新疆石河子凍土特征及凍土融化期地溫、凍土深度預(yù)報研究

王嘯天，尹育紅，李紅英，高 宇，許浩翊

（1新疆石河子炮臺氣象站，新疆石河子 832066；2新疆石河子烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗站，新疆石河子 832000；3新疆石河子莫索灣氣象站，新疆石河子 832056）

0 引言

季節(jié)性凍土處于土壤溫度變化層的上部，對氣候變化十分敏感[1]，土壤凍結(jié)和融化過程對土木工程建設(shè)、公路、橋涵和鐵路設(shè)計均有較大的影響[2-4]。春季凍土融化及地溫變化對農(nóng)業(yè)及水利工程建設(shè)等影響最大，因此，研究掌握凍土融化特征，開展預(yù)測預(yù)報具有重要意義和實用價值。凍土的形成與地表面的輻射熱有關(guān)[5]，地表的熱力變化源于氣溫變化，氣溫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。王選耀等[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墾區(qū)地溫進(jìn)行預(yù)測，該研究未與實際的天氣預(yù)報結(jié)合，實用性較低。目前，對最大凍土深度預(yù)測研究的較多[15-16]，對春季凍土融化特征及春播前地溫變化研究的較少，而關(guān)于春季地溫及春播前凍土融化的預(yù)報業(yè)務(wù)在氣象部門還屬于空白。鑒于此，開展春播前期凍土融化及耕層地溫預(yù)測預(yù)報研究，對季節(jié)性凍土區(qū)域春季播種期以及橋涵土木工程建筑具有實用性。本研究結(jié)合前人研究成果，選擇新疆農(nóng)八師墾區(qū)作為研究對象，研究凍土變化特征及春季凍土融化及地溫預(yù)測預(yù)報方法，旨在為天氣預(yù)報服務(wù)于社會增加新的公益項目提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)地理概況

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師位于43°26′—45°20′N，84°58′—86°24′E，地處自治區(qū)北部的天山北麓中部，準(zhǔn)噶爾盆地的南緣，古爾班通古特大沙漠南緣地帶[17]，墾區(qū)面積7529 km2。墾區(qū)在天山以北，由南向北地形依次為天山山區(qū)、丘陵區(qū)、傾斜平原、沖積平原與鳳城沙漠區(qū)，平均海拔高度300～500 m。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶詺夂虻母珊禋夂騾^(qū)，夏季炎熱，冬季嚴(yán)寒，年平均氣溫7.5～9.1℃，日照2400～2800 h，年降水量180～280 mm，無霜期147～191天。大氣降水量少，而地表水和地下水豐富，地下水可采量3億m3；境內(nèi)有瑪納斯河、寧家河、大南溝河、金溝河及八音溝河等5條河流，年徑流量15.3億m3。

1.2 資料來源

新疆農(nóng)八師墾區(qū)有4個國家級氣象監(jiān)測站，分別是莫索灣、炮臺、石河子及烏蘭烏蘇氣象站。分別查得1964—2019年10月至翌年4月逐日凍土深度、逐日平均氣溫、逐日10 cm平均地溫資料。計算凍土融化期的正積溫，以及凍土最大深度、土壤凍結(jié)、融化初始日期、逐日融化深度、融通日期等相關(guān)資料。在建立預(yù)報模型過程中2018年和2019年不參加運算，預(yù)留驗證模型準(zhǔn)確率。

1.3 分析方法

分析凍土變化特征檢驗歷年要素隨時間變化趨勢，采用一元線性回歸方法[18]；檢驗凍土隨時間變化趨勢的顯著性采用序列間相關(guān)系數(shù)法[18]。相關(guān)分析及回歸分析在Excel軟件支持下進(jìn)行。

模型采用線性回歸方法，檢驗主要通過回代檢驗來分析模型的模擬值與實況值之間的吻合程度。預(yù)報準(zhǔn)確率用式(1)計算[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍土年變化特征

新疆農(nóng)八師墾區(qū)屬季節(jié)性凍土，最早9月下旬開始出現(xiàn)土壤非穩(wěn)定（日融夜凍）凍結(jié)現(xiàn)象，烏蘭烏蘇、平均在11月8日土壤穩(wěn)定凍結(jié)（≥10 cm，下同），炮臺、石河子、莫索灣平均在11月14—16日土壤穩(wěn)定凍結(jié)。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月中旬開始凍土融化，至4月中旬凍土全部融通。農(nóng)八師季節(jié)性凍土歷時190天左右，占全年的52.1%。晚秋和初冬時節(jié)非穩(wěn)定凍土期有30天左右，初春時節(jié)非穩(wěn)定凍土期約20天左右。穩(wěn)定凍土期（11月中旬至3月下旬）140天左右，占全年的38.4%。從圖1凍土?xí)r間分布看出，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天左右。

圖1 新疆農(nóng)八師墾區(qū)凍土年變化

2.2 凍土深度、凍結(jié)及化通日期年際變化

表1為新疆農(nóng)八師墾區(qū)1964—2019年凍土最大深度、凍土化通日期和結(jié)凍日期歷年變化趨勢特征值。烏蘭烏蘇凍土最大深度超過炮臺、石河子及莫索灣，并且凍土歷程要長達(dá)8～10天。1984年烏蘭烏蘇凍土深度出現(xiàn)最大值在160 cm以上，2001年莫索灣出現(xiàn)最小值僅為61 cm，平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為±15.0 cm。凍土最大深度隨著年度變化呈明顯逐漸變淺趨勢，農(nóng)八師墾區(qū)近56年凍土深度線性變淺30 cm。賈超[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26 cm。

深秋至初冬時節(jié)氣溫下降至0℃以下土壤出現(xiàn)凍結(jié)。農(nóng)八師墾區(qū)1964—2019年間非穩(wěn)定凍結(jié)日融夜凍現(xiàn)象一般出現(xiàn)在10月中下旬，而2002年出現(xiàn)在9月下旬，為歷年最早。如表1所示，穩(wěn)定凍結(jié)凍土初日平均在11月上中旬，烏蘭烏蘇早于其他地區(qū)6～8天。1968年穩(wěn)定凍結(jié)在10月26日為歷年最早，1994年出現(xiàn)在12月1日為歷年最晚，農(nóng)八師墾區(qū)穩(wěn)定凍結(jié)期變化在36天之內(nèi)，平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為±6.0天，有80%的年份集中在11月上中旬。根據(jù)表1分析結(jié)果，農(nóng)八師墾區(qū)近56年土壤穩(wěn)定凍結(jié)日期明顯推后，平均傾向率為1.87 d/10 a，線性推后約10天。

農(nóng)八師墾區(qū)少數(shù)年份在3月上旬深層凍土進(jìn)入融化期，如1970、1988、1993、2011年均在3月上旬凍土進(jìn)入融化期，91%的年份從3月中旬至4月上旬凍土層逐漸融通。農(nóng)八師墾區(qū)1964—2019年凍土化通日期平均在4月10日，烏蘭烏蘇比其他地區(qū)偏晚2～3天。2001年3月21日化通為歷年最早，1975年4月22日化通為歷年最晚，化通期限變化在32天之內(nèi)，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為±7天，有85%的年份在4月上中旬凍土化通。由表1分析結(jié)果計算，凍土層化通日期呈明顯提前趨勢，傾向率為-1.459 d/10 a，線性提前約8天。

表1 1964—2019年凍土最大深度、化通和結(jié)凍日期趨勢變化特征

2.3 凍土融化期

由表2看出，農(nóng)八師凍土融化時間從3月上中旬開始，到4月上中旬結(jié)束，用時1個月，烏蘭烏蘇較其他地區(qū)偏晚3～5天。在凍土達(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，而凍土深度隨日變化呈線性關(guān)系，其相關(guān)關(guān)系達(dá)到極顯著水平，平均融化速率3.1～4.0 cm/d。

表2 農(nóng)八師凍土融化日程與凍土融化速率

2.4 地溫預(yù)報模型

如圖2所示，10 cm日平均地溫與日平均氣溫存在良好的線性關(guān)系，4個區(qū)域站點相關(guān)系數(shù)均在0.980以上，其相關(guān)程度達(dá)到P＜0.01極顯著水平。由于10 cm地溫日變化與日平均氣溫呈顯著的線性關(guān)系，土壤溫度預(yù)報模型可用一元線性回歸方程表示，見表3。其預(yù)報模型如式(2)所示。

表3 預(yù)報模型及預(yù)報準(zhǔn)確率

圖2 10 cm地溫與平均氣溫的關(guān)系

式中，T1代表10 cm日平均地溫，T2代表日平均氣溫，a和b代表各站點模型的回歸參量。根據(jù)準(zhǔn)確率公式(1)，利用2018、2019年3—4月日平均氣溫數(shù)據(jù)代入預(yù)報模型進(jìn)行準(zhǔn)確率檢驗。從4個區(qū)域站點回代驗證結(jié)果得出，當(dāng)日平均氣溫T2≤0℃時，預(yù)報值T1與實測值差異較大，準(zhǔn)確率較低。隨著氣溫的逐漸回升，T2＞0℃時，預(yù)報值T1與實測值差值越來越小，準(zhǔn)確率越來越高，基本保持在96%以上。因此，該預(yù)報模型在日平均氣溫T2＞0℃時可以采用。此外，模型中T2是實測值，而實際運用模型預(yù)報時T2采用天氣滾動預(yù)報值代入再次預(yù)報10 cm日平均地溫，所以模型的準(zhǔn)確率要依附在天氣預(yù)報的準(zhǔn)確率之上。

2.5 土壤融化深度預(yù)報模型

土壤通過氣溫升高到0℃以上提高地溫儲存熱能來完成土壤融化，所以凍土融化過程需要一定熱量的積累。研究選取10 cm地溫逐日累加值的正積溫(ΣT)作為凍土融化深度(H)預(yù)報的熱能指標(biāo)。分析過程中分別選用土壤融化前3、2、1天和當(dāng)天的地溫累積與土壤融化深度進(jìn)行相關(guān)檢驗，結(jié)果提前2天的積溫累積與土壤融化深度線性相關(guān)最為顯著，達(dá)到P＜0.01水平。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關(guān)系圖。

根據(jù)圖3分析結(jié)果，凍土融化預(yù)報模型可用一元線性方程表示（表3）。其預(yù)報模型如式(3)所示。

圖3 凍土融化深度與正積溫的關(guān)系

式中，H代表凍土融化深度，ΣT代表10 cm日平均地溫累積（正積溫），k和c代表各站點的回歸參量。通過模型計算，當(dāng)土壤融化30 cm時，需要27～33℃·d，各地需要熱能源（正積溫）基本相同。反之，當(dāng)春季正積溫積累27～33℃·d時，凍土融化深度可達(dá)到30 cm。結(jié)合表3凍土最大深度與模型計算，凍土融化需要的正積溫為240.0～316.7℃·d。根據(jù)準(zhǔn)確率公式(3)，利用2018、2019年3—4月逐日累計正積溫數(shù)據(jù)代入預(yù)報模型進(jìn)行準(zhǔn)確率檢驗，準(zhǔn)確率在94%以上。

3 討論

3.1 凍土解凍日期提前的趨勢不穩(wěn)定

季節(jié)性凍土的結(jié)凍、融化變化過程與氣候變化有直接聯(lián)系，尤其與氣溫變化最為密切[19-20]，由于氣候變暖，使凍土深度變淺、凍結(jié)日期推后，融化初日、凍土融通日期變化趨勢提前，這與張威等[21]、賈超[20]、楊學(xué)強(qiáng)等[22]的研究結(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9日，比1964—2019年平均值還要晚9天，所以這種趨勢變化并非完全的線性變化過程。

3.2 天氣預(yù)報質(zhì)量直接影響凍土融化預(yù)報準(zhǔn)確率

當(dāng)春季氣溫上升0℃以上時，日平均氣溫與10 cm平均地溫有顯著的正相關(guān)關(guān)系?？梢酝ㄟ^日平均氣溫來預(yù)報10 cm平均地溫。但是，盡管地溫與平均氣溫具有很好的相關(guān)性，由于預(yù)報模型啟用的是氣象部門發(fā)布的短期或中期的滾動預(yù)報，天氣預(yù)報的準(zhǔn)確率也是制約10 cm地溫預(yù)報準(zhǔn)確率的現(xiàn)實問題，因此在做預(yù)報地溫過程中，為了更加接近真實情況，必須在使用過程中結(jié)合氣溫實況值進(jìn)行回歸訂正，并按照新回歸方程進(jìn)行預(yù)報，才能提高其準(zhǔn)確率。

3.3 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

受地理位置的影響，新疆農(nóng)八師墾區(qū)各地春季凍土深度及融化時間不盡一致，烏蘭烏蘇區(qū)域相對其他區(qū)域凍土融化偏晚約1周左右。凍土融化初日在3月中旬，融通時間在4月中旬。4月上中旬存在日融夜結(jié)非穩(wěn)定凍土現(xiàn)象，對春季早播作物、土木建筑可造成災(zāi)害風(fēng)險。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[23]、李?；ǖ萚24]、費曉玲等[25]的研究結(jié)果也證明了這一點。日融夜結(jié)非穩(wěn)定凍土在土木工程、路基、橋涵等建設(shè)中影響工程質(zhì)量，對墻體、基礎(chǔ)具有破壞作用[26-28]。

3.4 凍土觀測儀亟待解決

當(dāng)前氣象觀測延用的凍土器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人為誤差。另外，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)確的預(yù)報，成為服務(wù)于社會公益性項目，還需要進(jìn)一步開展多方面的研究。

4 結(jié)論

（1）季節(jié)性凍土受氣候變暖的影響，農(nóng)八師凍土最大深度沿著年際軌道逐漸變淺，穩(wěn)定凍結(jié)日期推后明顯，凍土層化通日期呈提前趨勢。

（2）農(nóng)八師初春時節(jié)凍土融化初日和融通日期有所提前。各地凍土融通的速率基本相近，平均融化速率3.1～4.0 cm/d。

（3）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)。10 cm日平均地溫預(yù)報模型準(zhǔn)確率在96.0%以上。

（4）初春時節(jié)正積溫對凍土融化深度具有顯著的線性關(guān)系(P＜0.01，r=0.98)。春季凍土融化深度的預(yù)報模型準(zhǔn)確率在94.0%以上。農(nóng)八師墾區(qū)春季正積溫積累27～33℃·d時，凍土融化深度可達(dá)到30 cm，即正積溫每增加1℃·d凍土融化約1 cm左右。