文章编号!1000-0240 2005 06-0820-07
收稿日期!2005-08-11 修订日期!2005-10-09基金项目!国家自然科学基金项目 新疆北部气候突变及其对生态环境的影响 资助作者简介!王秋香 1961 女 新疆乌鲁木齐人 高级工程师 1983年毕业于南京气象学院 现主要从事气候变化 气候资源及气象
灾害研究.E -m ail W C X188@126.cO m
王秋香1!李红军2!魏荣庆1!王晓梅
1
1.新疆气象局环境气象中心 新疆乌鲁木齐830002"
2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所 新疆乌鲁木齐830002
摘要 对新疆41a 1961 1962 2001 2002年 冬季平均冻土深度 最大冻土深度 土壤10c m 深度
封冻时段资料分析表明 随着全疆气候的变暖 各地的平均冻土深度 最大冻土深度趋向变浅 土壤封冻时间
缩短.尤其是1986年以后 暖湿化特征十分明显 冻土深度和封冻时间变化更为显著.最大冻土深度南 北疆分别在1982 1983年和1986 1987年冬季发生了明显的突变.关键词 季节性冻土 气候变化 土壤封冻时间 突变 新疆中图分类号!S 152.8
文献标识码!A
1引言
冻土是气候变化的敏感指示器 尤其是季节性
冻结和融化层在温度年变化层的上部 更接近地表 对气候变化更为敏感 反应更为迅速.研究表明 年平均气温升高尤其是冬季气温升幅大 导致
我国多年冻土的退化 1~6
青藏高原西大滩近30a 来多年冻土面积因退化缩小了12 7 而青藏高原
东北部 东南部和南部季节性冻土厚度表现出变薄
趋势 8
.
新疆地处亚洲中部的中纬度地区 地貌轮
廓是三大山系包围两大盆地 北边是阿尔泰山 南边为昆仑山系 横穿新疆中部的是天山山脉 位于天山和阿尔泰山之间的是准噶尔盆地 天山与昆仑山之间是塔里木盆地.由于冬季寒冷 除了在阿尔泰山 天山 昆仑山的年平均气温<-3 的高寒
山区 有多年冻土存在外 9 10
广大地区分布着3
~6个月季节性冻土 11~12
.最大冻土深度和土壤的封冻 解冻期是各种工程的重要参数 气候变化带
来的冻土变化不仅给各种工程引起影响 还对周围
环境产生影响 13 14
.研究表明 近40a 来 新疆气
候存在着明显变暖 变湿的趋势 尤其是1986年以
后 暖湿化特征十分明显 15~17 .本文主要讨论新疆
冬季气候变暖的情况下 季节性冻土的变化趋势
幅度和突变 为各类管道及道路施工 交通及农事活动提供依据.
2资料站点及处理方法
本文所用的冻土和气象资料由新疆气象资料档
案馆提供 资料时段为1961年入冬至2002年开春 共41个冬季.所选取站点天山以北为阿勒泰 塔城 伊犁 博乐 乌苏 石河子 莫索湾 昌吉 奇台和淖毛湖10个站点 天山以南有哈密 吐鲁番 库尔勒 阿克苏 阿拉尔 拜城 喀什 和田和若羌9个站点.考虑到10c m 深度土壤对气温的反映较为敏感 本文选取10c m 深度冻土资料进行分析.采用10a 平均值 对10c m 深度土壤封冻期 指整层 冬季 12~2月 平均冻土深度 年最大冻土深度进行多年变化分析.对南北疆各代表站资料进行算术平均获得新疆最大冻土深度及冬季气温序列.采用非参数检验法 M ann-kendall 法 对新疆1961
2002年最大冻土深度时间序列进行突变检测 18 .
3新疆冻土一般气候特征
初冬 当地表日平均温度降到0 以下 夜冻
大于日消 便形成季节性冻土.地表开始冻结时
第27卷第6期
2005年12月
冰川冻土
J OURNAL OF GLAC OLOGY AND GEOCRYOLOGY
VOl .27NO .6D ec .2005
间北疆准噶尔盆地在11月上中旬.伊犁河谷在11月下旬为11月中下旬.随着温度的降低冻土厚度加深土壤10c m深度开始冻结时间北疆多为11月下旬而伊犁河谷要迟至12月中旬的塔里木盆地的北沿在11月下旬#12月初南缘为12月上#中旬.次年冬末春初土壤开始解冻北疆多为3月中#下旬地表解冻伊犁河谷为3月上旬为2月中旬.由于春季升温快10 c m深度解冻时间与土表解冻时间几乎相同.
进入冬季以后随着温度的降低土壤冻结深度不断加深至竖年23月甚至45月冻土深度达到最大.北疆多数
地区最大冻土深度在150c m 以上其中青河达242c m.伊犁河谷因冬季有较厚的积雪且冬季不及准噶尔盆地寒冷最大冻土深度只有62c m.天山以南地区除哈密为127c m其它地区均在90c m以下.全疆季节性冻土最深的是位于天山山间尤尔多斯盆地中的巴音布鲁克海拔2458m其最大冻土深度为439c m是我国气象站记录中的最高值.
4土壤封冻期的多年变化
土壤封冻后会影响农时活动和工程施工.为了便于讨论我们以10c m深度冻结解冻日期的变化来分析土壤封冻期的多年变化趋势.以天山以北地区为例自1961年以来土壤10c m深度的冻结
日期除博乐#乌苏#石河子变化不大外其它地区都向后推20世纪90年代与前30a1961 1990年相比冻结日期平均推后4d塔城推后达12d.天山以南地区也有同样趋势除哈密拜城平均提前2d冻结外其它地区10c m深度冻结期平均推后6d其中吐鲁番推迟13d库尔勒喀什若羌推迟8~10d表1表2.
土壤10c m深度的解冻期全疆各地均提前.天山以北各地90年代比前30a提前5d塔城#伊犁提前较多为9~10a.天山以南地区90年代与前30a相比除西南地区变化不大外其它地区都是提前5d解冻其中最多的库尔勒阿克苏提前近半个月.10c m土壤封冻天数全疆平均减少9d其中北疆塔城地区减少最多为21d 库尔勒地区减少最多为22d.
分析40a冻土资料可以看出10c m土壤的冻结期解冻期封冻天数前30a各年虽有起伏变化但每10a的平均值变化不大而进入90年代几乎有一个显著变化这也映证了20世纪90年代是气候变暖最显著的10a15.
土壤冻结期的推后解冻期的提前封冻期的缩短对农事活动有利秋冬季农田冬灌时间可延长春耕和早春作物播种可提前.另外野外土方工程作业时间可以延长.
表1天山以北地区各年代土壤10C m深度冻结!解冻平均日期
T abl e1D ecadal m ean dates Of t he be g i nni n g and endi n g Of t he f reezi n g seasOn Of sOil at10c m
de p t h i n t he re g i Ons t O t he nOrt h Of t he T i anshan M Ountai ns f r O m1961t O2000
年代平均冻结解冻日阿勒泰塔城伊犁博乐乌苏石河子莫索湾昌吉奇台淖毛湖
19611970平均冻结日11-2011-2912-1111-2111-2311-2211-1911-1211-2011-22平均解冻日03-2803-1703-0803-1603-1003-1403-1603-1603-1803-08
19711980平均冻结日11-2112-3102-2111-2111-2211-2311-2011-1211-1911-22平均解冻日03-3003-2403-1403-2003-1803-1903-2103-2103-2402-27
19811990平均冻结日11-1612-3102-2111-2411-2611-2811-2511-1611-1911-26平均解冻日03-3003-1902-2403-2003-1503-1803-1603-1803-2102-26
19611990平均冻结日11-1912-0212-1811-2211-2411-2411-2111-1311-1911-23平均解冻日03-2903-2003-0603-1903-1403-1703-1703-1803-2103-01
19912000平均冻结日11-2112-1412-2411-2211-2311-2411-2311-2211-2111-26平均解冻日03-2803-1102-2403-1703-1003-1303-1403-1603-2402-21
90年代与前30a之差
平均冻结日/d21260-102923平均解冻日/d-1-9-10-2-4-4-3-2-3-8封冻天数之差/d-3-21-16-2-3-4-5-11-5-11
128
6期王秋香等:19612002年新疆季节冻土多年变化及突变分析
表2天山以南地区各年代土壤10C m深度冻结!解冻平均日期
T abl e2D ecadal m ean dates Of t he be g i nni n g and endi n g Of t he f reezi n g seasOn Of sOil
at10c m dee p i n t he re g i Ons t O t he sOut h Of t he T i anshan M Ountai ns f r O m1961t O2000
年代平均冻结解冻日哈密吐鲁番库尔勒阿克苏拜城阿拉尔喀什和田若羌
19611970平均冻结日11-2612-0312-0411-3011-2612-0412-2312-0911-28平均解冻日03-0802-1503-0803-0903-0503-0102-1502-0802-22
19711980平均冻结日11-2312-0312-0512-0211-2612-1012-2412-1811-25平均解冻日02-2602-0902-2703-0803-1302-2802-0702-1202-23
19811990平均冻结日11-2412-1012-0712-0311-2212-0412-2912-1312-02平均解冻日03-0502-1402-1603-0103-1102-2302-0302-0402-21
19611990平均冻结日11-2412-0512-0612-0111-2512-0612-2512-1311-28平均解冻日03-0402-1302-2703-0603-1002-2602-0902-0802-22
19912000平均冻结日11-2212-1812-1412-0211-2312-0801-0212-1712-08平均解冻日02-2602-1202-1302-2003-1002-2602-1102-0802-16
90年代与前30a之差
平均冻结日d-21381-228410平均解冻日d-6-1-14-140020-6封冻天数之差d-4-14-22-152-2-6-4-16
5平均冻土深度多年变化
冬季12至翌年2月平均冻土深度的多年变化能较好的反映气候的变化.从表3表4中可以看出9随着气候的变暖9新疆各地冬季的平均冻土深度在减小9多数地区其平均值是每10a下一台阶9至90年代平均值达最小.北疆地区90年代比前30a平均减少12c m9其中塔城减少最多9为24 c m.平均减少7c m9减少最多的是若羌9为14 c m.北疆冬季平均冻土深度比冬季平均冻土深度减少多的事实证明9北疆冬季增暖比冬季增暖更显著15.6最大冻土深度多年变化
20世纪60年代以来9随着气候变暖9新疆各地的最大冻土深度几乎都趋向减小.北疆地区历年最大冻土多出现在60年代9以后每10a下一台阶9特别是90年代最大冻土深度减小最快9与前30a 相比平均约减小35c m9塔城淖毛湖减小0.5m 以上S平均最大冻土深与30a相比较约减小17 c m9塔城莫索湾减小超过30c m.天山以南地区9历年最大冻土深度出现在60年代或70年代9最小值出现在90年代990年代最大冻土值与前30a最大值相比较9平均减小18c m9哈密吐鲁番阿拉
表3天山以北地区各年代冬季"12至翌年2月#平均冻土深度"c m#
T able3D ecadal m ean de p t hs"c m#Of f r Ozen sOil i n W i nter"f r O m D ece mber t O neXt Febr uar Y#
i n t he re g i Ons t O t he nOrt h Of t he T i anshan M Ountai ns f r O m t he1960s t O t he1990s
年代阿勒泰塔城伊犁博乐乌苏石河子莫索湾昌吉奇台淖毛湖60年代平均冻土深80682587967593838474 70年代平均冻土深65582089937580828473 80年代平均冻土深66442181907088857952 1961-1990年平均冻土深70572286937387838266 90年代平均冻土深67331978856468677547
90年代与前30a之差平均差值-3-24-3-8-8-9-19-16-7-19
228冰川冻土27卷
表4天山以南地区各年代冬季!12月-2月"平均冻土深度!c m"
T able4D ecadal m ean de p t hs!c m"Of f r Ozen sOil i n W i nter!f r O m D ece mber t O neXt Febr uar Y"
i n t he re g i Ons t O t he sOut h Of t he T i anshan M Ountai ns f r O m t he1960s t O t he1990s
年代哈密吐鲁番库尔勒阿克苏拜城阿拉尔喀什和田若羌60年代平均冻土深673237335643263054 70年代平均冻土深783630275539202851 80年代平均冻土深693630305939142345 19611990年平均冻土深713532305740202750 90年代平均冻土深672726395633132036
90年代与
前30a之差
平均差值-4-8-6+9-1-7-7-7-14
表5天山以北地区各年代最大冻土深度土平均最大冻土深度!c m"
T abl e5D ecadal m aXi mu m f r Ozen de p t hs and m ean m aXi mu m f r Ozen de p t hs!c m"Of seasOnal
f r Ozen sOil i n t he re
g i Ons t O t he nOrt
h Of t he T
i anshan M Ountai ns f r O m1961t O t he2000
年代阿勒泰塔城伊犁博乐乌苏石河子莫索湾昌吉奇台淖毛湖
19611970最大深度>14614658172>150140156150141133平均最大10210138125128106128126111100
19711980最大深度139********>146135138138123116平均最大909231129127114109124114100
19811990最大深度11710860127150122139138118103平均最大8967321101229511911510672
19611990最大深度>14614660172>150140156150141133平均最大94873412112610511812211091
19912000最大深度103924912513410612911211276平均最大87563510911688929210268
90年代与前30a之差最大深度-33-54-11-47-16-34-27-38-29-57平均最大-7-31+1-12-10-17-37-20-8-23
注C H 7表示减少9H+7号表示增加.
尔\若羌减小25c m左右9平均最大深度减小8~ 10c m(表5\表6).需要指出是冻土深度的变化不仅与温度变化有关9还与冻土观测点的土壤湿度#地下水位#地表积雪厚度等因子有关.如阿克苏站990年代以前观测场周围是菜地9且地下水位较高为1~2m9土壤湿度较大9热容量亦大9冻土不深.90年代以后9观测场周围建筑物的增加影响了地下水的流入9更主要的是在离观测场不远处打了机井9使地下水位明显下降9土壤含水量减少9热容量变小9使土壤在冬季容易冻结9导致土壤冻结层加厚\冻土加深.因此9阿克苏90
年代冻土要比前30a要深.关于积雪厚度对冻土的影响9将在另一遍文章中讨论.7最大冻土深度时间序列的突变
图1为用北疆10站资料做出的19612002年平均最大冻土深度变化曲线和突变曲线.由曲线C1可以看出9从80年代中期开始9北疆平均最大冻土深度有一个明显的减小趋势9且在19861987年冬季北疆平均最大冻土深度发生了明显的突变.图2是用9站资料做出的19612002年平均最大冻土深度变化曲线和突变曲线9可以看出9平均最大冻土深度从80年代初期开始有一个明显的减小趋势9C3和C4曲线9交叉点位于1982 1983年冬季.可以认为9平均最大冻土深度19821983年冬季发生了明显的突变9说明从20
328
6期王秋香等C19612002年新疆季节冻土多年变化及突变分析
表6天山以南地区各年代最大冻土深度土!平均最大冻土深度"c m#
T abl e6D ecadal m aXi mu m f r Ozen de p t hs and m ean m aXi mu m f r Ozen de p t hs"c m#Of seasOnal
f r Ozen sOil i n t he re
g i Ons t O t he sOut
h Of t he T
i anshan M Ountai ns f r O m1961t O t he2000
年代哈密吐鲁番库尔勒阿克苏拜城阿拉尔喀什和田若羌
19611970最大深度1127463628678646796平均最大955651437658495479
19711980最大深度1278355458970666486平均最大1086143357657435075
19811990最大深度1197958448563475988平均最大925843377754324568
19611990最大深度1278363628978646796平均最大985846397656415074
19912000最大深度1026056808954505972平均最大914946617647334363
90年代以前30a之差值最大深度-25-23-7+180-24-14-8-24平均最大-7-90+220-9-8-7-11
注CG 7表示减少9G+7号表示增加.
图1北疆10站平均最大冻土深度趋势及突变
F i g.1V ari ati On Of t he10-stati On avera g e m aXi mu m
f r Ozen de p t h and its mutati On i n nOrt h X i n j i an g
图29站平均最大冻土深度趋势及突变
F i g.2V ari ati On Of t he9-stati On avera g e m aXi mu m
f r Ozen de p t h and its mutati On i n sOut h X i n j i an
g
图319602000年北疆10站冬季平均气温与
最大冻土深度变化趋势
F i g.3V ari ati Ons Of t he10-stati On avera g e W i nter
air te m p erat ure and t he m aXi mu m f r Ozen de p t h i n
nOrt h X i n j i an g duri n g t he p eri Od Of1961
2000
图419602000年9站冬季平均气温与最大
冻土深度变化趋势
F i g.4V ari ati Ons Of t he10-stati On avera g e W i nter
air te m p erat ure and t he m aXi mu m f r Ozen de p t h i n
sOut h X i n j i an g duri n g t he p eri Od Of19612000
世纪80年代初中期开始尤其是90年代以来9南北疆最大冻土深度减小的趋势十分显著.
428冰川冻土27卷
表7天山以北各站1961-1991年冬季与1991-2001年冬季平均气温比较!"
T able7A cO m p arisOn Of t he m ean W i nter air te m p erat ures!"at t he m eteOr Ol O g ical stati Ons i n t he
re g i Ons t O t he nOrt h Of t he T i anshan M Ountai ns duri n g t he p eri Ods Of1961#1991and1991#2001年代
站名
阿勒泰塔城伊犁博乐乌苏石河子莫索湾昌吉奇台淖毛湖平均19611991-14.6-9.7-7.1-14.1-12.7-13.1-15.8-14.0-15.1-9.2-12.5 19912001-13.1-8.1-5.9-12.7-11.5-12.5-15.3-10.9-14.8-7.3-11.2 90年代与前30a之差+1.5+1.6+1.2+1.4+12+0.6+0.5+3.1+0.3+1.9+1.3表8天山以南各站1961#1991年冬季与1991#2001年冬季平均气温比较!"
T able8A cO m p arisOn Of t he m ean W i nter air te m p erat ures!"at t he m eteOr Ol O g ical stati Ons i n t he
re g i Ons t O t he sOut h Of t he T i anshan M Ountai ns duri n g t he p eri Ods Of1961#1991and1991#2001年代
站名
哈密吐鲁番库尔勒阿克苏拜城阿拉尔喀什和田若羌平均19611991-7.9-5.3-4.8-5.5-9.6-5.6-3.5-2.6-5.0-5.5 19912001-6.8-3.0-3.6-4.5-7.8-5.0-2.1-1.5-4.4-4.3 90年代与前30a之差+1.1+2.3+1.2+1.0+1.8+0.6
+1.4+1.1+0.6+1.2
8冬季气温与最大冻土深度
自20世纪90年代以来气温显著变暖尤其
是冬季增暖更为明显.从表7和表8可以看出新
疆各地冬季平均气温90年代比前30a普偏升高
天山以北10各站平均偏高1.3天山以南9个
站平均偏高1.2 .冬季气温的升高必然导致各
地冻土深度变浅.图3和图4分别是北疆10站和
9站19612001年冬季平均气温和历史最
大冻土深度变化趋势从中可以看出历史冬季平均
气温与最大冻土深度几乎有完全同步的变化趋势
即冬季气温低的年份最大冻土深度深而冬季气
温偏高年份最大冻土就浅.从40a的气温变化趋势
看最近40a冬季气温趋暖使最大冻土深度趋向变
浅20世纪90年代以后冬季偏暖趋势明显也使最
大冻土深度变浅速度加快.
最大冻土深度与冬季平均气温之间有很好的线
性相关其回归方程为L
1=42.32-4.49T1L2
=38.94-3.73T2.式中L1T1分别为北疆10站
平均最大冻土深度和冬季平均气温L
2T2分别为
9站平均最大冻土深度和冬季平均气温.南北疆各站平均最大冻土深度与相应的冬季平均气温之间的相关系数分别为-0.82和-0.69均通过信度0.001的检验.
从上述分析可以看出新疆最大冻土深度对冬季气温变化的响应十分明显.新疆多数地区属干旱
气候区降水稀少一般在150mm以下尤其是入冬前的秋季降水十分稀少土壤湿度多年变化很小这与年降水相对较多的东北和青藏高原有很大不同.因此在气候要素对新疆冻土变化的影响中气温变化的作用更显得突出.
9结论
随着全疆气候变暖尤其是冬季气候的变暖使全疆各地的土壤的封冻期推后解冻期提前冬季冻土平均深度变簿最大冻土深度减小.特别是进入90年代以来气候显著变暖使土壤解封冻期冻土深度的变化更显著.通过突变检验发现北疆最大冻土深度在19861987年冬季发生了明显的突变最大冻土深度在19821983年冬季发生了明显的突变.
冬季平均气温与最大冻土深度有很好的线性相关.在干旱地区气温变化对冻土深度变化的影响更为突出.
参考文献!ReferenCes"$
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