中國近地表土壤凍結天氣值及凍土空間分布特征

中國近地表土壤凍結天氣值及凍土空間分布特征

1地表凍融特性研究根據(jù)ipc的估計，在過去一個世紀（1906-2006年），世界上的平均地表溫度顯著增加（0.74,0,18）。由于土壤凍融過程中伴隨著大量的相變潛熱,同時改變了土壤的物理、熱學性質,因而在陸地—大氣之間的熱量傳輸過程中具有重要作用。隨著全球氣候變化的加劇,多年凍土熱狀態(tài)及其季節(jié)凍融過程的改變使得多年凍土退化,多年凍土中部分凍結碳參與到全球碳循環(huán)中,以CO2和CH4形式釋放到大氣中,增加大氣中溫室氣體含量,進而對氣候變化形成正反饋[2~6]。氣溫、積雪等地面條件的變化,可能增加地表凍融過程的頻率,并嚴重影響植物的生長過程。土壤水分同樣起著重要的作用,研究表明,干旱區(qū)土壤中的水隨著土壤凍融過程而發(fā)生變化,在變化過程中儲存了較長的氣候記憶,即春天融雪期氣溫與次年夏季溫度有較強關系。這是因為在外部氣溫較高時,融雪滲入干土中,使土壤能夠儲存更多潛熱,土壤含水量越高這種記憶越強,但在土壤不發(fā)生凍結的地區(qū)則沒有這樣的關系。相比之下,在濕潤地區(qū),由于土壤水分飽和,融雪容易形成徑流,對土壤中含水量的影響較小,不能存儲氣候記憶。因此,地表凍融狀態(tài)研究對于氣候變化、水文過程、生態(tài)系統(tǒng)等都具有重要的意義。描述地表土壤凍結時間主要有凍結持續(xù)時間和凍結天數(shù)。凍結持續(xù)時間是指一年中地表土壤第一次凍結到最后一次凍結的時間跨度,其往往受天氣異常變化的影響較大。同時,凍結持續(xù)時間中并不是連續(xù)發(fā)生凍結的。凍結天數(shù)是凍結持續(xù)時間內(nèi)地表土壤實際發(fā)生凍結的天數(shù),受極端天氣事件的影響較小,能較好地揭示多種氣候因子作用下的氣候變化。國外有很多研究利用凍結天數(shù)來探討與氣候變化相關的問題。如Kling等分析了北美五大湖地區(qū)的凍結天數(shù),結果顯示該地區(qū)凍結天數(shù)減少了約2周,冬天顯著變短。Henry利用加拿大31個氣象站點的歷史觀測資料,借助地表土壤的凍結天數(shù),分析了其與積雪、降水、氣溫的關系。結果顯示,盡管積雪不斷減少,但由于冬季氣溫的升高,使得凍結天數(shù)在不斷減少。在較暖地區(qū),降水減少導致地表積雪時間減少,可使該地區(qū)的凍結天數(shù)增加。在不同地區(qū),地表土壤對氣候變化的響應各不相同。中國的多年凍土區(qū)占中國陸地面積的22.4%,季節(jié)凍土和多年凍土的面積之和占中國陸地面積的70%。由于實際觀測的局限,對土壤表面凍融過程的研究往往在一些局部地區(qū)進行,尤其是青藏鐵路和公路沿線的多年凍土地區(qū)[14~16],還有一些研究工作在東北的多年凍土地區(qū)和黑河流域開展。這些工作已從物理、空間等方面對土壤表面的凍融狀態(tài)/過程進行了研究。研究多關注于多年凍土地區(qū),在對中國大范圍的研究中,往往是基于空間遙感方法,其中最直接有效的是被動微波遙感方法。由于遙感資料的限制,其研究時間較短。另外,有研究表明,盡管遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品在空間上具有極為良好的連續(xù)性,可以彌補站點觀測資料的不足,但遙感技術尚存在一些缺陷,往往需要大量的地面實測數(shù)據(jù)來驗證和改良。以往研究關注的是多年凍土地區(qū),其實,這種變化和影響在季節(jié)凍土地區(qū)同樣重要,尤其在季節(jié)凍土地區(qū)南界附近,冬季地表溫度更接近0℃,對氣候變化更為敏感。因此需要將研究范圍擴展至多年凍土地區(qū)、季節(jié)凍土地區(qū),這對于理解地表凍融狀態(tài)的變化及其對氣候變化的響應具有重要意義。本文將利用中國氣象站觀測的長時間序列,從空間和時間2個方面來分析凍融狀態(tài)的變化?？臻g上,對1971—2000年氣候平均水平的分布特征進行分析,并與已有的中國凍土分布圖進行比較;時間上,對1956—2006年整體地表土壤凍結天數(shù)的變化進行分析,并探討其與同期氣溫的相互關系。本文的結果來自地面觀測資料,可為驗證和改進遙感技術在地表凍融過程中的應用提供參考。2地表土壤凍融對氣候變化的響應已有文獻中,對如何定義土壤凍結狀態(tài)有許多不同見解。在土壤凍結狀態(tài)的判定中均參考日最低溫度。不同的是,由于應用目的的差異,選擇了不同的判斷閾值,大致為低于-2.2℃(完全凍透)至低于0℃(可能凍結)。還有學者根據(jù)連續(xù)發(fā)生低于0℃的時間來判斷凍結狀態(tài),如將連續(xù)5天或連續(xù)3天溫度低于0℃作為判斷指標。如前所述,不同地區(qū)凍結差異較大。嚴格的判斷標準可以得到最保守的凍結狀態(tài)的估計。對于南方地區(qū),本身溫度接近于凍結點,如果用上述嚴格定義來計算凍結狀態(tài),可能忽略部分土壤凍結地區(qū),而這一地區(qū)是反映氣候變化更敏感的地方。因此,本文在定義地表土壤凍結狀態(tài)時,借鑒Henry的方法,定義地表土壤溫度在≤0℃時發(fā)生凍結。本文使用的數(shù)據(jù)來自中國氣象局0cm的逐日土壤溫度資料(日最低溫度)。觀測站點共有845個(圖1)。在分析時間段的選擇上,主要考慮:原始數(shù)據(jù)集最早是從1951年開始的,但站點非常稀少,不利于計算結果的穩(wěn)定性;2006年以后,對內(nèi)蒙古、江西、湖北等地區(qū)的觀測站網(wǎng)進行了大規(guī)模調(diào)整。為了避免站點數(shù)量過少和臺站變動產(chǎn)生的偏差,綜合考慮之下,本文的分析時間選取為1956—2006年。根據(jù)國際氣象組織(WMO)的規(guī)范,采用30年作為氣候基準期;IPCC建議采用最新的氣候基線(1971—2000年的氣候平均值)來計算距平。需要指出的是青藏高原由于海拔、環(huán)境條件等因素的限制,觀測站點相對稀疏(圖1)。為了比較氣溫變化與地表土壤凍融的關系,使用中國氣象局整編的中國地面國際交換站氣候資料年值數(shù)據(jù)集進行提取、計算,其中包括了983個地面氣象站。在計算中國氣溫距平時,同樣參考1971—2000年的氣候基準期的平均水平。凍結天數(shù)是本文分析的統(tǒng)計指標。凍結天數(shù)是指一年中從7月1日至次年6月30日地表溫度低于0℃的天數(shù)之和。為了盡可能地保證統(tǒng)計的準確性,本研究采用了多種控制條件,計算流程見圖2。本文僅計算一年中超過180天有地表土壤溫度記錄數(shù)據(jù)的年份。在逐年計算之后,根據(jù)3σ原則對結果進行統(tǒng)計質量控制,剔除顯著離群的數(shù)據(jù)點。盡管有845個觀測站點,但并非所有的站點都擁有完整的1971—2000年的觀測數(shù)據(jù)。這里篩選站點的標準假定為:在1971—2000年間,有20年以上數(shù)據(jù)的站點才計算氣候平均值,才有時間序列。3結果與討論3.11凍結天數(shù)和凍結次數(shù)根據(jù)觀測數(shù)據(jù)計算了每個站點1971—2000年的多年平均凍結天數(shù),其空間分布如圖3所示。計算結果表明,中國土壤表面凍結天數(shù)的氣候平均水平與緯度、海拔呈現(xiàn)良好的一致性。凍結天數(shù)最多的地區(qū)主要有3個:青藏高原、新疆北部和東北地區(qū)北部,其多年平均凍結天數(shù)均超過200天,局部地區(qū)超過250天,青藏高原中部的凍結天數(shù)可能超過300天。短時凍土是每年土壤凍結天數(shù)在半個月以下的土壤,季節(jié)凍土是每年凍結在半個月至數(shù)月的土壤。分析結果顯示,凍結天數(shù)為17天(超過半個月)的等值線與25°N非常吻合。這表示,季節(jié)凍土的最南界約為25°N,25°N以南為短時凍土和不凍結地區(qū)。四川盆地由于其特殊的地形和氣候特征,這里的凍結天數(shù)顯著少于同緯度的其他地區(qū)。從計算結果來看,四川盆地的凍結天數(shù)也少于半個月,應劃為短時凍土地區(qū)。在22°N以南的地區(qū),多年平均凍結天數(shù)低于1天。表示該區(qū)域基本不凍結,但在極端情況下,依然存在發(fā)生凍結的概率。在中國東部地區(qū)(110°~120°E),地勢相對平坦,海拔變化對凍結天數(shù)的影響也較小,凍結天數(shù)從北至南呈現(xiàn)出比較明顯的緯度分布特征。3.21土壤凍結天數(shù)的變化扣除1971—2000年的氣候平均水平,得到中國氣象臺站觀測的地表凍結天數(shù)的序列(圖4)。結果顯示,中國地面臺站觀測的地表凍結天數(shù)在1956—2006年呈顯著的下降趨勢,其變化的線性斜率為-0.22d/a。在整個研究時間段中,地表凍結天數(shù)減少約11天,標準離差約20天。從局部來看,50年間凍結天數(shù)的變化有比較明顯的階段性。20世紀80年代中期以前,中國境內(nèi)近地表土壤凍結天數(shù)沒有明顯的變化趨勢,但年際變化很大。20世紀80年代中期以后凍結天數(shù)顯著減少,線性斜率為-0.50d/a。這一階段凍結天數(shù)的減少速率是50年間整體變化速率的2倍多。1992—2006年,凍結天數(shù)的線性斜率為-1.02d/a,說明90年代之后,凍結天數(shù)變化更加迅速。以往主要基于遙感數(shù)據(jù)來研究青藏高原多年凍土地區(qū)的地表凍融狀態(tài)。李新等應用被動微波遙感資料,估計出青藏高原1988—2007年地表凍結天數(shù)在以1.68d/a的速率減少。作為比較,這里計算了1988—2006年中國地表土壤凍結天數(shù)的變化。結果顯示,1988—2006年,觀測的地表凍結的線性斜率為-0.58d/a,約為李新等結果的1/3。為了比較,抽取了青藏高原及其邊緣的68個氣象站點的資料,計算了這些站點1988—2006年地表土壤凍結天數(shù)的變化,結果顯示,其線性斜率為-0.68d/a,在95%的置信水平上是顯著的。這個數(shù)值小于李新等估計的變化速率,但仍然大于同期整個中國的地表土壤凍結天數(shù)的變化速率。3.3與地表凍結天數(shù)的相關性一般認為,氣溫是影響土壤熱狀態(tài)的主導因素。為了揭示出氣溫解釋地表凍結天數(shù)變化的能力,本文用中國地面國際交換站氣候資料年值數(shù)據(jù)集計算了1956—2006年中國的氣溫距平變化,并與計算的凍結天數(shù)進行比較(圖5)。1956—2006年,中國的氣溫變化線性斜率為0.24℃/10a。通過與地表凍結天數(shù)比較(圖5),兩者的Pearson相關系數(shù)為-0.69。表明中國1956—2006年氣溫變化與土壤表面凍結天數(shù)的變化呈現(xiàn)較強負相關,與物理規(guī)律一致。通常認為氣溫是決定地表凍融狀態(tài)的主導因素。這里將計算得到的氣溫變化序列與本研究計算得到的地表土壤凍結天數(shù)的序列進行回歸分析。結果顯示,截距項并不能通過95%置信水平下的顯著性檢驗。取消截距項之后,斜率(-7.54d/℃)保持很好的顯著性,R2為0.47。這表明,氣溫與地表土壤凍結天數(shù)的變化趨勢具有很強的一致性,按氣溫的變化斜率估算,1956—2006年土壤表面凍結天數(shù)減少值為9.05天,與前文應用實際地表溫度計算的結果相差2天。雖然氣溫變化是影響地表土壤凍融變化的主要因素,但不能完全解釋土壤表面凍結天數(shù)的變化。從統(tǒng)計意義上,氣溫的變化僅能解釋土壤表面凍結天數(shù)變化的一半左右。還需要其他驅動因素來解釋,很多研究認為季節(jié)性積雪和地表植被應該對土壤熱狀態(tài)有重要的作用。3.4多年凍結土區(qū)的邊界土壤表面的熱狀態(tài)是影響凍土分布的一個重要因素。本文將1971—2000年土壤表面凍結天數(shù)的氣候均值與已有的中國凍土分布圖進行了比較(圖6)。結果表明,多年凍土區(qū)的邊界與凍結天數(shù)(220±10)天的等值線非常相似。短時凍土(凍結時間小于半個月)的邊界與凍結天數(shù)15天的等值線吻合,但四川盆地例外。主要是由于四川盆地屬于一個典型的閉塞型盆地,周圍的高山對南下的冷空氣有較強阻擋。本文采用普通Kriging插值方法來展現(xiàn)空間分布,青藏高原由于地形復雜、海拔變化較大,使得本文的結果在細節(jié)上還有待改善。4地表土壤凍結天數(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢本文從站點觀測的地表0cm土壤溫度出發(fā),統(tǒng)計了每個站點逐年的凍結天數(shù);計算了1971—2000年中國地表凍結天數(shù)的氣候平均值,并探討了其空間分布特征及其與凍土分布的關系;構建并分析了中國氣象臺站1956—2006年長時間地表凍結天數(shù)的時間序列,并與同期氣溫變化的統(tǒng)計關系進行了比較。得出的關鍵結論如下:(1)中國境內(nèi)地表土壤凍結天數(shù)的氣候平均值與緯度、海拔呈現(xiàn)良好的一致性。青藏高原、新疆北部和東北地區(qū)北部的多年平均凍結天數(shù)均超過200天,局部地區(qū)超過250天。季節(jié)凍土的最南界約為25°N,22°N以南地區(qū)基本為非凍結區(qū)。在東部地區(qū),地勢相對平坦,凍結天數(shù)從北至南呈現(xiàn)出比較明顯的緯度分布特征。(2)中國地面臺站觀測的地表土壤凍結天數(shù)在1956—2006年呈顯著下降趨勢,其變化率為-0.22d/a,有較明顯的階段性,尤其在90年代以后,減少率可達-1.02d/a。此外,青藏高原及其邊緣氣象站點在1988—2006年地表土壤凍結天數(shù)變化的線性斜率為-0.68d/a,大于同期全國變化斜率,但比遙感方法估計的同期變化斜率低很多。(3)地表土壤凍結天數(shù)的變化與氣溫變化呈顯著負相關,即氣溫升高,地表土壤凍結天數(shù)減少,但氣溫的變化并不能完全解釋土壤表面凍結天數(shù)的變化。從統(tǒng)計意義上,氣溫的變化僅能解釋土壤表面凍結天數(shù)變化的一半左右,尚需要進行更加深入、廣泛的研究。(4