庆阳市冻土人工与自动观测对比分析

李美瑜，柳家祺，李甲平，张天峰，周忠文，张雪姣

1.甘肃省正宁县气象局，甘肃正宁 745300；2.庆阳市气象局，甘肃庆阳 745000；3.甘肃省合水县气象局，甘肃合水 745400

冻土是指具有负温或0 ℃温并含有冰的土类和岩石，按处于冻结状态的持续时间通常划分为短期冻土、季节冻土和多年冻土[1]。它是对温度十分敏感且性质极不稳定的土体。冻土是岩石圈—土壤—大气圈系统热质交换过程中形成的，自然界许多地理地质因素参与这一过程，影响和决定冻土的形成和发展，气候是其中一个重要因素[2]。20世纪以来，全球正经历一段以变暖为主要特征的时期，在全球变暖和人为活动作用加强的背景下冻土环境发生了变化，研究冻土的变化具有重要意义[3]。陈博等[4]分析研究了近50年来中国季节性冻土及短时冻土的时空变化特征；郭慧等[5]分析研究了甘肃河西季节冻结深度年代际变化特征及其气候成因；黄斌等[6]研究了祁连山北麓春季冻土深度对气温变化的响应。

目前，冻土观测仍使用达尼林冻土器，停留在人工观测阶段，2021年国家安排部署在全国24个省安装冻土自动观测仪，开展冻土自动与人工平行观测。关于冻土自动观测仪的研究，多倾向于不同型号冻土仪的性能对比分析、自动冻土仪的设计与研究试验等，对冻土自动与人工观测的对比分析研究较少。针对庆阳市2021—2023年冻土自动与人工观测数据进行对比分析，研究其一致性与差异性，并查找造成差异的原因，为研究冻土平行观测效果提供参考依据。

1 资料与方法

原始资料来源于庆阳市8个国家基本气象站1968—2021年逐日冻土数据、逐日平均气温、最低气温、0～320 cm地温、地面最低温度及2021—2023年自动与人工冻土对比观测数据等。主要运用相关性分析、线性趋势分析、M-K突变检验等统计方法进行分析研究。

2 结果与分析

2.1 冻土的基本变化特征

分析研究庆阳市8个站点1968—2021年的冻土数据，得出庆阳地区的冻土时段一般出现在11月至翌年4月期间，最大冻结深度出现在2月前后。庆阳市最大冻土深度出现在环县110 cm，镇原的最大冻土深度在全市范围最小为66 cm。庆阳市50多年平均最大冻土深度呈下降趋势，平均下降幅度为4.28 cm/10年（图1），8个县区下降幅度有所相同（表1），其中，西峰下降幅度最大为6.86 cm/10年，环县次之为6.81 cm/10年，下降幅度最小的为镇原1.29 cm/10年。通过对最大冻土深度做M-K突变检验（图2），分析得出突变点在1997年，即1997年后最大冻土深度开始显著下降，与庆阳地区气温突变的年份相一致，说明在全球变暖的大背景下，庆阳市最大冻土深度也在逐渐下降。

表1 各县区平均最大冻土深度气候倾向率

图1 庆阳市平均最大冻土深度变化趋势

图2 庆阳市最大冻土深度M-K突变检验

2.2 冻土与气象因子的相关性分析

利用1968—2021年冻土与各气象因子日数据作相关性分析，分析得出冻土与气温、最低气温、0～80 cm地温及地面最低温度呈负相关（表2），其中与5～40 cm地温的相关性更好，随着地温深度的增加相关性越好，但到80 cm地温相关性又降低，该规律与各站冻土冻结深度相匹配。计算各站50多年来平均冻土深度，其中环县为80 cm，庆城为65 cm，其余各县均在50～60 cm之间，除环县外，其余站点最大冻土深度达到80 cm的年份较少，呈现出与80 cm地温的相关性降低的现象。自动冻土与气象因子作相关性分析，结果与人工冻土一致。

表2 庆阳市冻土深度与气象因子Pearson相关系数

2.3 自动与人工冻土数据对比分析

通过对比分析8个基本站2021—2022年、2022—2023年度自动与人工冻土数据（图3），得出除华池外其他站点2022—2023年度数据一致性较2021—2022年度要好，但仍有部分日数自动与人工冻土差异较大，时段主要出现在2—3月冻土分层阶段，通过分析相关数据，发现人工与自动冻土差异较大的日数均为冻土出现分层的日数，自动与人工分层数据不一致，该日数气温和浅层地温往往处于正负值交替出现的过渡区。

将2021—2022、2022—2023年度自动与人工冻土差异进行对比分析（图4），得出2022—2023年正宁、镇原、庆城、环县的差值较2021—2022年度明显减小，宁县、华池、西峰2个年度变化不明显，合水差值由负值转变为正值。以人工冻土为准计算自动冻土的系统误差、标准偏差和相关系数（表3），得出系统误差的绝对值除华池外其余各站均呈减小趋势，标准偏差除西峰外均呈减小趋势，相关系数均在0.92以上，相关性较好。各站在2021—2022年冻土评估后进行了软件升级及冻融参数调整，通过以上分析说明升级工作有效性显著。

图4 庆阳市8个基本站2021—2022、2022—2023年度自动与人工冻土差异性对比分析

2.4 差异原因分析

通过对比分析自动与人工观测数据，自动与人工冻土观测数据存在差异性，部分时段差异性较大，得出造成差异的主要原因有以下3个方面：

（1）0 cm刻度线不准确，外套管周围土壤密实度不够。2021年安装自动冻土观测仪时部分台站已进入冻土期，且安装时间较短，土壤较松弛，过一段时间出现沉降现象，导致0 cm刻度线偏低；部分台站对地下岩石层采用开挖后填埋的方式安装，导致冻土仪外套管周围土壤密实度与人工冻土器不同，部分观测数据差异性较大。

（2）冻土仪和冻土器周围环境不同。多数台站冻土器附近无踏板，业务人员每天08:00观测冻土时，脚踩过的冻土器周边积雪融化快，冻土仪周边积雪覆盖时间长，导致人工冻土器四周土壤裸露，地温较低，土壤冻结深度明显偏大。

（3）由于2种不同仪器观测原理的不同，构造不同及仪器本身的系统误差不同，导致自动冻土仪与人工冻土器对温度的响应灵敏度存在差异。测温式自动冻土仪对温度变化感应较人工冻土器灵敏，气温、地温在正负温度过渡阶段，2种仪器对温度的响应时间不同，导致观测到的数差异性较大。

3 结论

（1）研究1981—2021年冻土深度，得出近50年来庆阳市8个县区冻土深度均呈下降趋势，下降的突变点在1997年，平均下降幅度为4.28 cm/10年，其中，西峰下降幅度最大，为6.86 cm/10年，环县次之，为6.81 cm/10年，镇原最小为，1.29 cm/10年。

（2）将自动与人工冻土数据与气象因子作相关性分析，得出冻土与气温、最低气温、0～80 cm地温及地面最低温度呈负相关，其中与5～40 cm地温的相关性更高。

（3）对比分析8个基本站2021—2022年、2022—2023年自动与人工冻土观测数据，得出除华池外其他站点2022—2023年度数据一致性较2021—2022年度要好，软件升级和修改冻融参数后数据质量得到提高，但部分日数自动与人工冻土差异较大，时段主要出现在2—3月冻土分层阶段，分析发现差异较大的日期气温和浅层地温往往处于正负值交替出现的过渡区。

（4）对比分析2021—2022、2022—2023年度自动与人工冻土差异，得出2022—2023年正宁、镇原、庆城、环县的差值较2021—2022年度明显减小，宁县、华池、西峰2个年度变化不明显，合水差值由负值转变为正值。以人工冻土为准计算自动冻土的系统误差、标准偏差和相关系数，得出系统误差的绝对值除华池外其余各站均呈减小趋势，标准偏差除西峰外均呈减小趋势，相关系数均在0.92以上，相关性较好。

（5）通过分析发现造成自动与人工冻土观测数据存在差异的原因是：0 cm刻度线不准确，外套管周围土壤密实度不够；冻土仪和冻土器周围环境不同；2种不同仪器观测原理的不同，构造不同以及仪器本身的系统误差不同，导致自动冻土仪与人工冻土器对温度的响应灵敏度存在差异，最终导致自动与人工冻土数据存在差异。