近50年来中国季节性冻土与短时冻土的时空变化特征_陈博

第32卷第3期2008年5月

大 气 科 学

Chinese Jo urnal of A tmospheric Sciences

V o l 132 N o 13

M a y 2008

收稿日期 2006-12-13,2007-03-15收修定稿

资助项目 国家重点基础研究发展规划项目2006CB403600,公益性行业(气象)科研专项GYH Y200706005作者简介 陈博,男,1983年出生,硕士,主要从事中国冻土与气候关系的研究。E -m ail:cb @

近50年来中国季节性冻土与短时冻土的

时空变化特征

陈博

1,2

李建平

1

1中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室,北京 100029

2中国科学院研究生院,北京 100049

摘 要 在对中国冻土气象观测资料整理和分析的基础上,研究了中国冻土分布的时空演变规律。主要分析了中国冻土分布的季节变化、冻土深度的空间变化,以及冻结日期、解冻日期、冻结时间长度的空间分布特征,同时也分析了以上各要素的时间变化特征。结果表明:中国冻土分布广泛,在我国东部的长江以北地区、西北地区及青藏高原地区均有分布;其中季节性冻土具有显著的年内变化特征,冻结一般从秋季开始,冬末春初冻结的面积和深度达到最大,春季逐渐开始融化,夏季冻结的面积和厚度达到最小;冻土的冻结过程和融化过程表现出各自不同的特征,整个中国地区冻土的融化过程所持续的时间比冻结持续的时间长,也更为复杂,这与地形及土壤特性有着密切的关系;近几十年来,在全球变暖背景下,中国冻土主要表现为最大冻土深度减小,冻结日期推迟,融化日期提前,冻结持续期缩短,以及冻土下界上升的总体退化趋势,冻土的主要转型时期发生在20世纪80年代中期。

关键词 冻土 时空分布 变化趋势 年代际变化

文章编号 1006-9895(2008)03-0432-12 中图分类号 P461 文献标识码 A

Characteristics of Spatial and Temporal Variation of S easonal and

Short -Term Frozen Soil in C hina in Recent 50Years

CH EN Bo

1,2

and LI Jian -Ping

1

1S tate K ey L abor atory of N umerical M od eling f or A tmosp her ic S ciences an d Geoph ysic al Fluid Dynamics ,I nstitu te of A tmos -p her ic P hysics ,Chinese A cad emy of S cie nces ,B eij in g 1000292Gr adu ate Univ ersity of Chinese A cad emy of Sc ienc es,Be ij ing 100049

Abstract Based on the qualit y co ntr ol o f daily meteo ro log ical observ ation data of frozen soil in China,the spatial and tempo ral var iatio ns o f frozen so il hav e been investig ated.T he seasonal change o f the frozen so il,the chang e o f the fr ozen so il dept h,the beg inning dates and the ending dates ar e mainly analyzed.

T he results sho w that fr ozen so il occur s in mo st of the ter rito ry in China,including the nor th of the Y ang tze River ,No rthw est China and the T ibetan Plateau.T he monthly va riation of seasonal fro zen soil is sig nificant.T he freezing process generally beg an in autumn,and reached the maximum of depth and ar ea in the end of winter.In spr ing the fro zen soil beg an to thaw and finished in the summer.T he thaw ing and fr eezing processes of fr ozen so il demonstrated different cha racteristics and the thawing process per sisted long er and mor e complicatedly than the freezing process.T his has a ver y close relationship w ith so il characterist ics and topog raphic facto rs.In t he back -g ro und of g lobal war ming in the last few decades,the f rozen so il show ed a deg radat ion in China.T he max imum o f

frozen depth decreased,the beg inning dates of so il freezing occur red lat er and the ending dates of so il freezing oc-curr ed ear lier and the per sisting o f so il freezing short ened,as well as the soil base r ose.It is in the mid1980s that the sig nificant abrupt change of t he fr ozen soil happened.

Key words fr ozen soil,spatial and tempor al distributio n,tendency,inter decadal va riation

1引言

冻土,一般是指温度在0e或0e以下,并含有冰的各种岩土和土壤。按土的冻结状态保持时间的长短,冻土一般可分为短时冻土(数小时、数日以至半月)、季节冻土(半月至数月)以及多年冻土(数年至数万年以上)[1]。

冻土是地球系统五大圈层之一)))冰冻圈的重要组成部分,它覆盖全球陆地表面的很大面积,地球上多年冻土、季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50%,其中,多年冻土面积占陆地面积的25%[2]。在北半球,多年冻土约占陆地表面的24%,季节冻土约占30%[3]。在全球各大洲均有季节冻土发生,在欧亚大陆,系统冻结区(每年发生)南界一般可到30b N,在南半球季节冻土冻结面积比北半球小得多[4]。

由于冻土分布广泛且具有独特的水热特性,这使它成为地球陆地表面过程中的一个非常重要的因子。一方面,冻土是气候变化的灵敏感应器,气候变化将引起冻土地区环境和冻土工程特性的显著变化,这一点正在被冰冻圈检测所证实。另一方面,冻土的变化也反作用于气候系统,因为冻土影响到陆地表面的热平衡,当土壤冻结或消融时,会释放或消耗大量的融化潜热,土壤的热特性也随之改变[4,5]。同时,冻土的变化也会对建立在其上的生态环境造成很大的影响[6]。

冻土研究目前主要集中在北半球。过去数十年的研究表明,多年冻土在普遍的融化,季节冻土的范围在缩小,在西伯利亚地区、北美的加拿大、阿拉斯加地区都观测到了地温升高,冻土退化的事实[6~9],科学家们认为过去数十年永久冻土和季节冻土区的变化是气候增暖的结果[10~12]。全球变暖导致了多年冻土的退化和消融,从而导致存储在冻土中的碳的释放,这又进一步加剧了全球变暖[13,14]。

在我国,冻土也有广泛的分布,季节性冻土和多年冻土影响的面积约占中国陆地总面积的70%,如果算上短时冻土其面积则要占到90%左右,其中多年冻土约占2213%[15],冻土对我国人民生活和经济建设有着举足轻重的影响。对我国冻土的研究目前主要集中在青藏高原地区,对高原以外地区的冻土时空分布特征、变化趋势以及年代际变化了解得不多。在全球变暖的背景下,中国的冻土是否也随之出现了显著的退化现象,而由此带来的一系列的生态退化问题将会引起更多的社会、经济问题和更为广泛的社会关注。由于我国的冻土研究主要利用样本较少的野外勘探资料,因此观测资料成为首先要解决的问题,本文通过对中国气象台站冻土观测资料的整理和分析,揭示了中国冻土的时空变化特征,以及在全球变暖背景下中国冻土的变化趋势。

2资料及处理方法

211观测资料来源

本文所用资料是由中国气象局提供的476个气象台站观测的逐日冻土气象观测资料。最早的冻土观测起始于1955年。气象台站主要通过冻土器进行冻土的测量,承担冻土观测的气象站,根据埋入土中的冻土器内水结冰的部位和长度,来测定冻结层次及其上限和下限深度。冻土深度以/cm0为单位,取整数,小数四舍五入。

212资料质量控制

由于站点资料的时间长度不一致,许多站点由于各种原因存在较多的缺测年和超刻度的现象,同时站点的撤销和迁移也对资料的质量造成一定的影响。基于上述原因,在对冻土进行研究之前,我们首先要对冻土的气象观测资料进行质量控制,以确保资料的可靠性和准确性。

(1)超刻度的处理:当冻土的深度超过了冻土测量器的最大测量深度时,视为超刻度。超刻度的记录是在最大测量深度上再加上500cm。全国一共有94个站点出现过超刻度现象,这些站点主要分布在黑龙江、内蒙古、甘肃、新疆、青海、西藏6省,超刻度的出现年数大多小于5年,通过观察可

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陈博等:近50年来中国季节性冻土与短时冻土的时空变化特征

CH EN Bo et al.Characterist ics o f Spatial and T empo ral Var iation of Seasonal and Shor t-T er m Fro zen...