中国近地表土壤冻结天气值及冻土空间分布特征

中国近地表土壤冻结天气值及冻土空间分布特征

1地表冻融特性研究根据ipc的估计，在过去一个世纪（1906-2006年），世界上的平均地表温度显著增加（0.74,0,18）。由于土壤冻融过程中伴随着大量的相变潜热,同时改变了土壤的物理、热学性质,因而在陆地—大气之间的热量传输过程中具有重要作用。随着全球气候变化的加剧,多年冻土热状态及其季节冻融过程的改变使得多年冻土退化,多年冻土中部分冻结碳参与到全球碳循环中,以CO2和CH4形式释放到大气中,增加大气中温室气体含量,进而对气候变化形成正反馈[2~6]。气温、积雪等地面条件的变化,可能增加地表冻融过程的频率,并严重影响植物的生长过程。土壤水分同样起着重要的作用,研究表明,干旱区土壤中的水随着土壤冻融过程而发生变化,在变化过程中储存了较长的气候记忆,即春天融雪期气温与次年夏季温度有较强关系。这是因为在外部气温较高时,融雪渗入干土中,使土壤能够储存更多潜热,土壤含水量越高这种记忆越强,但在土壤不发生冻结的地区则没有这样的关系。相比之下,在湿润地区,由于土壤水分饱和,融雪容易形成径流,对土壤中含水量的影响较小,不能存储气候记忆。因此,地表冻融状态研究对于气候变化、水文过程、生态系统等都具有重要的意义。描述地表土壤冻结时间主要有冻结持续时间和冻结天数。冻结持续时间是指一年中地表土壤第一次冻结到最后一次冻结的时间跨度,其往往受天气异常变化的影响较大。同时,冻结持续时间中并不是连续发生冻结的。冻结天数是冻结持续时间内地表土壤实际发生冻结的天数,受极端天气事件的影响较小,能较好地揭示多种气候因子作用下的气候变化。国外有很多研究利用冻结天数来探讨与气候变化相关的问题。如Kling等分析了北美五大湖地区的冻结天数,结果显示该地区冻结天数减少了约2周,冬天显著变短。Henry利用加拿大31个气象站点的历史观测资料,借助地表土壤的冻结天数,分析了其与积雪、降水、气温的关系。结果显示,尽管积雪不断减少,但由于冬季气温的升高,使得冻结天数在不断减少。在较暖地区,降水减少导致地表积雪时间减少,可使该地区的冻结天数增加。在不同地区,地表土壤对气候变化的响应各不相同。中国的多年冻土区占中国陆地面积的22.4%,季节冻土和多年冻土的面积之和占中国陆地面积的70%。由于实际观测的局限,对土壤表面冻融过程的研究往往在一些局部地区进行,尤其是青藏铁路和公路沿线的多年冻土地区[14~16],还有一些研究工作在东北的多年冻土地区和黑河流域开展。这些工作已从物理、空间等方面对土壤表面的冻融状态/过程进行了研究。研究多关注于多年冻土地区,在对中国大范围的研究中,往往是基于空间遥感方法,其中最直接有效的是被动微波遥感方法。由于遥感资料的限制,其研究时间较短。另外,有研究表明,尽管遥感数据产品在空间上具有极为良好的连续性,可以弥补站点观测资料的不足,但遥感技术尚存在一些缺陷,往往需要大量的地面实测数据来验证和改良。以往研究关注的是多年冻土地区,其实,这种变化和影响在季节冻土地区同样重要,尤其在季节冻土地区南界附近,冬季地表温度更接近0℃,对气候变化更为敏感。因此需要将研究范围扩展至多年冻土地区、季节冻土地区,这对于理解地表冻融状态的变化及其对气候变化的响应具有重要意义。本文将利用中国气象站观测的长时间序列,从空间和时间2个方面来分析冻融状态的变化。空间上,对1971—2000年气候平均水平的分布特征进行分析,并与已有的中国冻土分布图进行比较;时间上,对1956—2006年整体地表土壤冻结天数的变化进行分析,并探讨其与同期气温的相互关系。本文的结果来自地面观测资料,可为验证和改进遥感技术在地表冻融过程中的应用提供参考。2地表土壤冻融对气候变化的响应已有文献中,对如何定义土壤冻结状态有许多不同见解。在土壤冻结状态的判定中均参考日最低温度。不同的是,由于应用目的的差异,选择了不同的判断阈值,大致为低于-2.2℃(完全冻透)至低于0℃(可能冻结)。还有学者根据连续发生低于0℃的时间来判断冻结状态,如将连续5天或连续3天温度低于0℃作为判断指标。如前所述,不同地区冻结差异较大。严格的判断标准可以得到最保守的冻结状态的估计。对于南方地区,本身温度接近于冻结点,如果用上述严格定义来计算冻结状态,可能忽略部分土壤冻结地区,而这一地区是反映气候变化更敏感的地方。因此,本文在定义地表土壤冻结状态时,借鉴Henry的方法,定义地表土壤温度在≤0℃时发生冻结。本文使用的数据来自中国气象局0cm的逐日土壤温度资料(日最低温度)。观测站点共有845个(图1)。在分析时间段的选择上,主要考虑:原始数据集最早是从1951年开始的,但站点非常稀少,不利于计算结果的稳定性;2006年以后,对内蒙古、江西、湖北等地区的观测站网进行了大规模调整。为了避免站点数量过少和台站变动产生的偏差,综合考虑之下,本文的分析时间选取为1956—2006年。根据国际气象组织(WMO)的规范,采用30年作为气候基准期;IPCC建议采用最新的气候基线(1971—2000年的气候平均值)来计算距平。需要指出的是青藏高原由于海拔、环境条件等因素的限制,观测站点相对稀疏(图1)。为了比较气温变化与地表土壤冻融的关系,使用中国气象局整编的中国地面国际交换站气候资料年值数据集进行提取、计算,其中包括了983个地面气象站。在计算中国气温距平时,同样参考1971—2000年的气候基准期的平均水平。冻结天数是本文分析的统计指标。冻结天数是指一年中从7月1日至次年6月30日地表温度低于0℃的天数之和。为了尽可能地保证统计的准确性,本研究采用了多种控制条件,计算流程见图2。本文仅计算一年中超过180天有地表土壤温度记录数据的年份。在逐年计算之后,根据3σ原则对结果进行统计质量控制,剔除显著离群的数据点。尽管有845个观测站点,但并非所有的站点都拥有完整的1971—2000年的观测数据。这里筛选站点的标准假定为:在1971—2000年间,有20年以上数据的站点才计算气候平均值,才有时间序列。3结果与讨论3.11冻结天数和冻结次数根据观测数据计算了每个站点1971—2000年的多年平均冻结天数,其空间分布如图3所示。计算结果表明,中国土壤表面冻结天数的气候平均水平与纬度、海拔呈现良好的一致性。冻结天数最多的地区主要有3个:青藏高原、新疆北部和东北地区北部,其多年平均冻结天数均超过200天,局部地区超过250天,青藏高原中部的冻结天数可能超过300天。短时冻土是每年土壤冻结天数在半个月以下的土壤,季节冻土是每年冻结在半个月至数月的土壤。分析结果显示,冻结天数为17天(超过半个月)的等值线与25°N非常吻合。这表示,季节冻土的最南界约为25°N,25°N以南为短时冻土和不冻结地区。四川盆地由于其特殊的地形和气候特征,这里的冻结天数显著少于同纬度的其他地区。从计算结果来看,四川盆地的冻结天数也少于半个月,应划为短时冻土地区。在22°N以南的地区,多年平均冻结天数低于1天。表示该区域基本不冻结,但在极端情况下,依然存在发生冻结的概率。在中国东部地区(110°~120°E),地势相对平坦,海拔变化对冻结天数的影响也较小,冻结天数从北至南呈现出比较明显的纬度分布特征。3.21土壤冻结天数的变化扣除1971—2000年的气候平均水平,得到中国气象台站观测的地表冻结天数的序列(图4)。结果显示,中国地面台站观测的地表冻结天数在1956—2006年呈显著的下降趋势,其变化的线性斜率为-0.22d/a。在整个研究时间段中,地表冻结天数减少约11天,标准离差约20天。从局部来看,50年间冻结天数的变化有比较明显的阶段性。20世纪80年代中期以前,中国境内近地表土壤冻结天数没有明显的变化趋势,但年际变化很大。20世纪80年代中期以后冻结天数显著减少,线性斜率为-0.50d/a。这一阶段冻结天数的减少速率是50年间整体变化速率的2倍多。1992—2006年,冻结天数的线性斜率为-1.02d/a,说明90年代之后,冻结天数变化更加迅速。以往主要基于遥感数据来研究青藏高原多年冻土地区的地表冻融状态。李新等应用被动微波遥感资料,估计出青藏高原1988—2007年地表冻结天数在以1.68d/a的速率减少。作为比较,这里计算了1988—2006年中国地表土壤冻结天数的变化。结果显示,1988—2006年,观测的地表冻结的线性斜率为-0.58d/a,约为李新等结果的1/3。为了比较,抽取了青藏高原及其边缘的68个气象站点的资料,计算了这些站点1988—2006年地表土壤冻结天数的变化,结果显示,其线性斜率为-0.68d/a,在95%的置信水平上是显著的。这个数值小于李新等估计的变化速率,但仍然大于同期整个中国的地表土壤冻结天数的变化速率。3.3与地表冻结天数的相关性一般认为,气温是影响土壤热状态的主导因素。为了揭示出气温解释地表冻结天数变化的能力,本文用中国地面国际交换站气候资料年值数据集计算了1956—2006年中国的气温距平变化,并与计算的冻结天数进行比较(图5)。1956—2006年,中国的气温变化线性斜率为0.24℃/10a。通过与地表冻结天数比较(图5),两者的Pearson相关系数为-0.69。表明中国1956—2006年气温变化与土壤表面冻结天数的变化呈现较强负相关,与物理规律一致。通常认为气温是决定地表冻融状态的主导因素。这里将计算得到的气温变化序列与本研究计算得到的地表土壤冻结天数的序列进行回归分析。结果显示,截距项并不能通过95%置信水平下的显著性检验。取消截距项之后,斜率(-7.54d/℃)保持很好的显著性,R2为0.47。这表明,气温与地表土壤冻结天数的变化趋势具有很强的一致性,按气温的变化斜率估算,1956—2006年土壤表面冻结天数减少值为9.05天,与前文应用实际地表温度计算的结果相差2天。虽然气温变化是影响地表土壤冻融变化的主要因素,但不能完全解释土壤表面冻结天数的变化。从统计意义上,气温的变化仅能解释土壤表面冻结天数变化的一半左右。还需要其他驱动因素来解释,很多研究认为季节性积雪和地表植被应该对土壤热状态有重要的作用。3.4多年冻结土区的边界土壤表面的热状态是影响冻土分布的一个重要因素。本文将1971—2000年土壤表面冻结天数的气候均值与已有的中国冻土分布图进行了比较(图6)。结果表明,多年冻土区的边界与冻结天数(220±10)天的等值线非常相似。短时冻土(冻结时间小于半个月)的边界与冻结天数15天的等值线吻合,但四川盆地例外。主要是由于四川盆地属于一个典型的闭塞型盆地,周围的高山对南下的冷空气有较强阻挡。本文采用普通Kriging插值方法来展现空间分布,青藏高原由于地形复杂、海拔变化较大,使得本文的结果在细节上还有待改善。4地表土壤冻结天数现状及发展趋势本文从站点观测的地表0cm土壤温度出发,统计了每个站点逐年的冻结天数;计算了1971—2000年中国地表冻结天数的气候平均值,并探讨了其空间分布特征及其与冻土分布的关系;构建并分析了中国气象台站1956—2006年长时间地表冻结天数的时间序列,并与同期气温变化的统计关系进行了比较。得出的关键结论如下:(1)中国境内地表土壤冻结天数的气候平均值与纬度、海拔呈现良好的一致性。青藏高原、新疆北部和东北地区北部的多年平均冻结天数均超过200天,局部地区超过250天。季节冻土的最南界约为25°N,22°N以南地区基本为非冻结区。在东部地区,地势相对平坦,冻结天数从北至南呈现出比较明显的纬度分布特征。(2)中国地面台站观测的地表土壤冻结天数在1956—2006年呈显著下降趋势,其变化率为-0.22d/a,有较明显的阶段性,尤其在90年代以后,减少率可达-1.02d/a。此外,青藏高原及其边缘气象站点在1988—2006年地表土壤冻结天数变化的线性斜率为-0.68d/a,大于同期全国变化斜率,但比遥感方法估计的同期变化斜率低很多。(3)地表土壤冻结天数的变化与气温变化呈显著负相关,即气温升高,地表土壤冻结天数减少,但气温的变化并不能完全解释土壤表面冻结天数的变化。从统计意义上,气温的变化仅能解释土壤表面冻结天数变化的一半左右,尚需要进行更加深入、广泛的研究。(4