辽宁西部地区冻土深度特征变化

辽宁西部地区冻土深度特征变化
宗艳伟;宗英飞
【摘要】为了给工农业生产及冻土研究提供依据,利用气候倾向率及相关分析等方法,分析辽西半干旱区冻土持续期、冻土最大深度变化特征以及对气候变暖的响应.结果表明,在气候变暖环境下,冻土封冻始期变化平缓；冻土层化通日期存在提前趋势,近10年比20世纪60年代提前7 d；冻土持续期缩短不明显；冻土最大深度明显变浅,每10年变浅4.1 cm,近10年比20世纪60年代变浅12 cm.气温、地面温度及降水量对冻土最大深度影响显著,冻土最大深度与气温存在线性关系,气温每升高1℃冻土最大深度将变浅5.74 cm.冻土层变浅有利于工农业生产,同时也有利于病虫越冬和界限北移,对防虫防疫不利.
【期刊名称】《宁夏农林科技》
【年(卷),期】2013(054)003
【总页数】3页(P56-58)
【关键词】气候变暖;冻土;变化特征;辽宁西部
【作者】宗艳伟;宗英飞
【作者单位】辽宁省朝阳市气象局,辽宁朝阳 122000
【正文语种】中文
【中图分类】S156.4
冻土深度是气候环境变化的反映，气温变化是冻土的重要影响因素。

多年来诸多学
者对我国西部青藏高原、新疆等地的冻土变化研究较多[1-6]，所得出的结论也较为集中，认为在气候变暖的环境下，青藏高原冻土区域缩小，厚度变薄，结冻日期推后，融化日期提前，冻土持续期缩短。

气候变化影响冻土的区域分布和冰冻渗透深度，蒋复初等[7]研究表明，我国大陆多年冻土线高程明显受高度地带性和纬度地带性控制，冻土区域在缩小；陈博等[8]研究表明，我国地区冻土融化过程所持续的时间比冻结持续时间长，表现出各自不同的特征，与地形、地理位置及土壤特性具有密切的关系。

冻土是土壤状况的一个重要部分，土壤冻结深度与农事活动、建筑、道路桥梁、铁路设计等关系密切，冻土对气候变化具有敏感性，因而研究其变化意义重大[9]。

气候变暖存在明显的区域性[10-13]，受气温变化的影响冻土存在区域性。

从指导地方经济发展角度出发，研究在全球变暖的背景下，辽宁西部冻土的变化特征和影响因子，构建冻土最大深度的预测信息，为辽宁西部地区冬季设施农业、道路修建和土木工程建设等地方经济发展服务。

因此，笔者通过对辽西地区具有代表性气象监测站冻土观测资料的整理和分析，揭示了辽西地区冻土的时空变化特征以及冻土深度与环境因子的关系，以期为地方农业生产、工业建筑提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 研究区概况
辽宁省西部与内蒙古赤峰市和河北省承德市接壤，占地面积相当于辽宁省总面积的1/2。

辽宁西部是内蒙古高原向沿海平原过渡的阶梯分界地带，属低山丘陵区，海拔在100~1 250 m，辽宁西部属北温带亚干旱气候区，四季分明，雨热同季，自然灾害频繁。

辽宁西部自然环境十分脆弱，水土流失，土地沙石化，耕地缩减，地力贫瘠和区域地下水位下降，导致环境的逐渐恶化。

1.2 资料来源
分析数据来自辽宁西部具有代表性的朝阳、叶柏寿国家基准气象站1960—2010
年逐日观测资料。

资料包括：日平均气温、日最高、最低气温、地面温度、地面最高、最低温度、降水量、日照时数和冻土初日、化通日期、10 cm冻土稳定日期、冻土持续期及最大冻土深度等。

1.3 分析方法
分析冻土持续期及深度的变化趋势，采用线性估算气候倾向率[14]，即：建立一元线性方程y=ax+b，确立要素yi与时间序列xi（xi年代序列号）的关系。

其中，
回归系数a表示要素的趋势倾向，a值的大小反映了上升或下降的速率。

a＞0表
示y随时间呈上升趋势；反之，a＜0表示下降趋势。

趋势项a乘以10，则称为每10年气候倾向率。

为了分析要素yi与时间序列xi，要素yi与要素yj间线性相关的密切程度，分别计算序列相关系数和要素间相关系数，见公式（1）。

式中，r为相关系数为时间（要素）平均值为要素平均值。

相关系数的显著性检验水平为r=0.05。

2 结果与分析
2.1 冻土冻结日期
随着地面温度下降至0℃以下，土壤出现冻结现象，此日期为封冻初始日期。

1960—2009年辽宁西部地区冻土初日最早出现在10月9日（1967、1969年），最晚出现在12月4日（1961年），变化幅度有56 d，平均在10月31日。

封
冻初期日消夜结，当冻土层冻结稳定10 cm为封冻日期，最早在11月12日（1972年），最晚在12月12日（1968年），变化幅度22 d，历年平均为11
月26日。

由图1可知，稳定冻土10 cm日期历年变化平稳，序列相关系数为
0.0099（P＞0.05)，不显著，倾向率仅为0.045 d/10 a，近50年稳定冻土10
cm日期变化趋近于0。

2.2 冻土解冻日期
当气温回暖地面温度上升至0℃以上冻土开始融化，辽宁西部地区冻土从2月份开始地表日融夜冻，进入3、4月冻土层化通。

1961—2010年冻土层化通日期平均为4月1日，1983年3月9日为最早，1984年4月28日为最晚，变化在50 d 之内。

由图2可知，冻土层化通日期呈提前趋势，序列相关系数为-0.2170（P＞0.05）,不显著，倾向率为-1.719 d/10 a，近 10年（2000/2001—2009/2010年）比前 10年（1960/1961—1979/1970年）平均提前7 d。

2.3 冻土持续期
冻土冻结稳定10 cm日期至冻土层化通日期为冻土持续期。

辽宁西部地区冻土期
平均为126 d，最长达155 d（1979年），最短只有102 d（1995年）。

由图3可知，1960/1961—2009/2010年冻土期存在缩短趋势，序列相关系数为 -0.174 3（P＞0.05）,不显著，倾向率为 -1.370 d/10 a，近10年（2000/2001—
2009/2010年）比前10年（1960/1961—1979/1970年）平均缩短2d。

2.4 冻土最大深度
经过漫长寒冷的冬季，在天气转暖之际冻土深度达到最大值。

辽宁西部地区冻土最大深度近50年（1960/1961—2009/2010年）平均为109 cm，1976/1977年
冬季最深为146 cm，2001/2002年冬季最浅为79 cm。

由图4可知，冻土最大
深度历年变化呈变浅趋势，序列相关系数为-0.422 2（P＜0.01),达极显著水平，
倾向率为-4.120 cm/10 a。

近10年（2000/2001—2009/2010年）比前10年（1960/1961—1979/1970年）平均变浅12 cm。

2.5 气温变化对冻土最大深度的影响
辽宁西部地区冻土期在11月~翌年3、4月，而影响冻土深度的主要时间在11月~翌年2月。

通过冻土最大深度、冻土期与11月~翌年2月平均气温、平均最高气温、平均最低气温、地面平均温度、地面平均最高气温、地面平均最低气温、降水量及日照时间的相关分析，空气温度和地面温度对冻土的影响最大，且负效应相关显著；同期降水量对冻土最大深度存在明显的正效应，日照时间对冻土影响不显著。

冻土最大深度（H）与11月~翌年2月平均气温（T）存在很好的线性关系，其回归方程式见（2）。

H=-5.741 3T+77.569（R=-0.643 0，P＜0.01）（2）
冻土最大深度随着气温的升高而变浅，平均气温每变化1.0℃，冻土最大深度将随之变化±5.741 3 cm。

3 结论与讨论
（1）辽西地区封冻平均在10月31日，解冻日期在4月1日，封冻持续期历时5个月，与新疆的北疆相近[5]。

封冻日期历年变化趋势不存在后推现象；这与高荣等[1]、陈博等[8]研究结果相悖。

解冻期有所提前；冻土持续期有缩短的倾向；冻土最大深度变浅明显，近10年变浅12 cm。

（2）封冻持续期的气温升高直接影响了冻土持续期和冻土最大深度。

温度是影响冻土最大深度的主要因素，冻土期气温越高冻土最大深度越浅，存在明显的线性关系，平均气温每变化1.0℃，冻土最大深度将随之变化±5.741 3 cm；冬季降水量的增加对冻土深度有促进作用。

（3）随着气候变暖，尤其是冬季气候的变暖，辽宁西部地区冻土期和冻土最大深度具有不同的响应。

冻土层变浅对工农业生产各有利弊。

对农业而言，给霜期农业带来有利的能量源泉，对设施农业的植物生长十分有利，气温升高冻土层变浅使病菌、越冬虫卵成活率增加，界限北移[15-16]，对来年动植物成长不利。

对工业而
言，冻土层变浅，持续期缩短，延长了土木工程建筑时间，对工程建筑损害性减小。

（4）通过分析可知，冻土持续期、冻土最大深度对气候变化具有敏感性，冻土发生变化的同时，地表面的热平衡也同时发生变化，也会反作用于局地气候变化，从而导致地方农业产业结构发生变化，关于这些连锁问题有待于进一步研究。

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