青藏高原冻结空间分布与年际变化

青藏高原冻结空间分布与年际变化

1气候变化变化多年冻土是气候变化的敏感指标。季节性冻土位于土壤温度变化层的顶部，对气候变化非常敏感。在中国，冻土的分布非常广泛。多年来，冻土占总面积的三分之一以上。因此，加强对冷冻土壤的研究具有重要意义。冻土的形成与地表面的辐射-热量变换有关,当有效辐射大于吸收辐射期间,即辐射平衡具有稳定负值的时期,地面温度在此期间得以降至0℃以下,这时土壤发生冻结.冻土的变化可以反映地表的热力变化,而热力变化对气候变化有重要的影响,研究冻土变化有可能提高我们对气候变化的预测水平.青藏高原由于其独特的地形特征,其土壤的冻结有独特的季节性变化.气候变暖通常引起冻土面积的减少,对高海拔的多年冻土来说,气候变暖导致冻土下界的升高.已有的研究表明,自20世纪70年代以来,青藏高原的升温率为0.01～0.03℃·a-1,年平均气温普遍升高了0.2～0.4℃,尤其是冬季气温升值幅度大,气温年较差减小,导致冻土退化.王澄海等的研究表明,高原东北部、高原东南部和高原南部区冻土厚度表现为变薄趋势.2冻土结构特征选取青藏高原58个气象站(图1)1981—1999年观测的土壤冻结上、下限观测资料,这58个站主要分布在高原中东部,高原西部和藏北高原无人区站点很少,所以分析的结果主要代表了高原中东部人类聚居区的冻土变化特征.根据中央气象局《地面气象观测规范》,当温度低于0℃开始冻土观测,以及年报表中对初、终日的选取标准,结合高原独特的气候特征,以上年8月1日后第一天冻土厚度不为零作为冻结始日,以当年7月31日前最后一天冻土厚度不为零作为冻结终日,统计了高原各站的冻结始日和冻结终日.3不同年份、不同冻结日期的冻结时间分布图2为高原58个气象站19a平均的冻结始日和终日.平均冻结始日(图2a)是由北向南逐渐推迟的,青海东北部和黄河源区冻结较早,喜马拉雅山北麓、西藏东南部以及塔里木盆地冻结较晚.最早和最晚冻结始日的分布与平均冻结始日基本一致.平均冻结终日(图2b)在喜马拉雅山北麓、西藏东南部、柴达木盆地和青海东北部解冻较早,藏北高原和黄河源区解冻较晚,呈现南北早、中部晚的特点.最早和最晚冻结终日的空间分布与平均冻结终日也基本一致.图3为最晚、最早冻结始日的差值和最晚、最早冻结终日的差值的空间分布.可以看出,各地最晚与最早冻结始日的差值(图3a)介于20～90d之间,最高值出现在黄河源区、藏北高原和西藏东南部,这些地区最晚冻结年与最早冻结年要相差50d以上.最晚与最早冻结终日的差值(图3b)基本相差30～90d,其最大值中心出现在柴达木盆地.综上所述,高原各站在不同年份始冻日期可以相差到3个月,解冻日期也可以相差到3个月.以黄河源区为例,始冻早年8月初就冻结了,始冻晚年在10月初才冻结;解冻早年在5月初冻土就融化了,解冻晚年要到7月初冻土才能融化.土壤冻结(融化)释放(吸收)的相变潜热会引起地表能量的变化,因此土壤冻结(融化)的时间差异极有可能对非绝热过程十分敏感的短期气候产生积极影响,所以有必要对高原冻土冻结始日和终日的年际变化作进一步了解.4季节性冻结土的波谱分析图4为上述58个站的冻结始日(图4a)和冻结终日(图4b)标准化变量站平均的年际变化序列,其中实线为标准化变量曲线,虚线为其回归线.可以发现,从1981年到1999年青藏高原冻结始日曲线呈上升趋势(图4a),冻结终日曲线呈下降趋势(图4b),表明季节性冻土始冻日期越来越晚,解冻日期越来越早.为了进一步比较它们与季节性冻土其它表征量间的关系,我们计算了相同时段的冻结日数、累积冻结厚度和最大冻土深度标准化变量的站平均年际变化序列(图5a、b、c),其中实线为标准化变量曲线,虚线为其回归线.从中可以看出,它们的曲线均呈下降趋势,表明高原冻土在20世纪后期是呈退化趋势的.这与文献中的分析结果一致.小波分析是近年来发展起来的应用数学技术,允许把一个信号或一个场展开为空间(时间)和尺度及可能方向的函数.它可以分析任意时空尺度内信号的任何周期,其在边界影响区域外分析出的周期都是可信的,因此近几年在分析周期方面得以广泛应用.选用实型的Mexican帽小波(DOG,m=2)对季节性冻土的各个变量分析发现:冻结始日有明显的3～4a周期变化(图6a),冻结终日有明显的准7a周期变化(图6b),在文献中,我们分析表明冻结日数表现为2～6a的周期变化,这显然是冻结始日和冻结终日振荡变化综合的结果.累积冻结厚度和最大冻结深度有3～8a的周期变化,但是振荡较弱,没有明显的通过显著性检验的区域(图略).对冻结始日、冻结终日、冻结日数、累积冻结厚度和最大冻土深度序列按异常年占40%,正常年占60%的比例,也即正异常:正常:负异常为1∶3∶1的比例确定异常年.对1981—1999年各年季节性冻土作了考察(表1),可以看出,20世纪80年代冻结多偏早,解冻多偏晚,冻结日数偏多,累积冻结厚度和最大冻结深度偏大;而90年代正好相反,冻结多偏晚,解冻多偏早,冻结日数偏少,累积冻结厚度和最大冻结深度偏小.在这里以冻结始日和冻结终日作为基准确定季节性冻土的异常,可以看出:1981年、1982年为冻结早、解冻晚年,1983年、1990年为冻结晚、解冻晚年,1993年、1999年为冻结晚、解冻早年.比较1981年和1982年可以发现,由于两年都是冻结早、解冻晚,所以冻结时间也长,但是1982年的累积冻结厚度和最大冻土深度为正异常,而1981年不是,这是因为1982年的高原气温比1981年低;同样1983年和1990年都是冻结晚、解冻晚,但由于1983年的气温低,所以1983年的累积冻结厚度和最大冻土深度为正异常;对1993年和1999年,它们都是冻结晚、解冻早,但由于1993年气温低,所以其冻结日数并未出现负异常,相应累积冻结厚度和最大冻土深度呈异常,而1999年由于气温高则冻结日数、累积冻结厚度和最大冻土深度都出现了负异常.气温对季节性冻土有重要影响,有必要在以后对其进一步研究.5土壤冻结特点通过以上研究可以看出:(1)土壤平均、最早和最晚冻结始日的分布基本一致,都是由北向南逐渐推迟的,青海东北部和黄河源区冻结较早,喜马拉雅山北麓、西藏东南部以及藏北高原冻结较晚.土壤平均、最早和最晚冻结终日的空间分布也比较一致,喜马拉雅山北麓、西藏东南部、柴达木盆地和青海东北部解冻较早,藏北高原和黄河源区解冻较晚,呈现南北早、中部晚的特点.(2)最晚与最早冻结始日的差值介于20～90d之间,最高值出现在黄河源区、藏北高原和西藏东南部,这些地区最晚冻结年与最早冻结年要相差50d以上.最晚与最早冻结终日的差值基本相差30～90d,其最大值中心出现在柴达木盆地.(3)土壤始冻日期呈偏晚趋势,解冻日期呈偏早趋势,土壤冻结总体呈退化趋势.(4)冻结始日有明显的3～4a周期变化,冻结终日有明显的准7a周期变化,冻结日数2～6a的周期变化显然是冻结始日和冻结终日振荡变化综合的结果.(5)20世纪80年代冻结多