李 楊, 李建剛, 劉 艷, 張 璞

(1.中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所, 烏魯木齊 830002;2.新疆氣象臺, 烏魯木齊 830002; 3.烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站, 烏魯木齊 830011)

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北疆地區(qū)積雪與凍土變化的特征分析

李 楊1, 李建剛2, 劉 艷1, 張 璞3

(1.中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所, 烏魯木齊 830002;2.新疆氣象臺, 烏魯木齊 830002; 3.烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站, 烏魯木齊 830011)

利用1960—2007年北疆6個國家基本氣象站積雪及凍土資料，分析了北疆地區(qū)積雪和凍土深度的氣候分布特征，并利用統(tǒng)計學(xué)方法總結(jié)了積雪對凍土變化的影響。結(jié)果表明：(1) 最大凍土深度受海拔高度的影響較大，并與其成正比。最大凍土深度值出現(xiàn)年代從平原向山區(qū)滯后；從20世紀(jì)80年代后最大凍土深度出現(xiàn)減小的趨勢，且平原較山區(qū)更加明顯；3個不同類型凍土區(qū)冬季最大凍土深度和平均凍土深度的年際變化基本上隨時間逐漸減??；(2) Ⅰ區(qū)的最大積雪深度大于Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)，各站冬季最大積雪深度和平均積雪深度的年際變化基本上都呈現(xiàn)單峰單谷型；(3)Ⅰ區(qū)最大積雪深度和最大凍土深度的對應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)雙峰型，Ⅱ區(qū)為單峰型，Ⅲ區(qū)則為對數(shù)型。積雪深度較淺時，凍土深度增加較明顯，隨著積雪深度的增加，凍土深度變化較小，當(dāng)積雪深度超過一定限值后，凍土深度還有下降的趨勢；(4) M-K檢驗結(jié)果為各站最大凍土深度與積雪的變化趨勢基本相反且突變點基本一致，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

北疆; 積雪; 凍土; Mann-Kendall檢驗法

冰凍圈是現(xiàn)代氣候系統(tǒng)的5大圈層之一，積雪在冰凍圈中的地理分布最為廣泛[1]。在全球變暖背景下，積雪對氣候變化具有高度敏感性和重要反饋作用，是氣候系統(tǒng)的重要組成部分，現(xiàn)已成為全球變化研究的核心內(nèi)容和熱點之一[2]。凍土是指含有冰晶的土壤，一般可以分為多年凍土和季節(jié)性凍土兩類[3]。季節(jié)性凍土廣泛分布于緯度高于24°的地區(qū)，每年約有53.5%表層土壤經(jīng)歷凍結(jié)—融化循環(huán)過程[4]。凍土與氣候之間是相互作用的，一方面氣候變化會影響凍土的深度和分布范圍；另一方面凍土的存在改變了地表屬性，從而改變了地—氣系統(tǒng)的能量交換[5]。

目前，國內(nèi)外對于積雪的研究主要是利用氣象站點積雪觀測數(shù)據(jù)或者遙感數(shù)據(jù)的反演來研究積雪的時空分布，如利用EOS/MODIS，NOAA/AVHRR等衛(wèi)星資料進行積雪面積和深度的反演計算[6-9]。雖然利用遙感方法能彌補氣象站點單點數(shù)據(jù)的缺陷，可以得到區(qū)域積雪深度及含水量的分布[10-12]，但由于各種反演方案都是建立在方程的基礎(chǔ)上，對地勢不同的區(qū)域效果不是很好。因此，多年的積雪觀測數(shù)據(jù)才能較真實地反映本地區(qū)氣候變化對積雪深度的影響。對于凍土的研究，國內(nèi)外許多學(xué)者主要是通過觀測資料對其時空分布特征以及凍融過程的機理等方面進行研究[13-16]，而利用氣象站觀測資料對區(qū)域積雪和凍土深度同時展開研究較少，特別是積雪對凍土影響的相關(guān)研究更少。

北疆是新疆主要的工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟區(qū)。北疆凍土屬于季節(jié)性凍土，這為該地區(qū)短命植物春季獲得生長提供了必要的水分[17]。另外，北疆也是我國冬季積雪深度較大的區(qū)域之一，而冰雪融水是北疆農(nóng)業(yè)區(qū)最重要的水資源補給方式.但是，冬季積雪范圍大、持續(xù)時間長也可能造成干旱區(qū)農(nóng)牧業(yè)各種災(zāi)害[18]。因此，研究本地區(qū)積雪深度和凍土的時空分布意義尤為重要。本文選取了烏魯木齊以西的北疆沿天山一帶代表性較強的氣象站積雪和凍土資料，以冬半年大氣環(huán)流特征為背景，重點對積雪和凍土之間的相關(guān)性進行分析，以期了解在干旱半干旱區(qū)積雪和凍土的相互影響規(guī)律，為進一步提高衛(wèi)星資料反演積雪的能力以及凍土對植被生長的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域和資料選取

1.1 研究區(qū)概況

北疆地區(qū)位于新疆北部，以天山為南界，阿爾泰山為北界，中部有準(zhǔn)噶爾盆地。由于境內(nèi)有一系列山脈環(huán)繞，海洋濕潤水汽很難到達，氣候較干旱，特別受天山阻隔，氣候為溫帶大陸性干旱半干旱氣候。地勢東高西低，自然坡度不大。北疆地區(qū)擁有阿爾泰山—北塔山高寒—溫帶山地多年凍土區(qū)、準(zhǔn)噶爾盆地以西高寒帶—溫帶山地多年凍土區(qū)、準(zhǔn)噶爾盆地溫帶季節(jié)性凍土區(qū)、天山高寒帶山地多年凍土區(qū)[3]。對于積雪，北疆地區(qū)冬季嚴(yán)寒而漫長，平原地區(qū)降雪量占年降水量的30%以上，高山地區(qū)則高達80%以上[19]，積雪深度一般超過20 cm，北疆西部和北部最大超過80 cm。

本文利用1960—2007年北疆沿天山一帶的6個國家基本站逐日的積雪和凍土資料，對上述3個不同凍土區(qū)的積雪和凍土深度的相關(guān)性進行分析，以期找出兩者之間的規(guī)律。其中，選取阿勒泰、清河站代表阿爾泰山—北塔山高寒—溫帶山地多年凍土區(qū)Ⅰ區(qū)，托里、溫泉代表盆地以西高寒帶—溫帶山地多年凍土區(qū)Ⅱ區(qū)，烏蘇、沙灣代表盆地溫帶季節(jié)性凍土區(qū)Ⅲ區(qū)，代表站在地理位置上覆蓋了北疆的絕大部分地區(qū)。

由表1可以看出，一半代表站均在平原或淺山區(qū)，海拔在1 000 m以下；除阿爾泰山—北塔山高寒—溫帶山地多年凍土區(qū)年均氣溫較低外，其他類型凍土區(qū)氣溫都較高，年均降水量一般隨海拔高度的增加而增多；年均蒸發(fā)為降水量的2～8倍。

表1 各代表站海拔、年均氣溫、年均降水量和年均蒸發(fā)量

1.2 資料選取

選取的凍土和積雪資料主要根據(jù)中國氣象局出臺的《地面觀測規(guī)范》要求，凍土觀測開始日為地面溫度降至0℃時，直至次年凍土完全解凍為結(jié)束，觀測時間為每日北京時間(BST)8:00時。觀測儀器為達尼林凍土器。積雪深度觀測主要是利用量雪尺進行3次測量，然后求平均，結(jié)果取整。

為提高觀測資料的可信度和一致性，在數(shù)據(jù)處理前，對6個站的積雪和凍土進行了預(yù)處理，由于時間跨度較大，因此對資料中出現(xiàn)的缺測值及積雪和凍土不足0.5 cm進行了剔除。另外，由于逐日資料變化增幅較大，無法顯示長期的變化規(guī)律，因此對資料進行了進一步處理，找出了各站月最大和最小積雪和凍土深度進行對比。

2 研究方法

2.1 線性回歸分析

基于各個代表站所觀測的積雪及凍土數(shù)據(jù)，利用線性回歸分析得出各類型凍土區(qū)近60年的積雪和凍土變化趨勢。

2.2 突變分析

利用Mann-Kendall法對凍土及積雪進行突變檢驗，以期得出在北疆氣候變暖的背景下，積雪和凍土對氣溫變化的反饋。Mann-Kendall檢驗法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，它不需要樣本遵守一定的分布，也不受異常值的干擾，不僅可以明確突變開始的時間，并且可以看出突變的區(qū)域。

其原理為利用要統(tǒng)計的量在顯著性水平一定的情況下繪制UFk，UBk曲線，分析出變量隨時間變化的趨勢。若UFk值大于0，這表明序列呈上升趨勢，若小于0呈下降趨勢，若超過臨界線，則說明上升、下降趨勢明顯。當(dāng)UFk，UBk曲線出現(xiàn)交點時，且交點位于兩臨界線之間，則說明交點對應(yīng)的時間就是變量的突變時間。

3 結(jié)果與分析

3.1 凍土的變化趨勢

由圖1可以看出，Ⅰ區(qū)阿勒泰站除5—9月無凍土外，其他各月均有凍土出現(xiàn)，且從10月到次年3月深度逐漸增加，翌年4月明顯減少；而清河站從9月就有凍土出現(xiàn)，一直延續(xù)到翌年5月，最大凍土深度值出現(xiàn)在2—3月，然后逐漸遞減；Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)兩個站與阿勒泰站的變化趨勢基本一致。

圖1 平均最大凍土深度的年際變化

清河和溫泉站的最大凍土深度值較大，11月各年際基本達到100 cm，2—3月達到最大值，分別為178.8，181.1 cm，而基本與清河處于同溫度帶的阿勒泰站最大凍土深度才接近100 cm，這說明最大凍土深度受海拔高度的影響較大，凍土深度與海拔高度成正比；其他3個站的凍土變化基本一致，最大值在125 cm左右。

另外，最大凍土值出現(xiàn)的年代并不相同，清河和溫泉站出現(xiàn)在1980s；阿勒泰、托里和烏蘇站出現(xiàn)在1960s，由于托里站位于塔城盆地邊緣，冬季易受極鋒急流的影響，因此最大值出現(xiàn)時間也與北疆平原站一致；沙灣站則出現(xiàn)在1970s。從以上可以分析出，最大凍土深度值出現(xiàn)年代從平原向山區(qū)滯后，且從1980s以后最大凍土深度出現(xiàn)減小的趨勢，且平原較山區(qū)更加明顯，這驗證了在全球氣候變暖的大背景下，北疆氣候也正向暖濕趨勢發(fā)展。

從同月年際變化來看，阿勒泰站凍土值各月基本上隨著年際的增加逐漸減小，即遞減型；清河和溫泉站則顯示雙峰型，即分別在1960s，1980s出現(xiàn)最大值，1970s，1980s以后顯示為低值區(qū)；托里、烏蘇站為遞減型；沙灣站為單峰型，即在1970s出現(xiàn)最大值。

圖2A為各站冬季(12—2月)最大凍土深度的平均年際變化，顯然各站總體趨勢基本一致，即隨時間逐漸減小，只是沙灣站在1970s有一個高值，溫泉、清河在1980s出現(xiàn)極大值，這與圖2B顯示的平均凍土深度的變化趨勢一致。冬季阿勒泰站的凍土深度在各站中是最小的，托里、烏蘇和沙灣站其次，清河排名第二，數(shù)值最大的是溫泉。

圖2 冬季各站凍土深度平均年際變化

3.2 積雪的變化趨勢

從圖3可以看出，Ⅰ區(qū)的最大積雪深度顯然大于Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)，極大值超過30 cm，且Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)從10月到翌年5月均有積雪，Ⅲ區(qū)只到次年4月，這主要是北疆北部冬季受極地冷空氣活動次數(shù)較多，降雪量較大；Ⅱ區(qū)托里站位于開口向西的塔城盆地的南部迎風(fēng)坡，冬季水汽條件較好，而溫泉站雖然也為山區(qū)，但冬半年影響新疆的冷空氣主要為西北路徑，而此站位于北疆西部山區(qū)，三面環(huán)山，且向東開口，水汽條件相對較差，因此冬季最大積雪深度與Ⅲ區(qū)的烏蘇相當(dāng)；沙灣與烏蘇站同屬于北疆沿天山一帶，但由于烏蘇離風(fēng)大雨少的阿拉山口較近，因此降雪量較沙灣站少。

圖3 平均最大積雪深度的年際變化

從最大積雪深度的年際變化來看，各站的變化趨勢基本上都呈現(xiàn)單谷型，即1960s出現(xiàn)極大值，1970s達到極小值，然后逐漸上升，到2000s達到第2個極大值。

從圖4可以看出，與冬季凍土的年際變化值基本相反，阿勒泰積雪深度最大，最小的為溫泉站，比較特殊的是清河站，仍排名第二，這與高海拔、高緯度且在冬季是大部分冷空氣必經(jīng)之路有關(guān)。從各站變化趨勢來看，基本為單峰單谷型，即分別在1970s，2000s達到極大值，1990s達到極小值，清河站則出現(xiàn)相反的趨勢。

圖4 冬季各站積雪深度平均年際變化

從上面的分析可以看出，北疆各站的積雪深度對凍土深度有很大影響，但并不是簡單的對應(yīng)關(guān)系。因此，研究積雪與凍土之間的關(guān)系是非常有必要的。

3.3 積雪對凍土的影響

3.3.1 回歸分析 從上面的分析可以初步看出，阿勒泰、清河、溫泉站的積雪和凍土的年際變化最為明顯，因此挑選這3個站以及沙灣站作為代表站進行分析。

從圖5A—5B可以看出，Ⅰ區(qū)的兩個站最大積雪和凍土的對應(yīng)關(guān)系相似，即雙峰型。當(dāng)最大積雪在0—15 cm時，最大凍土值上升較快；15—40 cm出現(xiàn)緩慢地下降；40—65 cm緩慢上升；最大積雪深度大于65 cm時，最大積雪深度又出現(xiàn)下降。圖5C為溫泉站的最大積雪和凍土的對應(yīng)關(guān)系，與Ⅰ區(qū)不同，此站顯示為單峰型，當(dāng)最大積雪深度為0—8 cm時最大凍土值增加明顯；在8—25 cm變化較?。蛔畲蠓e雪深度超過25 cm后，凍土深度則逐漸下降。沙灣站則顯示最大凍土深度隨積雪深度逐漸增加，特別是在0—15 cm增加較快(圖5D)。這與王國亞等[20]對于阿勒泰地區(qū)近40年積雪對凍土的影響的研究結(jié)果相似。另外，從圖5還可以看出，各站最大積雪與凍土之間并不是簡單的線性關(guān)系，而是高階多項式，兩者的決定系數(shù)除清河和托里站較小外，其他均在0.7以上。

圖5 最大積雪深度與最大凍土深度的關(guān)系

為了更清楚地顯示積雪深度對凍土深度的影響，計算了各站不同深度的最大積雪對應(yīng)的凍土深度均值。如圖6所示，積雪深度小于40 cm時，溫泉站的最大凍土深度最大，其次為清河站，阿勒泰站變化最?。划?dāng)積雪深度大于40 cm時，清河站對應(yīng)的最大凍土深度均大于阿勒泰站。

另外，從積雪深度每增加10 cm凍土的變化值來看，各站均表現(xiàn)為從0—9 cm增加到10—19 cm的階段，最大凍土值變化最為明顯，且為正值，其他階段除Ⅲ區(qū)均出現(xiàn)正值外，大部分站變化較小或出現(xiàn)負(fù)值。

圖6 各站不同深度的最大積雪對應(yīng)的凍土深度均值

總的來說，積雪深度較薄時，凍土深度增加較明顯，隨著積雪深度的增加，凍土深度變化較小，但積雪深度超過一定限值后，凍土深度還有下降的趨勢。這主要是因為積雪深度較薄時，土壤溫度受到氣溫的影響較大，冬季當(dāng)本地受到冷空氣影響時，凍土深度會快速增大；當(dāng)本地穩(wěn)定積雪達到一定厚度時，由于積雪層能阻止空氣熱傳導(dǎo)的發(fā)生，因此土壤溫度變化較小，凍土深度無明顯變化；當(dāng)積雪較厚，土壤溫度高于氣溫達到一定程度時，地表的凍土?xí)蛲寥揽紫独锏乃诨В瑢?dǎo)致凍土深度減小。

3.3.2 Mann-Kendall檢驗 利用凍土和積雪資料，分別找出1960—2007年每年極大值，并進行Mann-Kendall檢驗(簡稱M-K檢驗)。分別選取清河、溫泉及烏蘇作為代表站進行分析，如圖7所示。

圖7 凍土及積雪的Mann-Kendall突變性檢驗

由圖7A的UF曲線可見，1990s以來Ⅰ區(qū)清河站的年最大凍土深度具有增加的趨勢；在1990s之前為減小的趨勢，特別是1960—1983年甚至超過了顯著性水平U0.01=±2.56的臨界線；由于UF，UB的交點在兩臨界線之間，這說明凍土深度在1990年發(fā)生了突變。而從圖7B可以看出，該站UF曲線的變化趨勢與最大凍土的變化趨勢基本相反，雖然交點有3個，分別為1965年、1975年、1991年，但結(jié)合凍土的突變點可以確定應(yīng)該為1991年，這說明凍土和積雪的突變點基本一致。

Ⅱ區(qū)溫泉站在1967年前凍土深度值是增加的，但在這之后呈現(xiàn)下降趨勢，且在1980s后下降明顯，從UF，UB的交點位置來看，應(yīng)該在1966年發(fā)生突變，如圖7C。而圖7D上積雪深度為遞增趨勢，但突變點在1984年，與該點凍土突變時間不太一致。

烏蘇站在1990s前UF基本小于0，說明凍土深度有減小的趨勢，1990s后有增加的趨勢，而積雪深度的變化趨勢基本上與凍土深度變化趨勢相反(圖7E—7F)。從突變點的位置來看，凍土基本上在1985年，積雪深度變化曲線UF，UB的交點在1997年，突變時間也不是很一致。

從以上凍土和積雪的趨勢來看，基本上呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)；從突變時間看，有些代表站兩者出現(xiàn)不一致的情況，且積雪滯后于凍土，具體原因還有待進一步研究。

4 結(jié) 論

(1) 最大凍土深度受海拔高度影響較大，并與其成正比。最大凍土深度值出現(xiàn)年代從平原向山區(qū)滯后，而從1980s后出現(xiàn)減小的趨勢，且平原較山區(qū)更加明顯。3個不同類型凍土區(qū)冬季最大凍土深度和平均凍土深度的年際變化基本上隨時間逐漸減小。

(2) Ⅰ區(qū)的最大積雪深度大于Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)。各站冬季最大積雪深度和平均積雪深度的年際變化基本上都呈現(xiàn)單峰單谷型。

(3) Ⅰ區(qū)最大積雪和凍土的對應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)雙峰型，Ⅱ區(qū)為單峰型，Ⅲ區(qū)則為對數(shù)型?？偟膩碚f，積雪深度較薄時，凍土深度增加較明顯，隨著積雪深度的增加，凍土深度變化較小，但積雪深度超過一定限值后，凍土深度還有下降的趨勢。兩者的決定系數(shù)除清河和托里站較小外，其他均在0.7以上。

(4) M-K檢驗結(jié)果為各站最大凍土與積雪的變化趨勢基本相反且突變點基本一致，兩者基本上呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

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Preliminarily Analysis on the Characteristics of Depth Variation of Snow Accumulation and Frozen Soil in Northern Xinjiang

LI Yang1, LI Jiangang2, LIU Yan1, ZHANG Pu3

(1.InstituteofDesertMeteorology,ChinaMeteorologicalAdministration,Urumqi830002,China; 2.XinjiangMeteorologicalObservatory,Urumqi830002,China; 3.UrumqiMeteorologicalSatelliteGroundStation,Urumqi830011,China)

The climatic distribution characteristics of snow accumulation and frozen soil depth in the area of northern Xinjiang was analyzed based on daily snow accumulation and frozen soil data obtained from six national basic meteorological observing stations during the period from 1960 to 2007, and the effect of snow accumulation depth on frozen soil variation was discussed by use of statistic method. The result showed that: (1) the maximum frozen soil depth (MFD) was greatly affected by the altitude, and was proportional to the altitude, the appearing age of MFD was lagged from plain to mountain area, MFD appeared the trend of decreasing since 1980′s and this phenomenon was obvious in plain compared with mountain area. The inter-annual variation of MFD and average frozen soil depth at three different frozen soil type regions in winter kept descending basically; (2) the maximum snow accumulation depth (MSD) at region Ⅰ was greater than region Ⅱ and region Ⅲ, the inter-annual variation of MSD and average snow accumulation depth appeared single-valley pattern; (3) the mapping between MSD and MFD was displayed by bimodal pattern at region Ⅰ, unimodal pattern at region Ⅱ, logarithmic pattern at region Ⅲ, the depth of frozen soil increased obviously when snow accumulation depth was shallow, however, frozen soil depth changed less with the increase of snow accumulation depth，and dropped after snow accumulation depth exceeded a certain threshold value；(4) MFD and MSD were tested by Mann-Kendall abrupt change detection method, and the result showed that varying trend of these two parameters was opposite, and they basically had the negative correlation.

northern Xinjiang; snow accumulation; frozen soil; Mann-Kendall test

2014-12-24

2015-03-02

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(IDM201206);國家自然科學(xué)基金(41271098);新疆維吾爾自治區(qū)科技支疆項目(2013911104)

李楊(1976—),女,新疆石河子人,學(xué)士,副研究員,主要從事積雪遙感研究。E-mail:liyang@idm.cn

李建剛(1978—),男,新疆石河子人,碩士,工程師,主要從事天氣預(yù)測和災(zāi)害性天氣研究。E-mail:shzljg_qxj@163.com

P468.0+

A 文章編號：1005-3409(2015)05-0342-07