延边地区季节冻土变化及其对气温变化的响应

黄义强, 赵晶, 佟守正, 崔庚*, 张守志*

(1.延边大学 地理与海洋科学学院， 吉林 延吉 133002； 2.延边朝鲜族自治州气象局 气象服务中心，吉林 延吉 133001； 3.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 湿地生态组， 吉林 长春 130102 )

冻土是土壤的一种重要形态.研究表明，冻土的冻融过程不仅能够影响地面与大气的热交换过程[1-2]，而且还能够影响到土壤性质和地下水循环等[3-4].近些年来，随着全球气候变暖，高寒地区的冻土出现了持续退化的趋势，进而使得高寒地区的生态变得越来越脆弱[5-6]；因此，研究冻土变化以及其对气温变化的响应对保护生态环境具有重要意义.近年来，许多学者对我国东北地区的冻土进行了研究.例如：张明等研究了长春市1981—2010年的冻土变化特征[7]，张菁等研究了沈阳地区冬春季冻土深度特征对气候变化的响应[8]，李佳等研究了松花江流域最大冻土深度的时空分布及对气温变化的响应[9]，任景全等研究了吉林省季节冻土的冻结深度变化及其对气候的响应[10].这些研究显示，各个地区冻土的变化趋势虽然存在差异，但整体呈退化趋势.目前,针对延边地区的季节冻土变化及其对气温变化的响应研究得较少,相关文献虽有涉及但缺乏系统性研究.为此，本文利用延边地区1965—2018年季节冻土的逐月冻土深度、冻结初终日期、月平均气温等数据,以小波分析、Mann -Kendall (M -K)突变检验等方法分析冻土与气温的变化趋势及相关关系,以为延边地区的农业生产、工程建筑以及生态环境保护等提供参考.

1 研究区概况

延边朝鲜族自治州位于吉林省东部，地处中、朝、俄三国交界的长白山地区(北纬41°59′47″～44°30′42″，东经127°27′43″～131°18′33″).延边朝鲜族自治州的总面积为43 300 km2，其下辖6个县级市、2个县，分别为延吉市、图们市、敦化市、珲春市、龙井市、和龙市、汪清县、安图县.延边地区的地貌呈山地、丘陵、盆地3个梯度，水系发达，其中山地面积占总面积的54.8%.该区域气候属中温带湿润季风气候，春季干燥，夏秋季多雨，冬季漫长寒冷，冻土冻结日期主要集中于10月中下旬至次年4月或5月[11-12].

2 数据与方法

2.1 数据来源

原始气象数据来源于延边朝鲜族自治州气象局1965—2018年的8个县市的逐月冻土观测数据和逐月气温数据.对原始数据进行处理后，得到延边地区1965—2018年的最大冻土深度、冻结开始时间与化通时间、主要冻结时期的持续天数、年平均气温等数据.

2.2 研究方法

分析冻土的变化周期性，传统的方法通常是采用傅里叶变换法，但该方法因只能提取频率而无法确定具体时刻，因此对数据的分析缺少时间要素.近年来，一些学者采用小波分析方法对冻土的变化周期性进行研究表明，小波分析不仅能够克服传统傅里叶变换方法的上述缺点[13]，而且还具有很好的局部性(通过尺度伸缩能够发现信号细节的变化，以此为判断异常信息提供依据)[14].因此，本文采用小波分析方法对冻土的变化周期性进行表征.目前，小波分析方法主要包括离散小波、正交小波、实小波和复小波等方法.因复小波同时具有实部与虚部，所以该方法不仅能够给出时间序列的变化强度及其变化位相[15]，而且还具有较好的准确性[16-17].因此，本文采用连续复小波变换的分析方法分析延边地区季节冻土的多时间尺度特征.

本文采用气候倾向率分析冻土及气温的逐年变化.气候倾向率的表达为y=a+bx, 式中y为气象要素，x为时间，a为常数项，b为气候倾向率.因b值较小，因此通常用b×10表示气候倾向率，其单位为 ℃/10 a或cm/10 a.采用 M -K突变检验法分析延边地区的季节冻土和气温的变化趋势以及可能出现的突变，采用Pearson相关系数法研究季节冻土与气温之间的相互关系.

3 结果与分析

3.1 延边地区季节冻土的变化特征

3.1.1冻土深度和冻结日数的年际变化特征

图1为延边地区最大冻土深度的历年变化.由图1可以看出，延边地区年冻土深度的年际变化呈以下特征：从20世纪60年代中期到20世纪80年代末，年冻土深度呈明显减少趋势；从20世纪90年代初至今，年冻土深度相对较为平稳.1965—2018年延边地区的年最大冻土深度的平均值为160 cm，其中在1989年以前的大部分年份的最大冻土深度都高于该平均值，而在1989年以后的大部分年份的最大冻土深度都低于该平均值，这说明最大冻土深度总体呈逐渐下降趋势(倾向率为-6.481 cm/10 a，即每10 a冻土深度减少6.481 cm,R2=0.338 7).

图2为延边地区的土壤冻结初终日期的历年变化.由图2可以看出，季节冻土的冻结日期主要集中在10月下旬，且整体呈推迟趋势，而冻土化通日期则整体呈提前趋势.

图3为1965—2018年延边地区冻结日数的历年变化.由图3可以看出，冻结日数呈逐年下降趋势，倾向率为-4.307 d/10 a.冻结日数的平均值为191 d，其中1988年以前的大部分年份的冻结日数高于191 d，而1988年以后的大部分年份的冻结日数低于191 d.该结果与最大冻土深度的变化趋势相似.

3.1.2冻土深度和冻结日数的周期性变化

复小波的模(实部和虚部平方和的开方)的大小可以反映变化周期的强度随时间的变化.图4为延边地区季节冻土深度的小波系数实部等值线图.图4中，实线表示小波系数的实部值为正，冻土较厚；虚线表示小波系数的实部为负，冻土较浅.由图4可以看出，冻土深度存在17～24 a、10～16 a 以及3～9 a 3类尺度的周期变化规律.其中：在17～24 a尺度上出现了浅-厚交替的准4次震荡，且各震荡周期较为稳定和具有全域性；在10～16年尺度上出现了准6次震荡，各震荡周期也较为稳定和具有全域性；在3～9 a尺度上出现了准5次震荡，但震荡周期仅在1985年以前表现的较为稳定.另外，从图4中还可以看出，在26～32 a尺度上也可能存在周期变化(因本文的数据不足，所以难以给出准确判断).

小波系数的模平方能够反映不同周期的震荡能量.由图5可以看出： 17～24 a时间尺度的能量较强，其周期变化贯穿整个时间序列(1965—2018年)； 10～16 a时间尺度的能量较弱，其周期分布具有局部性(1995—2005年无震荡能量).3～9 a时间尺度的能量最弱，其同期分布仅存在于1965—1970年和2005—2018年.

图6为1965—2018年延边地区冻土深度的小波方差图.小波方差图能够反映冻土时间序列的波动能量随尺度a的分布情况，可用来确定径流演化过程中存在的周期.由图6可以看出，图中存在4个较为明显的峰值，说明冻土深度的变化特征主要表现为4个周期.其中：最大峰值对应的是21 a的时间尺度，说明21 a的周期震荡最强，为冻土变化的第1主周期； 14 a的时间尺度对应的是第2峰值，为冻土变化的第2周期； 6 a和3 a的时间尺度分别对应的是第3和第4峰值，它们依次为冻土深度的第3和第4周期.

3.1.3冻土深度和冻结日数的突变及分析

对延边地区年最大冻土深度和平均冻土日期进行M -K突变检验的结果如图7所示.图7显示，年最大冻土深度的标准正态分布序列(UF)和反序列(UB)在1980—1985年存在多个交点(交点在临界线之内)，并且UF统计量在1990年后达到显著水平，由此可以判断1986年为冻土深度突变开始的时间.由UF曲线可以看出，20世纪90年代中期到2018年，冻土的变浅趋势均超过0.05显著性水平线.这表明，延边地区年最大冻土深度的变浅趋势较为显著.

图8为延边地区冻土年平均冻结日数的M -K检验结果.图8显示，UF曲线和UB曲线在1994年存在交点，且在信度范围内，这说明1994年为冻结日数突变时间.另外，UF曲线从20世纪90年代中期开始超过0.05显著水平线，说明延边地区冻土的年平均冻结日数从20世纪90年代中期开始存在明显的缩短趋势.

3.2 延边地区的气温变化特征

由于年平均气温能够反映地表辐射和热量变化的特点[18]，因此本文对1965—2018年延边地区的平均气温数据进行分析，以探究气温在冻土发展过程中所以起到的作用.

3.2.1气温的年际变化特征

延边地区1965—2018年的年均气温数据如图9所示.由图9可以看出，年均气温整体呈升高趋势，倾向率为0.26 ℃/10 a.1965—2018年的平均气温为5.1 ℃，其中1988年以前的年均气温大都低于该平均气温，而1988年以后的年均气温大都高于该平均气温.最高的年均气温出现在2007年，为6.2 ℃；最低的年均气温出现在1969年，为3.6 ℃.

3.2.2气温突变分析

对延边地区年平均气温进行M -K检验的结果如图10所示.由图10可以看出，UF曲线和UB曲线在1987年存在明显的交点，且交点在临界线之内，说明延边地区的年均气温在1987年开始突变.由UF曲线可以看出，1990年到1994年的UF值超过显著性水平0.05临界线，1994年后的UF值超过0.001显著性水平临界线(U0.001=2.56)，这表明延边地区的年均气温从20世纪90年代开始逐渐呈升高趋势.

3.3 季节冻土对气温变化的响应

为了进一步研究季节冻土与气温之间的相关性，采用Pearson相关系数分析了延边地区的年最大冻土深度和冻结日数与年均气温的关系，并运用SPSS软件对两者相关性的显著性水平进行了检验.检验结果显示，二者的显著性系数(P值)为0.000，说明最大冻土深度与年均气温呈显著相关性.图11为冻土深度与年均气温的散点图.由图11可知，冻土深度与年均气温的一元线性回归方程为y=-19.24x+257.83， 即气温每升高1 ℃，冻土深度减少19.24 cm.综上表明，随着年均气温的升高，冻土深度变浅，且两者呈显著相关性.

图12为冻结日数y与年均气温x之间的散点图.冻结日数与年均气温的一元线性回归方程为y=-10.35x+243.8，R2=0.377 3(通过信度0.001的检验)，即气温每升高1 ℃，冻结日数减少10.35 d.由图12可以看出，随着平均气温的升高，冻结日数逐渐缩短，且两者呈显著相关性.该结果进一步验证了延边地区的冻土退化与气温变化密切相关.

4 结论

对延边地区1965—2018年的季节冻土变化及其对气温变化的响应进行研究表明：①延边地区的气温呈上升趋势，升幅为0.26 ℃/10 a；冻土深度呈变浅趋势，变化幅度为-6.48 ℃/10 a；冻结开始日期推迟，冻土化通日期提前，冻结日数呈缩短趋势，倾向率为-4.30 d/10 a.该结果表明1965—2018年延边地区的气候变暖和冻土退化的趋势较为明显.②延边地区冻土深度存在着17～24 a，10～16 a以及3～9 a 3类尺度的周期变化规律，其中17～24 a尺度的周期变化最为显著，且具有全局性.③冻土深度、冻结日数、年均气温均存在突变，三者的突变时间分别是1986年、1994年和1987年，且自20世纪90年代中期至今，冻土深度变浅、冻结日数缩短、年均气温升高的趋势较为显著.④延边地区的冻土特征同年均气温存在显著的负相关性，温度每升高1 ℃，最大冻土深度减小19.24 cm，冻结日数缩短10.35 d.综上结果表明，延边地区的冻土对气候的响应呈明显的退化趋势.本文研究结果可为延边地区的生态保护及施工建设和农业生产提供参考.