1977 - 2017年雅江流域中下游大气/地面冻融指数时空变化特征

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2019.0048

1977 - 2017年雅江流域中下游大气/地面冻融指数时空变化特征

刘磊^,¹^,², 罗栋梁^,¹

1.中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州 730000

2.中国科学院大学，北京 100049

Spatial and temporal characteristics of air/ground freezing and thawing index in the middle and lower reaches of the Yarlung Zangbo River during 1977 - 2017

LIU Lei^,¹^,², LUO Dongliang^,¹

1.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

通讯作者: 罗栋梁，研究员，从事冻土环境与全球变化研究. E-mail： luodongliang@lzb.ac.cn.

编委: 周成林

收稿日期: 2018-10-28 修回日期: 2019-04-20

基金资助:

国家自然科学基金项目. 91747201. 41671060
冻土工程国家重点实验室自主研究项目. SKLFSE-ZT-38

Received: 2018-10-28 Revised: 2019-04-20

作者简介 About authors

刘磊（1995-），男，江西吉安人，2018年在赣南师范大学获学士学位，现为中国科学院西北生态环境资源研究院在读硕士研究生，从事冻土与寒区环境研究.E-mail：liulei18@mails.ucas.ac.cn , E-mail：liulei18@mails.ucas.ac.cn

摘要

冻结指数是某个地区冻结期长短和严寒程度的综合表征，融化指数是某个地区融化期长短及正积温高低的综合度量，冻融指数也是计算活动层厚度和季节冻结深度的关键参数，并可用于多年冻土分布预报。利用雅鲁藏布江（雅江）流域中下游11个气象站点的逐日气温、地面温度数据计算了1977 - 2017年大气及地面冻融指数，并分析其时空变化趋势。结果表明：雅江流域中下游近40年来冻结指数呈显著下降趋势，大气冻结指数、地面冻结指数、大气融化指数、地面融化指数多年变化范围分别为208.4 ~ 508.0、 136.9 ~ 371.0、 2 171.8 ~ 2 499.8、 3 350.2 ~ 4 315.2 ℃·d；其气候倾斜率分别为-36.6、 -48.7、 90.7、 115.8 ℃·d·（10a）^-1。雅江流域大气和地面冻结指数以海拔4 488.8 m的嘉黎最大，海拔2 991.9 m的林芝最小；大气和地面融化指数则以海拔3 560 m的泽当最大，海拔4 488.8 m的嘉黎最小。流域内大气负温日数变化规律与地面负温日数变化趋势基本一致，其气候倾向率分别是-6.28 d·（10a）^-1和-5.57 d·（10a）^-1。研究结果可为雅江流域冻土预报，冻融作用所形成的冰缘地貌研究及其引发的地质灾害如冻融滑塌、冻融泥流等灾害的监测与预防提供借鉴。

关键词： 青藏高原 ; 雅鲁藏布江流域 ; 大气冻/融指数 ; 地面冻/融指数

Abstract

Freezing index is a comprehensive representation of the length and cold severity of winter， and the thawing index is the length and >0 ℃ accumulated temperature of the thawing season in a certain region. The freezing/thawing index are key parameters to calculate the thickness of active layer and the seasonal soil freezing depth， and it can be used in prediction of the permafrost distribution. In this study， the air and ground freezing/thawing indices and their spatial and temporal variation trends from 1977 to 2017 in the middle and lower reaches of the Yarlung Zangbo River Basin （YZRB） were calculated and analyzed on the basis of the daily air and ground surface temperatures obtained from 11 national meteorological stations. Results showed dramatic changes of freezing/thawing indices in the middle and lower reaches of the YZRB over the past four decades. The air freezing index， ground surface freezing index， air thawing index， and ground surface thawing index ranged from 208.4 ℃·d to 508.0 ℃·d， and from 136.9 ℃·d to 371.0 ℃·d， and from 2 171.8 ℃·d to 2 499.8 ℃·d， and from 3 350.2 ℃·d to 4 315.2 ℃·d respectively， with a climate tendency rate of -36.6， -48.7， 90.7 and 115.8 ℃·d·（10a）^-1， respectively. Both the air and ground surface freezing indices of this study area were highest at Jiali Station with an altitude of 4 488.8 m， and lowest at Linzhi Station with an altitude of 2 991.9 m. The air and ground surface thawing indices were highest at Zedang Station with an altitude of 3 560 m， and lowest at Jiali Station with an altitude of 4 488.8 m. The days with negative air temperature within a year decreased at a rate of -6.28 d·（10a）^-1， and the changes of the days with negative ground surface temperature within a year showed similar trend ［-5.57 d·（10a）^-1］. The periglacial landforms， which is formed under the presence of the freezing-thawing cycles could provide a reference for the monitoring and prevention of geological disasters， such as thawing slumps and solifluctions， are worthy of great attentions in future studies.

Keywords： Qinghai-Tibet Plateau ; Yarlung Zangbo River Basin ; air freezing/thawing index ; ground surface freezing/thawing index

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本文引用格式

刘磊, 罗栋梁. 1977 - 2017年雅江流域中下游大气/地面冻融指数时空变化特征[J]. 冰川冻土, 2020, 42(3): 812-822 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2019.0048

LIU Lei, LUO Dongliang. Spatial and temporal characteristics of air/ground freezing and thawing index in the middle and lower reaches of the Yarlung Zangbo River during 1977 - 2017[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(3): 812-822 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2019.0048

0 引言

冻土是冷生气候的产物，对气候变化响应敏感^［1］。冻融指数作为温度要素，可衡量地气间热量状况并预测冻土存在和多年冻土活动层厚度^［2-3］，与气候变化有着密切联系，是研究冻土时空动态演变的重要参数。近年来，相关学者在青藏高原开展了大量大气/地面冻融指数计算及以其为基础的多年冻土时空变化研究。

Wu等^［4］采用Mann-Kendall检验法和Sen’s斜率估计法对气象台站地面温度变化趋势进行检验，发现青藏高原地面温度以0.60 ℃·a^-1的速率递增。赵红岩等^［5］利用观测资料计算青藏铁路沿线地面冻融指数，发现青藏高原地面温度和冻融指数的分布主要受地理纬度和海拔高度以及太阳辐射的纬度效应的综合影响。Jiang等^［6］采用1966 - 2004的逐日最低与最高气温数据，基于Mann-Kendall检验法和线性回归研究青藏铁路沿线冻融指数，发现沿线7个站点呈现多年冻结指数下降、融化指数上升趋势。Qin等^［7］基于气象站点日地温观测数据和ERA-Interim再分析资料对青藏高原地面冻融指数变化进行研究，指出地面冻融指数能够较好地模拟出冻土分布和预测活动层厚度。基于MODIS陆表（陆面）温度和TTOP模型， Zou等^［8］重新绘制了青藏高原冻土分布图，其结果表明多年冻土占40%，季节冻土占56%，非冻土占1%。南卓铜等^［9］从Stefan公式出发，重新推导地面冻结数模型，发现冻结数F=0.5为季节冻土和多年冻土分界线，并据此模拟了青藏高原冻土分布情况。Xie等^［10］在原有Stefan公式基础上提出计算冻融指数XG算法，在青藏高原取得了较好的模拟效果。Luo等^［1］分析了三江源地区气温和地面温度及其相关指数时空变化差异，指出大气/地面温度时空变化复杂。以上研究表明，在高原腹地甚至东北部，大气/地面冻融指数时空变化研究等均得到了较充分的研究。然而，目前依据冻融指数对雅鲁藏布江（以下简称雅江）流域冻土分布情况与冻融深度的模拟及预测尚少，加之雅江流域上游地暂无长时间序列的国家气象台站观测，给相关研究带来较大困难。

冻融指数在一定程度上可指示冻融作用的深度、强度及持续时间，其变化深刻影响冻融作用下形成的冰缘地貌和寒区地质环境。Cao等^［11］认为冻融作用为冻土区最常见的外动力地质作用，冻融滑塌和冻融泥流等灾害与地下冰变化、冻土热力学稳定性差异变化等相伴生^［12-13］。祝嵩^［14］研究认为雅江流域山地主要的外营力为寒冻风化和融冻作用，主要发生在海拔4 300 ~ 4 500 m。雅江流域北侧为冈底斯山和念青唐古拉山，南侧为喜马拉雅山，南北侧山脉挤压使得流域内相对高差较大，因而冻融指数及冻土分布呈现出极强的空间异质性。高鹏^［15］指出本区断层发育、构造运动、造山运动和地震活动作用活跃，形成大量的松散堆积物，而松散堆积物在反复的冻融作用诱发下，极易造成地质灾害。程尊兰等^［16］发现该区在冻融循环过程中土壤水分相变后水的迁移易产生较大地下径流，造成山体滑坡、泥石流等自然灾害。泥石流发生后大量碎石和泥土流入河流阻断河道，进一步形成堰塞湖。例如2018年10月17日，西藏自治区林芝市米林县派镇加拉村附近雅鲁藏布江峡谷发生山体滑坡，堵塞河道，形成堰塞湖。

雅江流域为高山岛状多年冻土分布区，其热状态极不稳定^{［8，17-18］}，对气候变化和人类活动响应敏感。根据现有冻土分布图及野外实地考察，判断多年冻土主要分布于海拔4 800 ~ 5 000 m以上地区。受交通限制、后勤保障困难及严酷气候影响，该区迄今为止所开展的冻土研究较少。本文基于雅江中下游11个国家基准台站40年（1977 - 2017年）逐日气温和地面温度观测，计算大气和地面冻融指数特征及其时空变化。通过分析大气/地面冻融状态变化，为该区冻土研究提供基础，也将为冻融作用下诱发的地质灾害评估与自然灾害预报和冻土变化对水文水资源和高寒生态环境的影响机制研究提供借鉴。

1 研究区概况

雅江发源于我国西藏自治区仲巴县境内的杰马央宗冰川，全长2 057 km，由西向东横贯西藏南部，经巴昔卡出境，是我国重要的国际河流（图1）。其流经地区地处我国青藏高原南部，是地球“第三极”——青藏高原的重要组成部分。流域内平均海拔达4 646 m，被称为世界上海拔最高的一条大河，巨大的河流坡降形成丰富的水能和水利资源。其流域面积为240 480 km²，介于80°12′ ~ 97°38′ E， 27°26′ ~ 31°16′ N，海拔范围为141 m（巴昔卡， 95°19′ E， 28°05′ N）至7 258 m（南伽巴瓦峰， 95° E， 28°36′ N）。雅江流域内气候多样，从发源地杰马央宗冰川至拉萨中上游段，为藏南高原温带半干旱气候区^［19］；海洋性暖湿水汽翻越高大山脉后于背风坡形成下沉气流，为雨影区，降水稀少，大陆性气候特征显著，生态环境脆弱，干旱多风，植被稀少^［20］。拉萨以东，尼洋曲、米拉山以西的中游地区气候干燥寒冷，属于温带半湿润半干旱季风气候^［21］。米拉山以东下游山地主要是受印度洋暖湿气流、海拔和纬度降低的共同作用，属于高原温带湿润、半湿润气候区和山地亚热带湿润气候区^［22］。全流域年降水量在268.0 ~ 646.4 mm之间波动，平均为428.7 mm^［23］。

图1

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图1 雅鲁藏布江流域中下游气象站点分布

Fig.1 Spatial distribution of the national meteorological stations in the middle and lower reaches of the Yarlung Zangbo River， southwest China

2 数据与方法

2.1　气象数据

本文使用的气象数据来自于中国气象数据网（http：//data.cma.cn/），由于拉孜以上的雅江上游广大地区并无国家基准台站（图1），我们选择中下游11个气象台站（表1）。其经度范围87°36′ ~ 98°16′ E，纬度范围28°51′ ~ 30°39′ N，海拔范围2 736.0 ~ 4 488.8 m。其中，海拔4 000.0 m以上站点有嘉黎、当雄、浪卡子、江孜、拉孜等；位于半湿润气候区有波密、林芝，位于半干旱气候区有嘉黎、当雄、拉萨、泽当、浪卡子、江孜、尼木、日喀则、拉孜。为全面反映研究区大气/地面冻融特征，尽可能采用1977 - 2017年各站点共有时间段数据计算大气/地面冻融指数；拉孜站1977 - 1984年地面温度缺失，因此未计算该时间段拉孜站地面冻融指数。对于缺测数据采用以下方法插补：缺测1天，选择其前后各一天数值取平均值插补；缺测2天，缺测第一天选择该日前两天的数值取平均，缺测第二天选择该日后两天的数值取平均；缺测超过2天但不超过一个月，我们选择前后各一年该月数据进行插值补充^［24］，插值结果达到了显著水平。

表1 雅鲁藏布江流域中下游11个气象台站

Table 1 Details about the 11 national meteorological stations in the middle and lower reaches of the Yarlung Zangbo River， southwest China

台站号	名称	纬度/N	经度/E	海拔/m	起止年份	地表覆被
56277	波密	29.8667°	95.7667°	2 736.0	1965 - 2017年	林地
56312	林芝	29.6667°	94.3333°	2 991.8	1961 - 2017年	高覆盖草地
56202	嘉黎	30.6667°	98.2833°	4 488.8	1979 - 2017年	裸岩石砺地
55598	泽当	29.2667°	91.7667°	3 560.0	1957 - 2017年	高覆盖草地
55493	当雄	30.4833°	91.1000°	4 200.0	1963 - 2017年	高覆盖草地
55591	拉萨	29.6667°	91.1333°	3 648.9	1955 - 2017年	中覆盖草地
55681	浪卡子	28.9667°	90.4000°	4 431.7	1961 - 2017年	高覆盖草地
55585	尼木	29.4333°	90.1667°	3 809.4	1974 - 2017年	中覆盖草地
55680	江孜	28.9167°	89.6000°	4 040.0	1961 - 2017年	低覆盖草地
55578	日喀则	29.2500°	88.8833°	3 836.0	1956 - 2017年	中覆盖草地
55569	拉孜	29.0833°	87.6000°	4 000.0	1977 - 2017年	裸岩石砺地

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2.2　处理方法

根据Klene等^［2］和Frauenfeld^［3］对冻结期和融化期的约束，定义冻结期介于每年7月1日至次年6月30日，融化期介于每年1月1日至12月31日，以最大可能统计一年中寒冷期（温度<0 ℃）和温暖期（温度>0 ℃）的温度累加值，并确保负温和正温计算分别在整个寒冷期和温暖期内。

冻结指数计算如下：

F I = \int_{t 1}^{t 2} |T|, T < 0

℃

(1)

式中： FI（Freezing indices）为大气（地面）冻结指数（℃·d）； T为负的逐日温度（℃）； t1为每年7月1日， t2为次年6月30日。实际计算过程中，对所有负温值进行累加并对其和求绝对值，在式（2）中表示为i从1 ~ $θ, θ$ 为温度小于0 ℃持续天数。

F I = \sum_{i = 1}^{θ} | T_{i} |, T_{i} < 0

℃

(2)

融化指数计算如下：

T I = \int_{t 3}^{t 4} T, T > 0

℃

(3)

式中： TI（Thawing indices）为融化指数（℃·d）； T为正的逐日温度（℃）， t3为每年1月1日， t4为当年12月31日。计算过程中对所有正温累加求和，如式（4）当年温度大于0 ℃持续天数在式中表示为i从1 ~ $θ$ 。

T I = \sum_{i = 1}^{θ} T_{i}, T_{i} > 0

℃

(4)

在计算冻融指数后把大气温度与地面温度联立起来计算N-因子， N-因子是能量平衡的经验替代值， N_F为地面冻结指数FI_g（Ground surface freezing indices）与大气冻结指数FI_a（Air freezing indices）的比值， N_T为地面融化指数TI_g（Ground surface thawing indices）与大气融化指数TI_a（Air thawing indices）的比值^［25］。N-因子在冬季（N_F）受地面积雪状况影响变化明显^［26］，而在夏季（N_F）无雪季节则受地表高寒植被结构影响明显^［27］。

N_F=FI_g/FI_a， N_T=TI_g/TI_a（5）

采用线性回归分析法分析冻融指数变化趋势：

y_n = ax_n + b（6）

把大气温度与地面温度按时间顺序依次排列，以x_n 为年份， y_n 为冻融指数，代表趋势变化量。在生成的一元线性回归方程中， a $\times$ 10为气候倾向率［℃·d·（10a）^-1］， b为回归常数。使用最小二乘法得到a和b，分析流域内各站多年大气/地面冻结融化指数的线性变化趋势。本文还采用统计学分析变量之间的显著性差异^［28］，即计算实际温度与对照组是否有差异，以及这种差异是否显著的方法。

采用非线性拟合的方法对大气/地面冻结指数分别与海拔进行非线性拟合，其中y为冻结指数（℃·d）， x为海拔高度（m）， a和b为常数项：

y = a

\times

（1 - b^x ）（7）

3 结果与分析

3.1　冻融指数时间变化特征

3.1.1　冻结指数

对雅江中下游11个台站1977 - 2017年大气/地面冻结指数进行平均，获得其40年间冻结指数时间变化特征（图2）。雅江中下游地区各站大气冻结指数多年变化范围为208.4 ~ 508.0 ℃·d，大气冻结指数倾斜率为-36.6 ℃·d·（10a）^-1，最低为2005年（208.4 ℃·d），最高为1982年（508.0 ℃·d）；地面冻结指数多年变化范围为136.9 ~ 371.0 ℃·d，倾斜率为-48.7 ℃·d·（10a）^-1，最低为2007年（136.9 ℃·d），最高为1981年（371.0 ℃·d）。大气/地面冻结指数近40年均呈现明显下降趋势（图2），从站点分布情况来看，大气冻结指数范围为27.3 ~ 1 228.4 ℃·d，地面冻结指数变化范围为3.8 ~ 865.4 ℃·d，最小值和最大值分别出现于林芝和嘉黎（表2）。

图2

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图2 1977 - 2017年雅鲁藏布江流域中下游大气/地面冻结指数变化趋势

Fig.2 Variations of air/ground surface freezing indices in the middle and lower reaches of the Yarlung Zangbo River， southwest China during 1977 - 2017

表2 雅鲁藏布江流域11个气象站点多年平均冻融指数特征

Table 2 Multi-year statistical characteristics of the freezing and thawing indices in the middle and lower reaches of the Yarlung Zangbo River， southwest China

站点	海拔/m	FI_g /（℃·d）	标准差 $σ$	TI_g /（℃·d）	标准差 $σ$	FI_a /（℃·d）	标准差 $σ$	TI_a /（℃·d）	标准差 $σ$	N_F （FI_g/FI_a）	N_T （TI_g/TI_a）
波密	2 736.0	4.1	6.0	2 011.3	174.6	39.9	21.8	3 334.4	172.9	0.10	0.60
林芝	2 991.8	3.8	4.0	4 870.9	227.8	27.3	18.2	3 343.7	189.3	0.13	1.45
嘉黎	4 488.8	865.4	258.0	1 916.5	133.0	1 228.4	186.0	1 134.5	112.3	0.70	1.68
泽当	3 560.0	32.2	28.2	5 072.3	341.5	69.1	40.2	3 357.6	237.5	0.46	1.51
当雄	4 200.0	515.7	173.0	2 886.8	224.1	847.1	170.1	1 623.3	134.6	0.60	1.77
拉萨	3 648.9	80.8	58.5	4 472.0	375.7	106.5	61.8	3 235.0	253.6	0.75	1.38
浪卡子	4 431.7	254.4	91.5	3 073.7	210.2	462.5	113.7	1 624.4	144.4	0.54	1.89
尼木	3 809.4	157.4	57.0	4 392.7	274.0	201.7	59.6	2 824.1	156.2	0.78	1.55
江孜	4 040.0	225.1	77.6	3 922.1	282.6	326.2	75.0	2 256.6	148.3	0.69	1.55
日喀则	3 836.0	208.2	79.0	4 292.4	282.5	259.6	62.3	2 762.7	179.3	0.80	1.55
拉孜	4 000.0	122.8	64.6	4 159.5	473.4	172.9	60.3	2 665.3	459.8	0.71	1.56

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3.1.2　融化指数

对11个台站1977 - 2017年大气/地面融化指数进行平均，获得其40年间融化指数变化特征（图3）。其中大气融化指数多年变化范围为2 171.8 ~ 2 499.8 ℃·d，气候倾向率为90.7 ℃·d·（10a）^-1，最低为1977年（2 171.8 ℃·d），最高为2009年（2 499.8 ℃·d）；地面融化指数多年变化范围为3 350.2 ~ 4 315.2 ℃·d，气候倾向率为115.8 ℃·d·（10a）^-1，最低为1977年（3 350.2 ℃·d），最高为2009年（4 315.2 ℃·d）。从站点分布情况来看（表2），融化指数的变化特征差异也较大，最小和最大值均出现于嘉黎和泽当，大气融化指数1 134.5 ~ 3 357.6 ℃·d，地面融化指数2 004.0 ~ 5 056.6 ℃·d。

图3

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图3 1977 - 2017年雅鲁藏布江11个气象台站大气/地面融化指数变化趋势

Fig.3 Variations of air/ground surface thawing indices in the middle and lower reaches of the Yarlung Zangbo River， southwest China during 1977 - 2017

3.1.3　N-因子

大气冻结指数与地面冻结指数的比值（N_F）以波密最小，为0.10；日喀则最大，为0.80（表2）。大气融化指数与地面融化指数的比值（N_T）以波密最小，为0.60；浪卡子最大，为1.89。从植被条件来看（表1），波密地表覆被为林地，是雅江中下游唯一一个N_F、 N_T都小于1.0的站点。其余10个站点为不同程度草地覆盖， N_F、 N_T均大于1.0，说明不同植被条件下N-因子存在较大差别。

通过计算雅江流域冻融指数距平值（图4）和统计距平值与年际变化的相关系数（表3），可更直观了解冻融指数时间变化特征， 1977 - 2017年大气冻结指数与地面冻结指数整体降低趋势是一致的，大气冻结指数年际变化速率显然要比地面冻结指数更快，大气融化指数与地面融化指数升高的变化趋势也是一致的，而大气融化指数变化速率要比地面融化指数更慢。

图4

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图4 雅鲁藏布江流域1977 - 2017年大气/地面冻融指数距平变化

Fig.4 Variations of the departures of air/ground surface freezing/thawing indices in the middle and lower reaches of the Yarlung Zangbo River， southwest China during 1977 - 2017

表3 雅鲁藏布江流域1977 - 2017年大气/地面冻融指数距平相关系数

Table 3 Coefficients of the departures of air/ground surface freezing/thawing indices in the middle and lower reaches of the Yarlung Zangbo River， southwest China during 1977 - 2017

	FI_a	TI_a	FI_g	TI_g
r	-0.76	0.66	-0.67	0.64
斜率	-4.87	9.18	-3.36	11.66
F-tests	52.51	29.90	31.19	27.45
Adj.R²	0.57	0.42	0.44	0.39

注：FI_a、TI_a、FI_g、TI_g及slope（斜率）的单位均为℃·d·a^-1；各指数与年份相关系数r和F-tests结果均有P<0.01

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3.2　冻融指数空间分布特征

3.2.1　冻结指数

雅江流域40年大气冻结指数（FI_a）均值以嘉黎最大，为1 228.4 ℃·d，以林芝最小，为27.5 ℃·d；最小FI_a分布以嘉黎最大，为896 ℃·d，以波密和林芝最小，为0.0 ℃·d；最大FI_a以嘉黎最大（1 691.6 ℃·d），以波密最小（98.5 ℃·d）。由于经纬度和海拔差异，雅江流域多年地面冻结指数空间变化较大，其中FI_g均值以嘉黎最大（865.4 ℃·d），以林芝最小（3.8 ℃·d）；最小FI_g也以嘉黎最大（373.1 ℃·d），波密和林芝最小，都为0.0 ℃·d；最大FI_g则是嘉黎（1 325.7 ℃·d），以林芝最小（17.1 ℃·d）。

从纬度分布上看，雅江流域中下游冻结指数受其影响较大，主要表现在30° N以北的当雄和嘉黎这2个站点大气/地面冻结指数比低纬度其他站点要高，而东部林芝、波密大小极为相似，在整个流域冻结融化指数中均为最小。

图5

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图5 雅鲁藏布江中下游大气/地面冻结指数平均值、最大值、最小值

Fig.5 Spatial characteristics of the average， maximum， and minimum air/ground surface freezing indices in the middle and lower reaches of the Yarlung Zangbo River， southwest China during 1977 - 2017

3.2.2　负温日数变化

气温负温日数最小为林芝（20.0 d），最大为嘉黎（180.4 d）；地面温度负温日数最小为林芝（3.4 d），最大为嘉黎（134.5 d）（表4）。雅江中下游气温和地面温度负温日数值变化趋势基本一致（图6），即从21世纪初起至今均呈波动下降趋势，气候倾向率分别为-6.27 d·（10a）^-1和-5.57 d·（10a）^-1。气温多年平均负温日数为61.1 ~ 102.6 d，地面温度多年平均负温日数为42.1 ~ 75.6 d，气温负温日数要多于地面温度负温日数。出现这种现象的原因很可能是气温明显升高后，地面温度变化在坡向、植被、水文、生物条件等因素综合影响下异质性很强。另外，植被和积雪因其冷暖季热物理属性差异，地表相变潜热变化不一致^［29］。植被对下伏地面具有一定的保温效应；地面温度在夏季受植被覆盖影响，常低于气温；在冬季积雪对其则有较大的保温效应，因而年均地面温度比年均气温更高^［30］。因此，气温降低至0 ℃以下时，地面温度并不总会下降至0 ℃以下。

表4 雅鲁藏布江流域中下游各站点多年负温日数 (d)

Table 4 The number of days with negative air and ground surface temperatures within a year in the middle and lower reaches of the Yarlung Zangbo River， southwest China during 1977 - 2017

站点	波密	林芝	嘉黎	泽当	当雄	拉萨	浪卡子	尼木	江孜	日喀则	拉孜
大气负温日数	25.1	20.0	180.4	34.2	150.0	45.2	117.7	69.4	92.3	77.0	62.5
地面负温日数	4.1	3.4	134.5	19.5	105.3	38.1	75.9	57.6	68.1	65.3	50.0

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图6

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图6 雅江中下游多年大气、地面负温日数变化特征

Fig.6 Characteristics of the number of days with negative air and ground surface temperatures in the middle and lower reaches of the Yarlung Zangbo River， southwest China during 1977 - 2017

3.2.3　融化指数

图7显示1977 - 2017年融化指数多年分布特征，其中TI_a均值以泽当最大（3 357.5 ℃·d），以嘉黎最小（1 134.4 ℃·d）；多年最小TI_a以林芝最大（3 011.2 ℃·d），以嘉黎最小（891.9 ℃·d）；多年最大TI_a则出现于泽当（3 933.5 ℃·d），以嘉黎最小（1 368.9 ℃·d）。由于经纬度和海拔差异，雅江流域多年地面融化指数（TI_g）空间变化较大，以泽当最大（5 056.6 ℃·d），以波密最小（2 004.0 ℃·d）；最小TI_g也是以泽当最大（4 439.6 ℃·d），波密最小（1 457.9 ℃·d）；最大TI_g则出现于泽当（5 761.5 ℃·d），嘉黎最小（2 295.4 ℃·d）。

4 讨论

4.1　冻融指数空间差异性的可能原因

雅江中下游地区大气冻结指数随海拔升高而上升，表明冬季气温随海拔升高而降低^［31］，这与青藏铁路沿线南北部冻结指数随海拔降低而减小、中部因高海拔而较大的变化特征一致^［6］。流域内海拔高于4 000 m的5个站点（表2）中，只有嘉黎大气冻结指数超过1 000 ℃·d，而融化指数均大于1 500 ℃·d，和青藏高原海拔4 000 m以上融化指数的特征吻合^［7］。

雅江中下游冻融指数与我国青藏高原黄河源地区冻结指数下降、融化指数上升的变化趋势基本一致^［6］，研究区大气和地面冻结指数均随海拔递增而呈近似指数增长［图8（a）］，大气冻结指数小于1980 - 2014年黄河源区大气冻结指数（1 154.64 ℃·d）^［32］，地面冻结指数低于黄河源区地面冻结指数（2 484.85 ℃·d）^［32］。除波密、林芝两个海拔3 000.0 m以下的站点，对其余站点做线性回归分析，大气/地面融化指数均表现为融化指数随海拔升高而降低，但地面融化指数比大气融化指数下降更迅速［图8（b）］。研究区大气融化指数大于1980 - 2014年黄河源区大气融化指数^［32］（1 159.93 ℃·d），地面融化指数也大于黄河源区地面融化指数（850.57 ℃·d）^［32］。

尽管雅江流域中下游与青藏高原腹地海拔差异不明显，但其纬度要低得多，故其接受的年太阳辐射总量相对较大。此外，流域内东西方向干湿迥异，气候多样^［33］，中游和下游植被类型和覆盖度差异较大。气温随南部高大的喜马拉雅山脉阻挡而有规律地变化^［33］，融化指数呈现较大空间差异，同时为表示整体融化平均状况而采用的算数平均值差异可能会导致融化指数整体偏小。

图7

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图7 雅鲁藏布江中下游大气/地面融化指数平均值、最大值、最小值

Fig.7 Spatial characteristics of the average， maximum， and minimum air/ground surface thawing indices in the middle and lower reaches of the Yarlung Zangbo River， southwest China during 1977 - 2017

图8

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图8 雅江流域中下游气象站大气/地面冻结（a）和融化（b）指数随海拔分布特征

Fig.8 Correlations between air/ground surface freezing （a） and thawing （b） indices and elevation in the middle and lower reaches of the Yarlung Zangbo River， southwest China during 1977 - 2017

4.2　冻融作用对地貌的影响

冻融指数是衡量冻融作用强度及冻融深度的重要指标之一，冻结指数大的地方冻融作用强，其冰缘地貌特征也就更明显，与冻融滑塌和融冻泥流等地质灾害的发生也有着密切联系。本文对雅江流域内冻融指数时空特征的研究，在一定程度上可指示流域内冰缘地貌的发生和形成。雅江流域冻融作用所产生的冰缘地貌主要有冻融草丘、石河和热融滑塌等。其中热融滑塌是斜坡上的地下冰融化使上覆土层失去支撑，冻土结构被破坏后在重力作用下土层沿融化面发生失稳坍塌、运移^［34］，饱和融土沿斜坡在上部融土与下部冻土形成的滑动面上发生泥流^［13］。尽管雅江流域高差大、坡降陡，冻融强度和深度存在空间差异性，但随着气候变暖，冻融作用总体在增强，加上雨季降水带入热量并使植被根系持水能力下降，提高了泥石流等灾害的发生频率。三种冰缘地貌特征均与温度及冻融指数相关，而冻融指数与海拔存在指数增长关系［图8（a）］，因此雅江中下游冰缘地貌空间分布与海拔有较大关联。如当雄地区（90°40′ E， 30°16′ N，海拔4 630 m）冻融草丘发育［图9（a）］，泽当地区（92°13′ E， 29°56 ′N，海拔4 725 m）石河发育［图9（b）］；尼木地区（90°07′ E， 29°54′ N，海拔5 160 m）热融滑塌发育［图9（c）］，都是冻结指数大、冻融作用强的结果（表2、图5），而在其他海拔较低的地方，类似冰缘地貌并不发育，与其冻结指数小、冻融作用弱相关。

图9

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图9 雅江流域中下游冻融作用地貌特征

Fig.9 Typical features of geomorphology in the middle and lower reaches of the Yarlung Zangbo River：（a） hummocks （92°13′ E， 29°56′ N）；（b） stone river （92°13′ E， 29°56′ N）；（c） thaw slumping （90°07′ E， 29°54′ N）

雅江流域中下游冻融作用所形成的冰缘地貌，是青藏高原冻土区地貌特征的重要组成部分，是研究寒区环境组成和冻土分布特征的重要标志。而由于冻融作用引发的冻融滑塌、泥石流等地质灾害严重威胁道路通行，并造成流域内植被生态系统退化和水土流失，因此今后还应在定量研究冻融指数及冻融作用与冻融滑塌及冻融泥流等灾害关系的基础上，加强冻融指数和冻融作用的实地监测与预防，为封山育林、退耕还林还草保护等生态环境决策提供科学依据。

5 结论

冻土是地面与大气之间进行热交换并最终达到能量平衡的产物。通过气温和地面温度计算的冻融指数，与温度有密切关系，温度的变化导致冻融指数随之变化，并在积雪、植被、土壤含水量和地形等局地因子变化制约下，在一定程度上影响冻土时空分布变化。本文基于雅江中下游11个国家基准台站气温和地面温度资料获得大气/地面冻融指数时空变化，结果表明近40年来，雅江中下游地区大气/地面冻结指数呈下降趋势［-36.6 ℃·d·（10a）^-1， -48.7 ℃·d·（10a）^-1］，大气/地面融化指数则表现为上升趋势［90.7 ℃·d·（10a）^-1， 115.8 ℃·d·（10a）^-1］；流域内气温和地面温度负温日数值变化趋势基本一致，其线性倾向率分别是-6.28 d·（10a）^-1、 -5.57 d·（10a）^-1。雅江流域中下游大气/地面冻结指数在空间上均以嘉黎最大、林芝最小；大气/地面融化指数则以泽当最大，嘉黎最小。大气/地面冻结指数随着海拔递增而呈现指数增加的规律；大气/地面融化指数除波密、林芝两个3 000 m以下的站点外，均表现为随海拔升高而降低。关联地面与大气冻结指数的冻结N-因子（N_F）小于1.0，除个别站外（波密和林芝），多介于0.46 ~ 0.80间；而关联地面与大气融化指数的融化N-因子（N_T）除波密外均大于1.0，且介于1.38 ~ 1.89间。国家基准台站获得的冻结和融化N-因子，可为通过热红外遥感陆面温度及再分析气温资料获取地面冻融指数，并进一步开展冻土时空分布变化研究提供关键参数。

通过基于气象台站的雅江流域中下游大气/地面冻融指数时空特征研究，可为该区冻土时空变化与冰缘地貌、寒区地质灾害和生态环境等的协同变化研究提供借鉴。本文的不足之处在于，由于流域内站点稀少且空间分布极不均匀，海拔高差变化也较大，气象台站所获气温和地面温度有很大局限性，且难以明确土壤热物理参数及具体环境特征，因此需通过更多实地监测和采集以获得更详细的土壤剖面温度和地表覆被热物理属性数据。在对大气/地面冻融指数处理后，还需基于冻融指数进一步明确区域内多年冻土时空变化特征，以掌握流域内特别是上游资料缺测区的冻土分布特征，最终全面准确预估雅江流域冻土对气候变化的响应及其对冻土生态环境的影响。

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