東北地區地溫和凍結深度時空特征的細化分析

龔 強， 晁 華， 朱 玲， 藺 娜， 于秀晶， 劉春生， 汪宏宇

（1.沈陽區域氣候中心，遼寧 沈陽 110166； 2.吉林省氣候中心，吉林長春 130062； 3.黑龍江省氣候中心，黑龍江哈爾濱 150030；4.中國氣象局沈陽大氣環境研究所，遼寧沈陽 110166）

0 引言

在我國凍土有著廣泛的分布，季節凍土和多年凍土區約占陸地總面積的70%，其中季節凍土區約占50%［1］。氣候是凍土分布的主導因素，影響著凍土的凍結深度和分布范圍［2］，同時凍土變化又反作用于生態與氣候系統［3］。

東北地區全境為凍土區，除大小興安嶺北部區域為多年凍土區外，其余絕大部分為季節凍土區［4］。東北地區不僅是中國重要的商品糧生產基地，也有著多樣的生態系統和重要的涉及凍土的工程，比如中俄輸油管道［5］、高緯高速鐵路［6］工程等，使得東北地區地溫、凍土的研究受到了大量關注。IPCC第五次評估報告指出，1980—2012 年全球地表平均溫度上升了0.85 ℃［7］，東北的多年凍土區增溫更為明顯，興安嶺地區近50 a 年平均氣溫普遍升高了0.9～2.2 ℃［8-9］，升溫速率高于全國和全球平均水平，氣溫升高必然會導致凍土溫度、類型和分布發生變化。目前，已有學者基于氣象站的凍土觀測資料對遼寧［10］、吉林［11］、黑龍江［12-13］各自的凍土變化特征進行分析，發現這些地區均存在凍結深度變淺、凍結初日推后、凍結終日提前的現象。也有學者針對松花江流域［14］、黑龍江佳木斯［15］、遼寧朝陽［16］、遼寧沈陽［17］等特定地區，著重分析最大凍結深度變化對氣候變暖的響應，認為最大凍結深度與氣溫特別是冬季氣溫呈反位相關系。晁華等［18］對東北地區凍土時空特征進行了分析，龔強等［19］分析了遼寧省地溫時空特征，也得出了凍結深度變淺、地溫升高的結論。針對東北北部的多年凍土區，多是基于勘探、物探資料等進行研究。常曉麗等［20］、何瑞霞等［21］總結了大興安嶺北部多年凍土監測、研究的進展情況，指出該地區受氣候變化和人類活動影響，凍土正在退化。雖然前人從不同角度對東北地區的地溫、凍土情況進行研究，但這些分析多以局部區域開展研究或單一分析地溫或凍土某個要素，針對整個東北地區多層次地溫以及凍土觀測的長時間序列研究，尤其是分析其空間差異還較少。鑒于此，本文基于東北地區（本文指遼寧、吉林、黑龍江三省，不含內蒙古東四盟地區）氣象觀測站地溫、凍土的觀測資料，充分應用長序列觀測數據以及新近較為完整的觀測資料，結合數理統計建模更加細化地分析該區域地溫、凍土時空整體特征及其空間差異，以期為凍土工程設計建設和相關領域研究提供依據。

1 資料與方法

1.1 資料

本文采用東北地區144個國家氣象站有地溫觀測以來的逐月平均地表溫度和5、10、15、20、40、80、160、320 cm 地溫資料，氣象站分布見圖1。各氣象站地溫開始觀測年份不同，最早始于1951 年，但2005 年之前只有部分氣象站具有地表及40、80、160、320 cm 地溫數據，且缺測、中斷現象比較嚴重。2005 年起，東北地區整體從人工地溫觀測轉換為自動觀測，地溫數據才相對比較完整。故本文基于144個氣象站2005—2016年地溫資料分析地溫空間分布特征。其中，阜新、錦州氣象站無80～320 cm 觀測資料，長海、依蘭氣象站無40～320 cm 觀測資料，羊山氣象站僅有地表溫度觀測，海城、金州、旅順、通化縣、長白、安圖、漠河氣象站無320 cm 觀測資料。對地溫長期變化的分析則盡可能選用觀測起始時間早、有長時間序列數據的氣象站資料。

采用的凍土觀測資料是東北地區143個國家氣象站（圖1中僅長海氣象站無凍土觀測）逐日凍結深度觀測資料，各站于1955—2003 年間陸續開始凍土觀測。本文對極端最大凍結深度的分析采用143個氣象站凍土觀測開始年至2016年的數據。對空間分布的分析則采用與地溫空間分布相同分析時段（2005—2016 年）的數據進行分析。凍結深度數據采用凍土觀測的下界深度，以cm為單位。上述地溫、凍土資料分別來自遼寧省、吉林省、黑龍江省氣象檔案館。

圖1 氣象站點分布Fig.1 Distribution of the meteorological stations

1.2 分析方法

由于氣象站數量有限，尤其在黑龍江地區有較完整凍土、地溫觀測數據的站點更少，僅依靠氣象站實際觀測難以客觀、全面的反映凍結深度、地溫的空間分布情況，為此本文采用統計建模推算的方法細化凍土、地溫的分布情況。凍土、地溫均屬于氣候學中的熱量要素，其分布特征與地理因子關系密切［22］。

式中：T為凍結深度（cm）或地溫（℃）；lon為地理經度；lat為地理緯度；h為海拔（m）。一般可用多元線性回歸方程表示。

式中：a0、a1、a2、a3為回歸方程系數。

本文采用SRTM3 數字高程數據（http://srtm.csi.cgiar.org/，分辨率為90 m）和ArcGIS 10.0 軟件，將東北地區極端最大凍結深度、年平均最大凍結深度、年平均凍結期（凍結期表示凍結初日到翌年凍結終日之間的總天數）、年平均地表溫度、各層年平均地溫分別與經度、緯度、海拔高度進行多元線性回歸分析，分別建立擬合方程（表1），用以推算上述凍土、地溫要素1 km 分辨率的空間網格化數據。 各要素與地理參數之間的復相關系數為0.8925～0.9703，均通過了0.01顯著性水平檢驗。

表1 東北地區地溫、凍結深度要素空間網格化回歸方程系數Table 1 Spatial gridding regression equation coefficient of ground temperature and frost depth in Northeast China

2 結果與討論

2.1 地溫和凍結深度的空間分布特征

2.1.1 地溫的空間分布

根據氣象站地溫實測數據統計，各土層年平均地溫為南部溫度高，北部溫度低，南北溫差達到12 ℃，觀測到的各地各土層累年平均地溫均大于0 ℃，最高值出現在遼寧南部的大連地區，最低值出現在黑龍江北部的漠河一帶。圖2 給出了按表1 推算得到的東北地區地表溫度及40、80、320 cm 深度年平均地溫空間網格化分布圖（其他深度圖略）。可以看到，地溫空間分布存在明顯的緯向特征，大致呈向北2 個緯度年平均地溫降低1 ℃左右。上下層地溫數值較為接近，說明0～320 cm 土層的年平均地溫在垂直方向差異不大。東北各地年平均地表溫 度 為0.8～13.1 ℃，5 cm 和10 cm 地 溫 為0.4～12.4 ℃，15 cm 地溫為0.2～12.4 ℃，20 cm 地溫為0.1～12.4 ℃，40 cm地溫為-0.1～12.0 ℃，80 cm地溫為-0.3～12.3 ℃，160 cm 地溫為0～12.6 ℃，320 cm地溫為1.6～13.6 ℃。全區0～40 cm 地溫隨深度加深而降低，80～320 cm 地溫隨深度加深而升高；40～80 cm 深度地溫空間分布變化較小，北部局部地區年平均地溫為負值，可能存在多年凍土。

圖2 東北地區地表及40、80、320 cm深度年平均地溫網格化推算分布Fig.2 Gridding calculation distribution of mean annual ground temperature at 0，40，80，320 cm depth in Northeast China

為進一步了解地溫的空間分布規律，圖3 給出了年平均地表溫度和40、320 cm 年平均地溫與緯度、經度以及海拔高度關系的散點圖（其他圖層的散點圖與之相似，故圖略）。可以看到，各層地溫與緯度有明顯的負相關關系，兩者線性回歸擬合優度R2大于0.8，說明緯度對地溫高低的貢獻較大，緯度越高、地溫越低。各層地溫與經度、海拔高度雖也存在一定的負相關趨勢，但相關性明顯低于其與緯度的相關性，且可以看到地溫在2～4 ℃的幾個離散點（漠河、塔河、呼中、新林、呼瑪）與經度或海拔高度基本無相關性。按文獻［23-24］，嫩江—伊春一線以北為多年凍土區，以南為季節凍土區，上述幾個離散點正處于多年凍土區，說明東北多年凍土區地溫雖與緯度有一定關系，但基本不受經度和海拔高度影響。

圖3 地表及40、320 cm年平均地溫與緯度、經度以及海拔關系散點圖Fig.3 Scatter diagram of mean annual ground temperature at 0，40，320 cm depth vs.latitude，longitude and altitude

圖4 給出了各地觀測到的最低溫度層的空間分布。雖然分布有些凌亂，可能與各地觀測點土質不同有關，但總體以44° N 為界，以南多以40 cm 深度溫度最低，以北多以80 cm 或更深層溫度最低，漠河最低溫度層深度在160 cm 或更深（160 cm 以下的更深層無觀測），鄰近的塔河已達到320 cm，說明隨著緯度升高土壤最低溫度層深度有加深的傾向。

圖4 東北地區0～320 cm土層實測最低年平均地溫層的深度分布Fig.4 Depth of the lowest mean annual ground temperature recorded in the 0～320 cm soil layer in Northeast China

2.1.2 凍結深度的空間分布

東北各地2005—2016 年實測年平均最大凍結深度為32～254 cm，最小值出現在最南部的遼寧旅順，最大值出現在黑龍江北部的新林（注：漠河僅有1 a 數據，未參與統計）。對于氣象站觀測到的極端最大凍結深度情況，文獻［18］有比較詳細的分析，即極端最大凍結深度等深線具有緯向特征，觀測到的極端最大凍結深度為80 cm（旅順）～400 cm（漠河），而且氣候變暖背景下仍有一些觀測點在2010年以后觀測到突破歷史極值的極端凍結深度。

從東北地區年平均最大凍結深度和極端最大凍結深度的空間網格化分布圖來看（圖5），兩者緯向分布特征十分明顯。年平均最大凍結深度70 cm等深線位于遼寧南部沿海一帶，100、130、160、190、220 cm 等深線分別位于42° N、45° N、48° N、50° N、52° N 附近，基本為向北2～3 個緯度凍結深度加深30 cm左右。極端最大凍結深度明顯深于年平均最大凍結深度，160、190、220 cm 等深線分別位于43° N、45° N、47° N 附近，50° N 以北地區極端最大凍結深度超過280 cm，基本為向北2 個緯度極端最大凍結深度加深30 cm左右。

圖5 東北地區年平均最大凍結深度、極端最大凍結深度網格化推算分布Fig.5 Gridding calculation distribution of mean annual maximum frost depth and extreme maximum frost depth in Northeast China

圖6給出了年平均最大凍結深度、極端最大凍結深度與緯度、經度以及海拔高度關系的散點圖。可以看到，凍結深度與緯度線性回歸擬合優度R2為0.8 左右，相關性較高，說明存在隨著緯度升高凍結深度加深的趨勢，而凍結深度與經度、海拔高度的散點圖比較離散，統計意義不明顯。且可以看出年平均最大凍結深度為250 cm 左右、極端最大凍結深度大于300 cm 的散點（新林、呼瑪）完全游離在其他散點之外，特點與圖3多年凍土區地溫的特征類似，即這幾個散點凍結深度與海拔高度、經度基本無關，這與大興安嶺特有的起伏地形、多年凍土一般存在于溝谷的實際現象一致，反映出東北地區多年凍土獨特的特征。

圖6 年平均最大凍結深度、極端最大凍結深度與緯度、經度及海拔關系散點圖Fig.6 Scatter diagram of mean annual maximum frost depth and extreme maximum frost depth vs.latitude，longitude and altitude

2.2 地溫和凍結深度的年內變化特征

2.2.1 地溫的年內變化

不同深度地溫的季節特征不同（圖7）。地表溫度以夏季（6—8 月）最高，其次為春季（3—5月），冬季（12 月—翌年2 月）最低，與氣溫特征一致。5～80 cm 深度均以夏季溫度最高，其次為秋季（9—11 月），冬季最低。160 cm 以下深度呈現秋、夏、冬、春季溫度從高向低排列的特征。地表通過接收太陽短波輻射而升溫，并與大氣和下面土層進行熱量交換，因地表是土壤與大氣的直接接觸層，兩者季節變化規律一致，而隨著土層加深，土層溫度受地表影響減弱，溫度變化存在滯后，因而表現有所不同。地溫的季節差異隨著土層深度加深而減小，地表夏季與冬季溫差達到33.5 ℃，而320 cm 深處最熱季（秋季）與最冷季（春季）的溫差僅為7 ℃。

圖7 東北地區0～320 cm深度四季平均地溫Fig.7 Mean seasonal ground temperature in spring，summer，autumn and winter at depth of 0～320 cm in Northeast China

圖8以沈陽、長春、哈爾濱和最北端的漠河、最南端的旅順作為代表站給出了0～320 cm 各月地溫隨深度的變化情況。可以看到，五站均以20 cm 以內深度地溫的年內變化相對劇烈，40 cm 以下地溫變化比較平緩。隨著深度增加，地溫的月際變化減小，地表面年內溫差以漠河最大（36.7 ℃）、旅順最小（29.6 ℃），而320 cm 深度地溫年內溫差為6.5～7.2 ℃。五個代表站1 月、2 月、11 月和12 月均為地溫隨深度增高，其余月份地溫隨深度的變化不完全相同。0～160 cm 土層，冬半年地溫整體隨深度增加而升高，夏半年則相反。

圖8 旅順、沈陽、長春、哈爾濱、漠河0～320 cm深度各月平均地溫Fig.8 Mean monthly ground temperature from January to December at depth of 0～320 cm at Lüshun（a），Shenyang（b），Changchun（c），Harbin（d）and Mohe（e）Stations

2.2.2 凍結深度的年內變化

東北地區月平均最大凍結深度出現在3 月（圖9）。一般從10 月開始，隨著秋末冷空氣加強入侵，東北地區從北向南土壤逐漸凍結，南部沿海在翌年2 月凍結深度達到最大值，從南向北最大凍結深度出現的時間逐步推遲，北部地區基本在3 或4 月達到最大值，黑龍江北部部分地區在7—9月仍可能存在凍土。按網格化推算結果（圖10），全區年平均凍結期為113～325 d，由南向北遞增，51° N以北凍結期可達到300 d以上。

圖9 東北地區各月平均最大凍結深度Fig.9 Mean monthly maximum frost depth from January to December in Northeast China

圖10 東北地區凍結期網格化推算分布Fig.10 Gridding calculation distribution of freezing period days in Northeast China

2.3 地溫和凍結深度的長期變化特征

2.3.1 地溫的長期變化

選用大連、沈陽、長春、哈爾濱、伊春、愛輝為代表氣象站分析地溫的長期變化，該6站位置從南至北依次相差2～3 個緯度左右，且數據時間序列相對較長，其中，伊春、愛輝處于多年凍土區，其余4站位于季節凍土區。由圖11 和表2 可見，雖然各站觀測起始年份不同且存在數據中斷現象，但仍可以看出各層地溫有明顯的升高趨勢，地表升溫最大。6站地表升溫趨勢從南到北依次增大［0.31～1.16 ℃·（10a）-1］，說明地表升溫隨緯度升高越來越顯著。40～320 cm 土層，對單站而言，各土層升溫幅度差異不大，但對比各站，各層均以伊春升溫最大［0.60 ℃·（10a）-1左右］，愛輝或哈爾濱次之［0.35 ℃·（10a）-1左右］，大連基本最小［0.20 ℃·（10a）-1左右］。總體而言，0～320 cm土層以高緯度升溫明顯，與氣候變暖在中高緯度更為顯著一致，不利于東北地區多年凍土的維持，特別是伊春，因其處于東北凍土區的南側邊緣，大幅升溫更不利于其多年凍土的繼續維持。

圖11 6個代表站年平均地溫年際變化Fig.11 Interannual variations of mean annual ground temperature at 0，40，80，160，320 cm depth at 6 representative stations（Dalian，Shenyang，Changchun，Harbin，Yichun and Aihui）

表2 6個代表站年平均地溫變化線性趨勢［單位：℃·（10a）-1］Table 2 Linear variation trend of mean annual ground temperature at 6 representative stations［unit：℃·（10a）-1］

從圖11 還可以發現，地表溫度在2005 年有明顯躍升，伊春、愛輝躍升幅度最大，而其他深度該現象不明顯，這與地溫觀測方式改變有關。2004—2005 年，東北地區氣象站全面由人工觀測改為自動站觀測，積雪天氣時人工觀測的地面溫度為雪面溫度，自動氣象站觀測的卻是雪下溫度，積雪對土壤的保溫作用使得觀測方式改變后地表溫度顯著升高［25］，因而在積雪較厚的多年凍土區地表溫度躍升的幅度更為明顯。可見，因地表溫度序列存在虛高現象，在分析地溫的氣候變化特征時，不宜單一采用地表溫度數據作為分析基礎。于小舟等［26］研究認為積雪對0～20 cm 土壤有較好的保溫作用，而氣象站0～40 cm 土層之間的地溫觀測均是自動站觀測以后開始的，且無積雪清除對照觀測試驗，現有資料暫無法直接分析積雪保溫作用影響的土層深度。

2.3.2 凍結深度的長期變化

圖12 給出了上述同樣6 個代表站最大凍結深度和凍結期歷年變化圖。結合表3可見，6個代表站均存在凍結深度變淺、凍結期縮短現象。伊春最為顯著，凍結深度減小、凍結期縮短趨勢分別達到23 cm·（10a）-1、8 d·（10a）-1，哈爾濱、愛輝次之，分別為10 cm·（10a）-1、6 d·（10a）-1左右，伊春和愛輝歷年最大凍結深度的變幅較大，其他3 站凍結深度減小趨勢為4～7 cm·（10a）-1、凍結期縮短趨勢為2～4 d·（10a）-1。與圖11 對比可見，凍結深度、凍結期的趨勢性不如地溫的趨勢性顯著，存在階段性特征，即1987 年前后各站凍結深度、凍結期從偏大階段轉為相對偏小階段，轉變節點與東北地區冬季氣溫變暖突變時間比較吻合［27］。1987 年前后，大連、沈陽、長春凍結深度減少了20 cm 左右、凍結期減少15 d 左右，哈爾濱、伊春、愛輝凍結深度減少了32～83 cm、凍結期減少22 d 左右。總之氣候變暖使得東北地區凍結深度減小、凍結期縮短，尤其在多年凍土區及其臨近的高緯度季節凍土區更為顯著，這些地區凍土類型的變化需要今后進一步關注。

圖12 6個代表站最大凍結深度、凍結期年際變化Fig.12 Interannual variations of maximum frost depth（a）and freezing period（b）at 6 representative stations

表3 6個代表站最大凍結深度、凍結期線性變化趨勢及1987年前后累年平均值的對比Table 3 Linear variation trend of maximum frost depth and freezing period days at 6 representative stations and comparison of mean annual values before and after 1987

3 結論

本文對我國東北地區0～320 cm 地溫和凍土時空特征進行了細化分析，主要結論如下：

（1）東北地區各層地溫空間分布存在明顯的緯向特征，年平均地表溫度為0.8～13.1 ℃，320 cm 年平均地溫為1.6～13.6 ℃，大致呈向北2 個緯度地溫降低1 ℃左右。地溫對緯度敏感，與經度和海拔高度也有一定的負相關性，但在東北北部的多年凍土區地溫基本不受后兩者影響。0～320 cm 內上下層溫差不大，最低溫度層總體以44° N 為界，以南40 cm深度居多，以北80 cm或更深層居多。

（2）凍結深度由南向北增大的緯向分布特征也十分明顯。年平均最大凍結深度70 cm 等深線位于遼寧南部沿海一帶，基本為向北2～3 個緯度凍結深度加深30 cm 左右，190 cm 等深線位于50° N 附近。極端最大凍結深度基本為向北2 個緯度加深30 cm左右，50° N 以北地區極端最大凍結深度超過280 cm。在多年凍土區凍結深度與海拔高度基本不相關。

（3）不同深度地溫的季節特征不同，地表溫度季節特征與氣溫一致，160 cm 以下深度呈現秋、夏、冬、春季溫度從高向低排列的特征。地溫的季節差異隨著土層深度加深而減小，地表夏季與冬季溫差達到33.5 ℃，320 cm 深處最熱季與最冷季的溫差僅為7 ℃。東北各地由南向北年平均凍結期為113～325 d，最大凍結深度多出現在3月。

（4）氣候變暖使得東北地區各層地溫升高、凍結深度減小、凍結期縮短，尤其在多年凍土區及其臨近的高緯度季節凍土區更為顯著。相對其他土層，地表升溫最大。伊春地表升溫趨勢達到1.16 ℃·（10a）-1，40～320 cm 土層為0.60 ℃·（10a）-1左右，凍結深度減小、凍結期縮短趨勢分別達到23 cm ·（10a）-1、8 d·（10a）-1，大幅升溫不利于多年凍土的繼續維持。