东北地区地温和冻结深度时空特征的细化分析

龚 强， 晁 华， 朱 玲， 蔺 娜， 于秀晶， 刘春生， 汪宏宇

（1.沈阳区域气候中心，辽宁 沈阳 110166； 2.吉林省气候中心，吉林长春 130062； 3.黑龙江省气候中心，黑龙江哈尔滨 150030；4.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁沈阳 110166）

0 引言

在我国冻土有着广泛的分布，季节冻土和多年冻土区约占陆地总面积的70%，其中季节冻土区约占50%［1］。气候是冻土分布的主导因素，影响着冻土的冻结深度和分布范围［2］，同时冻土变化又反作用于生态与气候系统［3］。

东北地区全境为冻土区，除大小兴安岭北部区域为多年冻土区外，其余绝大部分为季节冻土区［4］。东北地区不仅是中国重要的商品粮生产基地，也有着多样的生态系统和重要的涉及冻土的工程，比如中俄输油管道［5］、高纬高速铁路［6］工程等，使得东北地区地温、冻土的研究受到了大量关注。IPCC第五次评估报告指出，1980—2012 年全球地表平均温度上升了0.85 ℃［7］，东北的多年冻土区增温更为明显，兴安岭地区近50 a 年平均气温普遍升高了0.9～2.2 ℃［8-9］，升温速率高于全国和全球平均水平，气温升高必然会导致冻土温度、类型和分布发生变化。目前，已有学者基于气象站的冻土观测资料对辽宁［10］、吉林［11］、黑龙江［12-13］各自的冻土变化特征进行分析，发现这些地区均存在冻结深度变浅、冻结初日推后、冻结终日提前的现象。也有学者针对松花江流域［14］、黑龙江佳木斯［15］、辽宁朝阳［16］、辽宁沈阳［17］等特定地区，着重分析最大冻结深度变化对气候变暖的响应，认为最大冻结深度与气温特别是冬季气温呈反位相关系。晁华等［18］对东北地区冻土时空特征进行了分析，龚强等［19］分析了辽宁省地温时空特征，也得出了冻结深度变浅、地温升高的结论。针对东北北部的多年冻土区，多是基于勘探、物探资料等进行研究。常晓丽等［20］、何瑞霞等［21］总结了大兴安岭北部多年冻土监测、研究的进展情况，指出该地区受气候变化和人类活动影响，冻土正在退化。虽然前人从不同角度对东北地区的地温、冻土情况进行研究，但这些分析多以局部区域开展研究或单一分析地温或冻土某个要素，针对整个东北地区多层次地温以及冻土观测的长时间序列研究，尤其是分析其空间差异还较少。鉴于此，本文基于东北地区（本文指辽宁、吉林、黑龙江三省，不含内蒙古东四盟地区）气象观测站地温、冻土的观测资料，充分应用长序列观测数据以及新近较为完整的观测资料，结合数理统计建模更加细化地分析该区域地温、冻土时空整体特征及其空间差异，以期为冻土工程设计建设和相关领域研究提供依据。

1 资料与方法

1.1 资料

本文采用东北地区144个国家气象站有地温观测以来的逐月平均地表温度和5、10、15、20、40、80、160、320 cm 地温资料，气象站分布见图1。各气象站地温开始观测年份不同，最早始于1951 年，但2005 年之前只有部分气象站具有地表及40、80、160、320 cm 地温数据，且缺测、中断现象比较严重。2005 年起，东北地区整体从人工地温观测转换为自动观测，地温数据才相对比较完整。故本文基于144个气象站2005—2016年地温资料分析地温空间分布特征。其中，阜新、锦州气象站无80～320 cm 观测资料，长海、依兰气象站无40～320 cm 观测资料，羊山气象站仅有地表温度观测，海城、金州、旅顺、通化县、长白、安图、漠河气象站无320 cm 观测资料。对地温长期变化的分析则尽可能选用观测起始时间早、有长时间序列数据的气象站资料。

采用的冻土观测资料是东北地区143个国家气象站（图1中仅长海气象站无冻土观测）逐日冻结深度观测资料，各站于1955—2003 年间陆续开始冻土观测。本文对极端最大冻结深度的分析采用143个气象站冻土观测开始年至2016年的数据。对空间分布的分析则采用与地温空间分布相同分析时段（2005—2016 年）的数据进行分析。冻结深度数据采用冻土观测的下界深度，以cm为单位。上述地温、冻土资料分别来自辽宁省、吉林省、黑龙江省气象档案馆。

图1 气象站点分布Fig.1 Distribution of the meteorological stations

1.2 分析方法

由于气象站数量有限，尤其在黑龙江地区有较完整冻土、地温观测数据的站点更少，仅依靠气象站实际观测难以客观、全面的反映冻结深度、地温的空间分布情况，为此本文采用统计建模推算的方法细化冻土、地温的分布情况。冻土、地温均属于气候学中的热量要素，其分布特征与地理因子关系密切［22］。

式中：T为冻结深度（cm）或地温（℃）；lon为地理经度；lat为地理纬度；h为海拔（m）。一般可用多元线性回归方程表示。

式中：a0、a1、a2、a3为回归方程系数。

本文采用SRTM3 数字高程数据（http://srtm.csi.cgiar.org/，分辨率为90 m）和ArcGIS 10.0 软件，将东北地区极端最大冻结深度、年平均最大冻结深度、年平均冻结期（冻结期表示冻结初日到翌年冻结终日之间的总天数）、年平均地表温度、各层年平均地温分别与经度、纬度、海拔高度进行多元线性回归分析，分别建立拟合方程（表1），用以推算上述冻土、地温要素1 km 分辨率的空间网格化数据。 各要素与地理参数之间的复相关系数为0.8925～0.9703，均通过了0.01显著性水平检验。

表1 东北地区地温、冻结深度要素空间网格化回归方程系数Table 1 Spatial gridding regression equation coefficient of ground temperature and frost depth in Northeast China

2 结果与讨论

2.1 地温和冻结深度的空间分布特征

2.1.1 地温的空间分布

根据气象站地温实测数据统计，各土层年平均地温为南部温度高，北部温度低，南北温差达到12 ℃，观测到的各地各土层累年平均地温均大于0 ℃，最高值出现在辽宁南部的大连地区，最低值出现在黑龙江北部的漠河一带。图2 给出了按表1 推算得到的东北地区地表温度及40、80、320 cm 深度年平均地温空间网格化分布图（其他深度图略）。可以看到，地温空间分布存在明显的纬向特征，大致呈向北2 个纬度年平均地温降低1 ℃左右。上下层地温数值较为接近，说明0～320 cm 土层的年平均地温在垂直方向差异不大。东北各地年平均地表温 度 为0.8～13.1 ℃，5 cm 和10 cm 地 温 为0.4～12.4 ℃，15 cm 地温为0.2～12.4 ℃，20 cm 地温为0.1～12.4 ℃，40 cm地温为-0.1～12.0 ℃，80 cm地温为-0.3～12.3 ℃，160 cm 地温为0～12.6 ℃，320 cm地温为1.6～13.6 ℃。全区0～40 cm 地温随深度加深而降低，80～320 cm 地温随深度加深而升高；40～80 cm 深度地温空间分布变化较小，北部局部地区年平均地温为负值，可能存在多年冻土。

图2 东北地区地表及40、80、320 cm深度年平均地温网格化推算分布Fig.2 Gridding calculation distribution of mean annual ground temperature at 0，40，80，320 cm depth in Northeast China

为进一步了解地温的空间分布规律，图3 给出了年平均地表温度和40、320 cm 年平均地温与纬度、经度以及海拔高度关系的散点图（其他图层的散点图与之相似，故图略）。可以看到，各层地温与纬度有明显的负相关关系，两者线性回归拟合优度R2大于0.8，说明纬度对地温高低的贡献较大，纬度越高、地温越低。各层地温与经度、海拔高度虽也存在一定的负相关趋势，但相关性明显低于其与纬度的相关性，且可以看到地温在2～4 ℃的几个离散点（漠河、塔河、呼中、新林、呼玛）与经度或海拔高度基本无相关性。按文献［23-24］，嫩江—伊春一线以北为多年冻土区，以南为季节冻土区，上述几个离散点正处于多年冻土区，说明东北多年冻土区地温虽与纬度有一定关系，但基本不受经度和海拔高度影响。

图3 地表及40、320 cm年平均地温与纬度、经度以及海拔关系散点图Fig.3 Scatter diagram of mean annual ground temperature at 0，40，320 cm depth vs.latitude，longitude and altitude

图4 给出了各地观测到的最低温度层的空间分布。虽然分布有些凌乱，可能与各地观测点土质不同有关，但总体以44° N 为界，以南多以40 cm 深度温度最低，以北多以80 cm 或更深层温度最低，漠河最低温度层深度在160 cm 或更深（160 cm 以下的更深层无观测），邻近的塔河已达到320 cm，说明随着纬度升高土壤最低温度层深度有加深的倾向。

图4 东北地区0～320 cm土层实测最低年平均地温层的深度分布Fig.4 Depth of the lowest mean annual ground temperature recorded in the 0～320 cm soil layer in Northeast China

2.1.2 冻结深度的空间分布

东北各地2005—2016 年实测年平均最大冻结深度为32～254 cm，最小值出现在最南部的辽宁旅顺，最大值出现在黑龙江北部的新林（注：漠河仅有1 a 数据，未参与统计）。对于气象站观测到的极端最大冻结深度情况，文献［18］有比较详细的分析，即极端最大冻结深度等深线具有纬向特征，观测到的极端最大冻结深度为80 cm（旅顺）～400 cm（漠河），而且气候变暖背景下仍有一些观测点在2010年以后观测到突破历史极值的极端冻结深度。

从东北地区年平均最大冻结深度和极端最大冻结深度的空间网格化分布图来看（图5），两者纬向分布特征十分明显。年平均最大冻结深度70 cm等深线位于辽宁南部沿海一带，100、130、160、190、220 cm 等深线分别位于42° N、45° N、48° N、50° N、52° N 附近，基本为向北2～3 个纬度冻结深度加深30 cm左右。极端最大冻结深度明显深于年平均最大冻结深度，160、190、220 cm 等深线分别位于43° N、45° N、47° N 附近，50° N 以北地区极端最大冻结深度超过280 cm，基本为向北2 个纬度极端最大冻结深度加深30 cm左右。

图5 东北地区年平均最大冻结深度、极端最大冻结深度网格化推算分布Fig.5 Gridding calculation distribution of mean annual maximum frost depth and extreme maximum frost depth in Northeast China

图6给出了年平均最大冻结深度、极端最大冻结深度与纬度、经度以及海拔高度关系的散点图。可以看到，冻结深度与纬度线性回归拟合优度R2为0.8 左右，相关性较高，说明存在随着纬度升高冻结深度加深的趋势，而冻结深度与经度、海拔高度的散点图比较离散，统计意义不明显。且可以看出年平均最大冻结深度为250 cm 左右、极端最大冻结深度大于300 cm 的散点（新林、呼玛）完全游离在其他散点之外，特点与图3多年冻土区地温的特征类似，即这几个散点冻结深度与海拔高度、经度基本无关，这与大兴安岭特有的起伏地形、多年冻土一般存在于沟谷的实际现象一致，反映出东北地区多年冻土独特的特征。

图6 年平均最大冻结深度、极端最大冻结深度与纬度、经度及海拔关系散点图Fig.6 Scatter diagram of mean annual maximum frost depth and extreme maximum frost depth vs.latitude，longitude and altitude

2.2 地温和冻结深度的年内变化特征

2.2.1 地温的年内变化

不同深度地温的季节特征不同（图7）。地表温度以夏季（6—8 月）最高，其次为春季（3—5月），冬季（12 月—翌年2 月）最低，与气温特征一致。5～80 cm 深度均以夏季温度最高，其次为秋季（9—11 月），冬季最低。160 cm 以下深度呈现秋、夏、冬、春季温度从高向低排列的特征。地表通过接收太阳短波辐射而升温，并与大气和下面土层进行热量交换，因地表是土壤与大气的直接接触层，两者季节变化规律一致，而随着土层加深，土层温度受地表影响减弱，温度变化存在滞后，因而表现有所不同。地温的季节差异随着土层深度加深而减小，地表夏季与冬季温差达到33.5 ℃，而320 cm 深处最热季（秋季）与最冷季（春季）的温差仅为7 ℃。

图7 东北地区0～320 cm深度四季平均地温Fig.7 Mean seasonal ground temperature in spring，summer，autumn and winter at depth of 0～320 cm in Northeast China

图8以沈阳、长春、哈尔滨和最北端的漠河、最南端的旅顺作为代表站给出了0～320 cm 各月地温随深度的变化情况。可以看到，五站均以20 cm 以内深度地温的年内变化相对剧烈，40 cm 以下地温变化比较平缓。随着深度增加，地温的月际变化减小，地表面年内温差以漠河最大（36.7 ℃）、旅顺最小（29.6 ℃），而320 cm 深度地温年内温差为6.5～7.2 ℃。五个代表站1 月、2 月、11 月和12 月均为地温随深度增高，其余月份地温随深度的变化不完全相同。0～160 cm 土层，冬半年地温整体随深度增加而升高，夏半年则相反。

图8 旅顺、沈阳、长春、哈尔滨、漠河0～320 cm深度各月平均地温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 冻结深度的年内变化

东北地区月平均最大冻结深度出现在3 月（图9）。一般从10 月开始，随着秋末冷空气加强入侵，东北地区从北向南土壤逐渐冻结，南部沿海在翌年2 月冻结深度达到最大值，从南向北最大冻结深度出现的时间逐步推迟，北部地区基本在3 或4 月达到最大值，黑龙江北部部分地区在7—9月仍可能存在冻土。按网格化推算结果（图10），全区年平均冻结期为113～325 d，由南向北递增，51° N以北冻结期可达到300 d以上。

图9 东北地区各月平均最大冻结深度Fig.9 Mean monthly maximum frost depth from January to December in Northeast China

图10 东北地区冻结期网格化推算分布Fig.10 Gridding calculation distribution of freezing period days in Northeast China

2.3 地温和冻结深度的长期变化特征

2.3.1 地温的长期变化

选用大连、沈阳、长春、哈尔滨、伊春、爱辉为代表气象站分析地温的长期变化，该6站位置从南至北依次相差2～3 个纬度左右，且数据时间序列相对较长，其中，伊春、爱辉处于多年冻土区，其余4站位于季节冻土区。由图11 和表2 可见，虽然各站观测起始年份不同且存在数据中断现象，但仍可以看出各层地温有明显的升高趋势，地表升温最大。6站地表升温趋势从南到北依次增大［0.31～1.16 ℃·（10a）-1］，说明地表升温随纬度升高越来越显著。40～320 cm 土层，对单站而言，各土层升温幅度差异不大，但对比各站，各层均以伊春升温最大［0.60 ℃·（10a）-1左右］，爱辉或哈尔滨次之［0.35 ℃·（10a）-1左右］，大连基本最小［0.20 ℃·（10a）-1左右］。总体而言，0～320 cm土层以高纬度升温明显，与气候变暖在中高纬度更为显著一致，不利于东北地区多年冻土的维持，特别是伊春，因其处于东北冻土区的南侧边缘，大幅升温更不利于其多年冻土的继续维持。

图11 6个代表站年平均地温年际变化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个代表站年平均地温变化线性趋势［单位：℃·（10a）-1］Table 2 Linear variation trend of mean annual ground temperature at 6 representative stations［unit：℃·（10a）-1］

从图11 还可以发现，地表温度在2005 年有明显跃升，伊春、爱辉跃升幅度最大，而其他深度该现象不明显，这与地温观测方式改变有关。2004—2005 年，东北地区气象站全面由人工观测改为自动站观测，积雪天气时人工观测的地面温度为雪面温度，自动气象站观测的却是雪下温度，积雪对土壤的保温作用使得观测方式改变后地表温度显著升高［25］，因而在积雪较厚的多年冻土区地表温度跃升的幅度更为明显。可见，因地表温度序列存在虚高现象，在分析地温的气候变化特征时，不宜单一采用地表温度数据作为分析基础。于小舟等［26］研究认为积雪对0～20 cm 土壤有较好的保温作用，而气象站0～40 cm 土层之间的地温观测均是自动站观测以后开始的，且无积雪清除对照观测试验，现有资料暂无法直接分析积雪保温作用影响的土层深度。

2.3.2 冻结深度的长期变化

图12 给出了上述同样6 个代表站最大冻结深度和冻结期历年变化图。结合表3可见，6个代表站均存在冻结深度变浅、冻结期缩短现象。伊春最为显著，冻结深度减小、冻结期缩短趋势分别达到23 cm·（10a）-1、8 d·（10a）-1，哈尔滨、爱辉次之，分别为10 cm·（10a）-1、6 d·（10a）-1左右，伊春和爱辉历年最大冻结深度的变幅较大，其他3 站冻结深度减小趋势为4～7 cm·（10a）-1、冻结期缩短趋势为2～4 d·（10a）-1。与图11 对比可见，冻结深度、冻结期的趋势性不如地温的趋势性显著，存在阶段性特征，即1987 年前后各站冻结深度、冻结期从偏大阶段转为相对偏小阶段，转变节点与东北地区冬季气温变暖突变时间比较吻合［27］。1987 年前后，大连、沈阳、长春冻结深度减少了20 cm 左右、冻结期减少15 d 左右，哈尔滨、伊春、爱辉冻结深度减少了32～83 cm、冻结期减少22 d 左右。总之气候变暖使得东北地区冻结深度减小、冻结期缩短，尤其在多年冻土区及其临近的高纬度季节冻土区更为显著，这些地区冻土类型的变化需要今后进一步关注。

图12 6个代表站最大冻结深度、冻结期年际变化Fig.12 Interannual variations of maximum frost depth（a）and freezing period（b）at 6 representative stations

表3 6个代表站最大冻结深度、冻结期线性变化趋势及1987年前后累年平均值的对比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 结论

本文对我国东北地区0～320 cm 地温和冻土时空特征进行了细化分析，主要结论如下：

（1）东北地区各层地温空间分布存在明显的纬向特征，年平均地表温度为0.8～13.1 ℃，320 cm 年平均地温为1.6～13.6 ℃，大致呈向北2 个纬度地温降低1 ℃左右。地温对纬度敏感，与经度和海拔高度也有一定的负相关性，但在东北北部的多年冻土区地温基本不受后两者影响。0～320 cm 内上下层温差不大，最低温度层总体以44° N 为界，以南40 cm深度居多，以北80 cm或更深层居多。

（2）冻结深度由南向北增大的纬向分布特征也十分明显。年平均最大冻结深度70 cm 等深线位于辽宁南部沿海一带，基本为向北2～3 个纬度冻结深度加深30 cm 左右，190 cm 等深线位于50° N 附近。极端最大冻结深度基本为向北2 个纬度加深30 cm左右，50° N 以北地区极端最大冻结深度超过280 cm。在多年冻土区冻结深度与海拔高度基本不相关。

（3）不同深度地温的季节特征不同，地表温度季节特征与气温一致，160 cm 以下深度呈现秋、夏、冬、春季温度从高向低排列的特征。地温的季节差异随着土层深度加深而减小，地表夏季与冬季温差达到33.5 ℃，320 cm 深处最热季与最冷季的温差仅为7 ℃。东北各地由南向北年平均冻结期为113～325 d，最大冻结深度多出现在3月。

（4）气候变暖使得东北地区各层地温升高、冻结深度减小、冻结期缩短，尤其在多年冻土区及其临近的高纬度季节冻土区更为显著。相对其他土层，地表升温最大。伊春地表升温趋势达到1.16 ℃·（10a）-1，40～320 cm 土层为0.60 ℃·（10a）-1左右，冻结深度减小、冻结期缩短趋势分别达到23 cm ·（10a）-1、8 d·（10a）-1，大幅升温不利于多年冻土的继续维持。