探索圖們市最大凍土深度變化的特征及其影響因子

尤建新，王興環(huán)，寇 宇，邱英強(qiáng)，高安芳

1.吉林省圖們市氣象局，吉林圖們 133100；2.延邊州氣象臺(tái)（延邊州海洋氣象臺(tái)），吉林延吉 133000

凍土是指含有水分的土壤因溫度下降到0℃或℃以下而呈凍結(jié)的狀態(tài)[1]。根據(jù)埋入土中的凍土器內(nèi)水結(jié)冰的部位和長(zhǎng)度，測(cè)定凍結(jié)層次及其上限和下限深度。凍土深度以厘米（cm）為單位，取整數(shù)，小數(shù)四舍五入。我國(guó)多屬于季節(jié)性凍土類型，即冬季凍結(jié)，夏季消融，多年凍土類型少[2]。凍土的凍結(jié)與消融活動(dòng)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、公路和鐵路建設(shè)、建筑業(yè)等有著重要的影響[3-6]。其凍土層深度由自然地理?xiàng)l件和土壤物理特性等因素決定。凍土對(duì)氣候變化敏感，溫度變化是凍土的重要影響因素。近幾十年來，凍結(jié)期推遲、融化期提前、凍結(jié)時(shí)間縮短的現(xiàn)象頻發(fā)[3]。凍土要素有無變化，如氣候變化對(duì)其有何影響，是值得深入研究的課題。

1 資料與方法

研究所用資料來源于圖們國(guó)家氣象觀測(cè)站1976—2020年最大凍土深度，冬季11月至翌年3月平均氣溫、最大積雪深度、最低平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速等氣象資料，主要采用線性趨勢(shì)和氣候傾向率、相關(guān)分析和回歸分析等方法[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 最大凍土深度的年際變化特征

1976—2020年間冬季凍土最大深度總體上是波動(dòng)性減小的，近45年來，平均凍土深度122.76 cm，其減小速率為0.904 cm/10年，最大凍土深度181 cm（出現(xiàn)在1976年），最小凍土深度92 cm（出現(xiàn)在2001年）。但是從2008年后最大凍土深度基本上都高于平均凍土深度（除2016年119 cm和2019年114 cm，2020年122 cm外）。最大凍土深度的年代變化分析表明，自20世紀(jì)80年代以來最大凍土深度開始減小，20世紀(jì)90年代凍土深度減小幅度更為顯著（表1）。凍土深度較小反映了我國(guó)北方大部地區(qū)冬季氣候變暖的事實(shí)，尤其與20世紀(jì)90年代是最暖10年的結(jié)論相一致，這進(jìn)一步說明了凍土要素對(duì)氣候變化響應(yīng)的敏感性。土壤凍結(jié)是土壤中所含水分凍結(jié)的一種特有物理現(xiàn)象，這一特有物理特性，使其具有對(duì)氣候變化敏感性[8]。已有研究指出，決定土壤凍結(jié)深度的因子有氣溫、地溫、地面覆蓋物、土壤含水量以及土壤與積雪的熱力特性等。研究主要從氣溫、積雪、日照、風(fēng)速對(duì)凍土深度的影響因素進(jìn)行分析[9]。

表1 平均凍土深度、最大凍土深度的年代際變化

表1分析了圖們市近45年平均凍土深度與最大凍土深度的年代際變化，以10年段的年代際變化進(jìn)行分析，圖們市近45年平均凍土深度值和最大凍土深度值均呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢(shì)。20世紀(jì)90年代凍土最低。

圖1分析了近45年凍土初終日數(shù)與最大凍土深度的變化，結(jié)果顯示：年最大凍土深度越大，凍土初終日數(shù)也越大，變化趨勢(shì)幾乎相同。年凍土初終日數(shù)呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，其減小速率為3.626 d/10年。凍結(jié)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為1976年的196 d，最小為2013年的141 d。

圖1 1976—2020年圖們市凍土初終日數(shù)及其最大凍土深度的關(guān)系

2.2 凍土深度變化的氣象因子

2.2.1 冬季11月至翌年3月平均氣溫與最大凍土深度的關(guān)系圖們國(guó)家氣象觀測(cè)站1976—2020年冬季11月至翌年3月平均氣溫整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，線性趨勢(shì)方程為y= 0.0265x-6.8839，上升傾斜率為0.265℃/10年。最大凍土深度隨著冬季11月至翌年3月平均氣溫的升高而減小，兩者之間相關(guān)系數(shù)為-0.600，通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，呈負(fù)相關(guān)。溫度的升高在一定程度上對(duì)最大凍土深度的減小產(chǎn)生了影響。

2.2.2 年日照時(shí)數(shù)與最大凍土深度的關(guān)系圖們國(guó)家氣象觀測(cè)站1976—2020年的年日照時(shí)數(shù)整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，線性趨勢(shì)方程為y= 5.1x+ 2137.9，上升傾斜率為51 h/10年。最大凍土深度隨著年日照時(shí)數(shù)的增多而減小，兩者之間相關(guān)系數(shù)為-0.445，通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，呈負(fù)相關(guān)。

2.2.3 年最大積雪深度與最大凍土深度的關(guān)系積雪覆蓋一定程度上能夠?qū)Φ孛嫫鸬奖氐淖饔茫瑘D們國(guó)家氣象觀測(cè)站1976—2020年最大積雪深度整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，線性趨勢(shì)方程為y= 0.0235x+ 15.572，上升傾斜率為0.235 cm/10年。最大凍土深度隨著年最大積雪深度的升高而減小，兩者之間相關(guān)系數(shù)為-0.331，通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，成負(fù)相關(guān)。

2.2.4 年平均最低溫度與最大凍土深度的關(guān)系圖們國(guó)家氣象觀測(cè)站1976—2020年年平均最低氣溫整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，線性趨勢(shì)方程為y= 0.0247x+0.5782，上升傾斜率為0.247℃/10年。最大凍土深度隨著年平均氣溫的升高而減小，兩者之間相關(guān)系數(shù)為-0.344，通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，呈負(fù)相關(guān)。

圖2 1976—2020年圖們市11月至翌3月平均溫度及其最大凍土深度的關(guān)系

圖3 1976—2020年圖們市年日照時(shí)數(shù)及其最大凍土深度的關(guān)系

圖4 1976-2020年圖們市年最大積雪深度及其最大凍土深度的關(guān)系

圖5 1976-2020年圖們市年平均最低氣溫及其最大凍土深度的關(guān)系

2.2.5 年平均風(fēng)速與最大凍土深度的關(guān)系圖們國(guó)家氣象觀測(cè)站1976—2020年年平均風(fēng)速整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，線性趨勢(shì)方程為y= -0.0127x+ 2.7613，下降傾斜率為0.127（m/s）/10年。最大凍土深度隨著年平均風(fēng)速的增加為增加，兩者之間相關(guān)系數(shù)為0.405，通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，呈正相關(guān)。

圖6 1976-2020年圖們市年平均風(fēng)速及其最大凍土深度的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）1976—2020年間圖們市冬季凍土最大深度總體上是波動(dòng)性減小的，近45年平均凍土深度122.76 cm，其減小速率為0.904 cm/10年。年最大凍土深度越大，凍土初終日數(shù)也越大，變化趨勢(shì)幾乎相同。年凍土初終日數(shù)呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，其減小速率為3.626 d/10年。

（2）最大凍土深度的年代變化分析表明，自20世紀(jì)80年代以來最大凍土深度開始減小，20世紀(jì)90年代凍土深度減小幅度更為顯著。凍土深度較小，反映了我國(guó)北方大部地區(qū)冬季氣候變暖的事實(shí)，尤其與20世紀(jì)90年代是最暖的10年結(jié)論相一致，這進(jìn)一步說明了凍土要素對(duì)氣候變化響應(yīng)的敏感性。

（3）通過分析可見最大凍土深度與冬季11月至翌年3月平均氣溫相關(guān)性最好，其次是日照時(shí)數(shù)，再次是年平均風(fēng)速和年平均最低溫度，最后是最大積雪深度。最大凍土深度與冬季11月至翌年3月平均氣溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)通過了信度為0.01的顯著性檢驗(yàn)。最大凍土深度與年日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)通過了信度為0.01的顯著性檢驗(yàn)。最大凍土深度與年平均風(fēng)速呈現(xiàn)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)通過了信度為0.01的顯著性檢驗(yàn)。最大凍土深度與年平均最低溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)通過了信度為0.05的顯著性檢驗(yàn)。最大凍土深度與年最大積雪深度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)通過了信度為0.05的顯著性檢驗(yàn)。