辽西季节性冻土特征及融化过程对气候变化的响应

苗传海，孙艳云，张博宇，郭宗凯，沙 莉

（1.辽宁省气象装备保障中心，辽宁 沈阳 110116；
2.本溪市气象局，辽宁 本溪 117000）

季节性冻土对大气温度十分敏感[1]。在土木工程建设、公路、桥涵和铁路设计中，土壤冻结和融化过程是必须考虑的参数之一[2-4]，而初春冻土融化及地温变化对农业及水利工程建设等也存在较大的影响，因此，研究掌握冻土融化特征，开展相关的预测预报具有重要的实践意义。冻土的形成与地表面的温度有关[5]，气温变化是冻土重要的影响因素[6]。多年来对冻土变化特征、冻土影响因素的研究较多[7-9]。在冻土预测方面，张慧智等[10]利用年平均气温与三维地理坐标，采用回归克里格法预测了中国年平均土壤地温其效果良好，对研究预测地温具有一定的参考价值；
李静等[11]借助于TM 遥感数据、GIS 技术和DEM 数据模拟了植被覆盖区，预测冻土地温分布特征，研究方法具有前瞻性；
杜尧东等[12]以气温做自变量预测蔬菜地地温，预报效果较好，具有一定借鉴意义。王选耀[13]和崔素芳等[14]采用偏相关分析方法，选用多个气象因子对烟台地区蔬菜大棚温度进行预测，该研究未与实际的天气预报结合，实用性较低。目前对季节性冻土特征变化研究的较多[15-16]，而对春季冻土融化期地温变化以及冻土融化深度的变化规律研究较少，并且早春热量对冻土融化深度的预报业务在气象部门还属于空白。

本研究通过综合前人研究成果，选择辽宁西部地区大凌河、小凌河、老哈河流域作为研究对象，研究气候变化对季节性冻土变化特征及冻土融化过程的影响，旨在为农业、土木工程建筑业开展冻土预测预报专项气象预报服务提供参考。

1.1 研究区概况

辽宁省西部与河北省承德市和内蒙古赤峰市接壤，占地面积相当于辽宁省陆地面积的1/3。该地带属低山丘陵区，由内蒙古高原向沿海平原过渡的坡降地带，海拔高度在100～1 300 m。大凌河、小凌河及老哈河3 条流域贯穿境内。辽西属北温带亚干旱易旱气候区，四季分明，雨热同季，自然灾害较多[17]，该区域年平均气温6.0～9.0 ℃，年降水量420～550 mm，日照时数2 800 h左右。

1.2 资料来源

选取4个气象站代表辽宁西部丘陵地区，其中老建平代表努鲁尔虎山以北的老哈河流域，羊山代表小凌河流域，凌源、朝阳分别代表大凌河流域的上游和中游区域。通过各地气象站资料库查得1960—2019 年10 月至翌年4 月逐日气候资料。包括地面日平均、最高、最低温度；
10 cm 地温；
日平均、最高、最低气温；
日照时数；
降水量；
土壤冻结初日、稳定冻结（10 cm）日期，冻土融化初始日期、逐日融化深度、融通日期，最大冻土深度等。依据温度资料计算冻土融化期的正积温。

1.3 分析方法

1.3.1 线性方程 采用线性估算倾向率方法，分析冻土年际变化趋势，即建立一元线性方程y＝ax＋b，确立冻土深度yi与年代序列号xi的关系。a为回归系数，表示要素的趋势倾向变化速率，一般以趋势项a乘以10，代表每10年的气候倾向率[18]。

1.3.2 相关分析 为了分析要素yi1与要素yj2间相关程度，采用相关分析方法[18]。

式中，r为相关系数；
为气象要素平均值，为时间要素平均值。

1.3.3 拟合率分析 通过线性回归方法，建立要素间相关模型，回代检验分析模型的预测值与观测值之间的吻合程度[19]。

1.4 分析软件

线性回归分析及相关系数计算在Excel软件支持下进行。

2.1 辽宁西部冻土年变化特征

辽宁西部冻土年变化如图1所示。

辽宁西部属季节性冻土区域，最早10 月上旬（1967、1969年）开始出现土壤非稳定（日融夜冻）冻结现象，土壤稳定冻结（≥10 cm）平均在11月21—28 日。冻土深度年变化于2 月上旬冻土达到最大深度，最大深度可持续到3 月上旬。从3 月中旬冻土开始融化，至4月中旬冻土全部融通。辽西非稳定冻土历时约190 d 左右，占全年的52.1%；
稳定冻土历时约130 d左右，占全年的35.6%。从图1可以看出，冻土深度从冻结到融通过程随时间变化呈偏态分布，最大深度滞后于气温年变化最低值出现的时间（气温最低值出现在1月上中旬）约30 d左右。

2.2 冻土深度、冻结化通日期年际变化

2.2.1 冻土最大深度 从表1可以看出，辽宁西部1960—2019 年冻土最大深度3 个流域有一定的差异，其中，老建平冻土最大深度比朝阳、凌源、羊山深（18～38.3）cm，羊山最浅。1976—1977年冬季老建平冻土深度出现最大值，在150 cm 以上，2001—2002 年羊山冻土深度出现最小值，仅为46 cm。历年冻土最大深度离散度较大，平均标准偏差为±15.0 cm，有28.5%的年份偏离标准差。冻土最大深度随着年度变化呈逐渐变浅趋势，序列相关达到极显著水平，近60 a 冻土深度线性变浅22～31 cm。杨学强等[20]研究认为，1988年冻土出现气候突变，突变之后（1989—2019年）冻土深度平均变浅18 cm。

2.2.2 土壤结冻日期 深秋至初冬时节气温下降至0 ℃以下土壤出现冻结现象，开始为非稳定冻结，即日融夜冻现象。辽宁西部地区一般在10月中下旬出现非稳定冻结，而1967、1969年出现在10月9 日，为60 a 最早；
2005 年最晚，出现在12 月4 日，非稳定冻结初日平均在10 月31 日。由表1 可知，稳定冻结冻土初日平均在11 月下旬，老建平早于其他地区6～8 d。1972 年稳定冻结在11 月12 日，为60 a 最早，2005 年出现在12 月4 日，为近60 a 最晚，辽宁西部稳定冻结日期变化在36 d 之内，平均标准偏差为±6.0 d，有80%的年份集中在11 月下旬。说明辽宁西部土壤稳定冻结日期明显推后，平均倾向率为1.87 d/10 a，近60 a线性推后约10 d。

2.2.3 冻土化通日期 辽宁西部冻土从2 月下旬开始地表出现日融夜冻现象，3 月上中旬深层冻土进入融化期，有91%的年份在3 月中旬至4 月上旬冻土层逐渐化通，有85%的年份集中在4 上中旬，其标准偏差为±7 d。由表1可知，辽宁西部1960—2019 年冻土化通日期平均在3 月28 日—4 月5 日，老建平比其他地区偏晚3～9 d。羊山2001 年3 月9 日化通，为近60 a 最早；
老建平1984 年4 月28 日化通，为近60 a 最晚；
化通日期变化在32 d 之内。冻土层化通日期呈明显提前趋势，平均倾向率为-1.459 d/10 a，近60 a线性提前约8 d。

表1 1960—2019年冻土最大深度、结冻和化通日期趋势变化特征Tab.1 Trends of maximum depth，freezing，and thawing dates of permafrost from 1960 to 2019

2.3 冻土融化的持续日期分析

辽宁西部冻土融化日程与冻土融化速率如表2所示。

表2 辽宁西部冻土融化日程与冻土融化速率Tab.2 Permafrost melting schedule and permafrost melting rate in western Liaoning province

由表2可知，辽宁西部冻土融化时间从3月上中旬开始，到4月上中旬结束，用时30 d左右，老建平较其他地区偏晚3～5 d。在冻土深度达到最大值时，随着天气转暖，冻土层开始融化，融化过程中冻土深度逐日变浅，而冻土深度逐日变化呈线性关系，并达到极显著水平，冻土平均融化速率3.1～4.0 cm/d。

2.4 气候要素对冻土深度变化的影响

2.4.1 气候要素变化对最大冻土深度的影响 辽宁西部地区冻土期在11月至翌年4月，而同期的气候要素变化影响着冻土最大深度。气象要素采用滑动分段方法，分别分析11 月、12 月、1 月、2 月、11—1 月、11—2 月、11—3 月、12—2 月、12—3 月、1—2 月、1—3 月、2—3 月的平均气温、平均最低气温、平均最高气温、地面平均温度、地面平均最低气温、地面平均最高气温、日照时间及降水量与冻土最大深度、冻土期的相关性，结果（表3）11 月—翌年2月间平均气温、平均最低气温、平均最高气温、地面平均温度、地面平均最低气温、地面平均最高气温与最大冻土深度、冻土期负相关显著，同期降水量与冻土最大深度正相关显著，日照时间对冻土最大深度及冻土期影响不明显。

表3 冻土最大深度、冻土期与11月至翌年2月气象要素相关分析Tab.3 Maximum depth of frozen soil，analysis of the permafrost period and the meteorological factors from November to the following February factor

冻土最大深度（H）与11月—翌年2月平均气温（T）、地面平均温度（Td）存在良好的线性关系，其回归方程式如下。

冻土最大深度随着11月至翌年2月气温、地面平均温度的升高而变浅，当11月至翌年2月气温每变化1.0 ℃，冻土最大深度将变化±5.734 6 cm；
当11 月至翌年2 月地面平均温度每变化1.0 ℃，冻土最大深度将变化±6.041 3 cm。

2.4.2 冻土融化期气温对10 cm地温的影响 由图2 所示，冻土融化期气温与同期10 cm 日平均地温存在显著的线性关系，各地相关系数均在0.980 以上，其相关程度达到极显著水平（P＜0.01），其回归方程见表4。一元线性回归方程通式为：

表4 同期气温与10 cm地温、融化期正积温与冻土逐日融化深度线性回归方程式Tab.4 Linear regression equation between temperature of the same period and ground temperature of 10 cm，positive accumulated temperature in thawing period and daily thawing depth of frozen soil

式中，T1代表10 cm日平均地温，T2代表日平均气温，a和b为回归参量。根据拟合率公式（2），利用2018—2019年3—4月日平均气温数据代入线性回归方程进行拟合检验，拟合率保持在96%以上。

2.4.3 土壤10 cm正积温对冻土融化深度的影响冻土融化的主要途径是土壤通过气温升高到0 ℃以上提高地温储存热能来完成的，所以，冻土融化过程需要一定量的热能积累。分析过程中分别选用冻土融化日的前3 天、2 天、1 天和当天的地温累积值（正积温）与土壤融化深度进行相关检验。分析结果，提前2天的积温累积值与冻土融化深度线性相关最为显著，达到极显著水平（P＜0.01）。图3所反映的是提前2 天的积温与当日冻土融化深度的线性相关。

辽西各地点土壤10 cm正积温与冻土融化深度一元线性方程如表4所示。

式中，H代表冻土融化深度，ΣT代表土壤10 cm日平均地温累积（正积温），k 和c代表各站点的回归参量。根据拟合率公式（2），对2018年、2019 年3—4 月逐日累计正积温数据回代检验，拟合率在94%以上。依据线性方程式计算，当冻土融化30 cm时，需要正积温27～33 ℃·d，研究区各地基本相同；
反之，当初春正积温积累27～33 ℃·d时，冻土融化深度可达到30 cm；
当冻土融化100 cm 时，需要的正积温在190～210 ℃·d。

3.1 冻土解冻日期提前的趋势不稳定

冻土从时间概念可划分为多年冻土和季节性冻土。多年冻土的时间一般为数年至数万年，季节性冻土在一年内有半月至数月[5]。多年冻土主要分布在北美洲的北部和亚欧大陆。高山和高原上也存在多年冻土，如非洲的乞立马扎罗山，美洲的安第斯山脉以及中国的青藏高原[2,6,8]；
季节性冻土一般分布在中、低纬度地区。辽宁西部属于季节性冻土区域，土壤结冻、融化过程中与气温变化最为密切[19-21]。因气候变暖使冻土深度变浅、冻结日期推后，融化初日、冻土融通日期提前，这与张威等[21]、杨学强等[20]研究结果一致，但这种提前的趋势并不稳定，如2011 年冻土融通日期在4 月13 日，比1960—2019 年平均值还要晚12 d，超过标准偏差6 d，说明这种变化既分散又不稳定，所以，这种趋势变化仅存于理论上，如应用于实际还需进一步研究。

3.2 春季土壤日融夜结非稳定冻土现象存在灾害风险

因受地理位置的影响，辽西各地春季冻土深度及融化时间不尽一致，老哈河流域（老建平）相对其他区域冻土融化偏晚约7 d左右。冻土融化初日在3月中旬，融通时间在4月上旬，而4月上中旬常见日融夜结非稳定冻土现象，在农业上将影响农作物（小麦等）幼苗正常生长，使作物苗期受冻致死甚至减产或绝收，张洪芬等[22]、李海花等[23]、费晓玲等[24]的研究结果也证明了这一点。这种日融夜结非稳定冻土现象在土木工程、路基、桥涵等建设中将影响工程质量，墙体、基础很容易被毁坏[25-26]，对春季早播作物、土木建筑可造成灾害风险。

3.3 提高冻土观测仪的自动化水平

当前气象观测沿用的冻土测量仪是以水的冻解来测冻土深度，况且观测员是以手摸触感认定观测值，因此，原始冻土深度观测值存在明显的人为误差。另外，各地观测地点的土壤质地不同，含盐、腐殖质等差异，造成土壤冻融温度的不一致。为了更加准确观测冻土深度变化，急需研制能够自动观测、自动传输的冻土观测仪，以提高观测值的精准度。

季节性冻土受气候变暖的影响，辽西冻土最大深度沿着年际轨道（1961—2019年）逐渐在变浅，稳定冻结日期推后而冻土层化通日期呈明显提前趋势。辽西各地冻土融化的速率基本相近，平均融化速率3.1～4.0 cm/d。

辽宁西部地区气温升高趋势明显[30]，当11月—翌年2 月气温每升高1.0 ℃时，冻土最大深度将变浅5.7 cm；
当11月至翌年2月地面平均温度每升高1.0 ℃时，冻土最大深度将变浅6.0 cm。

日平均气温与10 cm日平均地温存在极显著的线性关系（P＜0.01，r＝0.98），线性方程对10 cm 日平均地温预测准确率在96.0%以上。

初春时节土壤10 cm正积温与冻土融化深度具有显著的线性关系（P＜0.01，r＝0.98），其线性方程预测春季冻土融化深度拟合率在94.0%以上。辽西地区春季正积温积累27～33 ℃·d 时，冻土融化可达到30 cm深度，冻土融化100 cm深度需要的正积温在200 ℃·d左右。