魏 豪， 張 澤， Andrey MELNIKOV， 金豆豆， 高思如， 馮文杰

（1.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000； 2.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院/寒區(qū)科學(xué)與工程研究院，黑龍江哈爾濱150040； 3.東北林業(yè)大學(xué)東北多年凍土區(qū)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)教育部野外科學(xué)觀測(cè)研究站/東北多年凍土區(qū)環(huán)境、道路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)協(xié)同創(chuàng)新中心，黑龍江哈爾濱150040； 4.俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院梅爾尼科夫凍土研究所，俄羅斯聯(lián)邦雅庫(kù)茨克117997； 5.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

0 引言

興安嶺地區(qū)位于中國(guó)東北北部，包括從內(nèi)蒙古赤峰市到黑龍江漠河市的大興安嶺，以及北起黑龍江岸南至松花江岸的小興安嶺，有中國(guó)面積最大、保存相對(duì)完好的原始森林，是重要的林業(yè)基地和東北邊疆的重要門(mén)戶。興安嶺地區(qū)包含大部分多年凍土區(qū)和部分季節(jié)凍土區(qū)，與俄羅斯貝加爾湖和遠(yuǎn)東地區(qū)的不連續(xù)多年凍土以及蒙古國(guó)山區(qū)多年凍土相鄰，是中國(guó)高緯度多年凍土的主要分布區(qū)和寒區(qū)工程建設(shè)的重要地區(qū)。

近年來(lái)全球氣候變暖日趨嚴(yán)重，IPCC 報(bào)告指出在1880—2012年間，全球的近地層年平均氣溫升高了0.85 ℃［1-2］，中國(guó)東北地區(qū)的多年凍土和季節(jié)凍土都有不同程度的退化，多年凍土區(qū)和季節(jié)凍土區(qū)的南緣都有明顯的北移現(xiàn)象［3］。20 世紀(jì)50 年代至21世紀(jì)初，東北地區(qū)多年凍土總面積從4.8×105km2減少為3.1×105km2，凍土南緣向北移動(dòng)0.1°～1.1°，平均海拔升高160.5 m［4］。同樣地，東北地區(qū)地表凍結(jié)指數(shù)的下降和融化指數(shù)的上升與全球變暖、凍土退化有著相同的趨勢(shì)［5-6］。因此，對(duì)興安嶺地區(qū)的凍土變化及寒區(qū)工程建設(shè)進(jìn)行調(diào)查研究尤為重要。

俄羅斯凍土學(xué)家Ершов［7］在《寒區(qū)巖土成因論》中提到，“在自然條件下，一年當(dāng)中寒區(qū)表層的巖土?xí)l(fā)生100 余次凍結(jié)-融化過(guò)程（溫度正負(fù)變化100余次）?！痹谝荒陜?nèi)發(fā)生凍融循環(huán)的次數(shù)即為年凍融頻次，在寒區(qū)工程建設(shè)和使用過(guò)程中，凍融循環(huán)是對(duì)各類材料的力學(xué)性質(zhì)影響最大的因素，因此年凍融頻次的變化對(duì)寒區(qū)工程的建設(shè)、發(fā)展以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性有著極其重要的影響。

在寒區(qū)研究方面，多集中在凍融指數(shù)、凍土分布等方面。凍融指數(shù)是給定時(shí)期內(nèi)的溫度累計(jì)值，是對(duì)凍土季節(jié)性變化進(jìn)行量化的氣候參數(shù)。Zhang等［8］結(jié)合多年凍土區(qū)的年平均地表溫度和凍結(jié)指數(shù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)東北多年凍土區(qū)在20 世紀(jì)80 年代至90 年代凍土退化嚴(yán)重，普遍由低海拔向高海拔、由連續(xù)凍土向不連續(xù)凍土退化，在此之后多年凍土區(qū)面積略有增加；任景全等［9］通過(guò)對(duì)吉林省季節(jié)凍土區(qū)凍融指數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，在空間上吉林省的凍結(jié)指數(shù)呈現(xiàn)由北向南逐漸減小的趨勢(shì)，在時(shí)間上凍結(jié)指數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

在室內(nèi)試驗(yàn)方面，多著眼于工程材料，如巖石、混凝土等在多次凍融循環(huán)下的強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)的變化情況。Jamshidi 等［10］、方麗莉等［11］研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)會(huì)通過(guò)改變土的結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致土的工程性質(zhì)的改變，進(jìn)而影響基礎(chǔ)設(shè)施的耐久性，甚至?xí)?dǎo)致工程失穩(wěn)等問(wèn)題；有學(xué)者指出，長(zhǎng)期的凍融循環(huán)對(duì)巖石產(chǎn)生凍融風(fēng)化、開(kāi)裂等作用，對(duì)許多巖石工程的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響［12-15］。這使得表述凍土分布和寒區(qū)氣候變化的凍融指數(shù)在工程實(shí)踐中存在一定的局限性。而年凍融頻次是定量表述寒區(qū)凍融循環(huán)強(qiáng)弱程度的物理量，能夠使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接應(yīng)用于寒區(qū)工程中，同時(shí)也可以和凍融指數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，從而更進(jìn)一步完善寒區(qū)研究。

因此，本文基于中國(guó)東北興安嶺地區(qū)18個(gè)氣象站點(diǎn)的地表溫度數(shù)據(jù)，對(duì)興安嶺地區(qū)年凍融頻次在空間上的分布情況和在時(shí)間上的變化情況進(jìn)行調(diào)查研究，以期為之后在興安嶺地區(qū)的氣候變化、寒區(qū)工程、農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)發(fā)展等方面的研究提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

興安嶺地區(qū)有中國(guó)保存比較完好、面積最大的原始森林，森林覆蓋率達(dá)80.95%，區(qū)域范圍跨越黑龍江省和內(nèi)蒙古自治區(qū)，屬于溫帶大陸季風(fēng)性氣候。其中，大興安嶺平均海拔為573 m，冬季寒冷干燥且漫長(zhǎng)，夏季溫暖濕潤(rùn)而短暫，區(qū)域內(nèi)河流較多，以黑龍江水系和嫩江水系為主。興安嶺地區(qū)是中國(guó)的北部邊境地區(qū)，包含極北部存在的不連續(xù)多年凍土區(qū)和一部分島狀多年凍土區(qū)以及南部的中-深季節(jié)凍土區(qū)，其凍土分布情況復(fù)雜，年凍融頻次變化差異較大，地理環(huán)境多樣。

本文選取興安嶺及其周邊部分地區(qū)作為研究區(qū)域。采用的氣象數(shù)據(jù)為興安嶺地區(qū)1990—2017年18 個(gè)氣象站0 cm 處逐日最高地表溫度、逐日最低地表溫度以及日平均地表溫度，圖1 為各站點(diǎn)分布情況，圖2為調(diào)查區(qū)凍土分布情況［16］。

圖1 興安嶺地區(qū)地形圖及氣象站點(diǎn)分布Fig. 1 Topographic map of Xing’anling region and distribution of meteorological stations

圖2 興安嶺地區(qū)凍土分布［16］Fig. 2 Distribution of seasonally frozen soil，island permafrost and discontinuous permafrost in Xing’anling region［16］

由于興安嶺地區(qū)各站點(diǎn)所處地理位置不同，氣候環(huán)境不同，各站點(diǎn)間年凍融頻次差異較大，全部站點(diǎn)在各年份的平均凍融頻次不能夠詳細(xì)地描述不同氣候環(huán)境下的年凍融頻次變化情況。研究區(qū)由南到北跨越中溫帶和寒溫帶兩個(gè)溫度帶，由西向東跨越半干旱區(qū)、半濕潤(rùn)區(qū)和濕潤(rùn)區(qū)三個(gè)氣候區(qū)。根據(jù)中國(guó)氣候區(qū)劃新方案（2010 年）［17］的東北地區(qū)氣候區(qū)劃結(jié)果對(duì)大興安嶺山脈沿線進(jìn)行分區(qū)研究，如圖3 所示。寒溫帶濕潤(rùn)區(qū)包含漠河、塔河、新林、圖里河等4個(gè)站點(diǎn)；中溫帶濕潤(rùn)區(qū)包括呼瑪、加格達(dá)奇、孫吳、嫩江、黑河等5個(gè)站點(diǎn)；中溫帶半濕潤(rùn)區(qū)包括額爾古納右旗、小二溝、博克圖、扎蘭屯、阿爾山、索倫等6個(gè)站點(diǎn)；中溫帶半干旱區(qū)包括滿洲里、海拉爾、新巴爾虎右旗等3個(gè)站點(diǎn)。

圖3 興安嶺地區(qū)氣候區(qū)劃［17］Fig. 3 Division of climate zone in Xing’anling region［17］

1.2 NDVI數(shù)據(jù)

本文采用的NDVI 數(shù)據(jù)為L(zhǎng)and Term Data Record（LTDR）NDVI（AVH13C1）和MODIS NDVI（MOD13C2）兩種NDVI數(shù)據(jù)集的結(jié)合。其中1981—1999 年的NDVI 數(shù)據(jù)來(lái)自LTDR AVH13C1，該數(shù)據(jù)屬于日NDVI數(shù)據(jù)，其空間分辨率為0.05°，獲取數(shù)據(jù)的網(wǎng)址為http：//ltdr.nascom.nasa.gov/cgi-bin/ltdr/ltdrPage. cgi。2000—2014 年的NDVI 數(shù)據(jù)來(lái)自MODIS NDVI，MOD13C2屬于半月合成數(shù)據(jù)，其空間分辨率為0.05°，獲取數(shù)據(jù)的網(wǎng)址為https：//ladswe.nascom. nasa. gov。這兩種數(shù)據(jù)都已經(jīng)經(jīng)過(guò)幾何校正、大氣校正、輻射校正等預(yù)處理［18］，并且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，由LTDR 和MODIS 生成的1981—2014 年逐月NDVI數(shù)據(jù)可靠，可以用到本文的研究中［19］。

1.3 研究方法

1.3.1 年凍融頻次的定義

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室中對(duì)混凝土、巖石等寒區(qū)工程中涉及到的材料進(jìn)行凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)時(shí)所用到的凍融循環(huán)方法，為方便后續(xù)研究者們將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)更好地應(yīng)用到實(shí)際工程建設(shè)中，本文規(guī)定以一個(gè)測(cè)量日內(nèi)日最高地表溫度大于0 ℃，同時(shí)日最低地表溫度小于0 ℃為一次凍融循環(huán)。一天內(nèi)土壤由夜間最低溫度升至白天最高溫度時(shí)，經(jīng)歷一次融化過(guò)程，再由白天最高溫度降至夜間最低溫度時(shí)，經(jīng)歷一次凍結(jié)過(guò)程，視為一次完整的凍融循環(huán)。統(tǒng)計(jì)一個(gè)測(cè)量年內(nèi)凍融循環(huán)的次數(shù)即為該年的年凍融頻次，以次/年表示。凍融循環(huán)次數(shù)由逐日觀測(cè)的日最高地表溫度和日最低地表溫度數(shù)據(jù)計(jì)算得出。

1.3.2 時(shí)空變化趨勢(shì)分析

在年凍融頻次時(shí)間變化趨勢(shì)的分析中，采用線性傾向估計(jì)的方法研究年凍融頻次在長(zhǎng)時(shí)間序列上的變化趨勢(shì)及其傾向率。在年凍融頻次空間變化趨勢(shì)的分析中，基于ArcGIS 10.2，將多年平均凍融頻次和DEM 數(shù)據(jù)采用IDW（inverse distance weighted）插值方法進(jìn)行插值，并采用線性擬合分析方法進(jìn)一步研究年凍融頻次與經(jīng)度、維度和海拔之間的變化關(guān)系。

1.3.3 突變分析

Pettitt 方法是通過(guò)檢驗(yàn)序列均值變化的時(shí)間來(lái)確定序列突變點(diǎn)，是一種基于Mann-Whitney的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，可以對(duì)存在趨勢(shì)變化的序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)。本文采用Pettitt檢驗(yàn)法對(duì)興安嶺地區(qū)18個(gè)站點(diǎn)在長(zhǎng)時(shí)間序列上的變化情況進(jìn)行突變分析。在突變分析中需要用到的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)量為

根據(jù)以上非參數(shù)統(tǒng)計(jì)量可以計(jì)算出

一般情況下，認(rèn)為當(dāng)P≤0.05時(shí)被檢驗(yàn)序列中存在突變點(diǎn)。

1.3.4 權(quán)重分析

采用多元線性回歸權(quán)重分析的方法對(duì)興安嶺地區(qū)年凍融頻次在地理因素上的分布情況進(jìn)行權(quán)重分析。在進(jìn)行多元線性擬合之前，為去除經(jīng)緯度、海拔數(shù)據(jù)在數(shù)值上對(duì)權(quán)重分析的影響，首先對(duì)經(jīng)緯度和海拔數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后對(duì)年凍融頻次與經(jīng)緯度和海拔的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸擬合，整理出經(jīng)緯度和海拔對(duì)年凍融頻次影響的權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 年凍融頻次的時(shí)間變化

對(duì)興安嶺地區(qū)18 個(gè)站點(diǎn)的年凍融頻次數(shù)據(jù)求平均值，得到全部站點(diǎn)在各年份的平均凍融頻次。由圖4 可知，興安嶺地區(qū)年凍融頻次在1990—2017年間呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)，線性擬合曲線斜率為-2.0，即年凍融頻次平均每年下降2.0 次/年，通過(guò)了0.05 顯著性水平檢驗(yàn)，年凍融頻次最高值達(dá)132 次/年，最低值為66次/年。

圖4 1990—2017年興安嶺地區(qū)年凍融頻次的年際變化Fig. 4 Interannual variation of annual freeze-thaw frequency in Xing’anling region from 1990 to 2017

圖5為4 個(gè)分區(qū)的年凍融頻次變化情況及其線性擬合線分布。從圖中可以看出，4 個(gè)分區(qū)內(nèi)年凍融頻次的走勢(shì)與總體的年凍融頻次走勢(shì)相近，隨著時(shí)間的遷移，呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，但各區(qū)年凍融頻次的高低和下降趨勢(shì)的大小不盡相同。圖5（a）表明，在興安嶺北部的寒溫帶濕潤(rùn)區(qū)，年凍融頻次擬合曲線斜率為-2.0，即寒溫帶濕潤(rùn)區(qū)年凍融頻次平均每年下降2.0 次/年；圖5（b）表明，在興安嶺東部的中溫帶濕潤(rùn)區(qū)，年凍融頻次擬合曲線斜率為-1.8，即中溫帶濕潤(rùn)區(qū)年凍融頻次平均每年下降1.8 次/年；圖5（c）表明，在興安嶺南部的中溫帶半濕潤(rùn)區(qū)，年凍融頻次擬合曲線斜率為-2.3，即中溫帶半濕潤(rùn)區(qū)年凍融頻次平均每年下降2.3 次/年；圖5（d）表明，在興安嶺西部的中溫帶半干旱區(qū)，年凍融頻次擬合曲線斜率為-1.9，即中溫帶半干旱區(qū)年凍融頻次平均每年下降1.9 次/年。以上線性擬合均通過(guò)了0.05顯著性水平檢驗(yàn)。

圖5 興安嶺地區(qū)各氣候區(qū)年凍融頻次的年際變化Fig. 5 Interannual variation of annual freeze-thaw frequency of four climate zones in Xing’anling region：cold temperate humid area（a），middle temperate humid zone（b），middle temperate sub-humid zone（c）and middle temperate semi-arid zone（d）

注意到年凍融頻次在時(shí)間線上存在跳躍性較大的區(qū)域，因此為了進(jìn)一步分析年凍融頻次在時(shí)間線變化中是否存在突變現(xiàn)象，本文采用Pettitt 法對(duì)興安嶺地區(qū)各站點(diǎn)在時(shí)間序列上的變化進(jìn)行突變分析。對(duì)氣候區(qū)劃4個(gè)分區(qū)內(nèi)各個(gè)站點(diǎn)的平均凍融頻次進(jìn)行整合，得到各分區(qū)在每年的平均凍融頻次，之后對(duì)這一平均凍融頻次采用Pettitt 法進(jìn)行整理，得到非參數(shù)統(tǒng)計(jì)量Ut，Nmax數(shù)據(jù)。由圖6 可知，興安嶺地區(qū)內(nèi)4 個(gè)分區(qū)的統(tǒng)計(jì)量Ut，N的變化情況大致相同，統(tǒng)計(jì)量Ut，Nmax均在2004年達(dá)到最高值，從寒溫帶濕潤(rùn)區(qū)到中溫帶半干旱區(qū)，各分區(qū)內(nèi)的統(tǒng)計(jì)量Ut，Nmax分別為193、182、195、185，起對(duì)應(yīng)的突變檢驗(yàn)值P分別為1.08×10-4、3.20×10-4、8.77×10-5、2.39×10-4，所以各分區(qū)內(nèi)檢驗(yàn)值P均小于0.05，則可以說(shuō)明興安嶺地區(qū)年凍融頻次在時(shí)間序列上的變化發(fā)生了顯著性突變，突變年份為2004年。

圖6 興安嶺地區(qū)各氣候區(qū)Ut，N的變化情況Fig. 6 Variation of Ut，N of four climate zones in Xing’anling region：cold temperate humid area（a），middle temperate humid zone（b），middle temperate sub-humid zone（c）and middle temperate semi-arid zone（d）

由于年凍融頻次在2004 年發(fā)生突變，所以以2004 年為分界線。1990—2004 年，興安嶺地區(qū)年凍融頻次平均在118 次/年左右，最大為132 次/年，最小為90 次/年；興安嶺北部的寒溫帶濕潤(rùn)區(qū)年凍融頻次平均值在115 次/年左右，最大達(dá)到129 次/年，最小為96 次/年；興安嶺東部的中溫帶濕潤(rùn)區(qū)年凍融頻次平均值在102 次/年左右，最大為114 次/年，最小為78 次/年；興安嶺南部的中溫帶半濕潤(rùn)區(qū)年凍融頻次平均值在132 次/年左右，最大為152 次/年，最小為113 次/年；興安嶺西部中溫帶半干旱區(qū)年凍融頻次平均值在119 次/年左右，最大為151 次/年，最小為98次/年。

2005—2017 年，興安嶺地區(qū)整體多年平均凍融頻次在83 次/年左右，最大為95 次/年，最小為66 次/年；興安嶺北部的寒溫帶濕潤(rùn)區(qū)年凍融頻次平均值在77 次/年左右，最大達(dá)到111 次/年，最小為59 次/年；興安嶺東部的中溫帶濕潤(rùn)區(qū)年凍融頻次平均值在73 次/年左右，最大為97 次/年，最小為61 次/年；興安嶺南部的中溫帶半濕潤(rùn)區(qū)年凍融頻次平均值在93 次/年左右，最高大為108 次/年，最小為75 次/年；興安嶺西部中溫帶半干旱區(qū)年凍融頻次平均值在88次/年左右，最大為102次/年，最小為68次/年。

2.2 年凍融頻次的空間變化

由于各站點(diǎn)年凍融頻次為長(zhǎng)時(shí)間序列的數(shù)據(jù)，為了討論興安嶺地區(qū)各站點(diǎn)間年凍融頻次在空間上的變化情況，對(duì)各個(gè)站點(diǎn)的多年凍融頻次數(shù)據(jù)求平均值，得到各個(gè)站點(diǎn)1990—2017 年近30 年年凍融頻次的平均值。通過(guò)ArcGIS 10.2 對(duì)年凍融頻次數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用IDW 插值方法將年凍融頻次在空間上的變化情況展現(xiàn)在二維等值線地圖之上，與等高線插值圖進(jìn)行對(duì)比研究，觀察年凍融頻次與海拔、經(jīng)緯度之間的關(guān)系。圖7 為興安嶺地區(qū)平均凍融頻次插值圖，可以看出，興安嶺地區(qū)年凍融頻次整體上呈現(xiàn)西高東低、南高北低的趨勢(shì)。凍融頻次最大值出現(xiàn)在索倫站，平均凍融頻次為139 次/年；最小值出現(xiàn)在黑河站，平均凍融頻次為83次/年。

圖7 興安嶺地區(qū)多年平均凍融頻次的插值分布圖Fig. 7 Interpolation distribution of averaged annual freeze-thaw frequency in Xing’anling region

同時(shí)通過(guò)線性回歸分析的方法，對(duì)多年平均凍融頻次與海拔、經(jīng)緯度進(jìn)行線性擬合，更加精確地分析年凍融頻次在空間因素變化下的變化趨勢(shì)以及線性傾向率。如圖8（a）所示，對(duì)興安嶺地區(qū)各站點(diǎn)的平均凍融頻次與緯度進(jìn)行線性擬合可以看出，興安嶺地區(qū)各站點(diǎn)間的平均凍融頻次在由南到北呈現(xiàn)不斷遞減的線性分布，確定系數(shù)R2為0.434，隨著緯度的增加，年凍融頻次大體上以5.5 次/度的速率遞減，擬合線通過(guò)了0.05 顯著性水平檢驗(yàn)。圖8（b）為各站點(diǎn)的平均凍融頻次隨經(jīng)度變化情況以及線性擬合，可以看出興安嶺地區(qū)各站點(diǎn)的平均凍融頻次由西向東呈現(xiàn)不斷遞減的線性分布，確定系數(shù)R2為0.284，隨著經(jīng)度的增加，年凍融頻次大體上以2.4 次/度的速率遞減，擬合線通過(guò)了0.05 的顯著性水平檢驗(yàn)。

如圖8（c）所示，興安嶺地區(qū)各站點(diǎn)的平均凍融頻次在垂直高度上隨海拔的升高呈現(xiàn)不斷遞增的線性分布，確定系數(shù)R2為0.140。隨著海拔的升高，年凍融頻次大體上以23 次/千米的速率遞增，擬合曲線未通過(guò)0.05 顯著性水平檢驗(yàn)。斜率接近于0，說(shuō)明年凍融頻次受海拔影響不大。

圖8 興安嶺地區(qū)多年平均凍融頻次隨經(jīng)緯度及海拔的變化Fig. 8 Variation of averaged annual freeze-thaw frequency in Xing’anling region with latitude（a），longitude（b）and altitude（c）

由上述可知年凍融頻次在空間變化上會(huì)受到經(jīng)緯度以及海拔的影響，并且隨緯度升高而降低，隨經(jīng)度增加而降低，隨海拔升高而升高。為了進(jìn)一步探究影響年凍融頻次在空間上變化的因素中經(jīng)緯度和海拔的影響權(quán)重是多少，本文對(duì)經(jīng)度、緯度和海拔在年凍融頻次的影響程度上利用多元線性回歸分析的方法進(jìn)行權(quán)重分析。首先對(duì)經(jīng)度、緯度和海拔的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使原始數(shù)據(jù)去量綱化，從而消除原始數(shù)據(jù)在單位上的限制，使不同單位或量級(jí)的指標(biāo)進(jìn)行擬合，更好地進(jìn)行權(quán)重分析。然后通過(guò)最小二乘法，以多年平均凍融次數(shù)為因變量，以經(jīng)度、緯度和海拔的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)為自變量，進(jìn)行多元線性擬合，得到表1中的數(shù)據(jù)。

從表1 可以看出，在滿足0.05 顯著性水平檢驗(yàn)的情況下，經(jīng)度、緯度和海拔對(duì)興安嶺地區(qū)年凍融頻次多元線性擬合的擬合系數(shù)分別為-20.020、-28.580 和-6.332。如果僅考慮地理信息對(duì)興安嶺地區(qū)年凍融頻次的影響，對(duì)擬合系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到經(jīng)度、緯度和海拔對(duì)興安嶺地區(qū)年凍融頻次影響的權(quán)重分別為36.5%、52.0%和11.5%，由此可知在影響年凍融頻次空間變化的因素中，緯度影響最大，其次是經(jīng)度，海拔影響最小。

表1 經(jīng)緯度及海拔對(duì)興安嶺地區(qū)年凍融頻次影響的權(quán)重Table 1 Weight of influence of longitude，latitude and altitude on annual freeze-thaw frequency in Xing’anling region

2.3 年凍融頻次與NDVI變化情況對(duì)比

研究發(fā)現(xiàn)，北半球約70%的多年凍土地區(qū)在生長(zhǎng)季（4—10 月）和72%的地區(qū)在秋季期間歸一化植被指數(shù)增加，凍土變暖與綠化呈正相關(guān)關(guān)系［20］。中國(guó)東北多年凍土區(qū)植被在生長(zhǎng)季的NDVI 變化情況，在空間上大致表現(xiàn)為由西向東逐漸增加的趨勢(shì)，在時(shí)間上隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)顯著的增加趨勢(shì)。如圖9 所示，中國(guó)東北多年凍土區(qū)NDVI 由1990年的0.56增加到2014年的0.65。

圖9 1990—2014年?yáng)|北地區(qū)NDVI的年際變化Fig. 9 Interannual variation of NDVI in Northeast China from 1990 to 2014

凍土區(qū)地表年凍融頻次除了會(huì)受到經(jīng)緯度和海拔的影響之外，同時(shí)也受到植被覆蓋度、山坡坡向等多種因素的綜合影響。從圖10 可以看出，中國(guó)東北多年凍土區(qū)歸一化植被指數(shù)NDVI 隨時(shí)間序列呈顯著的波動(dòng)上升趨勢(shì)，而年凍融頻次呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。采用Pettitt 法對(duì)東北地區(qū)NDVI 數(shù)據(jù)進(jìn)行突變分析，得到NDVI 變化的統(tǒng)計(jì)量Ut，N在2000年取得最大值-150，其對(duì)應(yīng)的突變檢驗(yàn)值P=0.00049＜0.05，說(shuō)明東北地區(qū)NDVI 在2000 年發(fā)生了突變。

圖10 興安嶺地區(qū)NDVI與年凍融頻次的年際變化對(duì)比Fig. 10 Comparison of interannual variation between NDVI and annual freeze-thaw frequency in Xing’anling region

圖11將大興安嶺山脈周邊地區(qū)的年凍融頻次與NDVI 變化情況進(jìn)行相關(guān)性擬合，在擬合過(guò)程中令年凍融頻次滯后于對(duì)應(yīng)NDVI 年份4 年，發(fā)現(xiàn)隨著植被覆蓋率的增加，興安嶺地區(qū)的年凍融頻次呈顯著下降趨勢(shì)，經(jīng)線性擬合的確定系數(shù)達(dá)到0.460，由此可知興安嶺地區(qū)年凍融頻次與NDVI變化情況具有良好的負(fù)相關(guān)性。興安嶺地區(qū)年凍融頻次在2004 年發(fā)生突變，與NDVI 數(shù)據(jù)對(duì)比有明顯的滯后性，說(shuō)明年凍融頻次變化會(huì)受到當(dāng)?shù)刂脖桓采w率的影響，且這種影響有一定的滯后性。植被覆蓋率的增長(zhǎng)會(huì)逐漸減緩地表對(duì)熱能的接收和散發(fā)，這個(gè)過(guò)程需要一定的時(shí)間，從而導(dǎo)致年凍融頻次的降低，這個(gè)過(guò)程需要一定的時(shí)間，所以導(dǎo)致年凍融頻次變化滯后于NDVI的變化。

圖11 興安嶺地區(qū)年凍融頻次與NDVI散點(diǎn)圖及線性擬合Fig. 11 Annual freeze-thaw frequency and NDVI scatter diagram and linear fitting in Xing’anling region

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)中國(guó)東北興安嶺地區(qū)及周邊地區(qū)18個(gè)站點(diǎn)1990—2017年的年凍融頻次進(jìn)行整理，討論了興安嶺地區(qū)年凍融頻次在時(shí)間和空間上的分布情況，并利用權(quán)重分析、突變分析等方法，分析了地理因素對(duì)年凍融頻次變化的影響以及年凍融頻次的突變情況，并結(jié)合東北地區(qū)NDVI 變化情況進(jìn)行了對(duì)比。得出以下結(jié)論：

（1）興安嶺地區(qū)年凍融頻次在空間上大體上呈現(xiàn)隨經(jīng)度、緯度升高而降低，隨海拔升高而升高的趨勢(shì)，進(jìn)一步分析得到，經(jīng)度、緯度和海拔在影響年凍融頻次變化中以經(jīng)緯度影響為主，海拔影響較小。

（2）受到氣候變化的影響，興安嶺地區(qū)年凍融頻次隨著時(shí)間的推移，整體呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，且在2004 年前后發(fā)生突變。同時(shí)進(jìn)行年凍融頻次與NDVI數(shù)據(jù)對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，年凍融頻次與NDVI間有較好的負(fù)相關(guān)性，且東北地區(qū)NDVI 在2000 年左右發(fā)生突變，年凍融頻次的突變與之相比，存在一定滯后性，說(shuō)明年凍融頻次在一定程度上受到當(dāng)?shù)刂脖桓采w率變化情況的影響。

調(diào)研年凍融頻次分布情況可以使實(shí)驗(yàn)室中得到的巖石凍融循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接對(duì)接寒區(qū)工程，對(duì)寒區(qū)工程的建設(shè)有著重要的指導(dǎo)意義，也可彌補(bǔ)凍融指數(shù)在工程實(shí)踐中的不足之處，同時(shí)對(duì)寒區(qū)的氣候變化和農(nóng)林業(yè)發(fā)展等有著重要的借鑒意義。但本文數(shù)據(jù)存在空間分辨率和精度上的不足，在討論年凍融頻次的影響因素時(shí)，也只考慮了經(jīng)緯度和海拔的影響，對(duì)其他影響因素暫未考慮，期待未來(lái)加深研究。