基于合成分析的延吉市季節(jié)凍土對(duì)氣候變化響應(yīng)

王昊 李春景 趙晶

摘 要：利用1965—2018年延吉站的氣溫、降水、地表溫度、凍土凍結(jié)日數(shù)等數(shù)據(jù)，采用合成分析，結(jié)合Mann-Kendall檢驗(yàn)、回歸分析等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，研究了吉林省延吉市54年來(lái)的負(fù)積溫以及凍土凍結(jié)日數(shù)年際變化特征、對(duì)負(fù)積溫與凍土凍結(jié)日數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了量化，并對(duì)突變后負(fù)積溫降低但凍結(jié)日數(shù)依舊減少的原因進(jìn)行了研究。Mann-Kendall檢驗(yàn)表明突變發(fā)生于1992年，因此將整個(gè)時(shí)間序列劃分為1965—1992和1993—2018兩部分進(jìn)行了合成分析，結(jié)果表明：突變發(fā)生前年負(fù)積溫增溫速率快，但凍土凍結(jié)日數(shù)減少速率慢;突變發(fā)生后年負(fù)積溫增溫速率慢，但凍土凍結(jié)日數(shù)減少速率快。冬季降水會(huì)呈現(xiàn)出保溫作用，從而減少凍結(jié)日數(shù)。結(jié)果可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)制度及技術(shù)的改進(jìn)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：延吉市;凍土;負(fù)積溫;冬季降水量;合成分析

中圖分類號(hào) P642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2022）11-0166-04

Response of Seasonal Permafrost to Negative Accumulated Temperature in Yanji City based on Synthetic Analysis

WANG Hao1? ?LI Chunjing1? ?ZHAO Jing2

（1School of Geography and Marine Science， Yanbian University， Yanji 133002， China; 2Yanbian Korean Autonomous Prefecture Meteorological Bureau， Yanji 133002， China）

Abstract： Based on the data of air temperature， precipitation， surface temperature and days of frozen soil at Yanji Station from 1965 to 2018， combined with statistical methods such as Mann-Kendall test and regression analysis， synthetic analysis was adopted.This paper studies the interannual variation characteristics of negative accumulated temperature and frozen days of frozen soil in Yanji City， Jilin Province in the past 54 years， quantifies the relationship between negative accumulated temperature and frozen days of frozen soil， and studies the reasons why the negative accumulated temperature decreases but the frozen days still decrease after the mutation.The Mann-Kendall test showed that the mutation occurred in 1992， so the whole time series was divided into two parts： 1965—1992 and 1993—2018. The results showed that the rate of increase of negative accumulated temperature in the year before the mutation occurred was fast， but the rate of decrease of frozen days was slow.After the mutation occurred， the annual negative accumulated temperature increased slowly， but the freezing days of frozen soil decreased rapidly.Precipitation in winter tends to have an insulating effect， thereby reducing the number of freezing days.The results can provide scientific data support for the improvement of agricultural production system and technology.

Key words： Yanji City; Permafrost; The negative accumulated temperature; Synthetic analysis

凍土一般指在0℃以下，并含有冰的各種土壤和巖石，是冰凍圈的重要組成部分，對(duì)全球變暖敏感且對(duì)工程穩(wěn)定性影響顯著[1-2]。目前相關(guān)的研究主要集中于氣溫對(duì)凍土的影響，且主要是平均氣溫與凍土的關(guān)系研究，研究的區(qū)域主要是我國(guó)青藏高原地區(qū)。但我國(guó)高緯度及高海拔地區(qū)均凍土廣布，凍土總面積居世界第3位[3]，除青藏高原外，我國(guó)北方地區(qū)，尤其是東北地區(qū)也是凍土廣布的區(qū)域。而東北地區(qū)的自然地理環(huán)境與青藏高原地區(qū)相差甚遠(yuǎn)，因此氣候要素與凍土之間量化的關(guān)系也存在較大差異。凍土凍結(jié)與消融會(huì)導(dǎo)致已有的基礎(chǔ)設(shè)施，如公路、鐵路等交通線變形，季節(jié)性凍土的消融還會(huì)導(dǎo)致建筑的地基不穩(wěn)固，造成安全風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)也增大了施工難度，如青藏鐵路建設(shè)時(shí)期遇到的諸多困難。且土壤的凍融作用會(huì)影響中高緯度以及山區(qū)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)以及土壤有效養(yǎng)分的積累[4]。東北地區(qū)作為我國(guó)的老工業(yè)基地，人口較青藏高原稠密，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)也更加頻繁。因此，從短時(shí)間尺度來(lái)看，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和交通線維護(hù)方面，凍土消融對(duì)東北地區(qū)的影響大于對(duì)青藏高原地區(qū)的影響，而對(duì)該區(qū)域的凍土研究目前較少，因此對(duì)東北地區(qū)的凍土研究任務(wù)較為緊迫。延吉市位于我國(guó)東北地區(qū)，地溫冷害以及凍融作用導(dǎo)致的土壤養(yǎng)分變化易造成該地區(qū)農(nóng)作物減產(chǎn)等危害，因此揭示該地區(qū)的凍土與氣候變化關(guān)系可以為該地區(qū)生產(chǎn)生活提供一定的依據(jù)[5]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 延吉市位于42°50′N至43°23′N;129°01′E至129°48′E之間，吉林省東部，長(zhǎng)白山西北側(cè)[6]。境內(nèi)三面環(huán)山，平均海拔約150m，西側(cè)為布爾哈通河的山間沖積平原，地勢(shì)東北高西南低，整體位于山間盆地，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，受日本海影響，多陰寡照[7]，多年平均降水量為602.5mm，降水主要集中于6—9月。區(qū)域內(nèi)植被包括落葉闊葉林、針闊葉混交林、草甸等[8]。土壤主要以暗棕壤為主。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源 采用了來(lái)自延邊朝鮮族自治州延吉?dú)庀笳?965—2018年共54a的觀測(cè)資料。數(shù)據(jù)包括：逐日氣溫、逐日地表溫度、逐月降水量和逐年季節(jié)凍土凍結(jié)日數(shù)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)均由延邊朝鮮族自治州氣象局提供。

2 結(jié)果與分析

2.1 突變發(fā)生時(shí)間 突變是發(fā)生在氣候變化中的普遍且重要的現(xiàn)象，進(jìn)行突變分析對(duì)分析氣候變化情況具有重要的作用[9]。確定突變時(shí)間的方法包括累積距平、Mann-Kenddall檢驗(yàn)和滑動(dòng)t檢驗(yàn)等多種方法[10]。其中Mann-Kenddall檢驗(yàn)方法屬于非參數(shù)方法，它有不需要樣本遵從一定的分布，結(jié)果也不受少數(shù)異常值干擾的優(yōu)點(diǎn)[11]。同時(shí)也是目前在氣候突變分析中應(yīng)用較多的一種檢驗(yàn)方法[12]。因此采用了Mann-Kendall法對(duì)凍土凍結(jié)日數(shù)進(jìn)行突變檢測(cè)（圖1）。

突變分析結(jié)果表明，正序列與反序列曲線只出現(xiàn)了1個(gè)交點(diǎn)，且該交點(diǎn)在0.05顯著性水平臨界直線之間，其對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)是1992年，因此可以認(rèn)為該地凍土凍結(jié)日數(shù)發(fā)生了1次突變，突變時(shí)間為1992年。

確定突變分析時(shí)間后，將突變時(shí)間作為界限將整個(gè)時(shí)間序列劃分為突變發(fā)生前和突變發(fā)生后兩部分進(jìn)行合成分析[13]。因此，將時(shí)間序列劃分為1965—1992年和1993—2018年兩部分。

2.2 年際及年代際變化特征

2.2.1 年負(fù)積溫及凍結(jié)日數(shù)年際變化特征 延吉市季節(jié)性凍土主要于10月中下旬開(kāi)始凍結(jié)，于次年4月下旬至5月上旬徹底化通[14]，由此可以發(fā)現(xiàn)凍土凍結(jié)期與氣溫低于0℃時(shí)間基本一致，因此選取負(fù)積溫作為氣溫指標(biāo)與凍土凍結(jié)日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

為了明確突變前后年負(fù)積溫以及凍土凍結(jié)日數(shù)的年際變化特征，因此采用氣候傾向率方法對(duì)該地區(qū)的年負(fù)積溫和凍土凍結(jié)日數(shù)進(jìn)行了分析。氣候傾向率用一次線性方程y=a+bt表示，y為氣候要素、a為常數(shù)項(xiàng)、t為時(shí)間，把b*10稱為每10a的氣候傾向率[15]，其單位為℃·10a-1或cm·10a-1。其中圖2為突變發(fā)生前的年際變化特征，圖3為突變發(fā)生后的年際變化特征。

突變發(fā)生之前（圖2），年負(fù)積溫總體上呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，增溫率為98.504℃·10a-1，凍土凍結(jié)日數(shù)則呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，減少速率為3.599d·10a-1。突變發(fā)生之后（圖3），年負(fù)積溫總體上呈現(xiàn)不甚明顯的下降趨勢(shì)，降溫率為12.564℃·10a-1，凍土凍結(jié)日數(shù)也呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，減少速率為4.612d·10a-1。對(duì)圖2和圖3進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，突變后負(fù)積溫的年際變率增大，上升開(kāi)始停滯，但是凍土凍結(jié)日數(shù)的減少速率卻上升了。

2.2.2 年負(fù)積溫及凍結(jié)日數(shù)年代際變化特征 采用移動(dòng)平均法對(duì)年負(fù)積溫以及凍土凍結(jié)日數(shù)進(jìn)行了年代際變化的分析。在這里取5a為步長(zhǎng)，通過(guò)平均的方法較為有效的消除掉了整個(gè)時(shí)間序列中的隨機(jī)波動(dòng)[16]，從而更好地體現(xiàn)出年代際變化特征。

從5a移動(dòng)平均曲線可以看出：年負(fù)積溫的年代際變化特征是“緩慢上升-急劇上升-平穩(wěn)”（圖4）;凍土凍結(jié)日數(shù)的年代際變化特征是“平穩(wěn)-急劇下降-平穩(wěn)”（圖5）。其中凍土凍結(jié)日數(shù)的波動(dòng)幅度大于年負(fù)積溫的波動(dòng)幅度，說(shuō)明凍土凍結(jié)日數(shù)對(duì)氣候變化的響應(yīng)較為敏感。除此以外，觀察突變前后平均值可以發(fā)現(xiàn)：突變發(fā)生前年負(fù)積溫的平均值為-1288.33℃，突變發(fā)生后年負(fù)積溫的平均值為-1143.36℃，突變后比突變前升高了144.97℃，證明該區(qū)域的年負(fù)積溫發(fā)生了1次暖突變;突變發(fā)生前凍結(jié)日數(shù)的平均值為183.39d，突變發(fā)生后凍結(jié)日數(shù)的平均值為164.5d，突變后比突變前減少了18.89d，證明該區(qū)域的凍結(jié)日數(shù)從相對(duì)偏長(zhǎng)期躍變到了相對(duì)偏短期。

2.3 凍土凍結(jié)日數(shù)對(duì)負(fù)積溫變化的響應(yīng) 利用SPSS軟件對(duì)突變發(fā)生前后的凍土凍結(jié)日數(shù)與年負(fù)積溫分別進(jìn)行了皮爾森相關(guān)分析和一元線性回歸分析，得出了凍土凍結(jié)日數(shù)與年負(fù)積溫之間的一元線性回歸方程以及對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)。

由一元線性回歸方程可以得出，在發(fā)生突變前后，凍結(jié)日數(shù)與年負(fù)積溫均呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，代表凍土凍結(jié)日數(shù)的變化趨勢(shì)與年負(fù)積溫的變化趨勢(shì)相反，即隨著年負(fù)積溫的升高凍土凍結(jié)日數(shù)會(huì)相應(yīng)減少，所以可以認(rèn)為年負(fù)積溫的升高是凍土凍結(jié)日數(shù)縮短的直接原因之一，結(jié)果均通過(guò)了0.05顯著性水平檢驗(yàn)。但是，突變發(fā)生前，年負(fù)積溫每升高100℃，凍土凍結(jié)日數(shù)減少2.9d;突變發(fā)生后，年負(fù)積溫每升高100℃，凍土凍結(jié)日數(shù)減少4.1d，這說(shuō)明突變發(fā)生后凍土凍結(jié)日數(shù)對(duì)年負(fù)積溫變化的響應(yīng)更加敏感。

2.4 冬季降水對(duì)地表溫度的影響 由負(fù)積溫和凍土凍結(jié)日數(shù)的年際變化圖可以發(fā)現(xiàn)，在突變后負(fù)積溫出現(xiàn)了緩慢下降的趨勢(shì)，但是同時(shí)凍土凍結(jié)日數(shù)呈現(xiàn)出比突變前更加迅速的減少趨勢(shì)。這一情況與凍土凍結(jié)日數(shù)與負(fù)積溫應(yīng)當(dāng)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系的結(jié)果不符。

于小舟等研究表明冬季積雪對(duì)0～20cm的土壤有較好的保溫作用[17]，任景全等研究表明在季節(jié)凍土穩(wěn)定凍結(jié)階段，地表有積雪覆蓋與裸地相比，在穩(wěn)定的積雪覆蓋下有顯著的保溫作用[14]，在阿爾泰山南坡的季節(jié)凍土區(qū)，積雪深度的變化導(dǎo)致年最大凍土深度下降了44.5cm[18]。由此可見(jiàn)季節(jié)凍土對(duì)積雪的變化比較敏感。

由于缺少積雪深度數(shù)據(jù)，而研究區(qū)內(nèi)冬季降水形式均為降雪，且溫度均低于0℃，因此采用了冬季降水量代替積雪深度進(jìn)行分析。

將地表溫度與氣溫的差值曲線與冬季降水量曲線進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)其變化趨勢(shì)基本一致（圖6），結(jié)合前人的研究結(jié)果可以證明在延吉市冬季降水對(duì)土壤存在明顯的保溫作用，且年平均地表溫度與季節(jié)凍土凍結(jié)日數(shù)的皮爾森相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.7，因此可以認(rèn)為冬季降水量與季節(jié)凍土凍結(jié)日數(shù)存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

觀察突變前后的冬季降水量平均值可以發(fā)現(xiàn)，突變發(fā)生前冬季降水量平均值為14.95mm;突變發(fā)生后冬季降水量平均值為17.18mm，突變后比突變前增加了2.23mm。所以，突變后冬季降水量增加導(dǎo)致對(duì)土壤的保溫作用增強(qiáng)，從而出現(xiàn)了雖然年負(fù)積溫出現(xiàn)緩慢下降但季節(jié)凍土的凍結(jié)日數(shù)仍舊急劇減少的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果表明延吉市的凍土凍結(jié)日數(shù)于1992年發(fā)生了1次突變，所以采用1992年作為臨界點(diǎn)將整個(gè)氣候序列分成突變前后兩段進(jìn)行了合成分析，然后分別分析了負(fù)積溫和凍土凍結(jié)日數(shù)的年際變化、年代際變化和線性關(guān)系。

年際變化方面，負(fù)積溫在突變前呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，在突變后則呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，凍土凍結(jié)日數(shù)則在突變前后均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，并且在突變后下降速率更高;年代際變化方面，負(fù)積溫突變后比突變前升高了144.97℃，從相對(duì)偏冷期轉(zhuǎn)入了相對(duì)偏暖期，凍土凍結(jié)日數(shù)突變后比突變前減少了18.89d，從凍結(jié)相對(duì)偏長(zhǎng)期轉(zhuǎn)入了相對(duì)偏短期;最小二乘法得出的一元線性回歸模型表明突變前后凍結(jié)日數(shù)與年負(fù)積溫均呈現(xiàn)出較為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且凍結(jié)日數(shù)對(duì)負(fù)積溫變化的響應(yīng)由-2.9d·100℃-1變?yōu)?4.1d·100℃-1，說(shuō)明突變后凍土凍結(jié)日數(shù)對(duì)負(fù)積溫的變化更加敏感;冬季降水量曲線與地氣溫差曲線存在較好的一致性，且突變發(fā)生后冬季降水量的多年平均值升高了2.23mm，結(jié)合前人研究結(jié)果，說(shuō)明了凍結(jié)日數(shù)與冬季降水量存在著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（41830643）。

作者簡(jiǎn)介：王昊（1997—），男，山西忻州人，在讀碩士，研究方向：自然地理學(xué)。

通訊作者：李春景（1966—），女，黑龍江綏化人，副教授，研究方向：自然地理學(xué)。? 收稿日期：2021-06-05