張家口地區(qū)季節(jié)性凍土層變化特征分析

郭金河，閆慧敏，周彥麗，趙海江

（張家口市氣象局，河北 張家口 075100）

凍土在氣象學(xué)中是指由于地面降到0℃或以下而使含水的土壤凍結(jié)的狀態(tài)[1]。在中國，全國季節(jié)性凍土區(qū)和多年凍土區(qū)約占中國陸地面積的70%[2]，其中河北省張家口地區(qū)的凍土屬于季節(jié)性凍土。在近幾十年氣候持續(xù)變暖的背景下,凍土區(qū)面積逐漸萎縮[3]，這說明全球變暖必然會導(dǎo)致多年凍土的退縮，但不同區(qū)域的時空分布特征并不完全一致[4-8]。凍土的廣泛退縮將導(dǎo)致環(huán)境問題日益突出[9]，尤其是對農(nóng)業(yè)活動、工程基礎(chǔ)設(shè)計和區(qū)域水文地質(zhì)的影響較大[10]，對本地社會經(jīng)濟的發(fā)展也有一定的影響。李秋平等[11]對凍土變化與嚴重干旱發(fā)生概率進行了研究，指出土壤凍土的最大深度與凍土時間與是否發(fā)生嚴重干旱具有相關(guān)性。近年來，張家口市氣溫特別是冬季氣溫呈現(xiàn)明顯上升趨勢[12]，這勢必引起凍土的氣候特征發(fā)生相應(yīng)變化。張家口市屬于東亞大陸性季風氣候，是典型的干旱半干旱區(qū)。研究和分析張家口地區(qū)冬季凍土層的變化，能為該地區(qū)大型土木工程的規(guī)劃實施、環(huán)境評價、生態(tài)預(yù)測、拓寬氣象服務(wù)預(yù)警領(lǐng)域提供重要的參考。

1 研究區(qū)域概況和資料

張家口市地處河北省西北部，全市分壩上、壩下2 個部分，壩上屬內(nèi)蒙古高原南端，壩下集山區(qū)、丘陵、盆地于一體，全市面積近4×104km2。采用張家口地區(qū)1969 年—2019 年10 個國家氣象觀測站（站點范圍在113°51′E～116°30′E，39°34′N～42°10′N），即張家口市區(qū)、康保、沽源、張北、崇禮、赤城、懷安、宣化、涿鹿和蔚縣的地面氣象觀測記錄中的凍土資料，凍土的觀測依據(jù)文獻[1]中的方法進行，凍土深度以“cm”為單位，四舍五入取整數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤凍土初日、凍土終日、凍土期、最大凍土深度的年均狀況、空間分布

從土壤平均凍土初日和終日看出（見圖1、圖2），全市土壤開始凍結(jié)日期由北部向南部逐漸推遲，51年來土壤開始凍結(jié)平均出現(xiàn)在9 月30 日，也就是入秋以來，冷空氣開始入侵，北部高海拔地區(qū)開始出現(xiàn)凍土，平均出現(xiàn)在9 月19 日，康保縣最早為9 月15 日，其他大部在10 月1 日后。全市土壤凍土終日由南部向北部逐漸推遲。51 年來土壤完全解凍平均出現(xiàn)在5月2日，春季以來，氣溫逐漸升高，凍土層逐漸消退，直到春末全市凍土完全消失，其中，南部地區(qū)于5 月1 日前解凍，北部高海拔地區(qū)于5 月1 日后解凍，1 年中大約有8 個月的時間土壤存在凍土層。

圖1 張家口市累年土壤凍土分布Fig.1 The distribution of soil in Zhangjiakou

張家口市土壤平均凍土日數(shù)為185～249 d（圖2a），平均凍土期為215 d，張家口市區(qū)凍土期最短為185 d，康保縣最長為249 d，凍土期最長與最短相差64 d。

張家口市季節(jié)性凍土多年平均最大凍土深度79～216 cm（圖2b），平均最大凍土深度為142 cm。北部的康保、沽源、張北、崇禮最大凍土深度最大，在150 cm 以上，其中康保縣最大為216 cm，其他各縣平均凍土深度均在150 cm 以下，涿鹿縣最小為79 cm。

圖2 張家口市1969年—2019年平均凍結(jié)日數(shù)和平均最大凍土深度分布Fig.2 The distribution of average freezing daysand average maximum frozen soil depth in Zhangjiakou City from 1969 to 2019

從以上分析能夠看出，康保縣、沽源縣多年平均開始凍土日期較早，而完全解凍日期恰恰相反，因此康保縣、沽源縣凍土期較長、凍土深度較大。

2.2 張家口市凍土年變化和年代際變化特征

2.2.1 年變化趨勢

采用趨勢分析法分析最大凍土深度的特征，主要應(yīng)用線性回歸法[13]對張家口市凍土各要素的年變化特征進行線性趨勢分析，分析結(jié)果見表1，可知，凍土初日年變化總體呈推遲趨勢（正：推遲趨勢；負：提前趨勢），為2.7 d/10 a，就各地方而言，其變化幅度有所差異，其中蔚縣、涿鹿推遲趨勢顯著，為5.5 d/10 a，并通過0.05顯著性檢驗。

表1 張家口市土壤開始凍結(jié)、解凍、凍結(jié)日數(shù)變化趨勢Tab.1 Change trend of soil freezing,thawing and freezing days in Zhangjiakou City

凍土終日年變化總體趨勢是提前的，為-3.5 d/10 a，且凍土初日的推遲幅度小于凍土終日的提前幅度。就空間分布而言，其變化幅度有所差異，其中，蔚縣、宣化變化幅度最大，為-6.6 d/10 a（通過了0.05 的顯著性檢驗），。土壤凍結(jié)持續(xù)時間年變化總體呈縮短趨勢，變化率為-6 d/10 a 且也通過了0.05的顯著性檢驗。

2.2.2 年代際變化趨勢

張家口市凍土各要素的年代際變化特征見表2，由表2可知，在10a際時間尺度上，張家口市凍土的年平均凍土初日從20 世紀70 年代、80 年代的9 月28 日，推遲到2010 年的10月7 日，90 年代僅比70、80 年代推遲了1 d，2000 年后推遲明顯，全市土壤凍土初日經(jīng)歷了穩(wěn)定至推遲的年代際變化特征；年平均凍土終日，從70 年代的5 月5 日，提前到2010 年的4 月22 日，最早出現(xiàn)在2010 年—2019 年，最晚出現(xiàn)在20 世紀70 年代，土壤凍土終日經(jīng)歷了一直提前這樣一個年代際變化；年凍土日數(shù)，從20 世紀70 年代的每年約220 d，減少到2010 年代的198 d，凍土日數(shù)70 年代最長，2010 年—2019 年比70 年代減少22 d。上述數(shù)據(jù)綜合表明；1969 年—2019 年張家口市季節(jié)性凍土呈退化趨勢。圖3 表明：1969 年至2019年，張家口市冬季平均氣溫整體上以0.36℃/10 a 的幅度升高，這與凍土持續(xù)時間整體呈縮短趨勢相一致。

表2 張家口市土壤凍結(jié)、解凍日期和凍結(jié)日數(shù)年代變化Tab.2 The ages change of soil freezing and thawing dates and freezing days in Zhangjiakou City

圖3 張家口市1969年—2019年冬季平均氣溫變化曲線Fig.3 The variation curve of winter average temperature in Zhangjiakou City from 1969 to 2019

2.3 土壤最大凍土深度年變化趨勢及影響因素

張家口市逐年平均最大凍土深度變化曲線圖見圖4，可以看出，張家口市土壤最大凍土深度隨時間總體上呈減薄的趨勢，但在20 世紀70 年代有加深的趨勢，80 年代后開始變淺。就各個地方而言，趨勢的變化也有所不同，除懷安縣凍土深度年變化略加深外（凍土深度平均為0.3 cm/10 a），市區(qū)、赤城縣、崇禮區(qū)、沽源縣、康保縣、蔚縣、宣化區(qū)、張北縣、涿鹿縣凍土深度年變化均呈變淺趨勢，沽源縣凍土深度平均為-11.8 cm/10 a。

圖4 張家口市1969年—2019年平均最大凍土深度變化趨勢Fig.4 The variation curve of average maximum frozen soil depth in Zhangjiakou City from 1969 to 2019

地表的季節(jié)性凍土是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分,氣候是凍土重要的影響因素，凍土的變化可以反映出氣候的變化[14]。已有研究成果表明，影響凍土形成及發(fā)展的變化主要因素有氣溫、地形、巖性、含水量、積雪、地面覆蓋性質(zhì)及水體，其中積雪、氣溫、降水對凍土影響最大[15]，本研究主要從溫度影響的角度分析它們與張家口地區(qū)季節(jié)性凍土深度的關(guān)系。

通過對張家口地區(qū)季節(jié)性凍土最大凍土深度與該地區(qū)冬季氣溫要素（平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均地溫）分別做相關(guān)性分析（見表3）發(fā)現(xiàn)，相關(guān)關(guān)系均為負。其中，最大凍土深度與冬季平均最低氣溫相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)為-0.341 且通過了α=0.05 的顯著性水平檢驗。說明冬季平均最低氣溫越低，氣候越冷，凍土深度越厚，土壤凍結(jié)持續(xù)時間越長。

表3 張家口地區(qū)最大季節(jié)凍土深度與溫度的相關(guān)系數(shù)Tab.3 The correlation coefficient between maximum seasonal frozen soil depth and temperature in Zhangjiakou City

張家口地區(qū)季節(jié)性凍土的最大凍土深度與冬季各個氣溫均成反比關(guān)系見圖5，即最大凍土深度隨氣溫降低而增加，隨氣溫升高而變薄。從年代際變化來看，20 世紀90 年代初以前，溫度較低，季節(jié)性凍土的最大凍土深度較厚；隨后，季節(jié)性凍土的最大凍土深度開始變薄，各項溫度均有所升高，說明氣候在90年代初開始變暖，氣候變化影響凍土深度的變化，反映出凍土深度與冬季氣溫的關(guān)系，尤其是冬季最低氣溫的密切關(guān)系。

圖5 張家口地區(qū)最大季節(jié)凍結(jié)深度與冬季各項氣溫變化曲線Fig.5 The variation curves of maximum seasonal freezing depth and average winter in Zhangjiakou City

通過對張家口地區(qū)季節(jié)性凍土最大凍土深度與冬季氣溫日較差和氣溫地溫差累積距平時間變化趨勢分析表明二者之間存在一定的相關(guān)性（圖6a、b）。圖6（a）顯示，21世紀初以前冬季的溫差在增大，所以此時冬季的溫度低于地面溫度。因此，在此期間，冬季熱量是從地表向大氣傳輸?shù)倪^程，使得地表熱量不斷散失，導(dǎo)致這一時期季節(jié)性凍土層增厚。進入21 世紀以來，冬季空氣與地面的溫差開始減小，表明地面升溫速度快于氣溫上升速度，此時熱量從大氣傳遞到地表，地表得到熱量后從而使季節(jié)性凍土厚度相應(yīng)變薄。另外，從圖6（a）還可看到，季節(jié)性凍土中最大凍土深度的變化明顯滯后于冬季地面與空氣溫差的變化，說明地溫對凍土變化的影響是一個連續(xù)的過程，存在一個過渡階段。圖6（b）表明，20 世紀末以前，冬季氣溫日較差先持續(xù)增大而后開始減小，說明20 世紀70 年代—90 年代，冬季冷空氣活躍，最低氣溫很低，因此季節(jié)性凍土的最大凍土深度相對較厚。進入21世紀，隨著氣溫特別是最低氣溫和地溫的升高，冬季氣溫的日變化幅度減小，從而季節(jié)凍土的最大凍土深度變薄。

圖6 張家口地區(qū)最大季節(jié)凍結(jié)深度與地氣溫差和氣溫日較差累積距平變化曲線Fig.6 cumulative anomaly curves of maximum seasonal freezing depth and ground temperature difference and daily temperature difference in Zhangjiakou City

3 總結(jié)

凍土的空間分布特征：張家口地區(qū)凍土開始時北方早于南方，完全解凍南方早于北方，北方凍土日數(shù)長于南方，最大凍土深度由東南向西北逐漸增加。

在全球變暖的背景下，氣溫和地溫不斷升高，土壤的凍土深度也受到不同程度的影響。張家口凍土開始日期推遲，凍土完全解凍日期提前，凍土初日推遲幅度明顯小于凍土終日提前幅度。張家口土壤凍結(jié)天數(shù)縮短，特別是20 世紀80年代末以來，張家口最大凍土深度的變化呈減少趨勢。張家口冬季平均氣溫呈上升趨勢，與多年凍土期整體縮短趨勢一致。季節(jié)性凍土的最大凍結(jié)深度與各種熱力因素有一定的相關(guān)性。冬季最低氣溫對凍土最大凍結(jié)深度影響最明顯。