1961—2019年三江源地区季节冻土冻融状态时空变化及影响因素研究
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Study on spatiotemporal changes of the freeze-thaw status of seasonally frozen ground and influencing factors in the Three Rivers Source Region from 1961 to 2019
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通讯作者: 李晓东,高级工程师,主要从事生态环境与气候变化研究. E-mail:lixd16@lzu.edu.cn
收稿日期: 2023-01-16 修回日期: 2023-03-31
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Received: 2023-01-16 Revised: 2023-03-31
作者简介 About authors
梁奔奔,助理工程师,主要从事冻土环境与气候变化研究.E-mail:liangbb15@lzu.edu.cn
季节冻土是气候变化的重要指示器,对区域气候变化具有重要的表征作用。本文利用青海省三江源地区20个位于季节冻土区的气象观测站点数据,通过计算最大冻结深度、冻结开始日期、完全融化日期和冻融期4个指标,分析了1961—2019年期间三江源地区季节冻土冻融状态时空变化特征;并通过计算空气冻结、融化指数及其变化趋势,结合地理因子(海拔、经度和纬度)和气候因子(气温、降水和雪深)评估了三江源地区季节冻土最大冻结深度与冻融状态的影响因素。结果表明:三江源地区季节冻土最大冻结深度为64.7~214.1 cm,冻结开始日期为9月初—10月底,完全融化日期为3月下旬—6月底,冻融期为144.7~288.4 d;1961—2019年期间三江源地区季节冻土最大冻结深度呈显著减小趋势[2.5 cm·(10a)-1],冻结开始日期显著推迟[2.9 d·(10a)-1],完全融化日期显著提前[2.6 d·(10a)-1],冻融期显著缩短[5.5 d·(10a)-1];三江源地区季节冻土冻融状态变化主要受温度变化的影响,表现为冷季温度的变化影响了完全融化日期,进而对冻融期和最大冻结深度产生影响,而地理因子和降水影响较小,雪深在该地区的影响基本可以忽略。
关键词:
As an important indicator of climate change, studying the freeze-thaw status of the seasonally frozen ground (SFG) can provide a basis for assessing regional climate change. Using the data of 20 stations located in the Three Rivers Source Region (TRSR) of Qinghai Province, this study analyzed the spatial distributions and temporal variations of SFG freeze-thaw status in the TRSR from 1961 to 2019 by calculating four indicators: maximum freeze depth (MFD), the first date of soil freeze (FFD), the last date of soil thaw (TLD) and freeze-thaw duration (FTD). And by calculating the air freezing index (FI) and thawing index (TI) and their change trend, combined with geographical factors (altitude, longitude and latitude) and climatic factors (air temperature, precipitation and snow depth), evaluated the influencing factors of MFD and the freeze-thaw states of SFG in the TRSR. Results indicate that MFD in the TRSR was 64.7~214.1 cm, FFD was from early September to the end of October, TLD was from late March to the end of June, and FDR was about 144.7~288.4 days. From 1961 to 2019, MFD was decreased [2.5 cm·(10a)-1], FFD was delayed [2.9 d·(10a)-1], TLD was advanced [2.6 d·(10a)-1], and FTD was shortened [5.5 d·(10a)-1]. Temperature is a key factor of SFG freeze-thaw status in the TRSR, and the influence of cold season warming is most important. It has an impact on the FTD and the MFD, while geographical factors and precipitation have a small impact, and the influence of snow depth in the area is basically negligible.
Keywords:
本文引用格式
梁奔奔, 李晓东, 张东, 申燕玲.
Benben LIANG, Xiaodong LI, Dong ZHANG, Yanling SHEN.
0 引言
冻土作为冰冻圈的重要组成部分,起到连接冰冻圈与其他圈层的重要作用,在气候变化中有重要的指示意义[1-3]。季节冻土是指冻结日数为1个月以上,12个月以内的冻土,主要靠冷季负地温条件下的地表热交换形成,其冻融过程直接参与大气圈-地表-岩石圈之间的热量交换[4],因此季节冻土冻融状态和冻融循环的季节以及年际变化是气候变化的重要表征,也会对寒区水文[5]、地气交换、生物化学过程、工程建设和人类生产活动等产生重要影响。冻结、融化指数作为冻土研究领域的重要指标,不但能够表征冻土变化趋势,也是气候变化的指示因子[6],其变化严重影响着地-气间相互作用、水热和碳交换、水文循环以及整个生态系统,因此被广泛应用于气候变化[7-8]、土壤冻结深度[9]及其冻融循环过程变化[3,10-11]等的评估以及冻土制图[12-13]和寒区工程建设中。如今,国内外学者已经对全球季节冻土的变化开展了大量研究,结果表明,季节冻土最大冻结深度已出现不同程度的减小,其中北半球土壤冻结深度减小趋势显著,并且分布于高海拔和高纬度地区的冻结深度递减速率明显高于其他地区,由此引发的冻融灾害也日益显现,且在未来几十年内具有加剧趋势[14-17];其次,冻结开始日期和结束日期也发生明显变化,主要表现为冻结开始日期推迟,冻结结束日期提前,进而导致冻融期缩短[14]。
青藏高原拥有中低纬度地区面积和厚度最大的冻土,其中季节冻土的面积大于多年冻土的面积,占青藏高原总面积的50%~56%[4,18-22]。随着全球变暖,青藏高原近一半的多年冻土将在21世纪退化为季节冻土[18,20],季节冻土在过去几十年中也出现了最大冻结深度减小、冻结开始日期推迟、完全融化日期提前、冻融期缩短等情况[23-26]。三江源区位于青藏高原腹地东北边缘的高寒地带,季节冻土分布十分广泛。作为我国第一个国家公园,三江源区是世界上海拔最高、面积最大、分布最集中的自然保护区,是长江、黄河和澜沧江的发源地和淡水资源的重要补给地,更是中、下游和周边地区生态环境安全和区域发展的重要生态屏障[27-28],因此被誉为“中华水塔”。研究发现三江源地区季节冻土也出现了最大冻结深度减小、冻融持续时间缩短的趋势,但以往的研究使用的数据只停留在2014年[16,25],并且对于该地区季节冻土冻融状态影响因素的研究仍处于空白状态,因此亟须填补近几年该地区季节冻土冻融状态分析和影响因素研究的空白。影响季节冻土冻融状态的因素很多,各因素共同作用通过改变地表的能量平衡来影响季节冻土冻融状态。由于模式的不确定性和地-气间相互作用数据(地表热通量等数据)的缺乏,一些容易获得的气候因子和地理因子被认为是影响季节冻土的主要因素,比如气温(显热通量和潜热通量指数),冻、融指数(土壤温度和地面热通量指数),降水(土壤水分和潜热通量指数)、雪深(反照率和净辐射指数),纬度和海拔(净辐射指数、气温和降水)等[25,29-31]。
基于三江源地区特殊的地理位置和重要的生态意义,研究近年来三江源地区季节冻土的时空变化及影响因素,对于保护国家公园、解决区域生态环境建设、维系国家生态安全都有着重要的科学意义。本文基于站点实测数据,分析了1961—2019年三江源地区季节冻土最大冻结深度和冻融状态的时空变化特征;并通过对空气冻结、融化指数及其变化趋势的计算,结合地理因子(海拔、经度和纬度)和气候因子(气温、降水和雪深)评估了三江源地区季节冻土最大冻结深度与冻融状态的影响因素。
1 数据与方法
1.1 数据来源
本研究涉及的数据均来自青海省气象信息中心的站点资料,考虑到数据的缺测情况,为保证各站点资料的一致性和时间序列的完整性,本研究选取了三江源地区季节冻土区的20个气象观测站(图1),时间序列为1961—2019年。分析季节冻土冻融状态使用的基本数据包括站点实测的季节冻土逐日冻结深度和5 cm土壤温度,气象因子包括逐日气温、降水和雪深,地理因子包括站点海拔、经度和纬度。
图1
图1
三江源地区气象观测站分布(红色三角形)及各站点季节冻土冻结深度观测时长(三角形大小)
Fig. 1
Meteorological station distribution (red triangles) in the Three Rivers Source Region from 1961 to 2019 and the duration of seasonal freeze depth was observed at each station (size of the triangles)
尽管站点数据在发布前已经仔细控制了质量,对异常数据进行了标记,但仍存在数据缺失和异常的情况。本研究剔除了缺失和异常标记的数据后,对数据进行了逐月以及逐年的统计,剔除了天数少于25天的月份和天数少于300天的年份,将该月或者该年的数据视为缺失。经过上述质量控制后,本研究选取的20个气象站点中部分台站并没有1961—2019年这59年期间的连续数据。如图1所示,研究区13个站点(65%)最大土壤冻结深度的记录时长达到了59年,2个站点(10%)虽然没有达到59年但超过了50年,4个站点(20%)在40~50年期间,只有玛多站(38年)少于40年。
1.2 研究方法
1.2.1 冻融指标及冻结、融化指数定义
本研究利用逐日土壤冻结深度监测数据,定义了季节冻土最大冻结深度、冻结开始日期、完全融化日期和冻融期4个指标来表征三江源地区的土壤冻融状态。为了涵盖整个冻融循环过程,季节冻土的冻融周期被定义为当年的秋冬至次年的春夏,即9月1日—次年的8月31日。季节冻土最大冻结深度定义为一个完整的冻融周期中季节冻土冻结所能达到的最大深度。冻结开始日期定义为秋季开始冻结深度不为零的第一天,之后随着温度下降,土壤向下冻结,达到最大冻结深度之后温度开始上升,季节冻土开始从两个方向融化,直到季节冻土完全消失,季节冻土完全消失即次年夏季冻结深度为零的最后一天被定义为完全融化日期,冻结开始日期到完全融化日期之间这段时间定义为冻融期[32-34](图2)。此外,本研究根据三江源地区5 cm深度处的逐日土壤温度数据,以0 ℃的土壤温度作为确定土壤冻融的阈值,将每个月5 cm处土壤温度小于0 ℃的日数记为土壤月冻结天数[35],对月平均气温与地表土壤月冻结天数的关系进行了讨论。
图2
图2
季节冻土冻融过程示意图(蓝色线条为冻结锋面,红色线条为融化锋面,蓝色虚线为最大冻结深度)
Fig. 2
Schematic of the freeze-thaw process of seasonally frozen ground (Red line is frontal surface, blue line is thawing surface, and blue dotted line is maximum freeze depth)
式中:FI为冻结指数;TI为融化指数;Ti 为气温;NF为一个积雪年内温度小于0 ℃的天数;NT为一年内温度大于0 ℃的天数。
1.2.2 相对贡献率
本研究采用多元线性回归方法分别分析了气候和地理等影响因子对三江源区季节冻土冻结状态的影响,求得各因子相对贡献率。在计算贡献率时,由于各因子的单位、量纲和范围都不完全相同,所以要对各因子及冻融指标进行极差标准化处理。对标准化后的数据序列按照
式中:Y为季节冻土冻融状态表征指标(最大冻结深度、冻结开始日期、完全融化日期、冻融期)的标准化值;Xi 为各因子的标准化值;α i 为各因子标准化后对应的回归系数;ηi 为Xi 变化对Y变化的相对贡献率;Ni 为累积相对贡献率。
2 结果与分析
2.1 三江源地区季节冻土最大冻结深度时空特征
图3为1961—2019年期间三江源地区季节冻土最大冻结深度的变化趋势。三江源地区近60年季节冻土最大冻结深度总体呈显著减小趋势[-2.5 cm·(10a)-1,P<0.01],并且这一趋势表现出明显的阶段性,其中1961—1973年、1983—2019年期间该地区季节冻土最大冻结呈显著减小趋势,速率分别为-13.9(P<0.05)和-8.1 cm·(10a)-1(P<0.01);而1973—1983年期间的10年内,三江源地区季节冻土最大冻结状态表现出显著增大趋势(P<0.05),速率达到24.8 cm·(10a)-1。1961—2019年期间区域平均季节冻土最大冻结深度为132.7 cm,1983年达到最大(162.2 cm),2019年达到近60年期间最小值(105.9 cm)。从净变化来看,1973年区域平均冻结深度比1961年减少了7.3 cm,2019年比1983年减少了56.3 cm,2019年较1961年减少了18.6 cm。
图3
图3
1961—2019年三江源地区季节冻土最大冻结深度时间序列(蓝色线条为1961—1973年和1983—2019年该地区季节冻土最大冻结深度变化趋势拟合线,红色线条为1973—1983年该地区季节冻土最大冻结深度变化趋势拟合线)
Fig. 3
The long-term trend of maximum freeze depth in the Three Rivers Source Region from 1961 to 2019 (Blue line indicate trend over time of maximum freeze depth on the Three Rivers Source Region from 1961 to 1973 and from 1983 to 2019, red line indicate trend over time of maximum freeze depth on the Three Rivers Source Region from 1973 to 1983)
图4(a)和图4(b)分别为1961—2019三江源地区多年平均季节冻土最大冻结深度及变化率空间分布情况。可以看出,在1961—2019年期间,三江源地区各站点多年平均最大冻结深度范围为64.7~214.1 cm,空间差异性较大,整体呈边缘较小-中部较大的趋势,区域平均最大冻结深度为132.7 cm。其中囊谦、尖扎和贵德3个站点冻结深度小于80 cm,囊谦站最小,仅为64.7 cm;玛多站和曲麻莱站冻结深度较大,均超过了200 cm,玛多站达到了214.1 cm;其余15个站点冻结深度在120~200 cm之间。1961—2019年期间三江源地区冻结深度变化率空间差异性也较大,其中玉树、河南和贵南3个站点冻结深度呈增加趋势[0~5 cm·(10a)-1],但河南站的增加速率较小并且未通过显著性检验(P<0.05),而玉树站和贵南站增加速率分别为4.4和2.2 cm·(10a)-1;其余17个站点冻结深度均呈减小趋势:8个站点减小速率为0~5 cm·(10a)-1,但其中治多、玛多和尖扎站并未通过P<0.05的显著性检验;3个站点(贵德、班玛和同仁)减小速率为5~10 cm·(10a)-1;5个站点减小速率为10~15 cm·(10a)-1;只有曲麻莱站减小速率超过了15 cm·(10a)-1,达到了16.6 cm·(10a)-1。
图4
图4
1961—2019年三江源地区季节冻土最大冻结深度(a)及变化率(b)空间分布[图(a)中蓝点表示各站点季节冻土最大冻结深度,图(b)中红点表示季节冻土最大冻结深度增大,蓝点表示减小,五角星表示未通过P<0.05的显著性检验]
Fig. 4
The long-term average (a) and trend (b) spatial distribution of maximum freeze depth in the Three Rivers Source Region from 1961 to 2019 [Blue circles reflect maximum freeze depth (a), blue circles indicate maximum freeze depth is decreasing, red circles indicate maximum freeze depth is increasing and five-pointed star indicate no significant change (P<0.05) (b)]
2.2 三江源地区土壤冻结状态的时空变化
1961—2019年,三江源地区季节冻土冻结开始日期、完全融化日期以及冻融期的变化趋势显著(图5):冻结开始日期以2.9 d·(10a)-1的速率呈显著推迟趋势(P<0.01),这一趋势分为1961—1989年和1989—2019年两个阶段,虽然两个阶段冻结开始日期均呈推迟趋势,但1961—1989年期间变化趋势并不显著,显著推迟主要发生在1989—2019年这一阶段(P<0.01),速率达到了6.4 d·(10a)-1[图5(a)];完全融化日期在1961—2019年以2.6 d·(10a)-1的速率呈显著提前趋势,同冻结开始日期一样,这一趋势也分为1961—1990年和1990—2019年两个阶段,与冻结开始日期不同的是1961—1990年期间完全融化日期显著推迟[3.2 d·(10a)-1,P<0.01],1990—2019年则显著提前[7.5 d·(10a)-1,P<0.01,图5(b)];冻融期由于受冻结开始日期推迟和完全融化日期提前的综合影响,在1961—2019年以5.5 d·(10a)-1的速率呈显著缩短趋势,但这一趋势也分为1961—1989年和1989—2019年两个阶段,其中1961—1989年期间的增长趋势并不显著,1989—2019年期间冻融期以13.7 d·(10a)-1的速率呈显著缩短趋势(P<0.01)[图5(c)]。对比分析图5可见,1961—2019年期间三江源地区区域平均冻结开始日期最早出现在1966年9月25日,最晚为2017年10月5日,59年间平均在10月9日左右;区域平均完全融化日期最早出现在2019年4月15日,最晚为1990年5月25日,1961—2019年期间平均在5月5日左右;区域平均冻融期最长为233 d(1966年),最短为166 d(2017年),1961—2019年期间平均为208 d。
图5
图5
1961—2019年三江源地区季节冻土冻结开始日期(a)、完全融化日期(b)及冻融期(c)时间序列(红色线条为1961—1989年该地区季节冻土冻融状态指标变化趋势拟合线,蓝色线条为1989—2019年该地区季节冻土冻融状态指标变化趋势拟合线)
Fig. 5
The long-term trend of the first date of soil freeze (a), the last date of soil thaw (b) and freeze-thaw duration (c) in the Three Rivers Source Region from 1961 to 2019 (Red line indicate trend over time of each freeze-thaw state variable on the Three Rivers Source Region from 1961 to 1989 and blue line indicate 1989 to 2019)
从空间尺度来看,三江源地区冻结开始日期空间差异性较大,各站点季节冻土多年平均冻结开始发生在9月初—10月底(第251—304天),其中有8个站点在9月份开始冻结,12个站点在10月份开始冻结,到10月底所有站点均进入冻结状态,跨度不到2个月(53天),区域平均而言,冻结开始日期为第279天(10月中旬);其中甘德站和泽库站在9月中、上旬左右(第250—260天)最早开始冻结,此后有6个站点在9月中、下旬开始冻结(第260—275天),在10月份中上旬(第275—290天)和中下旬(第290—305天)开始冻结的站点分别有7个和5个[图6(a)]。如图6(c)所示,三江源地区季节冻土多年平均完全融化日期在3月下旬—6月底(第82—180天),跨度近3个多月(98天),是所有站点冻结开始日期跨度的近两倍,6月底所有站点均进入完全融化状态,区域平均完全融化日期为第128天(5月中旬);其中冻结开始最晚的尖扎、贵德站在3月下旬(第81、82天)最早完全融化,而冻结开始较早的泽库、甘德和玛多站在6月中、下旬(第163—179天)完全融化,其余站点有4个在4月中、下旬完全融化,有10个在5月份完全融化,可见该地区50%的站点完全融化发生在5月份(第122—148天)。图6(f)显示了三江源地区季节冻土冻融期的空间分布情况,三江源地区季节冻土冻融期约为144.7~288.4 d,区域平均冻融期长达7个月多,为213.7 d;其中冻融期较短的尖扎和贵德站分别为144.7和145.3 d,较长的河南、泽库、玛多和甘德均超过了250 d,其中甘德站冻融期最长(288.4 d),而剩下的大部分站点冻融期在150~250 d之间。
图6
图6
1961—2019年三江源地区季节冻土冻结开始日期(a)、冻结开始日期变化率(b)、完全融化日期(c)、完全融化日期变化率(d)、冻融期(e)、冻融期变化率(f)空间分布[图(a)、(c)、(e)中蓝点大小表示冻结开始日期、完全融化日期对应儒略日或冻融期的时长,图(b)、(d)、(f)中红点表示冻结开始日期、完全融化日期推迟或冻融期增长,蓝点表示冻结开始日期、完全融化日期提前或冻融期缩短,五角星表示未通过P<0.05的显著性检验]
Fig. 6
The long-term average and trend spatial distribution of each freeze-thaw state variable in the Three Rivers Source Region from 1961 to 2019: the long-term average of the first date of soil freeze (blue circles) (a), the long-term trend of the first date of soil freeze (blue circles indicate reflect it is decreasing, red circles indicate reflect it is increasing) (b), the long-term average of the last date of soil thaw (blue circles) (c), the long-term trend of the last date of soil thaw (blue circles indicate it is decreasing, red circles indicate it is increasing) (d), the long-term average of freeze-thaw duration (blue circles) (e), the long-term trend of freeze-thaw duration (blue circles indicate it is decreasing, red circles reflect it is increasing) (f), and five-pointed star indicate no significant change (P<0.05)
图6(b)、6(d)和6(e)则分别显示了三江源地区各站点季节冻土冻融状态在1961—2019年期间的变化趋势。如图6(b)所示,在1961—2019年期间,除班玛、尖扎和玛多站外,三江源地区季节冻土冻结开始日期普遍推迟[2.6~21.6 d·(10a)-1],其中除玛沁和甘德站外有15个站点通过了显著性检验(P<0.05);曲麻莱站推迟速率最大,达到了21.6 d·(10a)-1,治多站次之,为11.0 d·(10a)-1,而其他大部分站点推迟速率在2.7~8.5 d·(10a)-1之间,久治站最小,为2.7 d·(10a)-1;区域(除曲麻莱站)平均推迟速率为5.2 d·(10a)-1;而冻结开始日期提前的班玛、尖扎和玛多,速率分别为0.6、1.4和6.9 d·(10a)-1,其中班玛站提前速率最小且并未通过显著性检验。如图6(d)所示,除班玛和尖扎站外,三江源地区季节冻土完全融化日期在过去近60年期间呈显著提前趋势[2.0~22.4 d·(10a)-1],其中玛多站提前速率最大,达到了22.4 d·(10a)-1,其他大部分站点提前速率在2.0~10.3 d·(10a)-1之间,玉树站最小,为2.0 d·(10a)-1;区域(除玛多站)平均提前速率为5.6 d·(10a)-1,较大于冻结开始日期的推迟速率,这表示冻融期的减少趋势受完全融化日期提前的影响大于受冻结开始日期推迟的影响;而完全融化日期显著推迟的班玛和尖扎站,速率分别为1.9和1.8 d·(10a)-1。如图6(f)所示,在1961—2019年期间,除班玛和尖扎站外,由于冻结开始日期的推迟和完全融化日期的提前,三江源地区其他站点冻融期均呈显著缩短趋势[5.2~23.0 d·(10a)-1],其中曲麻莱站缩短速率最大,达到了23.0 d·(10a)-1,贵南站最小,为5.2 d·(10a)-1;区域平均缩短速率达11.5 d·(10a)-1;而在班玛和尖扎站,由于冻结开始日期提前而和完全融化日期推迟,导致班玛和尖扎站冻融期延长,速率分别为2.5和3.2 d·(10a)-1,但班玛站冻融期的延长趋势并不显著。
2.3 三江源地区季节冻土影响因素分析
由三江源地区区域平均冻结指数和融化指数随时间变化趋势(图7)可以看出,三江源地区冻结指数在1961—2019年期间表现出明显的减小趋势,融化指数则相应地在显著增大,且融化指数的增大速率[49.5 ℃·d·(10a)-1]较小于冻结指数减小速率[65.4 ℃·d·(10a)-1],可见三江源地区1961—2019年期间气温呈显著升高趋势(P<0.01),并且负温升温速率大于正温的升温速率,即该地区冷季升温较快,暖季升温较慢。从空间尺度来看,三江源地区冻结指数在385.7~2 100.4 ℃·d之间,其中有45%的站点(9个)冻结指数在1 000~1 500 ℃·d之间,贵德和尖扎站冻结指数在400~500 ℃·d之间,尖扎站最小,仅为385.7 ℃·d,其余有5个站点冻结指数在500~1 000 ℃·d之间,3个站点在1 500~2 000 ℃·d之间,超过2 000 ℃·d的仅有玛多站(2 100.4 ℃·d)一个站点[图8(a)];融化指数在842.7~3 422.2 ℃·d之间,其中有45%的站点(9个)融化指数在1 000~1 500 ℃·d之间,融化指数小于1 000的站点只有玛多站一个站点,仅为842.7 ℃·d,其余有5个站点融化指数在1 500~2 000 ℃·d之间,2个站点在2 000~2 500 ℃·d之间,1个在2 500~3 000 ℃·d之间,贵德和尖扎站融化指数超过了3 000 ℃·d,尖扎站融化指数最大,达到了3 422.2 ℃·d[图8(c)]。
图7
图7
1961—2019年三江源地区冻结指数、融化指数时间序列
Fig. 7
The long-term trend of freezing and thawing index in the Three Rivers Source Region from 1961 to 2019
图8
图8
1961—2019年三江源地区冻结指数(a)、冻结指数变化率(b)、融化指数(c)、融化指数变化率(d)空间分布[图(a)、(c)中蓝点大小表示冻结、融化指数大小,图(b)、(d)中红点表示冻结、融化指数增大,蓝点表示减小,五角星表示未通过P<0.05的显著性检验]
Fig. 8
The long-term average and trend spatial distribution of freezing and thawing index in the Three Rivers Source Region from 1961 to 2019: the long-term average of freezing index (blue circles) (a), the long-term trend of freezing index (blue circles reflect it is decreasing, red circles reflect it is increasing) (b), the long-term average of thawing index (blue circles) (c), the long-term trend of thawing index (blue circles reflect it is decreasing, red circles reflect it is increasing) (d), and five-pointed star indicate no significant change (P<0.05)
图8(b)和图8(d)则分别显示了三江源地区各站点冻结、融化指数在1961—2019年期间的变化趋势。如图8(b)所示,在1961—2019年期间,除河南站外,三江源地区19个站点冻结指数显著减小,所有站点均通过P<0.1的显著性检验,减小速率为39.5~165.2 ℃·d·(10a)-1,其中有5个站点减小速率小于50 ℃·d·(10a)-1,贵南站最小,仅为39.5 ℃·d·(10a)-1,50%的站点(10个)在50~100 ℃·d·(10a)-1之间,3个站点在100~150 ℃·d·(10a)-1之间,只有同德站一个站点减小速率超过150 ℃·d·(10a)-1,达到了165.2 ℃·d·(10a)-1;而河南站冻结指数在1961—2019年期间呈显著增大趋势,速率为27.8 ℃·d·(10a)-1。如图8(d)所示,在1961—2019年期间,三江源地区融化指数均在增大,增大速率为2.8~131.2 ℃·d·(10a)-1,并且除河南站外所有站点均通过P<0.05的显著性检验,其中有75%的站点(15个)增大速率在50~100 ℃·d·(10a)-1,4个站点增大速率小于50℃·d·(10a)-1,其中河南站速率虽然最小[2.8 ℃·d·(10a)-1]但并未通过显著性检验,其次贵南站增大速率最小,为35.6 ℃·d·(10a)-1,只有同德站一个站点增大速率超过了100 ℃·d·(10a)-1,速率为131.2 ℃·d·(10a)-1。
分析三江源地区季节冻土冻融状态指标和各因子相关性(图9)可以看出,温度是影响三江源地区季节冻土冻融状态的主要因素,季节冻土最大冻结深度[图9(a)]、冻结开始日期[图9(b)]、完全融化日期[图9(c)]、冻融期[图(9)d]均与年平均气温、年平均地表温度、冻结指数和融化指数表现出较强的相关性,其次海拔和雪深也表现出了对季节冻土冻结状态的显著影响,而经、纬度和降水与季节冻土冻融状态的相关性相对较小。分析三江源地区季节冻土最大冻结深度与冻融期和冻结开始日期、完全融化日期的关系发现,冻融期越长、完全融化日期越晚,冻结深度越大,而冻结开始日期对其的影响相对较小,表现为冻结开始日期越早,冻结深度越大。另外分析冻结开始日期和完全融化日期与冻融期的关系发现,冻融期与完全融化日期和冻结开始日期间的相关系数分别为0.93和0.80,可见冻融期受完全融化日期的影响大于冻结开始日期的影响,而冻结开始日期受温度、海拔以及经、纬度的影响相对较小,完全融化日期则更容易随这些因素的变化而变化进而导致冻融期发生变化。
图9
图9
1961—2019年三江源地区季节冻土冻融状态与影响因子相关性(**表示通过P<0.01显著检验,*表示通过P<0.05显著检验,ALT为海拔,Lat为纬度,Lon为经度,SD为雪深,PRE为降水,MAAT为年平均气温,MAGST为年平均地表温度,TI为融化指数,FI为冻结指数)
Fig. 9
Correlation between maximum freeze depth, each freeze-thaw state variable in the Three Rivers Source Region from 1961 to 2019 and impact factors: maximum freeze depth (a), the first date of soil freeze (b), the last date of soil thaw (c) and freeze-thaw duration (d) (** indicate effectiveness is certificated (P<0.01), * indicate effectiveness is certificated (P<0.05), ALT is altitude, Lat is latitude, Lon is longitude, SD is snow depth, PRE is precipitation, MAAT is mean
分析各影响因子对三江源地区季节冻土冻结状态贡献率(图10)发现,季节冻土最大冻结深度受温度影响最大,其中融化指数、年平均气温、海拔和年平均地表温度的累积贡献率达到了80%以上,融化指数和年平均气温贡献率均达到30%左右,相对而言雪深和降水对其影响非常小,贡献率均未达到1%;冻结开始日期也受温度影响最大,其中年平均气温的影响最大,贡献率达到近40%,其次是融化指数,其余因子对其贡献率均小于10%,特别是冻结指数和积雪对其贡献率均未达到1%;完全融化日期也受年平均气温和融化指数的影响最大,贡献率均超过30%,而地表温度、雪深和降水对其影响非常小,贡献率仅在1%~3%;冻融期也是受年平均气温和融化指数影响最大,两者累积贡献率达到70%,而其他因子对其影响均未超过10%,特别是雪深(未达到1%)。对比发现,雪深和降水对三江源区季节冻土冻融状态影响非常小,特别是雪深对每个冻融状态指标的贡献率都非常小,分析该地区雪深数据发现,该地区1961—2019年期间雪深基本均小于20 cm,结合之前的研究发现当青藏高原的雪深<50 cm时,积雪对冻土的影响可以忽略不计[38],可见较小的雪深对该地区季节冻土基本未形成影响。综上,三江源地区季节冻土冻融状态主要受温度影响,地理因子则影响了季节冻土的空间分布,而降水和积雪对该地区季节冻土的影响非常小,特别是积雪的影响基本可以忽略。
图10
图10
1961—2019年三江源地区季节冻土最大冻结深度(a)、冻结开始日期(b)、完全融化日期(c)、冻融期(d)影响因子贡献率(ALT为海拔,Lat为纬度,Lon为经度,SD为雪深,PRE为降水,MAAT为年平均气温,MAGST为年平均地表温度,TI为融化指数,FI为冻结指数;虚线表示累积贡献率达到80%)
Fig. 10
Contribution rate of each influence factor to maximum freeze depth (a), the first date of soil freeze (b), the last date of soil thaw (c) and freeze-thaw duration (d) of seasonally frozen soil in the Three Rivers Source Region from 1961 to 2019 (ALT is altitude, Lat is latitude, Lon is longitude, SD is snow depth, PRE is precipitation, MAAT is mean annual air temperature, MAGST is mean annual ground surface temperature, TI is thawing index, Fi is freezing index, and dotted line indicate cumulative contribution reached 80%)
3 讨论
根据三江源地区5 cm深度处逐日土壤温度数据确定的月冻结天数以及月平均气温的相应关系发现,月平均气温与月冻结天数有较强的关系,当月平均气温小于-9 ℃时,土壤月冻结天数大部分为30天或31天(2月为28或29天);-9~4 ℃时土壤月冻结天数随着月平均气温的升高而减少;当月平均气温大于4 ℃时,土壤月冻结天数基本为0天(图11)。根据以上月冻结天数和月平均气温的关系,将地表土壤冻结状态按照月平均气温的阈值划分为以下三种情况:完全冻结(T<-9 ℃)、不完全冻结(-9 ℃≤T≤4 ℃)和不冻结(T>4 ℃)。完全冻结状态指的是地表土壤整月都完全冻结;不完全冻结状态指的是地表土壤在该月部分时间发生冻结,部分时间未发生冻结;不冻结状态指的是地表土壤在该月未发生冻结[35]。
图11
图11
1961—2019年三江源地区月平均气温与5 cm深度处土壤月冻结天数的关系
Fig. 11
Relationship between the mean monthly air temperature and the monthly soil frozendays at 5 cm depth in the Three Rivers Source Region from 1961 to 2019
基于以上三个地表土壤冻结状态,我们根据月平均气温,对三江源地区20个气象站点的地表土壤月冻结状态进行了划分(图12)。其中位于黄河源园区的玛多站海拔最高,完全冻结月份最多,达到了4个月,不完全冻结月份为5个月,不冻结月份最少,仅有3个月;曲麻莱、泽库和甘德站完全冻结月份为3个月,不完全冻结月份为5个月,不冻结月份为4个月;玛沁等7个站点完全冻结月份为2个月,除贵南站外其他6个站点不完全冻结月份为5个月,不冻结状态为5个月,贵南站不完全冻结月份为4个月,不冻结状态为6个月;杂多和久治站完全冻结状态仅为1个月,不完全冻结状态为6个月,不冻结状态为5个月;班玛等7个站地表土壤无完全冻结状态,其中班玛站不完全冻结状态为7个月,不冻结状态为5个月,玉树站不完全冻结状态为6个月,不冻结状态为6个月,同仁、囊谦和共和站不完全冻结状态为5个月,不冻结状态为7个月,贵德站和尖扎站地处三江源东部,海拔最低,不冻结状态月份最多,达到了8个月,不完全冻结状态为4个月。
图12
图12
1961—2019年三江源地区逐月地表土壤冻结状态图(蓝色代表完全冻结的月份,绿色代表不完全冻结的月份,红色代表不冻结的月份)
Fig. 12
The monthly freeze-thaw types of each station in the Three Rivers Source Region from 1961 to 2019 (Blue shade reflect soil is frozen in this month, green shade reflect soil is freeze-thaw in this month and red shade reflect soil is thawed in this month)
关于季节冻土冻融状态的变化已经开展了很多相关的研究,本研究对基于气象台站观测数据所得到的北半球、中国、青藏高原以及三江源地区不同时间段的研究结果进行了汇总(表1)。结果表明,在北半球[34]、中国[32]、青藏高原[14]以及三江源[25]地区均出现了季节冻土最大冻结深度减小、冻结开始日期推迟、完全融化日期提前以及冻融期缩短的情况,并且相较于冻结开始日期的推迟,完全融化日期的提前对冻融期的缩短影响更大,这些结果在全球其他地区也有类似的结果[29,39-42]。通过分析表1可见,在1960—2010年这一时间段前后,虽然青藏高原的最大冻结深度减小速率[4.9 cm·(10a)-1]大于三江源地区和中国整体水平,但三江源地区冻结开始日期推迟速率[3.2 d·(10a)-1]、完全融化日期提前速率[4.1 d·(10a)-1]和冻融期缩短速率[7.5 d·(10a)-1]均大于青藏高原和中国整体水平。通过对比1986—2010年前后北半球和三江源地区季节冻土冻融状态变化情况,三江源地区完全融化日期提前速率略小于北半球平均水平,而最大冻结深度减小速率、冻结开始日期推迟速率和冻融期缩短速率达到了北半球平均水平的近2倍。通过对比三江源地区季节冻土冻结状态各时间段的变化情况,2000—2014年该地区季节冻土退化速率明显加快,各参数变化速率达到了1960—2014年期间的2~3倍,1961—2019年各参数变化速率达到1960—2014年期间的2倍左右。综上所述,自20世纪60年代开始全球各地季节冻土退化趋势基本一致,区域尺度上青藏高原和三江源地区较中国和全球平均退化速率更快,时间尺度上21世纪以来季节冻土退化速率明显加快。当然在同一区域除时间序列的差异外,不同的计算方法和站点数量也会导致结果的差异,更加详细定量的分析还需考虑这些因素。
表1 北半球、中国、青藏高原以及三江源各时间段季节冻土冻结状态对比
Table 1
| 地区 | 时间段 | 最大冻结深度减小速率/[cm·(10a)-1] | 冻结开始日期推迟速率/[d·(10a)-1] | 完全融化日期提前速率/[d·(10a)-1] | 冻融期缩短速率/[d·(10a)-1] | 文献来源 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 北半球 | 1986—2005年 | 4.4 | 2.6 | 12.3 | 9.1 | Chen等[34],2022 |
| 中国 | 1961—2010年 | 4.1 | 2.0 | 3.6 | 5.6 | Wang等[32],2019 |
| 青藏高原 | 1960—2014年 | 4.9 | 1.8 | 4.1 | 6.0 | Luo等[14],2020 |
| 三江源 | 1961—2019年 | 8.1 | 6.4 | 7.5 | 13.7 | 本研究 |
| 1960—2014年 | 4.0 | 3.2 | 3.5 | 7.5 | Luo等[25],2017 | |
| 1985—2014年 | 8.9 | 5.6 | 9.4 | 14.7 | ||
| 2000—2014年 | 14.0 | 9.1 | 10.6 | 16.9 |
4 结论
本研究基于1961—2019期间三江源地区20个站点的观测资料,对该地区季节冻土冻融过程时空变化特征及其影响因素进行了综合评估,得出主要结论如下:
(1)三江源地区季节冻土冻结状态空间差异性较大,区域平均最大冻结深度为132.7 cm,冻结开始日期为第279日(10月中旬),完全融化日期为第128日(5月中旬),冻融期长达7个月多,为213.7 d。
(2)1961—2019年期间三江源地区季节冻土最大冻结深度呈显著减小的趋势[2.5 cm·(10a)-1],冻结开始日期显著推迟[2.9 d·(10a)-1],完全融化日期显著提前[2.6 d·(10a)-1],冻融期显著缩短[5.5 d·(10a)-1],显著的变化主要发生在1989—2019年。
(3)三江源地区季节冻土冻结状态主要受温度的影响,地理因子则更多影响了季节冻土的空间分布,对于多年冻土年际间变化的影响相对较小;降水和积雪对该地区季节冻土的影响非常小,特别是积雪的影响基本可以忽略。
(4)三江源地区冷季升温速率更大,对季节冻土冻结状态的影响也更大;温度的升高使得季节冻土冻结开始日期推迟、完全融化日期提前,进而导致冻融期缩短、冻结深度减小;相比于冻结开始日期,完全融化日期更容易受温度变化的影响,其对冻融期和冻结深度的影响也相对更大。
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