山西最大冻土深度时空分布特征

张小平，秦 璐，范卫东 ，李瑞芳 ，田粉平

(1.山西省气象信息中心,山西 太原 030006；2.山东省烟台市牟平区气象局,山东 牟平 264600；3.山西省平安防雷检测有限公司,山西 太原 030006； 4.山西省朔州市气象局,山西 朔州 036002)

引 言

人类赖以生存的大气圈和陆地圈的环境变化越来越被重视，许多学者从大气圈不同气象要素如最高或最低气温[1-4]、降水[5-7]、极端气候事件[8-9]等对气候变化进行了大量研究，但从陆地圈的角度对气候变化的研究较少。当地温下降到0 ℃或以下，含有水份的各种岩石和土壤呈现一种冻结现象[10]，形成冻土。冻土按持续时间长短可分为短时冻土、季节性冻土和多年冻土，地球上冻土的面积约占陆地面积的50%[11]，主要分布在中高纬度地带[12]。随着气候持续变暖，近年来中国地区冻土总体表现为最大冻土深度减小，季节性冻土呈现始冻期推迟、解冻期提前趋势[13-14]，冻结持续日缩短，多年冻土的最大融化深度增加，面积萎缩[15]，呈现退化趋势[16]，未来 50 a中国地区的冻土仍持续退缩趋势，百年后将大范围改变多年冻土的空间分布[17]。不同气象因子对冻土的影响表现不同，在我国北方地区，气温对冻土的形成及存在起着决定性的作用，年平均气温和年最大冻土深度之间存在负相关关系[18-19]，表现为年气温低的地方，最大冻土深，反之亦然[20]，另外，最大冻土深度受海拔高度的影响较大，两者成正相关关系[21]。

山西位于中高纬度的黄土高原东侧，南北跨度大，境内多山地、丘陵，属于暖温带大陆性季风气候，四季分明，其独特的地理位置和气候特征是造成山西季节性冻土形成的主要因素。目前为止，仅对大同、长治冻土做了一些简单研究[22-25]，而对山西全省最大冻土深度时空变化尚不明确，因此，本研究基于山西68个气象观测站1960—2018年年最大冻土深度资料，应用EOF、小波分析等方法，研究山西最大冻土深度的突变、周期特征，以期为全省的农田水利规划与建设、道路路基的稳定性、生态环境改善提供技术支撑。

1 资 料

选取山西省1960—2018年108个气象站月最大冻土深度、月降水、月气温及站点所在纬度和海拔高度资料，其来源于山西省气象信息中心。考虑资料序列长度和站点分布密度，剔除不完整的站点，保留质量较高的68个气象站(图1)资料进行分析。文中北部取大同、忻州、朔州3个市所有站点平均值；中部取吕梁、太原、晋中、阳泉4个市所有站点平均值；南部取临汾、运城、长治、晋城4市所有站点的平均值。文中附图涉及的地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为JS(2013)01-149号的标准地图制作，底图无修改。

图1 选用的气象站点空间分布

2 结果分析

2.1 平均年最大冻土深度时间演变

1960—2018年山西平均年最大冻土深度平均值为71 cm，极端最大值(1968年为192 cm)出现在偏关，极端最小值(2017年为7 cm)出现在浮山。图2为1960—2018年山西平均年最大冻土深度变化。可以看出，平均年最大冻土深度最大值出现在1977年(88 cm)，最小值出现在2017年(47 cm)；近59 a来山西平均年最大冻土深度呈递减趋势，气候倾向率为-1.394 cm·(10 a)-1，且通过α=0.05的显著性检验。

图2 1960—2018年山西平均年最大冻土深度变化

对山西平均年最大冻土深度突变分析(图3)发现，山西平均年最大冻土深度在1986年发生了由深向浅的明显突变，并通过α=0.05的显著性检验。另外，对68个站点的年最大冻土深度逐个进行Mann-Kendall突变检测，其中56站发生了显著突变，占总站数的82.4%，突变时间分散在各个年代。

图3 1960—2018年山西平均年最大冻土深度Mann-Kendall 突变检验

图4为1960—2018年山西68站平均年最大冻土深度小波能量谱。可以看出，68站平均年最大冻土深度的变化以准4 a的周期振荡为主，且通过α=0.05的显著性检验。

图4 1960—2018年山西68站平均年最大冻土深度小波能量谱(粗实线表示通过α=0.05显著性水平临界值， 细实线表示边缘效应影响较大的区域)

2.2 月最大冻土深度变化

图5为山西北部、中部和南部平均月最大冻土深度变化。可以看出，冻土只出现在冬半年，每年10月开始出现冻土，到次年2月冻土深度达最大，然后开始融冻，到5月全部解冻，表明山西最大冻土深度具有明显的季节变化特征。

图5 1960—2018年山西北部、中部和南部平均月最大冻土深度变化

2.3 年最大冻土深度空间分布

图6为山西1960—2018年平均年最大冻土深度空间分布。可以看出，平均年最大冻土深度南浅北深，在同一纬度表现为西深东浅的空间分布特征，最小值17 cm出现在低纬度、低海拔的南部垣曲县，最大值143 cm出现在高纬度、高海拔的西北部右玉县。

图6 1960—2018年山西平均年最大冻土深度空间分布(单位：cm)

表1是山西年最大冻土深度EOF分解的前10个模态方差贡献率及累积方差贡献率。其中前2个模态的累积方差贡献率达58.4%，且通过NORTH等[26]准则检验，表明前2个模态是有物理意义的信号。

表1 山西年最大冻土深度EOF分解的前10个模态方差贡献率及累积方差贡献率

图7为1960—2018年山西年最大冻土深度EOF分解前2个模态空间型及时间系数。可以看出，第1模态空间型表现为正的全省一致型，相应的时间系数在1987年之前以正值居多，之后以负值居多，表明山西年最大冻土深度在1987年之后开始有一致变浅趋势。第2模态空间型表现为南负北正型，相应的时间系数在1980年前大多为负值，表明1980年前山西年最大冻土深度分布主要为南深北浅，而在1980年以后时间系数多为正值，年最大冻土深度的空间分布转为南浅北深，年最大冻土深度在山西南部由深变浅，北部由浅变深，存在明显的年代际变化特征。

图7 1960—2018年山西年最大冻土深度EOF分析前2模态空间型(a、b)及时间系数(c、d)(a, c)第1模态，(b, d)第2模态

3 年最大冻土深度影响因子

3.1 与降水的空间相关

分析山西68站多年平均年最大冻土深度分别与冻土持续期降水的空间相关系数发现，冻土持续期降水量与年最大冻土深度均呈负相关，且均通过α=0.001的显著性检验。表明年最大冻土深度受冻土持续期降水量影响较大，降水量多的站点，年最大冻土深度浅，反之亦然。

3.2 与降水的时间相关

分析59 a山西平均年最大冻土深度分别与冻土持续期降水的时间相关系数(表2)发现，前一年11月降水量与年最大冻土深度呈正相关，当年2月降水量与年最大冻土深度呈负相关，且相关系数均通过α=0.10的显著性检验。表明前一年11月降水量多时，年最大冻土深度深，当年2月降水量少时，年最大冻土深度深，反之亦然。

表2 年最大冻土深度与降水的相关系数

3.3 与气温的空间相关

为了更好地探究气温对年最大冻土深度的影响，分析山西68站多年平均年最大冻土深度分别与前一年11月至当年3月(冻土持续期)月平均气温的空间相关系数(表3)发现，前一年11月至当年3月气温与年最大冻土深度呈负相关，且均通过α=0.001的显著性检验，表明冻土持续期气温低的站点，年最大冻土深度深，气温高的站点年最大冻土深度浅。

3.4 与气温的时间相关

分析59 a山西平均年最大冻土深度分别与冻土持续期月平均气温的时间相关系数(表3)发现，年最大冻土深度与冻土持续期月平均气温呈负相关，其中前一年11、12月的相关系数通过α=0.01的显著性检验，1、2月的相关系数通过α=0.001的显著性检验，3月的相关系数没有通过α=0.10的显著性检验。表明年最大冻土深度受当年1月平均气温影响最大，受当年2月平均气温影响次之，前一年11、12月平均气温影响较小，因此当年1月平均气温低是导致年最大冻土深度加深的主要因素。

表3 年最大冻土深度与气温的相关系数

3.5 与纬度和海拔高度的关系

为了弄清纬度和海拔高度与最大冻土深度的关系，将68站年最大冻土深度多年平均值序列分别与纬度、海拔高度序列进行相关分析，发现年最大冻土深度与纬度的相关系数为0.92，与海拔高度的相关系数为0.75，且均通过α=0.001的显著性检验，表明山西年最大冻土深度与纬度和海拔高度呈显著正相关，即山西年最大冻土深度随纬度增大而加深，且海拔高度越高，冻土越深。

4 结 论

(1)1960—2018年，山西68站平均年最大冻土深度为71 cm，平均年最大冻土深度呈显著递减趋势，气候倾向率为-1.394 cm·(10 a)-1，且在1986年发生一次显著的气候突变，68站中有56站发生了显著突变，占总站数的82.4%；平均年最大冻土深度存在准4 a周期。

(2)山西年最大冻土深度空间分布特征总体南浅北深，在同一纬度上西深东浅。EOF分解前2个模态的累积方差贡献率达58.4%。第1模态空间型为全省一致型，第2模态空间型为南北反向型。

(3)山西年最大冻土深度受冻土持续期降水量影响较大，降水量多的站点，年最大冻土深度浅，反之亦然；前一年11月降水量多时，年最大冻土深度深，当年2月降水量少时，年最大冻土深度深，反之亦然。冻土持续期月平均气温与最大冻土深度呈显著负相关，冻土持续期气温高的站点年最大冻土深度浅，气温低的站点年最大冻土深度深，同时当年1月平均气温与年最大冻土深度的相关性最好。另外，山西年最大冻土深度与纬度和海拔高度呈显著正相关。

致谢：文章在撰写过程中得到了山西省气候中心李智才正研和山西省气象台赵桂香正研的指导和帮助，在此表示衷心的感谢！