探索图们市最大冻土深度变化的特征及其影响因子

尤建新，王兴环，寇 宇，邱英强，高安芳

1.吉林省图们市气象局，吉林图们 133100；2.延边州气象台（延边州海洋气象台），吉林延吉 133000

冻土是指含有水分的土壤因温度下降到0℃或℃以下而呈冻结的状态[1]。根据埋入土中的冻土器内水结冰的部位和长度，测定冻结层次及其上限和下限深度。冻土深度以厘米（cm）为单位，取整数，小数四舍五入。我国多属于季节性冻土类型，即冬季冻结，夏季消融，多年冻土类型少[2]。冻土的冻结与消融活动，对农业生产、公路和铁路建设、建筑业等有着重要的影响[3-6]。其冻土层深度由自然地理条件和土壤物理特性等因素决定。冻土对气候变化敏感，温度变化是冻土的重要影响因素。近几十年来，冻结期推迟、融化期提前、冻结时间缩短的现象频发[3]。冻土要素有无变化，如气候变化对其有何影响，是值得深入研究的课题。

1 资料与方法

研究所用资料来源于图们国家气象观测站1976—2020年最大冻土深度，冬季11月至翌年3月平均气温、最大积雪深度、最低平均气温、日照时数、风速等气象资料，主要采用线性趋势和气候倾向率、相关分析和回归分析等方法[7]。

2 结果与分析

2.1 最大冻土深度的年际变化特征

1976—2020年间冬季冻土最大深度总体上是波动性减小的，近45年来，平均冻土深度122.76 cm，其减小速率为0.904 cm/10年，最大冻土深度181 cm（出现在1976年），最小冻土深度92 cm（出现在2001年）。但是从2008年后最大冻土深度基本上都高于平均冻土深度（除2016年119 cm和2019年114 cm，2020年122 cm外）。最大冻土深度的年代变化分析表明，自20世纪80年代以来最大冻土深度开始减小，20世纪90年代冻土深度减小幅度更为显著（表1）。冻土深度较小反映了我国北方大部地区冬季气候变暖的事实，尤其与20世纪90年代是最暖10年的结论相一致，这进一步说明了冻土要素对气候变化响应的敏感性。土壤冻结是土壤中所含水分冻结的一种特有物理现象，这一特有物理特性，使其具有对气候变化敏感性[8]。已有研究指出，决定土壤冻结深度的因子有气温、地温、地面覆盖物、土壤含水量以及土壤与积雪的热力特性等。研究主要从气温、积雪、日照、风速对冻土深度的影响因素进行分析[9]。

表1 平均冻土深度、最大冻土深度的年代际变化

表1分析了图们市近45年平均冻土深度与最大冻土深度的年代际变化，以10年段的年代际变化进行分析，图们市近45年平均冻土深度值和最大冻土深度值均呈现出先减少后增加的趋势。20世纪90年代冻土最低。

图1分析了近45年冻土初终日数与最大冻土深度的变化，结果显示：年最大冻土深度越大，冻土初终日数也越大，变化趋势几乎相同。年冻土初终日数呈现出减小的趋势，其减小速率为3.626 d/10年。冻结持续时间最长为1976年的196 d，最小为2013年的141 d。

图1 1976—2020年图们市冻土初终日数及其最大冻土深度的关系

2.2 冻土深度变化的气象因子

2.2.1 冬季11月至翌年3月平均气温与最大冻土深度的关系图们国家气象观测站1976—2020年冬季11月至翌年3月平均气温整体呈现上升趋势，线性趋势方程为y= 0.0265x-6.8839，上升倾斜率为0.265℃/10年。最大冻土深度随着冬季11月至翌年3月平均气温的升高而减小，两者之间相关系数为-0.600，通过了α=0.01的显著性检验，呈负相关。温度的升高在一定程度上对最大冻土深度的减小产生了影响。

2.2.2 年日照时数与最大冻土深度的关系图们国家气象观测站1976—2020年的年日照时数整体呈现上升趋势，线性趋势方程为y= 5.1x+ 2137.9，上升倾斜率为51 h/10年。最大冻土深度随着年日照时数的增多而减小，两者之间相关系数为-0.445，通过了α=0.01的显著性检验，呈负相关。

2.2.3 年最大积雪深度与最大冻土深度的关系积雪覆盖一定程度上能够对地面起到保温的作用，图们国家气象观测站1976—2020年最大积雪深度整体呈现上升趋势，线性趋势方程为y= 0.0235x+ 15.572，上升倾斜率为0.235 cm/10年。最大冻土深度随着年最大积雪深度的升高而减小，两者之间相关系数为-0.331，通过了α=0.05的显著性检验，成负相关。

2.2.4 年平均最低温度与最大冻土深度的关系图们国家气象观测站1976—2020年年平均最低气温整体呈现上升趋势，线性趋势方程为y= 0.0247x+0.5782，上升倾斜率为0.247℃/10年。最大冻土深度随着年平均气温的升高而减小，两者之间相关系数为-0.344，通过了α=0.05的显著性检验，呈负相关。

图2 1976—2020年图们市11月至翌3月平均温度及其最大冻土深度的关系

图3 1976—2020年图们市年日照时数及其最大冻土深度的关系

图4 1976-2020年图们市年最大积雪深度及其最大冻土深度的关系

图5 1976-2020年图们市年平均最低气温及其最大冻土深度的关系

2.2.5 年平均风速与最大冻土深度的关系图们国家气象观测站1976—2020年年平均风速整体呈现下降趋势，线性趋势方程为y= -0.0127x+ 2.7613，下降倾斜率为0.127（m/s）/10年。最大冻土深度随着年平均风速的增加为增加，两者之间相关系数为0.405，通过了α=0.01的显著性检验，呈正相关。

图6 1976-2020年图们市年平均风速及其最大冻土深度的关系

3 结论

（1）1976—2020年间图们市冬季冻土最大深度总体上是波动性减小的，近45年平均冻土深度122.76 cm，其减小速率为0.904 cm/10年。年最大冻土深度越大，冻土初终日数也越大，变化趋势几乎相同。年冻土初终日数呈现出减小的趋势，其减小速率为3.626 d/10年。

（2）最大冻土深度的年代变化分析表明，自20世纪80年代以来最大冻土深度开始减小，20世纪90年代冻土深度减小幅度更为显著。冻土深度较小，反映了我国北方大部地区冬季气候变暖的事实，尤其与20世纪90年代是最暖的10年结论相一致，这进一步说明了冻土要素对气候变化响应的敏感性。

（3）通过分析可见最大冻土深度与冬季11月至翌年3月平均气温相关性最好，其次是日照时数，再次是年平均风速和年平均最低温度，最后是最大积雪深度。最大冻土深度与冬季11月至翌年3月平均气温呈现负相关，相关系数通过了信度为0.01的显著性检验。最大冻土深度与年日照时数呈现负相关，相关系数通过了信度为0.01的显著性检验。最大冻土深度与年平均风速呈现正相关，相关系数通过了信度为0.01的显著性检验。最大冻土深度与年平均最低温度呈现负相关，相关系数通过了信度为0.05的显著性检验。最大冻土深度与年最大积雪深度呈现负相关，相关系数通过了信度为0.05的显著性检验。