東北地區凍土的時空變化特征

晁華 王當 龔強

摘要 ? ?本文收集并整理了東北地區143個氣象站有凍土觀測記錄以來的凍土數據資料，分析了東北地區凍土深度的時空變化及其分布特征。結果表明，東北地區凍土深度表現為隨緯度升高而遞增，即緯度越高凍土越深。從各年代100 cm和150 cm凍深線來看，凍土呈明顯變淺趨勢，且越高緯凍土退化越為嚴重。在氣候變暖的情況下，20世紀70年出現極端最大凍土深度的氣象站最多，90年代沒有氣象站出現極端最大凍土，21世紀00年代、10年代仍有極端最大凍結深度出現，且10年代較00年代出現的站點偏多，說明即使氣候變暖但是極端情況仍然出現，且可能有愈加嚴重趨勢。平均氣溫與最大凍土深度變化存在明顯的負相關，即隨著氣候變暖，凍土期縮短、凍土初日推遲、翌年凍土消融日提前的現象。東北地區除黑龍江最北端為多年凍土區外，其余地區均為季節性凍土區。

關鍵詞 ? ?最大凍土深度;凍土期;凍深線;初終日;消融日;東北地區

中圖分類號 ? ?P642.4;P423.3 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2019）18-0144-04 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

凍土具有獨特的水熱特性，因而成為了地球陸地表面過程中一個非常重要的因子[1]。季節性凍土區凍結和融化層在土壤溫度年變化層的上部，更接近地表，對氣候變化更為敏感，反應更加迅速，是氣候變化的敏感指示器[2]。張森琦等[3]基于黃河源區多年凍土退化引起的生態環境地質問題與效應的實際資料，明確了凍漲-融沉地質作用會影響工程建筑的穩定性，是凍土區工程地質問題的主要起因。吳青柏等[4]研究指出，氣候變化和工程活動引起多年凍土溫度升高、活動層厚度增加、地下冰融化，導致路基工程穩定性變化。近年來，一些學者在東北地區凍土特征研究方面已做了大量的研究工作[5-7]，并取得了許多成果。為更全面地了解東北地區凍土特征及其近年的變化情況，及時了解凍土變化狀況對相關工程建設施工的影響，本文利用東北地區最新觀測資料，分析了東北地區凍土的時空變化特征及其在東北地區的分布情況，從而更好地為東北地區相關工程的凍土設計提供參考。

1 ? ?資料與方法

利用東北地區相對完整的143個國家氣象站逐日凍土深度觀測資料進行分析研究。其中，最早的凍土觀測起始于1955年，其余各站均在1955—2003年間陸續開始有凍土觀測，站點情況詳見圖1。凍土深度數據采用凍土觀測的下界深度，以“cm”為單位。

為了解凍土的長期變化趨勢，本文采用線性傾向估計[8]、距平、基于ArcGIS的反距離權重插值法以及相關統計學方法，對東北地區凍土的時空變化特征及其分布情況進行了分析。

2 ? ?結果與分析

2.1 ? ?最大凍土深度空間分布特征

從東北地區143個氣象站有凍土觀測以來的極端最大凍土深度分布（圖2）看，等深線具有緯向特征，160 cm等深線位于北緯43°附近，220 cm等深線位于北緯46°附近，南壓4～5個緯度。黑龍江省大部分區域極端最大凍土深度大于200 cm，漠河最深達到400 cm;吉林省極端最大凍土深度為140～250 cm，最北部的白城最深（250 cm）;遼寧省極端最大凍土深度在200 cm以下，遼東北部和遼西北地區的最大凍土深度超過140 cm，最大值出現在本溪縣（200 cm），最小值出現在遼南的旅順（80 cm）。

2.2 ? ?極端凍結深度出現時間的年代特征

對143個氣象站有凍土深度觀測以來出現的極端最大凍結深度的出現時間按年代進行統計（圖3）。可以發現，20世紀50年代有3個氣象站出現60余年來的極端最大凍結深度，36個氣象站出現在20世紀60年代，53個氣象站出現在20世紀70年代，31個氣象站出現在80年代，20世紀90年代沒有出現，6個氣象站出現在21世紀00年代，14個站出現在21世紀10年代。各年代出現站數的多少雖與各站數據起始年代有關（20世紀50年代與60年代站點較少，尤以50年代站點最少），但也反映出20世紀70年代出現極端最大凍結深度最多，20世紀90年代凍土較淺，未出現過極端最深情況。氣候變暖情況下，21世紀00年代、10年代仍有極端最大凍結深度出現，且21世紀10年代較00年代出現的站點偏多，說明即使氣候變暖但是極端情況仍然出現，且可能有更加嚴重的趨勢。

2.3 ? ?凍土分布的季節特征

由圖4可知，東北地區的土壤一般從秋季的10月開始凍結。隨著夏季風的南撤，冷空氣開始入侵，東北地區從北部率先開始凍結，凍結深度不超過30 cm;到11月，凍土的凍結面積顯著增加，東北全區均出現凍土。

隨著冬季的到來，凍土的深度顯著增加。12月凍土的凍結深度有所加深，至此，隨著冷空氣不斷侵入，氣溫不斷下降，凍土深度也在不斷加深。到翌年2月，南部靠海地區的凍土深度已經達到了一年中的最大值，從3月開始凍土深度呈減小的趨勢;往北部地區分別依次為3月、4月的凍土深度為一年中的最大值，即越往北最大凍土深度出現的時間越靠后。在3月和4月北部地區凍土在加深的同時，南部地區的凍土已經開始逐漸消融。

從3月開始，隨著氣溫的逐漸回升，凍土自南向北開始逐漸消退。春季，凍土主要表現為在凍結范圍大面積縮小的同時，伴隨著凍結深度變淺。南部地區凍土的消融速度較快，北部地區的消融速度較為緩慢。6月遼寧省無凍土，7月吉林省無凍土，而黑龍江省的北端則終年存在凍土。

2.4 ? ?凍土初終日及其凍結期特征

東北地區年內存在較長的凍土期，從1981—2010年數據來看，如圖5所示，凍土期日數基本從南向北遞增，為97～290 d，即凍土期從南到北長達3～10個月。其中，遼寧省的凍土期為5個月左右，吉林省為6個月左右，黑龍江省南部和中部地區為7個月左右，北部地區為8～10個月。

從凍土初終日期看（圖6），土壤開始凍結的日期由北向南逐漸推遲，消融日由南向北逐漸推遲。黑龍江省北部地區凍結較早，基本在9月底和10月上旬，最早出現在9月29日的塔河氣象站;吉林省、黑龍江省中部和南部的大部分地區平均凍結初日基本出現在10月;遼寧省除東部和北部部分地區出現在10月下旬以外，其余地區基本出現在11月，大連沿海地區凍結較晚，平均凍結初日在11月中、下旬，最晚出現在11月30日。遼寧沿海地區凍土消融較早，平均消融日在3月，最早出現在3月6日，遼寧省其余地區和吉林省南部、西南部地區平均消融日出現在4月，遼寧地區凍土的初、終日變化特征與晁 ?華等[5]的研究結論一致;吉林省其他地區和黑龍江省南部地區出現在5月;黑龍江省中部和北部地區的凍土基本均在6月消融，最北端的塔河氣象站則在7月15日左右才全部消融。

2.5 ? ?凍土期變化特征

從1961—2016年季節性凍土區觀測數據來看（圖7），東北地區凍土平均初日明顯推遲，推遲速率為1.9 d/10 a。凍土平均終日明顯提前，提前速率為3.3 d/10 a。凍土期平均日數為減少趨勢，減少速率為5.2 d/10 a。可見，東北地區隨著氣候變暖，凍土期表現為縮短，凍土初日推遲，翌年凍土消融日提前。

另外，可以發現，凍土初日呈現穩定推遲趨勢，但凍土終日和凍土期日數在1988年前后存在突變，即前期在平均線以上較為穩定的下滑趨勢（為穩定提前和減少狀態），后期則在低于平均線以下呈現相對穩定的年際波動，趨勢性不明顯，突變時間與年最大凍結深度由深變淺的突變點吻合，說明凍土凍結程度在氣候變暖背景下不僅僅體現在凍深的變化，還體現在凍土初日、終日、凍土期長度的變化。

2.6 ? ?凍深線變化特征

從各年代100 cm凍深線演變看（圖8），6個年代凍深線存在著明顯的北撤趨勢，即存在凍土退化趨勢。20世紀60年代、70年代凍深線位于最南端;80年代較60年代、70年代進一步向北退縮，其中遼西部地區向北退縮較為明顯;90年代向北退縮幅度較大，在6個年代中最為顯著;21世紀00年代和21世紀10年代凍深線在遼寧地區有明顯的南移，兩者在遼寧地區基本重合，但在吉林地區10年代有明顯的北退，在6個年代中處于最北端。整體看來，東北地區凍深線北退，21世紀90年代是凍深線北退顯著期，進入21世紀以來凍深線北退趨緩，與氣候變暖趨緩現象一致，150 cm凍深線演變基本與100 cm凍深線一致北退，但幅度整體大于100 cm凍深線，21世紀10年代較21世紀60年代北退3～4個緯度，21世紀90年代北退幅度最大，21世紀00年代略向南進。總體上看，緯度越高凍土退化越嚴重。

2.7 ? ?最大凍結深度與氣溫的關系特征

采用128個氣象站1967—2016年歷年12月至翌年3月氣溫變化統計結果和1967—2016年季節凍土最大凍結深度監測結果（圖9）顯示，東北區域平均氣溫以每10年升高0.4 ℃的速度呈變暖趨勢，平均最大凍結深度呈明顯變淺的趨勢，平均每10年變淺7.0 cm。最大凍結深度具有明顯的階段性特征，1988年以前為凍結深度較大期，之后基本持續小于1981—2010年的平均值。平均氣溫與最大凍土深度變化存在明顯的負相關，區域氣溫在不斷升高，而凍土深度則隨之逐漸減小，這與實際情況一致，即氣溫越高凍土層越淺。

東北地區109個氣象站點季節凍土最大凍結深度監測結果顯示（圖10），1961—2017年平均最大凍結深度呈明顯變淺趨勢，平均每10年變淺5.9 cm。最大凍結深度具有明顯的階段性特征，1988年以前為凍結深度較大期，之后基本持續小于1981—2010年的平均值。2017年東北地區季節凍土區域平均最大凍結深度較1981—2010年平均值偏淺18.5 cm，為1961年以來的第二小值，位列2014年（-20.8 cm）之后。

上述分析可見，東北地區凍土深度在氣候變暖背景下呈明顯變淺趨勢，距平波動大于氣溫，1988年是明顯的由深變淺的突變點，突變時間與氣溫突變時間基本一致。

3 ? ?結論與討論

本文通過對東北地區143個氣象站逐日凍土深度觀測資料的整理，分析了東北地區凍土的時空變化和分布特征。結果表明，東北地區凍土深度基本表現為隨緯度升高而遞增的趨勢，即由南向北依次加深，其中遼南的旅順地區最淺，黑龍江北部的漠河地區最深。東北地區的土壤從10月開始凍結，隨著氣溫不斷下降，凍土深度也不斷加深，到翌年3月凍土由南向北開始逐漸消退，6月遼寧省無凍土，7月吉林省無凍土，而黑龍江省北端則終年存在凍土。東北地區除黑龍江最北端為多年凍土區外，其余地區均為季節性凍土區。

東北地區凍土期表現為縮短，凍土期平均日數減少速率為5.2 d/10 a;凍土初日推遲，平均以1.9 d/10 a的速率推遲;翌年凍土消融日提前，平均以3.3 d/10 a的速率提前。與凍結深度一致，凍土終日和凍土期日數也在1988年前后存在突變。

東北地區各年代100、150 cm凍深線明顯北撤，20世紀90年代向北退縮幅度最大，進入21世紀以來凍深線北退趨緩，與氣候變暖趨緩現象一致。值得注意的是，在氣候變暖的情況下，21世紀00年代、10年代仍有極端最大凍結深度出現，且10年代較00年代出現的站點偏多，說明即使氣候變暖但極端情況仍然出現，且可能呈愈加嚴重趨勢。

東北地區凍土深度在氣候變暖背景下，呈明顯變淺趨勢，平均氣溫與最大凍土深度變化存在明顯的負相關，區域氣溫在不斷升高，而凍土深度則隨之逐漸減小，這與實際情況一致，即氣溫越高凍土層越淺。

應注意，地下工程的埋深在考慮經濟條件的基礎上，也要考慮氣候變暖會導致極端低溫事件發生的現實性。凍土變化可對工程建設、農業和生態環境、城市工程地質、氣候造成影響。

4 ? ?參考文獻

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