吉林省季节冻土区年冻融指数的时空变化特征
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Spatiotemporal changes of annual freezing/thawing index of seasonally frozen soil in Jilin Province
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通讯作者:
编委: 庞瑜
收稿日期: 2018-06-11 修回日期: 2018-12-12
基金资助: |
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Received: 2018-06-11 Revised: 2018-12-12
作者简介 About authors
任景全(1988-),男,内蒙古赤峰人,工程师,2013年在南京信息工程大学获硕士学位,从事农业气象方向研究.E-mail:
关键词:
Keywords:
本文引用格式
任景全, 刘玉汐, 王冬妮, 王亮, 孙月, 郭春明, 李琪.
REN Jingquan, LIU Yuxi, WANG Dongni, WANG Liang, SUN Yue, GUO Chunming, LI Qi.
0 引言
政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告指出, 1880 - 2012年, 全球平均地表温度升高了0.85 ℃[1]。《第三次气候变化国家评估报告》[2]指出, 1909年以来中国的变暖速率高于全球平均值, 在0.9 ~ 1.5 ℃·(100a)-1之间。在气候变暖背景下, 冻土也发生着显著的变化。1967 - 2012年中国季节冻土冻结深度以(-0.18 ± 0.03) cm·a-1的速率下降[3]。1956 - 2006年中国地表冻结初日以(0.10 ± 0.03) d·a-1的速率推迟, 冻结终日以(0.15 ± 0.02) d·a-1的速率提前[4]。冻融指数作为研究冻土变化的重要因子, 对研究气候变化也具有重要意义。Frauenfeld等[5]研究表明, 21世纪北美、 加拿大和阿拉斯加多年冻土区冻结指数下降, 沿海地区和加拿大东部融化指数显著上升。我国学者[6-8]对青藏高原地区和青藏铁路路基、 沿线冻融指数进行了较为全面的研究。Wu等[9]研究表明, 青藏高原多年冻土区冻结指数下降速率高于季节冻土区, 融化指数上升速率低于季节冻土区。Luo等[10]研究表明, 1972 - 2005年东北多年冻土区地表冻结指数和空气冻结指数显著下降, 地表融化指数和空气融化指数显著上升。代海燕等[11]研究表明, 内蒙古大兴安岭林区融化指数呈显著上升变化, 冻结指数变化不显著。总体而言, 我国对冻融指数研究区域主要集中在青藏高原和东北多年冻土区, 针对东北季节性冻土区冻融指数的长序列研究还较少。
吉林省冻土分布主要以季节冻土为主, 冻土冻结深度、 分布及冻融过程等对全省的农业生产、 生态环境保护、 工程建设等具有重要意义。鉴于此, 本文基于吉林省46个气象站的数据对年空气冻融指数和地表冻融指数进行定量研究, 分析比较空气冻融指数和地表冻融指数的时空变化特征, 以期为吉林省冻土和气候变化的研究提供数据支撑。
1 资料与方法
1.1 资料来源
本文使用气象数据为1961 - 2015年吉林省46个气象站的逐日地表温度、 平均气温等数据, 地理属性数据包括各气象站的经度、 纬度和海拔, 数据均来源于吉林省气象局。吉林省气象站点分布见图1。
图1
图1
吉林省气象站点分布
Fig.1
Spatial distribution of meteorological station in Jilin Province
1.2 研究方法
1.2.1 时空变化分析
采用线性倾向估计方法研究冻融指数的时间变化趋势, 确定气候倾向率。基于ArcGIS 10.0数据处理平台的IDW(Inversed Distance Weighted Method)方法表达冻融指数的空间变化特征。采用线性回归分析研究冻融指数与地理因子的关系。
1.2.2 突变分析
在原序列的随机独立等的假设下, 均值、 方差分别为:
满足标准正太分布, 其概率
式中: S/N为信噪比;
1.2.3 异常气候分析
1.2.4 未来变化趋势分析
采用重标极差法(R/S分析)计算Hurst指数(H)探讨冻融指数的未来变化趋势[18-20]。重标极差法(R/S分析)是研究非线性时间序列分析法, 它在对时间序列长程相关(反相关)持续性(反持续性)的判别方面, 具有独特优势, 能很好地预测未来变化趋势。R/S分析方法中的Hurst指数(0<H≤1.0)能很好地揭示出时间序列中的趋势成分。当H = 0.5时, 表明气候要素完全独立, 气候变化是随机的。当0.5<H≤1.0时, 表明时间序列具有长期相关的特征, 过程具有持续性。反应在气候指标上, 则表明未来的气候整体变化将与过去的变化趋势一致, H值越接近1, 持续性越强。当0≤H<0.5时, 表明时间序列具有长期相关性, 但未来的趋势与过去正好相反, H值越接近于0, 反持续性就越强。
1.3 冻融指数的计算
冻融指数分为地表冻融指数和空气冻融指数, 由逐日观测的温度数据计算得出。在本文中指定冻结指数计算的时间为每年的7月1日 - 翌年的6月30日, 融化指数计算时间为每年的1月1日 - 12月31日。冻融指数的计算公式为:
式中: FI为冻结指数; TI为融化指数; Ti 为第i日的温度, 单位为℃; NF 为年内温度小于0 ℃的日数, 单位为d; NT 为年内温度大于0 ℃的日数, 单位为d。
2 结果与分析
2.1 冻融指数的空间变化
2.1.1 冻融指数平均值的空间分布
吉林省各站点冻融指数多年平均值的空间分布特征见图2, 由图可知, AFI(空气冻结指数)和SFI(地表冻结指数)在空间分布上比较一致, 除东北部外, 主要呈由北向南逐渐减小的趋势分布特征。AFI最大值位于扶余站, 为1 711.5 ℃·d, 珲春和集安站较小, 分别为962.1 ℃·d和1 022.7 ℃·d。SFI最大值位于长白站, 为1 621.9 ℃·d, 珲春和集安站较小, 分别为942.7 ℃·d和964.6 ℃·d。ATI(空气融化指数)和STI(地表融化指数)具有一致的空间分布特征, 均呈由西向东逐渐减小的趋势分布。ATI最大值位于四平站, 为3 692.0 ℃·d, 最小值位于长白站, 为2 644.8 ℃·d。STI较大值位于集安和前郭尔罗斯站, 分别为4 353.3 ℃·d和4 297.3 ℃·d, 最小值位于东岗站, 为3 222.5 ℃·d。冻融指数呈现的空间分布特征与温度的分布具有一致性, 而地理因子是影响温度的重要因素。吉林省自西向东由平原向丘陵山地过渡, 海拔逐渐升高。冬季气温和地表温度主要为负值, 由北向南逐渐升高, 导致冻结指数由北向南逐渐降低, 与纬度关系密切。春、 夏、 秋季气温和地表温度主要为正值, 由西向东逐渐降低, 导致融化指数由西向东逐渐降低, 这与海拔关系密切。
图2
图2
吉林省冻融指数的空间分布
Fig.2
Spatial distribution of freezing/thawing index in Jilin Province
2.1.2 冻融指数气候倾向率的空间分布
吉林省各站点冻融指数气候倾向率空间分布特征见图3, 由图可知, AFI气候倾向率介于-87.9 ~ -6.5 ℃·d·(10a)-1, 其中, 85%的站点通过了0.05的显著性水平检验, 农安站最大, 二道站最小。SFI气候倾向率自西向东呈“高-低-高”的趋势分布, 全部站点通过了0.01的显著性水平检验, 其中, 东岗站最小, 为-313.5 ℃·d·(10a)-1。ATI气候倾向率自西向东逐渐降低, 全部站点通过了0.05的显著性水平检验, 最大值位于松原站, 为87.0 ℃·d·(10a)-1。STI气候倾向率介于19.4 ~ 145.2 ℃·d·(10a)-1, 桦甸站最小, 长白站最大, 其中, 98%的站点通过了0.01显著性水平的检验。可知, 各站冻结指数气候倾向率均为负值, 融化指数气候倾向率均为正值, 即冻结指数均呈下降趋势, 融化指数呈上升趋势, 但各站气候倾向率存在差异, 主要与其站点位置、 气候环境有关。
图3
图3
吉林省冻融指数气候倾向率的空间分布
Fig.3
Spatial distribution of climate tendency rate of freezing/thawing index in Jilin Province
2.2 冻融指数的时间变化
吉林省冻融指数的时间变化见图4, 由图可知, 1961 - 2015年冻结指数均呈显著下降趋势, AFI和SFI气候倾向率分别为-48.7 ℃·d·(10a)-1和-166.8 ℃·d·(10a)-1, 均通过了0.01显著性水平检验, 变化范围分别为1 077.7 ~ 1 938.7 ℃·d和529.3 ~ 1 991.7 ℃·d。从年代际变化看, AFI从20世纪60年代开始逐渐下降, 在2011 - 2015年转为上升趋势, 而SFI表现为逐年代下降的趋势, 在2011 - 2015年达到最低值, 为720.0 ℃·d。ATI和STI分别以57.0 ℃·d·(10a)-1和93.7 ℃·d·(10a)-1的气候倾向率显著上升, 均通过了0.01显著性水平检验, 变化范围分别为3 076.4 ~ 3 682.7 ℃·d和3 561.6 ~ 4 412.9 ℃·d。ATI和STI均在20世纪70年代最低, 分别为3 220.7 ℃·d和3 771.5 ℃·d, 之后逐年代上升。冻融指数的变化趋势是由同期温度的变化趋势引起的, 与温度的上升趋势有直接关系。AFI在2011 - 2015年转为上升, 而SFI则持续下降, 这可能是由于2011年和2012年吉林省冬季气温偏低, 即气温绝对值偏大, 导致2011年和2012年空气冻结指数偏大, 使得2011 - 2015年平均值偏高, 而地表温度持续上升, 绝对值偏小, 即地表冻结指数持续下降。
图4
2.3 冻融指数的突变特征
吉林省冻融指数的突变分析结果见图5, 由图5(a)可知, AFI的UF和UB两条曲线在临界线内有两个交点, 分别为1975年和1978年, 分别计算两年的S/N值, 两者均小于1.0, 表明AFI没有发生突变。SFI的UF和UB两条曲线在临界线外相交于2001年, 无法判断是不是突变点, 进一步计算S/N值, 其值大于1.0, 认为SFI在2001年发生了突变, 突变后降低了608.5 ℃·d。同理可知, ATI在1994年发生了突变, 突变后升高了206.5 ℃·d, STI突变年份为1997年, 突变后上升了334.8 ℃·d。可知, 冻融指数发生了显著变化, 突变的节点基本在20世纪90年代末, 突变后冻结指数降低, 融化指数上升。也说明气候正在发生着显著的变化。
图5
图5
吉林省冻融指数的Mann-Kendall检验曲线
Fig.5
The Mann-Kendall test results of freezing/thawing index in Jilin Province
2.4 冻融指数的异常气候特征
吉林省冻融指数的异常气候特征分析结果见表1, 由表可知, 冻融指数具有显著的异常气候特征, 在20世纪60年代和70年代冻结指数异常偏高, 融化指数异常偏低, 直接原因是由于20世纪60年代、 70年代的平均气温和地表温度相对于基准值均偏低。从2010年以来, SFI表现为异常偏低, 这与2010年以来地表温度, 特别是冬季地表温度大幅上升有关。STI在2014年为异常偏高也说明了这一点。异常气候特征分析的结果与突变特征具有一致性。
表1 吉林省冻融指数的异常气候特征分析
Table 1
冻融指数 | 异常气候年份 |
---|---|
AFI | 1967+, 1969+, 1976+, 2000+, |
SFI | 1967+, 1969+, 1976+, 2000+, 2010-, 2012-, 2013-, 2015- |
ATI | 1969-, 1972-, 1974-, 1976-, 1986-, 1998+, |
STI | 1969-, 1976-, 2014+ |
2.5 冻融指数的未来变化趋势分析
用R/S法分析吉林省年冻融指数的Hurst指数, 基于年冻融指数的历史变化情况, 预估其未来冻融指数的变化趋势。由表2可知, 吉林省冻融指数的H值均大于0.5, 说明存在比较明显的Hurst现象, 表明吉林省年冻融指数的过去变化趋势在未来整体上依然延续下去, 即冻结指数延续过去的下降趋势, 融化指数延续过去的上升趋势。温度变化直接决定冻融指数的变化, 由于吉林省气温和地表温度呈上升趋势, 导致融化指数也为上升趋势。冻结指数由低于0 ℃的气温和地温计算而来, 随着温度上升, 即气温和地表温度绝对值减小, 导致冻结指数下降。
表2 吉林省冻融指数的H值
Table 2
冻融指数 | H值 |
---|---|
AFI | 0.9 |
SFI | 0.9 |
ATI | 1.0 |
STI | 1.0 |
2.6 冻融指数与经度、 纬度、 海拔的关系
吉林省冻融指数与经度、 纬度、 海拔的关系见表3, 由表可知, 冻结指数随着海拔、 纬度的升高而显著上升, 从标准化回归系数看, 纬度对冻结指数的影响最大。融化指数随着海拔、 纬度、 经度的升高而显著下降, 其中, 海拔的影响最大, 这与融化指数在吉林省的空间分布特征一致。从冻融指数气候倾向率与地理因子关系看, 冻结指数气候倾向率随着海拔的升高而上升, 其中, SFIt通过了0.01水平的显著性水平检验, 说明海拔较高的站点, 冻结指数上升幅度更大, 这与冻结指数气候倾向率的空间分布一致。融化指数倾向率与纬度关系更为密切, 随着纬度的升高而上升。
表3 吉林省冻融指数与经度、 纬度、 海拔的多元线性回归标准化系数
Table 3
项目 | AFI | SFI | ATI | STI | AFIt | SFIt | ATIt | STIt |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
海拔 | 0.864** | 0.879** | -0.818** | -0.871** | 0.248 | 0.540** | 0.135 | 0.168 |
纬度 | 0.912** | 1.112** | -0.395** | -0.252* | -0.132 | -0.223 | 0.456** | 0.262 |
经度 | -0.079 | -0.024 | -0.566** | -0.284** | -0.172 | -0.065 | -0.286 | 0.018 |
3 讨论与结论
3.1 讨论
在气候变暖背景下, 吉林省冻结指数显著下降, 融化指数显著上升, 这与吉林省近年来气温升高有很大关系。从20世纪70年代开始, 吉林省平均气温逐渐上升[21]。1961 - 2004年在北半球中纬度地区, 吉林省是农业生长季(5 - 9月)平均温度上升趋势最显著的地区[22]。1960 - 2004年松花江流域年最大冻土深度呈明显下降趋势, 而年均气温呈显著升高趋势[23]。这与本研究所揭示的冻结指数下降, 融化指数上升的结果比较一致。空气冻结指数在2011 - 2015年转为上升, 而地表冻结指数则持续下降, 直接原因是气温和地表温度变化差异造成, 进一步分析其原因, 2004年气象站全面由人工观测改为自动站观测, 积雪天气时人工观测的地面温度为雪面温度, 自动气象站观测的地面温度为雪下温度, 由于积雪有保温性能, 导致近年地表温度持续升高[24], 所以, 导致冻融指数的变化差异既有气候变化本身的原因, 也有观测方式改变导致的原因。
曹斌等[25]研究表明, 黑河流域冻结指数呈明显的下降趋势, 融化指数呈上升趋势, 这与本文的研究结论一致, 但黑河流域地表冻结指数下降速率较空气冻结指数要慢, 与本文有所不同。本研究认为吉林省地表冻结指数下降速率比空气冻结指数要快, 主要原因是吉林省观测的地表温度上升趋势显著, 导致地表冻结指数下降速率快, 地理环境、 气候条件、 数据观测方式等也是造成差异的重要因素。
本文基于多年观测数据, 研究了吉林省季节冻土区冻融指数的时空变化特征, 不仅有助于掌握季节性冻土的变化特征, 还对温室气体排放、 湿地和森林生态、 地质灾害和寒区工程建设有重要的意义。本文也存在不足之处, 所使用数据为站点观测数据, 空间分辨率和精细化程度较低; 仅分析了气候变化和地理因素对冻融指数的影响, 没有考虑其他影响因素。所以, 在今后的研究中, 要加强冻土区环境数据的监测, 提高精细化程度, 更好地做出评价和预警, 及时制定相应的适应性对策。影响冻融指数的因素众多, 如何定量评价影响冻融指数的影响因子, 揭示其影响机制, 也是今后关注的重要方面。
3.2 结论
(1)吉林省冻结指数基本呈由北向南逐渐减小, 融化指数呈由西向东逐渐减小的分布特征。1961 - 2015年冻结指数呈显著下降趋势, AFI和SFI气候倾向率分别为-48.7 ℃·d·(10a)-1和-166.8 ℃·d·(10a)-1, 融化指数呈显著上升趋势, ATI和STI气候倾向率分别为57.0 ℃·d·(10a)-1和93.7 ℃·d·(10a)-1。
(2)吉林省SFI在2001年发生突变, 突变后降低了608.5 ℃·d, ATI和STI突变年份分别为1994年和1997年, 突变后分别升高了206.5 ℃·d和334.8 ℃·d。20世纪60年代和70年代冻结指数异常偏高, 融化指数异常偏低, 从2010年以来, SFI表现为异常偏低。吉林省未来冻结指数为下降趋势, 融化指数为上升趋势。
(3)吉林省冻结指数随着海拔、 纬度的升高而显著上升, 纬度对冻结指数的影响最大。融化指数随着海拔、 纬度、 经度的升高而显著下降, 海拔的影响最大。冻结指数气候倾向率随着海拔的升高而上升, 融化指数气候倾向率随着纬度的升高而上升。
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