第27卷 第5期2005年10月
冰 川 冻 土
JOURNALOFGLACIOLOGYANDGEOCRYOLOGY
Vol.27 No.5
Oct.2005
文章编号:100020240(2005)0520627206
青藏高原地气温度之间的关系
李述训, 吴通华
(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州 730000)
摘 要:应用多元线性回归分析方法,对位于40°～°N,～°119个气象观测台站的1991—2000、地面温度与纬度、结果表明,、纬度及海拔高度具有很好的相关性.应用,就可将高原地区的气温和地面温度表示成统一的.如果将已验证的1991—2000年平均地面温度与气温差统计结果作为气温与地面温度间关系的实验结果,那么,就可以解决长期困扰多年冻土预报研究中在任意已知时间和空间点上气温条件下,难以确定影响多年冻土温度状况变化上边界条件的变化这一难题.这一结果对于目前正在进行的青藏铁路冻土工程和环境预报研究具有重要意义.关键词:多年冻土;地面温度;气温;气温与地面温度关系;冻土预报中图分类号:P642.14
文献标识码:A
1 前言
在天然条件下,多年冻土的热状态受区域气候
的影响,并在一定范围内呈现与区域气候的气温指标相类似的纬度、高度地带性规律.因此,在多年冻土分类区划、冻土工程研究中,气温往往作为最重要的分类区划和冻土工程分类指标被广泛应用.然而,正如许多冻土学者所指出的,多年冻土是地层通过地面与大气间热交换的产物,其热状况受地质、地理和气候条件的制约,其中气候是多年冻土热状况变化的动力,地质和地理条件是导致多年冻土热状况发生空间分异的原因.这里强调指出的是气候对多年冻土热状态变化的作用要受地质地理条件的制约,不仅如此,区域气候的形成和变化进程还要受地层的热状况通过地面的影响.也就是说,无论是区域多年冻土的热状态,还是区域气候的形成和变化,都不是完全独立的状态量,各自都是完整的地球环境系统中的子系统.因此,在冻土学研究中,关于冻土热状况的研究传统上往往以地面温度或热流作为研究其发展变化的气候条件,而在气
候研究中,则忽略了陆地地层热状况的影响.当前流行的建立在数学和物理理论基础之上的用于寻求气候形成和变化机制的各类模型,目前还只是出于影响气候形成变化因素的敏感性试验、陆面的参数化阶段,系统内所发生的各种物理的、力学的、化学的、物理化学的、生物的、生物化学的、光化学的、大气化学的等过程还远没有包含在描述气候的模型中,而要将其用于气候预报、区域气候的变化规律等研究大约还需要相当长的路要走,直到目前,甚至还有众多的研究者怀疑其可能性.所以,寻求冻土区的气温与地温之间的关系过去是,现在依然是冻土学研究的主要课题之一.
有关气温与地面温度关系研究,也就是说,在研究特定区域的多年冻土特征及其变化规律时,如何确定其边界条件———地面温度或热流值,早在20世纪50年代,许多研究者就给予了足够的重视.大多数研究者认为,由于地面温度和热流难以观测到,当然,这里的难以观测主要是指其所受影响因素太多,而不是不能观测.所以,提出地面与气温积温之比的所谓N系数,基本方法是通过观测不
收稿日期:2005201210;修订日期:2005203206 基金项目:中国科学院知识创新工程重大项目(KZCX12SW204);中国科学院寒区旱区环境与工程研究所创新前沿项目(2004102)资助
),男,甘肃景泰人,研究员,1994年在中国科学院兰州冰川冻土研究所获博士学位,现从事冻土环境研究. 作者简介:李述训(1951—
E2mail:[email protected]
冰 川 冻 土 27卷
同地面条件下的气温和地面温度值求得典型的N值,然后将其推广应用于更为广泛的区域.该方法最早是Lunardini[1]用古典Stefen问题近似计算季节冻结和季节融化深度时提出的,其数学表达式为:
ξ=
Q
(1)
条件的N系数值变化范围也高达一倍,具体的原
因由于缺乏相关条件的说明难以确定.
应当指出的是,因为在Stefan公式中没有考虑季节冻结层和季节融化层形成过程中下覆地热的影响,所以,从公式本身该关系式仅适合于高温多年冻土区和低温季节冻土区的计算.
美国学者Nelsonet[2～4]从20世纪80年代开始,,引入所F):
F=
Fsf+
Fst
(5)
式中:ξ为季节冻结或融化深度;λ为导热系数(计算季节冻结深度时为冻土导热系数,计算季节融化深度时为融土的导热系数);Q为冻土相变潜热(计算季节融化深度时)或融土相变潜热(深度时);F为冻结(计算季节冻结)(节融化)指数乘以24.:
tt
Fsf=lf=
T(0,t)dtstftf
根据这一关系,对高纬冻土区的冻土进行了平面分类区划,并取得了很好的效果.需要指出的是,在式(5)中,所应用的是地面冻结和融化指数,而该公式的依据同样是古典Stefan公式.
徐祖等[5]曾对青海热水地区015km2范围内的试验观测资料进行了分析,给出草炭亚粘土、碎石亚粘土、天然草地和砂砾石表面的年平均地面温度与气温差、年较差差、冻结期和融化期的N系数等地气参数值(表1).吴紫旺等[6]对青藏公路整治过程的实验观测资料进行计算分析后认为,沥青路面与气温差高达6℃. 地气温度的关系非常复杂,不同研究者所定义的各种参量是依据自身研究的需要确定的.例如,
N系数的定义和实验研究最早是为了确定季节冻
Fst=ltTst=
l
T(0,t)dt∫
stt
lt
(2)
Ts0l=
T(0,t)dt=T(0,t)dt∫∫+T(0,t)dt=Tl+Tl∫
s
s
s
stt
sff
(3)
式中:Fsf、Fst、Tsf、Tst分别为季节冻结和季节融化指数、冻结期和融化期地面平均温度、冻结和融化期持续时间;Ts0为年平均温度;l=lt+lf.因此,冻结指数N写为:
N=
Faf
(4)
式中:Faf为气温冻结指数.利用同样的方法可定义融化期的N系数.Lunardini[1]在其《寒区传热学》一书中给出了大量源于北美研究者的资料,包括天然地表的、沥青路面的和保温系统工程表面的.可惜的是除少数情况外,作者没有给出获得试验观测资料的相关条件.但从所给的资料值看,即使同一
结和融化深度,因此,将其定义为积温之比,理论依据是古典Stefan公式(1)[7].同样的理由,可以将N定义为任何研究者所需要的形式,但原则是,所求的未知量是特定研究所需要的,已知量容易得到,且要具有相应的理论和实验结果为基础.可惜的是,多年冻土区的资料不易得到,包括已知的和未知的.例如,计算由积温所定义的N系数,需要已知不同条件下冻结期和融化期的气温平均温度、
表1 青海热水地区地气参数3
Table1 ParametersofgroundtemperatureandairtemperatureinReshuiregionofQinghaiProvince名称气温草炭亚粘土天然草地碎石亚粘土砂砾石
年平均温度/℃观测值
-3.7-1.7-1.03-0.8-0.73
2.02.732.93.03
温度年较差/℃观测值
23.924.425.926.226.0
0.52.02.32.1
冻结指数/(℃・d)观测值
[***********]16
0.840.810.820.79
N系数
融化指数/(℃・d)观测值
[***********]6
1.611.851.992.26
N系数
差值差值
注:3原文观测值为-0.9和-0.0.表中的值是根据徐祖给出的冻结和融化指数应用(3)计算的.
5期李述训等:青藏高原地气温度之间的关系
地区气温与地面温度空间分布的一般特征及地面温度与气温间的关系.
2 资料来源与统计分析
我们所用资料源于40°～25°N,75°～102°E范围的119个气象观测站,大部分台站位于90°E以东地区(图1),.表2和表3.a1(ta2(t)、a3(t)分别为、经度、纬度和海;R为线性相关系数.这样以地理:
θ,φ,h)=a0(t)+a1(t)θ+a2(t)φ+a3(t)hT(
(6)
图1 统计分析资料台站分布
Fig.1 ThelocationsofthemeteorologicalstationsinTibetanPlateau,dataofwhichareanalyzedinthispaper
冻结期持续的时间和相应条件下的实验资料,,更.内好一些,青藏高原,区,但这一地区目前我们几乎没有什么资料,且青藏高原地区地形复杂.这里我们所要做的是,根据现有高原地区气象台站的观测资料,应用统计分析方法,寻求出高原地区气温与地面温度的一般变化规律,然后分析统计分析结果与实际观测之间所产生的误差及其原因.在此基础上,应用1km的高程数据,并结合GIS技术进行制图,最后分析高原
从表中的统计系数和相关系数可以看出(表2,表3),在青藏高原地区,气温和地面温度与地理坐标具有较好的线性关系,而且随着时间的变化纬度和经度对温度的贡献率不同.经度对温度的贡献率在1月份(地面温度为1月和2月)为正值,这就意味着随着经度增加温度升高;从2月开始直到12月为负值,在这期间,随着经度的增加温度降低.唯独对温度的影响系数全部为负值,即随着纬度升高温度降低.此外,经度影响系数从1月开始逐渐减
表2 青藏高原90年代(1991—2000年)气温统计分析系数
Table2 Statisticcorrelationcoefficientsofairtemperatureandlongitude,latitude
andelevationintheTibetanPlateau,1991—2000
时间t
1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月
a0(t)
a1(t)
a2(t)
a3(t)×100
R
56.85553.81056.13655.76055.70058.70953.49251.79357.78558.81257.24856.80256.50255.57856.004-1.922
0.002364-0.0129-0.0707-0.109-0.138-0.190-0.202-0.176-0.175-0.0924-0.0484-0.0268-0.0407-0.165-0.103-0.201
-1.478-1.210-0.945-0.625-0.449-0.327-0.119-0.177-0.467-0.892-1.145-1.352-1.170-0.361-0.7641.318
-0.486-0.519-0.540-0.593-0.549-0.513-0.488-0.497-0.464-0.484-0.502-0.492-0.504-0.514-0.509-0.0138
0.970.9640.9590.9680.9620.9600.9690.9710.9710.9720.9740.9740.9710.9700.9710.968
冷季暖季年平均年较差
冰 川 冻 土表3 青藏高原90年代(1991—2000)地面温度统计分析系数
Table3 Statisticcorrelationcoefficientsofgroundtemperatureandlongitude,
latitudeandelevationintheTibetanPlateau,1991—2000
时间t
1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月
a0(t)
a1(t)
a2(t)
a3(t)×100
27卷
R
56.08653.77258.61162.82568.95676.88669.43363.96657.12755.07457.54568.60562.97417.89
0.04180.00987-0.0934-0.175-0.259-0.368-292-0.267-0.108-0.0004580.03049-0.0208-0.289-0.154-0.422
-1.579-1.267-0.912-0.569--0.0715-0.454-0.976-1.309-1.493-1.256-0.277-0.7661.519
0.457-0.466-0.-0.494-0.478-0.471-0.438-0.429-0.430-0.450-0.453-0.486-0.470-0.0291
0.9710.9600.9410.9330.9190.9270.9560.9300.9630.9700.9770.9770.9720.9500.9630.966
冷季暖季年平均年较差
小(但绝对值增大),7月份达最小值(绝对值最大),然后逐渐增大,至1月份达最大值(绝对值最小);纬度影响系数恰好相反,1月份为最小值(绝对值最大),然后逐月增大(绝对值减小),7月或8月达最大值(绝对值最小),然后逐月减小(绝对值增大),至1月份达最小值.
经度和纬度对温度影响系数的这种变化特征,与温度自身的变化特征非常相似,如月均气温通常在一年中最低值和最高值分别发生在1月和7月,而我们所得的纬度影响系数也相应为最小值和最大值.所以,
就纬度变化对高原地区的温度影响而
言,1月温度对纬度的依赖性最强,然后逐渐减弱,7月最弱.与1月相比,整个高原地区的温度分布在7月份几乎不受纬度影响,其后纬度的影响又逐渐加强.经度对高原地区温度的影响与纬度恰好相反,二者之间差相位π,即1月最弱,7月最强.高度对温度的贡献率为015℃・(100m)-1,即海拔每升高100m温度降低015℃.
如果对表2和表3中的统计系数进行简单的计算就可以发现,所有的结果具有非常好的一致性,即应用相应月份的统计系数值计算冷季、暖季和年平均值与直接应用原始资料进行统计分析的结果几乎完全相同.这就为我们根据统计分析的各月系数,应用各种可能的线性组合对气候的各种特征因子进行分析成为可能,图2为统计系数的年变化.
3 统计结果比较分析
本文的主要目的之一是通过已知的气温和不同
图2 青藏高原气温和地面温度统计分析
系数随不同月份的变化
Fig.2 Themonthlyvariationsofstatisticcorrelationcoefficientsbetweenairtemperatureandground
temperatureintheTibetanPlateau
条件下地面温度与气温间的实验资料关系,获得所研究问题的上边界条件～地面温度、正积温和负积温中的一个.因此,如果我们将上段中所求的1991—2000年月平均地面温度和气温随纬度、经度和海拔高度变化为:
θ,φ,h)=aai0(t)+aai1(t)θTai(
5期李述训等:青藏高原地气温度之间的关系
+aai2(t)φ+aai3(t)h(7)(8)
θ,φ,h)=asi0(t)+asi1(t)θTsi(
+asi2(t)φ+asi3(t)h
温度的比较.
图3和图4为气温和地面温度观测值与统计分析曲线的比较,可以看出,统计关系所得的温度函数基本上真实地描述了高原地区的温度变化.所以,式(9)可以用来描述多年冻土的地面条件.
并将ΔTi(θ,φ,h)=Tsi(θ,φ,h)-Tai(θ,φ,h)作为地面温度与气温间的实验关系(其中i=1,2,3,…,12),当然,可以应用曲线拟合方法对表2和表3中值进行拟合,得到高原地区气温和地面温度随空间和时间变化的函数.对于任意时间和空间点上的地面温度Ts(θ,φ,h,t)可写为:
θ,φ,h,t)=Ta(θ,φ,h,t)+ΔTi(θ,φ,h)(9)Ts(
式(9).式(9)要温度和相应的冻结(,而、正积温或负积温的任意一个.2和
(8)、(9)是否可以用于描述高表3所给出的式(7)、
原地区的气温和地面温度.
上面我们曾指出,表2和表3中的值满足叠加关系,因此,在下面的验证中我们主要给出年平均
4 讨论
,地面条件的定量.本文应用目前青藏高原相,应用统计分析方法得到高原地区的气温和地面温度近似分布函数,并应用地面温度与气温差描述二者的关系.如果将1991—2000年的差值作为已知的实验条件,那么,在已知气温预报值的情况下,式(9)可用来计算已知地理坐标任意时间的多年冻土地面温度的预报值(图2).而且,应用高原地区高程数据和结合GIS技术,
可对高原地区的空间气候分布特征进行更详细
图3 气温(a)和地面温度(b)实测(1991—2000)值与统计关系曲线的比较
Fig.3 Theobservedandcalculatedairtemperature(a)andgroundtemperature(b),1991—
2000
图4 气温(a)和地面温度年较差(b)(1991—2000年平均)观测
值与统计关系曲线的比较
Fig.4 Theobservedandcalculatedannualrangeofairtemperature(a)
andannualrangeofgroundtemperature(b)in1991—2000
冰 川 冻 土 27卷
地分析,精度比传统方法更高.参考文献(References):
[1][2]
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NelsonFE,AnisimovOA.PermafrostzonationinRussiaunderanthropogenicclimaticchange[J].PermafrostandPer2
iglacialProcesses,1993,4(2):137-148.[3]
AnisimovOA,NelsonFE.Permafrostzonationandclimatechangeinthenorthernhemisphere:resultfromtransientgen2eralcirculationmodels[J].ClimaticChange,1997,35(2):241-258.[4]
NelsonFE,AnisimovOA,ShiklomanovNI.Climateandhazardzonationinthecircum2Arctic[J].NaturalHazards,2002,26(3):203[5]
XuXiaozu,FuLiandi.Thea2
7][6]
boutground2airsystemandthedeterminationofmaximumseasonallythawingdepth[A],ProceedingsoftheSecondChi2neseConferenceonPermafrost[C],Lanzhou:GansuPeopleπs
祖,傅连弟.地气
体系有关参数的换算及季节最大冻融深度的确定[A].第二届全国冻土学术会议论文选集[C].兰州:甘肃人民出版社,
1983.108-128.]
WuZiwang,ChengGuodong,ZhuLinnan,etal.RoadbededEngineeringinPermafrost[M].Lanzhou:LanzhouUniversityPress,1988.113.[吴紫汪,程国栋,朱林
PublishingHouse,1983.108-128.[徐
楠,等:兰州大学出版社,1988.
22-]
ofPermafrostPredictionintheGeologicalResearch[M].Lanzhou:LanzhouPress,1992.[BA库德里亚采夫.工程地质研究
中的冻土预报原理[M].兰州:兰州大学出版社,1992.]
TheRelationshipbetweenAirTemperatureandGround
TemperatureintheTibetanPlateau
LIShu2xun, WUTong2hua
(ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,LanzhouGansu730000,China)
Abstract:Multivariablelinearregressionhasbeenappliedtoanalyzetherecordeddataofannualmeanairtemperatureandannualmeangroundtempera2turefrom119meteorologicalstationsfrom1991to2000intheTibetanPlateau.Thelinearstatisticcoefficientsbetweenmonthlymeanairtempera2ture,monthlymeangroundtemperatureandlati2tude,longitudeandelevationintheresearchregionareobtained.Itisdemonstratedthattheairtem2perature,groundtemperatureandtheirannualrangesintheTibetanPlateauarehighlycorrelatedwithcorrespondinglatitude,longitudeandeleva2tion.Itisindicatedthattheairtemperatureandgroundtemperatureintheplateaucanbeexpressedasfunctionsoflocationcoordinatesandtime.Tak2ingthevalidatedstatisticresultsofannualmeanairtemperatureandannualmeangroundtemperaturefrom1991to2000astheexperimentalresultsbe2tweenairtemperatureandgroundtemperature,itwillcontributetothedeterminationofupperboundaryconditionofpermafrostatanytimeandanysite.Theseresultsareofgreatsignificancetounder2constructionQinghai2TibetanRailwayandtothepredictionofpermafrostenvironment.
Keywords:permafrost;groundtemperature;airtemperature;relationship;permafrostenvironmentalpre2diction
第27卷 第5期2005年10月
冰 川 冻 土
JOURNALOFGLACIOLOGYANDGEOCRYOLOGY
Vol.27 No.5
Oct.2005
文章编号:100020240(2005)0520627206
青藏高原地气温度之间的关系
李述训, 吴通华
(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州 730000)
摘 要:应用多元线性回归分析方法,对位于40°～°N,～°119个气象观测台站的1991—2000、地面温度与纬度、结果表明,、纬度及海拔高度具有很好的相关性.应用,就可将高原地区的气温和地面温度表示成统一的.如果将已验证的1991—2000年平均地面温度与气温差统计结果作为气温与地面温度间关系的实验结果,那么,就可以解决长期困扰多年冻土预报研究中在任意已知时间和空间点上气温条件下,难以确定影响多年冻土温度状况变化上边界条件的变化这一难题.这一结果对于目前正在进行的青藏铁路冻土工程和环境预报研究具有重要意义.关键词:多年冻土;地面温度;气温;气温与地面温度关系;冻土预报中图分类号:P642.14
文献标识码:A
1 前言
在天然条件下,多年冻土的热状态受区域气候
的影响,并在一定范围内呈现与区域气候的气温指标相类似的纬度、高度地带性规律.因此,在多年冻土分类区划、冻土工程研究中,气温往往作为最重要的分类区划和冻土工程分类指标被广泛应用.然而,正如许多冻土学者所指出的,多年冻土是地层通过地面与大气间热交换的产物,其热状况受地质、地理和气候条件的制约,其中气候是多年冻土热状况变化的动力,地质和地理条件是导致多年冻土热状况发生空间分异的原因.这里强调指出的是气候对多年冻土热状态变化的作用要受地质地理条件的制约,不仅如此,区域气候的形成和变化进程还要受地层的热状况通过地面的影响.也就是说,无论是区域多年冻土的热状态,还是区域气候的形成和变化,都不是完全独立的状态量,各自都是完整的地球环境系统中的子系统.因此,在冻土学研究中,关于冻土热状况的研究传统上往往以地面温度或热流作为研究其发展变化的气候条件,而在气
候研究中,则忽略了陆地地层热状况的影响.当前流行的建立在数学和物理理论基础之上的用于寻求气候形成和变化机制的各类模型,目前还只是出于影响气候形成变化因素的敏感性试验、陆面的参数化阶段,系统内所发生的各种物理的、力学的、化学的、物理化学的、生物的、生物化学的、光化学的、大气化学的等过程还远没有包含在描述气候的模型中,而要将其用于气候预报、区域气候的变化规律等研究大约还需要相当长的路要走,直到目前,甚至还有众多的研究者怀疑其可能性.所以,寻求冻土区的气温与地温之间的关系过去是,现在依然是冻土学研究的主要课题之一.
有关气温与地面温度关系研究,也就是说,在研究特定区域的多年冻土特征及其变化规律时,如何确定其边界条件———地面温度或热流值,早在20世纪50年代,许多研究者就给予了足够的重视.大多数研究者认为,由于地面温度和热流难以观测到,当然,这里的难以观测主要是指其所受影响因素太多,而不是不能观测.所以,提出地面与气温积温之比的所谓N系数,基本方法是通过观测不
收稿日期:2005201210;修订日期:2005203206 基金项目:中国科学院知识创新工程重大项目(KZCX12SW204);中国科学院寒区旱区环境与工程研究所创新前沿项目(2004102)资助
),男,甘肃景泰人,研究员,1994年在中国科学院兰州冰川冻土研究所获博士学位,现从事冻土环境研究. 作者简介:李述训(1951—
E2mail:[email protected]
冰 川 冻 土 27卷
同地面条件下的气温和地面温度值求得典型的N值,然后将其推广应用于更为广泛的区域.该方法最早是Lunardini[1]用古典Stefen问题近似计算季节冻结和季节融化深度时提出的,其数学表达式为:
ξ=
Q
(1)
条件的N系数值变化范围也高达一倍,具体的原
因由于缺乏相关条件的说明难以确定.
应当指出的是,因为在Stefan公式中没有考虑季节冻结层和季节融化层形成过程中下覆地热的影响,所以,从公式本身该关系式仅适合于高温多年冻土区和低温季节冻土区的计算.
美国学者Nelsonet[2～4]从20世纪80年代开始,,引入所F):
F=
Fsf+
Fst
(5)
式中:ξ为季节冻结或融化深度;λ为导热系数(计算季节冻结深度时为冻土导热系数,计算季节融化深度时为融土的导热系数);Q为冻土相变潜热(计算季节融化深度时)或融土相变潜热(深度时);F为冻结(计算季节冻结)(节融化)指数乘以24.:
tt
Fsf=lf=
T(0,t)dtstftf
根据这一关系,对高纬冻土区的冻土进行了平面分类区划,并取得了很好的效果.需要指出的是,在式(5)中,所应用的是地面冻结和融化指数,而该公式的依据同样是古典Stefan公式.
徐祖等[5]曾对青海热水地区015km2范围内的试验观测资料进行了分析,给出草炭亚粘土、碎石亚粘土、天然草地和砂砾石表面的年平均地面温度与气温差、年较差差、冻结期和融化期的N系数等地气参数值(表1).吴紫旺等[6]对青藏公路整治过程的实验观测资料进行计算分析后认为,沥青路面与气温差高达6℃. 地气温度的关系非常复杂,不同研究者所定义的各种参量是依据自身研究的需要确定的.例如,
N系数的定义和实验研究最早是为了确定季节冻
Fst=ltTst=
l
T(0,t)dt∫
stt
lt
(2)
Ts0l=
T(0,t)dt=T(0,t)dt∫∫+T(0,t)dt=Tl+Tl∫
s
s
s
stt
sff
(3)
式中:Fsf、Fst、Tsf、Tst分别为季节冻结和季节融化指数、冻结期和融化期地面平均温度、冻结和融化期持续时间;Ts0为年平均温度;l=lt+lf.因此,冻结指数N写为:
N=
Faf
(4)
式中:Faf为气温冻结指数.利用同样的方法可定义融化期的N系数.Lunardini[1]在其《寒区传热学》一书中给出了大量源于北美研究者的资料,包括天然地表的、沥青路面的和保温系统工程表面的.可惜的是除少数情况外,作者没有给出获得试验观测资料的相关条件.但从所给的资料值看,即使同一
结和融化深度,因此,将其定义为积温之比,理论依据是古典Stefan公式(1)[7].同样的理由,可以将N定义为任何研究者所需要的形式,但原则是,所求的未知量是特定研究所需要的,已知量容易得到,且要具有相应的理论和实验结果为基础.可惜的是,多年冻土区的资料不易得到,包括已知的和未知的.例如,计算由积温所定义的N系数,需要已知不同条件下冻结期和融化期的气温平均温度、
表1 青海热水地区地气参数3
Table1 ParametersofgroundtemperatureandairtemperatureinReshuiregionofQinghaiProvince名称气温草炭亚粘土天然草地碎石亚粘土砂砾石
年平均温度/℃观测值
-3.7-1.7-1.03-0.8-0.73
2.02.732.93.03
温度年较差/℃观测值
23.924.425.926.226.0
0.52.02.32.1
冻结指数/(℃・d)观测值
[***********]16
0.840.810.820.79
N系数
融化指数/(℃・d)观测值
[***********]6
1.611.851.992.26
N系数
差值差值
注:3原文观测值为-0.9和-0.0.表中的值是根据徐祖给出的冻结和融化指数应用(3)计算的.
5期李述训等:青藏高原地气温度之间的关系
地区气温与地面温度空间分布的一般特征及地面温度与气温间的关系.
2 资料来源与统计分析
我们所用资料源于40°～25°N,75°～102°E范围的119个气象观测站,大部分台站位于90°E以东地区(图1),.表2和表3.a1(ta2(t)、a3(t)分别为、经度、纬度和海;R为线性相关系数.这样以地理:
θ,φ,h)=a0(t)+a1(t)θ+a2(t)φ+a3(t)hT(
(6)
图1 统计分析资料台站分布
Fig.1 ThelocationsofthemeteorologicalstationsinTibetanPlateau,dataofwhichareanalyzedinthispaper
冻结期持续的时间和相应条件下的实验资料,,更.内好一些,青藏高原,区,但这一地区目前我们几乎没有什么资料,且青藏高原地区地形复杂.这里我们所要做的是,根据现有高原地区气象台站的观测资料,应用统计分析方法,寻求出高原地区气温与地面温度的一般变化规律,然后分析统计分析结果与实际观测之间所产生的误差及其原因.在此基础上,应用1km的高程数据,并结合GIS技术进行制图,最后分析高原
从表中的统计系数和相关系数可以看出(表2,表3),在青藏高原地区,气温和地面温度与地理坐标具有较好的线性关系,而且随着时间的变化纬度和经度对温度的贡献率不同.经度对温度的贡献率在1月份(地面温度为1月和2月)为正值,这就意味着随着经度增加温度升高;从2月开始直到12月为负值,在这期间,随着经度的增加温度降低.唯独对温度的影响系数全部为负值,即随着纬度升高温度降低.此外,经度影响系数从1月开始逐渐减
表2 青藏高原90年代(1991—2000年)气温统计分析系数
Table2 Statisticcorrelationcoefficientsofairtemperatureandlongitude,latitude
andelevationintheTibetanPlateau,1991—2000
时间t
1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月
a0(t)
a1(t)
a2(t)
a3(t)×100
R
56.85553.81056.13655.76055.70058.70953.49251.79357.78558.81257.24856.80256.50255.57856.004-1.922
0.002364-0.0129-0.0707-0.109-0.138-0.190-0.202-0.176-0.175-0.0924-0.0484-0.0268-0.0407-0.165-0.103-0.201
-1.478-1.210-0.945-0.625-0.449-0.327-0.119-0.177-0.467-0.892-1.145-1.352-1.170-0.361-0.7641.318
-0.486-0.519-0.540-0.593-0.549-0.513-0.488-0.497-0.464-0.484-0.502-0.492-0.504-0.514-0.509-0.0138
0.970.9640.9590.9680.9620.9600.9690.9710.9710.9720.9740.9740.9710.9700.9710.968
冷季暖季年平均年较差
冰 川 冻 土表3 青藏高原90年代(1991—2000)地面温度统计分析系数
Table3 Statisticcorrelationcoefficientsofgroundtemperatureandlongitude,
latitudeandelevationintheTibetanPlateau,1991—2000
时间t
1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月
a0(t)
a1(t)
a2(t)
a3(t)×100
27卷
R
56.08653.77258.61162.82568.95676.88669.43363.96657.12755.07457.54568.60562.97417.89
0.04180.00987-0.0934-0.175-0.259-0.368-292-0.267-0.108-0.0004580.03049-0.0208-0.289-0.154-0.422
-1.579-1.267-0.912-0.569--0.0715-0.454-0.976-1.309-1.493-1.256-0.277-0.7661.519
0.457-0.466-0.-0.494-0.478-0.471-0.438-0.429-0.430-0.450-0.453-0.486-0.470-0.0291
0.9710.9600.9410.9330.9190.9270.9560.9300.9630.9700.9770.9770.9720.9500.9630.966
冷季暖季年平均年较差
小(但绝对值增大),7月份达最小值(绝对值最大),然后逐渐增大,至1月份达最大值(绝对值最小);纬度影响系数恰好相反,1月份为最小值(绝对值最大),然后逐月增大(绝对值减小),7月或8月达最大值(绝对值最小),然后逐月减小(绝对值增大),至1月份达最小值.
经度和纬度对温度影响系数的这种变化特征,与温度自身的变化特征非常相似,如月均气温通常在一年中最低值和最高值分别发生在1月和7月,而我们所得的纬度影响系数也相应为最小值和最大值.所以,
就纬度变化对高原地区的温度影响而
言,1月温度对纬度的依赖性最强,然后逐渐减弱,7月最弱.与1月相比,整个高原地区的温度分布在7月份几乎不受纬度影响,其后纬度的影响又逐渐加强.经度对高原地区温度的影响与纬度恰好相反,二者之间差相位π,即1月最弱,7月最强.高度对温度的贡献率为015℃・(100m)-1,即海拔每升高100m温度降低015℃.
如果对表2和表3中的统计系数进行简单的计算就可以发现,所有的结果具有非常好的一致性,即应用相应月份的统计系数值计算冷季、暖季和年平均值与直接应用原始资料进行统计分析的结果几乎完全相同.这就为我们根据统计分析的各月系数,应用各种可能的线性组合对气候的各种特征因子进行分析成为可能,图2为统计系数的年变化.
3 统计结果比较分析
本文的主要目的之一是通过已知的气温和不同
图2 青藏高原气温和地面温度统计分析
系数随不同月份的变化
Fig.2 Themonthlyvariationsofstatisticcorrelationcoefficientsbetweenairtemperatureandground
temperatureintheTibetanPlateau
条件下地面温度与气温间的实验资料关系,获得所研究问题的上边界条件～地面温度、正积温和负积温中的一个.因此,如果我们将上段中所求的1991—2000年月平均地面温度和气温随纬度、经度和海拔高度变化为:
θ,φ,h)=aai0(t)+aai1(t)θTai(
5期李述训等:青藏高原地气温度之间的关系
+aai2(t)φ+aai3(t)h(7)(8)
θ,φ,h)=asi0(t)+asi1(t)θTsi(
+asi2(t)φ+asi3(t)h
温度的比较.
图3和图4为气温和地面温度观测值与统计分析曲线的比较,可以看出,统计关系所得的温度函数基本上真实地描述了高原地区的温度变化.所以,式(9)可以用来描述多年冻土的地面条件.
并将ΔTi(θ,φ,h)=Tsi(θ,φ,h)-Tai(θ,φ,h)作为地面温度与气温间的实验关系(其中i=1,2,3,…,12),当然,可以应用曲线拟合方法对表2和表3中值进行拟合,得到高原地区气温和地面温度随空间和时间变化的函数.对于任意时间和空间点上的地面温度Ts(θ,φ,h,t)可写为:
θ,φ,h,t)=Ta(θ,φ,h,t)+ΔTi(θ,φ,h)(9)Ts(
式(9).式(9)要温度和相应的冻结(,而、正积温或负积温的任意一个.2和
(8)、(9)是否可以用于描述高表3所给出的式(7)、
原地区的气温和地面温度.
上面我们曾指出,表2和表3中的值满足叠加关系,因此,在下面的验证中我们主要给出年平均
4 讨论
,地面条件的定量.本文应用目前青藏高原相,应用统计分析方法得到高原地区的气温和地面温度近似分布函数,并应用地面温度与气温差描述二者的关系.如果将1991—2000年的差值作为已知的实验条件,那么,在已知气温预报值的情况下,式(9)可用来计算已知地理坐标任意时间的多年冻土地面温度的预报值(图2).而且,应用高原地区高程数据和结合GIS技术,
可对高原地区的空间气候分布特征进行更详细
图3 气温(a)和地面温度(b)实测(1991—2000)值与统计关系曲线的比较
Fig.3 Theobservedandcalculatedairtemperature(a)andgroundtemperature(b),1991—
2000
图4 气温(a)和地面温度年较差(b)(1991—2000年平均)观测
值与统计关系曲线的比较
Fig.4 Theobservedandcalculatedannualrangeofairtemperature(a)
andannualrangeofgroundtemperature(b)in1991—2000
冰 川 冻 土 27卷
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TheRelationshipbetweenAirTemperatureandGround
TemperatureintheTibetanPlateau
LIShu2xun, WUTong2hua
(ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,LanzhouGansu730000,China)
Abstract:Multivariablelinearregressionhasbeenappliedtoanalyzetherecordeddataofannualmeanairtemperatureandannualmeangroundtempera2turefrom119meteorologicalstationsfrom1991to2000intheTibetanPlateau.Thelinearstatisticcoefficientsbetweenmonthlymeanairtempera2ture,monthlymeangroundtemperatureandlati2tude,longitudeandelevationintheresearchregionareobtained.Itisdemonstratedthattheairtem2perature,groundtemperatureandtheirannualrangesintheTibetanPlateauarehighlycorrelatedwithcorrespondinglatitude,longitudeandeleva2tion.Itisindicatedthattheairtemperatureandgroundtemperatureintheplateaucanbeexpressedasfunctionsoflocationcoordinatesandtime.Tak2ingthevalidatedstatisticresultsofannualmeanairtemperatureandannualmeangroundtemperaturefrom1991to2000astheexperimentalresultsbe2tweenairtemperatureandgroundtemperature,itwillcontributetothedeterminationofupperboundaryconditionofpermafrostatanytimeandanysite.Theseresultsareofgreatsignificancetounder2constructionQinghai2TibetanRailwayandtothepredictionofpermafrostenvironment.
Keywords:permafrost;groundtemperature;airtemperature;relationship;permafrostenvironmentalpre2diction