黑龙江多年冻土变化趋势以及与气温的相关关系研究

赵博宇

(哈尔滨师范大学)

黑龙江多年冻土变化趋势以及与气温的相关关系研究

赵博宇

(哈尔滨师范大学)

利用ARCGIS的空间统计分析和栅格计算功能，对黑龙江省30个气温站1960～2015年间的冻土平均厚度和气温数据进行相关关系的分析.研究发现：(1)黑龙江多年冻土出现退化趋势，主要表现为冻土厚度和分布面积缩小以及部分多年冻土消失.(2)1960～2015年间气温升高是多年冻土退化的主要自然原因. (3) 55年来黑龙江冻土退化与平均气温呈显著负相关的相关关系.

黑龙江；冻土退化；相关关系；气候变暖

0 引言

冻土是土壤的一种特殊存在方式.冻土就是指温度不高于零摄氏度，且结构中含有冰的土壤或者其他土质形态.根据冻土形成的时间周期进行分类，这里要探讨的是形成时间较长的多年冻土.黑龙江省由于山地较多形成大面积的梯度山脉，从而造就了各地差异性的地理环境和气候特征.其气温环境和积雪覆盖为冻土的形成创造了自然条件，此地形成的多年冻土区域是我国仅有的高纬度多年冻土区，且有用黑龙江省第二大冻土区域面积.但近年来由于气候变暖以及人类活动的影响黑龙江多年冻土出现了退化的现象，对于黑龙江省以及东北地区的土壤结构和地理环境都有着显著影响.该文要研究的正是黑龙江省1960～2015年间多年冻土的变化趋势.

冻土的形成是受气温、降水量、风以及大气压力等多方面气候因素的综合影响，其中与气温的关系最为密切.笔者在此利用1960～2015年黑龙江省30个气温站的冻土资料以及期间的气温数据，通过线性回归和显著性相关来分析黑龙江省多年冻土的变化趋势以及与气温的相关关系.

1 研究区域概况

黑龙江省位于我国最东北部，其纬度是黑龙江省之最.黑龙江地势由西北部、东南部向西南部、东北部方向呈由高到低的地势变化.黑龙江地理辽阔，面积约为47万 km2.黑龙江地理环境特殊，其横跨多个经纬度以及热带区、湿润区.

黑龙江地处边境，受临界西伯利亚的气候影响黑龙江省长期严寒.资料显示自1961年开始黑龙江的全省年平均气温多在不高于5℃之间，且全省超过半年时间都处于霜冻期，严寒气候持续周期较长.此外黑龙江降雨量较少，在低温环境中土壤湿度比较饱和不宜蒸发.这样的严寒气候造就了黑龙江多年冻土的生长和分布格局.图1为黑龙江省地理分布图.

图1 黑龙江省地理分布图

2 研究数据方法

2.1 数据来源

该文研究的数据来源于1960～2015年黑龙江省30个气温站的所观测的每日冻土气温资料以及气温资料.气温站通过冻土器深入土中以后容器内部的水冻结的位置和深度来测量冻土的上下限厚度，以及冻土的层次类型.其中这里的厚度均以cm为单位且所有小数取整.气温资料是1960～2015年黑龙江省30个气温站所测定的55年间的平均气温数据.使用GIS软件进行克里金叉反距离全中插值的方法来建立多年冻土的空间数据模型.

2.2 研究方法

2.2.1 黑龙江多年冻土分布特征即趋势分析

选取黑龙江1960～2015年间多年冻土厚度数据，通过计算其平均值用 GIS 求出多年冻土的年平均及多年平均厚度值，结合多年冻土在各地的分布面积、分布地形特征来分析黑龙江省多年冻土整体分布情况.通过比较多年冻土年厚度平均值在1960-2015年间逐年多年冻土厚度中的波动情况来判断其变化情况，其变化的显著程度则可以通过线性回归来分析.利用这个原理模拟出多年冻土55年来的变化趋势，根据变化的程度分为增加、减少和无明显变化三个范围.具体的趋势数学公式为：

2.2.2 黑龙江多年冻土趋势与气温的相关性分析

这里将利用ARCGIS中的克里金插值法对1960～2015年间的气温数据进行提取处理，再对其进行反权重差值处理，从而获取与多年冻土投影和空间分辨率均相同的栅格数据.再对栅格中的气温和多年冻土数据进行栅格计算，来分析55年来多年冻土与平均气温之间的相关性以及其相关系数的显著程度，具体的计算公式如下所示：

3 结果分析

3.1 多年冻土年际变化趋势与空间特征分析

根据上文中的线性回归方法来分析黑龙江多年冻土的变化趋势,结果显示1960～2015年间黑龙江省多年冻土呈退化趋势.首先从线性回归趋势图2可以看,黑龙江省大部分地区的趋势系数b<0,由此可见黑龙江省大部分地区多年冻土深度都呈减小趋势,由图可知退化比较严重的区域有大兴安岭北部、小兴安岭北部，其中大兴安岭北部阿木尔的厚度减小了0.43m.所有地区中最大的减小趋势达到了1.5 cm/a，厚度由数百米降至几米.此外冻土的上限出现了很明显的下降趋势，55年间下降了2.3～10.4m左右的厚度，而下限出现了上升变化，55年间上升了1.3～5.4m左右的厚度.冻土的上下限变化情况说明了冻土厚度的明显缩小，正是其退化的明显象征.另外一个退化的表现是多年冻土的南部边界向北部进行移动，最大幅度达到55～125 km的范围.黑龙江省的多年冻土岛由1960年最初占黑龙江小兴安岭地区总面积的10%以上到1980年左右几乎消失.

图2 黑龙江省多年冻土空间分布图

3.2 黑龙江省1960～2015年气温的变化情况

通过对采集到的30个气象站的气温数据进行分析可知，黑龙江省1960～2015 年 55年间各地区的平均气温温为 14.18℃，最高均温14.71℃( 2012 年) ，最低均温为13.64℃,如图3所示.由图可知，55年来黑龙江省各地区气温呈现缓慢上升趋势，其上升幅度为0.9～2.2℃.其中嫩江、黑河、北安等地区的平均气温最低，为-0.14℃.

图3 1960～2015年间黑龙江省各地平均气温变化趋势图

3.3 黑龙江省多年冻土对气温变化的响应

数据表明黑龙江多年冻土与气温呈负相关关系，多年冻土与气温表现为显著负相关(P<0.06)，相关系数在 0. 4～1.0.说明气温变化是影响多年冻土变化的重要自然因素.此外黑龙江省不同地区的多年冻土对于气温的相关性差异性不是很大.多年退化比较严重的区域有大兴安岭北部、小兴安岭北部等地区气温均呈上升幅度较明显趋势，其中1960-2015年间大兴安岭北部阿木尔年平均气温升高1.7℃，而其地区的多年冻土厚度减薄了87cm，二者显著负相关(P<0.05)，相关系数在0.5～1.0.而北安、嫩江地区的年平均气温升高0.8℃，而其地区的多年冻土厚度减薄了56 cm.二者显著负相关(P<0.2)，相关系数在0.2～1.0.整个黑龙江地区55年间平均气温升高幅度为0.9～2.2℃，而冻土厚度自1966年最厚的厚度119.5081cm降至2015年的71.3245cm，二者显著负相关(P<0.06)，相关系数在 0. 4～1.0.这些数据无疑说明了气温升高是影响黑龙江省多年冻土区域性退化的主要自然原因.

图4 1960～2015年间黑龙江省多年冻土厚度与气温平均值的相关关系

4 结论

该文利用ARCGIS的空间统计分析和栅格计算功能，对黑龙江省30个气温站1960～2015年间的冻土平均厚度和气温数据进行相关关系的分析.研究发现黑龙江多年冻土出现退化趋势，主要表现为冻土厚度和分布面积缩小以及部分多年冻土消失.1960～2015年间气温升高是多年冻土退化的主要自然原因. 55年来黑龙江冻土退化与平均气温呈显著负相关的相关关系.

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(责任编辑：李家云)

Research on Change Trend of Frozen Soil and Correlation with Temperature in Heilongjiang Province over the Years

Zhao Boyun

(Harbin Normal University)

Used the climatic trend and spatial statistics function of Arcgis, the data from 83 meteorological station about the average thickness and temperature in Heilongjiang since 1960 to 2015 is analyzed. The study shows that (1)The expression of frozen soil degeneration is the upper limit come down, temperature raised, thickness thinned, melting region expanded, island of frozen soil disappeared, and frozen soil in south moved to north.(2)The main natural reason of frozen soil degeneration since 1960 to 2015 is the temperature raised especially in winter, and the change of precipitation and ice in thickness and time.(3)The relationship between Frozen soil degeneration in Heilongjiang in the past 55 years and the average temperature is A significant negative correlation.

Heilongjiang Province; Frozen soil degeneration; Correlation; Climate warming

2016-12-12

P642.14

A

1000-5617(2016)05-0077-04