气候变暖背景下青海三江源区季节冻土冻融特征研究

李万志， 马海玲， 庞昕玮， 白文蓉， 李红梅， 余 迪， 李漠雨

（1. 青海省气候中心，青海 西宁 810001； 2. 高原科学与可持续发展研究院，青海 西宁 810001； 3. 常德市气象局，湖南 常德 415000； 4. 中国科学院 大气物理研究所，北京 100029）

0 引言

冻土是指温度低于0 ℃且含冰的土壤或岩石，是一种对气候变化十分敏感且性质极不稳定的土体［1-2］，其冻融过程是气候变化的重要指示器［3-4］。冻土层作为一种特殊的区域性隔水层或弱透水层，它的存在及其对全球变化的响应改变了寒区水文径流和生态环境［5］。影响冻土最大季节冻结深度变化的成因十分复杂，气候因素、地形因素和人为活动等均可对季节冻结深度产生影响，其中气候因素影响较大。受气候变暖影响，季节冻土厚度不断变浅，多年冻土层变薄甚至消失［6-7］。近50 年来，中国地表气温升高了1.1 ℃，增温速率明显高于全球或北半球同期的增温速率［8］。IPCC 第六次报告（AR6）指出，气候变暖的速度正在加快，尤其是全球地表平均温度的上升速率十分明显［9］。

在受气候变化影响的各圈层中，冰冻圈首当其冲，是对气候系统的反馈作用较为显著和快速的圈层［10-13］。在极端天气状态下，青藏高原冰冻圈和相关联的生态系统变化可能产生级联放大的影响［14-15］。青藏高原是地球上面积最大的高海拔多年冻土区，占我国多年冻土总面积的70%左右［16-17］。Gao 等［18］、Guo 等［19］分别采用不同的物理模型模拟了流域尺度、青藏高原地区以及全球尺度的多年冻土变化，揭示出冻土的退化事实。尤其针对青藏高原的冻土变化，诸多研究表明，气候变暖对该地区季节冻土影响主要表现为年最大冻结深度减小、冻结初始日推迟、融化终止日提前、冻结持续期缩短等变化趋势［20-22］，导致该地区出现植被退化、冰川退缩等一系列生态环境问题［23-24］。因此，开展冻土变化特征研究，揭示冻土退化过程和机制，已成为气候和冰冻圈科学研究迫在眉睫的任务。

青海三江源（本文简称三江源）地处青藏高原腹地，青海省南部，以山地地貌为主，山脉绵延，地形复杂，境内河流密布，湖泊、沼泽众多，雪山、冰川广布，是长江、黄河、澜沧江三大河流的发源地，也是中国乃至东亚地区重要的水资源保护区，具有高寒生物资源丰富、生态环境脆弱以及对气候变化敏感的特征［25-26］。作为青藏高原生态屏障极为重要的组成部分，高亢的地势和严寒的气候使其成为我国典型的冰冻圈核心作用区之一［27］，大面积高原多年冻土的存在孕育了广泛的高寒草原、高寒草甸与高寒湿地［26］，其生态系统服务功能对中国的生态状况及国民经济发展起着重要的作用［29-30］。受气候变暖和人为活动的共同影响，三江源正面临着以“变暖变湿”为主的气候变化，是全球气候变化的敏感区和生态环境的脆弱区［31-33］。基于此，本文在前人研究成果的基础上，通过补充最近较长序列气象台站冻土深度和地温等气象观测资料，对比分析气候变暖前后三江源区的季节冻土冻融特征，研究成果可为三江源区高寒生态治理及寒区工程建设提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

三江源区地处青藏高原腹地，地理位置为31°39′～37°10′ N、89°24′～102°27′ E，海拔为2 800～6 564 m，面积为13.0×104km2，包括长江、黄河和澜沧江源区等三大源区，其面积分别为13.0×104km2、11.8×104km2和5.4×104km2。境内河流密布，湖泊、沼泽众多，雪山冰川广布，是中国面积最大的天然湿地分布区，被誉为“中华水塔”［34-35］。这里气候属典型高原大陆性气候，年温差小、日温差大，年平均气温为-5.1～8.3 ℃；年降雨量为253.1～732.6 mm。

图1 三江源区地形及气象站点分布图Fig. 1 Topography and distribution of meteorological stations in the Three-River Source Region on northeastern Qinghai-Tibet Plateau

1.2 数据来源

该研究数据主要采用三江源区18 个国家气象站1961—2021 年的冻土、地温以及气温观测资料。资料均来自青海省气象信息中心，并经过严格的质量控制（表1）。由于各气象站季节冻结深度开始观测年份不同，所以在做最大季节冻结深度特征研究时，剔除五道梁、沱沱河站点。其次，为保证时间年限的一致性，剩余各站最大季节冻结深度研究时间均从1981 年开始，清水河站1981—1989 年冻土观测数据采用5 年滑动平均值进行补充。所以，该研究主要基于16 个国家气象站1981—2021 年冻土最大季节冻结深度观测资料分析其变化特征。平均地表温度、气温等观测数据较为完整，在进行季节冻结时间研究时采用1961—2021 年观测数据。文中涉及的地图是基于自然资源部标准地图服务系统（http：//bzdt. ch. mnr. gov. cn/）下载的审图号为GS（2019）3266的青海省地图制作，底图无修改。

表1 三江源区气象站点基本信息Table 1 Basic information of meteorological stations in the Three-River Source Region

1.3 研究方法

文中主要根据日平均地温（0 cm）<0 ℃的开始和结束时间代表土的冻结和融化时间，地表土的冻结初日是上一年9 月1 日后浅表层土（0～3.2 m）第一次冻结日期，土的冻结终日是当年8 月31 日前最后一次出现浅表层土（0～3.2 m）冻结的日期，年内日平均地表温度（0 cm）<0 ℃天数反映了冻土冻结时间，1 年中土的冻结深度的最大值为年最大冻结深度［36］。在进行统计分析时采用了线性趋势、累计距平［37］和显著性t检验［38］等方法。累积距平曲线是确定气候突变的一种方法，计算公式为：

式中：Xi为气象要素历年值为气象要素多年平均值，若气象要素累积距平指标绝对值达到最大时，所对应的t为突变年份。同时，通过计算信噪比［39］检验转折是否达到气候突变的标准。计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 平均气温变化

1961—2021 年，三江源区年平均气温为-0.34 ℃，总体表现为显著的升高趋势，升温速率为0.38 ℃·（10a）-1［图2（a）］。气温的变化过程并不是持续、均匀的单调增暖，而是呈现出冷暖相间、波动上升的特点。20 世纪70 年代至90 年代后期平均气温相对较低，且变化较为平稳，在1983 年出现最低值（-1.7 ℃），进入21 世纪后气温开始呈现显著增温趋势，并在2020 年达到最高值（2.0 ℃）。从三江源区年平均气温累积距平变化曲线来看，年平均气温累积距平呈明显的“单谷型”分布，在1997年出现转折点，1997 年之前呈显著的下降趋势，并在1997年达到“谷底”后开始回升［图2（b）］，计算其S/N值为1.2，大于1.0，说明1997 年为三江源区平均气温的突变年份，这与整个青藏高原年平均气温突变年份一致［40-41］。所以，在研究三江源区变暖前后冻土变化特征时，以1997 年为时间节点，1997 年以前为变暖前期，之后为变暖后期。

图2 1961—2021年三江源区年平均气温、年平均气温累计距平变化曲线（单位：℃）Fig. 2 Changing curve of annual average temperature （a） and cumulative annual average temperature anomaly （b）in the Three-River Source Region on northeastern Qinghai-Tibet Plateau from 1961 to 2021（unit： ℃）

通过三江源区国家基准站年平均气温空间分布特征来看，年平均气温为-5.0～4.6 ℃，总体呈东高西低的趋势，其中囊谦站年平均气温最高，五道梁站最低［图3（a）］。从年平均气温变率空间分布来看，三江源区年平均气温变率为-0.03～0.83 ℃·（10a）-1，除河南站呈下降趋势外，其他站均呈升温趋势，通过0.001显著性水平检验，其中同德站升温速率最高［图3（b）］。对比变暖前后各站平均气温差值得出，变暖后年平均气温较变暖前升高0.3～3.0 ℃，其中同德站增温幅度最大，河南站增温幅度最小［图3（c）］。

图3 1961—2021年三江源区年均气温（Tavg）、年均气温变率（Tslope）增暖前后气温差值（ΔT）空间分布图Fig. 3 Spatial distribution of annual average temperature（Tavg） （a）， annual average temperature variability （Tslope）（b）and temperature difference before and after warming（ΔT） （c） in the Three-River Source Region on northeastern Qinghai-Tibet Plateau from 1961 to 2021

2.2 年最大季节冻结深度变化

1961—2021 年三江源区各站平均年最大季节冻结深度为142.5 cm，受气温变暖影响呈退化趋势，退化速率为2.4 cm·（10a）-1。在年代变化上，20世纪80 年代后期至90 年代为季节冻结深度最大的时段，最大值出现在1986 年（172.7 cm）。进入21世纪后，季节冻结深度开始出现明显退化，在2019年出现最低值（108.8 cm）［图4（a）］，且变暖后年最大季节冻结深度较变暖前减少了11 cm。

图4 1961—2021年三江源区最大季节冻结深度（单位：cm）、最大季节冻结深度累积距平变化曲线及最大季节冻结深度（单位：cm）、最大季节冻结深度变率［单位：cm·（10a）-1］空间分布图Fig. 4 Changing curve of annual maximum depth of frost penetration （unit： mm） （a）， cumulative anomaly of the mean annual maximun seasonal freezing depth （b）， spatial distribution map of the mean annual maximun seasonal freezing depth （unit： mm） （c），and change rate of the mean annual maximun seasonal freezing depth change rate ［unit： cm·（10a）-1］ （d） in the Three-River Source Region on northeastern Qinghai-Tibet Plateau from 1961 to 2021

从年最大季节冻结深度累积距平值来看，三江源区年最大季节冻结深度有两个转折点，1979 年之前季节冻结深度变化相对平稳，之后呈显著增加趋势，在2004 年达到峰值后开始呈减小趋势［图4（b）］。计算两个转折点S/N值，其中1979 年的S/N值为0.6，小于1.0，2004 年的S/N值为1.1，大于1.0，说明年最大季节冻结深度在2004年发生突变，突变后年最大季节冻结深度较之前减小了16.1 cm。年最大季节冻结深度虽然受气温变化影响，但其突变年份与气温突变年份相比有一定推后，说明季节冻结深度由于受其他因素影响，对气温变化有一定的滞后性，这与李林等［32］研究结论较为一致。

空间分布上，三江源区国家基准站年最大季节冻结深度自西北向东南减小，最大值位于玛多站（211.9 cm），最小值位于囊谦站（66.7 cm）［图4（c）］。空间变率上，玉树站、玛多站、河南站年最大季节冻结深度呈增加趋势，增加速率为0.07～4.0 cm·（10a）-1，其中玉树站增加速率最大，其余13 站均呈减少趋势，减少速率为1.1～16.8 cm·（10a）-1，曲麻莱站减少趋势最显著［图4（d）］。对比变暖前后各站年最大季节冻结深度得出，玉树站、玛多站变暖后较变暖前季节冻结深度分别增加了6.1 cm 和8.6 cm，其余各站均出现退化，退化幅度为4.4～48.2 cm，其中清水河站退化幅度最大，治多站最小。

2.3 地表土的冻结初日、冻结终日变化

1961—2021 年，三江源区平均地表冻结初日为10 月24 日，呈显著推迟趋势，推迟速率为1.0 d·（10a）-1，通过0.001 显著性水平检验。在年代变化上，地表冻结初日在21 世纪前变化并不明显，21世纪后明显开始推迟，尤其近十年推迟趋势明显［图5（a）］。

图5 1961—2021年三江源区地表土的冻结初日、冻结终日变化曲线及气候变暖前后各观测站地表土的冻结初日和冻结终日变化Fig.5 Changes in of freezing onset date （a） and freezing end date （b） of ground surface soil in the Three-River Source Region on northeastern Qinghai-Tibet Plateau from 1961 to 2021 and changes in freezing onset date and freezing end date of ground surface soil at each station before and after climate warming （c）

平均地表冻结终日为5 月18 日，呈显著提前趋势，提前速率为3.3 d·（10a）-1，通过0.001 显著性水平检验。其中，地表冻结终日最晚的日期为1990年6月6日，最早日期为2021年4月21日［图5（b）］。地表冻结初日和冻结终日在气候变暖前后差异较大，变暖前冻结终日为5月22日，变暖后为5月10日，提前了12 d；而冻结初日在变暖前为9月25日，变暖后为10月9日，推迟了14 d，与气温变化有着很好的响应。

从三江源区各站季节性冻土的冻结初日和冻结终日变化来看，泽库站、治多站、玛多站、清水河站、甘德站、达日站、河南站7 站在9 月就开始冻结，其中甘德站最早（9 月8 日），其余11 站在10 月才开始冻结，囊谦站最晚（10月24日）。同德站、玉树站、囊谦站、班玛站4 站在4 月就已经开始消融，其中囊谦站最早（4 月17 日）；泽库站、甘德站6 月开始消融，清水河站7 月开始消融，消融日期最晚，其余11站均是5月开始消融。从变暖前后各站地表的冻结初日和冻结终日变化来看，冻结初日除玛多站提前外，其他各站均推迟。其中，玛多站增暖后较增暖前冻结初日提前14 d，其余各站推迟2.1～28.6 d，曲麻莱站推迟时间最长。冻结终日各站提前0.3～45.1 d，其中玛多站提前时间最长，班玛站最短［图5（c）］。

2.4 季节冻土冻结时间变化

三江源区季节性冻土的平均冻结时间为133.9 d，呈显著减少趋势，减少速率为1.9 d·（10a）-1。在年代变化上，20 世纪60 至70 年代冻结时间变化不明显，80年代持续时间最长，90年代开始减少；进入21世纪后减少趋势尤为显著，其中冻结时间最长的年份为1983 年（150.8 d），最短为2015 年（117.2 d）［图6（a）］，且变暖前冻结时间为137.5 d，变暖后为128.7 d，相差8.8 d。从冻结时间累积距平值来看，三江源区季节性冻土的冻结时间累计距平呈“单峰型”分布，在2002 年之前呈增多趋势，到2002 年达到顶峰后开始减少［图6（b）］。计算其S/N值为1.2，大于1.0，说明冻结时间在2002年发生了突变，突变年份与年最大季节冻结深度突变年份一致，且受气温变化影响均具有一定的滞后性。

图6 1961—2021年三江源区季节性冻土的冻结时间、冻结时间累计距平变化曲线Fig.6 Changing curve of seasonally frozen soil duration （a） and accumulated anomaly of seasonally frozen soil duration （b）in the Three-River Source Region on northeastern Qinghai-Tibet Plateau from 1961 to 2021

在空间分布上，三江源区各站季节性冻土的冻结时间为88.3～180.6 d，总体呈西高东低的趋势，其中五道梁站冻结时间最长，囊谦站最短［图7（a）］。在长期变化上，三江源区各站土的冻结时间均呈减少趋势，速率为1.7～7.8 d·（10a）-1，均通过显著性水平检验。其中，河南站减少速率最小，同德站最大［图7（b）］。对比变暖前后各站冻结时间变化得出，变暖后冻结时间较变暖前减少了8.6～27.4 d，其中同德站减少幅度最大，河南站最小［图7（c）］。

图7 三江源区季节性冻土的冻结时间、冻结时间变率、增暖前后冻结时间差空间分布图Fig. 7 Spatial distribution of seasonally frozen ground duration （a）， seasonal ground freezing time variability （b） and seasonally frozen ground freezing time difference （c） before and after warming in the Three-River Source Region on northeastern Qinghai-Tibet Plateau

3 结论

通过1961—2021 年三江源区18 个国家气象站的地温、气温、冻土等观测资料统计结果，计算得出了三江源区气温、年最大季节冻结深度以及浅表层土的冻结时间的突变年份，并对比分析了气候变暖前后季节冻土的变化特征，得到如下结论：

（1）三江源区年平均气温为-0.34 ℃，呈东高西低分布，总体以0.38 ℃·（10a）-1速率增温。各站增温速率在-0.03～0.83 ℃·（10a）-1之间，除河南站呈降低趋势外，其他均呈升温趋势。三江源区年平均气温在1997年发生突变，且1997年为气候变暖前后时间节点，与变暖前相比，各站增温在0.3～3.0 ℃。

（2）三江源区平均年最大季节冻结深度为142.5 cm，呈西北高东南低分布，总体以2.4 cm·（10a）-1速率退化。除玉树站、玛多站、河南站呈增加趋势外，其他各站均呈退化趋势。较变暖前相比，年最大季节冻结深度退化了11 cm。除玉树站、玛多站季节冻结深度增加外，其他各站均出现退化。三江源区年最大季节冻结深度在2004 年发生了突变，突变年份与气温突变年份不一致，且具有一定的滞后性。

（3）三江源区平均地表冻结初日为10 月24 日，以1.0 d ·（10a）-1速率推迟，平均冻结终日为5 月18日，以3.3 d·（10a）-1速率提前。空间上，冻结初日甘德站最早、囊谦站最晚，冻结终日为囊谦站最早、清水河站最晚。与变暖前相比，冻结终日提前12 d，冻结初日推迟14 d，各站冻结初日除玛多站提前外，其他均推迟，冻结终日则均呈出现提前。

（4）三江源区季节性冻土的平均冻结时间为133.9 d，呈西多东少分布，总体以1.9 d·（10a）-1速率减少，空间上各站也均呈减少趋势。相比变暖前，各站冻结时间减少8.6～27.4 d，同德站减少幅度最大。三江源区土的冻结时间在2002 年发生了突变，突变年份与平均气温并不一致，说明土的冻结时间受气温变化影响具有一定的滞后性。

受气候变暖影响，三江源区季节性冻土的冻结深度及冻结时间均呈减少趋势，冻结终日呈提前趋势，初日呈推迟趋势。但通过计算季节冻结深度及冻结时间的突变年份，发现其与气温的突变年份并不一致，说明季节冻土变化在受气候变暖影响的同时，还受人类活动、下垫面等其他因素影响，后期研究中还需进一步加强该方面的研究，厘清季节冻土退化事实。同时，三江源区地广人稀，站点稀疏，现有观测站点数据并不能很好地反映三江源区季节冻结作用弱化的现象，后期还需加密观测，使分析结果更加精确。