北京地區凍土時空分布特征

張龍斌，胡東北，王 璐，孟 磊，郝亞明

（1.北京市氣象探測中心，北京100089；2.新疆金鋒華云氣象科技有限公司，新疆 烏魯木齊830002；3.庫爾勒市氣象局，新疆 庫爾勒841000）

凍土是指含有水分的巖土或土壤在溫度降到0 ℃或0 ℃以下時而呈現凍結狀態[1-2]，通常根據凍結狀態的保持時間劃分為短時凍土、季節性凍土和多年凍土三種類型[3]。土壤凍結深度對農業活動及建筑、道橋、鐵路、管道、堤壩、鑿井等工程有直接影響[4-7]，關系人民的生命安全。同時，凍土在氣候變化中具有高度敏感性，是研究氣候變化的重要指標之一。我國對凍土的研究多集中于青藏高原和東北地區[8-11]，大量研究證實我國大部分地區近50 年的年最大凍土深度和年平均凍土深度明顯變淺，季節性凍土區的平均凍結初始日和平均融化終止日也呈現出明顯的推遲和提前趨勢[12-17]。北京所處氣候區為暖溫帶亞濕潤區，在全球變暖的背景下，年平均氣溫及地溫均呈上升趨勢[18-19]。目前關于北京地區最大凍土深度系統性的研究還相對缺乏，而且已有的研究表明，近43 年北京湯河口地區的最大凍土深度呈增加趨勢，增幅為2.104 cm/10 a[20]，這與我國大部分地區最大凍土深度的變化趨勢恰恰相反。由此可見，北京地區最大凍土深度的時空變化特征及氣溫、地溫等環境因子對其影響還需要進一步研究。

我國地面氣象觀測業務中的凍土觀測最早始于20 世紀50 年代，采用人工凍土觀測器，需在每年的凍土凍結初始日之前安裝，在融化終止日之后收回。因儀器安裝不規范、操作不當以及觀測過程中橡膠管頻繁替換等原因，極易導致觀測記錄失真[21]。北京地區國家基準氣候站和國家基本氣象站于2021 年1 月啟用凍土自動觀測儀，其他國家級氣象站于2021 年11 月啟用凍土自動觀測儀，設備類型均為測溫式。孫艷云等[22-24]指出凍土人工觀測的最大凍結深度與測溫式凍土儀0 ℃線最深點相近，但存在一定偏差，人工凍土觀測的“拐點”和完全融化時間晚于測溫式凍土儀的“拐點”和完全融化時間。北京地區人工觀測凍土數據與測溫式凍土儀觀測數據也證實兩者之間存在偏差，故以人工觀測凍土數據為基準，開展測溫式凍土儀觀測數據的對比研究，可提升兩種觀測數據的一致率，進而確保凍土觀測數據在時間序列上的延續性。

1 資料和方法

1.1 資料來源

選取1981—2021 年北京地區6 個氣象站多個氣象要素的逐日觀測數據，包括最大凍土深度、平均氣溫、平均地表溫度及不同深度的地溫資料（5、10、15、20、40 和80 cm）等，其中最大凍土深度是指每天觀測到的凍土深度最大值。6 個氣象站按照各自站點的海拔高度和地形特征等差異分為“城區站”和“郊區站”兩類。城區站包括南郊觀象臺、豐臺，郊區站包括平谷、密云、延慶、懷柔，分類標準參考北京地區城郊極端溫度事件的相關研究[23]。氣象站的分布如圖1 所示。

圖1 北京地區部分凍土氣象觀測站空間分布

選取北京地區6 個氣象站的人工觀測數據和相應的凍土自動觀測儀觀測資料進行對比分析，如表1 所示。其中，人工觀測方法是每天在固定時間將凍土器的內管提起，通過測內管冰所在位置，結合管壁刻度線得到凍土深度。DTD4 型測溫式凍土儀數據是由安裝在地面以下不同深度的溫度傳感器自動觀測得到，數據采集頻率為每小時1 次。

1.2 研究方法

采用線性回歸法開展北京地區最大凍土深度等要素的氣候變化趨勢分析，公式為：

其中：xi為某氣象要素觀測結果的時間序列，a 為斜率，b 為截距，a 表征氣象要素隨時間的變化趨勢，10 a代表氣候傾向率，氣候傾向率正數表示正增長、負數表示負增長。

采用Mann-Kendal（lMK）突變檢驗方法監測近40 年北京地區各氣象站最大凍土深度的突變情況。MK 突變檢驗是一種可以判斷氣候序列中是否存在氣候突變的典型方法，如果存在突變，還可以確定突變發生的時間。

北京地區的最大凍土觀測深度為150 cm，為了便于評估測溫式凍土儀觀測數據質量，將凍土分為150 層，0～1 cm 為第一層，1～2 cm 為第二層，以此類推。計算每一層凍土對比觀測的一致率和誤判值，公式為：

式中：c 為一致率，h1表示測溫式凍土儀與凍土人工觀測完全吻合的層數，h 表示凍土人工觀測層數，m為誤判值，h2表示測溫式凍土儀識別而凍土人工觀測未識別的凍土層數，h3表示測溫式凍土儀未識別而凍土人工觀測識別的凍土層數。通過分析不同時期測溫式凍土儀與凍土人工觀測平均一致率和誤判均值的變化趨勢，研究地質條件、算法和閾值對測溫式凍土儀觀測數據質量的影響。

2 北京地區凍土時空分布特征

2.1 最大凍土深度變化特征

2.1.1 月變化

1981—2021 年北京地區6 個站點的凍土通常在11 月開始出現，翌年3—4 月消融。各站點月最大凍土深度的平均值出現在2 月，為77 cm；其次是1、3 月，分別為74 和67 cm；10 月最小，僅為4 cm；11、12 月分別為14 和46 cm。除平谷站外，其余5 站的最大凍土深度均出現在2 月，且深度均達到70 cm以上；平谷站的最大凍土深度出現在1 月；延慶站的月最大凍土深度變化范圍最大，為7～103 cm；平谷站的月最大凍土深度變化范圍最小，為2～62 cm，（圖2）。

2.1.2 年變化

1981—2021 年北京地區6 個站點年凍土深度最大值的平均值呈顯著變小趨勢，其顯著性值為0.027，氣候傾向率為-2.3 cm/10 a（圖3a）。城區站和郊區站年最大凍土深度均值變化趨勢存在差異，城區站變淺趨勢不顯著，氣候傾向率為-2.0 cm/10 a；郊區站變淺趨勢顯著，氣候傾向率為-2.5 cm/10 a（圖3b）。其中延慶的變化速率最大，為-6.9 cm/10 a；密云變化速率最小，為-0.1 cm/10 a。分析凍土觀測資料同期氣溫表明，郊區站氣溫以0.25 ℃/10 a 的趨勢上升，城區站氣溫以0.4 ℃/10 a 的趨勢上升。郊區站在氣溫上升趨勢弱于城區站的情況下，其最大凍土深度變淺趨勢卻更顯著。由此可見，郊區站最大凍土深度對溫度變化的響應更敏感；從空間分布上看，氣候傾向率從西到東逐漸減小。

圖3 1981—2021 年北京地區（a）和城區與郊區（b）年最大凍土深度均值線性趨勢

1981—2021 年北京地區年最大凍土深度的極值出現時間有明顯差異。極大值多數發生在20 世紀80 年代2 月上、中旬；極小值最早出現時間一般是21 世紀前后的10 月下旬—11 月上旬，最晚出現時間多數也在21 世紀之后，一般為12 月（表2）。

表2 1981—2021 年北京地區各站最大凍土深度及凍結初期

2.2 最大凍土深度對變暖的響應

2.2.1 平均氣溫、地溫對最大凍土深度的影響

因2019—2021 年部分氣象臺站地溫數據缺失，選取1981—2018 年北京地區日最大凍土深度與日平均氣溫、日平均地表溫度及不同深度地溫進行了相關性分析（圖4）。北京地區日最大凍土深度與日平均氣溫呈負相關，相關系數為-0.13；其中城區站為-0.23，郊區站為-0.07，表明不相關的出現概率最大不超過5%。6 個氣象站中，豐臺站的日最大凍土深度與日平均氣溫的相關性最好，為-0.28；南郊觀象臺站次之，相關系數為-0.19；延慶站與密云站相關性最差，二者均呈正相關，相關系數分別為0.01和0.14，可能與郊區多山地、地質層相對復雜有關。北京地區日平均地表溫度，5、10、15、20、40 和80 cm地溫與最大凍土深度呈明顯的負相關；40、80 cm 地溫與最大凍土深度的相關性最好，相關系數分別為-0.8 和-0.84；其次是20 cm 地溫，相關系數為-0.5；地表溫度與最大凍土深度相關性最差，相關系數為-0.05；延慶、密云地表溫度與最大凍土深度呈正相關，相關系數分別為0.07 和0.19；密云5、10 cm地溫與最大凍土深度呈正相關，相關系數分別為0.14、0.07。

圖4 1981—2018 年北京地區（a）及6 個氣象站（b）最大凍土深度與各要素相關系數

2.2.2 MK 突變檢驗

由表3 可知，1981—2021 年北京地區的6 個氣象站年最大凍土深度均值除延慶、懷柔外，其他各站均發生了突變。城區站發生突變的次數明顯多于郊區站，突變時間多出現在1995、2000、2015 和2017年前后。北京地區郊區站不易發生突變，僅有平谷、密云2 站發生突變，其中平谷于2006 年1 月1 日進行了臺站遷站，遷移距離為2 100 m；密云于1989年1 月1 日進行了臺站遷站，遷移距離為34 m。平谷發生突變時間為2002、2009 年，出現在遷站前后的3～4 a，受遷站影響的可能性較大。密云發生突變年為1991、1995、2008、2018 年，其中1991 年突變受遷站影響的可能性較大，其他年份突變可能因觀測環境變化、觀測儀器性能不穩定等因素導致。

3 測溫式凍土儀觀測數據質量評估

從2021—2022 年凍土觀測記錄來看，北京部分郊區的凍土人工觀測與測溫式凍土儀數據偏差較大（誤判均值達到5.95 cm），而城區差異較?。ㄕ`判均值為2.5 cm），這可能源于測溫式凍土儀在不同土質的氣象臺站采用了相同算法和閾值[24]。2022 年12月，北京地區氣象臺站對測溫式凍土儀進行了算法優化和閾值調整，使得各氣象臺站平均一致率提升10%左右。

由圖5 可知，凍結初始期（11 月）和融化終止期（3 月）的平均一致率偏低，誤判均值也較小。2022 年11 月的平均一致率高于2021 年同期，誤判均值低于2021 年同期。測溫式凍土儀經過一個凍融周期后，與凍土人工觀測吻合度得到明顯提升，平均一致率提升12.2%，誤判均值無明顯變化，保持在3 cm以下。2022 年12 月對測溫式凍土儀進行了算法和閾值調整后，各氣象站平均一致率較去年同期明顯提升，誤判均值僅有豐臺、密云較去年同期低，與凍土人工觀測結果趨于一致。

圖5 2021—2022 年北京地區測溫式凍土儀與凍土人工觀測的平均一致率（a）和誤判均值（b）

因各氣象站土質及地下巖層、土層分布存在明顯差異，其土壤凍融條件不同，各站測溫式凍土儀觀測數據質量還需進一步優化，應考慮根據觀測環境及對比觀測記錄來設定各氣象站的算法或閾值，以實現觀測數據質量的提升。

4 結論

本文分析了北京地區不同站點的年最大凍土深度均值變化，以及凍土最大深度與氣溫、地表溫度及5、10、15、20、40、80 cm 地溫間的相關性，以及測溫式凍土儀觀測數據與人工觀測數據的差異。得出如下結論：

（1）北京郊區的年最大凍土深度均值顯著高于城區，且呈現從東南向西北遞增的空間分布特征。從時間序列上看，北京地區年最大凍土深度均值正在以-2.3 cm/10 a 的速率變淺，其中延慶站變淺趨勢最明顯，達到-6.9 cm/10 a。平谷、密云站變化速率偏小，分別為-0.5、-0.1 cm/10 a。郊區站氣溫上升趨勢弱于城區站，但最大凍土深度變淺趨勢卻更顯著，可見郊區站最大凍土深度對溫度變化的響應更敏感。此外，從空間分布上看，北京地區最大凍土深度氣候傾向率從西到東呈逐漸減小趨勢。

（2）北京地區凍土最大深度與40、80 cm 地溫的相關性最好，與淺層地溫和氣溫的相關性次之，與地表溫度的相關性最差。

（3）測溫式凍土儀自儀器安裝完成后，經過一個凍融周期后能夠與人工觀測達到較好的一致性。測溫式凍土儀在不同地質環境下采用相同算法產生的測量誤差存在差異，郊區站的誤差明顯大于城區站，最大誤判均值達15 cm 左右。

為了更準確地反映各地區土壤實際凍結情況，應根據不同土層結構特征，采用特定的算法和閾值，并保證場地及設備運行正常。

因現階段的技術和資料積累不足等原因，尚未形成不同地質條件下測溫式凍土儀融凍參數特征的明確結論。今后將通過長時間對比試驗，積累多年觀測資料，在確保對比觀測環境一致性的條件下，針對不同地質條件開展更細致的研究，以獲取分別適用于不同氣象臺站的本地化融凍參數。