太行山南麓冻土气候特征及与温度的相关性分析

刘强军，刘婉莉，张喻君，牛晨煜

(1.山西省晋城市气象局，山西 晋城 048000；2.山西省运城市气象局，山西 运城 044000)

最大冻土深度指从地表往下测量的冻土层最大厚度，许多学者对此进行了研究[1-8]。在冻土的趋势变化方面，王宁等[9-11]、丁抗抗等[12]、姚宏伟等[13]、刘春生等[14]、宴晓英等[15]、杨帅等[16]、赵晓英等[17]等通过研究黑龙江、河北省、内蒙古等地冻土的变化，指出最大冻结深度呈波动减小趋势，最大冻土深度与平均气温和地温呈负相关，其对气温升高的响应更显著。在冻土持续时间方面，彭小清[18]研究了北半球冻土时空特性及对气候的响应。陈博等[19-20]研究了近50 a中国范围内冻土变化情况，刘广岳等[21]和陈继全等[22]研究了青藏和青海地区冻土变化，都指出冻土深度变浅，开始日期推迟，结束日期提前，持续时间缩短的特征。在最大冻土深度与纬度关系方面，晁华等[23-24]、高峰等[25]研究了东北地区冻土变化情况，认为冻土深度随纬度升高而递增，即纬度越高冻土越深。在冻土周期变化方面，杨晓玲等[26]研究指出甘肃省石羊河流域最大冻土深度和冻土日数存在周期变化，并发生了突变。从上述研究结果可以看出，最大冻土深度各地都有差异，处于太行山南麓的晋城市，属于季节性冻土区，地貌以山地丘陵为主，土壤以山地草甸土和红粘土等为主，地下水9.69亿m3，农业种植以小麦和玉米等为主，关于最大冻土深度的研究在本区域内鲜有开展。因此，利用1960～2019年太行山南麓晋城市的5个国家气象站气温、地温及最大冻土深度资料，研究该地冻土时空变化特征，对春季农业灌溉、地下水补给及农田水利建设等有重要意义。

1 材料与方法

1.1 资料来源

选取的资料为1960～2019年山西省东南部太行山南麓的晋城市区观测站、阳城站、高平站、沁水站、陵川站5个国家气象观测站(图1)当年10月至次年3月期间观测到的逐日最大冻土资料及气温、地温(5～40 cm土壤温度)资料，10月资料不具有连续性，主要用于对冻土开始时间的分析，11月至次年3月冻土资料为重点分析的气候时段，资料来自中国气象局数据共享网。

图1 研究区位置

1.2 研究方法

最大冻土深度的突变分析采用M-K方法[27]，可计算出变量的突变时间点和突变区域及趋势特征。周期分析采用Morlet小波方法[28]，可诊断出气候变化的内在结构及时间序列的演变特征等。变差系数采用皮尔逊[29]法，可表示气候值偏离其平均值的程度，变差系数越大，表明气象要素的稳定性越差，越小稳定性越好。气候趋势率就是线性回归方程y=ax+b中的a，把a的10倍系数称做气候趋势率[30],大小和正负分别代表变化速度和方向。

2 结果与分析

2.1 最大冻土深度变化特征

2.1.1 最大冻土深度月变化 1960～2019年11月到次年3月的最大冻土深度月平均变化如图2所示，可以看出，全市平均最大冻土深度从11月开始逐渐变深，1月达到最深32 cm，然后次年2月(29.8 cm)和3月(16.9 cm)最大冻土深度开始变浅，最小为11月的8.2 cm。各站平均最大冻土深度除陵川站在2月达到最深的40.7 cm，其余都是在1月达到最深，在22.4～37.3 cm之间。从变化范围看，陵川站为9.8～40.7 cm，深度差最大，达到30.9 cm，其次为沁水站的8.0～37.3 cm，深度差为29.3 cm，最小变化范围为阳城站6.4～22.4 cm，深度差为16.0 cm。计算各站冻土期(5个月)平均最大冻土深度，陵川站最大，为28.0 cm，其次为高平站，为25.6 cm，阳城站平均最大冻土深度最小，为14.1 cm，市区观测站和阳城站小于其他3个站。最大冻土深度差平均值达到13.9 cm。

图2 1960～2019年晋城市月平均冻土深度变化

2.1.2 最大冻土深度年变化 1960～2019年晋城市最大冻土深度和平均气温趋势年变化如图3-A所示，可以看出，平均气温变化呈向上趋势，气候趋势率为0.28 ℃/10 a，最大冻土深度呈向下变浅的趋势，气候趋势率为-1.48 cm/10 a，两者呈剪刀差的态势，趋势相反；相比欧亚地区倾向率明显偏慢,为-4.5 cm/10 a[2]。为了了解城郊的最大冻土深度的差别，把晋城市区观测站算作城区，其他4站作为郊区站，平均后计算趋势(图3-B)，发现城区和郊区最大冻土深度变浅趋势一致，气候趋势率分别为-1.3 cm/10 a和-1.53 cm/10 a，相差无几。

图3 1960～2019年晋城市平均最大冻土深度和气温变化趋势及市区和郊区最大冻土深度变化趋势

计算1960～2019年晋城市各站年平均最大冻土深度的气候趋势率空间分布(图4-A)，总体西部的阳城站、沁水站大于东部的高平站、陵川站及市区观测站，各站气候趋势率在-3.01 cm/10 a～3.21 cm/10 a之间，东北部的陵川站的最大冻土深度变浅趋势最为明显。计算1960～2019年晋城市各站年平均最大冻土深度的变差系数(图4-B)，发现全市各站变差系数在0.21～0.29之间，年最大冻土深度的变差系数最大值为阳城站0.29，最小的是高平站，为0.21，高平站的最大冻土深度稳定性大于阳城站，最大变差系数和最小变差系数相差仅0.08，说明晋城市年平均最大冻土深度气候变化趋势较为稳定。

图4 1960～2019年晋城市各站气候趋势率(A)和变差系数(B)

2.1.3 最大冻土深度年代际变化 1960～2019年晋城市平均最大冻土深度年代际空间分布图如图5所示，总体看，晋城市平均最大冻土深度20世纪60～90年代，都是东北部的陵川站和高平站大于西南部的沁水站、阳城站及市区观测站；21世纪后，2000～2009年和2010～2019年，平均最大冻土深度变为阳城站和高平站大于西边的沁水站和东部的陵川站和市区观测站。各站年代际变化，20世纪90年代之前陵川站平均最大冻土深度为全市最大，在46～48.7 cm之间，且变化幅度不大，较稳定，其次为高平站，在35～42.9 cm之间，变化幅度为7.9 cm，最小为沁水站，为21.6～33 cm，变化幅度超过10 cm，达到11.4 cm(图5-A～D)；21世纪后，2000～2009年和2010～2019年期间，阳城站平均最大冻土深度最大，分别达到42.5 cm和42.9 cm，大于高平站和陵川站(图5～E-F)。全市5站年代际平均最大冻土深度最大值出现在20世纪60年代的陵川站，平均值为48.7 cm，最小值出现在2010～2019年的沁水站，仅为21.3 cm。

图5 1960～2019年山西省晋城市1960s(A)、1970s(B)、1980s(C)、1990s(D)、2000～2009(E)、2010～2019(F)最大冻土深度空间分布

2.2 冻土起止时间和持续时间变化趋势

2.2.1 冻土起止时间分析 统计1960～2019年晋城市5站冻土开始时间和结束时间(表1)，结果发现冻土开始时间一般在10月，其中最早为1972年10月10日的陵川站，最晚为高平站的1965年10月25日，相差15 d；冻土结束日期，各站略有不同，但是都出现在3月，5站中最早结束时间为1973年3月12日的沁水站，最晚结束时间为陵川站的3月31日，相差仅为18 d。

表1 1960～2019年晋城市冻土出现时间

计算近60 a晋城市年冻土开始和结束日期气候趋势率(表2)，开始时间平均气候趋势率为1.52 d/10a和结束日期为-3.14 d/10a。从5站气候趋势率看，冻土开始日期均呈延后的趋势，其中最明显的阳城站，为3 d/10a，其次是晋城观测站的每2 d/10a，沁水站的延后趋势最不明显，为每0.5 d/10a；5站的冻土的结束时间均呈提前趋势，其中陵川站提前趋势最明显，为4.2 d/10a，其次为晋城观测站的提前3.6 d/10a，变化最小的为高平站，提前2.3 d/10a。

表2 1960～2019年晋城市冻土出现时间气候趋势率

2.2.2 冻土持续日数变化 计算1960～2019年晋城市冻土持续日数(图6-A)，结果表明60 a 晋城市平均冻土持续时间为127.6 d，冻土持续日数最长为阳城县的132 d，最短的为高平市的123 d，气候趋势率呈缩短趋势，为-3.2 d/10a。具体到各站持续时间趋势变化(图6-B)，晋城观测站、沁水站的持续时间缩短趋势最大，为-6 d/10a和-5 d/10a，其次为陵川站(-4 d/10a)和高平站(-6 d/10a)，而阳城站(2 d/10a)，反而呈现延长的趋势，这或许与阳城站所处的太行山南麓西南暖湿气流风口位置有关。

图6 1960～2019年山西省晋城市冻土持续时间(A)和持续时间趋势空间(B)分布

2.3 最大冻土深度突变检验

对1960～2019年平均最大冻土深度进行M-K突变检验(图7),表明晋城市各站均有突变发生，全市平均最大冻土深度在1978年发生突变(图7-A),市区观测站在1972年、2008年、2013年发生3次突变(图7-B)，高平站在1994年发生1次突变(图7-C)，阳城站在1977年发生1次突变(图7-D),沁水站在1984年、2007年、2016年发生3次突变(图7-E)，陵川站在1998年发生1次突变(图7-F),分析表明，市区观测站和沁水有3个突变，其他站只有1个突变点。突破点较多的站点，反应了平均最大冻土深度的“深-浅”的反复，但是，正序列向下突破反序列的突破点，在显著性检验区间内越来越低，总体反应了最大冻土深度逐渐变浅的特征。

UF和UB取±1.96为临界曲线的M-K检验值(即0.05显著性水平的置信度检验区间)。

2.4 最大冻土深度的周期分析

1960～2019年晋城市平均最大冻土深度及单站小波分析图(图8)，可以看出，平均最大冻土深度在1980年之前为4 a左右周期变化，出现5个“深-浅”交替过程,从1970～2010年为7～10 a周期，出现6个“深-浅”交替过程，功率谱较强，为主周期(图8-A)。分站看，市区观测站3～4 a的周期明显且强，为主周期，从1985～2010年的25年期间有5个“深-浅”交替过程，周期明显，但偏弱；14～16 a的周期，出现3个“深-浅”交替过程，但是功率谱偏弱(图8-B)。高平站在1995年之前为8～12年为主周期，功率谱较强，从2000年开始为5～7 a周期最强(图8-C)。阳城站7～11 a周期明显，为全域性的特征，出现8个“深-浅”交替过程(图8-D)。陵川站最大冻土深度，周期不明显(图8-E)。沁水站4年周期为1985年之前，6～11 a周期从1960～2010年期间非常明显，出现7个“深-浅”交替过程，为主周期(图8-F)。总体看，除陵川站的最大冻土深度周期性变化不明显外，市区和各县站都比较明显，全市平均最大冻土深度周期变化更能反应整个晋城市最大冻土周期性特征。

A：平均最大冻土深度；B：晋城；C：高平；D：阳城；E：陵川；F：沁水。

2.5 最大冻土深度与纬度及温度的关系

2.5.1 最大冻土深度与纬度关系 1960～2019年晋城市最大冻土深度极值及时间与各站平均值(表3)，从南向北，偏北部的明显高于偏南部的站点，把偏南的阳城和晋城2站与偏北的3站沁水站、高平站、陵川站最大冻土深度算术平均后，相减的差值除以纬度差，然后以0.1纬度间距换算，为每0.1纬度最大冻土深度增加4.9 cm。分析晋城市各站最大冻土深度极值出现时间，发现晋城站和阳城站最大冻土深度的极值出现在1月，分别为42 cm和41 cm；陵川站、高平站和沁水站最大冻土深度的极值出现在2月，分别为65、59和61 cm。依照上述方法，计算极值随纬度的变化，结果为每0.1纬度最大冻土深度增加8.7 cm。分析表明，最大冻土深度平均值和极值都随纬度增加而变深，其变化规律与新疆阿勒泰地区十分相似[28]。

表3 1960～2019年晋城市各站最大冻土深度极值及出现时间与各站最大冻土深度平均值

2.5.2 最大冻土深度与平均气温及地温相关性 1960～2019年最大冻土深度与平均气温及地温的相关性(表4)，可以看出，最大冻土深度与平均气温呈负相关，相关系数介于-0.62～-0.15之间，5站中，相关系数负值最大出现在陵川站，为-0.62，其次为阳城站的-0.46，而相关系数最小在高平站，为-0.15，这个研究结果与杨帅等[16]研究的河北省最大冻土深度与气温的负相关结果基本一致。计算地温与最大冻土深度的相关性，结果为：5～40 cm地温与最大冻土深度相关系数都为负相关，但各层相关系数中心有差别，与5 cm地温相关系数负值，阳城站最大，为-0.5，10 cm和20 cm地温与最大冻土深度的相关系数负值最大在沁水站和阳城站，而15 cm和40 cm相关系数负值中心在高平站和晋城市区观测站。分析结果显示，无论平均气温还是地温，与最大冻土深度各站均呈明显的负相关。出现在2月，分别为65 cm、59 cm和61 cm。依照上述方法，计算极值随纬度的变化，结果为每0.1纬度最大冻土深度增加8.7 cm。分析表明，最大冻土深度平均值和极值都随纬度增加而变深，其变化规律与新疆阿勒泰地区十分相似[28]。

表4 1960～2019年山西省晋城市最大冻土深度与平均气温及各层地温相关系数

2.5.3 最大冻土随平均气温和地温递减率变化 计算1960～2019年最大冻土深度随平均气温和平均地温的递减率(图9)，平均气温和平均地温每升高1 ℃，最大冻土深度就减少1.86 cm(图9-A)和3.62 cm(图9-B)，呈现反相关的特性，最大冻土深度与平均地温的斜率明显大于最大冻土深度与平均气温的斜率，说明平均地温的反相关性大于平均气温，平均地温越高，最大冻土深度越浅。

图9 1960～2019年晋城市最大冻土深度与平均气温(A)及平均地温(B)的关系

3 讨论与结论

通过对山西省太行山南麓晋城市60 a的最大冻土深度分布特征及与气温、地温等气候相关性分析，得到如下结论：

1) 60 a晋城市最大冻土深度的极值出现在1月，部分站点如高平和沁水出现在2月，且随纬度增大而变深，与晁华[23]研究的辽宁地区最大冻土深度随纬度增大而变深趋势一致；全市月平均最大冻土深度变化范围在8.2～32 cm之间；各站平均最大冻土深度差异较大，深度差达到13.9 cm。最大冻土深度年代际变化为变浅的态势，20世纪60～90年代，最大冻土深度均是东北部的陵川站和高平站大于西南部的沁水站、阳城站及市区观测站；进入21世纪后，2000～2009年和2010～2019年，最大冻土深度变为阳城站和高平站大于西边的沁水站和东部的陵川站和市区观测站，且最小值出现在2010～2018年区间的沁水站21.3 cm，最大值出现在20世纪60年代的陵川站48.7 cm。

2) 60 a晋城市最大冻土深度以-1.48 cm/10a的速度显著变浅，与王宁等[9]及姚宏伟[14]研究的黑龙江、辽宁等地最大冻土深度变浅速率要慢许多。平均气温变化为向上趋势，气候趋势率为0.28 ℃/10a，平均气温和最大冻土深度呈现剪刀叉的变化趋势；最大冻土深度气候趋势率差异较大，东北部的陵川站气候趋势率和西南部的阳城站气候趋势率均为负，且陵川站气候趋势率更大；变差系数，在0.21～0.29之间，最大变差系数和最小变差系数相差0.08，表明最大冻土深度稳定性较好；最大冻土深度与日平均气温、逐日5～40 cm地温均呈负相关。

3) 60 a晋城市冻土开始日期和结束日期气候趋势率分别为1.52 d/10a和-3.14 d/10a。M-K突变检验表明，全市各站均有突变发生，晋城观测站和沁水有3个突变，其它3站只有1个突变；最大冻土深度周期变化主要为7～10a这个范围内比较明显，与杨晓玲等[26]研究的甘肃省石羊河流域最大冻土深度的7～8 a周期变化，比较一致。晋城市冻土持续时间为127.6 d，气候趋势率为-3.2 d/10a，呈缩短的趋势。