西藏自治区季节冻土区最大冻结深度及动态变化特征研究

2020-01-10

四川地质学报 2019年4期

（四川省地质矿产勘查开发局九一五水文地质工程地质队，四川眉山620000）

冻土指温度在0℃以下，含有冰的各种岩石和土体地表冬季冻结、夏季融化、冻结状态持续一个月以上，不足一年的土体称为季节冻土。冻土作为气候变化的灵敏指示器，是一种与气候变化相关的不稳定地质体，对气候变化存在正反馈效应，即碳反馈效应。季节冻土在地表几米范围内受季节影响冬冻夏融，直接参与大气圈-地表-岩石圈之间热量交换，对气候变化响应更加敏感。

西藏地区位于“地球第三极”的青藏高原，是全球气候变化最敏感区域之一，在全球气候趋暖的背景下，该地区气候也显著变暖，平均升温幅度较北半球和全球升温的幅度要大，冻土也随之发生显著变化，出现年平均地温升高，冻土厚度减薄、面积减少。某些地区冻土退化与消失的情况。冻土退化对地-气间热量交换、水文过程、自然生态系统、建筑工程和交通道路等基础设施都产生了显著的影响。

季节冻土最大冻结深度是大气和土体综合作用的结果，主要受气温、地形、岩性、含水量、雪盖、植被、水体等因素的影响。不仅直接影响迁移水量、冻胀量和冻胀率等冻土重要参数变化，也是建筑工程设计、施工必不可缺的数据。前人针对西藏季节冻土最大冻结深度研究，集中分析西藏年、季平均地温变化趋势和异常年份，地温与气温的突变关系;利用最大冻土深度和土壤解冻日期研究西藏季节性冻土的年际和年代际变化特征;预估未来50 a和100 a 最大冻土深度变化。针对西藏地区季节冻土最大冻结深度时空区域性变化研究很少。本文可填补其空白。

表1 西藏29个观测站点地理信息

1 西藏季节冻土区最大冻结深度的研究方法

1.1 研究数据采集

本次研究所需的基础数据包括地表温度、土壤类型和数字高程模型（DEM）。

1.1.1 地表温度及冻结持续时间

地表温度选用国家气象局整编的全国824个基准、基本气象站中西藏29个观测站（图1和表1）1990-2014年逐日0cm地温资料，该数据集的各观测要素项的数据实有率普遍在99%以上，数据的正确率均接近100%.藏北无人区缺乏冻土观测资料，但这些地区为多年冻土分布区。西藏地区季节冻土分布范围以年平均地温0oC 作为季节冻土和多年冻土的界限而确定，所以本次选取29个站点位于西藏季节冻土区（图2），季节冻土的冻结持续时间一般从11月份至次年2月份。根据0cm地温日数据，求得冻结期平均地表温度和冻结持续时间，建立冻结期平均地表温度（冻结持续时间）与海拔高程、纬度回归统计模型，获得西藏地区冻结期平均地表温度和冻结持续时间的空间分布特征。

一般而言，月尺度以上温度变化主要受控于纬度、经度和海拔高程。西藏地区由于平均地表温度（冻结的持续时间）与经度间P ＞0.05，相关性不显著；与纬度和海拔高程间P ＜0.001，相关系数R 均在0.9以上。利用西藏观测站点实测数据，对冻结期平均地表温度（冻结的持续时间）与海拔高程、纬度进行多元回归统计，有较好的适用性。

图1 西藏地区地理位置和29个地面观测站点分布

图2 西藏地区多年冻土和季节冻土分布图

2010年的关系式如下：

T=33.99-0.0025H-0.895N

t=0.058H+11.49N-506.52

式中，T为冻结期平均地表温度（oC）t为冻结的持续时间（d）；N为十进制表示的纬度（°）；H为海拔（m）。

西藏阿里和那曲观测站点较少，其他地方站点虽少但分布相对较均匀，选取站点相对集中的班戈、定日、当雄、江孜、隆子和左贡来验证模型，对比计算值和实测值，均通过显著性P ＜0.001，相关系数R 达0.9以上（图3）。因此，模拟结果能够近似的反映出西藏地区的冻结期平均地表温度和冻结持续时间分布状况。

图3 2010年冻结的持续时间(a)和冻结期平均地表温度(b)计算值与观测值比较

1.1.2 土壤数据

土壤类型数据来源于“黑河计划数据管理中心”（http：//westdc.westgis.ac.cn/）的世界土壤数据库（Harmonized World Soil Database,HWSD），其中我国大陆境内数据来源为第二次全国土地调查南京土壤所所提供的1∶100万土壤数据，同时结合青藏高原实测资料和《土的工程分类标准（GB/T50145-2007）》，对西藏地区的土壤重新分类进而获得该区的土壤干容重分布图（图4）。

1.1.3 数字高程模型（DEM）

DEM数据采用寒区旱区科学数据中心提供的STRM（Shuttle Radar Topography Mission）90m分辨率栅格图年平均气温和年降水来源于中国气象局整编的全国752个基本、基准地面气象观测站及自动站1951年以来气候资料年值数据集。

图4 西藏地区土壤干容重分布图

1.2 冻结深度的计算方法

目前，用于冻结深度计算的方法主要有库德里亚夫采夫（Kudryavtsev）、尼尔松（Nelson）和斯蒂芬（Stefan）三种方法。但是，库德里亚夫采夫方法需要较多的计算参数，西藏地区地势起伏较大、地形地貌复杂多样，难以确定准确的计算参数；尼尔松方法与斯蒂芬方法的不同之处在于推算地表温度的方法不同，其基本原理与斯蒂芬方法一致。因此，本次选取斯蒂芬方法对季节冻土深度进行计算。

斯蒂芬方法假定地表温度在冻结期间为常数，正冻层在每一瞬时的温度随深度呈线性分布，没有考虑外部热量交换和冻结岩层与下伏融土层的热量交换，所以用于土层的最大冻结深度计算时结果一般比实测值偏大，然而，由于其计算简便且计算结果对工程偏于安全，直到现在仍然得到广泛应用。计算冻结深度的斯蒂芬公式为：

式中，H为冻结深度（m），λ为已冻土的导热系数（W/m oC），为冻结季节平均地表温度（℃），t为冻结季节持续时间（s），L为冻土的融化潜热（3.3×105 J/kg），γck为土的干容重（kg/m3），W为土的总含水量（%），Wu为未冻水含水量（%）。

本次在计算中地表温度和冻结季节持续时间选用中国气象局提供的西藏实测数据；土的干容重利用HWSD数据库资料；已冻土的导热系数由徐学祖的亚黏土计算热参数取值表，依据已知的含水量和土的干容重采用内插法求得；平均总含水量选用15%，平均未冻水含量为3%。

利用1990-2014年间地面观测站有最大冻结深度实测值的站点（安多、那曲、普兰、当雄、拉孜、日喀则、尼木、拉萨、聂拉木、江孜、错那、隆子、索县、丁青、昌都、洛隆、左贡），对依据上述斯蒂芬方法计算的计算值与实测值间的相关系数进行计算（表2），计算值与实测值的散点图见图5（本文中仅列了2010年，其余年份略），其计算值与实测值间相关性系数较高，均在0.8以上，可见斯蒂芬方法模拟的计算结果与观测数据较为接近，模拟结果能够近似地反映西藏地区季节冻土区的最大冻结深度。

图5 观测站点最大冻结深度的实测值与计算值对比

表2 最大冻结深度计算值与实测值间的相关系数R值

图6 西藏地区1990-2014年季节冻土最大冻结深度分布

2 西藏季节冻土最大冻结深度时空分布以及变化特征

2.1 季节冻土最大冻结深度时空分布特征

根据上述方法计算，得到了西藏地区1990-2014年间每年的最大冻结深度的空间分布情况（图6）。图7显示的是西藏21个城市观测站点实测的最大冻结深度1990-2014年间的变化过程，其中林芝市（林芝、波密、察隅）只存在短时冻土，冻结深度近似为0 m。实测值也是计算结果的重要验证依据。

从图7可以直观地发现，在空间上，受海拔、纬度、地形、植被、岩性和含水量等地理、地质因素综合作用的影响，最大冻结深度的变化较为复杂，具有垂直分带性和纬度地带性。西藏高海拔地区大于低海拔地区，随海拔高度升高而冻土深度增大，呈明显垂直地带性：海拔高度大于4500 m的改则、班戈、那曲、申扎、嘉黎等地区，最大冻结深度1.2～2.0 m，而在海拔小于3000 m的喜马拉雅山南翼中低山谷地（巴宜区、波密、察隅等地区）只有短时冻土，最大冻结深度仅有几厘米，近乎为零。高纬度地区大于低纬度地区，如最大冻结深度在狮泉河为1.4～1.9 m，纬度较低的日喀则为0.2～0.9 m，察隅则近似为0 m。多年冻土边缘地区大于其他区，如在狮泉河、索县、安多等地的最大冻结深度均大于其他地区。从空间分布上来说西藏地区最大冻结深度在西北靠近多年冻土地区以及高山地区大于东南中低山谷地区，最大冻结深度呈现从西北向东南方向递减的空间分布特征，可见西北地区发育较深的季节冻土，东南地区则为浅型冻土。

土的季节冻结过程南北差别也较大，北部安多至当雄地面冻结在10月中至11月初开始，到达最大冻深时间在2月份或更晚些，冻结层消失时间在3～4月份；南部和东缘（拉萨、昌都），12月初、中开始稳定冻结，1月之内达最大冻深，在1月下旬至2月上旬间即可融完；在喜马拉雅山南翼山地海拔3000m以下的中低山谷地，只有短时冻土，如察隅冬季日平均地表温度皆为正值，历年最大冻深只有8cm，可见只有短时冻结出现

图7 西藏21个城市的1990-2014年间最大冻结深度变化

2.2 季节冻土最大冻结深度的变化特征

1990-2014年间，西藏地区季节冻土最大冻结深度呈现出逐年变浅的趋势（图8），最大冻结深度1.5～2.0 m分布区域在减少，1.0～1.5 m和0.5～1.0m分布面积在增加。通过靠近多年冻土区的狮泉河、改则、班戈、安多和申扎5个站点的年平均地表温度变化可知，在个别年份随着多年冻土边缘地区地表温度降低，最大冻结深度大于2.0 m的年份分布区域面积明显增加，如1991年、1992年、1994年、1995年和1997年。

由1990-2014年间西藏最大冻结深度平均值（图9）仍反映出西藏最大冻结深度在空间分布上为西北靠近多年冻土地区大于东南中低山谷地区。1990-2014年间最大冻结深度的年变化率却呈现出与之相反的分布情况（图10）。除了局部地区外，西藏地区最大冻土深度均呈现下降趋势，西北部靠近多年冻土边缘年变化率较小，如狮泉河（-0.69 cm/a）、改则（-0.98 cm/a）、索县（-0.63 cm/a）等地区，中间次之，喜马拉雅山南翼山地地区较大，如聂拉木（-1.31 cm/a）、帕里（-1.38 cm/a）等地区（表3）；近40 a 来西藏大部分地区年平均和四季气温均表现出上升趋势，尤其是冬季，平均增温0.1～1.04oC/10a，可见，西藏地区最大冻结深度越小的地区对气候变化的响应越敏感，季节冻土退化速度表现出由北向南递增的特征。

图8 1990-2014年间年平均地表温度的变化PDJ09

表3 西藏21个城市最大冻结深度近25年（1990-2014年）的年变化率

3 西藏季节冻土区最大冻结深度对气候变化的响应

冻土是在岩石圈-土壤-大气圈系统热质交换过程中形成的，受到地理地质因素影响外，气候的影响尤为重要。我们选用年平均气温和年降水量进行西藏季节冻土最大冻结深度变化的响应分析。

以西藏阿里、那曲、日喀则、拉萨、山南和昌都6个地（市）观测站点年最大冻结深度，计算当地年平均最大冻结深度，获近25年的年变化率（表4），其中林芝市只存在短时冻土，冻结深度近似为0 m；依据年平均气温和年降水量数据资料求得二者在1990-2014年间的年变化率。由表4可知，近25年西藏季节冻土的最大冻结深度在逐年减薄趋势，而年平均气温和年降水量（除了拉萨和昌都市的降水量呈现下降趋势外）均呈现上升趋势；采用相关系数法计算了西藏各地(市，区)的最大冻结深度与年平均气温和年降水量的相关系数（表5），除昌都市最大冻结深度与年降水量呈现正相关外，西藏最大冻结深度与年平均气温和年降水量基本为负相关。年最大冻结深度与年平均气温相关性高于与年降水量的相关性。最大冻结深度对年平均气温的响应比对年降水量的响应要显著。

图9 西藏地区近25年（1990-2014年）最大冻结深度的平均值

图10 西藏地区近25年最大冻结深度的年变化率

为进一步讨论年最大冻结深度对年平均气温和年降水量的响应，利用回归分析方法建立了年最大冻结深度与年平均气温（图11）和年降水量间的线性方程（图12）得出，近25年，西藏地区年平均气温升高1oC，阿里、那曲、日喀则、拉萨、山南和昌都6个地/市区的最大冻结深度将分别减小11.1 cm、13.5 cm、20.6 cm、17.8 cm、16.3 cm和17.5 cm其平均值为16.1 cm；而年降水量升高100 mm，除昌都市外，各个地区的最大冻结深度将分别减少12.3 cm、8.5 cm、5.4 cm、4.0 cm和0.7 cm其平均值为6.2 cm。