大同市冻土气候变化初探

2024年1月1日发(作者：)

大同市冻土气候变化初探

乔金海;李效珍;钱锦霞

【摘 要】利用大同市所辖8个站1962 201 2年地面气象观测记录中的冻土资料,采用线性倾向估计、累积距平等方法,分析大同市土壤开始冻结期、完全解冻期、冻结期及最大冻土深度的变化特征及其影响因素.结果发现:51年中大同市冻土主要表现为最大冻土深度减小,开始冻结期推迟,解冻期提前,冻结持续期缩短的总体变化趋势,冻土除了受气温的影响外,局地因素对最大冻土深度的影响较大.

【期刊名称】《气象科技》

【年(卷),期】2015(043)004

【总页数】6页(P722-727)

【关键词】冻土;解冻;气候变化

【作 者】乔金海;李效珍;钱锦霞

【作者单位】山西省大同市气象局,大同037010;山西省大同市气象局,大同037010;山西省气象台,太原030006

【正文语种】中 文

引言

随着全球气温的升高，大同市气温也出现了升高的趋势，尤其是冬季气温升高幅度更为明显［1］，冻土的气候特征会随之发生相应的变化。气象学中冻土是指含有水分的土壤因地面温度下降到0℃或以下时而呈冻结的状态［2］。众所周知，土

壤冻结和解冻与农事活动、建筑业、道路设计、桥梁设计、铁路设计等有关。我国学者在研究冻土气候特征以及对相关行业的影响方面已做了大量的工作［3－9］，但有关山西的冻土研究甚少，对大同市冻土的研究尚属起步阶段。李秋平［10］指出“土壤冻土的时间越长，冻土的深度越深，则发生严重干旱的概率越低，反之则越高，土壤冻土的最大深度与冻土时间，在一定程度上可以作为发生严重干旱的一个相关指数”。大同属于干旱、半干旱区域，冻土属于季节性冻土，也是气候变化的敏感区，因此，有必要对大同的冻土做一个较为深入细致的分析，旨在寻求冻土变化的规律，以及影响冻土变化的因子，为今后开展与冻土有关的各类工程建设、农事活动、气候变化研究等提供科学依据，同时为冻土后期的预测预报提供参考。

1 研究区域概况和资料

大同市位于山西省最北部（图1），地处112°52′～113°31′E，39°53′～40°25′N，平均海拔在1000m以上。市区三面环山，测站位于盆地中；大同县测站位于盆地内，南北较远处为大山，东面距测站约3 km处为土梁，西面相对地势较平坦；阳高县、天镇县测站位于平川区，左云县测站位于西部山区，是8县区中海拔最高的一个站；浑源县测站南北有大山，东西地势较低，其山脉属恒山山脉，走向呈东北西南向；广灵县、灵丘县测站位于东南山区，灵丘县在8县区中海拔最低。山西省地形图、大同市地形图及市、县测站地理位置见表1。

图1 山西省地形（a）、大同市地形（b）

本文所用资料是大同市所辖8个站1962—2012年地面气象观测记录中的冻土资料，冻土的观测是根据埋入土中的冻土器内水结冰的部位和长度，来测定冻结层次及其上限和下限深度，冻土深度以“cm”为单位，取整数，小数四舍五入［2］；所用平均气温值为1981—2010年30年平均值。

表1 大同市测站基本地理信息及气象要素资料?

2 结果与分析

2.1 大同市土壤开始冻结、完全解冻、冻结期、最大冻土深度的多年平均状况、空间分布及其原因

从图2看出，土壤开始冻结早的地区，完全解冻相应的较晚一些。土壤开始冻结51年平均出现在10月25日，其中盆地、高海拔区冻结较早，平均出现在10月19日，大同县、浑源县较早，其余大部在10月25日后。土壤完全解冻51年平均出现在4月10日，其中，大部分地区在4月上旬解冻，只有左云，大同县和浑源在4月中旬解冻，一年中大约有5个半月土壤存在冻结层。

大同市土壤最大冻土深度介于99～138cm（图3a），平均冻土深度为117cm。最大冻土深度自东南向西北逐渐加深，全市除大同县、灵丘县平均冻土深度小于100cm以外，其余各县平均冻土深度均大于100cm，其中市区最大为138cm，大同县、灵丘最小为99cm。

大同市土壤平均冻结日数介于156～181天，平均冻结期为167天，（图3b），阳高冻结期最短为156天，大同县、浑源县最长为181天，冻结期最长与最短相差25天。

从以上分析可以看出，大同县、浑源县累年土壤开始冻结较早而解冻相应的较晚一些，相应的冻结期较长，因而浑源县冻结深度也较大，但大同县与浑源县不同的是，冻结日期较长，但冻土深度却是全市最浅。吴吉春［11］认为，局地因素对多年冻土影响显著，其中，地层含水量对浅层地温的年变化影响显著，直接控制多年冻土退化速度。牛兆君［12］认为粉质黏土较一般粉土、砂土的平均冻结温度低0.16℃。

大同县30cm以下多粉质黏土，地层含水量高，土壤在冻结、解冻过程中释放更多的热量，阻滞了地温的过快降低或恢复到初始温度，因而冻结期长而冻土深度浅，这与杨晓玲［13］在研究石羊河流域季节性冻土时的研究结果“沙性土层含水量小，冻结层浅”所悖。

2.2 大同市冻土年变化趋势及年代际变化趋势

2.2.1 年变化趋势

用线性趋势法分析了大同市冻土各要素的年变化趋势，从分析结果（表2）可以看出，土壤开始冻结年变化总体上呈推迟的趋势（本文规定推迟趋势为正，提前趋势为负），平均每10年推迟1.3天，就各地而言，其变化幅度有所不同，根据线性趋势回归方程［14］计算得知，广灵、浑源县推迟趋势明显，平均每10年推迟2天，并通过0.01显著性检验。

图2 大同市累年土壤开始冻结日期（a）、完全解冻日期（b）分布

图3 大同市1961—2012年平均最大冻土深度（a）和平均冻结日数（b）分布

表2 大同市土壤开始冻结、解冻、最大冻土深度、冻结日数变化趋势1 1.346土壤完全解冻（d/10a） －1.688 －4.033 －2.434 －1.921 －5.315 －1.845 －3.365 －2.235 －2.855最大冻土深度（cm/10a） －0.337 2.258 －5.444 －1.641 －2.194 6.724 1.720 3.612 0.015土壤冻结期（d/10a） －3.194 －6.141

－3.272 －3.751 －5.414 －3.019 －4.地名 市区 大同县 阳高 天镇 左云 浑源 广灵 灵丘 大同市土壤开始冻结（d/10a） 0.982 1.793 1.170 1.891 0.657 1.992

2.080 0.20 505 －1.885 －3.898

土壤完全解冻期年变化趋势总体上呈提前趋势，平均每10年提前2.9天，且土壤完全解冻的提前幅度大于开始冻结期的推迟幅度。就各地而言，其变化幅度有所不同，其中，左云变化最大，平均每10年提前5.3天，通过了0.001的显著性检验。

土壤冻结期年变化趋势总体上呈缩短趋势，平均每10年缩短3.9天，且通过了0.05的显著性检验。

2.2.2 年代际变化趋势

通过对大同市冻土各要素的年代际变化进行分析，结果（表3）表明：大同市土壤开始冻结期经历了推迟至略提前这样一个年代际变化；土壤完全解冻期经历了先推

迟后提前这样一个年代际变化，1990年代开始明显提前，土壤冻结日数1960年代到1980年代变化不大，而从1990年代后明显缩短，结合大同市冬季气温年代变化看（图4），1962年至今，大同市冬季平均气温整体上呈升高趋势，其线性趋势每10年升高0.42℃，这与冻土期总体上呈缩短趋势相一致。1960—1970年代冬季气温偏高，1980年代冬季气温明显偏低，1990年代至今冬季气温接近常年略偏低，冬季平均气温在1980年代发生了明显的转折，郭志梅等指出，中国北方地区在20世纪80年代中期发生了近50年来的一次较显著的变暖突变，而冻土各要素在80年代发生了明显的转折，与气温年代变化有较好的吻合［15－17］。

表3 大同市土壤冻结、解冻日期和冻结日数年代变化冻结日期（月－日） 解冻日期（月－日）60年代70年代80年代90年代2000—2012年60年代70年代80年代90年代2000—2012年冻结日数60年代70年代80年代90年代2000—2012年大 同 市 区 10－26 11－13 11－11 11－02 11－03 04－13 04－09 04－06 04－03 03－27 168 161 155 154 149大 同县 10－20 10－19 10－15 10－18 10－27 04－22 04－22 04－22 04－15 04－11 188 185 192 181

164阳 高 10－26 10－25 11－01 11－08 10－25 04－07 04－11 04－05 04－01 04－01 162 168 153 138 156天 镇 10－25 10－23 10－29 11－12 10－31

04－10 04－09 04－07 04－02 04－02 166 170 159 140 155左 云 10－19 10－24 10－24 10－30 10－23 04－19 04－26 04－16 04－04 04－03 180 188

171 159 162浑 源 10－14 10－17 10－21 10－23 10－21 04－20 04－20 04－16 04－12 04－17 190 185 179 175 179广 灵 10－21 10－26 10－23 10－26 10－28 04－13 04－16 04－10 04－02 03－31 178 174 171 160 156灵 邱

10－31 10－25 10－19 10－26 10－27 04－09 04－14 04－13 04－03 04－02 163 170 176 160 157大 同市 10－22 10－25 10－27 10－30 10－27 04－

14 04－16 04－12 04－05 04－04 174 175 170 158 160

图4 大同市冬季平均气温年变化趋势、年代际变化趋势

2.3 土壤最大冻土深度年变化趋势及影响因素

土壤最大冻结深度年变化趋势：大同市土壤最大冻结深度年变化总体上呈略加深趋势（本文规定冻土深度加深为正、变浅为负）。就各地而言，其变化趋势不一，有加深的地区，也有变浅的地区。其中，大同县、浑源县、广灵县、灵丘县冻结深度年变化呈加深趋势，市区、阳高县、天镇县、左云县冻结深度年变化呈变浅趋势，浑源县冻结深度平均每10年增加6.7cm，阳高县冻结深度平均每10年减小5.4cm。

采用累积距平法［14］分析大同市逐年累积距平变化（图5），可以看出，大同市最大冻土深度呈波动式变浅，转型期出现在00年代初，2000年以后有加深的趋势。从大同县、浑源、广灵、灵丘4县最大冻土深度逐年变化趋势看（图6），均呈波动式加深。进一步分析4县的冬季平均最低气温及降雪情况（图略）表明，四县的冬季平均最低气温亦呈升高趋势，但2000年后11月到次年1月的大降雪日数较其他县增多，而大同市冬季积雪为短暂性积雪。翁笃鸣［18］指出，雪被下面土壤表层的温度在很大程度上取决于初冬降雪的时间和初冬积雪的厚度。如果初冬降雪越晚且积雪厚度越浅，则因土壤在初冬迅速降温，其起始温度越低，以后土壤表面覆盖了雪或积雪厚度有所增加，也只能起缓和土温继续下降的作用，并不能使已降低了的土温升高，因而导致初冬以后雪被下面的土温显得很低。而大同县、浑源、广灵、灵丘县从00年代后，能形成积雪的大降雪日主要出现在了11月到次年1月，土壤在降雪时伴随着降温，而多次降雪、降温使已降低了的土温升高慢，导致深层土壤温度低，冻土加深。

图5 大同市最大冻土深度累积距平曲线

图6 大同县、浑源县、广灵县、灵丘县最大冻土深度逐年变化趋势

3 小结

（1）随着全球变暖，气温的升高，地温也升高，冻土深度也受到不同程度的影响。大同市土壤开始冻结日期呈推后趋势，土壤完全解冻日期呈提前趋势，且完全解冻日期提前幅度明显大于开始冻结期的推后幅度。大同市土壤冻结期呈缩短趋势，尤其是从90年代后明显缩短；大同市土壤最大冻土深度变化比较复杂，总体上略呈增加趋势。

（2）大同市冻土对气温的影响最敏感。而最大冻土深度除了受气温的影响外，地形、土质、降雪等局地因素影响更为明显。具体表现为大同县受盆地及喇叭口地形的影响，冷空气容易在盆地堆积，降温快，因此开始冻结早、解冻晚、冻结期长，而受土质（粉质黏土）的影响，虽然冻结时间长，但冻土深度浅。浑源县因其海拔较高，开始冻结早、解冻晚，冻土深度最大。同时，受降雪天气影响，大同县、浑源、广灵、灵丘四县冬季气温虽然呈升高趋势，但2000年后11月到次年1月的大降雪日数较其他县增多，导致深层土壤温度低，冻土加深。

（3）冻土的空间分布特点为，开始冻结西部早于东部，完全解冻东部早于西部，冻结日数西部大于东部，最大冻土深度自西、西南向东变浅。

（4）大同市冬季平均气温整体上呈升高趋势，其线性趋势为每10年升高0.42℃，冬季平均气温在1980年代发生了明显的转折，较其他年代明显偏低，相应的土壤解冻从1990年代开始明显提前，冻结期从1990年代开始明显缩短。

参考文献

［1］杨淑华，栗永忠，王和平，等.大同地区近50年来气温突变的诊断分析［J］.山西气象，2008，28（1）：18－19.

［2］中国气象局.地面气象观测规范 ［M］.北京气象出版社，2003.

［3］陈博，李建平.近50年来中国季节性冻土与短时冻土的时空变化特征［J］.大气科学，2008，32（3）：432－443.

［4］李元华，安月改.河北省冻土气候变化初探［J］.干旱区资源与环境，2005，19（6）：38－42.

［5］蒲金涌，王位泰，姚小英，等.甘肃陇东地区季节冻土变化对气候变暖的响应［J］.生态学杂志，2008，27（9）：1562－1566.

［6］刘小宁，李庆祥.我国最大冻土深度变化及初步解释［J］.应用气象学报，2003，14（3）：299－308.

［7］王澄海，董文杰，韦志刚.青藏高原季节性冻土年际变化的异常特征［J］.地理学报，2001，56（5）：523－531）.

［8］程慧艳，王根绪，王一博，等.黄河源区不同植被类型下季节冻土冻融过程中的土壤温湿空间变化［J］.兰州：兰州大学学报（自然科学版），2008，44（2）：15－21.

［9］Zhao Lin，Cheng Guodong，Ding s on frozen ground

of China［J］.Journal of Geographical Sciences，2004，14（4）：411－416.

［10］李秋平，张建国.土壤冻土变化与严重干旱发生概率［J］.科技创新与生产力，2013，（233）：61－63.

［11］吴吉春，盛煜，李静，等.疏勒河源区的多年冻土［J］.地理学报，2009，64（5）：571－581.

［12］牛兆君，张喜发，冷毅飞.大兴安岭多年冻土起始冻结温度测试研究［J］.低温建筑技术，2009，132（6）：86－87.

［13］杨晓玲，马中华，马玉山，等.石羊河流域季节性冻土的时空分布及对 气

温 变 化 的 响 应 ［J］.资 源 科 学，2013，35（10）：2104－2108.

［14］魏凤英.现代气候统计诊断预测技术［M］.北京：气象出版社，2007：37－40，43－44.

［15］郭志梅，缪启龙，李雄.中国北方地区近50年来气温变化特征及其突变性［J］.干旱区地理，2005，28（2）：176－182.

［16］曹雪梅，孙智辉，雷延鹏，等.近50年陕西黄土高原云量和气温年际变化［J］.气象科技，2010，38（3）：311－315.

［17］周海，尚可政，王式功，等.日喀则近53年气候变化特征分析［J］.气象科技，2011，39（2）：165－171.

［18］翁笃鸣.小气候和农田小气候［M］.北京：农业出版社，1981：167－169.