引用本文
王康, 张廷军. 中国1956#cod#x02014;2006年地表土壤冻结天数时空分布及其变化特征. 地球科学进展, 2013, 28(11): 1269-1275[Wang Kang, Zhang Tingjun. Spatial and Temporal Distribution and Variations in the Near-surface Soil Freezing Days across China, 1956-2006. Advance in Earth Science, 2013, 28(11): 1269-1275]  
Permissions
中国1956—2006年地表土壤冻结天数时空分布及其变化特征
王康1, 张廷军2,3,*
1.兰州大学西部环境教育部重点实验室,甘肃兰州 730000
2.兰州大学资源环境学院,甘肃兰州 730000
3.National Snow and Ice Data Center, Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences, University of Colorado at Boulder, CO 80309, USA
张廷军(1957-),男,甘肃庆阳人,教授,主要从事冰冻圈科学研究. E-mail:tjzhang@lzu.edu.cn

王康(1984-)，男，安徽霍山人，博士研究生，主要从事冻土与气候变化研究. E-mail:wangkang1984@gmail.com

基金:国家基础科学人才培养基金#cod#x0201c;冰川学冻土学特殊学科点#cod#x0201d;(编号：J1210003/J0109)资助.
摘要

应用中国境内845个气象台站的地表日最低温度资料,计算分析了近地表土壤冻结天数在1971—2000年的气候平均值；探讨了其空间的分布特征及其与冻土分布的关系；构建并分析了1956—2006年地表土壤冻结天数的时间序列及其与气侯变化的关系。结果表明,中国境内近地表土壤冻结天数的气候平均值随纬度增加、海拔升高而增加。青藏高原、新疆北部和东北地区北部多年平均冻结天数均超过200天。多年冻土区的边界与冻结天数(220±10)天的等值线高度吻合。按冻结天数大于15天为季节冻土区的定义,中国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。自1956年以来,中国境内近地表土壤冻结天数呈显著的下降趋势,变化速率为-0.22d/a,但20世纪90年代以后,其减少速率可达-1.02 d/a。近地表土壤冻结天数的变化与气温变化呈负相关关系,即随气温升高近地表土壤冻结天数减少。

关键词: 土壤表面; 冻结天数; 气候变化; 地表温度; 冻土
Spatial and Temporal Distribution and Variations in the Near-surface Soil Freezing Days across China, 1956-2006
Wang Kang1, Zhang Tingjun1,2,*
1.Key Laboratory of Western China’s Environmental Systems (Ministry of Education), Lanzhou University,Lanzhou 730000, China
2.College of Earth and Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
3.National Snow and Ice Data Center, Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences, University of Colorado at Boulder, CO 80309, USA
Abstract

Using surface soil daily minimum temperature from 845 meteorological stations across China, the long-term (1971-2000) mean and spatial distribution of the near-surface soil freezing days were estimated with annual values of the number of nearsurface soil freezing days. The time series for the number of freezing days were constructed and compared with air temperatures in the same period.

Results

showed that longterm mean value in the number of the nearsurface soil freezing days increased with the increasing latitudes and altitudes over China. Near-surface soils were frozen for more than 200 days in the QinghaiTibet Plateau, northern Xinjiang and northeast of China. The boundaries of permafrost zones coincide with the contour of (220±10) days of near-surface soil freezing. Using the mean number of 15 days of near-surface soil freezing as criterion, we found that the southern boundary of seasonally frozen ground is around the 25°N line, and the regions south of 22°N are essentially unfrozen regions. The timeseries of the number of freezing days showed a significant linear trend with change with a slope of -0.22days/year over a period from 1956 through 2006. After the 1990s, the linear slope was up to -1.02 days / year, indicating that the rate of decrease in the number of near-surface soil freezing days has accelerated. Changes in the number of nearsurface soil freezing were in a negative correlation with air temperature, i.e., the number of near-surface soil freezing days decreases with increase in air temperature.

Background

color represents the contour values of the departure of near-surface soil freezing days from the 1971-2000 mean; Black dashed line is the boundary of permafrost regions, red dashed line is the boundary between frozen and unfrozen ground regions in China
Keyword: Soil surface; Number of freezing days; Climate change; Soil temperature; Frozen ground.
1 引言

根据IPCC的估计,过去1个世纪(1906—2006)的全球平均近地表气温升高了约(0.74±0.18)℃[ 1]。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, 3, 4, 5, 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[ 7]。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[ 8]。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[ 9]。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,因此不能存储气候记忆[ 10]。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,它往往受天气的异常变化影响较大。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,它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。例如,Kling分析了北美五大湖地区的冻结天数,其结果显示该地区冻结天数减少了约两周,冬天显著变短[ 11]。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,减少降水导致地表积雪时间减少,可使该地区的冻结天数增加[ 12]。

在不同的地区,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大陆面积的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%[ 13]。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, 15, 16],还有一些研究工作在东北的多年冻土地区[ 17]和黑河流域[ 18]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的,其中最直接有效的方式为被动微波遥感方法[ 19]。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[ 20],往往需要大量的地面实测数据作为验证和改良。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[ 21],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[ 12]。因此需要将研究范围扩展至包含多年冻土地区、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,从空间和时间两方面来分析冻融状态的变化。空间上,对1971—2000年30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年间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 资料与方法

已有文献中,对如何定义土壤冻结状态有许多不同见解[ 22]。在土壤冻结状态的判定中均参考的是日最低温度。不同的是,对于应用目的的差异,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,例如,连续五天[ 23]或者连续三天[ 15]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[ 12],定义地表土壤温度在≤0℃时则发生冻结。

本文使用的数据是来自中国气象局的0 cm的逐日土壤温度资料(日最低温度)[ 24]。观测站点共有845个(图1)。在分析时间段的选择上,主要考虑：原始数据集最早从1951年开始观测,但站点非常稀少,不利于计算结果的稳定性；2006年以后,内蒙古、江西、湖北等地区的观测站网进行了大规模调整[ 24]。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[ 25]。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,使用了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了提取、计算,其中包括了983个地面气象站[ 26]。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。

图1 中国气象站点分布图(背景颜色为海拔高度)Fig.1 Distribution of meteorological stations across China(Background color reflects elevations)

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[ 12, 27, 28]。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,计算流程如图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。这里筛选站点的标准假定为在这一期间有超过20年的观测记录。换言之,在1971—2000年的30年间,有20年以上数据的站点才计算气候平均值,亦才有时间序列。

图2 近地表土壤冻结天数的计算流程Fig.2 Flow chart of calculation for the number of near-surface soil freezing days

3 结果与讨论
3.1 1971—2000年平均冻结天数的空间分布特征

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三个：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[ 13]。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地小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。在北纬22度以南的地区,多年平均冻结天数低于一天。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之间),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。

图3 中国1971—2000年冻结天数的多年均值等值线间隔为15天Fig.3 Average number of near-surface soil freezing days from 1971 to 2000 across ChinaThe contour interval is 15 days

3.2 1956—2006年年冻结天数的变化

扣除1971—2000年的气候平均水平之后,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从1956—2006年,呈显著的下降趋势,其变化的线性斜率为-0.22天/年。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。在1980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。自1980年代中期以后的冻结天数显著减少。线性斜率为-0.50天/年。这一阶段冻结天数的减少速率是50年间整体变化速率的两倍多。1992—2006年间,冻结天数的线性斜率为-1.02天/年,说明90年代之后,冻结天数变化更加迅速。

以往研究主要是基于遥感数据来研究青藏高原的多年冻土地区的地表冻融状态。李新等[ 15]应用被动微波遥感资料,估计了青藏高原在1988—2007年地表冻结天数以1.68天/年的速率减少。作为比较,这里计算了1988—2006年间中国地表土壤冻结天数的变化。结果显示,1988—2006年间,观测的地表冻结的线性斜率为-0.58天/年,约为李新等结果的1/3。为比较,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年间地表土壤冻结天数的变化。结果显示,其线性斜率为-0.68天/年,在95%的置信水平上是统计显著的。这个数值要小于李新等估计的变化速率,但仍然快于同期整个中国的地表土壤冻结天数的变化速率。

图4 中国境内近地表土壤冻结天数的距平(气候基准值：1971—2000年的平均值)点线为逐年的距平值,阴影部分为1个标准差的置信区间；虚线是零值参考线,实线为趋势线Fig.4 Departures of the number of near-surface soil freezing days from the 1971-2000 mean across ChinaSolid circle represents departures, the shadow region is 1 standard deviation; Dashed line represents the zero reference line, solid line is linear trend

3.3 冻结天数与气温关系

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年间中国的气温距平变化,并与计算的冻结天数进行比较(图5)。

图5 中国境内近地表土壤冻结天数与气温的关系点线为近地表土壤冻结天数逐年的距平值(相对于1971—2000年的均值)；直方线为计算的中国境内站点观测的气温变化Fig.5 Relationship between the number of near-surface soil freezing days and the long-term air temperatures over ChinaSolid closed circles line represents the departures of number of near-surface soil freezing days from the 1971-2000 mean, the histogram is departure of mean annual air temperatures from stations across China

在1956—2006年间,中国的气温变化线性斜率为0.24℃/10年。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。这里将计算得到的中国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了回归分析。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(-7.54天/℃)依旧保持很好的显著性, 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两天。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[ 7, 21, 29, 30]。

3.4 冻结天数与冻土分布

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[ 13]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,但例外的是四川盆地。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,在青藏高原,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。

图6 中国境内土壤冻结天数的气候平均值(1971—2000年)与冻土分布的关系彩色底图是1971—2000年近地表土壤冻结天数的离差平均值等值线；黑色虚线为多年冻土边界,红色虚线为不冻结区的边界Fig.6 Ralationship between climatology (1971-2000) of freezing days and map of frozen ground distribution over ChinaBackground color represents the contour values of the departure of near-surface soil freezing days from the 1971-2000 mean; Black dashed line is the boundary of permafrost regions, red dashed line is the boundary between frozen and unfrozen ground regions in China

4 结论

本文从站点观测的地表0 cm土壤温度出发,统计了每个站点逐年的冻结天数；计算了中国地表冻结天数在1971—2000年期间的气候平均值,并探讨了其空间的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：

⑴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北纬25度,北纬22度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。

⑵中国地面台站观测的地表土壤冻结天数从1956年到2006年,呈显著下降趋势,其变化率为-0.22天/年,有较明显的阶段性,尤其在90年代以后,减少率可达-1.02天/年。此外,青藏高原及其边缘气象站点在1988—2006年间地表土壤冻结天数变化的线性斜率为-0.68天/年,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。

⑶地表土壤冻结天数的变化与气温变化呈高度负相关,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。

⑷多年冻土区的边界与冻结天数220±10天的等值线非常相似,但是需要改善在复杂地形下的空间分析方法。

综上所述,地表土壤冻结天数能够很好地体现不同地区的气候特征,且从时间尺度上来看,不仅能够从一个方面反映地表对气候变化的响应,还能够在一定程度上反映冻土的分布情况,对今后的冻土研究、气候变化、以及多种复杂因素的相互反馈机制研究都具有重要的参考价值。在今后的相关研究工作中,一方面,应加强地面观测,改善空间降尺度方法以及遥感反演方法；另一方面,还应加强地表冻融过程机制的研究,包括积雪、植被、土壤物理属性等的作用机制和数值模拟。

The authors have declared that no competing interests exist.

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