祁连山冬季冻土深度影响系统分析1

祁连山冬季冻土深度影响系统分析1
摘要：利用祁连山区9站1960～2004年45年冬季最大冻土资料，分析了祁连
山区冬季冻土的时间变化及影响因素，并对比分析了冻土深年和冻土浅年高空环
流特征。

结果表明：祁连山区冬季最大冻土深度的年际变化呈现逐渐减小趋势，
其减小速率为7.11cm/10a，可靠性通过了0.001信度检验；冻土深度与气温是呈
反相关关系，冻土深度随气温的升高而减小，气温对祁连山区东部山区影响最为
明显，其次是西部山区，影响最小的是中部山区；冻土深年，新疆脊较正常年份强，且偏西，高空气温较正常年份高，而OLR较正常年份强；冻土浅年，新疆脊
较正常年份弱，气温较正常年份低，OLR较正常年份弱。

关键词：祁连山区；冬季最大冻土深度；环流特征
引言
祁连山背靠青藏高原，横贯河西走廊全境，被称作河西走廊的“母亲山”，冰
雪融水孕育了56条内陆河，汇集而成的石羊河、黑河、疏勒河三大水系造就了
河西数千年的富庶与繁荣；然而近年来随着全球升温和人类活动的加剧，祁连山
出现了严重的雪线上移、冰川退缩、雪线上移、植被退化、荒漠化加剧、出山径
流减少、生物多样性下降等环境退化现象；因此对祁连山的研究关系着河西地区
经济社会发展以及国民经济的快速发展。

对祁连山区的研究，张强、张良、郭良
才等对祁连山区空中水汽分布进行了研究；高艳红等分析了祁连山春季土壤状况；张杰等分析了祁连山区雪面积和雪线高度的变化状况；而目前已有的研究中，对
祁连山区冻土的研究并不多见。

冬季冻土深度的大小能够影响次年沙尘暴的数量
与强度，冬季冻土的深浅能影响次年冬小麦的生育期与产量，而本文就祁连山区
最大冻土的时间变化、影响冻土变化的物理因素及高空环流特征等方面进行研究。

1．资料来源与处理方法
文章所用的资料为祁连山区北部青海、甘肃省境内的9个站点的最大冻土资料，资料时段为1960～2004年45年冬季最大冻土资料，所选的站点为高台、张掖、民乐、祁连、山丹、永昌、武威、乌鞘岭、永登9站。

本文主要应用趋势系数、线性回归、相关检验、F检验等分析方法。

趋势系
数表示要素变化的幅度，相关系数检验两个变量相互关系的密切程度，F检验则
是检验回归方程的回归效果，若F计算值大于或等于F临界值，则回归方程有意义。

2．祁连山冬季冻土年际变化
利用祁连山区9站平均最大冻土深度的年际变化，即平均最大冻土深度为AVERAGE(1960~2004：各站)，分析其时间变化规律。

1961～2004年间冬季冻土最大深度总体上是波动性减小的，其减小速率为
7.11 cm/10a，通过了0.001可靠性检验；1961～1964年的平均冻土深度是逐年减
小的，1964～1967年增加，其中1966年较之增加显著，增加率为16.9cm/a，1967～1969年缓慢减小，1970年略有增加后，1970～1972年继续减小，1973年
增加，1974年略有减小后，1974～1976年则大幅度增加，至1976年达到冻土深
度的最大值，为142.6cm，1976～1978年平均冻土深度急剧减小，尤其1978年
的减小率达到年际变化速率的次大值 20.9cm/a，1978～1979年冻土深度剧增，其变化速率到达最大，为21cm/a，1979～1981年是先急剧减小再缓慢减小，
1981～1983年是先剧增再缓慢增加，1983-1986年缓慢减小，1986～1988年缓慢
增加，1988～1990年先剧减再缓慢减小，1990～1992年缓慢增加，1993年减小后，1993～1995年再次缓慢增加，1996年剧烈减小，减小速率达到20.9cm/a，1996～2002年是锯齿型变化，至2002年，区域平均冻土深度达到最小，为
92.2cm，2003年突然增大，2004年再次突然减小到92.2cm。

3．祁连山冬季最大冻土影响因素分析
土壤冻结是土壤中所含水分冻结的一种特有物理现象，这一特有物理特性，
使其具有对气候变化敏感性，已有研究指出，决定土壤冻结深度的因子有气温、
地温、地面覆盖物、土壤含水量、以及土壤与积雪的热力特性等。

本文主要从气
温对冻土深度的影响因素进行分析。

选取高台、张掖、武威作为西部、中部、东部代表站(表1)，分析冬季气温对
冻土深度的影响。

通过各站冬季平均温度对冻土的影响回归分析可以看出，最大
冻土深度与气温是呈反相关关系的，冻土深度随气温的升高而减小，随气温的减
小而增加，其影响系数为-6.83cm/℃，通过F0.01可靠性检验；气温对祁连山区东西部不同地区的影响能力也不尽相同，回归分析显示，温度对冻土深度的影响是
以武威为代表站的东部山区敏感性最高，敏感系数为-10.01 cm/℃，其次是以高台站为代表的西部站，影响系数为-5.94 cm/℃，影响能力最差的是以张掖为代表站
的中部山区，为-4.82 cm/℃，均通过了F0.01＝0.01的可靠性检验。

表1 最大冻土深度与气温的响应特征对比（Y为冻土深度，X为冬季平均气温） A 冻土深年 B 冻土浅年
图1 冻土深年A、冻土浅年B 500hpa高度距平场
冬季500hpa平均高度场上，新疆脊线位于80°E附近，东亚大槽槽线位于140°E以东，
西北地区位于新疆脊前和东亚大槽后部的西北气流控制之下。

冻土深年的500hpa高度距平
场上：20°N以北的高度场上，基本以90～100°E为分界线，以西为较强正距平，在50～60°E、40～50°N有以正距平中心，中心值为30，100°E以东为负距平，140°E以东、40～50°N有一
负距平中心，20°N以南为一致的负距平，切距平值向南增大，祁连山区处在0～5正距平区；可以看出，冻土深年，乌拉尔山地区为稳定的高脊，且其与极地高压打通，东亚大槽较也正
常年份偏深偏西，致使太梅尔半岛冷空气沿脊向东南滑下，在贝加尔湖堆积，形成较强冷空
气爆发，影响最低气温，造成最大冻土深度较正常年份深。

冻土浅年的5000hpa图上，70°E
以西、50°N以北的地区有一中心值为25的负距区，其余地方均为正距平，正距平中心在
50°E 、30～35°N ，中心值为30，祁连山区为距平值5～10的区域，可以看出，冻土浅年新
疆脊较正常年份强且偏东，东亚大槽较正常年份偏弱偏东，新疆脊阻挡了强冷空气的东南移东，使得冬季地面气温偏高，最大冻土深度浅。

4.2 冬季500hpa温度距平场
A 冻土深年 B冻土浅年
图2冻土深年A、冻土浅年B 500hpa温度距平场
冻土深年，贝加尔湖及东北地区北部处于负温度距平控制之下，在110～120°E、55°N附
近有一负温度距平中心，中心值为-1.3℃，其余地区均为正温度距平，祁连山区处于正温度
距平区中正距平相对小的区域，这说明在最大冻土深年，冷空气在贝加尔湖东北地区堆积，
造成强冷空气的爆发，甚至引发寒潮，影响西北地区，从而形成其最低气温低，地面最大冻
土深度大。

冻土浅年，温度距平呈带状分布，正温度距平区在80°E以西、60°N 向南延伸，
且其延伸至25°N时向东、并逐渐向北方向延伸直至35°N，在这一区域中有两个正温度距平
中心，分别为位于70°E、25°N中心值为1.3 ℃的正温度距平中心和位于120～140°E、25～30°N中心值为0.9℃的正温度距平中心，并有一细带状在120～130°E附近向北延伸，在70°N 附近呈漏斗状向北扩张；其余地方均为负温度距区，祁连山区处于负温度距平控制之下，这
说明在冻土浅年，不断有弱冷空气沿新疆脊滑下，影响祁连山区，但由于冷空气强度不大，
从而使得高空温度场较常年偏低，但地面最低气温较常年高，从而最大冻土深度较常年浅。

4.3 500hpa OLR距平场
射出长波辐射（OLR）的大小反应了观测地区的气候状况和云覆盖状况，因此利用OLR
距平场分析其对冻土深度影响关系的大小。

冻土深年的OLR分布状况较为复杂，25°N以南得广大地区均为负OLR距平区；25～40°N，100°E以东为正OLR据平区，有一正距平中心，分
中心值为7w/m2, 25～47°N，60～70°E有一正距平中心，中心值为10 w/m2；80°E、40°N有
一中心值为6的正距平中心；在80以东、40以北有一负OLR距平区，其有多个负距平中心，最大负距平中心值为-5；祁连山区处于正OLR距平控制之下，说明射出长波辐射强，地面辐
射强度大，大气上升运动弱，不利于气流的辐合，有利于地面高值系统的发展。

冻土浅年，
中国、沿海及蒙古共和国境内大部分地方为负OLR距平区，正距平中心有多个，主要位于35°N附近的中国大陆及沿海一带，新疆有一中心值为-4的负距平中心；青藏高原为正OLR距平控制，在青藏高原的西北部有一值为5的正距平中心，在110°E、40°N及130°E、40°N有
零星的正距平区；其余地方为正OLR距平区；祁连山区处于负OLR距平区控制，此时祁连山
区射出长波辐射弱，地面辐射弱，高空云系多，从而影响最低地面气温高。

A冻土深年 B冻土浅年
图3冻土深年A、冻土浅年B500hpaOLR度距平场
从高空500Hpa环流场上可以看出，最大冻土深年和最大冻土浅年，高度场、温度场及OLR场的环流配置都比较好：冻土深年，500Hpa环流场上，祁连山区处于高度正距平区、温
度正据平区和OLR正距平区，此时乌拉尔山地区为稳定的高脊，且其与极地高压打通，东亚
大槽较也正常年份偏深偏西，致使太梅尔半岛冷空气沿脊向东南滑下，冷空气在贝加尔湖东
北地区堆积，造成强冷空气的爆发，甚至引发寒潮，影响西北地区，且其射出长波辐射强，
地面辐射强度大，大气上升运动弱，不利于气流的辐合，有利于地面高值系统的发展，从而
影响其最低气温，造成最大冻土深度较正常年份深；冻土浅年，500Hpa环流场上，祁连山区处于高度正距平区、温度负据平区和OLR负距平区，新疆脊较正常年份强且偏东，东亚大槽
较正常年份偏弱偏东，新疆脊阻挡了强冷空气的东南移东，不断有弱冷空气沿新疆脊滑下，
影响祁连山区，但由于冷空气强度不大，从而使得高空温度场较常年略偏低，且此时祁连山
区射出长波辐射弱，地面辐射弱，高空云系多，从而影响最低地面气温高，从而最大冻土深
度较常年浅。

5结论
祁连山区最大冻土深度的年际变化上，冻土深度是逐渐减小的，其减小速率为
7.11cm/10a，可靠性通过了0.001信度检验。

祁连山区最大冻土深度与气温是呈反相关关系的，冻土深度随气温的升高而减小，随气
温的减小而增加，其影响系数为-6.83cm/℃，通过F0.01可靠性检验；气温对祁连山区东西部不同地区的影响能力也不尽相同，对东部影响最为明显，其次是西部山区，影响最小的是中
部山区。

冻土深年，新疆脊较正常年份强，且偏西，不断有冷空气沿脊滑下，高空气温较正常年
份高，而OLR较正常年份强；冻土浅年，新疆脊较正常年份弱，气温较正常年份低，OLR较
正常年份弱。

参考文献：
[1]张强,张杰,孙国武,等.祁连山山区空中水汽分布特征研究[J].气象学报:2007,65(4): 633-643.
[2]张良,王式功,尚可政,等.祁连山区空中水资源研究[J].干旱气象: 2007,25(1): 14-20,47.
作者简介：张金垒（1987-）男，汉族，河南临颍人，理学学士，助理工程师，主要从事短期天气预报和气候变化规律应用研究。