黑龍江省凍土影響因子分析

摘要 利用1960～2010年黑龍江省83個氣象站的凍土、0 cm地溫、海拔、緯度和經度資料，采用線性回歸方法，分析了黑龍江省凍土的影響因子。結果表明，高緯度地區地溫低，在同等條件下凍土深度較低緯度地區大；凍土與氣候因素中的氣溫、降水、云量、日照、積雪相關。

關鍵詞 黑龍江省；凍土；影響因子

中圖分類號S161文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）30-10611-02

作者簡介高峰（1982- ），男，黑龍江哈爾濱人，工程師，碩士，從事氣象設備儀器監控技術研究。

凍土，廣義上是指溫度在0 ℃或0 ℃以下，且含有冰的各種土壤及巖土[1]。按土的凍結狀態和保持時間的長短，凍土可分為短時凍土、季節凍土以及多年凍土3種類型[2]，這3種凍土類型分布的地區即稱作短時凍土區、季節凍土區及多年凍土區。黑龍江省是一個多山地區，山脈走向和各階梯相對高度差別，是形成各地區氣候特征及差異的重要原因[3]。凍土的形成和存在與氣候條件密切相關，氣候包括氣溫、氣壓、風、降水、溫度等諸多因素，它們彼此聯系，又相互影響。筆者在此利用1960～2010年黑龍江省83個氣象站的凍土，0 cm地溫、海拔、緯度和經度資料，采用線性回歸方法，分析了黑龍江省凍土的影響因子。

1凍土形成和分布的主要影響因子

季節凍土和多年凍土的形成與地表面的輻射—熱量交換有關[4]。年內輻射—熱量平衡方程一般用下式表示：

式中，Qd為地面輻射平衡（輻射差額），Qi、Qs分別為太陽直接輻射和散射輻射，a為地面反射率，Qe為地面長波有效輻射，LE為蒸發耗熱，P為湍流交換耗熱，A為通過地面的熱流（熱通量）。M.K.T提出對于地球上有固態降水的寒冷地區，地表面熱量平衡應表達為：Qd =LE+P+△W+A，即增加一項融雪耗熱△W，其余符號同前。

E.Ⅱ.E認為土層溫度狀況除決定于輻射平衡（Qd）和通過地表的熱流（A）外，還與地中熱流（q）有關，應用下面的輻射-熱量平衡方程來評價，即Qd+q-LM-P=A，其中地表熱量收入（Qd+q）主要消耗于地表與大氣之間的熱力相互作用（P），下墊面內生和外生過程LM（水分蒸發、凝結、升華等）以及土中的熱力過程A（升溫或冷卻，水的相變、凍結和融化等）。

輻射-熱量平衡的結構對凍土的形成和動態有決定性作用。根據（1）式分析全年輻射-熱量平衡總情況，看不出平衡的結構隨時間的變化，但分開冬、夏半年來看情況則不同。夏季，有效輻射（Qe）總是小于吸收輻射（Qi+Qs）（1-a），所以Qd為正值，達到很大值；而到冬季，太陽總輻射較弱，加上雪蓋的反射率大，吸收輻射小于有效輻射，Qd出現負值。Qd全年之和總是正的。夏季，Qd能量主要用于LE、P和A。冬季，當地面溫度轉至0 ℃以下，LE和P兩項熱交換近于0，式（1）變成：Qd=（Qi+Qs）（1-a）-Qe =A?？梢姡琇E、P對形成地面正溫有重要意義，Qe對形成地面負溫有主要影響。土的凍結發生在有效輻射大于吸收輻射的期間，即輻射平衡具有穩定負值的時期，地面溫度在此期間得以降至0 ℃以下。這時，-Qd值實質上是由土壤中及其下伏土層中負的熱能量（-A）組成。盡管年內+Qd值的總和一般大大超過-Qd值總和，但-Qd存在時間長短對土的凍結有重要意義[5]。正是+Qd與-Qd延續時間長短的對比關系，決定地面年平均溫度的符號。

土壤熱交換量是連接氣候與凍土層上部土層熱狀況的紐帶，對凍土的形成和發展起重要作用[6]。盡管土壤熱交換量年內正負值的差值很小，卻不可忽視。正是由于有各種周期和波幅的氣候波動存在，土壤熱交換量年內正負值的差值在長時間內（地質尺度）不斷變化，在巖石圈表層可積累成巨大的熱力循環值（熱通量），足以形成或融化幾百米厚的凍土層，對多年凍土層的熱狀況、溫度動態、分布、埋藏、成分等特征以及凍土地質（冷生）過程和現象的不斷變化起決定作用。

2黑龍江省凍土與地形的關系

利用黑龍江省83個氣象站實測年平均0 cm地溫與海拔、緯度、經度進行多元線性回歸統計分析，得到關系式如下：

式中，Td0為年平均0 cm地溫；W、E分別為十進制表示的經度和緯度；H為海拔高度。對回歸方程進行檢驗，復相關系數r=0.838 2，擬合方程通過0.001水平的極顯著性檢驗。對應于W、E、H的標準回歸系數分別為b1=-1.319 8、b2=-9.138 7、b3=-0.053 1，|b2|>|b1|>|b3|，表明緯度是影響黑龍江省年平均0 cm地溫最顯著的因素，經度次之，海拔高度最低。就是說，黑龍江省年平均0 cm地溫主要受緯度和經度控制，海拔高度也有一定的影響。由于標準回歸系數均為負值，說明在全省范圍內年平均0 cm地溫向北、向東和向高處降低的趨勢。通常情況下，隨著緯度的增高，年平均0 cm地溫降低，地表平均溫度年較差減少，因此在其他條件相同的情況下，隨著緯度的增高凍土的融化深度減少，凍結深度增大。也正是由于緯度的作用，在同一氣候波動下，緯度高的地區具有更低的氣溫環境，凍土深度大；緯度低的地區氣溫相對較高，凍土凍結深度較小。因此高緯度地區地溫低，在同等條件下凍土深度較低緯度地區大。

3黑龍江省凍土與主要氣候因素的關系

黑龍江省位于東部季風區北部，其緯度位置偏北，西伯利亞-蒙古高壓對黑龍江省氣候影響很大，形成嚴寒的大陸性氣候[7]，如此的氣候條件有利于多年凍土的形成和發育。多種多樣的氣候類型下形成不同類型的凍土（多年凍土、季節凍土）和凍土特征。凍土的發育和分布與氣溫、降水、溫度等氣候因素相關，凍土的發育與形成受氣溫、降水、溫度等氣候因素的影響。

3.1與氣溫的關系在現代氣候條件下，年平均氣溫與凍土區（帶）界限有一定的相關性。在我國東北，多年凍土區南界與年平均氣溫0 ℃線相當。年平均氣溫的分布明顯受到緯度、經度和海拔高度的影響。對于東北地區，緯度是決定東北地區年平均氣溫的最顯著因素，其次為海拔，再次為經度。在大興安嶺北部的阿木爾地區，曾測得海拔650 m的山坡上年平均氣溫為-3.4 ℃，而附近位于阿木爾一級階地上的阿木爾氣象站（海拔550 m），年平均氣溫為-4.7 ℃，其逆溫梯度為-1.3 ℃/100m。從南邊的西沙（6.1 ℃）到最北邊的漠河（49.0 ℃），年較差增大42.9 ℃。大小興安嶺年較差均在40.0 ℃以上，黑龍江省北邊嘉蔭站的年較差在全國為最大（49.2 ℃）。氣溫日較差也是由南向北增大，由低處向高處減少。大小興安嶺氣溫日較差在14～15 ℃。與世界同緯度相比，我國年平均氣溫和1月平均氣溫低。如1月平均氣溫，在東北北部比同緯度平均偏低14～18 ℃。我國平均氣溫年較差，除青藏高原外，則比世界同緯度平均值大，年較差隨緯度而增加的速率也是世界同緯度最大的。日平均氣溫≤0 ℃的持續時間，在大小興安嶺一般始于10月中、下旬，止于4月上、中旬，長達150～200 d，其中漠河203.6 d。以上氣溫分布的特征，對我國多年凍土和季節凍土的發育和分布有著重要影響。在我國東部，多年凍土區南界、季節凍土南界分別與年平均氣溫0 ℃線、1月平均氣溫0 ℃線大致相當。

3.2與降水的關系凍土區降水很少，歐洲部分為200～300 mm，亞洲和北美洲北部在100 mm以下，西藏凍漠土區因地勢高、遠離海洋，降水更稀少，一般為60～80 mm，其北部更少，為20～50 mm，其中90%集中于5～9月。降水雖然少，但氣溫低、蒸發量小，長期冰凍，土壤濕度很大，經常處于水分飽和狀態，夏季土壤—母質融化，砂土可達1.0～1.5 m，壤土70～100 cm，泥炭土35～40 cm，以下即為永凍層，高山凍漠土在寬谷、湖盆永凍層深度80 cm，山坡上可達150 cm。黑龍江省年及夏季降水量呈現東部減少、西部增加的趨勢；冬季降水量以正趨勢為主，呈現明顯增加趨勢；春季降水量負趨勢占主導地位；秋季降水量除東南部、大興安嶺北部為正趨勢外，其他大部分地區為負趨勢。因此，僅從降水角度而言， 黑龍江省秋季與冬季降水雖然相對較少，但氣溫較低、蒸發量較小，土壤濕度相對很大，土壤濕度經常處于水分飽和狀態，在持續低溫條件下，有利于凍土的發育和形成，對黑龍江省凍土的發育、形成和分布有著重要影響。

3.3與云量和日照的關系全國云量分布總趨勢是南方多、北方少，沿海多內陸少。以年平均云量6成作為多云區與少云區的分界線，東北為少云區。全國日照由南向北增加，東北年日照時數2 400～3 000 h，一年內相對日照以秋冬季最多，夏季較少，大小興安嶺日照少于平原地區。云量和日照決定地面所接受的太陽輻射能量，從而影響到地面和土層溫度狀況。從全國范圍看，多年凍土區均為少云多日照區。夏季云量多，降水也多，日照少，蒸發耗熱大，從而減弱地面受熱程度；冬季云量少，相對日照較多些，但太陽總輻射較弱，加上雪蓋的反射率大，輻射平衡可能出現負值，有利于地面冷卻和土層的凍結。山區的云量較多，大小興安嶺山區云量比山區以外大1成以上，日照少5%～10%左右，這些特點對大小興安嶺山區氣溫和地溫的降低起促進作用，利于凍土的發育和分布。

3.4與積雪的關系我國永久積雪分布在西部山丘作用區，季節積雪有穩定積雪（連續維持1個月以上）和不穩定積雪（不足1個月）之分?？紤]到積雪年際變化較大，采用年積雪日數60 d為穩定積雪區與不穩定積雪區界限，黑龍江省和內蒙等地區屬于穩定積雪區，大興安嶺年平均積雪日數可達170 d以上，黑龍江省北部和東部為最大積雪深度帶，近30年最大積雪深度極端值達40～50 cm。在大興安嶺北部，初雪一般在9月中下旬～10月下旬后積雪厚度不斷加大，1、2月份厚度較穩定，到3月中旬或3月底前因降新雪，厚度可能加大，在此前積雪密度也是逐漸增大，4月份內積雪逐漸消失。經統計分析得知，冬季雪面溫度低于氣溫，這與白色雪蓋反射率大有關；11月～次年2月雪蓋下地面月平均溫度比無雪蓋處高出4.2～10.5 ℃，到3、4月份恰相反，有雪處地面溫度反比無雪處低1.5 ℃左右；雪蓋可減小月平均地面溫度較差，減少10～38 ℃不等?？梢?，雪蓋的隔熱性能很強，妨礙冬季地面散熱，從而使地溫升高，并減少地面溫度較差。當氣溫逐漸升高并轉至0 ℃以上，積雪繼續停留就會減緩土層升溫速度，雪的融化使地面溫度一段時間內保持在0 ℃，這使土層溫度降低。