基于合成分析的延吉市季节冻土对气候变化响应

王昊 李春景 赵晶

摘 要：利用1965—2018年延吉站的气温、降水、地表温度、冻土冻结日数等数据，采用合成分析，结合Mann-Kendall检验、回归分析等数据统计方法，研究了吉林省延吉市54年来的负积温以及冻土冻结日数年际变化特征、对负积温与冻土冻结日数之间的关系进行了量化，并对突变后负积温降低但冻结日数依旧减少的原因进行了研究。Mann-Kendall检验表明突变发生于1992年，因此将整个时间序列划分为1965—1992和1993—2018两部分进行了合成分析，结果表明：突变发生前年负积温增温速率快，但冻土冻结日数减少速率慢;突变发生后年负积温增温速率慢，但冻土冻结日数减少速率快。冬季降水会呈现出保温作用，从而减少冻结日数。结果可以为农业生产制度及技术的改进提供科学的数据支撑。

关键词：延吉市;冻土;负积温;冬季降水量;合成分析

中图分类号 P642 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）11-0166-04

Response of Seasonal Permafrost to Negative Accumulated Temperature in Yanji City based on Synthetic Analysis

WANG Hao1   LI Chunjing1   ZHAO Jing2

（1School of Geography and Marine Science， Yanbian University， Yanji 133002， China; 2Yanbian Korean Autonomous Prefecture Meteorological Bureau， Yanji 133002， China）

Abstract： Based on the data of air temperature， precipitation， surface temperature and days of frozen soil at Yanji Station from 1965 to 2018， combined with statistical methods such as Mann-Kendall test and regression analysis， synthetic analysis was adopted.This paper studies the interannual variation characteristics of negative accumulated temperature and frozen days of frozen soil in Yanji City， Jilin Province in the past 54 years， quantifies the relationship between negative accumulated temperature and frozen days of frozen soil， and studies the reasons why the negative accumulated temperature decreases but the frozen days still decrease after the mutation.The Mann-Kendall test showed that the mutation occurred in 1992， so the whole time series was divided into two parts： 1965—1992 and 1993—2018. The results showed that the rate of increase of negative accumulated temperature in the year before the mutation occurred was fast， but the rate of decrease of frozen days was slow.After the mutation occurred， the annual negative accumulated temperature increased slowly， but the freezing days of frozen soil decreased rapidly.Precipitation in winter tends to have an insulating effect， thereby reducing the number of freezing days.The results can provide scientific data support for the improvement of agricultural production system and technology.

Key words： Yanji City; Permafrost; The negative accumulated temperature; Synthetic analysis

冻土一般指在0℃以下，并含有冰的各种土壤和岩石，是冰冻圈的重要组成部分，对全球变暖敏感且对工程稳定性影响显著[1-2]。目前相关的研究主要集中于气温对冻土的影响，且主要是平均气温与冻土的关系研究，研究的区域主要是我国青藏高原地区。但我国高纬度及高海拔地区均冻土广布，冻土总面积居世界第3位[3]，除青藏高原外，我国北方地区，尤其是东北地区也是冻土广布的区域。而东北地區的自然地理环境与青藏高原地区相差甚远，因此气候要素与冻土之间量化的关系也存在较大差异。冻土冻结与消融会导致已有的基础设施，如公路、铁路等交通线变形，季节性冻土的消融还会导致建筑的地基不稳固，造成安全风险同时也增大了施工难度，如青藏铁路建设时期遇到的诸多困难。且土壤的冻融作用会影响中高纬度以及山区土壤团粒结构以及土壤有效养分的积累[4]。东北地区作为我国的老工业基地，人口较青藏高原稠密，经济活动也更加频繁。因此，从短时间尺度来看，在工农业生产和交通线维护方面，冻土消融对东北地区的影响大于对青藏高原地区的影响，而对该区域的冻土研究目前较少，因此对东北地区的冻土研究任务较为紧迫。延吉市位于我国东北地区，地温冷害以及冻融作用导致的土壤养分变化易造成该地区农作物减产等危害，因此揭示该地区的冻土与气候变化关系可以为该地区生产生活提供一定的依据[5]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况 延吉市位于42°50′N至43°23′N;129°01′E至129°48′E之间，吉林省东部，长白山西北侧[6]。境内三面环山，平均海拔约150m，西侧为布尔哈通河的山间冲积平原，地势东北高西南低，整体位于山间盆地，属中温带大陆性季风气候，受日本海影响，多阴寡照[7]，多年平均降水量为602.5mm，降水主要集中于6—9月。区域内植被包括落叶阔叶林、针阔叶混交林、草甸等[8]。土壤主要以暗棕壤为主。

1.2 数据来源 采用了来自延边朝鲜族自治州延吉气象站1965—2018年共54a的观测资料。数据包括：逐日气温、逐日地表温度、逐月降水量和逐年季节冻土冻结日数数据。数据均由延边朝鲜族自治州气象局提供。

2 结果与分析

2.1 突变发生时间 突变是发生在气候变化中的普遍且重要的现象，进行突变分析对分析气候变化情况具有重要的作用[9]。确定突变时间的方法包括累积距平、Mann-Kenddall检验和滑动t检验等多种方法[10]。其中Mann-Kenddall检验方法属于非参数方法，它有不需要样本遵从一定的分布，结果也不受少数异常值干扰的优点[11]。同时也是目前在气候突变分析中应用较多的一种检验方法[12]。因此采用了Mann-Kendall法对冻土冻结日数进行突变检测（图1）。

突变分析结果表明，正序列与反序列曲线只出现了1个交点，且该交点在0.05显著性水平临界直线之间，其对应的横坐标是1992年，因此可以认为该地冻土冻结日数发生了1次突变，突变时间为1992年。

确定突变分析时间后，将突变时间作为界限将整个时间序列划分为突变发生前和突变发生后两部分进行合成分析[13]。因此，将时间序列划分为1965—1992年和1993—2018年两部分。

2.2 年际及年代际变化特征

2.2.1 年负积温及冻结日数年际变化特征 延吉市季节性冻土主要于10月中下旬开始冻结，于次年4月下旬至5月上旬彻底化通[14]，由此可以发现冻土冻结期与气温低于0℃时间基本一致，因此选取负积温作为气温指标与冻土冻结日数进行统计分析。

为了明确突变前后年负积温以及冻土冻结日数的年际变化特征，因此采用气候倾向率方法对该地区的年负积温和冻土冻结日数进行了分析。气候倾向率用一次线性方程y=a+bt表示，y为气候要素、a为常数项、t为时间，把b*10称为每10a的气候倾向率[15]，其单位为℃·10a-1或cm·10a-1。其中图2为突变发生前的年际变化特征，图3为突变发生后的年际变化特征。

突变发生之前（图2），年负积温总体上呈现明显的上升趋势，增温率为98.504℃·10a-1，冻土冻结日数则呈现出明显的下降趋势，减少速率为3.599d·10a-1。突变发生之后（图3），年负积温总体上呈现不甚明显的下降趋势，降温率为12.564℃·10a-1，冻土冻结日数也呈现出下降趋势，减少速率为4.612d·10a-1。对图2和图3进行对比可以发现，突变后负积温的年际变率增大，上升开始停滞，但是冻土冻结日数的减少速率却上升了。

2.2.2 年负积温及冻结日数年代际变化特征 采用移动平均法对年负积温以及冻土冻结日数进行了年代际变化的分析。在这里取5a为步长，通过平均的方法较为有效的消除掉了整个时间序列中的随机波动[16]，从而更好地体现出年代际变化特征。

从5a移动平均曲线可以看出：年负积温的年代际变化特征是“缓慢上升-急剧上升-平稳”（图4）;冻土冻结日数的年代际变化特征是“平稳-急剧下降-平稳”（图5）。其中冻土冻结日数的波动幅度大于年负积温的波动幅度，说明冻土冻结日数对气候变化的响应较为敏感。除此以外，观察突变前后平均值可以发现：突变发生前年负积温的平均值为-1288.33℃，突变发生后年负积温的平均值为-1143.36℃，突变后比突变前升高了144.97℃，证明该区域的年负积温发生了1次暖突变;突变发生前冻结日数的平均值为183.39d，突变发生后冻结日数的平均值为164.5d，突变后比突變前减少了18.89d，证明该区域的冻结日数从相对偏长期跃变到了相对偏短期。

2.3 冻土冻结日数对负积温变化的响应 利用SPSS软件对突变发生前后的冻土冻结日数与年负积温分别进行了皮尔森相关分析和一元线性回归分析，得出了冻土冻结日数与年负积温之间的一元线性回归方程以及对应的相关系数。

由一元线性回归方程可以得出，在发生突变前后，冻结日数与年负积温均呈现出负相关关系，代表冻土冻结日数的变化趋势与年负积温的变化趋势相反，即随着年负积温的升高冻土冻结日数会相应减少，所以可以认为年负积温的升高是冻土冻结日数缩短的直接原因之一，结果均通过了0.05显著性水平检验。但是，突变发生前，年负积温每升高100℃，冻土冻结日数减少2.9d;突变发生后，年负积温每升高100℃，冻土冻结日数减少4.1d，这说明突变发生后冻土冻结日数对年负积温变化的响应更加敏感。

2.4 冬季降水对地表温度的影响 由负积温和冻土冻结日数的年际变化图可以发现，在突变后负积温出现了缓慢下降的趋势，但是同时冻土冻结日数呈现出比突变前更加迅速的减少趋势。这一情况与冻土冻结日数与负积温应当呈现负相关关系的结果不符。

于小舟等研究表明冬季积雪对0～20cm的土壤有较好的保温作用[17]，任景全等研究表明在季节冻土稳定冻结阶段，地表有积雪覆盖与裸地相比，在稳定的积雪覆盖下有显著的保温作用[14]，在阿尔泰山南坡的季节冻土区，积雪深度的变化导致年最大冻土深度下降了44.5cm[18]。由此可见季节冻土对积雪的变化比较敏感。

由于缺少积雪深度数据，而研究区内冬季降水形式均为降雪，且温度均低于0℃，因此采用了冬季降水量代替积雪深度进行分析。

将地表温度与气温的差值曲线与冬季降水量曲线进行对比，可以发现其变化趋势基本一致（图6），结合前人的研究结果可以证明在延吉市冬季降水对土壤存在明显的保温作用，且年平均地表温度与季节冻土冻结日数的皮尔森相关系数高达0.7，因此可以认为冬季降水量与季节冻土冻结日数存在负相关关系。

观察突变前后的冬季降水量平均值可以发现，突变发生前冬季降水量平均值为14.95mm;突变发生后冬季降水量平均值为17.18mm，突变后比突变前增加了2.23mm。所以，突变后冬季降水量增加导致对土壤的保温作用增强，从而出现了虽然年负积温出现缓慢下降但季节冻土的冻结日數仍旧急剧减少的现象。

3 结论

Mann-Kendall检验结果表明延吉市的冻土冻结日数于1992年发生了1次突变，所以采用1992年作为临界点将整个气候序列分成突变前后两段进行了合成分析，然后分别分析了负积温和冻土冻结日数的年际变化、年代际变化和线性关系。

年际变化方面，负积温在突变前呈现明显的上升趋势，在突变后则呈现缓慢下降趋势，冻土冻结日数则在突变前后均呈现出下降趋势，并且在突变后下降速率更高;年代际变化方面，负积温突变后比突变前升高了144.97℃，从相对偏冷期转入了相对偏暖期，冻土冻结日数突变后比突变前减少了18.89d，从冻结相对偏长期转入了相对偏短期;最小二乘法得出的一元线性回归模型表明突变前后冻结日数与年负积温均呈现出较为显著的负相关关系，且冻结日数对负积温变化的响应由-2.9d·100℃-1变为-4.1d·100℃-1，说明突变后冻土冻结日数对负积温的变化更加敏感;冬季降水量曲线与地气温差曲线存在较好的一致性，且突变发生后冬季降水量的多年平均值升高了2.23mm，结合前人研究结果，说明了冻结日数与冬季降水量存在着负相关关系。

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基金项目：国家自然科学基金重点项目（41830643）。

作者简介：王昊（1997—），男，山西忻州人，在读硕士，研究方向：自然地理学。

通讯作者：李春景（1966—），女，黑龙江绥化人，副教授，研究方向：自然地理学。  收稿日期：2021-06-05