常澤華，齊 鵬，孫穎娜，章光新，唐曉宇

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130102)

占北半球50%面積的季節(jié)性?xún)鐾?，是冰凍圈的重要組成部分[1]，具有氣候變化指示器的重要作用，對(duì)外部環(huán)境變化極度敏感[2]。凍土變化直接改變土壤的物理性質(zhì)和物質(zhì)、能量交換能力，影響寒區(qū)水循環(huán)過(guò)程和威脅源頭區(qū)生態(tài)安全[3]。受全球氣候變暖影響，凍土分布格局、凍融循環(huán)過(guò)程、持續(xù)時(shí)間等要素已經(jīng)發(fā)生顯著變化。年最大凍深作為反映季節(jié)性?xún)鐾翉?qiáng)度的主要指標(biāo)，其空間分布主要表現(xiàn)為海拔垂直分帶性、緯度地帶性和區(qū)域性3種特征[4]。開(kāi)展最大凍土深度演變機(jī)制及其對(duì)溫度變化的響應(yīng)分析可為后續(xù)開(kāi)展寒區(qū)生態(tài)水文研究奠定基礎(chǔ)，在應(yīng)對(duì)氣候變化方面也具有重要意義[5]。

長(zhǎng)白山區(qū)是松花江、鴨綠江及圖們江的源頭，東北地區(qū)的重要“水塔”，淡水資源儲(chǔ)備基地，擁有歐亞大陸東部最為典型自溫帶闊葉林至苔原帶的完整垂直帶譜，為我國(guó)東北重要的生態(tài)功能區(qū)[6]。長(zhǎng)白山區(qū)多年平均降雪量可達(dá)600 mm以上，是我國(guó)典型季節(jié)性?xún)鐾练植紖^(qū)。受全球氣候變化影響，長(zhǎng)白山的溫度已顯著升高[7]。作為對(duì)溫度變化最為敏感之一的凍土深度必發(fā)生顯著變化。已開(kāi)展的相關(guān)研究表明，在長(zhǎng)白山的局部區(qū)域凍土發(fā)生了顯著退化，最大凍土深度顯著減少[6]。然而關(guān)于長(zhǎng)白山大區(qū)域尺度最大凍土深度的緯度效應(yīng)及其對(duì)溫度要素變化的響應(yīng)仍有待進(jìn)一步研究。因此，分析不同緯度最大凍土深度時(shí)空變化及其對(duì)溫度的響應(yīng)機(jī)制，對(duì)長(zhǎng)白山區(qū)水資源保護(hù)和生態(tài)安全具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)白山區(qū)位于歐亞大陸東北部，地理坐標(biāo)123°-132°E，39°-46°N，是松花江、圖們江和鴨綠江的發(fā)源地(圖1)。其中，圖們江和鴨綠江分別為中國(guó)、朝鮮與俄羅斯的界河。長(zhǎng)白山區(qū)屬于受季風(fēng)影響的溫帶大陸性山地氣候，除具一般性季風(fēng)氣候的特點(diǎn)之外，還有明顯的垂直氣候變化的特征，冬季漫長(zhǎng)寒冷，夏季短暫溫爽，春季大風(fēng)干燥，秋季多霧涼爽。年均溫約為-17～30 ℃，1月最冷月平均氣溫在-15 ℃，最低氣溫可達(dá)-40 ℃，積雪深度在500 mm。區(qū)域內(nèi)凍土面積分布廣闊，均為季節(jié)性?xún)鐾?。凍土?月份開(kāi)始發(fā)育，至次年6月完全融化，最大凍深通常出現(xiàn)在2月或3月。

1.2 數(shù)據(jù)分析

本研究采用長(zhǎng)白山區(qū)及其周邊51個(gè)氣象站資料，包括1960-2019年逐日凍深、日均溫度和日最低溫度數(shù)據(jù)。氣象和凍深數(shù)據(jù)均來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(中國(guó)氣象局)。長(zhǎng)白山區(qū)的凍融周期通常為每年的9月至次年6月，因此，將9月1日至次年8月31日作為一個(gè)完整水文年。在此基礎(chǔ)上，分別提取1960-2018年(水文年)的最大凍土深度。采用凍融期(實(shí)際年的9-6月)的均溫作為年均溫。根據(jù)凍深資料，長(zhǎng)白山最大凍深通常出現(xiàn)在實(shí)際年的3月，因此采用實(shí)際年9月至次年3月的負(fù)積溫作為年負(fù)積溫。為進(jìn)一步分析長(zhǎng)白山最大凍土深度演變的緯度效應(yīng)及其對(duì)溫度變化的響應(yīng)(最大凍深與緯度的相關(guān)系數(shù)為0.81，顯著相關(guān)，和海拔的相關(guān)系數(shù)為-0.09，無(wú)顯著相關(guān)性)，基于緯度覆蓋范圍將長(zhǎng)白山區(qū)分為3個(gè)區(qū)域，即A區(qū)(39°～42°N)、B區(qū)(42°～44°N)、C區(qū)(44°～46°N)。

1.3 分析方法

1.3.1 反距離權(quán)重法 為分析長(zhǎng)白山區(qū)年最大凍深和溫度要素的時(shí)空演變規(guī)律，利用反距離權(quán)重法對(duì)長(zhǎng)白山區(qū)各氣象站點(diǎn)的凍深和溫度資料進(jìn)行空間插值。反距離權(quán)重法(IDW)是一種常用的空間插值方法，以插值點(diǎn)和樣本點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，離插值點(diǎn)越近權(quán)重越大。計(jì)算公式為

(1)

式中：Z(X0)為在X0處凍深或溫度要素的值；n為參與預(yù)測(cè)Z(X0)周?chē)军c(diǎn)的數(shù)量；di0為預(yù)測(cè)點(diǎn)和樣本點(diǎn)之間的距離，km；z(xi)為xi處氣象站點(diǎn)的實(shí)測(cè)值；p為距離的冪。

1.3.2 相關(guān)系數(shù)分析法 年最大凍深的變化過(guò)程是多種復(fù)雜因素耦合作用的結(jié)果，為分析長(zhǎng)白山區(qū)年最大凍深對(duì)溫度要素的響應(yīng)，本研究選取各站凍融循環(huán)期的平均氣溫，凍結(jié)時(shí)期的負(fù)積溫與年最低溫度和各站年最大凍深相關(guān)性分析。采用皮爾遜(Pearson)積差法計(jì)算相關(guān)系數(shù)，計(jì)算公式為

(2)

式中：r為年最大凍深和溫度要素的相關(guān)系數(shù)；X,Y分別表示年最大凍深和溫度要素的觀測(cè)值。

1.3.3 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn) 為分析長(zhǎng)白山區(qū)最大凍深和溫度要素的變化趨勢(shì)，對(duì)各區(qū)最大凍深和溫度要素采用秩次相關(guān)檢驗(yàn)。Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，該方法具有不要求樣本遵從一定的分布規(guī)律，也不受少數(shù)異常值的影響的特點(diǎn)，近些年來(lái)被廣泛應(yīng)用于分析氣象和水文等要數(shù)時(shí)間序列的變化趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式為

于空腹?fàn)顟B(tài)下，抽靜脈血，檢測(cè)HbAlc與FPG，采用無(wú)水葡萄糖（70 g），開(kāi)展 OGTT。酶法測(cè)血糖，用TBA-2000FR型全自動(dòng)生化分析儀（日本東芝）進(jìn)行測(cè)定；用Cobasc502型分析儀（德國(guó)羅氏公司）與比濁法測(cè)定HbAlc。針對(duì)就診患者，利用HbAlc值，繪制工作特征曲線(xiàn)（ROC曲線(xiàn)）。利用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)曲線(xiàn)各點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從中得到診斷DM的最佳臨界點(diǎn)。并對(duì)最佳切點(diǎn)時(shí)FPG、HbAlc的特異度與靈敏度進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算HbAlc值為6%、6.5%、7%時(shí)的特異度與靈敏度。

(3)

(4)

當(dāng)n>10，統(tǒng)計(jì)量S接近正態(tài)分布，則

(5)

(6)

式中：xi和xj為第i年和第j年對(duì)應(yīng)的最大凍深或溫度要素的值；n為數(shù)據(jù)系列的長(zhǎng)度，本研究n為59，t為“結(jié)”的寬度，∑表示所有“結(jié)”的總數(shù)。

2 最大凍深和溫度要素時(shí)空演變特征

2.1 最大凍土深度時(shí)空演變特征

2.1.1 最大凍土深度年際變化趨勢(shì) 長(zhǎng)白山區(qū)年最大凍土深度具有明顯的緯度效應(yīng)，隨著緯度升高年最大凍土深度顯著增加，A區(qū)最小，C區(qū)最大(圖2)。A區(qū)最大凍土深度具有減少趨勢(shì)(slope=-0.16)，但無(wú)顯著性特征(P>0.05)；B區(qū)和C區(qū)最大凍土深度均呈現(xiàn)顯著減少趨勢(shì)(P<0.01)，雖然二者年際變化有所差別，但二者變化趨勢(shì)一致(slope=-0.57)。

圖2 最大凍土深度年際變化趨勢(shì)Fig.2 Interannual variation trend of maximum frozen soil depth

長(zhǎng)白山各年代均表現(xiàn)出緯度效應(yīng)，即不同年代最大凍土深度在C區(qū)最大，B區(qū)次之，A區(qū)最小(表1)。A區(qū)最大凍土深度先增加后減少的年際變化趨勢(shì)，1970s的均值最大，為97.74 cm，1990s最小，為80.22 cm；A區(qū)整體處于減少趨勢(shì)，減小率為-1.60 mm/a。B區(qū)年代最大均值出現(xiàn)在1970s，最大值為134.36 cm，2010s均值最小，為109.01 cm；1960s-1980s最大凍深變化不大，1990s之后開(kāi)始顯著減少。C區(qū)年代最大均值出現(xiàn)在1960s，最大值為153.34 cm，1990s的均值最小，為123.44 cm。B區(qū)和C區(qū)減少速率均為-5.67 mm/a。

表1 各區(qū)最大凍深年代均值Table 1 The mean value of the maximum freezing depthin each area

2.1.2 最大凍土深度的空間分布特征 通過(guò)1960-2019年最大凍土深度均值的空間分布可以看出，長(zhǎng)白山區(qū)年最大凍深整體呈現(xiàn)由西南向東北逐漸增加的趨勢(shì)(圖3)。年最大凍土深度的最大值出現(xiàn)在C區(qū)，深度>160 cm；最小值出現(xiàn)在長(zhǎng)白山區(qū)A區(qū)，凍土深度<80 cm。柳河站、東崗站、和龍站和伊通站附近區(qū)域年最大凍深略低于周邊區(qū)域，磐石站附近區(qū)域年最大凍深略高于周邊區(qū)域。年最大凍深為80～100 cm和120～140 cm的區(qū)域面積最大。

圖3 最大凍土深度多年均值分布Fig.3 Multi-year mean value of maximum frozen soil depth in space

年最大凍深年代均值基本呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)(圖4)。主要表現(xiàn)為，隨著年代的增加，出現(xiàn)了年代均值為40～60 cm區(qū)域，>160 cm的凍土區(qū)域逐漸消失；凍土區(qū)域南北范圍邊界北移；<120 cm的凍土區(qū)面積有增加的趨勢(shì)，>120 cm的凍土區(qū)面積有減小的趨勢(shì)。

圖4 最大凍深年代均值分布Fig.4 Spatial value of the maximum frozen soil depth in different ages

2.2 溫度要素時(shí)空變化

2.2.1 溫度要素演變趨勢(shì) 長(zhǎng)白山區(qū)溫度要素均為增加的趨勢(shì)(圖5)。各區(qū)年均溫均為顯著增加的趨勢(shì)(P<0.01)，A區(qū)變化趨勢(shì)最小(slope=0.02)，B區(qū)和C區(qū)變化趨勢(shì)一致(slope=0.03)。長(zhǎng)白山區(qū)負(fù)積溫具有明顯的緯度效應(yīng)，隨著緯度的增高，負(fù)積溫減小，A區(qū)最大，C區(qū)最小。各區(qū)負(fù)積溫均呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)(P<0.01)，A區(qū)年負(fù)積溫變化趨勢(shì)最小(slope=3.78)，B區(qū)變化趨勢(shì)最大(slope=5.43)。C區(qū)最低溫度呈顯著增加的趨勢(shì)(P<0.05)，變化趨勢(shì)最小(slope=2.07)，A區(qū)和B區(qū)均為顯著減小的趨勢(shì)(P<0.05)，雖然兩者年際變化有差別，但兩者的變化趨勢(shì)一致(slope=0.08)。

圖5 溫度要素年際變化趨勢(shì)Fig.5 Interannual variation trend of temperature elements

表2 各區(qū)溫度要素年代均值Table 2 The mean value of temperature elements in each area

2.2.2 溫度要素空間分析 長(zhǎng)白山區(qū)大部分區(qū)域的年均溫在0～3 ℃，西南部地區(qū)溫度較高，>3 ℃，圖們站和琿春站附近區(qū)域，年均溫略高于周邊地區(qū)。

年負(fù)積溫在西部地區(qū)，具有由南向北增加的趨勢(shì)，B區(qū)東部地區(qū)的年負(fù)積溫略大于中西部地區(qū)，和龍站、圖們站和琿春站附近的區(qū)域年負(fù)積溫略大于周?chē)貐^(qū)，靖宇站、二道站和汪清站附近的凍深區(qū)域略高于周?chē)貐^(qū)。年最低溫度<-30 ℃的地區(qū)大部分在山區(qū)中部和2區(qū)西部地區(qū)，>-30 ℃的地區(qū)分布在山區(qū)西南部，西北部和東部地區(qū)；年最低溫度的最小值靖宇站、二道站和樺甸站，<-35 ℃。

年均溫呈現(xiàn)增溫的趨勢(shì)(圖7)，年均溫為6.0～7.5 ℃的地區(qū)逐漸出現(xiàn)，<0 ℃的地區(qū)逐漸消失；年均溫>1.5 ℃的地區(qū)范圍擴(kuò)大，<1.5 ℃的地區(qū)范圍減?。?.5～3 ℃的地區(qū)擴(kuò)大面積最大，到2010s長(zhǎng)白山區(qū)大部分地區(qū)，年均溫為1.5～3 ℃。

圖6 溫度要素多年均值空間分布Fig.6 Multi-year mean value of temperature elements in space

圖7 均溫年代均值分布Fig.7 Spatial value of the mean temperature in different ages

年負(fù)積溫均值呈現(xiàn)增溫的趨勢(shì)(圖8)，年負(fù)積溫<-1 400 ℃的地區(qū)面積逐漸減小，>-1 400 ℃的地區(qū)在不斷擴(kuò)大，前者在1990s時(shí)，面積達(dá)到最小值，在1960s時(shí)為最大值，此溫度范圍經(jīng)歷了先減小后增大變化趨勢(shì)，后者反之。

圖8 負(fù)積溫年代均值分布Fig.8 Spatial value of the negative accumulated temperature in different ages

年最低溫度均值呈現(xiàn)增溫的變化趨勢(shì)(圖9)。年最低溫度<-30 ℃的地區(qū)總體為減小的趨勢(shì)，>-30 ℃的地區(qū)為增加的趨勢(shì)，前者在1990s達(dá)到最小值，在1960s時(shí)為最大值，該溫度區(qū)域面積變化規(guī)律為先減小后增大。

圖9 最低溫度年代均值分布Fig.9 Spatial value of the lowest temperature in different ages

2.3 最大凍深對(duì)溫度變化的響應(yīng)

長(zhǎng)白山年最大凍深和年均溫整體為負(fù)相關(guān)的關(guān)系。其中相關(guān)性最大的站點(diǎn)在二道站，相關(guān)系數(shù)為-0.65(圖10)。年最大凍深和年負(fù)積溫呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，其中雙陽(yáng)站、磐石站、永吉站、蛟河站和羅子灣站呈正相關(guān)的關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)均<0.25呈不相關(guān)的關(guān)系，這些站點(diǎn)均分布在B區(qū)(圖11)。年最大凍深和年最低溫度呈正相關(guān)的關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)均<0.25呈不相關(guān)的關(guān)系，從圖12中可以明顯看出，年最大凍深和年最低溫度的相關(guān)系數(shù)的數(shù)值均小于年均溫和年負(fù)積溫的相關(guān)系數(shù)的數(shù)值。

圖10 最大凍深和均溫相關(guān)系數(shù)分布Fig.10 Distribution map of correlation coefficient between maximum freezing depth and average temperature

圖11 最大凍深和負(fù)積溫相關(guān)系數(shù)分布Fig.11 Distribution map of correlation coefficient between maximum freezing depth and accumulated temperature

圖12 最大凍深和最低溫度相關(guān)系數(shù)分布Fig.12 Distribution map of correlation coefficient between maximum freezing depth and minimum temperature

根據(jù)表3可以看出，3個(gè)分區(qū)內(nèi)年最大凍深和年均溫度的相關(guān)性最高，與年最低溫度的相關(guān)性最弱，各區(qū)年最大凍深和年均溫和年負(fù)積溫均呈顯著的負(fù)相關(guān)的關(guān)系，與年最低溫度呈不顯著負(fù)相關(guān)的關(guān)系。在B區(qū)，年最大凍深和年均溫度的相關(guān)性最強(qiáng)，年最大凍深和年負(fù)積溫的相關(guān)性也最強(qiáng)。C區(qū)年最大凍深和年均溫的相關(guān)性較小，與年負(fù)積溫的相關(guān)性也較小。

表3 最大凍深和溫度要素的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient of maximum freezing depth and temperature

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本研究通過(guò)長(zhǎng)白山及周邊51個(gè)氣象站點(diǎn)資料，統(tǒng)計(jì)分析了1960-2019年最大凍深時(shí)空演變特征及其對(duì)溫度要素變化的響應(yīng)機(jī)制，得出以下結(jié)論。

長(zhǎng)白山區(qū)年最大凍土深度具有明顯的緯度效應(yīng)，隨著緯度的增高年最大凍深逐漸增加。最大凍深整體上呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)，在1980s-1990s變化最為明顯，在1990s各區(qū)最大凍深最小。高緯度地區(qū)最大凍深退化最為明顯，低緯度地區(qū)退化較緩。隨著年代的增加凍土深度<120 cm的區(qū)域不斷增大，且該區(qū)域的范圍邊界在不斷北移。

長(zhǎng)白山區(qū)西南部溫度較高，中部溫度較低，西北部負(fù)積溫和最低溫度較低。長(zhǎng)白山各區(qū)均呈現(xiàn)增溫的趨勢(shì)，年均溫的增溫變化具有緯度效應(yīng)，緯度越高增溫趨勢(shì)越明顯。各區(qū)溫度要素均在1980s-1990s變化趨勢(shì)最大，在1990s各溫度要素達(dá)到最大值。隨著年代的增加，平均溫度>3 ℃，負(fù)積溫>-1 400 ℃，最低溫度>-30 ℃的地區(qū)不斷擴(kuò)大。

長(zhǎng)白山區(qū)年最大凍深對(duì)年均溫的響應(yīng)最為強(qiáng)烈，其次為年負(fù)積溫，均為顯著負(fù)相關(guān)的關(guān)系，與年最低溫度響應(yīng)最差，為不顯著負(fù)相關(guān)的關(guān)系。低緯度地區(qū)凍土變化對(duì)溫度變化響應(yīng)更為顯著。

3.2 討論

受全球氣候變暖的影響，季節(jié)性?xún)鐾辆尸F(xiàn)退化的趨勢(shì)，特別是在中高緯度地區(qū)退化趨勢(shì)更為明顯[8]。凍土退化對(duì)生態(tài)水文循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生重要的影響[9]。研究表明，凍土退化改變了融雪入滲的過(guò)程從而影響地表徑流和地下徑流[10]。長(zhǎng)白山區(qū)是我國(guó)東北地區(qū)重要的“水塔”，區(qū)域內(nèi)凍土退化將會(huì)直接影響下游流量，對(duì)當(dāng)?shù)厮难h(huán)和生態(tài)水文[17]產(chǎn)生影響。然而以往研究?jī)H關(guān)注長(zhǎng)白山局部區(qū)域凍土變化，缺乏整體研究。本研究以長(zhǎng)白山整體為研究對(duì)象，不但包括松花江，還包括圖們江和鴨綠江全流域。從空間和時(shí)間2個(gè)角度重點(diǎn)解析了最大凍土深度的演變特征。結(jié)果顯示，長(zhǎng)白山區(qū)年最大凍深和海拔的相關(guān)系數(shù)為-0.09，與緯度的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.81，因此長(zhǎng)白山區(qū)年最大凍深空間分布具有明顯的緯度效應(yīng)，北部年最大凍深大，這與先前的研究結(jié)論一致。結(jié)果表明長(zhǎng)白山區(qū)最大凍土深度整體呈現(xiàn)顯著的減小趨勢(shì)，最大凍深<120 cm的凍土區(qū)域面積在不斷擴(kuò)大，該范圍邊界在不斷北移，隨著緯度增高減小趨勢(shì)越顯著，具有明顯的緯度效應(yīng)，這與以往研究具有一致性[11]。研究表明，溫度[12]、植被覆蓋類(lèi)型[13]和積雪深度[14]等均會(huì)對(duì)凍土變化產(chǎn)生影響，其中凍融期溫度是最主要的影響因素[15]。大氣溫度通過(guò)改變土壤的水熱條件從而進(jìn)一步影響凍深發(fā)育過(guò)程。本研究發(fā)現(xiàn)，凍融期平均溫度是長(zhǎng)白山最大凍土深度退化的最直接和最主要的影響因素，負(fù)積溫次之，最低溫影響較弱，這一結(jié)果與其他類(lèi)似地區(qū)研究結(jié)果基本一致[16]。全球氣候變暖背景下，凍土發(fā)生顯著退化，這將帶來(lái)一系列生態(tài)環(huán)境過(guò)程的顯著改變，如凍融水循環(huán)過(guò)程、溫室氣體的爆發(fā)式排放和生態(tài)系統(tǒng)改變等[17]。凍土退化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)是極其復(fù)雜的過(guò)程，本研究可為后續(xù)氣候變化影響下凍融期生態(tài)水文演變機(jī)理研究奠定基礎(chǔ)。