1974—2016年河北省最大冻土深度及其与温度的关系

杨 帅，侯奇奇，耿雪莹，高宇俊，刘 璇，周 鹏

(1.河北省廊坊市气象局，河北 廊坊 065000；2.河北省文安县气象局，河北 文安 065800)

引 言

冻土是土壤状况的一个重要组成部分，是一种对温度极为敏感的土体介质，土壤的冻融情况对农业生产、道路、建筑行业等有着举足轻重的影响[1-3]。

近年来，随着全球气候变暖，中国最大冻土深度总体呈逐渐减小趋势，但不同地区的时空分布特点不完全一致[4-8]。总体上，我国最大冻土深度空间分布呈海拔垂直分带性[9]、纬度地带性[8-10]和区域性[9]等特点；大部地区最大冻土深度呈减小趋势，但不同区域减小的分界线并不一致。例如松花江流域大部分地区[10]、西北大部分地区[11]冻土变浅的转折点发生在1980年代，新疆高海拔和低海拔地区[12]分别发生在1990年代和1970年代。而东北大兴安岭部分地区、柴达木盆地北部和青海东南部部分地区冻土深度则呈增加趋势[4]。

气温、地温、土壤水分、纬度、降水量、地形、海拔高度等均是影响冻土深度的因素[8-11,13-18]，但不同地区影响冻土的主要因素也不一致[11-12]。如山西省大同市季节性冻土主要受气温、地形、地势影响[17]；西藏地区季节性冻土最大冻结深度对年均气温的响应比年降水量更显著[9]。河北省地貌复杂多样，高原、山地、丘陵、盆地、平原类型齐全，以往有研究对河北省冻土分布特点或部分地区的地温、气温进行过分析[14,19-21]，本文针对1974—2016年河北省季节性冻土最大冻结深度的时空分布特征及其对气温和地表温度的响应进行研究，以期为农业生产和经济建设提供科学的参考依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

河北省位于华北地区，界于36°05′N—42°40′N，113°27′E—119°50′E之间，总面积188 800 km2。地势西北高、东南低，由西北向东南倾斜(图1)。地貌复杂多样，高原、山地、丘陵、盆地、平原类型齐全，有坝上高原、燕山和太行山山地、河北平原三大地貌单元。坝上高原属蒙古高原一部分，地形南高北低，平均海拔1200～1500 m，面积15 954 km2，占河北省总面积的8.5%。燕山和太行山山地，包括中山山地区、低山山地区、丘陵地区和山间盆地4种地貌类型，海拔多在2000 m以下，山地面积90 280 km2，占河北省总面积的48.1%。河北平原主要由黄河和海河等冲积而成，地势低平，海拔由100 m左右降低至渤海沿岸的3 m左右，占河北省总面积的43.4%。河北属温带大陆性季风气候，四季分明，1月平均气温在3 ℃以下，7月平均气温18～27 ℃。

1.2 资 料

数据均来自河北省气象信息共享平台，且经过河北省气象信息中心的质量检验。选用河北省142个气象站点1974—2016年10月至次年4月0 cm平均地表温度、平均气温和年冻土冻结深度资料。其中，万全、灵寿、唐县、迁西、滦南、卢龙、滦县、丰润、丰南、抚宁、望都、安平、蠡县、肃宁、雄县、孟村、武强、武邑、冀州、枣强、景县、南皮22个气象站的观测数据出现长达十余年的缺测或者连续中断等情况，为研究带来不确定性，因此最终选择其余120个气象站数据作为研究内容，图1为河北省地形及气象站点分布。

1.3 方 法

为研究河北省季节性冻土冻结深度与平均气温、平均地温的相关性，选择用person相关系数来确定两个变量之间相似程度，计算公式如下：

图1 河北省地形和气象站点分布Fig.1 Terrain and distribution of meteorological stations in Hebei Province

(1)

式中：ρX,Y是person相关系数，cov(X,Y)是变量X、Y的协方差，σX,σY分别是X、Y的标准差，μX、μY分别是X、Y的总体均值。当两个变量的线性关系增强时，相关系数趋于1(正相关)或者-1(负相关)，当两个变量独立时，相关系数为0；反之，则不成立。

2 结果分析

2.1 季节性冻土最大冻结深度的时空分布

图2为1974—2016年河北省季节性冻土平均最大冻结深度的年际变化。图3为不同时段河北省季节性冻土的最大冻结深度空间分布。可以看出,1974—2016年河北省季节性冻土的最大冻结深度总体上呈波动性减小趋势，平均每10 a 减小1.95 cm，不同地区的最大冻土深度变化也不完全一致。康保、沽源等站点大于250 cm的冻土最大冻结深度逐渐减小，面积也逐渐缩小；冻土最大冻结深度为150～200 cm的面积在1974—1984年达最大，1985—2006年该区域逐渐缩小，且1996—2006年面积缩至最小，而2007—2016年该区域范围又有所扩大；冻土最大冻结深度小于100 cm的区域呈现逐渐扩大趋势，且该区域占河北省大部分面积。

图2 1974—2016年河北省季节性冻土平均最大冻结深度的年际变化Fig.2 Annual variation of mean maximum freezing depth of seasonal frozen soil in Hebei Province from 1974 to 2016

图3 1974—1984年(a)、1985—1995年(b)、1996—2006年(c)、2007—2016年(d)河北省季节性冻土的最大冻结深度空间分布(单位：cm)Fig.3 The spatial distribution of the maximum freezing depth of seasonal frozen soil in Hebei Province during 1974-1984 (a), 1985-1995 (b), 1996-2006 (c), 2007-2016 (d) (Unit: cm)

图4为1974—2016年河北省季节性冻土最大冻结深度平均值的空间分布。可以看出，受海拔、纬度、地形等影响，河北省季节性冻土最大冻结深度在空间分布上具有垂直分布和纬向分布特征。具体表现为：(1)高海拔地区冻土深度大于低海拔地区，即冻土深度随海拔高度升高逐渐增大，呈垂直分布特征。例如在河北北部纬度相近的站点中，康保、沽源海拔高度大于1400 m，冻土最大冻结深度为250～300 cm，围场、丰宁海拔高度为700～900 m，冻土最大冻结深度为140～200 cm，承德、平泉海拔高度为400～550 m，冻土最大冻结深度为120～140 cm；(2)高纬度地区冻土深度大于低纬度地区，即冻土最大深度随着纬度的降低而减小，呈纬向分布特征。以海拔高度为250～350 m的站点为例，河北北部承德、青龙最大冻结深度为105～120 cm，河北中部井陉、阜平最大冻结深度为50～60 cm，而南部的武安最大冻结深度仅为43 cm左右。综上所述，受海拔、纬度等因素影响，河北省季节性冻土的最大冻结深度从西北向东南逐渐递减。

图4 1974—2016年河北省季节性冻土最大冻结深度平均值的空间分布(单位：cm)Fig.4 The spatial distribution of mean value of maximum freezing depth of seasonal frozen soil in Hebei Province from 1974 to 2016 (Unit: cm)

2.2 季节性冻土最大冻结深度对气温和地温的响应

气象因素中，冻土深度的深浅受气温、地温、降水量等因素的影响[8-9]。选用平均气温和地表温度分析河北省季节性冻土最大冻结深度对气候变化的响应。

按照最大冻结深度与平均气温及平均地温的相关性分布特征，将河北省所属观测站点划分为5个区域，分别是张家口市、承德市(简称“张承”)，秦皇岛市、唐山市(简称“秦唐”)，保定市、石家庄市(简称“保石”)，衡水市、沧州市、廊坊市(简称“衡沧廊”)，邢台市、邯郸市(简称“邢邯”)，再分别计算5个区域近43 a冻土最大冻结深度的年变化率、平均气温年变化率和平均地温年变化率(表1)。可以看出，近43 a来，河北省各区域平均气温和地表温度均呈上升趋势，而季节性冻土的最大冻结深度均呈减少趋势。但各区域冻土的最大冻结深度递减趋势不一致，河北省南部的邢邯区域递减率最小，中部的保石、衡沧廊区域其次，为-0.22～-0.23 cm·a-1，北部的张承、秦唐区域递减率最大，为-0.31～-0.36 cm·a-1。

图5为1974—2016年河北省季节性冻土最大冻结深度随平均气温和平均地温变化的递减率分布。可以看出，总体上河北省中北部大部分地区季节性冻土最大冻结深度随平均气温和平均地温变化的递减率一致，南部大部分地区随平均气温变化的递减率大于随平均地温变化的递减率。其中，北部地区除围场外，季节性冻土最大冻结深度随平均气温和平均地温变化的递减率均在0.00～0.10 cm·℃-1之间，中部大部分地区季节性冻土最大冻结深度随平均气温和平均地温变化的递减率大于0.15 cm·℃-1，南部大部分地区季节性冻土最大冻结深度随平均气温变化的递减率大于0.15 cm·℃-1，而随平均地温变化的递减率则在0.00～0.15 cm·℃-1之间。说明河北省南部地区季节性冻土最大冻结深度对平均气温的响应大于对平均地温的响应。

图6、图7分别为1974—2016年河北省不同区域季节性冻土最大冻结深度与平均气温、平均地温的关系。可以看出，1974—2016年河北省平均气温每升高1 ℃，张承、秦唐、保石、衡沧廊、邢邯5个区域冻土最大冻结深度分别减少9.46、9.40、7.45、6.79、4.57 cm，其均值为7.53 cm；地表温度每升高1 ℃，各区域的冻土最大冻结深度分别减少7.03、9.33、7.65、6.28、2.45 cm，其均值为6.55 cm。

图8为1974—2016年河北省季节性冻土最大冻结深度与平均气温及平均地表温度的相关性分布，其中相关系数在区间(-0.8，-0.4]、(-0.4，-0.3]时分别通过α=0.01、α=0.05的显著性检验。可以看出，河北省季节性冻土的最大冻结深度与平均气温和平均地温整体呈负相关。其中，河北省中北部大部分地区最大冻结深度与平均气温和平均地温的相关性通过α=0.01的显著性检验，南部大部分地区最大冻结深度与平均气温的相关性通过α=0.05的显著性检验，而与平均地温的相关性没有通过显著性检验。经统计，最大冻结深度与平均气温的相关性未通过显著性检验的站点有10个，与平均地温的相关性未通过显著性检验的站点有22个，进一步说明河北省大部分地区季节性冻土的最大冻结深度对气温升高的响应更显著。

表1 1974—2016年河北省不同区域季节性冻土最大冻结深度、平均气温和平均地温的年变化率Tab.1 The annual change rate of maximum freezing depth of seasonal frozen soil, mean air temperature and mean surface temperature in different areas in Hebei Province from 1974 to 2016

图5 1974—2016年河北省季节性冻土最大冻结深度随平均气温(a)和平均地温(b)变化的递减率分布(单位：cm·℃-1)Fig.5 The decline rate distribution of maximum freezing depth of seasonal frozen soil with mean air temperature (a) and mean surface temperature (b) in Hebei Province from 1974 to 2016 (Unit: cm·℃-1)

图6 1974—2016年河北省不同区域季节性冻土最大冻结深度与平均气温的关系Fig.6 The relationship between the maximum freezing depth of seasonal frozen soil and mean air temperature in different areas in Hebei Province from 1974 to 2016

图7 1974—2016年河北省不同区域季节性冻土最大冻结深度与平均地温的关系Fig.7 The relationship between maximum freezing depth of seasonal frozen soil and mean surface temperature in different areas in Hebei Province from 1974 to 2016

图8 1974—2016年河北省季节性冻土最大冻结深度与平均气温(a)及平均地温(b)的相关系数分布Fig.8 The spatial distribution of correlation coefficients between maximum freezing depth of seasonal frozen soil and mean air temperature (a), mean surface temperature (b) in Hebei Province from 1974 to 2016

3 结论与讨论

(1)河北省季节性冻土的最大冻结深度由西北向东南逐渐递减，且具有垂直分布和纬向分布特征，具体表现为高海拔地区大于低海拔地区、高纬度地区大于低纬度地区。

(2)在全球变暖的大趋势下，1974—2016年河北省季节性冻土的最大冻结深度呈波动性减少趋势。

(3)河北省中北部大部分地区季节性冻土最大冻结深度随气温和地温变化的递减率一致，南部大部分地区随气温变化的递减率大于随地温变化的递减率。平均气温每升高1 ℃，冻土最大冻结深度平均值减少7.53 cm。而地表温度每升高1 ℃，最大冻结深度平均值减少6.55 cm。

(4)1974—2016年河北省季节性冻土的最大冻结深度与平均气温和地表温度呈负相关，季节性冻土的最大冻结深度的减小趋势是对气温和地温升高的响应，且河北省大部分地区季节性冻土的最大冻结深度对气温升高的响应更显著。

受海拔、植被、土壤等因素影响[22]，最大冻土深度减小的原因较复杂，这里只讨论了平均气温和地表温度对最大冻土深度的影响，从这两个因素来看，河北省大部分地区季节性冻土最大冻结深度对气温响应更大，而其他气候因素对冻土深度的影响需要今后展开进一步的研究。