中國近地表土壤凍結(jié)天氣值及凍土空間分布特征

中國近地表土壤凍結(jié)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(jì)（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(xué)性質(zhì),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(jié)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(jìn)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(yán)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(qiáng)關(guān)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(qiáng),但在土壤不發(fā)生凍結(jié)的地區(qū)則沒有這樣的關(guān)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(jié)時間主要有凍結(jié)持續(xù)時間和凍結(jié)天數(shù)。凍結(jié)持續(xù)時間是指一年中地表土壤第一次凍結(jié)到最后一次凍結(jié)的時間跨度,其往往受天氣異常變化的影響較大。同時,凍結(jié)持續(xù)時間中并不是連續(xù)發(fā)生凍結(jié)的。凍結(jié)天數(shù)是凍結(jié)持續(xù)時間內(nèi)地表土壤實際發(fā)生凍結(jié)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(jié)天數(shù)來探討與氣候變化相關(guān)的問題。如Kling等分析了北美五大湖地區(qū)的凍結(jié)天數(shù),結(jié)果顯示該地區(qū)凍結(jié)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(jié)天數(shù),分析了其與積雪、降水、氣溫的關(guān)系。結(jié)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(jié)天數(shù)在不斷減少。在較暖地區(qū),降水減少導(dǎo)致地表積雪時間減少,可使該地區(qū)的凍結(jié)天數(shù)增加。在不同地區(qū),地表土壤對氣候變化的響應(yīng)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(jìn)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(jìn)行了研究。研究多關(guān)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(shù)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(guān)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(kuò)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(yīng)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(jìn)行分析,并與已有的中國凍土分布圖進(jìn)行比較;時間上,對1956—2006年整體地表土壤凍結(jié)天數(shù)的變化進(jìn)行分析,并探討其與同期氣溫的相互關(guān)系。本文的結(jié)果來自地面觀測資料,可為驗證和改進(jìn)遙感技術(shù)在地表凍融過程中的應(yīng)用提供參考。2地表土壤凍融對氣候變化的響應(yīng)已有文獻(xiàn)中,對如何定義土壤凍結(jié)狀態(tài)有許多不同見解。在土壤凍結(jié)狀態(tài)的判定中均參考日最低溫度。不同的是,由于應(yīng)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(jié))。還有學(xué)者根據(jù)連續(xù)發(fā)生低于0℃的時間來判斷凍結(jié)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(biāo)。如前所述,不同地區(qū)凍結(jié)差異較大。嚴(yán)格的判斷標(biāo)準(zhǔn)可以得到最保守的凍結(jié)狀態(tài)的估計。對于南方地區(qū),本身溫度接近于凍結(jié)點,如果用上述嚴(yán)格定義來計算凍結(jié)狀態(tài),可能忽略部分土壤凍結(jié)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(jié)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(jié)。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(jié)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(jìn)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(zhǔn)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(guān)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(jìn)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(zhǔn)期的平均水平。凍結(jié)天數(shù)是本文分析的統(tǒng)計指標(biāo)。凍結(jié)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(zhǔn)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(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)果與討論3.11凍結(jié)天數(shù)和凍結(jié)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(jié)天數(shù),其空間分布如圖3所示。計算結(jié)果表明,中國土壤表面凍結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)天數(shù)可能超過300天。短時凍土是每年土壤凍結(jié)天數(shù)在半個月以下的土壤,季節(jié)凍土是每年凍結(jié)在半個月至數(shù)月的土壤。分析結(jié)果顯示,凍結(jié)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(jié)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(jié)天數(shù)顯著少于同緯度的其他地區(qū)。從計算結(jié)果來看,四川盆地的凍結(jié)天數(shù)也少于半個月,應(yīng)劃為短時凍土地區(qū)。在22°N以南的地區(qū),多年平均凍結(jié)天數(shù)低于1天。表示該區(qū)域基本不凍結(jié),但在極端情況下,依然存在發(fā)生凍結(jié)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(jié)天數(shù)的影響也較小,凍結(jié)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(jié)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(jié)天數(shù)的序列(圖4)。結(jié)果顯示,中國地面臺站觀測的地表凍結(jié)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(jié)天數(shù)減少約11天,標(biāo)準(zhǔn)離差約20天。從局部來看,50年間凍結(jié)天數(shù)的變化有比較明顯的階段性。20世紀(jì)80年代中期以前,中國境內(nèi)近地表土壤凍結(jié)天數(shù)沒有明顯的變化趨勢,但年際變化很大。20世紀(jì)80年代中期以后凍結(jié)天數(shù)顯著減少,線性斜率為-0.50d/a。這一階段凍結(jié)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(jié)天數(shù)的線性斜率為-1.02d/a,說明90年代之后,凍結(jié)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(yīng)用被動微波遙感資料,估計出青藏高原1988—2007年地表凍結(jié)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(jié)天數(shù)的變化。結(jié)果顯示,1988—2006年,觀測的地表凍結(jié)的線性斜率為-0.58d/a,約為李新等結(jié)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(jié)天數(shù)的變化,結(jié)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(jié)天數(shù)的變化速率。3.3與地表凍結(jié)天數(shù)的相關(guān)性一般認(rèn)為,氣溫是影響土壤熱狀態(tài)的主導(dǎo)因素。為了揭示出氣溫解釋地表凍結(jié)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(jié)天數(shù)進(jìn)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(jié)天數(shù)比較(圖5),兩者的Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.69。表明中國1956—2006年氣溫變化與土壤表面凍結(jié)天數(shù)的變化呈現(xiàn)較強(qiáng)負(fù)相關(guān),與物理規(guī)律一致。通常認(rèn)為氣溫是決定地表凍融狀態(tài)的主導(dǎo)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(jié)天數(shù)的序列進(jìn)行回歸分析。結(jié)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(jié)天數(shù)的變化趨勢具有很強(qiáng)的一致性,按氣溫的變化斜率估算,1956—2006年土壤表面凍結(jié)天數(shù)減少值為9.05天,與前文應(yīng)用實際地表溫度計算的結(jié)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(jié)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(jié)天數(shù)變化的一半左右。還需要其他驅(qū)動因素來解釋,很多研究認(rèn)為季節(jié)性積雪和地表植被應(yīng)該對土壤熱狀態(tài)有重要的作用。3.4多年凍結(jié)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(jié)天數(shù)的氣候均值與已有的中國凍土分布圖進(jìn)行了比較(圖6)。結(jié)果表明,多年凍土區(qū)的邊界與凍結(jié)天數(shù)(220±10)天的等值線非常相似。短時凍土(凍結(jié)時間小于半個月)的邊界與凍結(jié)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(qiáng)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(fù)雜、海拔變化較大,使得本文的結(jié)果在細(xì)節(jié)上還有待改善。4地表土壤凍結(jié)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(jié)天數(shù);計算了1971—2000年中國地表凍結(jié)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(guān)系;構(gòu)建并分析了中國氣象臺站1956—2006年長時間地表凍結(jié)天數(shù)的時間序列,并與同期氣溫變化的統(tǒng)計關(guān)系進(jìn)行了比較。得出的關(guān)鍵結(jié)論如下:(1)中國境內(nèi)地表土壤凍結(jié)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(jié)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(jié)區(qū)。在東部地區(qū),地勢相對平坦,凍結(jié)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(jié)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(dá)-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(jié)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(jié)天數(shù)的變化與氣溫變化呈顯著負(fù)相關(guān),即氣溫升高,地表土壤凍結(jié)天數(shù)減少,但氣溫的變化并不能完全解釋土壤表面凍結(jié)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(jié)天數(shù)變化的一半左右,尚需要進(jìn)行更加深入、廣泛的研究。(4