東北地區(qū)冬半年積雪與氣溫對(duì)凍土的影響

周曉宇，趙春雨，李 娜，劉鳴彥，崔 妍，敖 雪

（1.沈陽(yáng)區(qū)域氣候中心，遼寧沈陽(yáng)110166；2.山西省氣象臺(tái)，山西太原030006）

0 引言

凍土是含有水分的土壤因溫度下降到0℃或以下而呈凍結(jié)的狀態(tài)，凍土觀測(cè)時(shí)根據(jù)埋入土中的凍土器內(nèi)水結(jié)冰的部位和長(zhǎng)度測(cè)量土壤凍結(jié)層次和凍結(jié)深度［1］。按照土壤凍結(jié)時(shí)間的長(zhǎng)短，凍土一般可分為短時(shí)凍土（數(shù)小時(shí)、數(shù)日至半月）、季節(jié)凍土（半月至數(shù)月）和多年凍土（也稱永久凍土，數(shù)年或數(shù)萬(wàn)年）［2］。

東北地區(qū)位于我國(guó)緯度最高的地區(qū)，包括遼寧省、吉林省和黑龍江省，跨越寒溫帶、中溫帶和暖溫帶3個(gè)氣候帶，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。地勢(shì)上西北東三面分別為大小興安嶺、長(zhǎng)白山及千山丘陵圍繞，是我國(guó)重要的森林基地，中部為廣闊的平原。大興安嶺北段為大片連續(xù)性多年凍土區(qū)，大興安嶺南段、小興安嶺及長(zhǎng)白山地為島狀多年凍土區(qū)，低山和平原地區(qū)為季節(jié)凍土區(qū)。20世紀(jì)50年代很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)凍土進(jìn)行了深入地考察和研究，20世紀(jì)80年代周幼吾等［3］從凍土的分布以及溫度和厚度、凍土的季節(jié)凍結(jié)和融化、區(qū)域性因素對(duì)凍土的影響等方面對(duì)我國(guó)多年凍土的主要特征進(jìn)行了總結(jié)，認(rèn)為在相同的地溫條件下東北地區(qū)氣溫年較差要大于高原地區(qū)，東北地區(qū)凍土最大季節(jié)融化（凍結(jié)）深度要更大，高原凍土總體上相對(duì)更穩(wěn)定。程國(guó)棟等［4］提出依靠?jī)鐾劣洃洔囟鹊奶攸c(diǎn)，利用凍土溫度剖面反推古地表溫度，較古氣候重建的其他方法更為可靠。戴競(jìng)波等［5］研究認(rèn)為，大興安嶺北部多年凍土區(qū)由于積雪的保溫作用，一定積雪深度下雪溫和地溫的溫差變小，無(wú)積雪時(shí)溫差明顯增大；在積雪厚度相同時(shí)，不同土壤的地面溫度差別不大。郭東信等［6-7］通過(guò)野外考察，對(duì)東北大小興安嶺多年凍土分區(qū)及東北地區(qū)多年凍土歷史演變及其形成時(shí)代進(jìn)行了詳細(xì)闡述，大小興安嶺多年凍土均處于退化狀態(tài)［8-11］，氣候變暖及森林植被銳減是導(dǎo)致多年凍土退化的普遍性和基礎(chǔ)性因素，多種人為活動(dòng)影響起到了加速促進(jìn)作用［10］；魯國(guó)威等［12］認(rèn)為大小興安嶺多年凍土南界北移主要受全球氣候變暖以及人類活動(dòng)的直接影響，而呼倫貝爾高原和松嫩平原地區(qū)凍土南界的北移則分別與長(zhǎng)期干旱、森林植被的破壞有關(guān)。對(duì)于凍土的未來(lái)變化，有研究認(rèn)為，到21世紀(jì)中期，若氣溫升高l℃，我國(guó)東北部地區(qū)多年凍土南界將北退80～200 km，多年凍土區(qū)面積將縮小32%；21世紀(jì)末若氣溫升高3℃，南界退至大興安嶺北部，凍土區(qū)面積剩下36%［13］。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告對(duì)凍土的預(yù)估結(jié)果顯示：到21世紀(jì)末，低高（RCP2.6、RCP8.5）兩種排放情景下，近地表（上層3.5 m）多年凍土范圍的平均值可能減少37%～81%［14］，到2050年中國(guó)的凍土面積較2006年將減少10.7%［15］。

中國(guó)地域廣闊，氣候類型、地理?xiàng)l件各不相同，凍土的演變規(guī)律及其對(duì)氣候變化的反饋也各不相同。近年來(lái)，已有學(xué)者對(duì)松花江流域、東北各省凍土的氣候變化特征開(kāi)展了一些研究［16-21］，但從東北區(qū)域尺度開(kāi)展凍土及其影響因子的研究還很少。本文利用東北地區(qū)121個(gè)氣象站點(diǎn)凍土、積雪、氣溫、地溫和降水量數(shù)據(jù)，分析了1964—2017年?yáng)|北地區(qū)冬半年凍土深度的氣候特征及演變規(guī)律，以及積雪、溫度對(duì)東北地區(qū)凍土的影響，以期為東北地區(qū)凍土和積雪特性研究、凍土區(qū)工程建設(shè)、凍土適應(yīng)氣候變化應(yīng)對(duì)策略提供準(zhǔn)確的科學(xué)信息。

1 資料和方法

本文所用數(shù)據(jù)為東北地區(qū)121個(gè)氣象站點(diǎn)1964年7月—2018年6月的逐日凍土深度、積雪深度、平均氣溫、地表0 cm平均氣溫以及降水量數(shù)據(jù)（圖1）。以當(dāng)年10月到次年5月為冬半年，即1964年為1964年10月—1965年5月，采用線性趨勢(shì)分析、相關(guān)分析和ArcGIS地理信息軟件的空間分析技術(shù)等分析了冬半年凍土深度的氣候特征及演變規(guī)律，以及積雪、氣溫、地表平均氣溫、負(fù)積溫對(duì)東北地區(qū)凍土的影響。負(fù)積溫為當(dāng)年10月至次年5月日平均氣溫低于0℃之和。由于本文分析站點(diǎn)不包含大興安嶺北段連續(xù)凍土區(qū)的氣象站點(diǎn)，故本文的結(jié)論適用于除大興安嶺北部以外的地區(qū)。

圖1 東北地區(qū)地形及凍土分析站點(diǎn)Fig.1 Topography and stations for frozen soil analysis in Northeast China

2 結(jié)果分析

2.1 凍土及影響要素年際變化

1964—2017年，東北地區(qū)冬半年平均最大凍土深度以6.15 cm·（10a）-1的速率顯著減小，20世紀(jì)60年代最深，此后逐年代遞減。最大積雪深度以0.75 cm·（10a）-1速率顯著增加，20世紀(jì)70年代最低，80年代開(kāi)始逐年代增加，最大積雪深度與最大凍土深度相關(guān)系數(shù)為-0.487，且通過(guò)了0.01的信度檢驗(yàn)，但二者年際變化并不完全一致，20世紀(jì)70年代積雪最少的年代最大凍土深度處于歷史第二高位。平均氣溫、地表平均氣溫、負(fù)積溫分別以0.34℃·（10a）-1、0.88℃·（10a）-1和44.08℃·d·（10a）-1的速率顯著升溫，平均氣溫自20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)00年代（2001—2010年）持續(xù)升溫，21世紀(jì)10年代（2011—2017年）增溫有所放緩；地表平均氣溫持續(xù)升高，21世紀(jì)10年代進(jìn)入歷史最暖時(shí)段。最大凍土深度與平均氣溫、地表平均氣溫、負(fù)積溫相關(guān)系數(shù)分別為-0.679、-0.707和-0.623，且均通過(guò)了0.01的信度檢驗(yàn)；20世紀(jì)60年代氣溫、地表平均氣溫、負(fù)積溫最低為歷年代最低，最大凍土深度為歷年代最深，隨著氣候變暖，最大凍土深度逐漸變淺。最大凍土深度與降水量相關(guān)系數(shù)僅為-0.202，未通過(guò)0.05的信度檢驗(yàn)，與降水相比，溫度對(duì)凍土深度的影響更大。

圖2 1964—2017年?yáng)|北地區(qū)冬半年平均最大凍土深度（a）、平均最大積雪深度（b）、平均氣溫（c）、地表平均氣溫（d）、負(fù)積溫（e）、降水量（f）年際變化Fig.2 Interannual variation of average maximum frozen soil depth（a），average maximum snow depth（b），average temperature（c），average surface temperature（d），negative accumulated temperature（e），precipitation（f）in winter half year in Northeast China from 1964 to 2017

2.2 凍土及影響要素空間分布

1964—2017年?yáng)|北地區(qū)冬半年平均最大凍土深度為123 cm（46.6～248.1 cm）［圖3（a）］，呈明顯緯向分布，自遼東半島向大興安嶺北部遞增，緯度增加1°，凍土深度增加6.4 cm，海拔高度增加100 m，凍土深度增加4.5 cm；凍土的連續(xù)性隨著緯度的降低變差，呈高緯度地區(qū)連續(xù)等值線、低緯度地區(qū)稀疏等值線的分布?？臻g分布上，遼東半島和遼寧東西部山區(qū)在50～90 cm之間，大連南部地區(qū)平均最大凍土深度不足50 cm；吉林省凍土分布西高東低，西部地區(qū)為150～170 cm，中部地區(qū)為110～150 cm，東部地區(qū)以90～110 cm為主；黑龍江省平均最大凍土深度均在150 cm以上，三江平原為150～190cm。黑龍江呼瑪凍土深度最大值為248.1 cm，屬于多年凍土區(qū)；最小值為南部沿海大連46.6 cm，南北相差5倍多。從變化趨勢(shì)的空間分布來(lái)看［圖3（b）］，冬半年最大凍土深度全區(qū)有11個(gè)站點(diǎn)呈增加趨勢(shì)，增 加 速 率 為0.1～3.7 cm·（10a）-1，110個(gè) 站（91%）呈 減 少 趨 勢(shì)，減 少 速 率 為0.1～22 cm·（10a）-1。遼寧和吉林大部分地區(qū)最大凍土深度減少速率在0.1～10 cm·（10a）-1之間，吉林中部和黑龍江北部地區(qū)減少速率在10 cm·（10a）-1以上，吉林樺甸、綏芬河和伊春站減少速率均在20 cm·（10a）-1以上。

圖3 1964—2017年?yáng)|北地區(qū)冬半年平均最大凍土深度（a）及其變化趨勢(shì)（b）的空間分布（“+”為通過(guò)0.05信度檢驗(yàn)的站點(diǎn)）Fig.3 Spatial distribution of average maximum frozen soil depth（a）and its variation trend（b）in winter half year in Northeast China from 1964 to 2017（+denotes the trend significant at the 95%confidence level）

冬半年平均最大積雪深度為12.9 cm（5.5～32.9 cm），自西部山區(qū)向東部山區(qū)遞增，遼寧西部山區(qū)和大連南部地區(qū)、吉林西部地區(qū)不足8 cm，沿明水—扶余—長(zhǎng)春—公主嶺—鐵嶺—沈陽(yáng)—遼陽(yáng)—岫巖—東港一線以西為8～12 cm，以東在12 cm以上。最大積雪深度高值中心出現(xiàn)在長(zhǎng)白山區(qū)的東崗（33 cm），黑龍江孫吳為次高值中心（20 cm以上），低值中心位于遼寧北票（5.5 cm）。冬半年平均氣溫為-1.2℃（-9.8～-5.4℃），隨緯度和海拔高度的增加氣溫降低，遼寧省除東部山區(qū)低于0℃，大部分地區(qū)均在0℃以上；吉林省在-3～-1℃之間，大小興安嶺地區(qū)在-7℃以下，全區(qū)南北溫差達(dá)14℃左右。冬半年地表平均氣溫為0.1℃（-9.6～6.9℃），呈明顯緯向分布，大小興安嶺地區(qū)在-6℃以下，遼東半島地區(qū)基本在4℃以上，南北相差最大超過(guò)15℃，各地地表平均氣溫較平均氣溫高1～2℃左右，且由北向南地溫與氣溫溫差增大。冬半年負(fù)積溫隨緯度和海拔高度的增加而增加，遼東半島地區(qū)在-800℃·d以下，吉林省大部分地區(qū)在-1 600～-1 400℃·d，三江平原地區(qū)在-2 000～-1 400℃·d，大興安嶺北段和小興安嶺在-2 400℃·d以下，南北相差1 600℃·d左右。

圖4 1964—2017年?yáng)|北地區(qū)冬半年平均最大積雪深度（a）、平均氣溫（b）、地表平均氣溫（c）、負(fù)積溫（d）空間分布Fig.4 Spatial distribution of average maximum snow depth（a），average temperature（b），average surface temperature（c），negative accumulated temperature（d）in winter half year in Northeast China from 1964 to 2017

2.3 積雪對(duì)凍土的影響

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，北半球大多數(shù)地區(qū)多年凍土層的溫度已升高，一些地區(qū)凍土層的厚度和面積減少，多年凍土溫度升高是對(duì)地表面溫度升高和積雪變化的響應(yīng)［14］。雪為熱的不良導(dǎo)體，有保溫隔熱的作用［22-23］，為了探討東北地區(qū)積雪對(duì)凍土的影響，對(duì)月凍土深度對(duì)積雪深度的滯后效應(yīng)、典型站點(diǎn)積雪對(duì)凍土的保溫效應(yīng)以及不同積雪深度對(duì)凍土深度的影響進(jìn)行了分析。

2.3.1 月凍土深度對(duì)積雪深度的滯后效應(yīng)

東北地區(qū)凍土在一年12個(gè)月都有出現(xiàn)，9月—次年2月凍土深度緩慢增加，3月達(dá)到最大值，4月以后凍土逐漸融化。積雪出現(xiàn)在10月—次年5月，10月開(kāi)始緩慢增加，1月達(dá)到峰值，此后開(kāi)始減少。月凍土深度的出現(xiàn)略滯后于積雪深度。

圖5 1964—2017年?yáng)|北地區(qū)最大凍土深度、最大積雪深度月變化Fig.5 Monthly variation of the average maximum frozen soil depth and average maximum snow depth in Northeast China from 1964 to 2017

圖6 為東北地區(qū)月最大凍土深度極值的空間分布。8月，凍土區(qū)主要位于大興安嶺北段和小興安嶺地區(qū)，其他地區(qū)無(wú)凍土。9月，東北地區(qū)進(jìn)入秋季，除遼寧境內(nèi)無(wú)凍土外，吉林和黑龍江境內(nèi)凍土均全部覆蓋，除大興安嶺北段外均不足10 cm。10月，遼寧西北部和東部山區(qū)部分地區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)凍土，不足10 cm，最大凍土深度中心位于三江平原北部在30 cm以上，寶清站最大為90 cm。11月—次年4月，隨著積雪深度增加，凍土深度由南向北遞增。5—6月，隨著氣溫升高，大連沿海地區(qū)凍土消失，6月遼寧境內(nèi)已無(wú)凍土，進(jìn)入7月后，只在黑龍江境內(nèi)有凍土存在。

圖6 1964—2017年?yáng)|北地區(qū)月最大凍土深度極值空間分布Fig.6 Spatial distribution of extreme value of monthly maximum frozen soil depth in Northeast China from 1964 to 2017

東北地區(qū)積雪出現(xiàn)在10月—次年5月（圖7）。10月，最大積雪深度由南向北、由西向東逐漸增加，高值區(qū)位于長(zhǎng)白山區(qū)和三江平原，三江平原積雪深度超過(guò)30 cm。11—12月進(jìn)入冬季，全區(qū)最大積雪深度增加，遼寧省積雪深度為10～30 cm，長(zhǎng)白山區(qū)和三江平原地區(qū)在40 cm以上。1—3月，東北地區(qū)各站最大積雪深度基本達(dá)到峰值，1月積雪深度為最深，2—3月積雪也較厚。4—5月，隨著天氣變暖，降雪減少，積雪深度明顯減小，4月積雪深度高值區(qū)主要集中在小興安嶺北部和長(zhǎng)白山區(qū)，全區(qū)積雪深度集中分布在10～20 cm；5月隨著春季氣溫的不斷升高，東北區(qū)域積雪深度基本都在5 cm以下，只有長(zhǎng)白山區(qū)和黑龍江西部地區(qū)由于地處海拔高的山區(qū)，積雪深度在10 cm左右。綜合各月積雪和凍土的分布，空間分布上，月最大凍土深度的增加也要滯后于最大積雪深度的增加。

圖7 1964—2017年?yáng)|北地區(qū)月最大積雪深度極值空間分布Fig.7 Spatial distribution of extreme value of monthly maximum snow depth in Northeast China from 1964 to 2017

2.3.2 典型站點(diǎn)積雪對(duì)凍土的保溫效應(yīng)

高榮等［24］分析了青藏高原積雪深度對(duì)凍土深度的影響。東北地區(qū)與青藏高原同為我國(guó)三大積雪區(qū)，但與地處西部的青藏高原相比，東北地區(qū)氣溫年較差大、降水量多，太陽(yáng)輻射少，凍土呈緯度地帶性分布，而青藏高原地區(qū)為垂直地帶性凍土［3］，凍土特征有別于青藏高原地區(qū)。根據(jù)高榮等凍土影響因子的研究方法，以黑龍江呼瑪和吉林東崗兩個(gè)積雪高值站點(diǎn)為例，分別選取兩個(gè)站點(diǎn)多雪和少雪年（以多雪年和少雪年時(shí)間接近為選取原則），對(duì)兩個(gè)站點(diǎn)多雪年和少雪年的積雪深度、凍土深度、平均氣溫和地表平均氣溫進(jìn)行分析，探討位于高緯度東北地區(qū)的積雪、氣溫和地溫對(duì)凍土的影響。

圖8 為東崗站2002年和2006年逐日凍土深度、積雪深度、平均氣溫和地表平均氣溫變化，橫坐標(biāo)為自8月1日至次年7月31日的時(shí)間變化，以8月1日為第1天，9月1日為第32天，12月1日為123，1月1日為154，以此類推。東崗站2002年為少雪年，2006年為多雪年，10月底前，隨著冬季氣溫降低開(kāi)始出現(xiàn)積雪，2002年和2006年凍土深度均增加，積雪起到了降溫作用；進(jìn)入11月上中旬，2006年積雪較2002年有較大幅度的增加，地表平均氣溫與氣溫也較2002年偏高，同時(shí)2002年11月上中旬的凍土深度大于2006年同期的凍土深度，積雪對(duì)多雪年凍土深度起到了保溫的作用。

圖8 吉林東崗站2002年（2002年8月到2003年7月）、2006年（2006年8月到2007年7月）積雪深度（a）、凍土深度（b）、平均氣溫（c）、地表平均氣溫（d）年變化Fig.8 Annual variation of snow depth（a），frozen soil depth（b），average temperature（c）and average surface temperature（d）in Donggang Station in 2002（from August 2002 to July 2003）and 2006（from August 2006 to July 2007）

呼瑪站（圖9）1996年多雪年，1997年少雪年，1996年11月中旬出現(xiàn)積雪，同時(shí)段1997年還未出現(xiàn)積雪，由于1996年氣溫和地表平均氣溫均較1997年偏低，故1996年凍土深度較深；12月上中旬開(kāi)始，1996年氣溫和地表平均氣溫要較1997年偏低，但由于1996年有一次積雪過(guò)程使得1996年凍土深度減小，1997年的凍土深度繼續(xù)增加；1月，由于1997年的氣溫較1996年偏低5℃左右，1997年的凍土深度繼續(xù)增加；1月以后，雖然1996年氣溫較1997年偏低，但由于積雪的保溫作用，1996年凍土深度的增加仍然慢于1997年。

圖9 黑龍江呼瑪站1996年（1996年8月到1997年7月）和1997年（1997年8月到1998年7月）積雪深度（a）、凍土深度（b）、平均氣溫（c）、地表平均氣溫（d）年變化Fig.9 Annual variation of snow depth（a），frozen soil depth（b），average temperature（c）and average surface temperature（d）in Huma Station in 1996（from August 1996 to July 1997）and 1997（from August 1997 to July 1998）

2.3.3 積雪深度對(duì)凍土深度的影響

根據(jù)東崗、呼瑪、孫吳、大連、興城、沈陽(yáng)、新賓、建平鎮(zhèn)8個(gè)站點(diǎn)從建站至2018年6月的逐日積雪深度和凍土深度數(shù)據(jù)，點(diǎn)繪積雪深度-凍土深度圖（圖10）。8個(gè)站點(diǎn)涵蓋了不同地形及海拔高度特點(diǎn)，東崗、呼瑪和孫吳屬于高緯度氣象站點(diǎn)，大連和興城屬于沿海站，沈陽(yáng)屬于平原地區(qū)站點(diǎn)，新賓站和建平鎮(zhèn)屬于低緯度山區(qū)站點(diǎn)。

圖10 東北地區(qū)代表性站點(diǎn)積雪深度與凍土深度的關(guān)系Fig.10 Relationship between snow depth and frozen soil depth in representative stations in Northeast China：Donggang（a），Huma（b），Sunwu（c），Dalian（d），Xingcheng（e），Shenyang（f），Xinbin（g）and Jianping（h）

東崗站積雪日數(shù)最多，累積積雪深度在東北區(qū)域121個(gè)站點(diǎn)中位列第三，20 cm為積雪對(duì)凍土影響的第一個(gè)界限，20～30 cm為影響的第二個(gè)區(qū)間，當(dāng)積雪深度超過(guò)30 cm凍土深度基本保持穩(wěn)定。呼瑪站位置在最北且緯度最高，10 cm為積雪對(duì)凍土影響的一個(gè)界限，在積雪深度＜10 cm時(shí)凍土深度持續(xù)增加；當(dāng)積雪深度＞10 cm時(shí)，凍土深度開(kāi)始減小；當(dāng)積雪深度超過(guò)30 cm時(shí)，凍土深度基本穩(wěn)定為固定數(shù)值。孫吳站積雪深度＜30 cm時(shí)，凍土深度持續(xù)增加；當(dāng)積雪深度在30～50 cm時(shí)，凍土深度減小到70 cm以下；積雪深度超過(guò)50 cm時(shí)，凍土深度基本穩(wěn)定在50 cm以下。

興城站位于遼東灣沿岸，大連站位于渤海北部，由于兩個(gè)站點(diǎn)位于沿海地區(qū)，積雪和凍土出現(xiàn)次數(shù)少且持續(xù)時(shí)間短，根據(jù)觀測(cè)到的積雪和凍土數(shù)據(jù)，大連站積雪深度＜5 cm時(shí)，隨著積雪深度增加凍土的凍結(jié)深度增加，當(dāng)積雪深度＞5 cm時(shí)凍土深度基本在55 cm以下分布；興城站和大連站相同，積雪深度5 cm為一個(gè)界限，其次為10 cm、15 cm和20 cm，隨積雪深度增加凍土深度減小。

沈陽(yáng)站位于遼寧中部平原地區(qū)，在1～15 cm范圍內(nèi)，隨著積雪深度增加凍土深度增加，凍土深度基本在120 cm以上；15～30 cm為第二區(qū)間，當(dāng)積雪深度＞30 cm，凍土深度基本在60 cm以下。新賓站位于遼寧東部山區(qū)，屬于低緯度山區(qū)站點(diǎn)，10 cm為積雪影響凍土第一個(gè)界限，10～30 cm為第二個(gè)區(qū)間，積雪深度＞30 cm以后，凍土深度基本達(dá)到穩(wěn)定值。建平鎮(zhèn)位于西部丘陵地區(qū)，10 cm以下積雪深度范圍內(nèi)凍土深度基本在140 cm以上，積雪深度＞10 cm凍土深度減小，當(dāng)積雪深度＞15 cm凍土深度有一個(gè)急劇減小的過(guò)程，不足40 cm。可見(jiàn)，雖然同處于山區(qū)，由于建平鎮(zhèn)站氣候特點(diǎn)不同，氣溫高降水少，導(dǎo)致積雪對(duì)凍土的影響與其他站點(diǎn)有所不同。處于西北的新疆阿勒泰地區(qū)積雪對(duì)凍土深度的影響與東北地區(qū)有所不同，存在三個(gè)臨界值，當(dāng)積雪厚度超過(guò)20 cm，體現(xiàn)的為保溫作用，超過(guò)40 cm后，對(duì)凍結(jié)的影響趨于穩(wěn)定，超過(guò)70 cm后，凍結(jié)深度會(huì)再次發(fā)生變化［25］。

通過(guò)8個(gè)站點(diǎn)積雪深度與凍土深度的關(guān)系分析，積雪深度較淺時(shí)，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。這可能是因?yàn)榉e雪深度較薄時(shí)，土壤溫度受到氣溫的影響較大，當(dāng)受到冷空氣影響時(shí)，凍土深度會(huì)快速增加；當(dāng)積雪達(dá)到一定厚度時(shí)，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，由于積雪對(duì)地溫的保溫作用也對(duì)凍土起到了保溫作用，凍土深度無(wú)明顯變化；當(dāng)積雪較厚，土壤溫度高于氣溫達(dá)到一定程度時(shí)，地表的凍土?xí)蛲寥揽紫独锏乃诨?，?dǎo)致凍土深度減?。?6］。

凍土深度除受積雪、氣溫和地表平均氣溫影響，也與森林、土壤濕度、巖性、坡度坡向和水分等因素有關(guān)。森林植被對(duì)積雪有攔截作用，積雪保留在植被下層不易融化，進(jìn)而對(duì)淺層地溫起降溫作用，使凍土凍結(jié)時(shí)間提前，凍結(jié)深度加深。此外，雪在風(fēng)力作用下的再次分配也會(huì)造成積雪對(duì)地溫的保溫作用變化［27］。8個(gè)站點(diǎn)中，興城站、大連站積雪對(duì)凍土的保溫界限值最小在5 cm左右，而其他站點(diǎn)均在15～20 cm，這可能是由于興城站、大連站位于沿海地區(qū)，海拔高度低、冬春季氣溫高、土壤濕度大，土壤凍結(jié)較淺，而且氣溫較高降雪后積雪不易留存，故積雪對(duì)沿海地區(qū)站點(diǎn)的保溫界限值較低。

2.4 溫度對(duì)凍土的影響

表2 為地表平均氣溫、平均氣溫、負(fù)積溫與最大凍土深度的相關(guān)分析，y為121個(gè)氣象站最大凍土深度的平均值，地表平均氣溫與最大凍土深度的相關(guān)系數(shù)最高為-0.707，負(fù)積溫最低為-0.623。地表平均氣溫、平均氣溫每升高1℃，最大凍土深度分別減小8.4 cm和10.6 cm；負(fù)積溫絕對(duì)值每減少100℃·d，最大凍土深度將減少4.9 cm。對(duì)新疆凍土的研究表明，負(fù)積溫絕對(duì)值每減少100℃·d最大凍土深度減小4.6 cm［28］，東北地區(qū)凍土對(duì)負(fù)積溫的響應(yīng)要略大于新疆地區(qū)。地表平均氣溫的升高將會(huì)導(dǎo)致凍土的活動(dòng)層厚度增加，有研究表明，1956—1990年俄羅斯地區(qū)地溫升高導(dǎo)致凍土活動(dòng)層厚度增加了20 cm，而凍土的凍結(jié)深度減少了34 cm［29］。

表2 最大凍土深度與地表平均氣溫、平均氣溫、負(fù)積溫相關(guān)關(guān)系Table 2 Correlation of maximum frozen soil depth against average surface temperature，average temperature and negative accumulated temperature

分析121個(gè)站點(diǎn)各站最大凍土深度與地表平均氣溫、平均氣溫和負(fù)積溫的線性回歸方程，得到各站地表平均氣溫、平均氣溫和負(fù)積溫變化對(duì)凍土深度的影響（圖11）。地表平均氣溫每升高1℃，121個(gè)站中有95.9%的站點(diǎn)最大凍土深度減少，減少在0.1～18.8 cm之間，以5～10 cm為主，大連南部減少為10～15 cm，三江平原南部為10～18.8 cm，遼寧丹東、吉林中部、黑龍江西北部和中部地區(qū)減少不到5 cm。平均氣溫每升高1℃，有97.5%的站點(diǎn)最大凍土深度減少在0.1～28.7 cm之間，吉林西部減少3～5 cm，黑龍江和遼寧的大部分地區(qū)減少5～10 cm，遼東半島和吉林東部地區(qū)減少10～20 cm，遼寧省本溪縣減少28.7 cm，為唯一減少超過(guò)20 cm的站點(diǎn)。負(fù)積溫每減少100℃·d，97.5%的站點(diǎn)最大凍土深度減少在0.1～13.4 cm之 間，大 連 地 區(qū) 減 少 最 多 為8～13.4 cm，遼寧西部和中部平原地區(qū)減少5～8 cm，遼寧東部山區(qū)、吉林西部和東部、黑龍江大部分地區(qū)減少2～5 cm，吉林中部地區(qū)減少相對(duì)較少不足2 cm。

綜合來(lái)看，東北地區(qū)冬半年最大凍土深度對(duì)地表平均氣溫升溫的響應(yīng)更為顯著（相關(guān)系數(shù)為-0.707），但在空間上，平均氣溫使得最大凍土深度減小的更多，最多可達(dá)28.7 cm。

3 結(jié)論

（1）東北地區(qū)冬半年最大凍土深度與平均氣溫、地表平均氣溫、負(fù)積溫均呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.679、-0.707和-0.623，平均氣溫、地表平均氣溫增溫及負(fù)積溫減少將引起最大凍土深度的減小。20世紀(jì)60年代平均氣溫、地表平均氣溫、負(fù)積溫最低，最大凍土深度為歷年代最深，隨著氣候變暖，最大凍土深度變淺。最大凍土深度以6.15 cm·（10a）-1速率顯著減小，最大積雪深度以0.75 cm·（10a）-1速率顯著增加，平均氣溫、地表平均氣溫、負(fù)積溫以0.34℃·（10a）-1、0.88℃·（10a）-1和44.08℃·d·（10a）-1的速率顯著升溫。降水量對(duì)凍土深度影響不大。

（2）冬半年平均最大凍土深度為123 cm（46.6～248.1 cm），自遼東半島向大興安嶺北部遞增，南北相差5倍多；空間變化趨勢(shì)上，90%以上的站點(diǎn)最大凍土深度呈減少趨勢(shì)。冬半年平均最大積雪深度為12.9 cm（5.5～32.9 cm），高值中心位于長(zhǎng)白山的東崗為33 cm。隨緯度和海拔高度的增加，冬半年平均氣溫和地表平均氣溫降低，負(fù)積溫增加，三個(gè)要素南北相差分別在14℃、15℃、1 600℃左右，且由北向南地表平均氣溫與氣溫溫差增大。

（3）東北地區(qū)凍土的持續(xù)時(shí)間隨緯度升高而增加，月凍土深度的增加要滯后于積雪深度，二者分別在3月和1月達(dá)到峰值。由于積雪對(duì)地溫的保溫作用進(jìn)而對(duì)凍土起到了保溫作用，在積雪沒(méi)有達(dá)到一定厚度之前，隨著積雪深度的增加凍土深度增加，當(dāng)積雪達(dá)到一定厚度后，積雪的增加不再伴隨凍土深度的增加，即存在積雪深度臨界值，臨界值以上積雪起到保溫作用。對(duì)于高緯度地區(qū)站點(diǎn)，30 cm左右為積雪的保溫界限值，對(duì)于沿海站點(diǎn)，積雪保溫的界限值在5 cm左右；在相同地形下，凍土深度較淺區(qū)域積雪的保溫界限值也因海拔高度、氣候特點(diǎn)而異。

（4）地表平均氣溫和平均氣溫每升高1℃，最大凍土深度分別減小8.4 cm和10.6 cm，負(fù)積溫每減少100℃·d，最大凍土深度減少4.9 cm。地表平均氣溫每升高1℃，東北地區(qū)95.9%的站點(diǎn)均減少，在0.1～18.8 cm之間；平均氣溫每升高1℃，97.5%的站點(diǎn)最大凍土深度減少，在0.1～28.7 cm之間；負(fù)積溫每減少100℃·d，97.5%的站點(diǎn)最大凍土深度減少，在0.1～13.4 cm之間。凍土深度對(duì)地表平均氣溫升溫的響應(yīng)更為顯著。

氣候變暖影響多年凍土融化，多年凍土融化將影響全球氣溫進(jìn)而加劇全球氣候變暖。位于北方寒冷地區(qū)的俄羅斯境內(nèi)有65%的領(lǐng)土分布有凍土，在極端氣候變化的情況下，到2080年代俄羅斯地區(qū)的多年凍土覆蓋率可能會(huì)從65%下降到40%，到21世紀(jì)末由于氣候變暖的影響，位于北極地區(qū)的西伯利亞地區(qū)約有三分之一的多年凍土將消失，未來(lái)氣候變化對(duì)東北地區(qū)多年凍土的影響仍需要定量化評(píng)估。此外，植被、不同坡度坡向、不同氣候類型等對(duì)東北地區(qū)凍土深度的影響，以及積雪影響凍土深度的機(jī)理仍需繼續(xù)研究。