张家口地区季节性冻土层变化特征分析

郭金河，闫慧敏，周彦丽，赵海江

（张家口市气象局，河北 张家口 075100）

冻土在气象学中是指由于地面降到0℃或以下而使含水的土壤冻结的状态[1]。在中国，全国季节性冻土区和多年冻土区约占中国陆地面积的70%[2]，其中河北省张家口地区的冻土属于季节性冻土。在近几十年气候持续变暖的背景下,冻土区面积逐渐萎缩[3]，这说明全球变暖必然会导致多年冻土的退缩，但不同区域的时空分布特征并不完全一致[4-8]。冻土的广泛退缩将导致环境问题日益突出[9]，尤其是对农业活动、工程基础设计和区域水文地质的影响较大[10]，对本地社会经济的发展也有一定的影响。李秋平等[11]对冻土变化与严重干旱发生概率进行了研究，指出土壤冻土的最大深度与冻土时间与是否发生严重干旱具有相关性。近年来，张家口市气温特别是冬季气温呈现明显上升趋势[12]，这势必引起冻土的气候特征发生相应变化。张家口市属于东亚大陆性季风气候，是典型的干旱半干旱区。研究和分析张家口地区冬季冻土层的变化，能为该地区大型土木工程的规划实施、环境评价、生态预测、拓宽气象服务预警领域提供重要的参考。

1 研究区域概况和资料

张家口市地处河北省西北部，全市分坝上、坝下2 个部分，坝上属内蒙古高原南端，坝下集山区、丘陵、盆地于一体，全市面积近4×104km2。采用张家口地区1969 年—2019 年10 个国家气象观测站（站点范围在113°51′E～116°30′E，39°34′N～42°10′N），即张家口市区、康保、沽源、张北、崇礼、赤城、怀安、宣化、涿鹿和蔚县的地面气象观测记录中的冻土资料，冻土的观测依据文献[1]中的方法进行，冻土深度以“cm”为单位，四舍五入取整数。

2 结果与分析

2.1 土壤冻土初日、冻土终日、冻土期、最大冻土深度的年均状况、空间分布

从土壤平均冻土初日和终日看出（见图1、图2），全市土壤开始冻结日期由北部向南部逐渐推迟，51年来土壤开始冻结平均出现在9 月30 日，也就是入秋以来，冷空气开始入侵，北部高海拔地区开始出现冻土，平均出现在9 月19 日，康保县最早为9 月15 日，其他大部在10 月1 日后。全市土壤冻土终日由南部向北部逐渐推迟。51 年来土壤完全解冻平均出现在5月2日，春季以来，气温逐渐升高，冻土层逐渐消退，直到春末全市冻土完全消失，其中，南部地区于5 月1 日前解冻，北部高海拔地区于5 月1 日后解冻，1 年中大约有8 个月的时间土壤存在冻土层。

图1 张家口市累年土壤冻土分布Fig.1 The distribution of soil in Zhangjiakou

张家口市土壤平均冻土日数为185～249 d（图2a），平均冻土期为215 d，张家口市区冻土期最短为185 d，康保县最长为249 d，冻土期最长与最短相差64 d。

张家口市季节性冻土多年平均最大冻土深度79～216 cm（图2b），平均最大冻土深度为142 cm。北部的康保、沽源、张北、崇礼最大冻土深度最大，在150 cm 以上，其中康保县最大为216 cm，其他各县平均冻土深度均在150 cm 以下，涿鹿县最小为79 cm。

图2 张家口市1969年—2019年平均冻结日数和平均最大冻土深度分布Fig.2 The distribution of average freezing daysand average maximum frozen soil depth in Zhangjiakou City from 1969 to 2019

从以上分析能够看出，康保县、沽源县多年平均开始冻土日期较早，而完全解冻日期恰恰相反，因此康保县、沽源县冻土期较长、冻土深度较大。

2.2 张家口市冻土年变化和年代际变化特征

2.2.1 年变化趋势

采用趋势分析法分析最大冻土深度的特征，主要应用线性回归法[13]对张家口市冻土各要素的年变化特征进行线性趋势分析，分析结果见表1，可知，冻土初日年变化总体呈推迟趋势（正：推迟趋势；负：提前趋势），为2.7 d/10 a，就各地方而言，其变化幅度有所差异，其中蔚县、涿鹿推迟趋势显著，为5.5 d/10 a，并通过0.05显著性检验。

表1 张家口市土壤开始冻结、解冻、冻结日数变化趋势Tab.1 Change trend of soil freezing,thawing and freezing days in Zhangjiakou City

冻土终日年变化总体趋势是提前的，为-3.5 d/10 a，且冻土初日的推迟幅度小于冻土终日的提前幅度。就空间分布而言，其变化幅度有所差异，其中，蔚县、宣化变化幅度最大，为-6.6 d/10 a（通过了0.05 的显著性检验），。土壤冻结持续时间年变化总体呈缩短趋势，变化率为-6 d/10 a 且也通过了0.05的显著性检验。

2.2.2 年代际变化趋势

张家口市冻土各要素的年代际变化特征见表2，由表2可知，在10a际时间尺度上，张家口市冻土的年平均冻土初日从20 世纪70 年代、80 年代的9 月28 日，推迟到2010 年的10月7 日，90 年代仅比70、80 年代推迟了1 d，2000 年后推迟明显，全市土壤冻土初日经历了稳定至推迟的年代际变化特征；年平均冻土终日，从70 年代的5 月5 日，提前到2010 年的4 月22 日，最早出现在2010 年—2019 年，最晚出现在20 世纪70 年代，土壤冻土终日经历了一直提前这样一个年代际变化；年冻土日数，从20 世纪70 年代的每年约220 d，减少到2010 年代的198 d，冻土日数70 年代最长，2010 年—2019 年比70 年代减少22 d。上述数据综合表明；1969 年—2019 年张家口市季节性冻土呈退化趋势。图3 表明：1969 年至2019年，张家口市冬季平均气温整体上以0.36℃/10 a 的幅度升高，这与冻土持续时间整体呈缩短趋势相一致。

表2 张家口市土壤冻结、解冻日期和冻结日数年代变化Tab.2 The ages change of soil freezing and thawing dates and freezing days in Zhangjiakou City

图3 张家口市1969年—2019年冬季平均气温变化曲线Fig.3 The variation curve of winter average temperature in Zhangjiakou City from 1969 to 2019

2.3 土壤最大冻土深度年变化趋势及影响因素

张家口市逐年平均最大冻土深度变化曲线图见图4，可以看出，张家口市土壤最大冻土深度随时间总体上呈减薄的趋势，但在20 世纪70 年代有加深的趋势，80 年代后开始变浅。就各个地方而言，趋势的变化也有所不同，除怀安县冻土深度年变化略加深外（冻土深度平均为0.3 cm/10 a），市区、赤城县、崇礼区、沽源县、康保县、蔚县、宣化区、张北县、涿鹿县冻土深度年变化均呈变浅趋势，沽源县冻土深度平均为-11.8 cm/10 a。

图4 张家口市1969年—2019年平均最大冻土深度变化趋势Fig.4 The variation curve of average maximum frozen soil depth in Zhangjiakou City from 1969 to 2019

地表的季节性冻土是陆地生态系统重要的组成部分,气候是冻土重要的影响因素，冻土的变化可以反映出气候的变化[14]。已有研究成果表明，影响冻土形成及发展的变化主要因素有气温、地形、岩性、含水量、积雪、地面覆盖性质及水体，其中积雪、气温、降水对冻土影响最大[15]，本研究主要从温度影响的角度分析它们与张家口地区季节性冻土深度的关系。

通过对张家口地区季节性冻土最大冻土深度与该地区冬季气温要素（平均气温、平均最高气温、平均最低气温、平均地温）分别做相关性分析（见表3）发现，相关关系均为负。其中，最大冻土深度与冬季平均最低气温相关性较高，相关系数为-0.341 且通过了α=0.05 的显著性水平检验。说明冬季平均最低气温越低，气候越冷，冻土深度越厚，土壤冻结持续时间越长。

表3 张家口地区最大季节冻土深度与温度的相关系数Tab.3 The correlation coefficient between maximum seasonal frozen soil depth and temperature in Zhangjiakou City

张家口地区季节性冻土的最大冻土深度与冬季各个气温均成反比关系见图5，即最大冻土深度随气温降低而增加，随气温升高而变薄。从年代际变化来看，20 世纪90 年代初以前，温度较低，季节性冻土的最大冻土深度较厚；随后，季节性冻土的最大冻土深度开始变薄，各项温度均有所升高，说明气候在90年代初开始变暖，气候变化影响冻土深度的变化，反映出冻土深度与冬季气温的关系，尤其是冬季最低气温的密切关系。

图5 张家口地区最大季节冻结深度与冬季各项气温变化曲线Fig.5 The variation curves of maximum seasonal freezing depth and average winter in Zhangjiakou City

通过对张家口地区季节性冻土最大冻土深度与冬季气温日较差和气温地温差累积距平时间变化趋势分析表明二者之间存在一定的相关性（图6a、b）。图6（a）显示，21世纪初以前冬季的温差在增大，所以此时冬季的温度低于地面温度。因此，在此期间，冬季热量是从地表向大气传输的过程，使得地表热量不断散失，导致这一时期季节性冻土层增厚。进入21 世纪以来，冬季空气与地面的温差开始减小，表明地面升温速度快于气温上升速度，此时热量从大气传递到地表，地表得到热量后从而使季节性冻土厚度相应变薄。另外，从图6（a）还可看到，季节性冻土中最大冻土深度的变化明显滞后于冬季地面与空气温差的变化，说明地温对冻土变化的影响是一个连续的过程，存在一个过渡阶段。图6（b）表明，20 世纪末以前，冬季气温日较差先持续增大而后开始减小，说明20 世纪70 年代—90 年代，冬季冷空气活跃，最低气温很低，因此季节性冻土的最大冻土深度相对较厚。进入21世纪，随着气温特别是最低气温和地温的升高，冬季气温的日变化幅度减小，从而季节冻土的最大冻土深度变薄。

图6 张家口地区最大季节冻结深度与地气温差和气温日较差累积距平变化曲线Fig.6 cumulative anomaly curves of maximum seasonal freezing depth and ground temperature difference and daily temperature difference in Zhangjiakou City

3 总结

冻土的空间分布特征：张家口地区冻土开始时北方早于南方，完全解冻南方早于北方，北方冻土日数长于南方，最大冻土深度由东南向西北逐渐增加。

在全球变暖的背景下，气温和地温不断升高，土壤的冻土深度也受到不同程度的影响。张家口冻土开始日期推迟，冻土完全解冻日期提前，冻土初日推迟幅度明显小于冻土终日提前幅度。张家口土壤冻结天数缩短，特别是20 世纪80年代末以来，张家口最大冻土深度的变化呈减少趋势。张家口冬季平均气温呈上升趋势，与多年冻土期整体缩短趋势一致。季节性冻土的最大冻结深度与各种热力因素有一定的相关性。冬季最低气温对冻土最大冻结深度影响最明显。