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青藏高原土壤温度变化之详解

来源: 本站  类别:技术文章  更新时间:2010-4-23 11:41:10  阅读

高原土壤温度的时间变化特征由青藏高原各月不同深度的平均土壤温度变化曲线(图2) 看出, 1 月和7 月的土壤温度在浅层(0~20 cm) 范围内分别是全年各月份中的最小和最大变化, 故选取1 月和7 月高原的土壤温度变化来分别代表冷、暖季。同时由图中各月土壤温度曲线的浅层部分可以看到, 高原冷季的9 月- 次年4 月其浅层土壤热量传导由下向上, 土壤温度随深度增加而增大; 而暖季5-10 月则正好相反, 由上而下热量传导, 土壤温度随深度增加而减小。对于深层土壤温度(40~320 cm) 曲线的变化则发现在20~40 cm 深度之间出现与浅层土壤温度变化相反的逆温层, 冷季以1、2、12 月份明显, 暖季主要以8 月份为主。这一现象可解释为季节冻融在这一深度的水热相变所致。
从1 月和7 月5~40 cm 各层土壤温度变化分布可以看到: 1月土壤温度随深度变化在20~40 cm处出现转折。而7 月份土壤温度在这一深度并未出现完全的反转, 仅梯度变化出现跃变。对于青藏高原浅层土壤温度40多年来的年际变化趋势, 因浅层各深度的变化趋势基本一致, 所以我们主要以20 cm 深度土壤温度为例(图4)来说明, 20 cm 深度的土壤温度1960-1969 年这一时段呈下降趋势, 随后自1970 年转入上升趋势直至2005 年。从1970 年至今的升温时段内其年线性升温率为0.032 oC/a, 与高原气温升温率的高值相同。
对于40 cm 及以下深层土壤温度的多年变化考察未发现明显变化趋向, 温度变化平稳。从各深度年均土壤温度的多年变化趋势显著性检验来看, 都有通过M-K 检验95%置信度的增大趋势; 分季考察, 7 月的各深度土壤温度增大趋势显著, 1 月没有通过可置信检验, 仅微弱增加趋势。突变检测则显示, 浅层土壤各层温度年变化在1969-1970 年为较明显的突变时间点(图5), 说明1970 年后高原浅层土壤温度增大趋势显著。深层土壤温度年际变化未出现突变点。
功率谱检验显示40 cm 及以下的深层土壤温度在1980-2005 年的时间段里均出现明显3.25 年的周期, 以80 cm 深度土壤温度周期为例(图6); 浅层土壤温度虽在1960-2005年时间段出现相同的可置信3.25 年周期, 而在1980-2005年时间段里不能通过置信检验。
3.1.2 高原土壤温度的空间变化特征由于40 cm 及其以下深度的深层土壤温度资料站点的相对稀少和记录时间较短, 仅1980-2005 年,故对高原土壤温度的空间变化特征主要讨论20 cm 深度内的浅层土壤温度变化。
选取10 cm 土壤温度为浅层土壤温度代表做主成分分析, 前两个主成分的载荷向量就占了总方差58% , 因此以其前2 个载荷向量场来分析浅层土壤温度的空间特征。第一载荷向量场(LV1)除藏东南有弱的负值区外,青藏高原几乎全为同一符号的正值区(图7a), 反映高原总体变化空间分布较为一致特点。图7b 是青藏高原浅层土壤温度变化的第二空间类型, 零等值线将高原分为南北两区, 它主要反映了高原南北相反的变化趋势。高原的南北差异在以往的众多气候要素如气温、降水分析中都被提及, 所以认为这也更说明浅层土壤对气候变化的响应比较敏感。作为两个载荷向量场的时间系数变化, 即主成分时间演变, 第一主成分(PC1) 增大趋势明显; 而第二主成分(PC2) 变化平稳, 微弱增大, 且与同期第一主成分反向变化, 说明它反映的高原浅层土壤温度南北反向变化第二空间型与高原总体一致的第一空间型的强弱在时间上互为消长(图8)。
3.2 10~20 cm 浅层土壤温度梯度变化特征
依据公式(1)、(2), 计算出青藏高原各站点逐年1 月和7 月的10~20 cm 浅层土壤温度梯度变化, 发现1 月和7 月的浅层土壤温度梯度变化与相应的土壤温度变化趋势雷同, 即1 月温度梯度增大趋势不显著, 也无可置信突变点, 7 月温度梯度M-K 检验增大趋势显著, 同样出现突变点, 但相较于土壤温度突变点早, 出现在1965 年。功率谱检验则显示1 月浅层温度梯度有通过95%置信的2.9 年周期, 而7 月温度梯度却出现了一个26 年的可置信周期。这里需要指出的是, 由于7 月梯度值为负, 表明温度梯度方向指向地表, 即热量是由地表向深层土壤传递, 而7 月梯度的增大趋势则说明了自突变点(1965 年) 后, 高原暖季热量由地表向深层土壤的传递呈减小趋势。
以主成分方法考察1 月和7 月浅层温度梯度空间特征发现, 1 月浅层土壤温度梯度主成分结果与10 cm 土壤温度年变化主成分结果相似, 前两个主成分体现相同空间特征,即第一为全区一致变化型(载荷全区为正), 第二则为南北反向变化空间型(载荷场北负南正); 不同之处在于1 月浅层土壤温度梯度主成分的时间变化均无明显趋势。7 月浅层土壤温度梯度的主成分结果不理想, 说明受控因素复杂, 故未作详细讨论。
3.2.1 10~20 cm 浅层土壤温度梯度与地气温差关系讨论由于浅层土壤温度对气温的
反应敏感, 故针对反映土壤表层热量传递的10~20 cm 浅层土壤温度梯度和反映土壤与空气热量传递的地气温差(地表0 cm 温度与空气温度差值)这两个量之间的变化关系做一点讨论。从相关关系来看, 1 月浅层温度梯度与年地气温差同期为负相关, 相关系数为-0.38; 7 月浅层温度梯度与年地气温差同期相关-0.36, 但在滞后7 年时出现最大正相关(0.48)。1 月浅层温度梯度和与之对应的冷季地气温差相关性类似于它们与年均地气温差的相关, 但相关系数略小; 而7 月浅层温度梯度与暖季地气温差同期相关很小, 在滞后7 年时同样出现最大正相关, 为0.41。
对于高原冷季地气温差与1 月浅层温度梯度在时间上的这种反相关关系, 如果看作
是地气间的一种耗散结构关系, 那么作为两个反映梯度效应驱动力的量, 二者出现的消长关系就能有较好解释。以变化更为明显的暖季(7 月) 为例, 高原浅层土壤温度虽然在
近40 多年里一直呈增大趋势, 但7 月浅层土壤温度梯度的增大却使得高原暖季热量由地表向深层土壤的传递呈减小趋势(梯度实际在减小); 而暖季地气温差却在不断升高增大,也就是说地气间的温度梯度在增大, 那么浅层土壤向空气的热量传递就会加速, 气温也就得到了不断的升高。同样对于冷季(1 月), 1 月浅层土壤温度梯度增大变化(未通过显著性检验), 说明冷季土壤内温度差有拉大趋势, 而对比相应冷季地气温差的减小变化,可以看到地气间能量传递相对放缓, 同时高原冷季气温升高已较明显, 这样就意味着在冷季高原浅层土壤内热量流动呈现加快趋势, 也就可以从这一侧面理解高原最大季节冻结深度的减小和多年冻土的退化。
由是推论高原地气温差和浅层土壤温度梯度的这种涨落机制有可能是高原地气间关系研究的重要影响机制之一, 即把地气关系作为耗散结构的一种分析。3.2.2 10~20 cm 浅层土壤温度梯度对多年冻土分布响应讨论讨论高原地气间关系就要考虑到青藏高原广布的多年冻土的影响, 而作为反映浅层土壤能量流动的土壤温度梯度必然会受到深层土壤热状况不同情况的影响, 下伏有多年冻土的区域其浅层土壤温度梯度的表现应该是有区别于非多年冻土区。为此, 对1 月浅层土壤温度梯度与经、纬度及海拔高度进行回归统计分析, 得到多元线性回归方程:
dT/dH = 0.0399 + 0.00743X1 - 0.00177X2 - 0.000006X3 (3)
式中, dT/dH 为1 月浅层土壤温度梯度(oC/cm), X1、X2、X3 分别为纬度、经度(o) 和海拔高度(m)。方程复相关系数为0.79, 对方程的F 检验显示, F = 70.17, 大于临界值F0.05(3, 60) = 2.76, 即回归方程通过了95%的显著性检验。方程中各因子的标准回归系数分别为0.76 (B1)、-0.289 (B2) 和-0.144 (B3), 比较其绝对值大小(|B1| > |B2| > |B3|), 可以发现,纬度(标准回归系数B1) 是其决定高原1 月浅层土壤温度梯度最显著的因素, 而海拔高度的影响相对最小。从1 月浅层土壤温度梯度计算值与统计值比较(图9)可以看出统计关系基本真实地描述了高原地区1 月浅层土壤温度梯度。
依照前述多元线性回归统计得到的高原1月浅层土壤温度梯度与经、纬度及海拔高度的回归公式, 应用Arc/Info软件Grid 模块的逻辑运算功能,计算出高原1 km高程(DEM) 每一格点上的1 月浅层土壤温度梯度值, 由此得到青藏高原地区的1 月浅层土壤温度梯度分布图。
由图8 看出高原地区1 月浅层土壤温度梯度分布呈现明显的纬向效应, 结合多年冻土分布图可以发现, 如果以纬度为主要基线, 则多年冻土的分布基本都是出现在同纬度1 月浅层土壤温度梯度相对低值区, 说明下伏层多年冻土的相对低温使得冷季(1 月) 浅层土壤热量向下传递也较多, 从而使得其冷季指向向上的土壤温度梯度相对非多年冻土区为小; 同样如果以7 月浅层土壤温度梯度考察其与多年冻土分布, 发现多年冻土的分布基本都是出现在同纬度7 月浅层土壤温度梯度相对高值区。因此认为, 浅层土壤温度梯度既对地气间热量交换状况有明显反映, 同时也对深层土壤热量状况变化有明显反应, 而且也有理由推论浅层土壤与多年冻土之间也存在着一种耗散结构关系。

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