山西最大凍土深度時空分布特征

張小平，秦 璐，范衛(wèi)東 ，李瑞芳 ，田粉平

(1.山西省氣象信息中心,山西 太原 030006；2.山東省煙臺市牟平區(qū)氣象局,山東 牟平 264600；3.山西省平安防雷檢測有限公司,山西 太原 030006； 4.山西省朔州市氣象局,山西 朔州 036002)

引 言

人類賴以生存的大氣圈和陸地圈的環(huán)境變化越來越被重視，許多學者從大氣圈不同氣象要素如最高或最低氣溫[1-4]、降水[5-7]、極端氣候事件[8-9]等對氣候變化進行了大量研究，但從陸地圈的角度對氣候變化的研究較少。當?shù)販叵陆档? ℃或以下，含有水份的各種巖石和土壤呈現(xiàn)一種凍結現(xiàn)象[10]，形成凍土。凍土按持續(xù)時間長短可分為短時凍土、季節(jié)性凍土和多年凍土，地球上凍土的面積約占陸地面積的50%[11]，主要分布在中高緯度地帶[12]。隨著氣候持續(xù)變暖，近年來中國地區(qū)凍土總體表現(xiàn)為最大凍土深度減小，季節(jié)性凍土呈現(xiàn)始凍期推遲、解凍期提前趨勢[13-14]，凍結持續(xù)日縮短，多年凍土的最大融化深度增加，面積萎縮[15]，呈現(xiàn)退化趨勢[16]，未來 50 a中國地區(qū)的凍土仍持續(xù)退縮趨勢，百年后將大范圍改變多年凍土的空間分布[17]。不同氣象因子對凍土的影響表現(xiàn)不同，在我國北方地區(qū)，氣溫對凍土的形成及存在起著決定性的作用，年平均氣溫和年最大凍土深度之間存在負相關關系[18-19]，表現(xiàn)為年氣溫低的地方，最大凍土深，反之亦然[20]，另外，最大凍土深度受海拔高度的影響較大，兩者成正相關關系[21]。

山西位于中高緯度的黃土高原東側，南北跨度大，境內(nèi)多山地、丘陵，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，其獨特的地理位置和氣候特征是造成山西季節(jié)性凍土形成的主要因素。目前為止，僅對大同、長治凍土做了一些簡單研究[22-25]，而對山西全省最大凍土深度時空變化尚不明確，因此，本研究基于山西68個氣象觀測站1960—2018年年最大凍土深度資料，應用EOF、小波分析等方法，研究山西最大凍土深度的突變、周期特征，以期為全省的農(nóng)田水利規(guī)劃與建設、道路路基的穩(wěn)定性、生態(tài)環(huán)境改善提供技術支撐。

1 資 料

選取山西省1960—2018年108個氣象站月最大凍土深度、月降水、月氣溫及站點所在緯度和海拔高度資料，其來源于山西省氣象信息中心?？紤]資料序列長度和站點分布密度，剔除不完整的站點，保留質量較高的68個氣象站(圖1)資料進行分析。文中北部取大同、忻州、朔州3個市所有站點平均值；中部取呂梁、太原、晉中、陽泉4個市所有站點平均值；南部取臨汾、運城、長治、晉城4市所有站點的平均值。文中附圖涉及的地圖基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網(wǎng)站下載的審圖號為JS(2013)01-149號的標準地圖制作，底圖無修改。

圖1 選用的氣象站點空間分布

2 結果分析

2.1 平均年最大凍土深度時間演變

1960—2018年山西平均年最大凍土深度平均值為71 cm，極端最大值(1968年為192 cm)出現(xiàn)在偏關，極端最小值(2017年為7 cm)出現(xiàn)在浮山。圖2為1960—2018年山西平均年最大凍土深度變化。可以看出，平均年最大凍土深度最大值出現(xiàn)在1977年(88 cm)，最小值出現(xiàn)在2017年(47 cm)；近59 a來山西平均年最大凍土深度呈遞減趨勢，氣候傾向率為-1.394 cm·(10 a)-1，且通過α=0.05的顯著性檢驗。

圖2 1960—2018年山西平均年最大凍土深度變化

對山西平均年最大凍土深度突變分析(圖3)發(fā)現(xiàn)，山西平均年最大凍土深度在1986年發(fā)生了由深向淺的明顯突變，并通過α=0.05的顯著性檢驗。另外，對68個站點的年最大凍土深度逐個進行Mann-Kendall突變檢測，其中56站發(fā)生了顯著突變，占總站數(shù)的82.4%，突變時間分散在各個年代。

圖3 1960—2018年山西平均年最大凍土深度Mann-Kendall 突變檢驗

圖4為1960—2018年山西68站平均年最大凍土深度小波能量譜。可以看出，68站平均年最大凍土深度的變化以準4 a的周期振蕩為主，且通過α=0.05的顯著性檢驗。

圖4 1960—2018年山西68站平均年最大凍土深度小波能量譜(粗實線表示通過α=0.05顯著性水平臨界值， 細實線表示邊緣效應影響較大的區(qū)域)

2.2 月最大凍土深度變化

圖5為山西北部、中部和南部平均月最大凍土深度變化?？梢钥闯?，凍土只出現(xiàn)在冬半年，每年10月開始出現(xiàn)凍土，到次年2月凍土深度達最大，然后開始融凍，到5月全部解凍，表明山西最大凍土深度具有明顯的季節(jié)變化特征。

圖5 1960—2018年山西北部、中部和南部平均月最大凍土深度變化

2.3 年最大凍土深度空間分布

圖6為山西1960—2018年平均年最大凍土深度空間分布?？梢钥闯?，平均年最大凍土深度南淺北深，在同一緯度表現(xiàn)為西深東淺的空間分布特征，最小值17 cm出現(xiàn)在低緯度、低海拔的南部垣曲縣，最大值143 cm出現(xiàn)在高緯度、高海拔的西北部右玉縣。

圖6 1960—2018年山西平均年最大凍土深度空間分布(單位：cm)

表1是山西年最大凍土深度EOF分解的前10個模態(tài)方差貢獻率及累積方差貢獻率。其中前2個模態(tài)的累積方差貢獻率達58.4%，且通過NORTH等[26]準則檢驗，表明前2個模態(tài)是有物理意義的信號。

表1 山西年最大凍土深度EOF分解的前10個模態(tài)方差貢獻率及累積方差貢獻率

圖7為1960—2018年山西年最大凍土深度EOF分解前2個模態(tài)空間型及時間系數(shù)?？梢钥闯?，第1模態(tài)空間型表現(xiàn)為正的全省一致型，相應的時間系數(shù)在1987年之前以正值居多，之后以負值居多，表明山西年最大凍土深度在1987年之后開始有一致變淺趨勢。第2模態(tài)空間型表現(xiàn)為南負北正型，相應的時間系數(shù)在1980年前大多為負值，表明1980年前山西年最大凍土深度分布主要為南深北淺，而在1980年以后時間系數(shù)多為正值，年最大凍土深度的空間分布轉為南淺北深，年最大凍土深度在山西南部由深變淺，北部由淺變深，存在明顯的年代際變化特征。

圖7 1960—2018年山西年最大凍土深度EOF分析前2模態(tài)空間型(a、b)及時間系數(shù)(c、d)(a, c)第1模態(tài)，(b, d)第2模態(tài)

3 年最大凍土深度影響因子

3.1 與降水的空間相關

分析山西68站多年平均年最大凍土深度分別與凍土持續(xù)期降水的空間相關系數(shù)發(fā)現(xiàn)，凍土持續(xù)期降水量與年最大凍土深度均呈負相關，且均通過α=0.001的顯著性檢驗。表明年最大凍土深度受凍土持續(xù)期降水量影響較大，降水量多的站點，年最大凍土深度淺，反之亦然。

3.2 與降水的時間相關

分析59 a山西平均年最大凍土深度分別與凍土持續(xù)期降水的時間相關系數(shù)(表2)發(fā)現(xiàn)，前一年11月降水量與年最大凍土深度呈正相關，當年2月降水量與年最大凍土深度呈負相關，且相關系數(shù)均通過α=0.10的顯著性檢驗。表明前一年11月降水量多時，年最大凍土深度深，當年2月降水量少時，年最大凍土深度深，反之亦然。

表2 年最大凍土深度與降水的相關系數(shù)

3.3 與氣溫的空間相關

為了更好地探究氣溫對年最大凍土深度的影響，分析山西68站多年平均年最大凍土深度分別與前一年11月至當年3月(凍土持續(xù)期)月平均氣溫的空間相關系數(shù)(表3)發(fā)現(xiàn)，前一年11月至當年3月氣溫與年最大凍土深度呈負相關，且均通過α=0.001的顯著性檢驗，表明凍土持續(xù)期氣溫低的站點，年最大凍土深度深，氣溫高的站點年最大凍土深度淺。

3.4 與氣溫的時間相關

分析59 a山西平均年最大凍土深度分別與凍土持續(xù)期月平均氣溫的時間相關系數(shù)(表3)發(fā)現(xiàn)，年最大凍土深度與凍土持續(xù)期月平均氣溫呈負相關，其中前一年11、12月的相關系數(shù)通過α=0.01的顯著性檢驗，1、2月的相關系數(shù)通過α=0.001的顯著性檢驗，3月的相關系數(shù)沒有通過α=0.10的顯著性檢驗。表明年最大凍土深度受當年1月平均氣溫影響最大，受當年2月平均氣溫影響次之，前一年11、12月平均氣溫影響較小，因此當年1月平均氣溫低是導致年最大凍土深度加深的主要因素。

表3 年最大凍土深度與氣溫的相關系數(shù)

3.5 與緯度和海拔高度的關系

為了弄清緯度和海拔高度與最大凍土深度的關系，將68站年最大凍土深度多年平均值序列分別與緯度、海拔高度序列進行相關分析，發(fā)現(xiàn)年最大凍土深度與緯度的相關系數(shù)為0.92，與海拔高度的相關系數(shù)為0.75，且均通過α=0.001的顯著性檢驗，表明山西年最大凍土深度與緯度和海拔高度呈顯著正相關，即山西年最大凍土深度隨緯度增大而加深，且海拔高度越高，凍土越深。

4 結 論

(1)1960—2018年，山西68站平均年最大凍土深度為71 cm，平均年最大凍土深度呈顯著遞減趨勢，氣候傾向率為-1.394 cm·(10 a)-1，且在1986年發(fā)生一次顯著的氣候突變，68站中有56站發(fā)生了顯著突變，占總站數(shù)的82.4%；平均年最大凍土深度存在準4 a周期。

(2)山西年最大凍土深度空間分布特征總體南淺北深，在同一緯度上西深東淺。EOF分解前2個模態(tài)的累積方差貢獻率達58.4%。第1模態(tài)空間型為全省一致型，第2模態(tài)空間型為南北反向型。

(3)山西年最大凍土深度受凍土持續(xù)期降水量影響較大，降水量多的站點，年最大凍土深度淺，反之亦然；前一年11月降水量多時，年最大凍土深度深，當年2月降水量少時，年最大凍土深度深，反之亦然。凍土持續(xù)期月平均氣溫與最大凍土深度呈顯著負相關，凍土持續(xù)期氣溫高的站點年最大凍土深度淺，氣溫低的站點年最大凍土深度深，同時當年1月平均氣溫與年最大凍土深度的相關性最好。另外，山西年最大凍土深度與緯度和海拔高度呈顯著正相關。

致謝：文章在撰寫過程中得到了山西省氣候中心李智才正研和山西省氣象臺趙桂香正研的指導和幫助，在此表示衷心的感謝！