东北地区冻土的时空变化特征

晁华 王当 龚强

摘要    本文收集并整理了东北地区143个气象站有冻土观测记录以来的冻土数据资料，分析了东北地区冻土深度的时空变化及其分布特征。结果表明，东北地区冻土深度表现为随纬度升高而递增，即纬度越高冻土越深。从各年代100 cm和150 cm冻深线来看，冻土呈明显变浅趋势，且越高纬冻土退化越为严重。在气候变暖的情况下，20世纪70年出现极端最大冻土深度的气象站最多，90年代没有气象站出现极端最大冻土，21世纪00年代、10年代仍有极端最大冻结深度出现，且10年代较00年代出现的站点偏多，说明即使气候变暖但是极端情况仍然出现，且可能有愈加严重趋势。平均气温与最大冻土深度变化存在明显的负相关，即随着气候变暖，冻土期缩短、冻土初日推迟、翌年冻土消融日提前的现象。东北地区除黑龙江最北端为多年冻土区外，其余地区均为季节性冻土区。

关键词    最大冻土深度;冻土期;冻深线;初终日;消融日;东北地区

中图分类号    P642.4;P423.3        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）18-0144-04                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

冻土具有独特的水热特性，因而成为了地球陆地表面过程中一个非常重要的因子[1]。季节性冻土区冻结和融化层在土壤温度年变化层的上部，更接近地表，对气候变化更为敏感，反应更加迅速，是气候变化的敏感指示器[2]。张森琦等[3]基于黄河源区多年冻土退化引起的生态环境地质问题与效应的实际资料，明确了冻涨-融沉地质作用会影响工程建筑的稳定性，是冻土区工程地质问题的主要起因。吴青柏等[4]研究指出，气候变化和工程活动引起多年冻土温度升高、活动层厚度增加、地下冰融化，导致路基工程稳定性变化。近年来，一些学者在东北地区冻土特征研究方面已做了大量的研究工作[5-7]，并取得了许多成果。为更全面地了解东北地区冻土特征及其近年的变化情况，及时了解冻土变化状况对相关工程建设施工的影响，本文利用东北地区最新观测资料，分析了东北地区冻土的时空变化特征及其在东北地区的分布情况，从而更好地为东北地区相关工程的冻土设计提供参考。

1    资料与方法

利用东北地区相对完整的143个国家气象站逐日冻土深度观测资料进行分析研究。其中，最早的冻土观测起始于1955年，其余各站均在1955—2003年间陆续开始有冻土观测，站点情况详见图1。冻土深度数据采用冻土观测的下界深度，以“cm”为单位。

为了解冻土的长期变化趋势，本文采用线性倾向估计[8]、距平、基于ArcGIS的反距离权重插值法以及相关统计学方法，对东北地区冻土的时空变化特征及其分布情况进行了分析。

2    结果与分析

2.1    最大冻土深度空间分布特征

从东北地区143个气象站有冻土观测以来的极端最大冻土深度分布（图2）看，等深线具有纬向特征，160 cm等深线位于北纬43°附近，220 cm等深线位于北纬46°附近，南压4～5个纬度。黑龙江省大部分区域极端最大冻土深度大于200 cm，漠河最深达到400 cm;吉林省极端最大冻土深度为140～250 cm，最北部的白城最深（250 cm）;辽宁省极端最大冻土深度在200 cm以下，辽东北部和辽西北地区的最大凍土深度超过140 cm，最大值出现在本溪县（200 cm），最小值出现在辽南的旅顺（80 cm）。

2.2    极端冻结深度出现时间的年代特征

对143个气象站有冻土深度观测以来出现的极端最大冻结深度的出现时间按年代进行统计（图3）。可以发现，20世纪50年代有3个气象站出现60余年来的极端最大冻结深度，36个气象站出现在20世纪60年代，53个气象站出现在20世纪70年代，31个气象站出现在80年代，20世纪90年代没有出现，6个气象站出现在21世纪00年代，14个站出现在21世纪10年代。各年代出现站数的多少虽与各站数据起始年代有关（20世纪50年代与60年代站点较少，尤以50年代站点最少），但也反映出20世纪70年代出现极端最大冻结深度最多，20世纪90年代冻土较浅，未出现过极端最深情况。气候变暖情况下，21世纪00年代、10年代仍有极端最大冻结深度出现，且21世纪10年代较00年代出现的站点偏多，说明即使气候变暖但是极端情况仍然出现，且可能有更加严重的趋势。

2.3    冻土分布的季节特征

由图4可知，东北地区的土壤一般从秋季的10月开始冻结。随着夏季风的南撤，冷空气开始入侵，东北地区从北部率先开始冻结，冻结深度不超过30 cm;到11月，冻土的冻结面积显著增加，东北全区均出现冻土。

随着冬季的到来，冻土的深度显著增加。12月冻土的冻结深度有所加深，至此，随着冷空气不断侵入，气温不断下降，冻土深度也在不断加深。到翌年2月，南部靠海地区的冻土深度已经达到了一年中的最大值，从3月开始冻土深度呈减小的趋势;往北部地区分别依次为3月、4月的冻土深度为一年中的最大值，即越往北最大冻土深度出现的时间越靠后。在3月和4月北部地区冻土在加深的同时，南部地区的冻土已经开始逐渐消融。

从3月开始，随着气温的逐渐回升，冻土自南向北开始逐渐消退。春季，冻土主要表现为在冻结范围大面积缩小的同时，伴随着冻结深度变浅。南部地区冻土的消融速度较快，北部地区的消融速度较为缓慢。6月辽宁省无冻土，7月吉林省无冻土，而黑龙江省的北端则终年存在冻土。

2.4    冻土初终日及其冻结期特征

东北地区年内存在较长的冻土期，从1981—2010年数据来看，如图5所示，冻土期日数基本从南向北递增，为97～290 d，即冻土期从南到北长达3～10个月。其中，辽宁省的冻土期为5个月左右，吉林省为6个月左右，黑龙江省南部和中部地区为7个月左右，北部地区为8～10个月。

从冻土初终日期看（图6），土壤开始冻结的日期由北向南逐渐推迟，消融日由南向北逐渐推迟。黑龙江省北部地区冻结较早，基本在9月底和10月上旬，最早出现在9月29日的塔河气象站;吉林省、黑龙江省中部和南部的大部分地区平均冻结初日基本出现在10月;辽宁省除东部和北部部分地区出现在10月下旬以外，其余地区基本出现在11月，大连沿海地区冻结较晚，平均冻结初日在11月中、下旬，最晚出现在11月30日。辽宁沿海地区冻土消融较早，平均消融日在3月，最早出现在3月6日，辽宁省其余地区和吉林省南部、西南部地区平均消融日出现在4月，辽宁地区冻土的初、终日变化特征与晁  华等[5]的研究结论一致;吉林省其他地区和黑龙江省南部地区出现在5月;黑龙江省中部和北部地区的冻土基本均在6月消融，最北端的塔河气象站则在7月15日左右才全部消融。

2.5    冻土期变化特征

从1961—2016年季节性冻土区观测数据来看（图7），东北地区冻土平均初日明显推迟，推迟速率为1.9 d/10 a。冻土平均终日明显提前，提前速率为3.3 d/10 a。冻土期平均日数为减少趋势，减少速率为5.2 d/10 a。可见，东北地区随着气候变暖，冻土期表现为缩短，冻土初日推迟，翌年冻土消融日提前。

另外，可以发现，冻土初日呈现稳定推迟趋势，但冻土终日和冻土期日数在1988年前后存在突变，即前期在平均线以上较为稳定的下滑趋势（为稳定提前和减少状态），后期则在低于平均线以下呈现相对稳定的年际波动，趋势性不明显，突变时间与年最大冻结深度由深变浅的突变点吻合，说明冻土冻结程度在气候变暖背景下不仅仅体现在冻深的变化，还体现在冻土初日、终日、冻土期长度的变化。

2.6    冻深线变化特征

从各年代100 cm冻深线演变看（图8），6个年代冻深线存在着明显的北撤趋势，即存在冻土退化趋势。20世纪60年代、70年代冻深线位于最南端;80年代较60年代、70年代进一步向北退缩，其中辽西部地区向北退缩较为明显;90年代向北退缩幅度较大，在6个年代中最为显著;21世纪00年代和21世纪10年代冻深线在辽宁地区有明显的南移，两者在辽宁地区基本重合，但在吉林地区10年代有明显的北退，在6个年代中处于最北端。整体看来，东北地区冻深线北退，21世纪90年代是冻深线北退显著期，进入21世纪以来冻深线北退趋缓，与气候变暖趋缓现象一致，150 cm冻深线演变基本与100 cm冻深线一致北退，但幅度整体大于100 cm冻深线，21世纪10年代较21世纪60年代北退3～4个纬度，21世纪90年代北退幅度最大，21世纪00年代略向南进。总体上看，纬度越高冻土退化越严重。

2.7    最大冻结深度与气温的关系特征

采用128个气象站1967—2016年历年12月至翌年3月气温变化统计结果和1967—2016年季节冻土最大冻结深度监测结果（图9）显示，东北区域平均气温以每10年升高0.4 ℃的速度呈变暖趋势，平均最大冻结深度呈明显变浅的趋势，平均每10年变浅7.0 cm。最大冻结深度具有明显的阶段性特征，1988年以前为冻结深度较大期，之后基本持续小于1981—2010年的平均值。平均气温与最大冻土深度变化存在明显的负相关，区域气温在不断升高，而冻土深度则随之逐渐减小，这与实际情况一致，即气温越高冻土层越浅。

东北地区109个气象站点季节冻土最大冻结深度监测结果显示（图10），1961—2017年平均最大冻结深度呈明显变浅趋势，平均每10年变浅5.9 cm。最大冻结深度具有明显的阶段性特征，1988年以前为冻结深度较大期，之后基本持续小于1981—2010年的平均值。2017年东北地区季节冻土区域平均最大冻结深度较1981—2010年平均值偏浅18.5 cm，为1961年以来的第二小值，位列2014年（-20.8 cm）之后。

上述分析可见，东北地区冻土深度在气候变暖背景下呈明显变浅趋势，距平波动大于气温，1988年是明显的由深变浅的突变点，突变时间与气温突变时间基本一致。

3    结论与讨论

本文通过对东北地区143个气象站逐日冻土深度观测资料的整理，分析了东北地区冻土的时空变化和分布特征。结果表明，东北地区冻土深度基本表现为随纬度升高而递增的趋势，即由南向北依次加深，其中辽南的旅顺地区最浅，黑龙江北部的漠河地区最深。东北地区的土壤从10月开始冻结，随着气温不断下降，冻土深度也不断加深，到翌年3月冻土由南向北开始逐渐消退，6月辽宁省无冻土，7月吉林省无冻土，而黑龙江省北端则终年存在冻土。东北地区除黑龙江最北端为多年冻土区外，其余地区均为季节性冻土区。

东北地区冻土期表现为缩短，冻土期平均日数减少速率为5.2 d/10 a;冻土初日推迟，平均以1.9 d/10 a的速率推迟;翌年冻土消融日提前，平均以3.3 d/10 a的速率提前。与冻结深度一致，冻土终日和冻土期日数也在1988年前后存在突变。

东北地区各年代100、150 cm冻深线明显北撤，20世纪90年代向北退缩幅度最大，进入21世纪以来冻深线北退趋缓，与气候变暖趋缓现象一致。值得注意的是，在气候变暖的情况下，21世纪00年代、10年代仍有极端最大冻结深度出现，且10年代较00年代出现的站点偏多，说明即使气候变暖但极端情况仍然出现，且可能呈愈加严重趋势。

东北地区冻土深度在气候变暖背景下，呈明显变浅趋势，平均气温与最大冻土深度变化存在明显的负相关，区域气温在不断升高，而冻土深度则随之逐渐减小，这与实际情况一致，即气温越高冻土层越浅。

应注意，地下工程的埋深在考虑经济条件的基础上，也要考虑气候变暖会导致极端低温事件发生的现实性。冻土变化可对工程建设、农业和生态环境、城市工程地质、气候造成影响。

4    参考文献

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