季节性冻土变化特征及对气候因子的响应

贾 超，向 导，郭凤娟，李红英

（1.新疆石河子莫索湾气象站，新疆 石河子 832000；2.石河子乌兰乌苏农业气象试验站，新疆 石河子 832000）

冻土是在气温下降到0 ℃或以下时的自然现象，是土壤性状的一个重要表现形态，季节性冻土深度随着气候环境变化而变化［1-3］；冻土是含冰的负温地质体，季节性冻土的冻融过程、冻结深度、冻结始期、解冻时间对土木工程建设、公路修建、桥涵和铁路设计、农业生产及水利工程建设等有着较大的影响［4-8］；季节性冻土最大深度变化与气候变化具有直接的关系［9-11］，因而研究季节性冻土深度变化具有重要意义和实用价值。陈博等［12］、蒋复初等［13］、刘小宁等［14］从中国较大范围研究了冻土分布特征及冻土的变化状况，认为在气候变暖的环境下，冻土区域在缩减，冻融时间段也在缩短，而冻土层在变薄，季节性冻土最大深度的变化也与土壤特性、地形、地理位置有着密切的关系，并存在明显的区域性。元恩城等［15］、王志坚等［16］研究了中国西部青藏铁路修建中的冻土问题，认为气候变化和人类活动对冻土环境影响很大，由于受认知水平的限制，冻土环境的扰动和破坏对铁路设计工程建设产生不良效应。张洪芬等［17］、李海花等［18］、费晓玲等［19］研究了冻土深度变化对冬、春小麦生长发育期的影响，认为随着冻土深度变浅，冬、春小麦全发育期天数呈减少趋势。李韧等［20］研究表明总辐射变化与青藏高原季节冻土冻结深度呈正相关。李红英等［21］研究了热量资源变化对石河子垦区棉花产量的贡献。张伟等［22］研究表明积雪和有机质土对青藏高原冻土活动层影响显著。中国北方地区大地冻融区域广阔，冻结持续时间随着纬度和海拔高度的增加而延长，且区域性差异十分明显，因此，本研究选用新疆生产建设兵团第八师1962—2018 年季节性冻土资料，运用气候诊断分析方法，研究冻结深度、冻结始期、融通时间、冻土期在变暖气候环境下季节性冻土变化规律，并分析季节性冻土变化与气象要素的关系。揭示新疆农八师地区季节性最大冻土深度的时空变化特征及季节性最大冻土深度随气温变化的定量化关系，以期为地方土木工程建设、公路、桥涵、铁路设计、农业生产以及水利工程建设等行业提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区地理概况

新疆生产建设兵团第八师垦区位于自治区北部的天山北麓中部，古尔班通古特大沙漠南缘地带［21］，北纬 43°26′—45°20′，东经 84°58′—86°24′，平均海拔450 m。土质多系砾质土、黏质土、沙质土等。属于温带大陆性气候的干旱气候区，夏季短而炎热，冬季长而严寒，年平均气温4.5～9.1 ℃，日照2 489～2 997 h，年蒸发量 995～1 800 mm，无霜期147～191 d。大气降水量很少，年降雨量仅104～367 mm，而地表水和地下水较为丰富，地下水可采量3亿m3，河水年径流量15.3 亿m3，大中小型水库蓄水总量 4.33 亿 m3。

1.2 资料来源

选择新疆生产建设兵团第八师垦区莫索湾、炮台、乌兰乌苏及石河子气象站1962—2018 年9 月至翌年4 月各旬冻土深度、冻土初始日期、冻土结冻稳定日期、冻土融通日期，以及同时间段的旬平均气温、旬平均最低气温、旬平均最高气温、同期降水量和最大积雪深度等资料。此外，为便于作图与分析，冻土初始日期、冻土融通日期将转换成日序。为了分析影响冻土的主要气象要素，分时间段分别统计了10、11、12、1、2、3 月以及10 月至翌年3 月、11 月至翌年 3 月、11 月至翌年 2 月、12 月至翌年 2 月平均气温（T）、平均最高气温（TG）、平均最低气温（TD）、降水量（R）和积雪最大深度（RM）等作为影响因子。

1.3 方法

1.3.1 标准偏差 用标准偏差方法衡量冻土要素偏离算术平均值的程度，即分散程度，从而可计算出极端事件发生几率［22］。计算公式如下：

式中，S为冻土变量标准偏差；yi-y为冻土变量历年值减总体平均数；N为变量样本数。

1.3.2 相关系数 为了检验历年冻土要素随时间变化的显著性以及冻土要素受气象要素影响的相关程度，运用相关系数［23］法，计算公式如下：

式中，r为相关系数为冻土要素平均值为时间（或气象要素）平均值。相关系数的显著性检验水平定为r=0.05。

1.3.3 一元线性回归 为了分析冻土变化规律，采用一元线性方程y=ax+b表征变量的变化趋势特征［23］。一次项系数a可反映冻土要素历年变化趋势，也称之为倾向率；y为冻土要素；x为时间序列号（或气象要素）；b为常数项。

2 结果与分析

2.1 冻土年变化分布特征

1962—2018 年冻土资料分析（图1）表明，新疆生产建设兵团第八师垦区季节性冻土非稳定冻土层（日融夜结）始于9 月中旬，冻土日融夜结融通于4 月中旬，历时22 个旬，占全年的61.1%。稳定冻土层（冻土层稳定10 cm）始于11 月上旬，冻土期历时16个旬，稳定冻土时间占全年的44.4%。从图1 冻土时间分布可以看出，冻土最大深度从冻结到融通过程随时间变化呈偏正态分布，最大值出现在立春之后的2 月上、中旬，而同时段气温最低值出现在1 月中下旬，由此可见，冻土最大深度较气温最低出现时间位相晚2 个旬。

图1 冻土最大深度和同期平均气温年变化特征

2.2 冻土年际变化特征

2.2.1 冻结始期与融通日期 随着深秋气温下降，地面温度达0 ℃以下，土壤中的水分出现冻结，此时为冻土初始日期。新疆生产建设兵团第八师垦区1962—2018 年冻土初日1981 年最早出现在9 月7日，1989 年最晚出现在 12 月 14 日，近 57 年变化幅度为98 d，离散度较大。冻土初始阶段由于气温白昼在0 ℃以上，夜晚气温在0 ℃以下，冻土层随着气温变化呈日消夜结状态，当冻土层冻结10 cm 时气象部门确定为稳定封冻日期。由图2 可以看出，稳定封冻日期 1976 年最早，在 11 月 1 日；2011 年最晚，在11 月 30 日，均分布在 11 月之内，而历年平均在 11 月16 日。经统计标准偏差为±6 d，稳定封冻日期离散度较小，其中，偏早结冻有8 年，概率为14.0%；偏晚结冻有9 年，概率为15.8%。稳定封冻日期呈明显后推趋势，序列相关系数（R）为0.289（P＜0.05），达显著水平，倾向率为 1.12 d∕10 年，线性后推约 6 d。2001 年之后稳定封冻日期较之前明显偏晚，相对比平均晚冻结5 d。

图2 稳定封冻日期（日序）历年变化趋势

当冻土达最大深度之后冻土开始进入融化解冻阶段，新疆生产建设兵团第八师垦区从2 月下旬深层开始出现融化，地表也相应出现日融夜冻现象，进入3 月冻土层逐渐融通。在1962—2018 年冻土层融通日期平均在 3 月 17 日。由图 3 可以看出，2017 年最早，在 3 月 4 日融通；1979 年最晚，在 4 月 10 日融通，融通日期变化在37 d 之内。经计算，冻土层融通日期标准偏差为±7d，较为离散，其中，偏晚有8 年，概率为14.0%；偏早有6 年，概率为10.5%。冻土层融通日期呈明显提前趋势，序列相关系数（R）为-0.331（P＜0.01）达极显著水平，倾向率为-1.42 d∕10年，线性提前约8 d。2001 年之后较之前融通日期平均提前5 d。

图3 冻土融通日期（日序）历年变化趋势

2.2.2 冻土最大深度 新疆生产建设兵团第八师垦区1962—2018 年冻土最大深度历年平均为94 cm，最大值出现在1968—1969 年冬季，为140 cm；最小值出现在2016—2017 年冬季，为49 cm。由图4 可以看出，标准偏差为±20 cm，冻土层偏深出现10 年，占17.5%；偏浅出现6 年，占10.5%。冻土最大深度随着年度变化逐渐变浅趋势明显，序列相关系数（R）为0.666（P＜0.01），达到极显著水平，倾向率为-8.09 cm∕10 年，线性变浅46 cm。从历年波动变化可以看出，在1987—1988 年冬季出现转折。经统计，转折点之前（1961—1962 年冬季至1987—1988年冬季）冻土最大深度平均为108 cm，转折点之后（1988—1989 年冬季至2017—2018 年冬季）平均为82 cm，相对平均变浅26 cm。尤其近5 年（2013—2014 年冬季至2017—2018 年冬季）冻土层变浅更为明显，平均值仅为64 cm。

图4 冻土最大深度年际变化特征

2.2.3 稳定冻土持续期 从稳定冻土日至冻土融通日为稳定冻土持续期。新疆生产建设兵团第八师垦区1962—2018 年冻土持续时间历年平均为123 d，最长持续时间出现在1974—1975 年冬季，为146 d，最短持续时间出现在2016—2017 年冬季，为107 d。由图5 可以看出，标准偏差为±8 d，冻土持续时间偏长有5 年，占8.8%；偏短有8 年，占14.0%。冻土持续期随着年度变化存在逐渐变短趋势，序列相关系数（R）为 0.292（P＜0.05），达到显著水平，倾向率为-1.36 d∕10 年，线性缩短约8 d。从历年波动变化可以看出，在1988—1989 年冬季出现转折。经统计，转折点之前（1961—1962 年冬季至1988—1989 年冬季）冻土持续期平均为125 d，转折点之后（1989—1990 年冬季、2017—2018 年冬季）平均为 121 d，相对平均缩短4 d。

图5 稳定冻土持续期年际变化特征

2.3 冻土与气象因子相关及线性分析

新疆生产建设兵团第八师垦区稳定冻土期在11 月至翌年3 月，而同期气象要素对其影响最大。从表1、表2、表3 相关分析可以看出，影响冻土最大深度的气象因子主要是同期的平均气温、平均最低气温、降水量及积雪最大深度，其中，2 月、12 月至翌年2 月、11 月至翌年3 月的平均气温及平均最低气温与冻土最大深度呈显著负相关，11 月至翌年3 月降水量、1 月及12 月至翌年2 月积雪最大深度与冻土最大深度之间呈显著负相关。冻土融通时间的早晚与11 月至翌年3 月平均气温呈显著负相关，与积雪最大深度呈正相关但不显著。冻土期与11 月至翌年 3 月平均气温，与 12 月至翌年 2 月、11 月至翌年3 月平均最低气温均呈显著负相关。2 月气温变化对冻土最大深度影响明显，当2 月平均气温或平均最低气温每升高1 ℃，冻土深度减少约2.0 cm；11 月至翌年3 月平均气温或平均最低气温每变化1 ℃，冻土最大深度变化约4.0 cm；11 月至翌年3 月平均气温越高，冻土融通日期越提前，而冻土期越短。从降水量（雪量）和积雪最大深度来看，表现出11 月至翌年3 月降水量越多、1 月积雪越深冻土层越浅的特点；11 月至翌年3 月降水量越多，冻土融通的时间越晚。

表1 冻土最大深度、融通日、冻土期与同期气温的线性相关分析

表2 冻土最大深度、融通日、冻土期与同期降水量的线性相关分析

表3 冻土最大深度、融通日、冻土期与同期最大积雪的线性相关分析

3 小结与讨论

1）新疆生产建设兵团第八师垦区冻土稳定冻结平均在 11 月 17 日，冻土融通时间在 3 月 16 日，冻土冻结持续期历时5 个月，平均为123 d。而非稳定冻土结冻日期在1962—2018 年最早出现在9 月上旬，日融夜结最晚出现在4 月中旬。这种非稳定冻土阶段可造成灾害，在农业上将影响农作物（小麦等）幼苗的正常生长和正常成熟（大田作物），使作物苗期受冻致死甚至减产或绝收［17，18］；还将影响土木工程建设、路基、桥涵等工程质量，对墙体、基础具有破坏作用［6，8］。2001 年之后稳定封冻日期较 1962—2000年平均推后5 d，而2001 年之后融通时间较1962—2000 年平均提前5 d；冻土稳定冻结持续期明显缩短。

2）新疆生产建设兵团第八师垦区冻土最大深度出现的时间比同期最低气温出现时间滞后约20 d，一般出现在2 月上、中旬，比北部的阿勒泰地区［18］冻土最大深度出现（3 月上旬）时间早两旬。历年冻土最大深度平均为94 cm，逐渐变浅的趋势十分明显，倾向率为-8.09 cm∕10 年，1988—1989 年之后相比总平均值变浅26 cm，而近5 年（2013—2014 年至2017—2018 年）冻土层平均仅有64 cm，相比总平均值变浅30 cm。

3）新疆生产建设兵团第八师垦区气候变暖明显［21］，冬半年气候要素的变化导致了冻土各项指标的变化。受11 月至翌年3 月平均气温、平均最低气温升高的影响，气温每升高1 ℃，冻土最大深度变浅约4.0 cm，冻土融通日期提前约1.4 d，而冻土期缩短1.7 d。11 月至翌年3 月降水量（雪量）增加可使冻土深度变浅，而此时段的降水量对冻土融通时间起到了推后作用。1 月积雪加厚可使冻土层变浅。

4）季节性冻土层逐渐变浅有利有弊，对土木工程、公路、桥涵建筑以及霜期设施农业生产十分有利，可延长工作、生产时间，节约能耗，降低成本提高效益，这是有利的一面。冻土层变浅也是地面辐射热增强的反映，地面辐射热对气候形成反作用，使气温升高；在这种情况下，从小环境来说，正常在冬季能够冻灭的细菌、病毒、虫害等得不到应有的控制，使之大流行，病虫灾害加重、界限北移；从大环境来说，可改变地球的生物圈，使地球上的生物重组，严重威胁现存生物的生存，甚至可能导致物种灭绝。因此，气候变暖冻土层变浅弊大于利。

本研究结果可为新疆生产建设兵团第八师垦区土木工程、公路、桥涵建筑以及霜期设施农业生产、农业结构调整提供参考。