張小平，秦 璐，范衛(wèi)東 ，李瑞芳 ，田粉平

(1.山西省氣象信息中心,山西 太原 030006；2.山東省煙臺(tái)市牟平區(qū)氣象局,山東 牟平 264600；3.山西省平安防雷檢測(cè)有限公司,山西 太原 030006； 4.山西省朔州市氣象局,山西 朔州 036002)

引 言

人類(lèi)賴以生存的大氣圈和陸地圈的環(huán)境變化越來(lái)越被重視，許多學(xué)者從大氣圈不同氣象要素如最高或最低氣溫[1-4]、降水[5-7]、極端氣候事件[8-9]等對(duì)氣候變化進(jìn)行了大量研究，但從陸地圈的角度對(duì)氣候變化的研究較少。當(dāng)?shù)販叵陆档? ℃或以下，含有水份的各種巖石和土壤呈現(xiàn)一種凍結(jié)現(xiàn)象[10]，形成凍土。凍土按持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短可分為短時(shí)凍土、季節(jié)性凍土和多年凍土，地球上凍土的面積約占陸地面積的50%[11]，主要分布在中高緯度地帶[12]。隨著氣候持續(xù)變暖，近年來(lái)中國(guó)地區(qū)凍土總體表現(xiàn)為最大凍土深度減小，季節(jié)性凍土呈現(xiàn)始凍期推遲、解凍期提前趨勢(shì)[13-14]，凍結(jié)持續(xù)日縮短，多年凍土的最大融化深度增加，面積萎縮[15]，呈現(xiàn)退化趨勢(shì)[16]，未來(lái) 50 a中國(guó)地區(qū)的凍土仍持續(xù)退縮趨勢(shì)，百年后將大范圍改變多年凍土的空間分布[17]。不同氣象因子對(duì)凍土的影響表現(xiàn)不同，在我國(guó)北方地區(qū)，氣溫對(duì)凍土的形成及存在起著決定性的作用，年平均氣溫和年最大凍土深度之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系[18-19]，表現(xiàn)為年氣溫低的地方，最大凍土深，反之亦然[20]，另外，最大凍土深度受海拔高度的影響較大，兩者成正相關(guān)關(guān)系[21]。

山西位于中高緯度的黃土高原東側(cè)，南北跨度大，境內(nèi)多山地、丘陵，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，其獨(dú)特的地理位置和氣候特征是造成山西季節(jié)性凍土形成的主要因素。目前為止，僅對(duì)大同、長(zhǎng)治凍土做了一些簡(jiǎn)單研究[22-25]，而對(duì)山西全省最大凍土深度時(shí)空變化尚不明確，因此，本研究基于山西68個(gè)氣象觀測(cè)站1960—2018年年最大凍土深度資料，應(yīng)用EOF、小波分析等方法，研究山西最大凍土深度的突變、周期特征，以期為全省的農(nóng)田水利規(guī)劃與建設(shè)、道路路基的穩(wěn)定性、生態(tài)環(huán)境改善提供技術(shù)支撐。

1 資 料

選取山西省1960—2018年108個(gè)氣象站月最大凍土深度、月降水、月氣溫及站點(diǎn)所在緯度和海拔高度資料，其來(lái)源于山西省氣象信息中心。考慮資料序列長(zhǎng)度和站點(diǎn)分布密度，剔除不完整的站點(diǎn)，保留質(zhì)量較高的68個(gè)氣象站(圖1)資料進(jìn)行分析。文中北部取大同、忻州、朔州3個(gè)市所有站點(diǎn)平均值；中部取呂梁、太原、晉中、陽(yáng)泉4個(gè)市所有站點(diǎn)平均值；南部取臨汾、運(yùn)城、長(zhǎng)治、晉城4市所有站點(diǎn)的平均值。文中附圖涉及的地圖基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為JS(2013)01-149號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無(wú)修改。

圖1 選用的氣象站點(diǎn)空間分布

2 結(jié)果分析

2.1 平均年最大凍土深度時(shí)間演變

1960—2018年山西平均年最大凍土深度平均值為71 cm，極端最大值(1968年為192 cm)出現(xiàn)在偏關(guān)，極端最小值(2017年為7 cm)出現(xiàn)在浮山。圖2為1960—2018年山西平均年最大凍土深度變化?？梢钥闯觯骄曜畲髢鐾辽疃茸畲笾党霈F(xiàn)在1977年(88 cm)，最小值出現(xiàn)在2017年(47 cm)；近59 a來(lái)山西平均年最大凍土深度呈遞減趨勢(shì)，氣候傾向率為-1.394 cm·(10 a)-1，且通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。

圖2 1960—2018年山西平均年最大凍土深度變化

對(duì)山西平均年最大凍土深度突變分析(圖3)發(fā)現(xiàn)，山西平均年最大凍土深度在1986年發(fā)生了由深向淺的明顯突變，并通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。另外，對(duì)68個(gè)站點(diǎn)的年最大凍土深度逐個(gè)進(jìn)行Mann-Kendall突變檢測(cè)，其中56站發(fā)生了顯著突變，占總站數(shù)的82.4%，突變時(shí)間分散在各個(gè)年代。

圖3 1960—2018年山西平均年最大凍土深度Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)

圖4為1960—2018年山西68站平均年最大凍土深度小波能量譜。可以看出，68站平均年最大凍土深度的變化以準(zhǔn)4 a的周期振蕩為主，且通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。

圖4 1960—2018年山西68站平均年最大凍土深度小波能量譜(粗實(shí)線表示通過(guò)α=0.05顯著性水平臨界值， 細(xì)實(shí)線表示邊緣效應(yīng)影響較大的區(qū)域)

2.2 月最大凍土深度變化

圖5為山西北部、中部和南部平均月最大凍土深度變化?？梢钥闯觯瑑鐾林怀霈F(xiàn)在冬半年，每年10月開(kāi)始出現(xiàn)凍土，到次年2月凍土深度達(dá)最大，然后開(kāi)始融凍，到5月全部解凍，表明山西最大凍土深度具有明顯的季節(jié)變化特征。

圖5 1960—2018年山西北部、中部和南部平均月最大凍土深度變化

2.3 年最大凍土深度空間分布

圖6為山西1960—2018年平均年最大凍土深度空間分布?？梢钥闯觯骄曜畲髢鐾辽疃饶蠝\北深，在同一緯度表現(xiàn)為西深東淺的空間分布特征，最小值17 cm出現(xiàn)在低緯度、低海拔的南部垣曲縣，最大值143 cm出現(xiàn)在高緯度、高海拔的西北部右玉縣。

圖6 1960—2018年山西平均年最大凍土深度空間分布(單位：cm)

表1是山西年最大凍土深度EOF分解的前10個(gè)模態(tài)方差貢獻(xiàn)率及累積方差貢獻(xiàn)率。其中前2個(gè)模態(tài)的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)58.4%，且通過(guò)NORTH等[26]準(zhǔn)則檢驗(yàn)，表明前2個(gè)模態(tài)是有物理意義的信號(hào)。

表1 山西年最大凍土深度EOF分解的前10個(gè)模態(tài)方差貢獻(xiàn)率及累積方差貢獻(xiàn)率

圖7為1960—2018年山西年最大凍土深度EOF分解前2個(gè)模態(tài)空間型及時(shí)間系數(shù)?？梢钥闯?，第1模態(tài)空間型表現(xiàn)為正的全省一致型，相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)在1987年之前以正值居多，之后以負(fù)值居多，表明山西年最大凍土深度在1987年之后開(kāi)始有一致變淺趨勢(shì)。第2模態(tài)空間型表現(xiàn)為南負(fù)北正型，相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)在1980年前大多為負(fù)值，表明1980年前山西年最大凍土深度分布主要為南深北淺，而在1980年以后時(shí)間系數(shù)多為正值，年最大凍土深度的空間分布轉(zhuǎn)為南淺北深，年最大凍土深度在山西南部由深變淺，北部由淺變深，存在明顯的年代際變化特征。

圖7 1960—2018年山西年最大凍土深度EOF分析前2模態(tài)空間型(a、b)及時(shí)間系數(shù)(c、d)(a, c)第1模態(tài)，(b, d)第2模態(tài)

3 年最大凍土深度影響因子

3.1 與降水的空間相關(guān)

分析山西68站多年平均年最大凍土深度分別與凍土持續(xù)期降水的空間相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，凍土持續(xù)期降水量與年最大凍土深度均呈負(fù)相關(guān)，且均通過(guò)α=0.001的顯著性檢驗(yàn)。表明年最大凍土深度受凍土持續(xù)期降水量影響較大，降水量多的站點(diǎn)，年最大凍土深度淺，反之亦然。

3.2 與降水的時(shí)間相關(guān)

分析59 a山西平均年最大凍土深度分別與凍土持續(xù)期降水的時(shí)間相關(guān)系數(shù)(表2)發(fā)現(xiàn)，前一年11月降水量與年最大凍土深度呈正相關(guān)，當(dāng)年2月降水量與年最大凍土深度呈負(fù)相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)均通過(guò)α=0.10的顯著性檢驗(yàn)。表明前一年11月降水量多時(shí)，年最大凍土深度深，當(dāng)年2月降水量少時(shí)，年最大凍土深度深，反之亦然。

表2 年最大凍土深度與降水的相關(guān)系數(shù)

3.3 與氣溫的空間相關(guān)

為了更好地探究氣溫對(duì)年最大凍土深度的影響，分析山西68站多年平均年最大凍土深度分別與前一年11月至當(dāng)年3月(凍土持續(xù)期)月平均氣溫的空間相關(guān)系數(shù)(表3)發(fā)現(xiàn)，前一年11月至當(dāng)年3月氣溫與年最大凍土深度呈負(fù)相關(guān)，且均通過(guò)α=0.001的顯著性檢驗(yàn)，表明凍土持續(xù)期氣溫低的站點(diǎn)，年最大凍土深度深，氣溫高的站點(diǎn)年最大凍土深度淺。

3.4 與氣溫的時(shí)間相關(guān)

分析59 a山西平均年最大凍土深度分別與凍土持續(xù)期月平均氣溫的時(shí)間相關(guān)系數(shù)(表3)發(fā)現(xiàn)，年最大凍土深度與凍土持續(xù)期月平均氣溫呈負(fù)相關(guān)，其中前一年11、12月的相關(guān)系數(shù)通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，1、2月的相關(guān)系數(shù)通過(guò)α=0.001的顯著性檢驗(yàn)，3月的相關(guān)系數(shù)沒(méi)有通過(guò)α=0.10的顯著性檢驗(yàn)。表明年最大凍土深度受當(dāng)年1月平均氣溫影響最大，受當(dāng)年2月平均氣溫影響次之，前一年11、12月平均氣溫影響較小，因此當(dāng)年1月平均氣溫低是導(dǎo)致年最大凍土深度加深的主要因素。

表3 年最大凍土深度與氣溫的相關(guān)系數(shù)

3.5 與緯度和海拔高度的關(guān)系

為了弄清緯度和海拔高度與最大凍土深度的關(guān)系，將68站年最大凍土深度多年平均值序列分別與緯度、海拔高度序列進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)年最大凍土深度與緯度的相關(guān)系數(shù)為0.92，與海拔高度的相關(guān)系數(shù)為0.75，且均通過(guò)α=0.001的顯著性檢驗(yàn)，表明山西年最大凍土深度與緯度和海拔高度呈顯著正相關(guān)，即山西年最大凍土深度隨緯度增大而加深，且海拔高度越高，凍土越深。

4 結(jié) 論

(1)1960—2018年，山西68站平均年最大凍土深度為71 cm，平均年最大凍土深度呈顯著遞減趨勢(shì)，氣候傾向率為-1.394 cm·(10 a)-1，且在1986年發(fā)生一次顯著的氣候突變，68站中有56站發(fā)生了顯著突變，占總站數(shù)的82.4%；平均年最大凍土深度存在準(zhǔn)4 a周期。

(2)山西年最大凍土深度空間分布特征總體南淺北深，在同一緯度上西深東淺。EOF分解前2個(gè)模態(tài)的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)58.4%。第1模態(tài)空間型為全省一致型，第2模態(tài)空間型為南北反向型。

(3)山西年最大凍土深度受凍土持續(xù)期降水量影響較大，降水量多的站點(diǎn)，年最大凍土深度淺，反之亦然；前一年11月降水量多時(shí)，年最大凍土深度深，當(dāng)年2月降水量少時(shí)，年最大凍土深度深，反之亦然。凍土持續(xù)期月平均氣溫與最大凍土深度呈顯著負(fù)相關(guān)，凍土持續(xù)期氣溫高的站點(diǎn)年最大凍土深度淺，氣溫低的站點(diǎn)年最大凍土深度深，同時(shí)當(dāng)年1月平均氣溫與年最大凍土深度的相關(guān)性最好。另外，山西年最大凍土深度與緯度和海拔高度呈顯著正相關(guān)。

致謝：文章在撰寫(xiě)過(guò)程中得到了山西省氣候中心李智才正研和山西省氣象臺(tái)趙桂香正研的指導(dǎo)和幫助，在此表示衷心的感謝！