西藏自治區(qū)季節(jié)凍土區(qū)最大凍結深度及動態(tài)變化特征研究

（四川省地質礦產勘查開發(fā)局九一五水文地質工程地質隊，四川 眉山620000）

凍土指溫度在0℃以下，含有冰的各種巖石和土體地表冬季凍結、夏季融化、凍結狀態(tài)持續(xù)一個月以上，不足一年的土體稱為季節(jié)凍土。凍土作為氣候變化的靈敏指示器，是一種與氣候變化相關的不穩(wěn)定地質體，對氣候變化存在正反饋效應，即碳反饋效應。季節(jié)凍土在地表幾米范圍內受季節(jié)影響冬凍夏融，直接參與大氣圈-地表-巖石圈之間熱量交換，對氣候變化響應更加敏感。

西藏地區(qū)位于“地球第三極”的青藏高原，是全球氣候變化最敏感區(qū)域之一，在全球氣候趨暖的背景下，該地區(qū)氣候也顯著變暖，平均升溫幅度較北半球和全球升溫的幅度要大，凍土也隨之發(fā)生顯著變化，出現(xiàn)年平均地溫升高，凍土厚度減薄、面積減少。某些地區(qū)凍土退化與消失的情況。凍土退化對地-氣間熱量交換、水文過程、自然生態(tài)系統(tǒng)、建筑工程和交通道路等基礎設施都產生了顯著的影響。

季節(jié)凍土最大凍結深度是大氣和土體綜合作用的結果，主要受氣溫、地形、巖性、含水量、雪蓋、植被、水體等因素的影響。不僅直接影響遷移水量、凍脹量和凍脹率等凍土重要參數(shù)變化，也是建筑工程設計、施工必不可缺的數(shù)據(jù)。前人針對西藏季節(jié)凍土最大凍結深度研究，集中分析西藏年、季平均地溫變化趨勢和異常年份，地溫與氣溫的突變關系;利用最大凍土深度和土壤解凍日期研究西藏季節(jié)性凍土的年際和年代際變化特征;預估未來50 a和100 a 最大凍土深度變化。針對西藏地區(qū)季節(jié)凍土最大凍結深度時空區(qū)域性變化研究很少。本文可填補其空白。

表1 西藏29個觀測站點地理信息

1 西藏季節(jié)凍土區(qū)最大凍結深度的研究方法

1.1 研究數(shù)據(jù)采集

本次研究所需的基礎數(shù)據(jù)包括地表溫度、土壤類型和數(shù)字高程模型（DEM）。

1.1.1 地表溫度及凍結持續(xù)時間

地表溫度選用國家氣象局整編的全國824個基準、基本氣象站中西藏29個觀測站（圖1和表1）1990-2014年逐日0cm地溫資料，該數(shù)據(jù)集的各觀測要素項的數(shù)據(jù)實有率普遍在99%以上，數(shù)據(jù)的正確率均接近100%.藏北無人區(qū)缺乏凍土觀測資料，但這些地區(qū)為多年凍土分布區(qū)。西藏地區(qū)季節(jié)凍土分布范圍以年平均地溫0oC 作為季節(jié)凍土和多年凍土的界限而確定，所以本次選取29個站點位于西藏季節(jié)凍土區(qū)（圖2），季節(jié)凍土的凍結持續(xù)時間一般從11月份至次年2月份。根據(jù)0cm地溫日數(shù)據(jù)，求得凍結期平均地表溫度和凍結持續(xù)時間，建立凍結期平均地表溫度（凍結持續(xù)時間）與海拔高程、緯度回歸統(tǒng)計模型，獲得西藏地區(qū)凍結期平均地表溫度和凍結持續(xù)時間的空間分布特征。

一般而言，月尺度以上溫度變化主要受控于緯度、經度和海拔高程。西藏地區(qū)由于平均地表溫度（凍結的持續(xù)時間）與經度間P ＞0.05，相關性不顯著；與緯度和海拔高程間P ＜0.001，相關系數(shù)R 均在0.9以上。利用西藏觀測站點實測數(shù)據(jù)，對凍結期平均地表溫度（凍結的持續(xù)時間）與海拔高程、緯度進行多元回歸統(tǒng)計，有較好的適用性。

圖1 西藏地區(qū)地理位置和29個地面觀測站點分布

圖2 西藏地區(qū)多年凍土和季節(jié)凍土分布圖

2010年的關系式如下：

T=33.99-0.0025H-0.895N

t=0.058H+11.49N-506.52

式中，T為凍結期平均地表溫度（oC）t為凍結的持續(xù)時間（d）；N為十進制表示的緯度（°）；H為海拔（m）。

西藏阿里和那曲觀測站點較少，其他地方站點雖少但分布相對較均勻，選取站點相對集中的班戈、定日、當雄、江孜、隆子和左貢來驗證模型，對比計算值和實測值，均通過顯著性P ＜0.001，相關系數(shù)R 達0.9以上（圖3）。因此，模擬結果能夠近似的反映出西藏地區(qū)的凍結期平均地表溫度和凍結持續(xù)時間分布狀況。

圖3 2010年凍結的持續(xù)時間(a)和凍結期平均地表溫度(b)計算值與觀測值比較

1.1.2 土壤數(shù)據(jù)

土壤類型數(shù)據(jù)來源于“黑河計劃數(shù)據(jù)管理中心”（http：//westdc.westgis.ac.cn/）的世界土壤數(shù)據(jù)庫（Harmonized World Soil Database,HWSD），其中我國大陸境內數(shù)據(jù)來源為第二次全國土地調查南京土壤所所提供的1∶100萬土壤數(shù)據(jù)，同時結合青藏高原實測資料和《土的工程分類標準（GB/T50145-2007）》，對西藏地區(qū)的土壤重新分類進而獲得該區(qū)的土壤干容重分布圖（圖4）。

1.1.3 數(shù)字高程模型（DEM）

DEM數(shù)據(jù)采用寒區(qū)旱區(qū)科學數(shù)據(jù)中心提供的STRM（Shuttle Radar Topography Mission）90m分辨率柵格圖年平均氣溫和年降水來源于中國氣象局整編的全國752個基本、基準地面氣象觀測站及自動站1951年以來氣候資料年值數(shù)據(jù)集。

圖4 西藏地區(qū)土壤干容重分布圖

1.2 凍結深度的計算方法

目前，用于凍結深度計算的方法主要有庫德里亞夫采夫（Kudryavtsev）、尼爾松（Nelson）和斯蒂芬（Stefan）三種方法。但是，庫德里亞夫采夫方法需要較多的計算參數(shù)，西藏地區(qū)地勢起伏較大、地形地貌復雜多樣，難以確定準確的計算參數(shù)；尼爾松方法與斯蒂芬方法的不同之處在于推算地表溫度的方法不同，其基本原理與斯蒂芬方法一致。因此，本次選取斯蒂芬方法對季節(jié)凍土深度進行計算。

斯蒂芬方法假定地表溫度在凍結期間為常數(shù)，正凍層在每一瞬時的溫度隨深度呈線性分布，沒有考慮外部熱量交換和凍結巖層與下伏融土層的熱量交換，所以用于土層的最大凍結深度計算時結果一般比實測值偏大，然而，由于其計算簡便且計算結果對工程偏于安全，直到現(xiàn)在仍然得到廣泛應用。計算凍結深度的斯蒂芬公式為：

式中，H為凍結深度（m），λ為已凍土的導熱系數(shù)（W/m oC），為凍結季節(jié)平均地表溫度（℃），t為凍結季節(jié)持續(xù)時間（s），L為凍土的融化潛熱（3.3×105 J/kg），γck為土的干容重（kg/m3），W為土的總含水量（%），Wu為未凍水含水量（%）。

本次在計算中地表溫度和凍結季節(jié)持續(xù)時間選用中國氣象局提供的西藏實測數(shù)據(jù)；土的干容重利用HWSD數(shù)據(jù)庫資料；已凍土的導熱系數(shù)由徐學祖的亞黏土計算熱參數(shù)取值表，依據(jù)已知的含水量和土的干容重采用內插法求得；平均總含水量選用15%，平均未凍水含量為3%。

利用1990-2014年間地面觀測站有最大凍結深度實測值的站點（安多、那曲、普蘭、當雄、拉孜、日喀則、尼木、拉薩、聶拉木、江孜、錯那、隆子、索縣、丁青、昌都、洛隆、左貢），對依據(jù)上述斯蒂芬方法計算的計算值與實測值間的相關系數(shù)進行計算（表2），計算值與實測值的散點圖見圖5（本文中僅列了2010年，其余年份略），其計算值與實測值間相關性系數(shù)較高，均在0.8以上，可見斯蒂芬方法模擬的計算結果與觀測數(shù)據(jù)較為接近，模擬結果能夠近似地反映西藏地區(qū)季節(jié)凍土區(qū)的最大凍結深度。

圖5 觀測站點最大凍結深度的實測值與計算值對比

表2 最大凍結深度計算值與實測值間的相關系數(shù)R值

圖6 西藏地區(qū)1990-2014年季節(jié)凍土最大凍結深度分布

2 西藏季節(jié)凍土最大凍結深度時空分布以及變化特征

2.1 季節(jié)凍土最大凍結深度時空分布特征

根據(jù)上述方法計算，得到了西藏地區(qū)1990-2014年間每年的最大凍結深度的空間分布情況（圖6）。圖7顯示的是西藏21個城市觀測站點實測的最大凍結深度1990-2014年間的變化過程，其中林芝市（林芝、波密、察隅）只存在短時凍土，凍結深度近似為0 m。實測值也是計算結果的重要驗證依據(jù)。

從圖7可以直觀地發(fā)現(xiàn)，在空間上，受海拔、緯度、地形、植被、巖性和含水量等地理、地質因素綜合作用的影響，最大凍結深度的變化較為復雜，具有垂直分帶性和緯度地帶性。西藏高海拔地區(qū)大于低海拔地區(qū)，隨海拔高度升高而凍土深度增大，呈明顯垂直地帶性：海拔高度大于4500 m的改則、班戈、那曲、申扎、嘉黎等地區(qū)，最大凍結深度1.2～2.0 m，而在海拔小于3000 m的喜馬拉雅山南翼中低山谷地（巴宜區(qū)、波密、察隅等地區(qū)）只有短時凍土，最大凍結深度僅有幾厘米，近乎為零。高緯度地區(qū)大于低緯度地區(qū)，如最大凍結深度在獅泉河為1.4～1.9 m，緯度較低的日喀則為0.2～0.9 m，察隅則近似為0 m。多年凍土邊緣地區(qū)大于其他區(qū)，如在獅泉河、索縣、安多等地的最大凍結深度均大于其他地區(qū)。從空間分布上來說西藏地區(qū)最大凍結深度在西北靠近多年凍土地區(qū)以及高山地區(qū)大于東南中低山谷地區(qū)，最大凍結深度呈現(xiàn)從西北向東南方向遞減的空間分布特征，可見西北地區(qū)發(fā)育較深的季節(jié)凍土，東南地區(qū)則為淺型凍土。

土的季節(jié)凍結過程南北差別也較大，北部安多至當雄地面凍結在10月中至11月初開始，到達最大凍深時間在2月份或更晚些，凍結層消失時間在3～4月份；南部和東緣（拉薩、昌都），12月初、中開始穩(wěn)定凍結，1月之內達最大凍深，在1月下旬至2月上旬間即可融完；在喜馬拉雅山南翼山地海拔3000m以下的中低山谷地，只有短時凍土，如察隅冬季日平均地表溫度皆為正值，歷年最大凍深只有8cm，可見只有短時凍結出現(xiàn)

圖7 西藏21個城市的1990-2014年間最大凍結深度變化

2.2 季節(jié)凍土最大凍結深度的變化特征

1990-2014年間，西藏地區(qū)季節(jié)凍土最大凍結深度呈現(xiàn)出逐年變淺的趨勢（圖8），最大凍結深度1.5～2.0 m分布區(qū)域在減少，1.0～1.5 m和0.5～1.0m分布面積在增加。通過靠近多年凍土區(qū)的獅泉河、改則、班戈、安多和申扎5個站點的年平均地表溫度變化可知，在個別年份隨著多年凍土邊緣地區(qū)地表溫度降低，最大凍結深度大于2.0 m的年份分布區(qū)域面積明顯增加，如1991年、1992年、1994年、1995年和1997年。

由1990-2014年間西藏最大凍結深度平均值（圖9）仍反映出西藏最大凍結深度在空間分布上為西北靠近多年凍土地區(qū)大于東南中低山谷地區(qū)。1990-2014年間最大凍結深度的年變化率卻呈現(xiàn)出與之相反的分布情況（圖10）。除了局部地區(qū)外，西藏地區(qū)最大凍土深度均呈現(xiàn)下降趨勢，西北部靠近多年凍土邊緣年變化率較小，如獅泉河（-0.69 cm/a）、改則（-0.98 cm/a）、索縣（-0.63 cm/a）等地區(qū)，中間次之，喜馬拉雅山南翼山地地區(qū)較大，如聶拉木（-1.31 cm/a）、帕里（-1.38 cm/a）等地區(qū)（表3）；近40 a 來西藏大部分地區(qū)年平均和四季氣溫均表現(xiàn)出上升趨勢，尤其是冬季，平均增溫0.1～1.04oC/10a，可見，西藏地區(qū)最大凍結深度越小的地區(qū)對氣候變化的響應越敏感，季節(jié)凍土退化速度表現(xiàn)出由北向南遞增的特征。

圖8 1990-2014年間年平均地表溫度的變化PDJ09

表3 西藏21個城市最大凍結深度近25年（1990-2014年）的年變化率

3 西藏季節(jié)凍土區(qū)最大凍結深度對氣候變化的響應

凍土是在巖石圈-土壤-大氣圈系統(tǒng)熱質交換過程中形成的，受到地理地質因素影響外，氣候的影響尤為重要。我們選用年平均氣溫和年降水量進行西藏季節(jié)凍土最大凍結深度變化的響應分析。

以西藏阿里、那曲、日喀則、拉薩、山南和昌都6個地（市）觀測站點年最大凍結深度，計算當?shù)啬昶骄畲髢鼋Y深度，獲近25年的年變化率（表4），其中林芝市只存在短時凍土，凍結深度近似為0 m；依據(jù)年平均氣溫和年降水量數(shù)據(jù)資料求得二者在1990-2014年間的年變化率。由表4可知，近25年西藏季節(jié)凍土的最大凍結深度在逐年減薄趨勢，而年平均氣溫和年降水量（除了拉薩和昌都市的降水量呈現(xiàn)下降趨勢外）均呈現(xiàn)上升趨勢；采用相關系數(shù)法計算了西藏各地(市，區(qū))的最大凍結深度與年平均氣溫和年降水量的相關系數(shù)（表5），除昌都市最大凍結深度與年降水量呈現(xiàn)正相關外，西藏最大凍結深度與年平均氣溫和年降水量基本為負相關。年最大凍結深度與年平均氣溫相關性高于與年降水量的相關性。最大凍結深度對年平均氣溫的響應比對年降水量的響應要顯著。

圖9 西藏地區(qū)近25年（1990-2014年）最大凍結深度的平均值

圖10 西藏地區(qū)近25年最大凍結深度的年變化率

為進一步討論年最大凍結深度對年平均氣溫和年降水量的響應，利用回歸分析方法建立了年最大凍結深度與年平均氣溫（圖11）和年降水量間的線性方程（圖12）得出，近25年，西藏地區(qū)年平均氣溫升高1oC，阿里、那曲、日喀則、拉薩、山南和昌都6個地/市區(qū)的最大凍結深度將分別減小11.1 cm、13.5 cm、20.6 cm、17.8 cm、16.3 cm和17.5 cm其平均值為16.1 cm；而年降水量升高100 mm，除昌都市外，各個地區(qū)的最大凍結深度將分別減少12.3 cm、8.5 cm、5.4 cm、4.0 cm和0.7 cm其平均值為6.2 cm。

表4 西藏地區(qū)近25年最大凍結深度、平均氣溫和降水量的年變化率

表5 年最大凍結深度與年平均氣溫和年降水量的相關性相關系數(shù)R值

圖11 近25年年最大凍結深度與年平均氣溫的關系

圖12 近25年年最大凍結深度與年降水量的關系

4 結論

通過本次研究，我們得出如下結論：

1）西藏地區(qū)季節(jié)凍土最大凍結深度在空間分布上呈現(xiàn)出最大凍結深度自西北向東南方向遞減的分布特征，表現(xiàn)出高海拔地區(qū)大于低海拔地區(qū)、高緯度地區(qū)大于地緯度地區(qū)、多年凍土邊緣地區(qū)大于其他區(qū)的規(guī)律性。

2）近25年西藏地區(qū)季節(jié)凍土最大凍結深度基本呈現(xiàn)出逐年減小的趨勢，西北地區(qū)靠近多年凍土邊緣的年變化率最小，中間次之，喜馬拉雅山南翼山地地區(qū)變化最大。西藏地區(qū)季節(jié)凍土的退化速度表現(xiàn)出由北向南遞增的特征。

3）近25年西藏季節(jié)凍土最大凍結深度與年平均氣溫和年降水量呈現(xiàn)負相關，最大凍結深度對年平均氣溫的響應比對年降水量的響應要顯著，西藏地區(qū)年平均氣溫升高1oC，最大凍結深度減小約16.1 cm，年降水量升高100 mm，最大凍結深度將減薄6.2 cm。