太行山南麓凍土氣候特征及與溫度的相關(guān)性分析

劉強(qiáng)軍，劉婉莉，張喻君，牛晨煜

(1.山西省晉城市氣象局，山西 晉城 048000；2.山西省運(yùn)城市氣象局，山西 運(yùn)城 044000)

最大凍土深度指從地表往下測量的凍土層最大厚度，許多學(xué)者對此進(jìn)行了研究[1-8]。在凍土的趨勢變化方面，王寧等[9-11]、丁抗抗等[12]、姚宏偉等[13]、劉春生等[14]、宴曉英等[15]、楊帥等[16]、趙曉英等[17]等通過研究黑龍江、河北省、內(nèi)蒙古等地凍土的變化，指出最大凍結(jié)深度呈波動減小趨勢，最大凍土深度與平均氣溫和地溫呈負(fù)相關(guān)，其對氣溫升高的響應(yīng)更顯著。在凍土持續(xù)時間方面，彭小清[18]研究了北半球凍土?xí)r空特性及對氣候的響應(yīng)。陳博等[19-20]研究了近50 a中國范圍內(nèi)凍土變化情況，劉廣岳等[21]和陳繼全等[22]研究了青藏和青海地區(qū)凍土變化，都指出凍土深度變淺，開始日期推遲，結(jié)束日期提前，持續(xù)時間縮短的特征。在最大凍土深度與緯度關(guān)系方面，晁華等[23-24]、高峰等[25]研究了東北地區(qū)凍土變化情況，認(rèn)為凍土深度隨緯度升高而遞增，即緯度越高凍土越深。在凍土周期變化方面，楊曉玲等[26]研究指出甘肅省石羊河流域最大凍土深度和凍土日數(shù)存在周期變化，并發(fā)生了突變。從上述研究結(jié)果可以看出，最大凍土深度各地都有差異，處于太行山南麓的晉城市，屬于季節(jié)性凍土區(qū)，地貌以山地丘陵為主，土壤以山地草甸土和紅粘土等為主，地下水9.69億m3，農(nóng)業(yè)種植以小麥和玉米等為主，關(guān)于最大凍土深度的研究在本區(qū)域內(nèi)鮮有開展。因此，利用1960～2019年太行山南麓晉城市的5個國家氣象站氣溫、地溫及最大凍土深度資料，研究該地凍土?xí)r空變化特征，對春季農(nóng)業(yè)灌溉、地下水補(bǔ)給及農(nóng)田水利建設(shè)等有重要意義。

1 材料與方法

1.1 資料來源

選取的資料為1960～2019年山西省東南部太行山南麓的晉城市區(qū)觀測站、陽城站、高平站、沁水站、陵川站5個國家氣象觀測站(圖1)當(dāng)年10月至次年3月期間觀測到的逐日最大凍土資料及氣溫、地溫(5～40 cm土壤溫度)資料，10月資料不具有連續(xù)性，主要用于對凍土開始時間的分析，11月至次年3月凍土資料為重點分析的氣候時段，資料來自中國氣象局?jǐn)?shù)據(jù)共享網(wǎng)。

圖1 研究區(qū)位置

1.2 研究方法

最大凍土深度的突變分析采用M-K方法[27]，可計算出變量的突變時間點和突變區(qū)域及趨勢特征。周期分析采用Morlet小波方法[28]，可診斷出氣候變化的內(nèi)在結(jié)構(gòu)及時間序列的演變特征等。變差系數(shù)采用皮爾遜[29]法，可表示氣候值偏離其平均值的程度，變差系數(shù)越大，表明氣象要素的穩(wěn)定性越差，越小穩(wěn)定性越好。氣候趨勢率就是線性回歸方程y=ax+b中的a，把a(bǔ)的10倍系數(shù)稱做氣候趨勢率[30],大小和正負(fù)分別代表變化速度和方向。

2 結(jié)果與分析

2.1 最大凍土深度變化特征

2.1.1 最大凍土深度月變化 1960～2019年11月到次年3月的最大凍土深度月平均變化如圖2所示，可以看出，全市平均最大凍土深度從11月開始逐漸變深，1月達(dá)到最深32 cm，然后次年2月(29.8 cm)和3月(16.9 cm)最大凍土深度開始變淺，最小為11月的8.2 cm。各站平均最大凍土深度除陵川站在2月達(dá)到最深的40.7 cm，其余都是在1月達(dá)到最深，在22.4～37.3 cm之間。從變化范圍看，陵川站為9.8～40.7 cm，深度差最大，達(dá)到30.9 cm，其次為沁水站的8.0～37.3 cm，深度差為29.3 cm，最小變化范圍為陽城站6.4～22.4 cm，深度差為16.0 cm。計算各站凍土期(5個月)平均最大凍土深度，陵川站最大，為28.0 cm，其次為高平站，為25.6 cm，陽城站平均最大凍土深度最小，為14.1 cm，市區(qū)觀測站和陽城站小于其他3個站。最大凍土深度差平均值達(dá)到13.9 cm。

圖2 1960～2019年晉城市月平均凍土深度變化

2.1.2 最大凍土深度年變化 1960～2019年晉城市最大凍土深度和平均氣溫趨勢年變化如圖3-A所示，可以看出，平均氣溫變化呈向上趨勢，氣候趨勢率為0.28 ℃/10 a，最大凍土深度呈向下變淺的趨勢，氣候趨勢率為-1.48 cm/10 a，兩者呈剪刀差的態(tài)勢，趨勢相反；相比歐亞地區(qū)傾向率明顯偏慢,為-4.5 cm/10 a[2]。為了了解城郊的最大凍土深度的差別，把晉城市區(qū)觀測站算作城區(qū)，其他4站作為郊區(qū)站，平均后計算趨勢(圖3-B)，發(fā)現(xiàn)城區(qū)和郊區(qū)最大凍土深度變淺趨勢一致，氣候趨勢率分別為-1.3 cm/10 a和-1.53 cm/10 a，相差無幾。

圖3 1960～2019年晉城市平均最大凍土深度和氣溫變化趨勢及市區(qū)和郊區(qū)最大凍土深度變化趨勢

計算1960～2019年晉城市各站年平均最大凍土深度的氣候趨勢率空間分布(圖4-A)，總體西部的陽城站、沁水站大于東部的高平站、陵川站及市區(qū)觀測站，各站氣候趨勢率在-3.01 cm/10 a～3.21 cm/10 a之間，東北部的陵川站的最大凍土深度變淺趨勢最為明顯。計算1960～2019年晉城市各站年平均最大凍土深度的變差系數(shù)(圖4-B)，發(fā)現(xiàn)全市各站變差系數(shù)在0.21～0.29之間，年最大凍土深度的變差系數(shù)最大值為陽城站0.29，最小的是高平站，為0.21，高平站的最大凍土深度穩(wěn)定性大于陽城站，最大變差系數(shù)和最小變差系數(shù)相差僅0.08，說明晉城市年平均最大凍土深度氣候變化趨勢較為穩(wěn)定。

圖4 1960～2019年晉城市各站氣候趨勢率(A)和變差系數(shù)(B)

2.1.3 最大凍土深度年代際變化 1960～2019年晉城市平均最大凍土深度年代際空間分布圖如圖5所示，總體看，晉城市平均最大凍土深度20世紀(jì)60～90年代，都是東北部的陵川站和高平站大于西南部的沁水站、陽城站及市區(qū)觀測站；21世紀(jì)后，2000～2009年和2010～2019年，平均最大凍土深度變?yōu)殛柍钦竞透咂秸敬笥谖鬟叺那咚竞蜄|部的陵川站和市區(qū)觀測站。各站年代際變化，20世紀(jì)90年代之前陵川站平均最大凍土深度為全市最大，在46～48.7 cm之間，且變化幅度不大，較穩(wěn)定，其次為高平站，在35～42.9 cm之間，變化幅度為7.9 cm，最小為沁水站，為21.6～33 cm，變化幅度超過10 cm，達(dá)到11.4 cm(圖5-A～D)；21世紀(jì)后，2000～2009年和2010～2019年期間，陽城站平均最大凍土深度最大，分別達(dá)到42.5 cm和42.9 cm，大于高平站和陵川站(圖5～E-F)。全市5站年代際平均最大凍土深度最大值出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代的陵川站，平均值為48.7 cm，最小值出現(xiàn)在2010～2019年的沁水站，僅為21.3 cm。

圖5 1960～2019年山西省晉城市1960s(A)、1970s(B)、1980s(C)、1990s(D)、2000～2009(E)、2010～2019(F)最大凍土深度空間分布

2.2 凍土起止時間和持續(xù)時間變化趨勢

2.2.1 凍土起止時間分析 統(tǒng)計1960～2019年晉城市5站凍土開始時間和結(jié)束時間(表1)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)凍土開始時間一般在10月，其中最早為1972年10月10日的陵川站，最晚為高平站的1965年10月25日，相差15 d；凍土結(jié)束日期，各站略有不同，但是都出現(xiàn)在3月，5站中最早結(jié)束時間為1973年3月12日的沁水站，最晚結(jié)束時間為陵川站的3月31日，相差僅為18 d。

表1 1960～2019年晉城市凍土出現(xiàn)時間

計算近60 a晉城市年凍土開始和結(jié)束日期氣候趨勢率(表2)，開始時間平均氣候趨勢率為1.52 d/10a和結(jié)束日期為-3.14 d/10a。從5站氣候趨勢率看，凍土開始日期均呈延后的趨勢，其中最明顯的陽城站，為3 d/10a，其次是晉城觀測站的每2 d/10a，沁水站的延后趨勢最不明顯，為每0.5 d/10a；5站的凍土的結(jié)束時間均呈提前趨勢，其中陵川站提前趨勢最明顯，為4.2 d/10a，其次為晉城觀測站的提前3.6 d/10a，變化最小的為高平站，提前2.3 d/10a。

表2 1960～2019年晉城市凍土出現(xiàn)時間氣候趨勢率

2.2.2 凍土持續(xù)日數(shù)變化 計算1960～2019年晉城市凍土持續(xù)日數(shù)(圖6-A)，結(jié)果表明60 a 晉城市平均凍土持續(xù)時間為127.6 d，凍土持續(xù)日數(shù)最長為陽城縣的132 d，最短的為高平市的123 d，氣候趨勢率呈縮短趨勢，為-3.2 d/10a。具體到各站持續(xù)時間趨勢變化(圖6-B)，晉城觀測站、沁水站的持續(xù)時間縮短趨勢最大，為-6 d/10a和-5 d/10a，其次為陵川站(-4 d/10a)和高平站(-6 d/10a)，而陽城站(2 d/10a)，反而呈現(xiàn)延長的趨勢，這或許與陽城站所處的太行山南麓西南暖濕氣流風(fēng)口位置有關(guān)。

圖6 1960～2019年山西省晉城市凍土持續(xù)時間(A)和持續(xù)時間趨勢空間(B)分布

2.3 最大凍土深度突變檢驗

對1960～2019年平均最大凍土深度進(jìn)行M-K突變檢驗(圖7),表明晉城市各站均有突變發(fā)生，全市平均最大凍土深度在1978年發(fā)生突變(圖7-A),市區(qū)觀測站在1972年、2008年、2013年發(fā)生3次突變(圖7-B)，高平站在1994年發(fā)生1次突變(圖7-C)，陽城站在1977年發(fā)生1次突變(圖7-D),沁水站在1984年、2007年、2016年發(fā)生3次突變(圖7-E)，陵川站在1998年發(fā)生1次突變(圖7-F),分析表明，市區(qū)觀測站和沁水有3個突變，其他站只有1個突變點。突破點較多的站點，反應(yīng)了平均最大凍土深度的“深-淺”的反復(fù)，但是，正序列向下突破反序列的突破點，在顯著性檢驗區(qū)間內(nèi)越來越低，總體反應(yīng)了最大凍土深度逐漸變淺的特征。

UF和UB取±1.96為臨界曲線的M-K檢驗值(即0.05顯著性水平的置信度檢驗區(qū)間)。

2.4 最大凍土深度的周期分析

1960～2019年晉城市平均最大凍土深度及單站小波分析圖(圖8)，可以看出，平均最大凍土深度在1980年之前為4 a左右周期變化，出現(xiàn)5個“深-淺”交替過程,從1970～2010年為7～10 a周期，出現(xiàn)6個“深-淺”交替過程，功率譜較強(qiáng)，為主周期(圖8-A)。分站看，市區(qū)觀測站3～4 a的周期明顯且強(qiáng)，為主周期，從1985～2010年的25年期間有5個“深-淺”交替過程，周期明顯，但偏弱；14～16 a的周期，出現(xiàn)3個“深-淺”交替過程，但是功率譜偏弱(圖8-B)。高平站在1995年之前為8～12年為主周期，功率譜較強(qiáng)，從2000年開始為5～7 a周期最強(qiáng)(圖8-C)。陽城站7～11 a周期明顯，為全域性的特征，出現(xiàn)8個“深-淺”交替過程(圖8-D)。陵川站最大凍土深度，周期不明顯(圖8-E)。沁水站4年周期為1985年之前，6～11 a周期從1960～2010年期間非常明顯，出現(xiàn)7個“深-淺”交替過程，為主周期(圖8-F)?？傮w看，除陵川站的最大凍土深度周期性變化不明顯外，市區(qū)和各縣站都比較明顯，全市平均最大凍土深度周期變化更能反應(yīng)整個晉城市最大凍土周期性特征。

A：平均最大凍土深度；B：晉城；C：高平；D：陽城；E：陵川；F：沁水。

2.5 最大凍土深度與緯度及溫度的關(guān)系

2.5.1 最大凍土深度與緯度關(guān)系 1960～2019年晉城市最大凍土深度極值及時間與各站平均值(表3)，從南向北，偏北部的明顯高于偏南部的站點，把偏南的陽城和晉城2站與偏北的3站沁水站、高平站、陵川站最大凍土深度算術(shù)平均后，相減的差值除以緯度差，然后以0.1緯度間距換算，為每0.1緯度最大凍土深度增加4.9 cm。分析晉城市各站最大凍土深度極值出現(xiàn)時間，發(fā)現(xiàn)晉城站和陽城站最大凍土深度的極值出現(xiàn)在1月，分別為42 cm和41 cm；陵川站、高平站和沁水站最大凍土深度的極值出現(xiàn)在2月，分別為65、59和61 cm。依照上述方法，計算極值隨緯度的變化，結(jié)果為每0.1緯度最大凍土深度增加8.7 cm。分析表明，最大凍土深度平均值和極值都隨緯度增加而變深，其變化規(guī)律與新疆阿勒泰地區(qū)十分相似[28]。

表3 1960～2019年晉城市各站最大凍土深度極值及出現(xiàn)時間與各站最大凍土深度平均值

2.5.2 最大凍土深度與平均氣溫及地溫相關(guān)性 1960～2019年最大凍土深度與平均氣溫及地溫的相關(guān)性(表4)，可以看出，最大凍土深度與平均氣溫呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)介于-0.62～-0.15之間，5站中，相關(guān)系數(shù)負(fù)值最大出現(xiàn)在陵川站，為-0.62，其次為陽城站的-0.46，而相關(guān)系數(shù)最小在高平站，為-0.15，這個研究結(jié)果與楊帥等[16]研究的河北省最大凍土深度與氣溫的負(fù)相關(guān)結(jié)果基本一致。計算地溫與最大凍土深度的相關(guān)性，結(jié)果為：5～40 cm地溫與最大凍土深度相關(guān)系數(shù)都為負(fù)相關(guān)，但各層相關(guān)系數(shù)中心有差別，與5 cm地溫相關(guān)系數(shù)負(fù)值，陽城站最大，為-0.5，10 cm和20 cm地溫與最大凍土深度的相關(guān)系數(shù)負(fù)值最大在沁水站和陽城站，而15 cm和40 cm相關(guān)系數(shù)負(fù)值中心在高平站和晉城市區(qū)觀測站。分析結(jié)果顯示，無論平均氣溫還是地溫，與最大凍土深度各站均呈明顯的負(fù)相關(guān)。出現(xiàn)在2月，分別為65 cm、59 cm和61 cm。依照上述方法，計算極值隨緯度的變化，結(jié)果為每0.1緯度最大凍土深度增加8.7 cm。分析表明，最大凍土深度平均值和極值都隨緯度增加而變深，其變化規(guī)律與新疆阿勒泰地區(qū)十分相似[28]。

表4 1960～2019年山西省晉城市最大凍土深度與平均氣溫及各層地溫相關(guān)系數(shù)

2.5.3 最大凍土隨平均氣溫和地溫遞減率變化 計算1960～2019年最大凍土深度隨平均氣溫和平均地溫的遞減率(圖9)，平均氣溫和平均地溫每升高1 ℃，最大凍土深度就減少1.86 cm(圖9-A)和3.62 cm(圖9-B)，呈現(xiàn)反相關(guān)的特性，最大凍土深度與平均地溫的斜率明顯大于最大凍土深度與平均氣溫的斜率，說明平均地溫的反相關(guān)性大于平均氣溫，平均地溫越高，最大凍土深度越淺。

圖9 1960～2019年晉城市最大凍土深度與平均氣溫(A)及平均地溫(B)的關(guān)系

3 討論與結(jié)論

通過對山西省太行山南麓晉城市60 a的最大凍土深度分布特征及與氣溫、地溫等氣候相關(guān)性分析，得到如下結(jié)論：

1) 60 a晉城市最大凍土深度的極值出現(xiàn)在1月，部分站點如高平和沁水出現(xiàn)在2月，且隨緯度增大而變深，與晁華[23]研究的遼寧地區(qū)最大凍土深度隨緯度增大而變深趨勢一致；全市月平均最大凍土深度變化范圍在8.2～32 cm之間；各站平均最大凍土深度差異較大，深度差達(dá)到13.9 cm。最大凍土深度年代際變化為變淺的態(tài)勢，20世紀(jì)60～90年代，最大凍土深度均是東北部的陵川站和高平站大于西南部的沁水站、陽城站及市區(qū)觀測站；進(jìn)入21世紀(jì)后，2000～2009年和2010～2019年，最大凍土深度變?yōu)殛柍钦竞透咂秸敬笥谖鬟叺那咚竞蜄|部的陵川站和市區(qū)觀測站，且最小值出現(xiàn)在2010～2018年區(qū)間的沁水站21.3 cm，最大值出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代的陵川站48.7 cm。

2) 60 a晉城市最大凍土深度以-1.48 cm/10a的速度顯著變淺，與王寧等[9]及姚宏偉[14]研究的黑龍江、遼寧等地最大凍土深度變淺速率要慢許多。平均氣溫變化為向上趨勢，氣候趨勢率為0.28 ℃/10a，平均氣溫和最大凍土深度呈現(xiàn)剪刀叉的變化趨勢；最大凍土深度氣候趨勢率差異較大，東北部的陵川站氣候趨勢率和西南部的陽城站氣候趨勢率均為負(fù)，且陵川站氣候趨勢率更大；變差系數(shù)，在0.21～0.29之間，最大變差系數(shù)和最小變差系數(shù)相差0.08，表明最大凍土深度穩(wěn)定性較好；最大凍土深度與日平均氣溫、逐日5～40 cm地溫均呈負(fù)相關(guān)。

3) 60 a晉城市凍土開始日期和結(jié)束日期氣候趨勢率分別為1.52 d/10a和-3.14 d/10a。M-K突變檢驗表明，全市各站均有突變發(fā)生，晉城觀測站和沁水有3個突變，其它3站只有1個突變；最大凍土深度周期變化主要為7～10a這個范圍內(nèi)比較明顯，與楊曉玲等[26]研究的甘肅省石羊河流域最大凍土深度的7～8 a周期變化，比較一致。晉城市凍土持續(xù)時間為127.6 d，氣候趨勢率為-3.2 d/10a，呈縮短的趨勢。