对呼和浩特市区50a (1961~2010年)地温及冻土气象观测资料整理和分析的基础上,研究了地温和冻土随时间的演变规律,探讨其基本事实、特征及变化原因。结果为:50年间呼和浩特市区地温升高显著(p < 0.05)、土壤封冻状态及最大冻土深度均发生较大变化,且不同年代变化幅度也不尽相同:90年代地温和土壤封冻状态迅速变化,10年代地温增温最为剧烈、土壤封冻状态变化最为显著;最大冻土深度则表现为由浅到深、再到浅的过程。地温与气温的变化不同步,地温的变化滞后于气温,春季地温升高幅度大于冬季。日最低平均地表温度和日最高平均地表温度较其它两类地温增温明显,气候倾向率分别为0.45/10a和0.43℃/10a;平均解冻日的大幅提前(基本表现为每10年提前7天左右)是引起封冻天数变化的直接原因;70~90年代为冻土深度最大的时段,最大冻土深度10年代较70~90年代约减少17 cm。 Based on the collection and analysis of meteorological observation data of ground temperature and seasonal frozen soil in Hohhot City during 1961-2010, time-variations of ground temperature and seasonal frozen soil were studied, and the basic facts, characteristics and reasons were also discussed. The results showed that: the ground temperature rose remarkably (p < 0.05), and the soil frozen state and maximum depth of frozen ground changed greatly within the fifty years. Furthermore, their degrees of changing were different among ages. The ground temperature and soil frozen state changed rapidly in 1990s, and the most severe changes of them were occurred in the first ten years of twenty first century. The maximum depth of frozen ground represented the process as: from shallow to deep, then to shallow during 1961-2010. Changes in ground temperature and air temperature were not synchronized, and the change of ground temperature lagged behind the air temperature. The rise extent of ground temperature in spring was larger than that in winter. Daily minimum and maximum mean surface temperature were increased obviously than the other two ground temperatures, and their climate tendency rates were 0.45/10a and 0.43˚C/ 10a respectively. The substantial advance of average thawing day (about 7 days in advance every 10 years) directly affected the frozen days. 1970s to 1990s was the greatest period of maximum depth of frozen soil, and the maximum depth of frozen soil in the 10s was decreased by about 17 cm compared with the 70s-90s.
梁燕
呼和浩特市气象局,内蒙古 呼和浩特
收稿日期:2016年6月27日;录用日期:2016年7月15日;发布日期:2016年7月18日
对呼和浩特市区50a (1961~2010年)地温及冻土气象观测资料整理和分析的基础上,研究了地温和冻土随时间的演变规律,探讨其基本事实、特征及变化原因。结果为:50年间呼和浩特市区地温升高显著(p < 0.05)、土壤封冻状态及最大冻土深度均发生较大变化,且不同年代变化幅度也不尽相同:90年代地温和土壤封冻状态迅速变化,10年代地温增温最为剧烈、土壤封冻状态变化最为显著;最大冻土深度则表现为由浅到深、再到浅的过程。地温与气温的变化不同步,地温的变化滞后于气温,春季地温升高幅度大于冬季。日最低平均地表温度和日最高平均地表温度较其它两类地温增温明显,气候倾向率分别为0.45/10a和0.43℃/10a;平均解冻日的大幅提前(基本表现为每10年提前7天左右)是引起封冻天数变化的直接原因;70~90年代为冻土深度最大的时段,最大冻土深度10年代较70~90年代约减少17 cm。
关键词 :呼和浩特市区,地温,季节性冻土,气候变化,特征
温度的测量和分析是人类最熟悉的一种科学研究手段,随着人们对全球气候变化的日益关注,针对气温变化的原因和后果开展了大量研究 [
季节性冻土在呼和浩特地区分布广泛且一年中存在时间较长 [
作为内蒙古自治区的首府,呼和浩特市的城市化进程发展迅速,目前中心城区面积已由2000年之前的不足100 km2,发展到现在的260 km2,到2020年,呼和浩特中心城区用地规模将达到310 km2左右(含机场、铁路等对外交通用地) [
本文所用资料为呼和浩特赛罕区国家一般气象站1961~2010年地温、土壤冻结及解冻时间、最大冻土深度观测资料。观测场位于东经111˚42',北纬40˚45',海拔高度为 1045.4 米 。
2008年之前地温为人工观测,每日08时测定地温及最低地温(酒精最低温度计)、14时测定地温及最高地温(水银最高温度计)、20时测定地温后,确定一天(20时至次日20时)中最低、最高地温和平均地温(3次地温观测值加权平均);2008年自动气象站启用后,通过铂电阻地温传感器逐分钟地温测定结果筛选确定一天中最低、最高地温,日平均地温为一天中逐分钟地温进行加权平均后确定。
冻结日与解冻日均为土壤冻结和解冻开始的日期,封冻天数为土壤中水分呈冻结状态的天数,采用冻土器人工观测。
数据的统计与分析采用SAS (8.1)统计程序软件 [
1961~2010年,呼和浩特市区的日最低平均地表温度、日平均地表温度、日最高平均地表温度和日平均40 cm深度地温50a均值分别为−3.48℃、8.31℃、28.72℃和8.47℃,50年来四类地温增温显著(p < 0.05)。
以10a时间尺度分析(表1),四类地温中以日最低平均地表温度和日平均地表温度的增温态势较为明显且升温幅度基本一致,气候倾向率分别达0.45和0.43℃/10a,日平均40 cm深度地温为四类地温中升温幅度最小的;但50年间的并不是均匀升温的,上世纪60年代至90年代基本属于一个相对平稳的时段,90年代之后地温迅速上升,进入21世纪的前10年为统计年代内地温增温最为剧烈的时段,四类地温分别较上世纪60年代升高2℃左右,较50年均值升高1.58℃、1.42℃、2.09℃和1.13℃。
1961~2010年的50年间,呼和浩特市区的土壤封冻状态总体上呈冻结日期推后、解冻日期提前,平均封冻天数减少的特点(表2)。平均冻结日在各年代中变化幅度较小,2001~2010年的平均冻结日由前40年的11月初推后到11月中旬,较前40年的均值推后了7天;平均解冻日从上世纪60年代至今出现了大幅度的提前,由60年代的4月末提前到了本世纪前10年的3月末,除80年代较70年代变化幅度(2天)较小之外,基本表现为每10年提前7天左右,21世纪的前10年为平均解冻日变化最为剧烈的时段,较上世纪90年代提前了14天,较前40年的均值提前了22天。随着平均冻结日的推后、平均解冻日的提前,平均封冻天数在50年间也出现了明显的变化,2001~2010年间的平均封冻天数较上世纪60年代减少了36天/年。
总体来看,呼和浩特市区的土壤封冻期于上世纪70年代较60年代出现了较为明显的变化后,70年代~90年代为较为稳定的阶段,90年代之后(尤其是本世纪的前10年)为冻结日期推后、解冻日期提前、封冻天数减少最为显著的时段。
呼和浩特市区最大冻土深度年度间变化较大(图1),极小值为2007年的88 cm,极大值为1984年的
10a平均温度(℃) | 2001~2010和1961~1970年地温差值(℃) | 气候倾向率 (℃/10a) | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
1961~1970 | 1971~1980 | 1981~1990 | 1991~2000 | 2001~2010 | |||
日最低平均地表温度 | −4.10 | −3.70 | −4.27 | −3.44 | −1.90 | 2.20 | 0.45 |
日平均地表温度 | 7.87 | 8.05 | 7.68 | 8.24 | 9.73 | 1.86 | 0.38 |
日最高平均地表温度 | 28.90 | 27.70 | 27.98 | 28.22 | 30.81 | 1.91 | 0.43 |
日平均40 cm深度地温 | 8.05 | 8.13 | 8.09 | 8.46 | 9.60 | 1.55 | 0.33 |
表1. 呼和浩特市区1961~2010年间10a尺度地温平均值
年代 | 平均冻结日 (月–日) | 平均解冻日 (月–日) | 平均封冻天数 (天/年) |
---|---|---|---|
1961~1970 | 11-6 | 4-26 | 172 |
1971~1980 | 11-7 | 4-19 | 164 |
1981~1990 | 10-31 | 4-17 | 169 |
1991~2000 | 11-8 | 4-10 | 154 |
2001~2010 | 11-12 | 3-27 | 136 |
10年代与前40a均值之差 | +7 | −22 | −29 |
表2. 呼和浩特市区1961~2010年间10a尺度土壤冻结、解冻平均日期及平均封冻天数
注:+表示推后;−表示提前或减少
图1. 呼和浩特市区1961~2010年最大冻土深度变化
156 cm,极差达68 cm,50年均值为113 cm。
以10a时间尺度来看(表3),70与80年代为平均最大冻土深度最大且较为稳定的时段(p < 0.05),20年间平均最大冻土深度为124.6 cm;60年代与10年代为平均最大冻土深度最小的时段(p < 0.05),平均仅为105.9 cm;90年代较60年代和10年代有所增大,但三个年代之间未形成显著性差异(p > 0.05)。
1961~1970 | 1971~1980 | 1981~1990 | 1991~2000 | 2001~2010 | |
---|---|---|---|---|---|
最大冻土深度(cm) | 104.4b | 124.0a | 125.1a | 111.2b | 107.5b |
表3. 呼和浩特市区1961~2010年间10a尺度平均最大冻土深度
注:不同字母代表在0.05置信水平下存在显著性差异
冻土是指0℃以下,并含有冰的各种岩石和土壤。按土的冻结状态保持时间长短,冻土一般可分为短时冻土(数小时/数日以至半月)、季节冻土(半月至数月)以及多年冻土(持续二年或二年以上的) [
冻土深度的变化是受温度、土壤湿度、地下水位、地表积雪深度等因子共同影响的 [
1) 1961~2010年,呼和浩特市区地温升高显著,但50年间增温并不均匀。以日最低平均地表温度和日最高平均地表温度的增温态势更为明显,气候倾向率分别为0.45/10a和0.43℃/10a,小于呼和浩特市区 0.52 ℃ / 10a 的气温倾向率 [
2) 近50年来,呼和浩特市区的土壤封冻状态为冻结日期小幅推后,解冻日期大幅提前,封冻天数减少的特点。平均解冻日的大幅提前是引起封冻天数变化的直接原因。90年代之后,尤其是本世纪的前10年,为土壤封冻状态变化最为显著的时段。
3) 最大冻土深度年度间存在较大差异,50年间表现为由浅到深、再到浅的过程,70~80年代为冻土深度较大时段,10年代又表现为与60年代相当水平,较70~80年代平均最大冻土深度减小17.1 cm。在气候变暖的背景下,呼和浩特市在城市化发展进程中应重视冻土区域地面的不稳定性可能造成的影响。
公益性行业(气象)科研专项——中国北方农牧交错带生态系统监测评估技术开发GYHY(QX)2007-6-24。
梁 燕. 1961~2010年呼和浩特市区地温及季节冻土的变化特征Variation Characteristics of Ground Temperature and Seasonal Frozen Soil in Hohhot City during 1961-2010[J]. 气候变化研究快报, 2016, 05(03): 149-154. http://dx.doi.org/10.12677/CCRL.2016.53018