要素對凍土深度變化的影響

2.4.1 氣候要素變化對最大凍土深度的影響 遼寧西部地區(qū)凍土期在11月至翌年4月，而同期的氣候要素變化影響著凍土最大深度。氣象要素采用滑動分段方法，分別分析11 月、12 月、1 月、2 月、11—1 月、11—2 月、11—3 月、12—2 月、12—3 月、1—2 月、1—3 月、2—3 月的平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫、地面平均溫度、地面平均最低氣溫、地面平均最高氣溫、日照時間及降水量與凍土最大深度、凍土期的相關(guān)性，結(jié)果（表3）11 月—翌年2月間平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫、地面平均溫度、地面平均最低氣溫、地面平均最高氣溫與最大凍土深度、凍土期負(fù)相關(guān)顯著，同期降水量與凍土最大深度正相關(guān)顯著，日照時間對凍土最大深度及凍土期影響不明顯。

表3 凍土最大深度、凍土期與11月至翌年2月氣象要素相關(guān)分析Tab.3 Maximum depth of frozen soil，analysis of the permafrost period and the meteorological factors from November to the following February factor

凍土最大深度（H）與11月—翌年2月平均氣溫（T）、地面平均溫度（Td）存在良好的線性關(guān)系，其回歸方程式如下。

凍土最大深度隨著11月至翌年2月氣溫、地面平均溫度的升高而變淺，當(dāng)11月至翌年2月氣溫每變化1.0 ℃，凍土最大深度將變化±5.734 6 cm；當(dāng)11 月至翌年2 月地面平均溫度每變化1.0 ℃，凍土最大深度將變化±6.041 3 cm。

2.4.2 凍土融化期氣溫對10 cm地溫的影響 由圖2 所示，凍土融化期氣溫與同期10 cm 日平均地溫存在顯著的線性關(guān)系，各地相關(guān)系數(shù)均在0.980 以上，其相關(guān)程度達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），其回歸方程見表4。一元線性回歸方程通式為：

表4 同期氣溫與10 cm地溫、融化期正積溫與凍土逐日融化深度線性回歸方程式Tab.4 Linear regression equation between temperature of the same period and ground temperature of 10 cm，positive accumulated temperature in thawing period and daily thawing depth of frozen soil

式中，T1代表10 cm日平均地溫，T2代表日平均氣溫，a和b為回歸參量。根據(jù)擬合率公式（2），利用2018—2019年3—4月日平均氣溫數(shù)據(jù)代入線性回歸方程進(jìn)行擬合檢驗(yàn)，擬合率保持在96%以上。

2.4.3 土壤10 cm正積溫對凍土融化深度的影響凍土融化的主要途徑是土壤通過氣溫升高到0 ℃以上提高地溫儲存熱能來完成的，所以，凍土融化過程需要一定量的熱能積累。分析過程中分別選用凍土融化日的前3 天、2 天、1 天和當(dāng)天的地溫累積值（正積溫）與土壤融化深度進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)。分析結(jié)果，提前2天的積溫累積值與凍土融化深度線性相關(guān)最為顯著，達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）。圖3所反映的是提前2 天的積溫與當(dāng)日凍土融化深度的線性相關(guān)。

遼西各地點(diǎn)土壤10 cm正積溫與凍土融化深度一元線性方程如表4所示。

式中，H代表凍土融化深度，ΣT代表土壤10 cm日平均地溫累積（正積溫），k 和c代表各站點(diǎn)的回歸參量。根據(jù)擬合率公式（2），對2018年、2019 年3—4 月逐日累計正積溫數(shù)據(jù)回代檢驗(yàn)，擬合率在94%以上。依據(jù)線性方程式計算，當(dāng)凍土融化30 cm時，需要正積溫27～33 ℃·d，研究區(qū)各地基本相同；反之，當(dāng)初春正積溫積累27～33 ℃·d時，凍土融化深度可達(dá)到30 cm；當(dāng)凍土融化100 cm 時，需要的正積溫在190～210 ℃·d。

3 討論

3.1 凍土解凍日期提前的趨勢不穩(wěn)定

凍土從時間概念可劃分為多年凍土和季節(jié)性凍土。多年凍土的時間一般為數(shù)年至數(shù)萬年，季節(jié)性凍土在一年內(nèi)有半月至數(shù)月[5]。多年凍土主要分布在北美洲的北部和亞歐大陸。高山和高原上也存在多年凍土，如非洲的乞立馬扎羅山，美洲的安第斯山脈以及中國的青藏高原[2,6,8]；季節(jié)性凍土一般分布在中、低緯度地區(qū)。遼寧西部屬于季節(jié)性凍土區(qū)域，土壤結(jié)凍、融化過程中與氣溫變化最為密切[19-21]。因氣候變暖使凍土深度變淺、凍結(jié)日期推后，融化初日、凍土融通日期提前，這與張威等[21]、楊學(xué)強(qiáng)等[20]研究結(jié)果一致，但這種提前的趨勢并不穩(wěn)定，如2011 年凍土融通日期在4 月13 日，比1960—2019 年平均值還要晚12 d，超過標(biāo)準(zhǔn)偏差6 d，說明這種變化既分散又不穩(wěn)定，所以，這種趨勢變化僅存于理論上，如應(yīng)用于實(shí)際還需進(jìn)一步研究。

3.2 春季土壤日融夜結(jié)非穩(wěn)定凍土現(xiàn)象存在災(zāi)害風(fēng)險

因受地理位置的影響，遼西各地春季凍土深度及融化時間不盡一致，老哈河流域（老建平）相對其他區(qū)域凍土融化偏晚約7 d左右。凍土融化初日在3月中旬，融通時間在4月上旬，而4月上中旬常見日融夜結(jié)非穩(wěn)定凍土現(xiàn)象，在農(nóng)業(yè)上將影響農(nóng)作物（小麥等）幼苗正常生長，使作物苗期受凍致死甚至減產(chǎn)或絕收，張洪芬等[22]、李?；ǖ萚23]、費(fèi)曉玲等[24]的研究結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。這種日融夜結(jié)非穩(wěn)定凍土現(xiàn)象在土木工程、路基、橋涵等建設(shè)中將影響工程質(zhì)量，墻體、基礎(chǔ)很容易被毀壞[25-26]，對春季早播作物、土木建筑可造成災(zāi)害風(fēng)險。

3.3 提高凍土觀測儀的自動化水平

當(dāng)前氣象觀測沿用的凍土測量儀是以水的凍解來測凍土深度，況且觀測員是以手摸觸感認(rèn)定觀測值，因此，原始凍土深度觀測值存在明顯的人為誤差。另外，各地觀測地點(diǎn)的土壤質(zhì)地不同，含鹽、腐殖質(zhì)等差異，造成土壤凍融溫度的不一致。為了更加準(zhǔn)確觀測凍土深度變化，急需研制能夠自動觀測、自動傳輸?shù)膬鐾劣^測儀，以提高觀測值的精準(zhǔn)度。

4 結(jié)論

季節(jié)性凍土受氣候變暖的影響，遼西凍土最大深度沿著年際軌道（1961—2019年）逐漸在變淺，穩(wěn)定凍結(jié)日期推后而凍土層化通日期呈明顯提前趨勢。遼西各地凍土融化的速率基本相近，平均融化速率3.1～4.0 cm/d。

遼寧西部地區(qū)氣溫升高趨勢明顯[30]，當(dāng)11月—翌年2 月氣溫每升高1.0 ℃時，凍土最大深度將變淺5.7 cm；當(dāng)11月至翌年2月地面平均溫度每升高1.0 ℃時，凍土最大深度將變淺6.0 cm。

日平均氣溫與10 cm日平均地溫存在極顯著的線性關(guān)系（P＜0.01，r＝0.98），線性方程對10 cm 日平均地溫預(yù)測準(zhǔn)確率在96.0%以上。

初春時節(jié)土壤10 cm正積溫與凍土融化深度具有顯著的線性關(guān)系（P＜0.01，r＝0.98），其線性方程預(yù)測春季凍土融化深度擬合率在94.0%以上。遼西地區(qū)春季正積溫積累27～33 ℃·d 時，凍土融化可達(dá)到30 cm深度，凍土融化100 cm深度需要的正積溫在200 ℃·d左右。