慶陽市凍土人工與自動(dòng)觀測(cè)對(duì)比分析

李美瑜，柳家祺，李甲平，張?zhí)旆?，周忠文，張雪?/p>

1.甘肅省正寧縣氣象局，甘肅正寧 745300；2.慶陽市氣象局，甘肅慶陽 745000；3.甘肅省合水縣氣象局，甘肅合水 745400

凍土是指具有負(fù)溫或0 ℃溫并含有冰的土類和巖石，按處于凍結(jié)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間通常劃分為短期凍土、季節(jié)凍土和多年凍土[1]。它是對(duì)溫度十分敏感且性質(zhì)極不穩(wěn)定的土體。凍土是巖石圈—土壤—大氣圈系統(tǒng)熱質(zhì)交換過程中形成的，自然界許多地理地質(zhì)因素參與這一過程，影響和決定凍土的形成和發(fā)展，氣候是其中一個(gè)重要因素[2]。20世紀(jì)以來，全球正經(jīng)歷一段以變暖為主要特征的時(shí)期，在全球變暖和人為活動(dòng)作用加強(qiáng)的背景下凍土環(huán)境發(fā)生了變化，研究?jī)鐾恋淖兓哂兄匾饬x[3]。陳博等[4]分析研究了近50年來中國季節(jié)性凍土及短時(shí)凍土的時(shí)空變化特征；郭慧等[5]分析研究了甘肅河西季節(jié)凍結(jié)深度年代際變化特征及其氣候成因；黃斌等[6]研究了祁連山北麓春季凍土深度對(duì)氣溫變化的響應(yīng)。

目前，凍土觀測(cè)仍使用達(dá)尼林凍土器，停留在人工觀測(cè)階段，2021年國家安排部署在全國24個(gè)省安裝凍土自動(dòng)觀測(cè)儀，開展凍土自動(dòng)與人工平行觀測(cè)。關(guān)于凍土自動(dòng)觀測(cè)儀的研究，多傾向于不同型號(hào)凍土儀的性能對(duì)比分析、自動(dòng)凍土儀的設(shè)計(jì)與研究試驗(yàn)等，對(duì)凍土自動(dòng)與人工觀測(cè)的對(duì)比分析研究較少。針對(duì)慶陽市2021—2023年凍土自動(dòng)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，研究其一致性與差異性，并查找造成差異的原因，為研究?jī)鐾疗叫杏^測(cè)效果提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

原始資料來源于慶陽市8個(gè)國家基本氣象站1968—2021年逐日凍土數(shù)據(jù)、逐日平均氣溫、最低氣溫、0～320 cm地溫、地面最低溫度及2021—2023年自動(dòng)與人工凍土對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)等。主要運(yùn)用相關(guān)性分析、線性趨勢(shì)分析、M-K突變檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍土的基本變化特征

分析研究慶陽市8個(gè)站點(diǎn)1968—2021年的凍土數(shù)據(jù)，得出慶陽地區(qū)的凍土?xí)r段一般出現(xiàn)在11月至翌年4月期間，最大凍結(jié)深度出現(xiàn)在2月前后。慶陽市最大凍土深度出現(xiàn)在環(huán)縣110 cm，鎮(zhèn)原的最大凍土深度在全市范圍最小為66 cm。慶陽市50多年平均最大凍土深度呈下降趨勢(shì)，平均下降幅度為4.28 cm/10年（圖1），8個(gè)縣區(qū)下降幅度有所相同（表1），其中，西峰下降幅度最大為6.86 cm/10年，環(huán)縣次之為6.81 cm/10年，下降幅度最小的為鎮(zhèn)原1.29 cm/10年。通過對(duì)最大凍土深度做M-K突變檢驗(yàn)（圖2），分析得出突變點(diǎn)在1997年，即1997年后最大凍土深度開始顯著下降，與慶陽地區(qū)氣溫突變的年份相一致，說明在全球變暖的大背景下，慶陽市最大凍土深度也在逐漸下降。

表1 各縣區(qū)平均最大凍土深度氣候傾向率

圖1 慶陽市平均最大凍土深度變化趨勢(shì)

圖2 慶陽市最大凍土深度M-K突變檢驗(yàn)

2.2 凍土與氣象因子的相關(guān)性分析

利用1968—2021年凍土與各氣象因子日數(shù)據(jù)作相關(guān)性分析，分析得出凍土與氣溫、最低氣溫、0～80 cm地溫及地面最低溫度呈負(fù)相關(guān)（表2），其中與5～40 cm地溫的相關(guān)性更好，隨著地溫深度的增加相關(guān)性越好，但到80 cm地溫相關(guān)性又降低，該規(guī)律與各站凍土凍結(jié)深度相匹配。計(jì)算各站50多年來平均凍土深度，其中環(huán)縣為80 cm，慶城為65 cm，其余各縣均在50～60 cm之間，除環(huán)縣外，其余站點(diǎn)最大凍土深度達(dá)到80 cm的年份較少，呈現(xiàn)出與80 cm地溫的相關(guān)性降低的現(xiàn)象。自動(dòng)凍土與氣象因子作相關(guān)性分析，結(jié)果與人工凍土一致。

表2 慶陽市凍土深度與氣象因子Pearson相關(guān)系數(shù)

2.3 自動(dòng)與人工凍土數(shù)據(jù)對(duì)比分析

通過對(duì)比分析8個(gè)基本站2021—2022年、2022—2023年度自動(dòng)與人工凍土數(shù)據(jù)（圖3），得出除華池外其他站點(diǎn)2022—2023年度數(shù)據(jù)一致性較2021—2022年度要好，但仍有部分日數(shù)自動(dòng)與人工凍土差異較大，時(shí)段主要出現(xiàn)在2—3月凍土分層階段，通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)人工與自動(dòng)凍土差異較大的日數(shù)均為凍土出現(xiàn)分層的日數(shù)，自動(dòng)與人工分層數(shù)據(jù)不一致，該日數(shù)氣溫和淺層地溫往往處于正負(fù)值交替出現(xiàn)的過渡區(qū)。

將2021—2022、2022—2023年度自動(dòng)與人工凍土差異進(jìn)行對(duì)比分析（圖4），得出2022—2023年正寧、鎮(zhèn)原、慶城、環(huán)縣的差值較2021—2022年度明顯減小，寧縣、華池、西峰2個(gè)年度變化不明顯，合水差值由負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?。以人工凍土為?zhǔn)計(jì)算自動(dòng)凍土的系統(tǒng)誤差、標(biāo)準(zhǔn)偏差和相關(guān)系數(shù)（表3），得出系統(tǒng)誤差的絕對(duì)值除華池外其余各站均呈減小趨勢(shì)，標(biāo)準(zhǔn)偏差除西峰外均呈減小趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)均在0.92以上，相關(guān)性較好。各站在2021—2022年凍土評(píng)估后進(jìn)行了軟件升級(jí)及凍融參數(shù)調(diào)整，通過以上分析說明升級(jí)工作有效性顯著。

圖4 慶陽市8個(gè)基本站2021—2022、2022—2023年度自動(dòng)與人工凍土差異性對(duì)比分析

2.4 差異原因分析

通過對(duì)比分析自動(dòng)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)，自動(dòng)與人工凍土觀測(cè)數(shù)據(jù)存在差異性，部分時(shí)段差異性較大，得出造成差異的主要原因有以下3個(gè)方面：

（1）0 cm刻度線不準(zhǔn)確，外套管周圍土壤密實(shí)度不夠。2021年安裝自動(dòng)凍土觀測(cè)儀時(shí)部分臺(tái)站已進(jìn)入凍土期，且安裝時(shí)間較短，土壤較松弛，過一段時(shí)間出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，導(dǎo)致0 cm刻度線偏低；部分臺(tái)站對(duì)地下巖石層采用開挖后填埋的方式安裝，導(dǎo)致凍土儀外套管周圍土壤密實(shí)度與人工凍土器不同，部分觀測(cè)數(shù)據(jù)差異性較大。

（2）凍土儀和凍土器周圍環(huán)境不同。多數(shù)臺(tái)站凍土器附近無踏板，業(yè)務(wù)人員每天08:00觀測(cè)凍土?xí)r，腳踩過的凍土器周邊積雪融化快，凍土儀周邊積雪覆蓋時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致人工凍土器四周土壤裸露，地溫較低，土壤凍結(jié)深度明顯偏大。

（3）由于2種不同儀器觀測(cè)原理的不同，構(gòu)造不同及儀器本身的系統(tǒng)誤差不同，導(dǎo)致自動(dòng)凍土儀與人工凍土器對(duì)溫度的響應(yīng)靈敏度存在差異。測(cè)溫式自動(dòng)凍土儀對(duì)溫度變化感應(yīng)較人工凍土器靈敏，氣溫、地溫在正負(fù)溫度過渡階段，2種儀器對(duì)溫度的響應(yīng)時(shí)間不同，導(dǎo)致觀測(cè)到的數(shù)差異性較大。

3 結(jié)論

（1）研究1981—2021年凍土深度，得出近50年來慶陽市8個(gè)縣區(qū)凍土深度均呈下降趨勢(shì)，下降的突變點(diǎn)在1997年，平均下降幅度為4.28 cm/10年，其中，西峰下降幅度最大，為6.86 cm/10年，環(huán)縣次之，為6.81 cm/10年，鎮(zhèn)原最小為，1.29 cm/10年。

（2）將自動(dòng)與人工凍土數(shù)據(jù)與氣象因子作相關(guān)性分析，得出凍土與氣溫、最低氣溫、0～80 cm地溫及地面最低溫度呈負(fù)相關(guān)，其中與5～40 cm地溫的相關(guān)性更高。

（3）對(duì)比分析8個(gè)基本站2021—2022年、2022—2023年自動(dòng)與人工凍土觀測(cè)數(shù)據(jù)，得出除華池外其他站點(diǎn)2022—2023年度數(shù)據(jù)一致性較2021—2022年度要好，軟件升級(jí)和修改凍融參數(shù)后數(shù)據(jù)質(zhì)量得到提高，但部分日數(shù)自動(dòng)與人工凍土差異較大，時(shí)段主要出現(xiàn)在2—3月凍土分層階段，分析發(fā)現(xiàn)差異較大的日期氣溫和淺層地溫往往處于正負(fù)值交替出現(xiàn)的過渡區(qū)。

（4）對(duì)比分析2021—2022、2022—2023年度自動(dòng)與人工凍土差異，得出2022—2023年正寧、鎮(zhèn)原、慶城、環(huán)縣的差值較2021—2022年度明顯減小，寧縣、華池、西峰2個(gè)年度變化不明顯，合水差值由負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?。以人工凍土為?zhǔn)計(jì)算自動(dòng)凍土的系統(tǒng)誤差、標(biāo)準(zhǔn)偏差和相關(guān)系數(shù)，得出系統(tǒng)誤差的絕對(duì)值除華池外其余各站均呈減小趨勢(shì)，標(biāo)準(zhǔn)偏差除西峰外均呈減小趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)均在0.92以上，相關(guān)性較好。

（5）通過分析發(fā)現(xiàn)造成自動(dòng)與人工凍土觀測(cè)數(shù)據(jù)存在差異的原因是：0 cm刻度線不準(zhǔn)確，外套管周圍土壤密實(shí)度不夠；凍土儀和凍土器周圍環(huán)境不同；2種不同儀器觀測(cè)原理的不同，構(gòu)造不同以及儀器本身的系統(tǒng)誤差不同，導(dǎo)致自動(dòng)凍土儀與人工凍土器對(duì)溫度的響應(yīng)靈敏度存在差異，最終導(dǎo)致自動(dòng)與人工凍土數(shù)據(jù)存在差異。