全球变暖背景下囊谦地区近57年季节性冻土的变化特征及气候影响因子分析

王晨 刘银香 解统刚 张玉洁

摘要 利用青海省囊谦国家基准气象站1960—2017年冻土、气温、地表温度资料，运用气候倾向率、Mann-Kendall非参数趋势检验等统计方法分析了囊谦季节性冻土的变化特征。结果表明：囊谦最大冻土深度近58年来以-2.69 cm/10年的倾向率减少，1991年出现了1次由大变小的突变，1992年后以极显著的趋势在减小，消融日21世纪初比20世纪提前了1个月。年代际变化特征为，20世纪60～70年代最大冻结深度处于相对减小期，70年代初至90年代初以极显著趋势在增大，90年至21世纪初以极显著趋势在减少。

关键词 季节性冻土；变化特征；气候倾向率

中图分类号：P642 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）07–0171-03

冻土是指含有水分的土壤因温度下降至0 ℃或0 ℃以下而呈冻结的状态[1-2]。季节性冻土一般出现在冬季，随着全球气温变暖，中国冻土表现为最大冻土深度减小、初冻日期推迟、消融日期提前、冻结持续期缩短、冻土下界上升的总体变化趋势[3]。土壤冻结深度与道路桥梁设计、铁路路基设计等关系密切，土壤冻结和解冻对农事活动、建筑行业等有着深刻的影响[4]。

近年来，我国学者在研究青藏高原冻土特征方面已做了大量的工作，取得了许多研究成果。李韧等[5]利用1961—1998年青藏高原季节冻土资料，发现20世纪60～80年代中期土壤季节最大冻结深度处于相对增大期，80年代中期至90年代末土壤季节最大冻结深度在减小。研究囊谦地区冻土的变化特征，对了解青藏高原与四川盆地过渡带之间冻土的分布变化具有一定的意义。

囊谦县地处青藏高原东部，地理位置95°21′58″E97°07′0″E，31°32′20″N32°43′46″N，海拔3 500～5 000 m，南接横断山脉，北临高原主体，山原地貌，大陆性季风气候，日照时间长，辐射强烈，日温差大，降雨量多而集中。在目前全球气候变暖的大背景下，对囊谦的季节性冻土变化特征进行分析，为青藏高原冻土研究和本地区各行业生产劳动提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

资料采用青海省信息中心提供的囊谦国家基准气象站1960—2017年冻土观测资料、月平均气温、月平均地表温度。并对资料进行了跨年度调整（冻土以上一年冻土出现时间至当年冻土消融时间为1个冻土年，气温、地表温度以上一年7月至下一年6月为1个冻土影响年。

1.2 分析方法

1.2.1 线性趋势分析和相關性检验 利用一元线性回归方程（i=1，2，…，n）以年份为自变量，气象因子为因变量，定量分析各气象因子随时间的变化趋势。b为各气象因子的气候倾向值，可采用最小二乘法求解：

式（1）中，x为1960—2017年时间序列中某一气象因子的要素值，y为所选年份系列的自变量n为样本总量，因为样本跨年整理，n取值58-1=57。

为验证气象因子变量在不同时刻间的线性相关是否显著，采用t检验对相关系数r进行相关性检验：

式（2）中，r为相关系数，n为样本量，n=58-1。在给定显著性水平的情况下，若t﹥ta，则认为相关系数显著。

1.2.2 Mann-Kendall检验 利用Mann

-Kendall非参数趋势检验法，结合滑动t检验、距平趋势分析等方法检测是否出现突变年份，Mann-Kendall非参数趋势检验，时间序列为1960—2017年，样本量n为58-1=57，

sk=ri  ， k=2，3，4，…，n，

式（5）中，UF为标准正太分布，给定显著性水平a，查正态分布表，若｜UF＞U｜，则表明序列存在明显的趋势变化。

2 冻土变化趋势分析

2.1 总体变化

从囊谦近58年来最大冻土随时间的变化曲线（图1）和囊谦历年最大冻土值及出现月份（表1）可见，1960年以来，囊谦季节性冻土深度以-2.69 cm/10年的速度呈减小趋势，平均冻土深度为33 cm，年最大冻土深度的最大值为85 cm，出现在1968年2月，年最大冻土深度的最小值为48 cm，出现在2004年1月。1997年以前多数年份冻土深度在平均线以上，只有6个年份在平均线以下，1998—2017年最大冻土深度都在平均线以下，只有1999 年在平均线以上。

2.2 最大冻土深度的阶段变化特征

从囊谦最大冻土年代际变化趋势和囊谦历年最大冻土值（表1）的年际平均可见，1960—1992年冻土深度以1.72 cm/10年的倾向率在上升，20世纪60～70年代初处于相对减少期，70年代初至90年代初处于相对增大期，整个80年代平均冻土深度为73 cm。1992年后以-6.43 cm/10年的速度减少，2000年以后减少趋势更为明显，2010—2017年平均深度为57 cm，比20世纪80年代减少了15 cm，比20世纪90年代减少了10 cm。这与李韧等[5]认为青藏高原周边地区季节冻结深度减薄，最显著的地区在高原腹地和高原东北区，近30年减薄约20 cm的结论一致。

2.3 冻土消融日和初冻日变化特征

从囊谦历年冻土消融日和初冻日出现频率（表2）可见，1960—1989年各年份冻土消融日出现在5月，到1990—1999年只有2年冻土消融日出现在5月，其余8年出现在4月。2000—2009年冻土消融日已提前至每年4月，2007年提前至3月，2010—2017年冻土消融日提前至3月，只有一年出现在4月，冻土消融日逐年在提前。

冻结初日在延迟，2000年以后延迟速率在加快，21世纪初的18年中，9月已无冻结初日出现，冻结初日出现在10月的年份只有76﹪，其中4年冻结初日延迟至11月，2017年的冻结初日延迟至2018年1月。

3 突變点检测

从囊谦1960—2017年冻土Mann-Kendall检测（图2）结合滑动t检验： （ 方程遵从自由度ν=1+2-2的分布）。分析得出1992年囊谦最大冻土深度发生了突变现象，从一个相对偏大期转变为一个相对偏小期，1992年以后冻土以及显著的速度在减少。

4 引起冻土变化的气候背景

从囊谦1960—2017年气温变化曲线（图3）和囊谦1960—2017年地表温度变化曲线（图4）看出，1960—2017年囊谦地区气温以0.36 ℃/10年的倾向率显著上升，至1992年以后，气温以0.70 ℃/10年的倾向率极显著上升。地表温度的变化跟气温变化一致，1960—2017年以0.43 ℃/10年的倾向率显著上升，至1992年以后，以0.9 ℃/10年的倾向率在极显著上升。从图3和图4比较发现，囊谦季节性冻土的变化与气温和地表温度的变化具有很大的负相关性，气温的逐年升高是导致冻土逐年变薄的主要因素。

5 结论

通过对囊谦57年冻土资料的总体分析、阶段分析，结合气温等气候影响因子分析得出：

（1）囊谦冻土以极显著的倾向率逐年变薄，倾向速度为-2.69 cm/10年。2000

年以前，每年的6—9月为无冻土期，2000年以后发展为每年的5—9月为无冻土期，冻土消融日明显提前，21世纪初比20世纪提前了1个月，冻土初日明显延迟。2010—2017年最大冻土平均深度为57 cm，比20世纪80年代减少了15 cm，比20世纪90年代减少了10 cm。

（2）1992年出现了1次冻土深度由厚变薄的突变。突变前，以1.73 cm/10年的倾向率在增大，突变后，以-6.43 cm/10年的倾向率在减小。

（3）冻土变化趋势与气温、地表温度的变化具有很好的负相关性。气温和地温的变化是地温变化的主要气象因子。

（4）囊谦冻土的变化特征与1961—1998年青藏高原季节冻土资料研究结论不符，与青藏高原周边地区季节冻结深度减薄最显著的地区在高原腹地和高原东北区结论基本一致。

参考文献

[1] 王吉兴.冻土观测分析[J].甘肃气象，1994（4）：43.

[2] 王艳丽，息涛，张鹏，等.1961—2010年辽宁省季节性冻土变化特征分析[J].现代农业科技，2013（21）：241-242.

[3] 陈博，李建平.近50年来中国季节性冻土与短时冻土的时空变化特征[J].大气科学，2008（3）：432-443.

[4] 叶殿秀，赵珊珊，孙家民.近50多年青海玉树冻土变化特征分析[J].长江流域资源与环境，2011，20（9）：1080-1084.

[5] 李韧，赵林，丁永建，等.青藏高原季节冻土的气候学特征[J].冰川冻土，2009， 31（6）：1050-1056.

Analysis of the Changing Characteristics and Climate Impact Factors of Seasonal Permafrost in the Past 57 Years in Nangqian Region under the Background of Global Warming

Wang Chen et al（Yushu Prefecture Meteorological Bureau of Qinghai Province， Yushu， Qinghai 815000）

Abstract Using the frozen soil， temperature， and surface temperature data from the National Standard Meteorological Station of Baoqian， Qinghai Province from 1960 to 2017， the seasonal changes in frozen soil in Baoqian were analyzed using statistical methods such as climate tendency rate and Mann Kendall non parametric trend test. The results show that the maximum frozen soil depth in Baoqian has been decreasing at a trend rate of -2.69 cm/10 a in the past 58 years. In 1991， there was a sudden change from large to small， and after 1992， it decreased significantly. The melting date in the early 21 st century was one month earlier than that in the 20 th century. The characteristics of interdecadal changes are that the maximum freezing depth was in a relatively decreasing period from the 1960 s to the 1970 s， increased significantly from the early 1970 s to the early 1990 s， and decreased significantly from the 1990 s to the early 21st century.

Key words Seasonal frozen soil; Change characteristics; Climate tendency rate