中国西部土壤冻融起止期和冻结深度及其与气温关系的时空分布特征分析

冻土变化对寒区基础建设、水文、生态等都有重要影响,在全球变暖背景下,探究土壤冻融过程具有重要现实意义。本文基于中国自然地理特征和冻土特性,划分出中国西部地区(以下简称西部地区)作为研究区域,并利用1981年1月至2020年6月ERA-5地表温度、土壤体积水含量和逐月气温数据,分析了近40年中国西部地区土壤冻融状况、活动层厚度和最大冻结深度空间分布,探讨了冻融状态与气温、海拔的相关性。研究结果表明:西部地区冻融起始时间空间分布具有由高海拔地区至低海拔地区冻结推迟、融化提前的特征。高海拔的藏北高原冻结最早,融化最晚,冻结持续时间最久昆仑山脉上零星区域冻结最长可持续300天以上。海拔低且土壤含水量低的西部西北塔里木盆地,冻结最晚,融化最早,融化持续时间最长,塔克拉玛干沙漠区域融化可维持在280天以上。多年冻土活动层厚度基本都超过2.0 m,只有喀喇昆仑山脉附近的区域才有较大范围活动层厚度低于2 m的区域,青藏高原的季节性冻土冻结深度最大,厚度可以达到2 m以上,塔里木盆地冻结深度最浅,厚度在0.6 m以内。1981-2020年间,西部地区冻结起始日推迟,融化起始日提前,开始冻结和完全冻结起始时间分别以0.089 d·a^(-1)和0.061 d·a^(-1)的速率上升。开始融化与完全融化起始时间分别以0.102 d·a^(-1)和0.156 d·a^(-1)的速率下降。在冻结趋势上升,融化趋势下降的情形下,完全融化持续时间以0.256 d·a^(-1)的速率增加了12天左右,完全冻结持续时间以0.164 d·a^(-1)的速率缩短约11天,研究期间,完全融化起始时间在1996年发生突变,开始冻结起始时间与完全融化持续时间在1997年发生突变。西部地区冻融起始时间整体变化趋势一致,局部地区略有差异,黄土高原开始冻结与完全冻结持续时间分别以0.166 d·a^(-1)和0.405 d·a^(-1)的速率下降最快。整个研究期间,开始冻结持续时间和完全冻结持续时间分别缩短7天和16天左右。4个区域的完全融化期持续时间趋势都呈上升趋势。但黄土高原完全融化持续时间以0.435 d·a^(-1)的速率快速上升,在1981-2020年间,增加约17天。西部地区冻融起始时间与年平均气温和海拔存在显著相关性,年平均气温与所有冻融时间的相关性均超过0.79,其中完全融化起始时间与年均气温的负相关高达0.963。气温每升高1.0℃,开始冻结起始时间推迟2.03天,完全冻结起始时间推迟2.12天,开始融化起始时间与完全融化起始时间分别提前5.10天和5.17天。海拔每升高1000 m,开始冻结与完全冻结起始日期分别提前6.1天和4.5天,开始融化与完全融化起始日期分别推迟14.4天和19.9天。本文研究结果揭示了中国西部土壤冻融状况及近年来的变化规律,为中国西部地区寒区生态环境和基础建设提供科学参考。