塔城地区1960—2018 年季节性冻土变化特征及影响因子分析

2019-07-20井立红井立军董海英王金辉阿来依艾丁

沙漠与绿洲气象 2019年3期

井立红，高婧，秦榕，井立军，董海英，陈瑶，王金辉，阿来依·艾丁

（1.中亚大气科学研究中心，新疆乌鲁木齐830002；2.塔城地区气象局，新疆塔城834700；3.沙湾县气象局，新疆沙湾832100；4.新疆气象局信息中心，新疆乌鲁木齐830002；5.克孜勒苏柯尔克孜自治州气象局，新疆阿图什845350）

冻土是指含有水分的土壤因温度下降到0 ℃以下时出现的冻结现象[1]，一般可分为短期冻土、季节性冻土和多年冻土，其中季节性冻土处于温度年变化层的上部，更接近地表，是地表热力变化的反映，因其性质极不稳定，故对气候变化的响应更为敏感，更为迅速[2-3]。目前对中国冻土的研究多集中在青藏高原及西北、东北地区[4-9]，而对其他地区的研究不多，新疆气象工作者也开展了有关冻土变化特征等方面的研究，王秋香等[10]指出，近41 a 新疆各地平均冻土深度、最大冻土深度趋向变浅，土壤封冻期缩短。符传博等[11]指出近45 a 新疆地区月最大冻土深度有明显的季节变化，低海拔区域最大值出现在1月份，高海拔区域出现在2 月，最大冻土深度的地理分布表现为北疆深于南疆，山区深于平原，且与气温的分布有很好的一致性。张山清等[12]的研究表明，近50 a 来，新疆最大冻土深度以-3.5 cm/10 a 的倾向率减小，且负积温每减少100 ℃·d,最大冻土深度将减小4.6 cm；姚作新等[13]指出，1960—2015 年新疆塔什库尔干河谷季节性冻土冻结初日推迟，终日提前，年冻结日数减少，年累计冻土厚度减小，年最大冻土深度减小。李杨等[14]指出1960—2007 年北疆地区最大冻土深度受海拔高度的影响较大，并与其呈正比，最大冻土深度值出现年代从平原向山区滞后；从20世纪80 年代后最大冻土深度出现减小的趋势，且平原较山区更加明显。文献[15-17]指出，伊犁河谷、喀什地区、石河子各站最大冻土深度逐渐减小，但减小的幅度有着明显的区域差异，影响冻土变化的主要因子是冬季平均气温和最大积雪深度。

塔城地区位于新疆西北部，属中温带大陆性干旱和半干旱气候区，是北疆北部冬季气温较低的区域，也是气候变化的敏感区,仅高海拔山区有永久性冻土，平原地区均属季节性冻土区。由于季节性冻土的深度、形成、维持、消失时间对各类管道、道路、桥梁、铁路的设计和施工、交通、水利设施、农事活动都将产生较大影响，而气候变化对冻土造成的影响及其反馈作用不仅波及到这些行业，也会影响到周围的生态环境。张家宝[18]、许崇海[19]、马建勇[20]的研究表明，新疆的气候增暖过程与中国甚至全球的变暖趋势基本一致，且冬季升温更为显著，高婧等[21]研究表明近45 a 塔城地区呈增暖趋势，其中年平均气温以0.46 ℃/10 a 的速率变暖，尤以冬季变暖最为突出，其中平均最低气温增暖速率为平均最高气温的2 倍。因此在全球气候变暖的大背景下研究塔城地区季节性冻土的分布、变化规律及其与气象因子的关系，对研究区域气候变化，指导工程建设及各行业安全生产，制定农业发展计划、环境适应性对策等方面均具有重要意义。

1 资料与方法

使用近59 a（1960—2018 年）塔城地区（包括：塔城、额敏、裕民、托里、和丰、乌苏、沙湾）7 个气象观测站及位于塔城地区行政区域内的克拉玛依、炮台共9 站（简称“塔城地区”）当年9 月1 日—次年5 月31 日期间（简称“封冻期”）的冻土深度资料及同期气温实况观测资料（未经任何插补延长处理）。因冻土观测有上下限深度之分，进入冬季后上限深度绝大多数为0，故本文仅使用冻土下限深度资料，对融冻期间冻土分层情况暂不讨论。在统计分析过程中，依据区域气候特征，将塔城地区划分为3 个气候区，即盆地（包括：塔城、额敏、裕民、托里）、中部（包括：和丰、克拉玛依）、南部（包括：乌苏、沙湾、炮台）。

运用最小二乘法原理，采用一元线性回归方程对近59 a 塔城9 站冻土深度时间序列进行线性拟合，以此来描述其变化趋势及变化速率，即令y（t）=a+bt，其中t 为时间序列，b×10 a 表示冻土深度的变化速率，b＞0 表示冻土深度序列呈增加趋势，b＜0 表示冻土深度序列呈减少趋势，采用F 检验对其线性倾向率进行显著性检验，统一以显著性水平达到0.05 作为通过检验的标准；运用数理统计方法计算了9 站最大冻土深度的标准差及变异系数（Cv），以此来反映同一地区不同气候区内冻土深度的差异及其对气候变化的敏感性；应用每10 a 平均值分析平均冻土深度的年代际变化；运用逐步回归方法、相关分析方法，讨论最大冻土深度与气象因子的关系。

2 结果与分析

2.1 冻土的变化特征

2.1.1 最大冻土深度的空间分布

利用近59 a 塔城9 站年最大冻土深度资料，采用克里格插值方法绘制了塔城地区年最大冻土深度空间分布图（图1），结果表明，近59 a 塔城9 站最大冻土深度均在120 cm 以上，大值区主要在中部、南部及托里，其中最大冻土深度极值为197 cm（克拉玛依，1969 年2 月28 日），其后依次为183 cm（和丰）、182 cm（沙湾）、152 cm（乌苏）、150 cm（托里）、146 cm（塔城）、137 cm（炮台）、131 cm（裕民）、126 cm（额敏）。最大冻土深度出现时间随气候区不同而有变化，其中盆地均出现在2 月，中部出现在2 月底—3 月，南部主要出现在3 月。

图1 塔城地区最大冻土深度空间分布

2.1.2 最大冻土深度的年变化特征

由表1 的分析表明，塔城9 站年最大冻土深度线性倾向率除额敏以4.00 cm/10 a 的速率显著增多（α=0.01）、乌苏以-1.15 cm/10 a 的速率不显著减少（未通过检验）外，其余各站均表现为显著减少趋势，其中克拉玛依、塔城、托里、沙湾分别以-7.79 cm/10 a、-6.6 cm/10 a、-6.21 cm/10 a、-6.1 cm/10 a（α=0.001），炮台以-2.79 cm/10 a（α=0.01）、和丰以-2.22 cm/10 a（α=0.05）、裕民以-1.58 cm/10 a（α=0.01）的速率显著减少，尤以克拉玛依减幅最大。

2.1.3 最大冻土深度的月变化特征

由表1 可知，塔城9 站各月最大冻土深度变化趋势各不相同，依据线性倾向率变化可将其划分为三种类型：Ⅰ型各月均表现为减少趋势，代表站点塔城、和丰、克拉玛依、炮台、沙湾，其中克拉玛依、塔城、沙湾、和丰3 月减幅最大，分别以-8.36 cm/10 a、-7.79 cm/10 a（α=0.001）、-5.98 cm/10 a、-3.86 cm/10 a（α=0.01）的速率显著减少，炮台4 月减幅最大，以-9.26 cm/10 a（α=0.001）的速率显著减少；Ⅱ型仅个别月（5 月、9 月或10 月）不显著增多，其余各月均表现为减少趋势，代表站点乌苏、托里、裕民，增多速率在0.01~0.05 cm/10 a 之间，其中托里、乌苏3 月减幅最大，分别以-7.41 cm/10 a（α=0.001）、-3.34 cm/10 a（α=0.05）的速率显著减少，裕民1 月减幅最大，以-5.66 cm/10 a（α=0.001）的速率显著减少；Ⅲ型多个月表现为不显著增多趋势，其余各月呈不显著减少趋势，代表站点额敏，其中1 月、2 月分别以3.54 cm/10 a、4.00 cm/10 a（α=0.05）的速率显著增多，12月呈不显著增多趋势（未通过检验），其余各月均呈不显著减少趋势（未通过检验）。

表1 塔城地区年、月最大冻土深度线性倾向率cm/10 a

综上所述，1、2、5、9、10 月仅个别站表现为增多趋势，其余站均表现为减少趋势，而3、4、11、12 月9站均表现为一致的减少趋势。

2.1.4 最大冻土深度的标准差和变异系数

通过计算9 站最大冻土深度的标准差和变异系数，以此来分析年际间最大冻土深度的稳定性及同一地区不同气候区最大冻土深度变化的差异性和变化程度，从侧面反映其对气候变化的敏感性。

从图2a 可以看出，塔城地区最大冻土深度标准差（S）的变幅在13.7~27.3 之间，其中最大值为27.3（塔城），次大值为25.9（沙湾），最小值为13.7（炮台），最大和最小值的差值达到了2 倍，表明塔城9站最大冻土深度随时间变化的幅度较大。

用变异系数（Cv）来比较各站最大冻土深度的相对变化程度，当Cv≤10%时为弱变异性，当10%＜Cv＜100%时为中等变异性，当Cv≥100%时为强变异性。由图2b 可知，塔城地区最大冻土深度年际变异系数在12%~35%之间，均表现为中等变异性，说明塔城地区各站最大冻土深度对气候变化的响应均比较敏感。

2.1.5 平均冻土深度的年代际分布

平均冻土深度是冻土下限深度＞0 cm 的冻土深度值之和除以冻土下限深度＞0 cm 的天数。平均冻土深度可以反映站点冬季的平均温度情况，它与最大冻土深度有一定的相关性，最大冻土深度越大，持续的时间越长，平均冻土深度也越大。

由表2 得到，塔城地区平均冻土深度年代际分布呈现出“少—多—少—少—少—少”的变化趋势，其中20 世纪70 年代平均冻土深度最大（122 cm），其次为20 世纪60 年代（119 cm），从20 世纪80 年代开始平均冻土深度逐渐变浅。

9 站平均冻土深度年代际分布各不相同，总体而言，20 世纪60 年代、70 年代、90 年代、21 世纪初、2010—2018 年均以克拉玛依站平均冻土深度最大，塔城或额敏最小；20 世纪80 年代和丰站平均冻土深度最大，塔城最小。

图2 塔城地区最大冻土深度标准差（a）和变异系数（b）空间分布

表2 塔城地区平均冻土深度的年代际分布 cm

9 站均在2010—2018 年出现平均冻土深度最小值，而最大值的差异较大，其中塔城、克拉玛依、乌苏于20 世纪60 年代出现最大值，裕民、托里、克拉玛依、沙湾于20 世纪70 年代出现最大值，和丰、炮台于20 世纪80 年代出现最大值，额敏于21 世纪初出现最大值。

对平均冻土深度的年代际分布的分析表明，随着冬季显著变暖，塔城地区平均冻土深度随时间变化呈减小趋势。

2.1.6 冻土的初、终日

参照文献[22]中对冻土初、终日的选取标准，设定上年9 月1 日后第1 d 冻土厚度不为0 作为冻结始日，以当年8 月31 日前最后1 日冻土厚度不为零作为冻结终日。

由表3 可以看出，塔城地区冻土初日的分布表现为，盆地出现于9 月下旬，南部出现于10 月上中旬，中部两站差异较大，相差近1 个多月；终日盆地出现于4 月下旬或5 月中旬，南部出现于4 月上中旬，中部终日出现时间相差近1 个月。全区而言，冻土初日最早出现于9 月6 日（1968 年，和丰）、最晚出现于10 月11 日（1963 年，沙湾），终日最早出现于4 月6 日（1971 年，沙湾），最晚出现于5 月15 日（1985 年，和丰），初终日的出现时间与海拔高度及温度有密切关系，温度高（低）、海拔低（高）的区域初日出现晚（早），终日出现早（晚）。

表3 塔城地区冻土最早初日、最晚终日及深度

2.2 冻土与气象因子的关系

刘明浩等[23]指出冻土作为一种特殊的土体，对外界温度的变化十分敏感。应用逐步回归方法分析了塔城9 站封冻期最大冻土深度与年（月）平均气温、月平均最低气温、气温日较差、极端最低气温的关系，从中挑选出权重最大的4 个因子，进行相关分析，以此揭示气象要素变化对冻土的影响。

2.2.1 最大冻土深度与温度的关系

由表4 可知，塔城9 站最大冻土深度与年平均气温除额敏呈不显著正相关、裕民呈不显著负相关（未通过检验）外，其余各站均呈显著负相关。

塔城9 站最大冻土深度与1、10、11、12 月月平均气温、月平均最低气温均呈负相关（11 月9 站均呈显著负相关）；与1、3、11、12 月气温日较差均呈正相关，其中12 月仅裕民呈不显著正相关，其余各站均呈显著正相关。

2 月最大冻土深度与平均气温、平均最低气温除额敏呈不显著正相关外，其余各站均呈负相关，与气温日较差除额敏呈不显著负相关外，其余各站均呈正相关。

3 月最大冻土深度与塔城、裕民、额敏、炮台平均气温仅呈正相关，其中额敏呈显著正相关，其余各站均呈不显著负相关；平均最低气温除额敏、裕民呈正相关外，其余各站均呈负相关。

10 月最大冻土深度与裕民、额敏、炮台、沙湾气温日较差均呈不显著正相关，其余各站为不显著负相关。

4 个气象因子的负相关最高的站点为沙湾、炮台，月份为11、12 月，说明气温越低，低温持续时间越长，最大冻土深度越大。

3 结论

（1）近59 a 塔城地区9 站最大冻土深度随时间的变化幅度较大，对气候变化的响应比较敏感。受气候变暖影响，年最大冻土深度除额敏以4.00 cm/10 a的速率显著增多（α=0.01）、乌苏以-1.15 cm/10 a 的速率不显著减少（未通过检验）外，其余各站均表现为显著减少趋势，尤以克拉玛依减幅最大；月际变化中1、2、5、9、10 月仅个别站表现为增多趋势，其余站均表现为减少趋势，而3、4、11、12 月9 站均表现为一致的减少趋势。