顏玉倩, 祁棟林,沈曉燕, 曹曉云,喬 斌,何彩青,趙夢(mèng)凡,*

1 青海省氣象科學(xué)研究所,西寧 810001 2 青海省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西寧 810001 3 青海省氣象臺(tái),西寧 810001

三江源地區(qū)位于青海省南部、青藏高原中部,作為青藏高原的腹地和主體,是長(zhǎng)江、黃河和瀾滄江三大河流的源頭,面積達(dá)3.3×105km2[1]。其地理位置特殊、自然資源豐富、生態(tài)功能重要,是天氣系統(tǒng)的上游區(qū)、氣候變化的敏感區(qū)及生態(tài)環(huán)境的脆弱區(qū),是我國(guó)生態(tài)環(huán)境安全和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要生態(tài)屏障[2—3]。三江源地區(qū)孕育著非常豐富的凍土資源,按地理位置劃分屬于青藏高原凍土區(qū),該凍土區(qū)是世界中、低緯度地帶海拔最高面積最大的凍土區(qū),其范圍北起昆侖山,南至喜馬拉雅山,西抵國(guó)界,東緣橫斷山脈西部、巴顏喀拉山和阿尼馬卿山東南部[4]。近年來(lái),在全球氣候變暖的大背景下,凍土的變化顯得越來(lái)越重要,凍土的研究也越來(lái)越受到廣大學(xué)者的關(guān)注。

季節(jié)凍土被定義為：冬天凍結(jié)而夏天融化的巖土層,它包括多年凍土區(qū)的活動(dòng)層和非多年凍土區(qū)的土壤季節(jié)凍結(jié)層[5]。學(xué)者們利用遙感數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的方法估計(jì)了青藏高原季節(jié)凍土面積約為1.45×106km2,占高原面積的 56%—57.5%,其主要分布在34°N以南地區(qū)[6—7]。季節(jié)凍土最大凍土深度是一個(gè)既響應(yīng)土壤又響應(yīng)大氣的獨(dú)特指標(biāo)[8],其凍融過(guò)程也影響著地表能量和水分交換[9]。大量研究表明[10—13]：近年來(lái)青藏高原氣溫升高、降水增多,向暖濕化發(fā)展,尤其溫度的變化較大,其增溫水平是全球平均水平的2倍(冬季高達(dá)0.3℃/10a—0.5℃/10a)。在青藏高原暖濕化的大背景下,季節(jié)凍土的變化主要呈現(xiàn)出最大凍土深度變淺、凍結(jié)日數(shù)縮短、凍結(jié)期縮短、融化期延長(zhǎng)和范圍萎縮等變化特征[14—17],這些變化無(wú)疑會(huì)對(duì)地下水循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)、巖土工程、基礎(chǔ)建設(shè)乃至區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重要影響[18]。凍土變化造成的這些影響結(jié)果之間又相互作用,改變了區(qū)域的水文地質(zhì)和水文條件,使植被逆向演替植物群落組成發(fā)生相當(dāng)大的變化,而這種改變經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的改變,從而影響整個(gè)區(qū)域的生態(tài)過(guò)程[19]。此外,凍土退化使活動(dòng)層和新形成的融區(qū)中的有機(jī)物質(zhì)含量增加,使原來(lái)凍結(jié)在多年凍土中的碳暴露在地-氣間碳循環(huán)過(guò)程,經(jīng)微生物降解而釋放溫室氣體到大氣,從而使大氣中的溫室氣體增加,進(jìn)而使氣候進(jìn)一步變暖,形成這樣一種正反饋的機(jī)制[20—21]。

以往的研究中,學(xué)者們多聚焦于多年凍土變化及分布,對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間序列、區(qū)域性的季節(jié)凍土的變化特征關(guān)注較少,并且在探討研究季節(jié)凍土和氣候因子時(shí),只考慮了溫度和降水或者單一因子的影響,對(duì)其他氣候因子有所忽視[22—24],也未曾從大尺度天氣背景場(chǎng)出發(fā),探討大氣-凍土之間的相互關(guān)系。季節(jié)凍土的變化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,受局地因子的影響較大[25],本文從三江源地區(qū)1981—2020年40年季節(jié)凍土的時(shí)空分布特征出發(fā),在溫度、降水、濕潤(rùn)指數(shù)、≤0℃負(fù)積溫、≤0℃負(fù)溫日數(shù)、地表感熱通量、地表潛熱通量7個(gè)影響土壤、大氣熱力狀況因子中尋找最能影響三江源季節(jié)凍土最大深度變化的氣候因子,揭示土壤-大氣互相影響的機(jī)制,為合理配置三江源地區(qū)資源進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、牧業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供依據(jù)。

1 研究數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

三江源區(qū)的海拔高度和站點(diǎn)分布如圖1所示,三江源地區(qū)位于青海省南部,青藏高原腹地,研究區(qū)內(nèi)行政區(qū)域包括玉樹(shù)、果洛、海南、黃南4個(gè)藏族自治州的16個(gè)縣和格爾木市的唐古拉鄉(xiāng)[3,26]。其中有氣象站點(diǎn)23個(gè),但由于位于三江源西部的沱沱河站(站號(hào)：56004)和五道梁站(站號(hào)：52908)無(wú)凍土數(shù)據(jù),故采用21站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于氣象觀測(cè)中無(wú)潛熱通量和感熱通量的實(shí)際觀測(cè),盡管近年來(lái)隨著野外站點(diǎn)的建立和觀測(cè)設(shè)施的布設(shè),已有一些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可用,但仍然存在年限短、站點(diǎn)極少的問(wèn)題,用再分析資料代替是一個(gè)比較折中的辦法,已有大量研究指出[27—29],歐洲中心的再分析數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)相比,青藏高原地區(qū)的年際、年代際變化更接近臺(tái)站資料,因此本研究采用歐洲中心ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)。本研究所用的數(shù)據(jù)有以下幾類(lèi)：

圖1 三江源地區(qū)海拔高度及站點(diǎn)分布示意圖

(1)1981—2020年三江源區(qū)21個(gè)氣象站季節(jié)凍土最大凍土深度(Maxmum Frozon Soil Depth,MFSD)(月值,單位：cm)；

(2)1981—2020年三江源區(qū)21個(gè)氣象站溫度(日值,單位：℃)；

(3)1981—2020年三江源區(qū)21個(gè)氣象站20—20時(shí)降水(月值,單位：mm)；

(4)1981—2019年ERA-Interim地表潛熱通量、地表感熱通量再分析數(shù)據(jù)(月值,空間分辨率0.25°×0.25°,單位：W/m2)；

(5)1981—2019年ERA-Interim500hPa、100hPa位勢(shì)高度(月值,空間分辨率1°×1°,單位：gadpm)300hPa溫度(月值,1°×1°,單位：K)。

由于季節(jié)凍土最大凍土深度的變化是土壤和大氣相互作用的體現(xiàn),在選擇氣候因子時(shí)盡可能的考慮了表征熱力狀況的因子,主要有：溫度、降水、地表感熱通量、地表潛熱通量、濕潤(rùn)指數(shù)、≤0℃負(fù)積溫、≤0℃負(fù)溫日數(shù)7個(gè),其中前4個(gè)為單因子,后3個(gè)為復(fù)合因子。

(6)濕潤(rùn)指數(shù)

濕潤(rùn)指數(shù)是包含了蒸發(fā)(潛在蒸發(fā))和降水在內(nèi)的一個(gè)綜合指數(shù),潛在蒸發(fā)由 Thornthwaite方法求得[31]。濕潤(rùn)指數(shù)公式如下[31]：

(1)

式中:H為地表濕潤(rùn)指數(shù);P為月降水總量；Pe為最大潛在蒸發(fā)量。月最大潛在蒸發(fā)量蒸發(fā)計(jì)算公式:

(2)

式中:Pe為可能蒸散量(mm/月)；Ti為月平均氣溫(℃)；I為年加熱指數(shù)。

各月加熱指數(shù)Ii由(3)式計(jì)算：

(3)

年加熱指數(shù)I由公式(4)計(jì)算：

(4)

變量A由(5)式計(jì)算：

A=0.49+1.792×10-2H-7.71×10-5I2+6.75×10-7I3

(5)

負(fù)積溫,即年內(nèi)溫度≤0℃溫度的累加：

T=∑TkTk≤0℃

(6)

負(fù)溫日數(shù),即年內(nèi)溫度≤0℃日數(shù)的累加：

D=∑kTk≤0℃

(7)

1.2 研究方法

本研究采用的主要方法有以下幾種：

(1)旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(Rotated Empirical Orthogonal Function,REOF)

旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交分解是在經(jīng)驗(yàn)正交分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)的基礎(chǔ)上展開(kāi)的,EOF又稱(chēng)為主分量分析,是統(tǒng)計(jì)學(xué)上兩種不同的提法,主要作用是將原變量的場(chǎng)進(jìn)行時(shí)空分離,即分成空間的荷載向量(也稱(chēng)為特征向量,Load Vector,LV)和時(shí)間系數(shù)(也稱(chēng)為主分量,Principal Component,PC),構(gòu)成為數(shù)不多的幾個(gè)模態(tài),每個(gè)典型模態(tài)都盡量多的反映原始場(chǎng)的信息,從而達(dá)到簡(jiǎn)單表達(dá)整個(gè)區(qū)域的變率結(jié)構(gòu),但EOF也有其局限：一是不能清晰的表示不同地理區(qū)域的特征,二是存在一定的取樣誤差,但REOF就可以克服以上EOF所帶來(lái)的問(wèn)題,旋轉(zhuǎn)后的典型空間分布結(jié)構(gòu)清晰,較好的反映不同地區(qū)的變化[32]。本研究采用REOF方法來(lái)揭示季節(jié)凍土最大凍土深度的時(shí)空分布特征。

(2)多元線(xiàn)性回歸

多元線(xiàn)性回歸指有2個(gè)或2個(gè)以上的自變量的線(xiàn)性回歸方程,其原理是最小二乘法。本研究中因子選取的方法即是多元回歸標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)的貢獻(xiàn)率法,其因子的貢獻(xiàn)率用R表示[33]：

(8)

其中ai為多元回歸的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)。

另外,本文采用相關(guān)分析法、合成分析法等常統(tǒng)計(jì)規(guī)方法探討三江源地區(qū)季節(jié)凍土與氣候因子之間的相互關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 三江源地區(qū)季節(jié)凍土的時(shí)空分布特征

為分析季節(jié)凍土的空間分布特征,圖2給出了1981年—2020年4年平均季節(jié)凍土MFSD的空間分布圖,由圖可以看出：季節(jié)凍土MFSD在200cm以上的站點(diǎn)有2個(gè),占總站數(shù)的9.5%,MFSD在100cm—200cm的站點(diǎn)有13個(gè),占總站數(shù)的61.9%,MFSD在100cm以下的站點(diǎn)僅有6個(gè),占總站數(shù)的28.6%,即三江源區(qū)的大部分站點(diǎn)的最大凍土深度都在100cm以上,21站平均MFSD為136.66cm。黃河源區(qū)MFSD隨海拔高度的減小遞減,表現(xiàn)出較好的海拔高度特征,長(zhǎng)江源和瀾滄江源區(qū)更多的表現(xiàn)出緯度特征,即隨緯度的較小,MFSD隨之減小。

圖2 1981—2020年三江源地區(qū) 季節(jié)凍土最大凍土深度(單位：cm) 季節(jié)凍土最大凍土深度變率示意圖

從三江源地區(qū)季節(jié)凍土MFSD變率空間分布圖中可以看出,三江源地區(qū)季節(jié)凍土MFSD近40年整體不同程度的減小趨勢(shì),即凍土厚度減薄,其遞減率最高的站為曲麻萊站(站號(hào)：56021站),其遞減率高達(dá)1.67cm/a。僅3個(gè)站出現(xiàn)最大凍土深度增加的情況,這3個(gè)站分別是：貴南站(站號(hào)：52955),玉樹(shù)(站號(hào)：56029),河南(站號(hào)：56065),其中河南站有過(guò)遷站歷史,對(duì)季節(jié)凍土深度的研究造成一定的影響,其結(jié)果需要進(jìn)一步討論。但這3個(gè)正變率值都較小。21站平均MFSD遞減率為0.51cm/a,可以與之比較的是在已有的研究中,黃河源區(qū)從1961—2014年,季節(jié)凍土最大凍土深度的遞減率為0.31cm/a,略微低于三江源地區(qū)最大凍土深度的遞減率[17]。

對(duì)青藏高原站點(diǎn)季節(jié)凍土(標(biāo)準(zhǔn)化)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解,由于前兩個(gè)載荷向量(Rotated Load Vector,RLV1和RLV2)所占的方差貢獻(xiàn)較大(解釋方差分別為33.89%,10.02%),圖3給出了REOF前兩個(gè)載荷向量的空間分布特征,第一載荷向量在三江源地區(qū)的特征值均為負(fù),表現(xiàn)出明顯的全區(qū)一致型,代表整個(gè)三江源地區(qū)季節(jié)凍土變化的一致性的特點(diǎn),這也是三江源季節(jié)凍土的主要分布型,由于已對(duì)原始數(shù)據(jù)做了標(biāo)準(zhǔn)化處理,其值大小反映了空間上季節(jié)凍土最大凍土深度的相對(duì)大小,重點(diǎn)反映出中部和北部的變化特征：即出現(xiàn)兩個(gè)大值中心,分別是以三江源中部長(zhǎng)江源中段和三江源東北部黃河源后段。結(jié)合第一載荷向量時(shí)間系數(shù)(Rotated Principal Component,RPC1),RPC1表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì),季節(jié)凍土深度逐年減小,這與上述圖2所得出的結(jié)果也非常吻合：對(duì)三江源地區(qū)21站做1981—2020年平均,其與RPC1的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.89。并且時(shí)間系數(shù)的變化圖中(圖4)中可以看到,以2003年為界,2003年前(包括2003)RPC1為正值,2003年前(包括2003)RPC1為負(fù)值,可以解釋為季節(jié)凍土最大凍土深度在2003前減薄,但最大凍土深度在其40年均值以上,2003年后繼續(xù)減薄,在40年均值以下。減小的趨勢(shì)在近4年表現(xiàn)的尤為明顯。

圖3 1981—2020年三江源地區(qū)季節(jié)凍土最大凍土深度REOF 第一模態(tài)、第二模態(tài)空間場(chǎng)

圖4 1981—2020年三江源地區(qū)季節(jié)凍土最大凍土深度旋轉(zhuǎn)正交分解第一模態(tài) 第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)

第二載荷向量空間分布特征依舊為全區(qū)一致性,全區(qū)基本保持負(fù)位相,但在東部表現(xiàn)出小范圍的正位相特征,整體呈現(xiàn)從南向北依次遞減的特點(diǎn),反映了南部的變化特征。第二特征向量時(shí)間系數(shù)RPC2雖然也表現(xiàn)出下降趨勢(shì),但是這種下降趨勢(shì)并沒(méi)有第一特征向量時(shí)間系數(shù)明顯,其趨勢(shì)系數(shù)只有-0.002,所以RPC2更多反映的是季節(jié)凍土在不同時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的變化,從RPC2的SG五點(diǎn)平滑函數(shù)來(lái)看RPC2經(jīng)歷了正-負(fù)-正-負(fù)-正交替變化,結(jié)合第二模態(tài)空間分布,在三江源地區(qū)季節(jié)凍土最大凍土深度表現(xiàn)出負(fù)-正-負(fù)-正-負(fù)的波動(dòng)變化的特征。

2.2 三江源地區(qū)季節(jié)凍土氣候因子分析

上述季節(jié)凍土的時(shí)空分布中可以看出三江源地區(qū)季節(jié)凍土層減薄,大量的研究表明凍土退化是由于下墊面的熱力狀況變化所引起的,這也是最主要的影響因素,但季節(jié)凍土的變化受到包括氣候、植被、水文、人類(lèi)活動(dòng)等許多因素的影響[6,34],就單單氣候因素而言就有：氣溫、降水、積雪、蒸發(fā)等等,這些因素間還有互相的影響及反饋,造成凍土變化研究的復(fù)雜性,本研究單從氣候角度,尋找了7個(gè)表征熱力狀況的氣候因子進(jìn)行驗(yàn)證,這7個(gè)因子中有4個(gè)單因子：溫度,降水,地表感熱通量,地表潛熱通量；3個(gè)復(fù)合因子：濕潤(rùn)指數(shù),負(fù)積溫,負(fù)溫日數(shù)。濕潤(rùn)指數(shù)是一個(gè)既包含了溫度又包含了降水,也考慮了蒸發(fā)又能反應(yīng)土壤濕潤(rùn)程度的一個(gè)綜合性指標(biāo),對(duì)研究?jī)鐾恋淖兓蟹浅：玫闹甘咀饔?；考慮選擇負(fù)積溫和負(fù)溫日數(shù)則是為了驗(yàn)證“冰凍三尺,非一日之寒”,是否季節(jié)凍土最大深度變化與之確實(shí)相關(guān)?

圖5給出了各因子近40年空間分布,溫度的空間分布特征與最大凍土深度的分布非常類(lèi)似,溫度的最低值點(diǎn)與最大凍土深度的極大值點(diǎn)位置相同,其空間分布也表現(xiàn)出從中部向四周擴(kuò)散的逐漸升高的特點(diǎn),三江源地區(qū)近40年平均氣溫1.83℃,溫度最高站點(diǎn)尖扎站(站號(hào)：52963)與溫度最低站清水河(站號(hào)：56034)平均溫度相差12.63℃。表現(xiàn)出三江源地區(qū)氣溫分布的差異性,結(jié)合圖1的高程分布圖,可以明顯的看出氣溫的差異主要受地形影響。三江源地區(qū)降水分布呈現(xiàn)出從西北向東南依次遞增的特點(diǎn),且三江源地區(qū)的降水量在整個(gè)青藏高原明顯偏少[35]。最大降水量出現(xiàn)在三江源地區(qū)東南角久治站(站號(hào)：56067)。作為表征下墊面熱力狀況的重要因素[36],三江源地區(qū)地表感熱通量和地表潛熱通量的空間分布二者均表現(xiàn)出從東向西依次遞減的空間分布型,不同的是,地表感熱通量的最大值在三江源地區(qū)東北部,這與氣溫的的最高值位置相同,而地表潛熱通量的最大值位于三江源地區(qū)的東南部,這與降水的最大值的位置是相同的。這是因?yàn)楦袩嵬勘旧砭褪侵赣捎跍囟茸兓鸫髿馀c下墊面發(fā)生的湍流形式的熱交換,地表或大氣在加熱過(guò)程中,其相態(tài)沒(méi)有發(fā)生變化,故溫度和地表感熱通量的關(guān)系密切,而地表潛熱通量主要由水的相變產(chǎn)生,也被定義為大氣和下墊面水分的熱交換,因此降水和地表潛熱通量的關(guān)系更為密切,這一點(diǎn)許多研究都有印證[3,27,29,37—39]。

圖5 年平均溫度、降水、地表感熱通量、地表潛熱通量、濕潤(rùn)指數(shù)、負(fù)積溫、負(fù)溫日數(shù)空間分布

三江源地區(qū)濕潤(rùn)指數(shù)的空間分布其最大值中心分別是清水河站和久治站,這里比較有意思的是,這兩個(gè)站一個(gè)是溫度的最低值中心,一個(gè)是降水的最大值中心。并且在黃河源的后段是濕潤(rùn)指數(shù)的低值區(qū),表明該地氣候干燥。負(fù)積溫和負(fù)溫日數(shù)者在空間分布及極大值中心的位置都非常類(lèi)似,極大值中心位于中部的清水河站和南部的雜多(站號(hào)：56018)和囊謙(站號(hào)：56126)站,二者的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.98,即說(shuō)明負(fù)溫日數(shù)的增加就能造成負(fù)積溫的增大。三江源區(qū)負(fù)積溫和負(fù)溫日數(shù)具有巨大的差異性,其最高值達(dá)-2209℃、218d,最低值低至-346℃、91d,造成巨大差異,三江源地區(qū)平均水平為-1076℃、156d,平均負(fù)溫日數(shù)占全年的42.7%。

上述的7個(gè)與大氣和土壤相關(guān)的熱力因子中哪些是最能影響季節(jié)凍土最大凍土深度的因子呢？將MFSD作為因變量,其他7個(gè)因子作為自變量,通過(guò)比較回歸方程的因子的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)的貢獻(xiàn)率及偏相關(guān)系數(shù),確定影響最大凍土深的高影響因子。最終結(jié)果如表1所示：其中濕潤(rùn)指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)貢獻(xiàn)率最大,由大到小依次為：濕潤(rùn)指數(shù)>溫度>降水>負(fù)積溫>地表潛熱通量>地表感熱通量。排前三位的因子系數(shù)的貢獻(xiàn)值比較大,三者累積可達(dá)到86.23%,且偏相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值的大小也可進(jìn)一步證明,故認(rèn)為濕潤(rùn)指數(shù)、溫度、降水是影響季節(jié)凍土最大凍土深度的主要因素。負(fù)溫日數(shù)和負(fù)積溫之所以剔除,可以解釋為：最大凍結(jié)深度取決于進(jìn)入土壤的年度能量收支,所以可能導(dǎo)致單獨(dú)負(fù)積溫關(guān)系不好。因而很明顯看出,溫度才是影響季節(jié)凍土的最主要的因素。將地表感熱通量和地表潛熱通量剔除是因?yàn)槎卟籑FSD的直接影響因素,在上文中也提到,地表感熱通量是先與溫度相互影響、地表潛熱通量是先與降水相互影響,因而熱通量的變化對(duì)MFSD具有一定的滯后性,因而被剔除。

表1 多元回歸標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)及貢獻(xiàn)率及偏相關(guān)系數(shù)

圖6給出了最大凍土深度第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)與三個(gè)所選擇出來(lái)的最能影響三江源地區(qū)季節(jié)凍土最大凍土深度的因子的相關(guān)系數(shù)分布場(chǎng),由圖可得：RPC1與溫度的相關(guān)系數(shù)分布呈現(xiàn)出東部和西部較大,中部地區(qū)較小的分布特征,但三江源地區(qū)均通過(guò)了α=0.1的顯著性檢驗(yàn),表明整個(gè)三江源區(qū)MFSD與溫度的相關(guān)關(guān)系都非常好。RPC1與降水的相關(guān)系分布中基本是負(fù)相關(guān),東北部為通過(guò)α=0.1的顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域。RPC1與濕潤(rùn)指數(shù)的相關(guān)系數(shù)場(chǎng)的分布于降水的類(lèi)似,但在值上略有差異,通過(guò)α=0.1的顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域比較少,只有三個(gè)站點(diǎn)包含其中。將三個(gè)因子相關(guān)系數(shù)分布通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域疊加,得到高影響因子的的關(guān)鍵區(qū),但在疊加的過(guò)程中,濕潤(rùn)指數(shù)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)較少,為后續(xù)尋找典型的高低值年份帶來(lái)不利的影響,故將其范圍調(diào)整至大于-0.15的區(qū)域,最終得到如圖關(guān)鍵區(qū),關(guān)鍵區(qū)中包含7個(gè)站點(diǎn)。

圖6 RPC1與 溫度、降水、濕潤(rùn)指數(shù)相關(guān)系數(shù)空間分布?xì)夂蛞蜃佑绊憙鐾恋年P(guān)鍵區(qū)

對(duì)關(guān)鍵區(qū)7個(gè)站點(diǎn)MFSD做平均處理后得到1981—2020年的時(shí)間序列,并對(duì)其做標(biāo)準(zhǔn)化處理(圖7)。以±1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差(σ)為依據(jù),挑選出關(guān)鍵區(qū)季節(jié)凍土的典型高值年和典型低值年,其結(jié)果如表2所示。典型高值年份有：1983、1984、1986、1993；典型低值年份有：1988、1994、1999、2010、2013、2017、2019。并且從圖中可以看到,1986年到1988年最大凍土深度下降劇烈(兩年間下降了近30cm),從前文的分析中可知,氣溫和降水是影響季節(jié)凍土最大凍土深度最主要的因素,且與最大凍土深度呈負(fù)相關(guān),因而在1986—1988 年,溫度、降水、濕潤(rùn)度三者均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),在溫濕協(xié)同作用下這兩年的最大凍土深度呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。

圖7 關(guān)鍵區(qū)7站季節(jié)凍土最大凍土深度、溫度、降水和濕潤(rùn)指數(shù)時(shí)間變化特征

表2 季節(jié)凍土最大凍土深度典型高值年、低值年

2.3 大尺度天氣背景對(duì)季節(jié)凍土的影響機(jī)制

從以上分析中可以看出,溫度和降水是影響季節(jié)凍土的最直接因素,那么大尺度天氣背景又是如何影響到溫度和降水的分布的呢？本研究將從極渦和南亞高壓兩方面出發(fā)進(jìn)行討論。

極渦是影響我國(guó)乃至全球天氣氣候的最主要環(huán)流實(shí)體之一,也是冷空氣活動(dòng)的最主要標(biāo)志,且該系統(tǒng)在500hPa等壓面上最為強(qiáng)盛[40]。因此圖8給出了典型高值年和典型低值年北半球500hPa位勢(shì)高度場(chǎng)平均場(chǎng)和距平場(chǎng)的合成圖。由圖可以看出在典型高(低)值年,其距平場(chǎng)表現(xiàn)為負(fù)(正)距平,對(duì)應(yīng)季節(jié)凍土更厚(薄)。關(guān)于極渦對(duì)我國(guó)溫度和降水影響的相關(guān)研究很多,張恒德等[41]研究指出,極渦面積的大小與我國(guó)溫度呈顯著負(fù)相關(guān),且與春夏秋冬四季相比較,全年的平均溫度與極渦的相關(guān)性最好,即當(dāng)極渦面積較大(小)時(shí),溫度較低(高),與我們之前的結(jié)論相對(duì)應(yīng)。也有研究指出[42],北半球極渦面積指數(shù)與青海降水具有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系,即當(dāng)極渦面積指數(shù)較大(小)時(shí),青海省降水偏少(多),對(duì)應(yīng)季節(jié)凍土較厚(薄)。

圖8 典型高值年和典型低值年500hPa位勢(shì)高度場(chǎng)平均場(chǎng)、距平場(chǎng)(單位：gadpm)合成

南亞高壓是長(zhǎng)期活動(dòng)在青藏高原上空最穩(wěn)定的最強(qiáng)大的高壓系統(tǒng),并與青藏高原發(fā)生強(qiáng)烈的陸氣相互作用[43]。其活動(dòng)對(duì)北半球大氣環(huán)流具有重要作用。大量研究表明南亞高壓的強(qiáng)度和位置對(duì)我國(guó)的旱澇分布有著顯著影響。圖9給出了季節(jié)凍土最大凍土深度典型高值年和典型低值年100hPa高度場(chǎng)和300hPa溫度場(chǎng)的平均場(chǎng)和距平場(chǎng)合成。從圖中可以看出,二者的南亞高壓的中心強(qiáng)度均為1660dagpm,但在典型高值年,其范圍極小,南亞高壓的主體位勢(shì)高度以1655dagpm為主；而典型低值年其范圍較大,幾乎包含了南亞的大部分地區(qū),包括青藏高原在內(nèi)。除此之外從溫度場(chǎng)的合成中可以發(fā)現(xiàn)：在高層300hPa,南亞高壓中心與溫度的大值中心相配合,在典型高(低)值年,溫度場(chǎng)的大值中心溫度更低(高),分別是-32℃和-30℃,這與之前的關(guān)鍵區(qū)與溫度的相關(guān)性分析的研究也比較吻合,即溫度越低(高),季節(jié)凍土就越厚(薄)。其距平場(chǎng)也顯示出,在最大凍土深度典型高值年,南亞高壓表現(xiàn)為負(fù)異常,同時(shí)對(duì)應(yīng)300hPa的溫度更低,青藏高原地區(qū)溫度負(fù)異常值在-0.5℃至-0.6℃；在最大凍土深度典型低值年,南亞高壓表現(xiàn)為明顯的正異常,并且與300hPa溫度場(chǎng)的正異常中心相吻合。李躍清[44]指出,南亞高壓的負(fù)(正)異常對(duì)應(yīng)青藏高原東側(cè)的干旱(洪澇)年,馬振鋒[45]等與之有較為類(lèi)似的結(jié)論。本研究也充分說(shuō)明了該結(jié)論：在典型高(低)值年,南亞高壓偏弱(強(qiáng)),高原東側(cè)三江源地區(qū)偏于干旱,降水偏少,而在典型區(qū)域的相關(guān)分析中我們知道關(guān)鍵區(qū)最大凍土深度與降水呈現(xiàn)反相關(guān)的關(guān)系,即降水偏少,季節(jié)凍土較厚。

圖9 典型高值年和典型低值年100hPa位勢(shì)高度場(chǎng)、300hPa溫度場(chǎng)平均場(chǎng)及距平場(chǎng)合成

3 結(jié)論

本文利用三江源地區(qū)21個(gè)氣象臺(tái)站的最大凍土深度、氣溫、降水資料,歐洲中心再分析資料對(duì)三江源地區(qū)季節(jié)凍土MFSD時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析,并探討了季節(jié)凍土與氣候因子之間的相關(guān)關(guān)系,得到以下結(jié)論：

(1)1981—2020年三江源地區(qū)21個(gè)氣象站40年平均MFSD空間分布呈現(xiàn)出以瑪多站和清水河為最大值中心,向四周遞減的分布特征,中心最大值為218.85cm,21站平均MFSD深度為136.66cm。40年平均變率空間分布和旋轉(zhuǎn)正交經(jīng)驗(yàn)分解第一模態(tài)均表現(xiàn)出近40年三江源地區(qū)季節(jié)凍土MFSD呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì),凍土層明顯減薄,21站平均最大凍土深度遞減率為0.51cm/a。

(2)將最大凍土深度作為因變量,溫度,降水,地表感熱通量,地表潛熱通量,濕潤(rùn)指數(shù),負(fù)積溫,負(fù)溫日數(shù)7個(gè)表征熱力狀況的氣候因子作為自變量,建立多元線(xiàn)性回歸模型,通過(guò)多元回歸方程的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)的貢獻(xiàn)率,選擇出最能影響季節(jié)凍土的氣候因子,分別是：氣溫、降水和濕潤(rùn)指數(shù)。

(3)通過(guò)分析高相關(guān)因子與最大凍土深度的相關(guān)系數(shù)分布場(chǎng),找到三江源區(qū)氣候因子影響季節(jié)凍土的關(guān)鍵區(qū)：三江源東北部地區(qū),包括7個(gè)氣象站點(diǎn)。并找出三江源地區(qū)季節(jié)凍土最大凍土深度的典型高值年分別是1983年、1984年、1986年、1993年和典型低值年分別是1988年、1994年、1999年、2010年、2013年、2017年、2019年。

(4)通過(guò)對(duì)500hPa位勢(shì)高度場(chǎng)典型高值年典型低值年合成分析,季節(jié)凍土典型高(低)值年,500hPa位勢(shì)高度場(chǎng)負(fù)(正)異常,對(duì)應(yīng)三江源地區(qū)應(yīng)季節(jié)凍土更厚(薄),南亞高壓負(fù)(正)異常,南亞高壓范圍偏小(大),強(qiáng)度偏弱(強(qiáng)),溫度場(chǎng)的大值中心溫度更低(高),對(duì)應(yīng)三江源地區(qū)應(yīng)季節(jié)凍土更厚(薄)。