青海季节冻土退化的成因及其对气候变化的响应

01 91 33 01 44 3 01 74 33 201 14 01 74 33 01 62 33 01 86 33 01 51 33
01 86 33 01 93 33 01 88 33 01 86 33 201 19 01 07 2 01 11 01 57 33 01 81 33 01 84 33 01 90 33 01 87 33 201 38 3 201 54 33 201 61 33 201 58 33 01 86 33 01 84 33 01 89 33 01 84 33 01 03 201 19 201 06 201 27 01 79 33 01 87 33 01 78 33 01 84 33 01 49 3 01 02 01 02 01 40
01 84 33 201 37 01 90 33 201 12 01 88 33 201 01 01 69 33 01 23
01 92 33 01 66 33 01 85 33 01 32 3 01 93 33 01 49 33 01 80 33 01 57 33
01 85 33 01 57 33 01 81 33 201 06 01 79 33 01 45 33 01 91 33 01 83 33
研究 。E2mail : qhxnll @sohu1 com 。
1 期
李 林 等 : 青海季节冻土退化的成因及其对气候变化的响应
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对气候变化响应的综合分析研究尚不多见 。因此 , 揭示季节冻土退化的成因及其对气候变 暖的响应已成为应用气候研究亟待解决的一个重要课题 。
2 资料来源与技术方法
表 1 青海代表台站基本情况 Tab1 1 Sheet for the basic condition at representative stations in Qinghai
台站 刚察 格尔木 西宁 曲麻莱
纬度 (N) 经度 ( E) 海拔高度 ( m) 37°20′ 100°08′ 33011 5 36°25′ 94°54′ 28071 6 36°43′ 101°45′ 22951 2 34°08′ 95°47′ 41751 0
代表区域 环青海湖地区 柴达木盆地 东部农业区
青南高原
与区域台站气温的 R 冻土资料起止时间 (年)
01 776～01 935
1980～2003
01 785～01 966
1961～2003
01 729～01 972
1961～2003
01 734～01 864
1980～2003
3 结果分析
31 1 冻土的影响因子 影响冻土的因子很多 , 诸如气候 、地形 、雪盖 、植被 、水体 、岩性和含水量等等 。这 些因子都积极参与大气与地面间的热交换 , 影响地面和地中温度状况 , 从而决定冻土的冻 结和融化过程[8] 。以下重点探讨地形和气候因子对季节冻土的影响 。 31 11 1 地形对季节冻土的影响 利用青海高原 52 个气象站实测年平均 0cm 地温与海拔 、 纬度 、经度进行多元线性回归统计分析 , 得到以下关系式 :
收稿日期 : 2006212215 ; 修订日期 : 2007205230 基金项目 : 中国气象局气候变化专项项目 (ccsf22005222Q H23) 资助 作者简介 : 李林 (19712) , 男 , 甘肃永登人 , 高级工程师 , 在读硕士 。主要从事气候变化及其对生态环境的影响
Td0 = 10481 056 - 101 826 E - 41 139W - 01 064 H 式中 Td0 为年平均 0cm 地温 ( ℃) ; E、W 分别为十进制表示的纬度和经度 (°) ; H 为 海拔高度 (m) 。对回归方程进行 F 检验 , 方程的 F 为 4541 15 远大于临界值 F0101 = 51 06 , 可以认为关系是显著的 。R 为计算值与实测值的复相关系数 , R = 01 985 也远大于临界值 R0101 = 01 354 。对应于 E、W 、 H 的标准回归系数分别为 b1 = - 01 481 ; b2 = - 01 363 ; b3 = - 11 312 。| b3 | > | b1 | > | b2 | ,表明海拔高度是影响青海省年平均 0cm 地温最显著的因素 , 纬度次之 , 经度最低 。就是说 , 青海省年平均 0cm 地温主要受高度和纬度控制 , 经度变 化也有一定的影响 。由于标准回归系数均为负值 , 说明在全省范围内年平均 0 ℃地温向 北 、向东和向高处降低的趋势 。通常情况下 , 随着海拔高度的增高 , 年平均 0 ℃地温降
表 2 平均气温 ( T) 及日较差 ( Tm) 与 0cm 地温的相关系数 Tab1 2 The correlation coeff icient of air temperature ( T) and 0cm ground temperature ,
daily difference ( Tm) and 0cm ground temperature respectively
01 84 33 01 66 33 01 85 33 01 03 01 74 33 01 51 33 01 84 33 01 73 33
01 95 33 01 54 33 01 85 33 01 39 3 01 84 33 01 40 33 01 89 33 01 54 33
01 83 33 01 25 01 73 33 201 25 01 76 33 01 58 33 01 41 3 01 66 33
1 引言
青海地处青藏高原东北部 , 由于受青藏高原隆起形成的特殊地理环境和严酷气候条件 的共同影响 , 季节冻土和多年冻土在境内各地广有分布 , 成为我国青藏高原冻土大区的重 要组成部分 。冻土的存在和发展演变 , 对青海省基础设施建设 、资源开发利用和人民生活 均有着十分重要的影响 。研究表明[1] , 青海高原冻土出现季节冻土面积增大 、多年冻土萎 缩 、冻土下界上升 、冻土温度上升 、季节冻结时间缩短 、冻土深度变浅等一系列的退化问 题 。使冻土控制植被成为适应寒旱生境的年轻植物区系 、冻土中的大厚度区域性隔水层及 其活动层对水资源的调节作用等特殊生态环境功能减弱 , 影响工程建筑稳定性的冻胀 、融 沉地质功能增强 , 从而加速了高寒草场的退化和地表水资源的减少 , 引发出更多的冻土区 工程地质问题[2] 。同时 , 多年冻土退化使赋存于高寒草地和维系高寒草地生长发育的多年 冻土表部的冻结层地下水水位持续下降或消失 , 从而引发并加剧了高寒草地的草地退化 、 沙漠化和盐渍化和水环境变异 , 成为导致黄河源区占主导地位的高寒草甸失水向沙漠化草 地和 “黑土滩”型次生裸地退化的主要地质原因[3 ,4] 。近年来 , 在人类活动和气候对冻土 的影响 、冻土温度的变化以及积雪等对冻土的影响等方面也做了大量的研究〔[5～7]〕, 张国 胜等对青海高原季节冻土退化的驱动因素进行了专题讨论 , 认为在人为活动和气候变化对 季节冻土退化的驱动作用中以农村人口 、牲畜数量 、播种面积等反映人类活动因素的作用 更为显著 , 而气候变暖是造成季节冻土退化的主导气候因素[8] 。长期以来尽管气象部门在 青海等地进行了规范化的冻土观测 , 特别是地温观测 , 积累了丰富资料 , 但有关冻土退化
第 27 卷 第 1 期 2008 年 1 月
地 理 研 究 GEO GRA P H ICAL R ESEA RC H
Vol1 27 , No1 1 J an1 , 2008
青海季节冻土退化的成因及其对 气候变化的响应
李 林1 ,2 , 王振宇2 , 汪青春2 , 朱西德2
(11 中国气象局国家气候中心气候研究开放试验室 , 北京 100081 ; 21 青海省气候中心 , 西宁 810001)
注 : 带 3 、3 3 者分别通过 01 05 、01 01 信度显著性水平的检验 , 下同 。
(1) 气温对季节冻土的影响研究表明[9] , 年平均气温与冻土的年变化深度 、季节冻 结和融化层底面之间都有良好的相关关系 。表 2 列出了平均气温及气温日较差与 0cm 地 温的相关系数 。可以看出 , 各月以及年平均气温与该月以及年的 0cm 地温呈显著的正相 关关系 , 其显著性水平除曲麻莱 8 月为 01 05 信度外 , 其余均达到了 01 01 的信度 。而 0cm 平均地温和气温平均日较差的关系较为复杂 , 尤其在冬季表现出明显的地区差异 , 冬季升 温明显 、年较差较低的西宁 、格尔木基本上为负相关 , 而升温不甚显著 、年较差相对较大 的刚察 、曲麻莱为微弱的正相关 , 除冬季以外的其他季节基本上表现为正相关 。这是由于 西宁 、格尔木冬季温度的升高主要是由于最低温度的升高所引起的[10] , 而最低温度的升 幅明显高于最高温度的升幅导致了冬季日较差的减小 , 而日平均温度升高同时引起了 0cm 地温的升高 , 从而使气温日较差与 0cm 地温表现出相反的变化趋势 。统计表明 , 代表台 站年平均地温和气温年较差相关系数均在 - 01 66 以上 , 均达到了 99 %信度的显著性水平 ,
通过对青海 52 个气象台站观测的冻土资料序列普查 , 选取了资料序列相对较长 、区 域代表性相对较好的西宁 、刚察 、格尔木 、曲麻莱共 4 个气象台站的 0～320cm 地温 、最 大冻土深度 、冻土厚度等冻土资料及气温 、降水 、运量 、日照时数等基本气象资料进行统 计分析 , 各代表台站基本情况 , 所代表的自然地理区域和与区域内台站气温的相关系数如 表 1 所示 。可以看出 , 其相关系数均通过了 01 001 信度的显著性检验 , 表明选取的 4 个台 站对区域气候具有较好的代表性 。同时 , 鉴于多年气候状况也较好地反映了自然地理条件 的作用 , 因此 , 4 个代表台站对不同区域的地理状况也应该具有较好的代表性 。在模拟地 形因子对冻土空间分布影响的研究时 , 主要采用青海 52 个气象台站海拔高度 、经度 、纬 度等基础资料与 1971～2000 年标准时间段的 0cm 地温统计值进行分析 。在进行冻土对地 形 、气候因子的响应分析中 , 采用了相关分析 、回归分析等统计学方法 。
月份 1
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3
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9
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12
年
刚 Tm 01 90 33 01 89 33 察 Tm 01 24 01 06 格 Tm 01 91 33 01 92 33 尔 木 Tm 201 57 33 201 52 33 西 T 01 86 33 01 89 33 宁 Tm 201 18 201 07 曲 T 01 87 33 01 86 33 麻 莱 Tm 01 03 01 27
摘要 : 利用相关分析等数理统计学方法 , 分析了地形 、气候等自然因子对季节冻土时空分布 的影响 , 模拟了冻土对气温 、降水 、云量等气候因子变化的响应 。研究表明 : 地形 、气候因 子对青海季节冻土的分布和演变有显著影响 , 气候变暖是造成季节冻土退化的主要原因 ; 西 宁城市化造成的 “热岛效应”的加剧以及青海湖水位下降引起的 “水体效应”的削弱等局地 变化在某种程度上强化了季节冻土对气候变化的响应 ; 季节冻土对气温变化的响应在旬 、月 尺度上较年际尺度上表现得更为明显 , 同时 , 随着冻土深度的加深其滞后效应越明显 。 关 键 词 : 季节冻土 ; 退化 ; 气候变化 ; 响应 ; 青海 文章编号 : 100020585 (2008) 0120162209
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地 理 研 究
27 卷
低 , 地表平均温度年较差减少 , 因此在其他条件相同的情况下 , 随着海拔高度的增高多年 冻土的融化深度减少 , 而季节冻土的冻结深度增大 。也正是由于海拔高度的作用 , 在同一 气候波动下 , 山地因其海拔高度高于盆地 、谷地和高平原 , 而具有更低的气温环境 , 加上 地势高耸有利于热量散失 , 基岩裸露具有较大导热率等原因 , 易形成多年冻土且温度较 低 , 厚度较大 ; 盆地 、谷地和高平原由于地势较低 、气温相对较高 , 加上地表水 、地下水 的作用 , 易形成季节冻土且温度较高 、厚度较薄 。另外 , 坡度 、坡向直接影响到地面接收 太阳辐射的强度 , 通常北坡接受的太阳辐射量要明显小于南坡 , 甚至冬季北坡接受的太阳 辐射年总量仅占南坡的 1/ 10 , 因此南坡地温高 、温差大 , 在同等条件下冻土下界较北坡 高 、深度较北坡浅 。 31 11 2 气候对季节冻土的影响 冻土的形成与地表面的辐射 - 热量交换密切相关 , 土壤 热交换量是连接空气与冻土层上部土层热状况的纽带 。尽管土壤热交换量年内正负值的差 异很小 , 但也不可忽视 。冻土层的进化和退化 , 即冻土层厚度的增大和减少 , 冻土形成或 完全消失等决定于夏半年热交换量与冬半年土壤热交换量的对比关系以及地中热流的变化 方向 。而气温 、降水 、云量 、日照以及积雪等气候因素都会对地表面的辐射和热量交换产 生影响 , 从而影响到冻土的变化 。