地理研究  2018 , 37 (3): 622-634 https://doi.org/10.11821/dlyj201803013

研究论文

近50年来黑龙江省冻土厚度的时空变化特征

王宁, 臧淑英, 张丽娟

黑龙江省普通高等学校地理环境遥感监测重点实验室,哈尔滨师范大学,哈尔滨 150025

Spatial and temporal variations of spermafrost thickness in Heilongjiang province in recent years

WANG Ning, ZANG Shuying, ZHANG Lijuan

Key Laboratory of Remote Sensing Monitoring of Geographic Environment, College of Geographical Science, Harbin Normal University, Harbin 150025, China

通讯作者:  臧淑英(1963- ),女,黑龙江哈尔滨人,教授,博士生导师,研究方向为LUCC与3S综合应用等方面研究。E-mail:zsy6311@163.com

收稿日期: 2017-09-26

修回日期:  2017-12-17

网络出版日期:  2018-03-15

版权声明:  2018 《地理研究》编辑部 《地理研究》编辑部

基金资助:  国家自然科学基金项目(41571199)

作者简介:

作者简介:王宁(1993- ),女,黑龙江绥化人,硕士,研究方向为冻土变化研究。E-mail:370741890@qq.com

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摘要

基于MK检验、滑动t检验、EOF分析方法,使用近50年(1961-2012年)黑龙江省32个气象基准台站逐日冻土观测数据、气温观测数据,对黑龙江省冻土厚度时空变化特征进行了分析。结果表明:① 近50年黑龙江省冻土厚度减少了12.86 cm,下降速率为-0.53 cm/a,以2001年为界发生了突变。② 冻土厚度空间分布呈现由北厚南薄格局,中部地区冻土厚度较同纬度其他区域偏低;空间变化呈现南部冻土厚度降低快,北部降低慢,中部与西部、东南部呈相反变化的特征,伊春、铁力、漠河观测点为冻土变化敏感区。③ 气温是影响黑龙江省冻土厚度变化的主要因素,与冻土厚度相关系数为-0.611。本文的主要贡献为揭示了黑龙江省冻土厚度的空间变化特征,为相关研究及各级政府规划提供了依据。

关键词: 时空变化 ; 突变分析 ; EOF分析 ; 冻土厚度 ; 黑龙江省

Abstract

This study used the Mann-Kendall test, the smoothing T-test, and empirical orthogonal function analysis method to analyze the spatial and temporal variation characteristics of permafrost thickness in Heilongjiang province, with daily permafrost monitoring and temperature data obtained from 32 meteorological stations in the past 50 years (1961-2012). The results were as follows. (1) In the past 50 years, the permafrost thickness in Heilongjiang province decreased by 12.86 cm, at a rate of -0.53 cm/yr. An abrupt change occurred in 2001. (2) The spatial distribution of the permafrost thickness showed a tendency of being thick in the northern part and thin in the southern part, whereas in the central region the permafrost thickness was lower than that in other areas at the same latitude. The spatial variation showed that the permafrost thickness decreased faster in the southern part and at a slower rate in the northern part, while the central, western, and southeastern regions showed the opposite characteristics. The Yichun, Tieli, and Mohe observation points were more susceptible to permafrost change. (3) Temperature was the main factor influencing the permafrost thickness variations in the study area, and the correlation coefficient was -0.611. This main contribution of this article is that it reveals the spatial variation characteristics of permafrost thickness in Heilongjiang, and thus provides a suitable background for related research and various government programs.

Keywords: spatial and temporal variations ; abrupt change analysis ; empirical orthogonal function analysis ; permafrost thickness ; Heilongjiang province

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王宁, 臧淑英, 张丽娟. 近50年来黑龙江省冻土厚度的时空变化特征[J]. 地理研究, 2018, 37(3): 622-634 https://doi.org/10.11821/dlyj201803013

WANG Ning, ZANG Shuying, ZHANG Lijuan. Spatial and temporal variations of spermafrost thickness in Heilongjiang province in recent years[J]. Geographical Research, 2018, 37(3): 622-634 https://doi.org/10.11821/dlyj201803013

1 引言

冻土是一种对温度敏感和易变的地质体,与气候之间相互作用,一方面气候变化会影响冻土厚度和冻土分布范围[1,2];另一方面冻土的消融也可能引起水文、工程基础等变化[3]。在全球气候变暖备受关注的大背景下,分析冻土厚度时空变化特征,对掌握冻土退化的影响以应对气候变化显得尤为重要。研究表明,近60年来黑龙江省升温速率远高于东北及全国的升温速率,是升温幅度最高的省份[4],也是冻土退化的区域之一[5,6]

冻土厚度变化是冻土退化的最主要标志之一,可以直接或间接影响土壤水热过程,受到国内外学者的广泛关注。Brown等开展了环北极多年冻土区活动层和近地表冻土变化的监测[7,8],Jorgenson等使用GIS数据库生成冻土分类地图,利用实地测量数据,基于恒定速率的假设计算得出在阿拉斯加中部自1850年以来53%的多年冻土发生退化[9]。Camill利用实测数据结合树木年轮分析发现在加拿大中部多年冻土融化速率显著增加[10]。Frauenfeld利用土壤温度数据使用线性内插方法确定0 ℃等温线,确定0℃层深度作为估计解冻深度并结合实测数据发现在俄罗斯多年冻土区,活动层厚度增大了约22 cm,冻结深度减少了34 cm[11]。Sharkhuu利用深钻孔多年测量数据,发现Mongolia中部地区活动层厚度以1~6 cm/10a的速度在上升[12]

国内冻土的研究主要集中在青藏高原、新疆和东北大小兴安岭地区。吴吉春等基于数值模拟结果和多年冻土深孔测温数据发现青藏高原多年冻土边缘层在萎缩,处于消失阶段[13]。李林等利用相关分析、回归分析方法发现青海季节冻土对气温变化的响应具有显著的滞后期[14]。赵林等利用降水、气温、地温观测数据结合分析发现在新疆河源区活动层厚度增厚,多年冻土可能正在发生自下而上的迅速退化[15]。王秋香等利用土壤10 cm深度封冻时段资料和最大冻土深度观测资料分析发现新疆地区最大冻土深度趋向变浅,土壤封冻时间缩短[16]。同时,学者研究发现东北大小兴安岭地区活动层厚度加深,融区扩大,多年冻土岛消失的现象[17,18,19],但研究零散不系统,无法支撑龙江快速社会经济发展的需求。

本文利用1961-2012年黑龙江省气象基准台站的逐日冻土观测数据以及同期气温资料,分析黑龙江省冻土厚度的时空变化特征,并进行敏感性分析及突变检测,以全面而准确地掌握不同冻土区域冻土厚度动态特征。

图1   技术路线图

Fig. 1   Technical roadmap

2 研究方法与数据来源

2.1 研究区概况

黑龙江省位于中国东北部,气候为温带大陆性季风气候,地势大体为北部、西北部、东南部高,东北部、西南部低。根据寒区旱区科学数据中心发布的基于《中国冰雪冻土图》的中国冻土分布图[25],本文选取以黑龙江省为界限的冻土区,研究区内包含多年冻土区和季节冻土区(图2)。

图2   研究区冻土类型分布图

Fig. 2   Distribution of permafrost types in the research area

2.2 Mann-Kendall检验

Mann-Kendall(MK)检验。对具有个样本量的时间序列,首先构造一秩序列[20]:

Sk=i=1krik=2,3,,n(1)

其中 ri=1xi>xj0否则j=(1,2,,i)(2)

可见,秩序列是第时刻数值大于第时刻数值的累计数。在时间序列随机独立的假定下,定义统计量[20]:

UFk=Sk-ESkVarSk(k=1,2,,n)(3)

其中 UF1=0ESkVarSk是累计数的均值和方差,在 x1,x2,,xn相互独立,且有相同连续分布时,它们可由下式算出[20]

ESk=nn+14(4)

VarSk=nn+12n+572(5)

为标准正态分布,它是按时间序列顺序 x1,x2计算出的统计量序列,给定显著性水平,若 UFi>Uα,则表明序列存在明显的趋势变化。按时间序列逆序 xn,xn-1,,x1,再重复上述过程,使 UBk=-UFk,k=n,n-1,,1,。

2.3 滑动t检验

对于具有个样本量的时间序列 Xi,i=1,2,,n,选择某一时刻为基准点,基准点前后两段子序列 X1X2的样本数分别为 n1,n2(一般取 n1=n2),两段子序列的平均值为和,方差为 S12S22

定义统计量为[21]

t=X1¯+X2¯1n1+1n2(6)

其中 S=n1S12+n2S22n1+n2-2(7)

t服从自由度 n1+n2-2t分布。

2.4 EOF分析

经验正交分解(EOF)原理是将时间和空间场分解为多个空间的特征向量和时间系数序列的线性组合,分析场的空间和时间变化[22]。本文对冻土厚度距平时空场进行经验正交分解[21],分析研究区域内冻土厚度的变化特征。EOF分析方法使用Parallel Studio XE 2011 with VS2010软件编程实现。

2.5 空间插值法

交叉验证可以确定选用的插值方法的可行性[23]。本文依次假设某一已知观测站的冻土厚度未知,利用剩余的观测站(31个)数据进行逐年插值,进而得到此观测站插值的冻土厚度,并将此插值数值与实际观测数据的MAE和RMSE的值进行比较[24],最终选用普通克里金方法进行空间插值。

MAE=1ni=1nABSVoi-Vpi(8)

RMSE=1ni=1nVoi-Vpi2(9)

2.6 技术路线

通过线性趋势分析方法对近50年冻土厚度数据在年、年代、季节时间序列上的变化趋势进行分析,并利用MK检验、滑动t检验对近50年冻土平均厚度进行突变检验,得到冻土厚度突变时间。选用普通克里金空间插值方法对冻土厚度数据进行空间上的分布与变化的分析,并通过EOF方法对冻土厚度在空间上的异常敏感区域进行分析,最终得到黑龙江省冻土厚度的时空变化特征(图1)。

2.7 数据来源

筛选了黑龙江省绥芬河、哈尔滨、齐齐哈尔、漠河等32个观测站的冻土观测资料,冻土观测资料时间尺度为1961-2012年,为逐日冻土观测数据。选择原则基于两个,一是32个观测站的观测数据序列较长,观测记录较完整;二是台站布局具有空间代表性和均匀性。逐日冻土观测数据来源于黑龙江省气象信息中心。冻土观测按照国家地面气象观测规范,根据埋入土中的冻土器内水柱所在位置,从管壁刻度线上读出冰上下两端的相应刻度数,分别记为冻结层的上、下限深度值[26]

1961-2012年32个气象观测站的逐日气温资料来自黑龙江省气象局。

3 结果分析

3.1 黑龙江省冻土厚度时间变化特征

近50年来黑龙江省冻土平均厚度为100.2 cm,最大值为119.5 cm,最小值为72.9 cm,相差46.6 cm,分别出现在1966年和2011年。1961-2012年冻土厚度减少了12.86 cm,冻土平均厚度呈极显著下降趋势(通过0.01概率水平检验),年平均下降速率为-0.53 cm/a,年变异系数为11.6%,年际间变化幅度平稳(图3)。在20世纪70年代(1971-1980年)冻土平均厚度达到最大,20世纪80年代后逐年代呈减少趋势,21世纪最初十年(2001-2012年)相比20世纪70年代,冻土平均厚度减少了21.1 cm(图4)。

图3   冻土厚度年变化图及其回归分析

Fig. 3   Annual variation of permafrost thickness and its regression analysis

图4   冻土厚度年代变化图

Fig. 4   Periodic permafrost thickness variation

黑龙江省近50年冻土平均厚度时间序列Mann-Kendall突变检验分析表明,如图5所示,在1997年和2001年有两个交点,两个交点均位于置信区间外,不能确定是否为突变点。本文又对近50年冻土平均厚度时间序列进行了滑动t检验,在滑动t检验中,有3个时间点前后出现了突变,分别是1988年前后,1997年前后和2001年前后(图6)。综合两种检验方法的结果,可以确定在1997年和2001年有突变的可能性,也就是说,在20世纪90年代末期,黑龙江省冻土厚度发生了突变,在2001年以后的冻土厚度明显小于2001年以前,2001年有可能为冻土厚度突变时间。

图5   冻土厚度Mann-Kendall检验图

Fig. 5   Results of the Mann-Kendall test for permafrost thickness

图6   冻土厚度滑动t检验图

Fig. 6   Permafrost thickness smoothing t-test

为了进一步探究突变的原因,本文对黑龙江省近50年平均气温进行Mann-Kendall检验,气温突变的年份出现在1987年。有研究表明,1988-2009年为气温变化的第三阶段,即高温阶段[4],可以看出,黑龙江省冻土厚度发生突变的时间正处于气温变化的高温阶段,另一方面,也说明,冻土厚度发生突变与气温突变有一个滞后期。黑龙江省年平均气温与冻土厚度呈极显著负相关,相关系数为-0.611(通过0.01概率水平检验)。其关系方程为

y=-6.995x+117.482(10)

式中:y为冻土厚度;x为年平均气温。可以看出,黑龙江省年平均气温每增加1 ℃,冻土厚度减少6.99 cm。这些结论也进一步证明了气温是导致冻土厚度发生突变的主要原因。

将黑龙江省冻土厚度数据按照气象部门的季节划分标准,分别划分为春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)、冬季(12月-翌年2月)4个季节时间段[27]。近50年来黑龙江省春季、夏季、秋季、冬季平均冻土厚度分别为113.9 cm、17.3 cm、37.7 cm、135 cm 。各个季节的冻土厚度均呈下降趋势,春季、夏季、秋季、冬季冻土厚度的下降速率分别为-0.78 cm/a、-0.18 cm/a、 -0.19 cm/a、-0.56 cm/a,其中春季呈极显著下降趋势(通过0.01概率水平检验),其他三个季节均为不显著下降趋势。也就是说,黑龙江省春季冻土厚度减少最为显著(图7)。相比1961年,至2012年时,黑龙江省春季、夏季、秋季、冬季的平均冻土厚度分别减少了40 cm、12 cm、10 cm、27 cm,变异系数分别为11.6%、7.8%、10.9%、8.9 %,春季冻土厚度变化相对来说最不稳定。

图7   冻土厚度季节变化图及其回归分析

Fig. 7   Seasonal variation of permafrost thickness and its regression analysis

3.2 黑龙江省冻土厚度空间分布特征

3.2.1 空间插值方法选择 分别采用普通克里金、全局多项式、反距离权重、泛克里金、局部多项式方法进行空间插值,并提取了32个观测站的插值结果,与观测值进行了精度比较(图8),结果表明,普通克里金插值结果最好,所以本文采用普通克里金方法对冻土厚度数据进行空间插值分析,为了进一步验证普通克里金插值的准确性,本文按照2.5所述方法计算了32个站点插值与实测两组数据的RMSE和MAE分别为0.0087和0.0046(表1)。

表1   五种方法交叉检验结果

Tab.1   Five methods of cross-validation results

插值方法MAERMSE
普通克里金6.99491.6241
泛克里金14.63883.9783
反距离权重
全局多项式
局部多项式
14.1078
10.0323
15.0864
3.7253
2.5412
4.8455

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3.2.2 黑龙江省冻土厚度空间分布特征 利用近50年黑龙江省冻土平均厚度数据进行插值分析发现黑龙江省冻土厚度总体分布呈现北厚南薄格局,但并不完全与纬线平行。同纬度相比,黑龙江省中部地区冻土厚度较同纬度其他区域偏低,东南部的虎林也为低值区。冻土厚度最高值区位于大兴安岭地区,小兴安岭地区次之(图9)。

图8   实测值与插值结果点对比图

Fig. 8   Comparison of measured and interpolated points

图9   冻土厚度年空间分布图

Fig. 9   Annual spatial distribution of permafrost thickness

黑龙江省冻土冻结一般从秋季开始,82%的冻土厚度在40~50 cm之间(图10c);冬季冻土冻结范围逐渐扩大,51%的冻土厚度在120~140 cm之间,11%的冻土厚度在140~160 cm之间,4.5%的冻土厚度达到200~220 cm之间,冻结厚度普遍达到100 cm以上,在大兴安岭地区冻结厚度达到200 cm以上(图10d);春季,随着温度的升高,冻土厚度在全省范围内开始减小,除大兴安岭观测点外,72%的冻土厚度下降到100~120 cm之间,其中伊春、泰来观测站点冻土厚度减少较慢,呈现出空间差异性(图10a);夏季后,冻土冻结厚度进一步减小,除大兴安岭观测点外,黑龙江省冻土基本完全融化(图10b)。

图10   冻土厚度季节空间分布图

Fig. 10   Seasonal spatial distribution of permafrost thickness

3.3 黑龙江省冻土厚度空间变化特征

本文分别将32个观测点的冻土厚度以线性函数来拟合原序列,,其中a值的正负表示各站冻土厚度随时间变化的方向,绝对值大小表示变化速率,作为判定冻土厚度的变化速率。发现黑龙江省全区域冻土厚度为不同程度的递减趋势,递减速率绝对值大小由北到南逐渐升高。南部冻土厚度降低的快,而北部降低的慢。全省区域内71%的冻土站冻土厚度呈现显著递减趋势。其中新林、通河、肇州、富锦、黑河观测站的冻土厚度呈现为显著减少趋势(通过0.05概率水平检验),占所有站点的15%,平均减少速率为-0.26 cm/a;嫩江、伊春、佳木斯、依兰、哈尔滨、尚志、齐齐哈尔、安达、克山、富裕、泰来、宝清、虎林、明水、海伦、鹤岗、绥化观测站的冻土厚度呈现极显著减少趋势(0.01概率水平检验),占所有站点的56%,平均减少速率为-0.49 cm/a(图11)。

图11   冻土厚度年倾向率空间分布图

Fig. 11   Spatial distribution of annual variation trends of permafrost thickness

黑龙江省冻土厚度按年代划分在空间上表现出明显的变化特征。20世纪60年代(1961-1970年)全省冻土基本表现为增厚趋势,只有10.4%的面积冻土厚度减少(图12a);20世纪70年代(1971-1980年),冻土厚度减少区的面积越来越大,增厚区的面积越来越少,冻土厚度减少的面积已经达到39.8%(图12b);20世纪80年代(1981-1990年),冻土厚度减少面积已经占了99.4%(图12c);20世纪90年代(1991-2000年),冻土厚度减少面积占了100%(图12d);21世纪最初的10年(2001-2012年),黑龙江省全省区域冻土厚度下降速度明显增快,全省范围内冻土厚度下降速率均表现出大于20世纪80年代,北部大兴安岭冻土厚度下降速率最快(图12e)。

图12   冻土厚度年代倾向率空间分布图

Fig. 12   Spatial distribution of periodic variation trends of permafrost thickness

3.4 冻土厚度与气温的空间关系

从空间分布看,年平均气温与冻土厚度的相关系数具有空间差异性。可以说气温是影响黑龙江省中西部冻土厚度变化的主要因素之一,在黑龙江省东南部和西北部冻土厚度与气温呈不显著相关关系,而且冻土厚度也为不显著下降趋势,这些冻土观测点主要分布在森林地区,研究表明植物的蒸腾作用会吸收土壤中的水分,从而带走部分热量,植物的根系有良好的隔热作用,从而影响冻土的厚度与分布[28]。可以说对于不同区域影响冻土厚度的主要因素各有不同,需进一步讨论(图13)。

图13   气温与冻土厚度相关系数图

Fig. 13   Correlation between temperature and permafrost thickness

3.5 黑龙江省冻土厚度变化的空间异常特征

为了分析黑龙江省冻土厚度变化的空间异常特征,本文对选取的32个观测站点的冻土厚度距平并进行EOF分析,方差贡献率如表2所示,根据EOF特征值显著性检验[21],本文中第六和第七特征根之间不存在显著性差别,因此选择前六个特征向量进行分析。

图14a显示第一特征向量数值全部为正,说明各站冻土厚度空间变化具有一致性的特征。图14c显示了第一特征向量的时间系数,在2001年以前,时间系数为正,2001年以后时间系数为负,说明2001年为转折年份,这与Mann-Kendall检验突变时间相吻合。2001年前,黑龙江省冻土厚度呈现整体性增加趋势,2001年后冻土厚度整体性变薄。空间上伊春观测站为冻土厚度变化最敏感区。

第二特征向量显示黑龙江省中部以及西南部地区数值为负,其余地区数值为正,表明黑龙江省中部和西南部的冻土厚度与北部和东南部的冻土厚度呈现出反向变化趋势(图14b)。结合第二特征向量的时间系数(图14d),可以看出,在20世纪60年代中期到20世纪90年代中期,黑龙江省中部表现出冻土厚度变薄,东南部和西北部冻土厚度变厚的趋势,20世纪90年代后,则表现出相反趋势。其中铁力和漠河观测站为变化中心区。

第三特征向量显示黑龙江省中西部地区以及绥芬河和富锦观测站为负,其余地区为正,负距平中心在北安观测站,正距平中心在漠河观测站(图14e)。其时间系数均为负值(图14 g),说明黑龙江省中西部及绥芬河和富锦观测站冻土厚度以增厚为主,其他区域冻土厚度变薄。

第四特征向量(图14f)显示,黑龙江省西部和东部显现出相反的变化趋势,时间系数显示(14h)西部地区在80年代初期至80年代中期冻土厚度表现为下降趋势,下降中心在漠河观测站附近。

图14   EOF分解特征向量空间分布

Fig. 14   Spatial distribution of EOF decomposition eigenvectors

图15   冻土厚度距平值空间分布

Fig. 15   Spatial distribution of permafrost thickness anomalies

第五特征值(图14i)及第六特征值(图14j)均显示出,黑龙江省中部冻土厚度变化与其他区域冻土厚度变化的异向性,距平中心集中在北安、漠河观测站附近。

为了验证EOF分析结果的准确性,本文按照不同年代的冻土厚度距平值进行空间插值,可以看出,在2000年以前,冻土厚度距平值为正(图15a),2000年以后,冻土厚度距平值为负,冻土厚度距平高值区主要位于伊春观测站附近(图15b)。在20世纪60年代中期到20世纪90年代中期冻土厚度距平值负值区主要集中在黑龙江省中部地区,正值区主要集中在东南部和西北部(图15c),在20世纪80年代初期至中期,冻土厚度距平值负值区主要集中在黑龙江省西部地区(图15d)。说明了黑龙江省冻土厚度在呈现出整体下降变化特征的前提下,中部冻土厚度与西部和东南部呈相反变化的特征,其中伊春、铁力以及漠河观测站为变化中心区域可以称为冻土变化敏感区或脆弱区,也进一步说明EOF所分析的冻土厚度空间异常特征的准确性。

表2   EOF前十个特征向量方差累计贡献率(%)

Tab.2   Cumulative contribution rate of the mean square deviation of the first ten EOF eigenvectors (%)

特征向量12345678910
方差44.211.37.45.14.543.22.72.62.3
累计方差44.255.562.96872.576.579.782.48587.3

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4 结论

本文通过对近50年来黑龙江省32个气象基准台站的逐日冻土观测数据以及同期气温数据的整理,分析了黑龙江省地区冻土的时空变化特征。主要结论如下:

(1)近50年来黑龙江省冻土平均厚度以-0.53 cm/a的速率呈极显著下降趋势,在20世纪70年代冻土平均厚度达到最大,相比20世纪60年代,最近10年黑龙江省冻土厚度减少了19.4 cm,突变年份为2001年。春季呈极显著下降趋势,下降速率为-0.78 cm/a,研究表明,近50年来黑龙江省入春、入夏时间提前,入秋、入冬时间推迟,夏季提前和冬季推迟主要发生在20世纪90年代后[28],这与冻土厚度的年代变化趋势相吻合并且由于入春时间提前,是可能导致冻土厚度在春季表现出极显著的下降趋势的因素之一。

(2)黑龙江省冻土厚度总体分布呈现由北向南逐渐变薄趋势,但空间分布并不与纬线平行,中部地区冻土厚度较同纬度其他地区偏低。

(3)黑龙江省冻土厚度在空间变化上具有一致性,均出现变薄趋势,但变化特征又呈现空间差异性,递减速率由南到北逐渐降低,在20世纪60年代中期至90年代中期中部地区冻土厚度与西部和东南部呈相反变化的特征,其中伊春、铁力以及漠河观测站为冻土变化敏感区。按年代空间变化来看,20世纪60-80年代黑龙江省冻土厚度基本上为上升趋势,20世纪90年代至21世纪最初的10年,黑龙江省全省区域冻土厚度均出现下降趋势,大兴安岭地区转变为全省下降速率最快的地区。

(4)黑龙江省冻土厚度所表现出来的春季冻土厚度极显著减少、尤其21世纪最初10年黑龙江省冻土厚度下降更为显著的趋势,这与新疆、青藏高原地区冻土变化特征相 似[29]。说明,在目前气候变暖的大趋势下,全国冻土变化呈现出相似的特征。

The authors have declared that no competing interests exist.


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. 地理研究, 2014, 33(7): 1275-1284.

https://doi.org/10.11821/dlyj201407008      URL      [本文引用: 1]      摘要

冻土是一种对气候变化极为敏感的土体介质,故气候的变化过程能反映和模拟冻土的分布及变化趋势。基于高程—响应模型,运用高分辨率的高程数据(DEM)、经度数据(Longitude)、纬度数据(Latitude)、年平均气温数据(MAAT)和气温垂直递减率数据(VLRT)对祁连山地区近40年的多年冻土分布状况进行了数值模拟。分析表明:①该高程—响应模型模拟的冻土范围和变化趋势与相关研究所引入逻辑回归模型的模拟结果基本一致。②该模型模拟的1970s、1980s、1990s,2000s的祁连山地区冻土分布面积分别为9.75×104km2、9.35×104km2、8.85×104km2、7.66×104km2。在这40年中,冻土的分布范围呈现出明显减少的趋势。③从1970s到1980s、1980s到1990s、1990s到2000s三个时间段内,冻土分布范围的退缩速率分别为4.1%、5.3%、13.4%,其呈现逐渐增速的趋势,1990s到2000s出现了跳跃式增长。本研究可为分析长时间序列祁连山地区的多年冻土变化提供科学参考依据。

[Zhang Wenjie, Cheng Weiming, Li Baolin, et al.

Simulation of the permafrost distribution on Qilian Mountains over past 40 years under the influence of climate change

. Geographical Research, 2014, 33(7): 1275-1284.]

https://doi.org/10.11821/dlyj201407008      URL      [本文引用: 1]      摘要

冻土是一种对气候变化极为敏感的土体介质,故气候的变化过程能反映和模拟冻土的分布及变化趋势。基于高程—响应模型,运用高分辨率的高程数据(DEM)、经度数据(Longitude)、纬度数据(Latitude)、年平均气温数据(MAAT)和气温垂直递减率数据(VLRT)对祁连山地区近40年的多年冻土分布状况进行了数值模拟。分析表明:①该高程—响应模型模拟的冻土范围和变化趋势与相关研究所引入逻辑回归模型的模拟结果基本一致。②该模型模拟的1970s、1980s、1990s,2000s的祁连山地区冻土分布面积分别为9.75×104km2、9.35×104km2、8.85×104km2、7.66×104km2。在这40年中,冻土的分布范围呈现出明显减少的趋势。③从1970s到1980s、1980s到1990s、1990s到2000s三个时间段内,冻土分布范围的退缩速率分别为4.1%、5.3%、13.4%,其呈现逐渐增速的趋势,1990s到2000s出现了跳跃式增长。本研究可为分析长时间序列祁连山地区的多年冻土变化提供科学参考依据。
[4] 周秀杰, 王凤玲, 吴玉影, .

近60年来黑龙江省与东北及全国气温变化特点分析

. 自然灾害学报, 2013, 22(2): 124-129.

[本文引用: 2]     

[Zhou Xiujie, Wang Fengling, Wu Yuying, et al.

Analysis of temperature change characteristics of Heilongjiang province northeast China and whole country in recent 60 years

. Journal of Natural Disasters, 2013, 22(2): 124-129.]

[本文引用: 2]     

[5] 刘先昌, 国世友, 金磊, .

近47a来黑龙江省地面最大冻土深度变化分析

. 黑龙江气象, 2008, 25(4): 42-43.

https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-252X.2008.04.016      URL      [本文引用: 1]      摘要

利用黑龙江省1960~2006年20个地面测站最大冻土深度资料,分析了最大冻土深度的空间和时间变化特征,讨论了最大冻土深度与气温的关系,得出的结论可为公路工程设计提供理论依据。

[Liu Xiancang, Guo Shiyou, Jin Lei, et al.

Change analysis of the deepest frozen soil layer over nearly 47 years of Heilongjiang province

. Heilongjiang Meteorology, 2008, 25(4): 42-43.]

https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-252X.2008.04.016      URL      [本文引用: 1]      摘要

利用黑龙江省1960~2006年20个地面测站最大冻土深度资料,分析了最大冻土深度的空间和时间变化特征,讨论了最大冻土深度与气温的关系,得出的结论可为公路工程设计提供理论依据。
[6] 高峰, 刘军, 倪长健, .

高寒地区冻土活动层变化特征分析

. 气象与环境学报, 2014, 30(4): 84-90.

https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-503X.2014.04.012      URL      [本文引用: 1]      摘要

利用1960-2010年黑龙江省83个气象站的冻土和0 cm地温资料,采用线性回归和多项式回归方法分析了黑龙江省冻土活动层的时空变化特征,揭示了黑龙江省5个典型气候区域最大冻土深度的变化趋势与特征,讨论了黑龙江省冻土活动层的影响因子。结果表明:黑龙江省冻土活动层冻结开始于9月,冬季3月冻土深度达到最大值,8月冻土厚度接近于0 cm。全省由北向南,最大冻土深度逐渐变小,冻结开始时间逐渐推迟,融化结束时间逐渐提前。黑龙江省最大冻土深度均呈显著减小的趋势,存在明显的退化趋势。从年代际变化来看,20世纪90年代前黑龙江省最大冻土深度变化较小,最大冻土深度较深,90年代后最大冻土深度呈显著减小的趋势。高纬度地区地温低,在同等条件下冻土深度较低纬度地区深。

[Gao Feng, Liu Jun, Ni Changjian, et al.

Characteristics of frozen soil active layer in alpine region

. Journal of Meteorology & Environment, 2014, 30(4): 84-90.]

https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-503X.2014.04.012      URL      [本文引用: 1]      摘要

利用1960-2010年黑龙江省83个气象站的冻土和0 cm地温资料,采用线性回归和多项式回归方法分析了黑龙江省冻土活动层的时空变化特征,揭示了黑龙江省5个典型气候区域最大冻土深度的变化趋势与特征,讨论了黑龙江省冻土活动层的影响因子。结果表明:黑龙江省冻土活动层冻结开始于9月,冬季3月冻土深度达到最大值,8月冻土厚度接近于0 cm。全省由北向南,最大冻土深度逐渐变小,冻结开始时间逐渐推迟,融化结束时间逐渐提前。黑龙江省最大冻土深度均呈显著减小的趋势,存在明显的退化趋势。从年代际变化来看,20世纪90年代前黑龙江省最大冻土深度变化较小,最大冻土深度较深,90年代后最大冻土深度呈显著减小的趋势。高纬度地区地温低,在同等条件下冻土深度较低纬度地区深。
[7] Brown J, Hinkel K M, Nelson F E.

The circumpolar active layer monitoring (calm) program: Research designs and initial results

. Polar Geography, 2000, 24(3): 166-258.

https://doi.org/10.1080/10889370009377698      URL      [本文引用: 1]     

[8] Nelson F E, Shiklomanov N I, Hinkel K M, et al.

The Circumpolar Active Layer Monitoring (CALM) Workshop and THE CALM II Program

. Polar Geography, 2004, 28(4): 253-266.

https://doi.org/10.1080/789610205      URL      [本文引用: 1]      摘要

In today-榮 world, new technology revolution characterizing as information technology is in the ascendant. It is a strategic demand that we should energetically develop software industry and base the national economy and society on information technology so as to build a moderately prosperous society in all respects and narrow the digital gap. In recent years, the Chinese government has vigorously carried out a developing program for high-tech industry, therefore a new lot of software bases and special software incubators have been constructed which in turn push forward a rapid development of software industry.
[9] Jorgenson M T, Racine C H, Walters J C, et al.

Permafrost degradation and ecological changes associated with a warming climate in central Alaska

. Climatic Change, 2001, 48(4): 551-579.

https://doi.org/10.1023/A:1005667424292      URL      [本文引用: 1]      摘要

Studies from 1994–1998 on the TananaFlats in central Alaska reveal that permafrostdegradation is widespread and rapid, causing largeshifts in ecosystems from birch forests to fens andbogs. Fine-grained soils under the birch forest areice-rich and thaw settlement typically is 1–2.5 mafter the permafrost thaws. The collapsed areas arerapidly colonized by aquatic herbaceous plants,leading to the development of a thick, floatingorganic mat. Based on field sampling of soils,permafrost and vegetation, and the construction of aGIS database, we estimate that 17% of the study area(263,964 ha) is unfrozen with no previous permafrost,48% has stable permafrost, 31% is partiallydegraded, and 4% has totally degraded. For thatportion that currently has, or recently had,permafrost (83% of area), 6542% has been affected bythermokarst development. Based on airphoto analysis,birch forests have decreased 35% and fens haveincreased 29% from 1949 to 1995. Overall, the areawith totally degraded permafrost (collapse-scar fensand bogs) has increased from 39 to 47% in 46 y. Based on rates of change from airphoto analysis andradiocarbon dating, we estimate 83% of thedegradation occurred before 1949. Evidence indicatesthis permafrost degradation began in the mid-1700s andis associated with periods of relatively warm climateduring the mid-late 1700s and 1900s. If currentconditions persist, the remaining lowland birchforests will be eliminated by the end of the nextcentury.
[10] Camill P.

Permafrost thaw accelerates in boreal peatlands during late-20th century climate warming

. Climatic Change, 2005, 68(1): 135-152.

https://doi.org/10.1007/s10584-005-4785-y      URL      [本文引用: 1]      摘要

Permafrost covers 25% of the land surface in the northern hemisphere, where mean annual ground temperature is less than 0°C. A 1.4–5.8 °C warming by 2100 will likely change the sign of mean annual air and ground temperatures over much of the zones of sporadic and discontinuous permafrost in the northern hemisphere, causing widespread permafrost thaw. In this study, I examined rates of discontinuous permafrost thaw in the boreal peatlands of northern Manitoba, Canada, using a combination of tree-ring analyses to document thaw rates from 1941–1991 and direct measurements of permanent benchmarks established in 1995 and resurveyed in 2002. I used instrumented records of mean annual and seasonal air temperatures, mean winter snow depth, and duration of continuous snow pack from climate stations across northern Manitoba to analyze temporal and spatial trends in these variables and their potential impacts on thaw. Permafrost thaw in central Canadian peatlands has accelerated significantly since 1950, concurrent with a significant, late-20th-century average climate warming of +1.32 °C in this region. There were strong seasonal differences in warming in northern Manitoba, with highest rates of warming during winter (+1.39 °C to +1.66 °C) and spring (+0.56 °C to +0.78 °C) at southern climate stations where permafrost thaw was most rapid. Projecting current warming trends to year 2100, I show that trends for north-central Canada are in good agreement with general circulation models, which suggest a 4–8 °C warming at high latitudes. This magnitude of warming will begin to eliminate most of the present range of sporadic and discontinuous permafrost in central Canada by 2100.
[11] Frauenfeld O W, Zhang T, Barry R G, et al.

Interdecadal changes in seasonal freeze and thaw depths in Russia

. Journal of Geophysical Research, 2004, 109(D5): 413-421.

https://doi.org/10.1029/2003JD004245      URL      [本文引用: 1]      摘要

[1] Seasonal freezing and thawing processes in cold regions play a major role in ecosystem diversity, productivity, and the Arctic hydrological system. Long-term changes in seasonal freeze and thaw depths are also important indicators of climate change. Only sparse historical measurements of seasonal freeze and thaw depths are available for permafrost and seasonally frozen ground regions. Using mean monthly soil temperature data for 19300900091990 for 242 stations located throughout Russia, we employed a linear interpolation method to determine the depth of the 000°C isotherm based on soil temperature data measured between 0.2 m and 3.2 m depth. The relationship between available observed annual maximum freeze and thaw depths and our interpolated values indicates a perfect correlation. A comprehensive evaluation of long-term trends in these new interpolated data for Russia indicates that in permafrost regions, active layer depths have been steadily increasing. In the period 19560900091990 the active layer exhibited a statistically significant deepening by approximately 20 cm. The changes in the seasonally frozen ground areas are even greater: The depth of the freezing layer decreased 34 cm between 1956 and 1990. Potential forcings of the observed changes include air temperature, freezing and thawing index, and snow depth. Correlation and multiple regression reveal that active layer depth is most strongly related to snow depth. Air temperature, both mean annual and thawing index, is also significantly related to changes in the active layer. Freeze depth is influenced most strongly by the freezing index and mean annual air temperature, although snow depth is also a significant contributor. Air temperature and snow depth have been changing less in the seasonally frozen ground regions of Russia compared to permafrost regions, although observed changes in freeze depth are greater than changes in active layer depth for 19300900091990. This indicates that the seasonally frozen ground regions of the Russian high latitudes are more susceptible to climate change than the Russian permafrost. However, as temperatures have been rising, especially in the high-latitude continental regions, both permafrost and seasonally frozen ground regions are being greatly impacted. These changes can potentially result in increased river runoff and changes in discharge throughout the Russian Arctic drainage basin, as well as changes in high-latitude ecosystems.
[12] Sharkhuu N.Recent changes in the permafrost of Mongolia. In: Phillips M, Springman S M, Arenson L U.

Proceedings of the 8th International Conference on Permafrost

. Netherlands: Balkema A A, 2003: 1029-1034.

URL      [本文引用: 1]     

[13] 吴吉春, 盛煜, 吴青柏, .

青藏高原多年冻土退化过程及方式

. 中国科学, 2009, 39(11): 1570-1578.

[本文引用: 1]     

[Wu Jichun, Sheng Yu, Wu Qingbai, et al.

Processes and modes of permafrost degradation on the Qinghai-Tibet Plateau

. Science in China, 2009, 39(11): 1570-1578.]

[本文引用: 1]     

[14] 李林, 王振宇, 汪青春, .

青海季节冻土退化的成因及其对气候变化的响应

. 地理研究, 2008, 27(1): 162-170.

https://doi.org/10.3321/j.issn:1000-0585.2008.01.018      URL      [本文引用: 1]      摘要

利用相关分析等数理统计学方法,分析了地形、气候等自然因子对季 节冻土时空分布的影响,模拟了冻土对气温、降水、云量等气候因子变化的响应.研究表明:地形、气候因子对青海季节冻土的分布和演变有显著影响,气候变暖是 造成季节冻土退化的主要原因;西宁城市化造成的"热岛效应"的加剧以及青海湖水位下降引起的"水体效应"的削弱等局地变化在某种程度上强化了季节冻土对气 候变化的响应;季节冻土对气温变化的响应在旬、月尺度上较年际尺度上表现得更为明显,同时,随着冻土深度的加深其滞后效应越明显.

[Li Lin, Wang Zhenyu, Wang Qingchun, et al.

Cause of seasonal tjale degeneration and its response to climate change in Qinghai

. Geographical Research, 2008, 27(1): 162-170.]

https://doi.org/10.3321/j.issn:1000-0585.2008.01.018      URL      [本文引用: 1]      摘要

利用相关分析等数理统计学方法,分析了地形、气候等自然因子对季 节冻土时空分布的影响,模拟了冻土对气温、降水、云量等气候因子变化的响应.研究表明:地形、气候因子对青海季节冻土的分布和演变有显著影响,气候变暖是 造成季节冻土退化的主要原因;西宁城市化造成的"热岛效应"的加剧以及青海湖水位下降引起的"水体效应"的削弱等局地变化在某种程度上强化了季节冻土对气 候变化的响应;季节冻土对气温变化的响应在旬、月尺度上较年际尺度上表现得更为明显,同时,随着冻土深度的加深其滞后效应越明显.
[15] 赵林, 刘广岳, 焦克勤, .

1991-2008年天山乌鲁木齐河源区多年冻土的变化

. 冰川冻土, 2010, 32(2): 223-230.

URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

天山乌鲁木齐河源多年冻土变化的研究, 对于揭示气候变暖背景下, 天山多年冻土对气候变化的响应以及由多年冻土变化引起的植被土壤演化、水文变化具有重要意义. 对1991以来河源区海拔3500 m左右的气温、降水、地温观测数据进行综合分析, 结果表明: 河源区的活动层呈逐渐增厚趋势, 最大活动层厚度出现在2007年, 达到1.60 m, 较1992年增加了0.35 m; 多年冻土活动层的变化与河源区夏半年(5-10月)的水热状况密切相关, 活动层厚度随融化指数、夏半年降水量的增加而增大. 多年冻土年变化深度由1993年的10 m增加到12 m左右; 年平均地温上升明显, 由1993年的-1.6 ℃上升到2008年的-1.0 ℃. 年变化层以下的温度, 均有不同程度的上升, 年均增温速率随深度的增加而减小, 推断长期持续的气候变暖是导致乌鲁木齐河源区多年冻土升温的主要驱动力. 估算2008年的多年冻土下限深度约为86.8 m, 较1992年减小了7.7 m, 河源区多年冻土很可能正在发生自下而上的迅速退化.

[Zhao Lin, Liu Guangyue, Jiao Keqin, et al.

Variation of the permafrost in the headwaters of the Urumqi River in the Tianshan Mountains since 1991

. Journal of Glaciology & Geocryology, 2010, 32(2): 223-230.]

URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

天山乌鲁木齐河源多年冻土变化的研究, 对于揭示气候变暖背景下, 天山多年冻土对气候变化的响应以及由多年冻土变化引起的植被土壤演化、水文变化具有重要意义. 对1991以来河源区海拔3500 m左右的气温、降水、地温观测数据进行综合分析, 结果表明: 河源区的活动层呈逐渐增厚趋势, 最大活动层厚度出现在2007年, 达到1.60 m, 较1992年增加了0.35 m; 多年冻土活动层的变化与河源区夏半年(5-10月)的水热状况密切相关, 活动层厚度随融化指数、夏半年降水量的增加而增大. 多年冻土年变化深度由1993年的10 m增加到12 m左右; 年平均地温上升明显, 由1993年的-1.6 ℃上升到2008年的-1.0 ℃. 年变化层以下的温度, 均有不同程度的上升, 年均增温速率随深度的增加而减小, 推断长期持续的气候变暖是导致乌鲁木齐河源区多年冻土升温的主要驱动力. 估算2008年的多年冻土下限深度约为86.8 m, 较1992年减小了7.7 m, 河源区多年冻土很可能正在发生自下而上的迅速退化.
[16] 王秋香, 李红军, 魏荣庆, .

1961-2002年新疆季节冻土多年变化及突变分析

. 冰川冻土, 2005, 27(6): 820-826.

Magsci      [本文引用: 1]      摘要

对新疆41 a(1961/1962-2001/2002年)冬季平均冻土深度、最大冻土深度、土壤10 cm深度封冻时段资料分析表明,随着全疆气候的变暖,各地的平均冻土深度、最大冻土深度趋向变浅,土壤封冻时间缩短.尤其是1986年以后,暖湿化特征十分明显,冻土深度和封冻时间变化更为显著.最大冻土深度南、北疆分别在1982/1983年和1986/1987年冬季发生了明显的突变.

[Wang Qiuxiang, Li Hongjun, Wei Rongqing, et al.

Annual change and abrupt change of the seasonal frozen soil in Xinjiang China during 1961-2002

. Journal of Glaciology &Geocryology, 2005, 27(6): 820-826.]

Magsci      [本文引用: 1]      摘要

对新疆41 a(1961/1962-2001/2002年)冬季平均冻土深度、最大冻土深度、土壤10 cm深度封冻时段资料分析表明,随着全疆气候的变暖,各地的平均冻土深度、最大冻土深度趋向变浅,土壤封冻时间缩短.尤其是1986年以后,暖湿化特征十分明显,冻土深度和封冻时间变化更为显著.最大冻土深度南、北疆分别在1982/1983年和1986/1987年冬季发生了明显的突变.
[17] 王春鹤, 张宝林, 刘福涛.

大、小兴安岭多年冻土退化规律及利弊的初步分析

. 冰川冻土, 1996, 18(Sl): 174-179.

[本文引用: 1]     

[Wang Chunhe, Zhang Baolin, Liu Futao.

A preliminary analysis on the regularity of permafrost degradation its advantages and disadvantages in the Greater and Lesser Xing'an Mountains

. Journal of Glaciology & Geocryology, 1996, 18(Sl): 174-179.]

[本文引用: 1]     

[18] 常晓丽, 金会军, 何瑞霞, .

中国东北大兴安岭多年冻土与寒区环境考察和研究进展

. 冰川冻土, 2008, 30(1): 176-182.

URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

由于东北地区最近150a来的显著气候变暖和清朝开禁政策以来强烈的人为活动影响,东北地区冻土和寒区环境已经产生了显著变化. 由于社会经济活动日益增多和许多重大工程建设需要,及其寒区水文、生态环境的显著、急速恶化,继20世纪50-60年代大规模经济开发时的冻土研究高潮之后,东北地区冻土和寒区环境问题再次成为国人关注的重要问题. 为研究中国-俄罗斯原油管道工程(漠河-大庆段)的气候变化与冻土退化对管道工程地基基础长期稳定性的影响问题,中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室在2007年7-8月组织了“大兴安岭多年冻土与环境”科学考察,考察的主要区域涉及大兴安岭西坡从漠河(不连续多年冻土区)至阿尔山(多年冻土南界和下界附近)以及东坡从漠河、大杨树(零星岛状多年冻土区)至嫩江平原北部大庆附近(季节冻土区). 考察中发现多处重要古冻土遗迹和重新研究了乌玛和伊图里河不活动冰楔群,取得了大量第一手资料,以研究第四纪,特别是全新世以来,多年冻土和寒区环境演化和变化. 考察过程中,对大兴安岭(漠河-黄岗梁)和长白山的针叶林优势种(兴安松和章子松)树木年轮进行了系统采样,以详细研究小冰期晚期以来的气候和环境变化. 考察结果表明:最近50a来,受显著气候变暖和强烈人类活动影响,东北多年冻土已经产生显著退化,南界有较大幅度(40-120 km)北移. 根据最新预测表明,在未来50-100a气候变暖情景下,多年冻土将继续退化,但面积上的变化将较慢. 这可能归结于东北地区较好的地表覆被条件和丰富的地下冰、雪盖减少,以及可能显著增强的西伯利亚-蒙古冷高压在冬季形成的强大、稳定和广泛的大气逆温层结对兴安-贝加尔型冻土的控制作用.

[Chang Xiaoli, Jin Huijun, He Ruixia, et al.

Advances in permafrost and cold regions environments studies in the Da Xing'anling Mountains, Northeastern China

. Journal of Glaciology & Geocryology, 2008, 30(1): 176-182.]

URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

由于东北地区最近150a来的显著气候变暖和清朝开禁政策以来强烈的人为活动影响,东北地区冻土和寒区环境已经产生了显著变化. 由于社会经济活动日益增多和许多重大工程建设需要,及其寒区水文、生态环境的显著、急速恶化,继20世纪50-60年代大规模经济开发时的冻土研究高潮之后,东北地区冻土和寒区环境问题再次成为国人关注的重要问题. 为研究中国-俄罗斯原油管道工程(漠河-大庆段)的气候变化与冻土退化对管道工程地基基础长期稳定性的影响问题,中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室在2007年7-8月组织了“大兴安岭多年冻土与环境”科学考察,考察的主要区域涉及大兴安岭西坡从漠河(不连续多年冻土区)至阿尔山(多年冻土南界和下界附近)以及东坡从漠河、大杨树(零星岛状多年冻土区)至嫩江平原北部大庆附近(季节冻土区). 考察中发现多处重要古冻土遗迹和重新研究了乌玛和伊图里河不活动冰楔群,取得了大量第一手资料,以研究第四纪,特别是全新世以来,多年冻土和寒区环境演化和变化. 考察过程中,对大兴安岭(漠河-黄岗梁)和长白山的针叶林优势种(兴安松和章子松)树木年轮进行了系统采样,以详细研究小冰期晚期以来的气候和环境变化. 考察结果表明:最近50a来,受显著气候变暖和强烈人类活动影响,东北多年冻土已经产生显著退化,南界有较大幅度(40-120 km)北移. 根据最新预测表明,在未来50-100a气候变暖情景下,多年冻土将继续退化,但面积上的变化将较慢. 这可能归结于东北地区较好的地表覆被条件和丰富的地下冰、雪盖减少,以及可能显著增强的西伯利亚-蒙古冷高压在冬季形成的强大、稳定和广泛的大气逆温层结对兴安-贝加尔型冻土的控制作用.
[19] 赵博宇.

黑龙江多年冻土变化趋势以及与气温的相关关系研究

. 哈尔滨师范大学: 自然科学学报, 2016, 32(5): 77-80.

[本文引用: 1]     

[Zhao Fuyu.

Research on change trend of frozen soil and correlation with temperature in Heilongjiang province over the years

. Journal of Harbin Normal University: Natural Science, 2016, 32(5): 77-80.]

[本文引用: 1]     

[20] 魏凤英. 现代气候统计诊断与预测技术. 北京: 气象出版社, 2007.

[本文引用: 3]     

[Wei Fengying.Contemporary Techniques for Climatic Prognostcation: Diagnosis and Statistics. Beijing: China Meteorological Press, 2007.]

[本文引用: 3]     

[21] 刘萱, 张文煜, 贾东于, .

河西走廊沙尘暴50a频率突变检测分析

. 中国沙漠, 2011, 31(6): 1579-1584.

URL      Magsci      [本文引用: 3]      摘要

利用1958年至2007年民勤、敦煌、武威、张掖、景泰的沙尘暴春季发生频次资料,运用滑动t检验和滑动F检验进行突变检测分析,根据检验结果综合确定突变点及其突变强度,寻求沙尘暴发生频率突变规律及产生原因,为沙尘暴发生频率的变化趋势研究和预测提供参考。滑动t检测结果显示,5站点的沙尘暴春季频率突变数量呈现往东部递增的趋势;降低突变较多;升高突变年份集中在20世纪60年代末期和90年代末期,降低突变主要出现在1983年及2002年前后;均值降低突变强度大于升高突变。滑动F检验结果显示突变均是方差降低突变;河西走廊中东部的沙尘频率波动性差异较其他地区更为显著;方差突变出现在80年代中期及90年代初期,其余时间的波动性的差异维持在一个较低的水平。当对沙尘暴发生频率进行滑动t及滑动F检验时,两种情况下的降低突变检测结果存在一定的对应关系。河西走廊地区的沙尘暴发生频率突变与地面风速、大风日数、降水量及平均气温的突变存在密切联系,可作为沙尘暴频率突变的预测因子。

[Liu Xuan, Zhang Wenyu, Jia Dongyu, et al.

Research of abrupt changes of sandstorm frequency in Hexi Corridor in recent 50 years

. Journal of Desert Research, 2011, 31(6): 1579-1584.]

URL      Magsci      [本文引用: 3]      摘要

利用1958年至2007年民勤、敦煌、武威、张掖、景泰的沙尘暴春季发生频次资料,运用滑动t检验和滑动F检验进行突变检测分析,根据检验结果综合确定突变点及其突变强度,寻求沙尘暴发生频率突变规律及产生原因,为沙尘暴发生频率的变化趋势研究和预测提供参考。滑动t检测结果显示,5站点的沙尘暴春季频率突变数量呈现往东部递增的趋势;降低突变较多;升高突变年份集中在20世纪60年代末期和90年代末期,降低突变主要出现在1983年及2002年前后;均值降低突变强度大于升高突变。滑动F检验结果显示突变均是方差降低突变;河西走廊中东部的沙尘频率波动性差异较其他地区更为显著;方差突变出现在80年代中期及90年代初期,其余时间的波动性的差异维持在一个较低的水平。当对沙尘暴发生频率进行滑动t及滑动F检验时,两种情况下的降低突变检测结果存在一定的对应关系。河西走廊地区的沙尘暴发生频率突变与地面风速、大风日数、降水量及平均气温的突变存在密切联系,可作为沙尘暴频率突变的预测因子。
[22] 张丽娟, 于洋, 粟练灵, .

1960-2010年黑龙江省土地利用变化对气温的影响

. 地理科学, 2017, 37(6): 952-959.

URL      [本文引用: 1]      摘要

基于黑龙江省1960~2010年的土地利用变化,采用自然正交分解(EOF)、气候倾向率及Observation Minus Reanalysis(OMR)等方法,分析了土地利用变化对黑龙江省气温的影响。研究发现:(1)1960~2010年黑龙江省耕地、建设用地、水域面积依次增加,沼泽、草地和林地依次减少。土地利用变化区域性较明显,沼泽转变为耕地集中在东部,草地转为耕地集中分布在黑龙江省西部,沼泽转为林地和林地转为耕地集中在北部,建设用地增加主要集中在南部;(2)黑龙江省1960~2010年土地利用变化对年平均气温及各个季节平均气温均产生升高效应,但并不显著,对年气温的影响趋势为0.053℃/10a,贡献率为12.1%;(3)1960~2010年土地利用变化产生气温空间变化异质性,但没有改变气温纬向性空间分布特征;(4)1960~2010年,林地和沼泽的气温影响效应为升温,草地和耕地为降温,但各个季节有所差异,夏季和秋季表现出降温效应,建设用地全年及各个季节均表现出升温效应,冬季最强;林地转耕地、草地转耕地均以升温效应为主,沼泽转耕地为降温效应。

[Zhang Lijuan, Yu Yang, Su Lianling, et al.

Effects of land use change on air temperature of Heilongjiang province in 1960-2010

. Scientia Geographica Sinica, 2017, 37(6): 952-959.]

URL      [本文引用: 1]      摘要

基于黑龙江省1960~2010年的土地利用变化,采用自然正交分解(EOF)、气候倾向率及Observation Minus Reanalysis(OMR)等方法,分析了土地利用变化对黑龙江省气温的影响。研究发现:(1)1960~2010年黑龙江省耕地、建设用地、水域面积依次增加,沼泽、草地和林地依次减少。土地利用变化区域性较明显,沼泽转变为耕地集中在东部,草地转为耕地集中分布在黑龙江省西部,沼泽转为林地和林地转为耕地集中在北部,建设用地增加主要集中在南部;(2)黑龙江省1960~2010年土地利用变化对年平均气温及各个季节平均气温均产生升高效应,但并不显著,对年气温的影响趋势为0.053℃/10a,贡献率为12.1%;(3)1960~2010年土地利用变化产生气温空间变化异质性,但没有改变气温纬向性空间分布特征;(4)1960~2010年,林地和沼泽的气温影响效应为升温,草地和耕地为降温,但各个季节有所差异,夏季和秋季表现出降温效应,建设用地全年及各个季节均表现出升温效应,冬季最强;林地转耕地、草地转耕地均以升温效应为主,沼泽转耕地为降温效应。
[23] 顾春雷, 杨漾, 朱志春.

几种建立DEM模型插值方法精度的交叉验证

. 测绘与空间地理信息, 2011, 34(5): 99-102.

[本文引用: 1]     

[Gu Chunlei, Yang Yang, Zhu Zhichun.

Accuracy cross-validation of several interpolation methods of DEM

. Geomatics & Spatial Information Technology, 2011, 34(5): 99-102.]

[本文引用: 1]     

[24] 张慧智, 史学正, 于东升, .

中国土壤温度的空间插值方法比较

. 地理研究, 2008, 27(6): 1299-1307.

[本文引用: 1]     

[Zhang Huizhi, Shi Xuedong, Yu Dongsheng, et al.

Spatial prediction of soil temperatures in China using different methods

. Geographical Research, 2008, 27(6): 1299-1307.]

[本文引用: 1]     

[25] 施雅风, 米德生.中国冰雪冻土图. 北京: 中国地图出版社. 1988.

[本文引用: 1]     

[Shi Yafeng, Mi Desheng.Map of Snow Ice and Frozen Ground in China. Beijing: China Cartographic Publishing House, 1988.]

[本文引用: 1]     

[26] 谭海涛. 地面气象观测. 北京: 气象出版社, 1986.

[本文引用: 1]     

[Tan Haitao.The Ground Meteorological Observation. Beijing: China Meteorological Press, 1986.]

[本文引用: 1]     

[27] 刘玉莲.

1961-2010年黑龙江省气候季节时空分布及其变化特征

. 气象与环境学报, 2015, 31(2): 89-96.

https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-503X.2015.02.013      URL      [本文引用: 1]      摘要

利用1961—2010年黑龙江省日平均气温资料对黑龙江省气候 季节进行划分,并分析其时空分布和变化特征。结果表明:黑龙江省北部和东南部与俄罗斯交界地区属于无夏区,中西部和东部地区属于四季分明区。黑龙江省春季 起始时间为4月下旬至5月中旬,呈南早北晚分布;夏季起始时间(四季分明区)为6月下旬至7月下旬,夏季起始时间黑龙江省中西部地区呈南早北晚分布,东部 地区呈南晚北早分布;秋季起始时间为7月中旬至8月中旬,全省呈北早南晚分布;冬季起始时间为9月中旬至10月上旬,呈北早南晚分布。黑龙江省春季平均长 度为70 d,西部地区春季短,东部地区春季长;夏季平均长度(四季分明区)为32 d;秋季平均长度为59 d;冬季平均长度为214 d,北部地区冬季长,西南部地区冬季短。1961—2010年黑龙江省入春和入夏时间提前,入秋和入冬时间推迟;夏季长度明显延长,冬季长度明显缩短,非 冬季长度明显延长。

[Liu Yulian.

Temporal and spatial distribution of climatic season and its variation from 1961 to 2010 in Heilongjiang province

. Journal of Meteorology and Environment, 2015, 31(2): 89-96.]

https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-503X.2015.02.013      URL      [本文引用: 1]      摘要

利用1961—2010年黑龙江省日平均气温资料对黑龙江省气候 季节进行划分,并分析其时空分布和变化特征。结果表明:黑龙江省北部和东南部与俄罗斯交界地区属于无夏区,中西部和东部地区属于四季分明区。黑龙江省春季 起始时间为4月下旬至5月中旬,呈南早北晚分布;夏季起始时间(四季分明区)为6月下旬至7月下旬,夏季起始时间黑龙江省中西部地区呈南早北晚分布,东部 地区呈南晚北早分布;秋季起始时间为7月中旬至8月中旬,全省呈北早南晚分布;冬季起始时间为9月中旬至10月上旬,呈北早南晚分布。黑龙江省春季平均长 度为70 d,西部地区春季短,东部地区春季长;夏季平均长度(四季分明区)为32 d;秋季平均长度为59 d;冬季平均长度为214 d,北部地区冬季长,西南部地区冬季短。1961—2010年黑龙江省入春和入夏时间提前,入秋和入冬时间推迟;夏季长度明显延长,冬季长度明显缩短,非 冬季长度明显延长。
[28] 孟祥君.

土地覆被—积雪对长白山地区季节性冻土的地温影响研究

. 长春: 东北师范大学博士学位论文, 2014.

URL      [本文引用: 2]      摘要

冻土是地球冰冻圈系统中的主要组成部分。其存在、分布受到多种因素的影响,并且存在显著的时空变化。在大陆尺度和区域尺度上,其主要受纬度、海拔、大陆度和干燥度等因素的控制和影响。在局域尺度上,其受土地覆被、积雪、坡向、坡度、土壤、岩性、水分等影响水热平衡的局地因子的控制和影响。其中,土地覆被和积雪对冻土的影响非常显著,也一直是研究的重点和热点。 根据周幼吾等《中国冻土》及中国科学院寒区旱区环境工程研究所《1:1000万冻土类型》定义:东北地区季节性冻土为“中深层季节性冻土(Middle-thickseasonally frozen ground)”,即冻结深度大于1m的季节性冻土。本文所指的季节性冻土为此类。 为了研究土地覆被和积雪对季节性冻土地温的影响,本文在长白山牡丹岭(敦化市江源镇南山)地区选取典型地段的三种土地覆被状态,即红松栎林、耕地、沟谷湿地作为研究样地,分3组布设6台HOBO和3台自动气象站,同时配设多部手持式气象仪,对森林、耕地和沟谷湿地的季节性冻土和积雪进行了2个冬季的观测(2010~2011,2011~2012),并进行了植被扰动、积雪扰动条件下地温的变化情况的观测,研究植被和积雪对地表温度造成的影响。 此外,本文基于2001年以来长白山30个气象站的地温、积雪以及常规气象数据,并于http://modis.gsfc.nasa.gov/下载了2001~2010年的MODIS影像,在其地表月均温产品的基础上,合成了长白山地区各年份地表年均温等值线图谱。同时也反演了相应年份冬季的积雪深度图谱。然后一同叠加在长白山土地利用图上,依据地表覆被和积雪对地表的温度影响值,将图谱中的各栅格数据进行调整,形成新的地温图谱。 依据周幼吾《中国冻土》关于中深层季节季节性冻土(又称稳定性冻结)的季节冻结和融化层地面年平均温度(tξ)与年平均气温(ta)的关系公式:tξ=3.72144+0.72329ta,计算出tξ=10(中深层季节冻土和浅层季节冻土分界线),年平均气温ta=8.68。然后在tξ=10的区域选取6个站点,通过1961~2010年年平均气温数据和地表年均温数据线性回归得到:tair=0.8092tground+0.4339(Adj-R2=0.8717,p=0.000),然后换算出tξ=10的地表温度为tground=10.2,即地表年均温10.2℃所在的线为中深层季节性冻土南界线。 最后在调整后的地温图谱中提取地表年均温为10.2℃的线,作为中深层季节性冻土的南界,并分析在2001~2010年其界线的变动情况。 通过对所获得的数据和反演结果进行分析,主要结论如下: 1)植被的高低和盖度差异对其内气候的影响不同。红松栎林因植被高大、冠层浓密以及层片较多,造成冬季的降温作用明显。分析可见,与植被冠层顶部相比,冠层将吸收和反射约40%左右的太阳辐射,因此导致林内且气温较低,降温幅度在2℃左右。而耕地因作物株行距较大,植株矮小,且冬季时叶子枯落,其对太阳辐射的影响非常小,因此对下伏土壤地温影响不大。沟谷湿地以苔草、莎草、小叶章为主,植物盖度较大,但因高度太小,其对地面的降温作用也不大,但稍高于耕地。 2)地表覆被不同对下伏季节性冻土的影响不同。地表覆被因个体形态不同,盖度不同,对下伏土壤的温度影响不同。监测发现,森林在冬季的降温作用明显,可以造成其下伏浅层地温温度位移在2℃左右,并使冻土冻结时间提前,冻结深度加重。而耕地和草地则相对较弱。 3)积雪的保温作用对下伏季节性冻土影响在解冻和融化期不同。积雪具有保温作用,不同深度其保温效果不同。在长白山的地区,不足5cm的积雪对下伏浅层地温影响作用不大,但当积雪在15~20cm时,造成的温度位移在2~4.1℃左右。积雪在土壤冻结初期,表现为弱化浅层地温的降低,使冻结深度变浅,但在土壤解冻时,因其需吸收大量相变热,造成浅层地温回升较慢,延长土壤冻结时间。 4)植被和积雪扰动对下伏季节性冻土影响很大。清除植被,使地表完全裸露,则去除了植被的降温作用,使下伏土壤冻结时间延后,冻结深度发生变化。同理积雪也对下伏土壤地温产生响应的影响。但是两者之间往往存在交叉影响,即植被清除后,则积雪较未清除的样地要厚,积雪的保温作用就体现出来了。 5)长白山地区中深层季节性冻土南界移动幅度较大。2010年因极端高温,中深层冻土南界在研究区以南;2003、2004、2006年中深层季节性冻土南界位置相似,且位于最北端,即丹东-岫岩-海城一线;其余的年份则基本分布在宽甸-盖州一线附近。近十年界限南北最大差距在350公里以上。 总的研究表明,植被和积雪对长白山季节性冻土的影响机制较为复杂,不同植被类型和积雪状态对冻土的影响程度也各不相同,且同时可能受气温、坡度坡向、岩性、水分等其它因素的共同影响。本论文基本较为成功地分析和解释了长白山典型地表覆被和积雪对冻土地温以及冻融过程的影响机理,并给出了它们对冻土的影响程度,最后探讨了基于植被和积雪影响下的季节性冻土南界对气候变化的响应,为今后长白山季节性冻土影响因素的研究奠定基础。

[Meng Xiangjun.

Thermal effect of land cover and snow cover on the underlying middle-thick seasonal frozen ground in the active layer in the Changbai Mountains

. Changchun: Doctoral Dissertation of Northeast Normal University, 2014.]

URL      [本文引用: 2]      摘要

冻土是地球冰冻圈系统中的主要组成部分。其存在、分布受到多种因素的影响,并且存在显著的时空变化。在大陆尺度和区域尺度上,其主要受纬度、海拔、大陆度和干燥度等因素的控制和影响。在局域尺度上,其受土地覆被、积雪、坡向、坡度、土壤、岩性、水分等影响水热平衡的局地因子的控制和影响。其中,土地覆被和积雪对冻土的影响非常显著,也一直是研究的重点和热点。 根据周幼吾等《中国冻土》及中国科学院寒区旱区环境工程研究所《1:1000万冻土类型》定义:东北地区季节性冻土为“中深层季节性冻土(Middle-thickseasonally frozen ground)”,即冻结深度大于1m的季节性冻土。本文所指的季节性冻土为此类。 为了研究土地覆被和积雪对季节性冻土地温的影响,本文在长白山牡丹岭(敦化市江源镇南山)地区选取典型地段的三种土地覆被状态,即红松栎林、耕地、沟谷湿地作为研究样地,分3组布设6台HOBO和3台自动气象站,同时配设多部手持式气象仪,对森林、耕地和沟谷湿地的季节性冻土和积雪进行了2个冬季的观测(2010~2011,2011~2012),并进行了植被扰动、积雪扰动条件下地温的变化情况的观测,研究植被和积雪对地表温度造成的影响。 此外,本文基于2001年以来长白山30个气象站的地温、积雪以及常规气象数据,并于http://modis.gsfc.nasa.gov/下载了2001~2010年的MODIS影像,在其地表月均温产品的基础上,合成了长白山地区各年份地表年均温等值线图谱。同时也反演了相应年份冬季的积雪深度图谱。然后一同叠加在长白山土地利用图上,依据地表覆被和积雪对地表的温度影响值,将图谱中的各栅格数据进行调整,形成新的地温图谱。 依据周幼吾《中国冻土》关于中深层季节季节性冻土(又称稳定性冻结)的季节冻结和融化层地面年平均温度(tξ)与年平均气温(ta)的关系公式:tξ=3.72144+0.72329ta,计算出tξ=10(中深层季节冻土和浅层季节冻土分界线),年平均气温ta=8.68。然后在tξ=10的区域选取6个站点,通过1961~2010年年平均气温数据和地表年均温数据线性回归得到:tair=0.8092tground+0.4339(Adj-R2=0.8717,p=0.000),然后换算出tξ=10的地表温度为tground=10.2,即地表年均温10.2℃所在的线为中深层季节性冻土南界线。 最后在调整后的地温图谱中提取地表年均温为10.2℃的线,作为中深层季节性冻土的南界,并分析在2001~2010年其界线的变动情况。 通过对所获得的数据和反演结果进行分析,主要结论如下: 1)植被的高低和盖度差异对其内气候的影响不同。红松栎林因植被高大、冠层浓密以及层片较多,造成冬季的降温作用明显。分析可见,与植被冠层顶部相比,冠层将吸收和反射约40%左右的太阳辐射,因此导致林内且气温较低,降温幅度在2℃左右。而耕地因作物株行距较大,植株矮小,且冬季时叶子枯落,其对太阳辐射的影响非常小,因此对下伏土壤地温影响不大。沟谷湿地以苔草、莎草、小叶章为主,植物盖度较大,但因高度太小,其对地面的降温作用也不大,但稍高于耕地。 2)地表覆被不同对下伏季节性冻土的影响不同。地表覆被因个体形态不同,盖度不同,对下伏土壤的温度影响不同。监测发现,森林在冬季的降温作用明显,可以造成其下伏浅层地温温度位移在2℃左右,并使冻土冻结时间提前,冻结深度加重。而耕地和草地则相对较弱。 3)积雪的保温作用对下伏季节性冻土影响在解冻和融化期不同。积雪具有保温作用,不同深度其保温效果不同。在长白山的地区,不足5cm的积雪对下伏浅层地温影响作用不大,但当积雪在15~20cm时,造成的温度位移在2~4.1℃左右。积雪在土壤冻结初期,表现为弱化浅层地温的降低,使冻结深度变浅,但在土壤解冻时,因其需吸收大量相变热,造成浅层地温回升较慢,延长土壤冻结时间。 4)植被和积雪扰动对下伏季节性冻土影响很大。清除植被,使地表完全裸露,则去除了植被的降温作用,使下伏土壤冻结时间延后,冻结深度发生变化。同理积雪也对下伏土壤地温产生响应的影响。但是两者之间往往存在交叉影响,即植被清除后,则积雪较未清除的样地要厚,积雪的保温作用就体现出来了。 5)长白山地区中深层季节性冻土南界移动幅度较大。2010年因极端高温,中深层冻土南界在研究区以南;2003、2004、2006年中深层季节性冻土南界位置相似,且位于最北端,即丹东-岫岩-海城一线;其余的年份则基本分布在宽甸-盖州一线附近。近十年界限南北最大差距在350公里以上。 总的研究表明,植被和积雪对长白山季节性冻土的影响机制较为复杂,不同植被类型和积雪状态对冻土的影响程度也各不相同,且同时可能受气温、坡度坡向、岩性、水分等其它因素的共同影响。本论文基本较为成功地分析和解释了长白山典型地表覆被和积雪对冻土地温以及冻融过程的影响机理,并给出了它们对冻土的影响程度,最后探讨了基于植被和积雪影响下的季节性冻土南界对气候变化的响应,为今后长白山季节性冻土影响因素的研究奠定基础。
[29] 王澄海, 董文杰, 韦志刚.

青藏高原季节性冻土年际变化的异常特征

. 地理学报, 2001, 56(5): 523-531.

https://doi.org/10.3321/j.issn:0375-5444.2001.05.003      URL      [本文引用: 1]      摘要

对1961~1999年46个站点最大冻土深度的年际变化采用旋转主成份(REOF)分析, 发现存在4个变化敏感区:青藏高原东北区,青藏高原东南区,柴达木盆地区,青藏高原南部区.4个变化异常敏感区的最大冻土深度随时间变化有不同的趋势.其 中,进入20世纪90年代,高原东北部、高原东南部和高原南部区冻土厚度表现出变薄趋势,其代表站的最大冻土深度平均比80年代变浅0.02、0.05、 0.14 m,反映了对气候变暖的响应,呈现出与全球气候增暖的趋势;柴达木盆地和高原中部则表现为与前2个区域相反的变化趋势,即进入20世纪90年代,冻土深度 有所增加.其代表站的最大冻土深度较之80年代加厚0.57 m.由于土壤质地和溶质的差异,4个敏感区最大冻土深度在高频段上具有不同的周期:柴达木盆地和高原南部具有2年的周期;在较低频段上,均表现为14年左 右的周期.

[Wang Chenghai, Dong Wenjie, Wei Zhigang.

The feature of seasonal frozen soil in Qinghai-Tibet Plateau

. Acta Geographica Sinica, 2001, 56(5): 523-531.]

https://doi.org/10.3321/j.issn:0375-5444.2001.05.003      URL      [本文引用: 1]      摘要

对1961~1999年46个站点最大冻土深度的年际变化采用旋转主成份(REOF)分析, 发现存在4个变化敏感区:青藏高原东北区,青藏高原东南区,柴达木盆地区,青藏高原南部区.4个变化异常敏感区的最大冻土深度随时间变化有不同的趋势.其 中,进入20世纪90年代,高原东北部、高原东南部和高原南部区冻土厚度表现出变薄趋势,其代表站的最大冻土深度平均比80年代变浅0.02、0.05、 0.14 m,反映了对气候变暖的响应,呈现出与全球气候增暖的趋势;柴达木盆地和高原中部则表现为与前2个区域相反的变化趋势,即进入20世纪90年代,冻土深度 有所增加.其代表站的最大冻土深度较之80年代加厚0.57 m.由于土壤质地和溶质的差异,4个敏感区最大冻土深度在高频段上具有不同的周期:柴达木盆地和高原南部具有2年的周期;在较低频段上,均表现为14年左 右的周期.


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