氣候變暖背景下青海三江源區(qū)季節(jié)凍土凍融特征研究

李萬志， 馬海玲， 龐昕瑋， 白文蓉， 李紅梅， 余 迪， 李漠雨

（1. 青海省氣候中心，青海 西寧 810001； 2. 高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院，青海 西寧 810001； 3. 常德市氣象局，湖南 常德 415000； 4. 中國科學(xué)院 大氣物理研究所，北京 100029）

0 引言

凍土是指溫度低于0 ℃且含冰的土壤或巖石，是一種對氣候變化十分敏感且性質(zhì)極不穩(wěn)定的土體［1-2］，其凍融過程是氣候變化的重要指示器［3-4］。凍土層作為一種特殊的區(qū)域性隔水層或弱透水層，它的存在及其對全球變化的響應(yīng)改變了寒區(qū)水文徑流和生態(tài)環(huán)境［5］。影響凍土最大季節(jié)凍結(jié)深度變化的成因十分復(fù)雜，氣候因素、地形因素和人為活動等均可對季節(jié)凍結(jié)深度產(chǎn)生影響，其中氣候因素影響較大。受氣候變暖影響，季節(jié)凍土厚度不斷變淺，多年凍土層變薄甚至消失［6-7］。近50 年來，中國地表氣溫升高了1.1 ℃，增溫速率明顯高于全球或北半球同期的增溫速率［8］。IPCC 第六次報(bào)告（AR6）指出，氣候變暖的速度正在加快，尤其是全球地表平均溫度的上升速率十分明顯［9］。

在受氣候變化影響的各圈層中，冰凍圈首當(dāng)其沖，是對氣候系統(tǒng)的反饋?zhàn)饔幂^為顯著和快速的圈層［10-13］。在極端天氣狀態(tài)下，青藏高原冰凍圈和相關(guān)聯(lián)的生態(tài)系統(tǒng)變化可能產(chǎn)生級聯(lián)放大的影響［14-15］。青藏高原是地球上面積最大的高海拔多年凍土區(qū)，占我國多年凍土總面積的70%左右［16-17］。Gao 等［18］、Guo 等［19］分別采用不同的物理模型模擬了流域尺度、青藏高原地區(qū)以及全球尺度的多年凍土變化，揭示出凍土的退化事實(shí)。尤其針對青藏高原的凍土變化，諸多研究表明，氣候變暖對該地區(qū)季節(jié)凍土影響主要表現(xiàn)為年最大凍結(jié)深度減小、凍結(jié)初始日推遲、融化終止日提前、凍結(jié)持續(xù)期縮短等變化趨勢［20-22］，導(dǎo)致該地區(qū)出現(xiàn)植被退化、冰川退縮等一系列生態(tài)環(huán)境問題［23-24］。因此，開展凍土變化特征研究，揭示凍土退化過程和機(jī)制，已成為氣候和冰凍圈科學(xué)研究迫在眉睫的任務(wù)。

青海三江源（本文簡稱三江源）地處青藏高原腹地，青海省南部，以山地地貌為主，山脈綿延，地形復(fù)雜，境內(nèi)河流密布，湖泊、沼澤眾多，雪山、冰川廣布，是長江、黃河、瀾滄江三大河流的發(fā)源地，也是中國乃至東亞地區(qū)重要的水資源保護(hù)區(qū)，具有高寒生物資源豐富、生態(tài)環(huán)境脆弱以及對氣候變化敏感的特征［25-26］。作為青藏高原生態(tài)屏障極為重要的組成部分，高亢的地勢和嚴(yán)寒的氣候使其成為我國典型的冰凍圈核心作用區(qū)之一［27］，大面積高原多年凍土的存在孕育了廣泛的高寒草原、高寒草甸與高寒濕地［26］，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能對中國的生態(tài)狀況及國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要的作用［29-30］。受氣候變暖和人為活動的共同影響，三江源正面臨著以“變暖變濕”為主的氣候變化，是全球氣候變化的敏感區(qū)和生態(tài)環(huán)境的脆弱區(qū)［31-33］?；诖?，本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，通過補(bǔ)充最近較長序列氣象臺站凍土深度和地溫等氣象觀測資料，對比分析氣候變暖前后三江源區(qū)的季節(jié)凍土凍融特征，研究成果可為三江源區(qū)高寒生態(tài)治理及寒區(qū)工程建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

三江源區(qū)地處青藏高原腹地，地理位置為31°39′～37°10′ N、89°24′～102°27′ E，海拔為2 800～6 564 m，面積為13.0×104km2，包括長江、黃河和瀾滄江源區(qū)等三大源區(qū)，其面積分別為13.0×104km2、11.8×104km2和5.4×104km2。境內(nèi)河流密布，湖泊、沼澤眾多，雪山冰川廣布，是中國面積最大的天然濕地分布區(qū)，被譽(yù)為“中華水塔”［34-35］。這里氣候?qū)俚湫透咴箨懶詺夂?，年溫差小、日溫差大，年平均氣溫?5.1～8.3 ℃；年降雨量為253.1～732.6 mm。

圖1 三江源區(qū)地形及氣象站點(diǎn)分布圖Fig. 1 Topography and distribution of meteorological stations in the Three-River Source Region on northeastern Qinghai-Tibet Plateau

1.2 數(shù)據(jù)來源

該研究數(shù)據(jù)主要采用三江源區(qū)18 個(gè)國家氣象站1961—2021 年的凍土、地溫以及氣溫觀測資料。資料均來自青海省氣象信息中心，并經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制（表1）。由于各氣象站季節(jié)凍結(jié)深度開始觀測年份不同，所以在做最大季節(jié)凍結(jié)深度特征研究時(shí)，剔除五道梁、沱沱河站點(diǎn)。其次，為保證時(shí)間年限的一致性，剩余各站最大季節(jié)凍結(jié)深度研究時(shí)間均從1981 年開始，清水河站1981—1989 年凍土觀測數(shù)據(jù)采用5 年滑動平均值進(jìn)行補(bǔ)充。所以，該研究主要基于16 個(gè)國家氣象站1981—2021 年凍土最大季節(jié)凍結(jié)深度觀測資料分析其變化特征。平均地表溫度、氣溫等觀測數(shù)據(jù)較為完整，在進(jìn)行季節(jié)凍結(jié)時(shí)間研究時(shí)采用1961—2021 年觀測數(shù)據(jù)。文中涉及的地圖是基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)（http：//bzdt. ch. mnr. gov. cn/）下載的審圖號為GS（2019）3266的青海省地圖制作，底圖無修改。

表1 三江源區(qū)氣象站點(diǎn)基本信息Table 1 Basic information of meteorological stations in the Three-River Source Region

1.3 研究方法

文中主要根據(jù)日平均地溫（0 cm）<0 ℃的開始和結(jié)束時(shí)間代表土的凍結(jié)和融化時(shí)間，地表土的凍結(jié)初日是上一年9 月1 日后淺表層土（0～3.2 m）第一次凍結(jié)日期，土的凍結(jié)終日是當(dāng)年8 月31 日前最后一次出現(xiàn)淺表層土（0～3.2 m）凍結(jié)的日期，年內(nèi)日平均地表溫度（0 cm）<0 ℃天數(shù)反映了凍土凍結(jié)時(shí)間，1 年中土的凍結(jié)深度的最大值為年最大凍結(jié)深度［36］。在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)采用了線性趨勢、累計(jì)距平［37］和顯著性t檢驗(yàn)［38］等方法。累積距平曲線是確定氣候突變的一種方法，計(jì)算公式為：

式中：Xi為氣象要素歷年值為氣象要素多年平均值，若氣象要素累積距平指標(biāo)絕對值達(dá)到最大時(shí)，所對應(yīng)的t為突變年份。同時(shí)，通過計(jì)算信噪比［39］檢驗(yàn)轉(zhuǎn)折是否達(dá)到氣候突變的標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 平均氣溫變化

1961—2021 年，三江源區(qū)年平均氣溫為-0.34 ℃，總體表現(xiàn)為顯著的升高趨勢，升溫速率為0.38 ℃·（10a）-1［圖2（a）］。氣溫的變化過程并不是持續(xù)、均勻的單調(diào)增暖，而是呈現(xiàn)出冷暖相間、波動上升的特點(diǎn)。20 世紀(jì)70 年代至90 年代后期平均氣溫相對較低，且變化較為平穩(wěn)，在1983 年出現(xiàn)最低值（-1.7 ℃），進(jìn)入21 世紀(jì)后氣溫開始呈現(xiàn)顯著增溫趨勢，并在2020 年達(dá)到最高值（2.0 ℃）。從三江源區(qū)年平均氣溫累積距平變化曲線來看，年平均氣溫累積距平呈明顯的“單谷型”分布，在1997年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，1997 年之前呈顯著的下降趨勢，并在1997年達(dá)到“谷底”后開始回升［圖2（b）］，計(jì)算其S/N值為1.2，大于1.0，說明1997 年為三江源區(qū)平均氣溫的突變年份，這與整個(gè)青藏高原年平均氣溫突變年份一致［40-41］。所以，在研究三江源區(qū)變暖前后凍土變化特征時(shí)，以1997 年為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，1997 年以前為變暖前期，之后為變暖后期。

圖2 1961—2021年三江源區(qū)年平均氣溫、年平均氣溫累計(jì)距平變化曲線（單位：℃）Fig. 2 Changing curve of annual average temperature （a） and cumulative annual average temperature anomaly （b）in the Three-River Source Region on northeastern Qinghai-Tibet Plateau from 1961 to 2021（unit： ℃）

通過三江源區(qū)國家基準(zhǔn)站年平均氣溫空間分布特征來看，年平均氣溫為-5.0～4.6 ℃，總體呈東高西低的趨勢，其中囊謙站年平均氣溫最高，五道梁站最低［圖3（a）］。從年平均氣溫變率空間分布來看，三江源區(qū)年平均氣溫變率為-0.03～0.83 ℃·（10a）-1，除河南站呈下降趨勢外，其他站均呈升溫趨勢，通過0.001顯著性水平檢驗(yàn)，其中同德站升溫速率最高［圖3（b）］。對比變暖前后各站平均氣溫差值得出，變暖后年平均氣溫較變暖前升高0.3～3.0 ℃，其中同德站增溫幅度最大，河南站增溫幅度最?。蹐D3（c）］。

圖3 1961—2021年三江源區(qū)年均氣溫（Tavg）、年均氣溫變率（Tslope）增暖前后氣溫差值（ΔT）空間分布圖Fig. 3 Spatial distribution of annual average temperature（Tavg） （a）， annual average temperature variability （Tslope）（b）and temperature difference before and after warming（ΔT） （c） in the Three-River Source Region on northeastern Qinghai-Tibet Plateau from 1961 to 2021

2.2 年最大季節(jié)凍結(jié)深度變化

1961—2021 年三江源區(qū)各站平均年最大季節(jié)凍結(jié)深度為142.5 cm，受氣溫變暖影響呈退化趨勢，退化速率為2.4 cm·（10a）-1。在年代變化上，20世紀(jì)80 年代后期至90 年代為季節(jié)凍結(jié)深度最大的時(shí)段，最大值出現(xiàn)在1986 年（172.7 cm）。進(jìn)入21世紀(jì)后，季節(jié)凍結(jié)深度開始出現(xiàn)明顯退化，在2019年出現(xiàn)最低值（108.8 cm）［圖4（a）］，且變暖后年最大季節(jié)凍結(jié)深度較變暖前減少了11 cm。

圖4 1961—2021年三江源區(qū)最大季節(jié)凍結(jié)深度（單位：cm）、最大季節(jié)凍結(jié)深度累積距平變化曲線及最大季節(jié)凍結(jié)深度（單位：cm）、最大季節(jié)凍結(jié)深度變率［單位：cm·（10a）-1］空間分布圖Fig. 4 Changing curve of annual maximum depth of frost penetration （unit： mm） （a）， cumulative anomaly of the mean annual maximun seasonal freezing depth （b）， spatial distribution map of the mean annual maximun seasonal freezing depth （unit： mm） （c），and change rate of the mean annual maximun seasonal freezing depth change rate ［unit： cm·（10a）-1］ （d） in the Three-River Source Region on northeastern Qinghai-Tibet Plateau from 1961 to 2021

從年最大季節(jié)凍結(jié)深度累積距平值來看，三江源區(qū)年最大季節(jié)凍結(jié)深度有兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，1979 年之前季節(jié)凍結(jié)深度變化相對平穩(wěn)，之后呈顯著增加趨勢，在2004 年達(dá)到峰值后開始呈減小趨勢［圖4（b）］。計(jì)算兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)S/N值，其中1979 年的S/N值為0.6，小于1.0，2004 年的S/N值為1.1，大于1.0，說明年最大季節(jié)凍結(jié)深度在2004年發(fā)生突變，突變后年最大季節(jié)凍結(jié)深度較之前減小了16.1 cm。年最大季節(jié)凍結(jié)深度雖然受氣溫變化影響，但其突變年份與氣溫突變年份相比有一定推后，說明季節(jié)凍結(jié)深度由于受其他因素影響，對氣溫變化有一定的滯后性，這與李林等［32］研究結(jié)論較為一致。

空間分布上，三江源區(qū)國家基準(zhǔn)站年最大季節(jié)凍結(jié)深度自西北向東南減小，最大值位于瑪多站（211.9 cm），最小值位于囊謙站（66.7 cm）［圖4（c）］?？臻g變率上，玉樹站、瑪多站、河南站年最大季節(jié)凍結(jié)深度呈增加趨勢，增加速率為0.07～4.0 cm·（10a）-1，其中玉樹站增加速率最大，其余13 站均呈減少趨勢，減少速率為1.1～16.8 cm·（10a）-1，曲麻萊站減少趨勢最顯著［圖4（d）］。對比變暖前后各站年最大季節(jié)凍結(jié)深度得出，玉樹站、瑪多站變暖后較變暖前季節(jié)凍結(jié)深度分別增加了6.1 cm 和8.6 cm，其余各站均出現(xiàn)退化，退化幅度為4.4～48.2 cm，其中清水河站退化幅度最大，治多站最小。

2.3 地表土的凍結(jié)初日、凍結(jié)終日變化

1961—2021 年，三江源區(qū)平均地表凍結(jié)初日為10 月24 日，呈顯著推遲趨勢，推遲速率為1.0 d·（10a）-1，通過0.001 顯著性水平檢驗(yàn)。在年代變化上，地表凍結(jié)初日在21 世紀(jì)前變化并不明顯，21世紀(jì)后明顯開始推遲，尤其近十年推遲趨勢明顯［圖5（a）］。

圖5 1961—2021年三江源區(qū)地表土的凍結(jié)初日、凍結(jié)終日變化曲線及氣候變暖前后各觀測站地表土的凍結(jié)初日和凍結(jié)終日變化Fig.5 Changes in of freezing onset date （a） and freezing end date （b） of ground surface soil in the Three-River Source Region on northeastern Qinghai-Tibet Plateau from 1961 to 2021 and changes in freezing onset date and freezing end date of ground surface soil at each station before and after climate warming （c）

平均地表凍結(jié)終日為5 月18 日，呈顯著提前趨勢，提前速率為3.3 d·（10a）-1，通過0.001 顯著性水平檢驗(yàn)。其中，地表凍結(jié)終日最晚的日期為1990年6月6日，最早日期為2021年4月21日［圖5（b）］。地表凍結(jié)初日和凍結(jié)終日在氣候變暖前后差異較大，變暖前凍結(jié)終日為5月22日，變暖后為5月10日，提前了12 d；而凍結(jié)初日在變暖前為9月25日，變暖后為10月9日，推遲了14 d，與氣溫變化有著很好的響應(yīng)。

從三江源區(qū)各站季節(jié)性凍土的凍結(jié)初日和凍結(jié)終日變化來看，澤庫站、治多站、瑪多站、清水河站、甘德站、達(dá)日站、河南站7 站在9 月就開始凍結(jié)，其中甘德站最早（9 月8 日），其余11 站在10 月才開始凍結(jié)，囊謙站最晚（10月24日）。同德站、玉樹站、囊謙站、班瑪站4 站在4 月就已經(jīng)開始消融，其中囊謙站最早（4 月17 日）；澤庫站、甘德站6 月開始消融，清水河站7 月開始消融，消融日期最晚，其余11站均是5月開始消融。從變暖前后各站地表的凍結(jié)初日和凍結(jié)終日變化來看，凍結(jié)初日除瑪多站提前外，其他各站均推遲。其中，瑪多站增暖后較增暖前凍結(jié)初日提前14 d，其余各站推遲2.1～28.6 d，曲麻萊站推遲時(shí)間最長。凍結(jié)終日各站提前0.3～45.1 d，其中瑪多站提前時(shí)間最長，班瑪站最短［圖5（c）］。

2.4 季節(jié)凍土凍結(jié)時(shí)間變化

三江源區(qū)季節(jié)性凍土的平均凍結(jié)時(shí)間為133.9 d，呈顯著減少趨勢，減少速率為1.9 d·（10a）-1。在年代變化上，20 世紀(jì)60 至70 年代凍結(jié)時(shí)間變化不明顯，80年代持續(xù)時(shí)間最長，90年代開始減少；進(jìn)入21世紀(jì)后減少趨勢尤為顯著，其中凍結(jié)時(shí)間最長的年份為1983 年（150.8 d），最短為2015 年（117.2 d）［圖6（a）］，且變暖前凍結(jié)時(shí)間為137.5 d，變暖后為128.7 d，相差8.8 d。從凍結(jié)時(shí)間累積距平值來看，三江源區(qū)季節(jié)性凍土的凍結(jié)時(shí)間累計(jì)距平呈“單峰型”分布，在2002 年之前呈增多趨勢，到2002 年達(dá)到頂峰后開始減少［圖6（b）］。計(jì)算其S/N值為1.2，大于1.0，說明凍結(jié)時(shí)間在2002年發(fā)生了突變，突變年份與年最大季節(jié)凍結(jié)深度突變年份一致，且受氣溫變化影響均具有一定的滯后性。

圖6 1961—2021年三江源區(qū)季節(jié)性凍土的凍結(jié)時(shí)間、凍結(jié)時(shí)間累計(jì)距平變化曲線Fig.6 Changing curve of seasonally frozen soil duration （a） and accumulated anomaly of seasonally frozen soil duration （b）in the Three-River Source Region on northeastern Qinghai-Tibet Plateau from 1961 to 2021

在空間分布上，三江源區(qū)各站季節(jié)性凍土的凍結(jié)時(shí)間為88.3～180.6 d，總體呈西高東低的趨勢，其中五道梁站凍結(jié)時(shí)間最長，囊謙站最短［圖7（a）］。在長期變化上，三江源區(qū)各站土的凍結(jié)時(shí)間均呈減少趨勢，速率為1.7～7.8 d·（10a）-1，均通過顯著性水平檢驗(yàn)。其中，河南站減少速率最小，同德站最大［圖7（b）］。對比變暖前后各站凍結(jié)時(shí)間變化得出，變暖后凍結(jié)時(shí)間較變暖前減少了8.6～27.4 d，其中同德站減少幅度最大，河南站最?。蹐D7（c）］。

圖7 三江源區(qū)季節(jié)性凍土的凍結(jié)時(shí)間、凍結(jié)時(shí)間變率、增暖前后凍結(jié)時(shí)間差空間分布圖Fig. 7 Spatial distribution of seasonally frozen ground duration （a）， seasonal ground freezing time variability （b） and seasonally frozen ground freezing time difference （c） before and after warming in the Three-River Source Region on northeastern Qinghai-Tibet Plateau

3 結(jié)論

通過1961—2021 年三江源區(qū)18 個(gè)國家氣象站的地溫、氣溫、凍土等觀測資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果，計(jì)算得出了三江源區(qū)氣溫、年最大季節(jié)凍結(jié)深度以及淺表層土的凍結(jié)時(shí)間的突變年份，并對比分析了氣候變暖前后季節(jié)凍土的變化特征，得到如下結(jié)論：

（1）三江源區(qū)年平均氣溫為-0.34 ℃，呈東高西低分布，總體以0.38 ℃·（10a）-1速率增溫。各站增溫速率在-0.03～0.83 ℃·（10a）-1之間，除河南站呈降低趨勢外，其他均呈升溫趨勢。三江源區(qū)年平均氣溫在1997年發(fā)生突變，且1997年為氣候變暖前后時(shí)間節(jié)點(diǎn)，與變暖前相比，各站增溫在0.3～3.0 ℃。

（2）三江源區(qū)平均年最大季節(jié)凍結(jié)深度為142.5 cm，呈西北高東南低分布，總體以2.4 cm·（10a）-1速率退化。除玉樹站、瑪多站、河南站呈增加趨勢外，其他各站均呈退化趨勢。較變暖前相比，年最大季節(jié)凍結(jié)深度退化了11 cm。除玉樹站、瑪多站季節(jié)凍結(jié)深度增加外，其他各站均出現(xiàn)退化。三江源區(qū)年最大季節(jié)凍結(jié)深度在2004 年發(fā)生了突變，突變年份與氣溫突變年份不一致，且具有一定的滯后性。

（3）三江源區(qū)平均地表凍結(jié)初日為10 月24 日，以1.0 d ·（10a）-1速率推遲，平均凍結(jié)終日為5 月18日，以3.3 d·（10a）-1速率提前?？臻g上，凍結(jié)初日甘德站最早、囊謙站最晚，凍結(jié)終日為囊謙站最早、清水河站最晚。與變暖前相比，凍結(jié)終日提前12 d，凍結(jié)初日推遲14 d，各站凍結(jié)初日除瑪多站提前外，其他均推遲，凍結(jié)終日則均呈出現(xiàn)提前。

（4）三江源區(qū)季節(jié)性凍土的平均凍結(jié)時(shí)間為133.9 d，呈西多東少分布，總體以1.9 d·（10a）-1速率減少，空間上各站也均呈減少趨勢。相比變暖前，各站凍結(jié)時(shí)間減少8.6～27.4 d，同德站減少幅度最大。三江源區(qū)土的凍結(jié)時(shí)間在2002 年發(fā)生了突變，突變年份與平均氣溫并不一致，說明土的凍結(jié)時(shí)間受氣溫變化影響具有一定的滯后性。

受氣候變暖影響，三江源區(qū)季節(jié)性凍土的凍結(jié)深度及凍結(jié)時(shí)間均呈減少趨勢，凍結(jié)終日呈提前趨勢，初日呈推遲趨勢。但通過計(jì)算季節(jié)凍結(jié)深度及凍結(jié)時(shí)間的突變年份，發(fā)現(xiàn)其與氣溫的突變年份并不一致，說明季節(jié)凍土變化在受氣候變暖影響的同時(shí)，還受人類活動、下墊面等其他因素影響，后期研究中還需進(jìn)一步加強(qiáng)該方面的研究，厘清季節(jié)凍土退化事實(shí)。同時(shí)，三江源區(qū)地廣人稀，站點(diǎn)稀疏，現(xiàn)有觀測站點(diǎn)數(shù)據(jù)并不能很好地反映三江源區(qū)季節(jié)凍結(jié)作用弱化的現(xiàn)象，后期還需加密觀測，使分析結(jié)果更加精確。