1. 引言
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 [1] ；相比之下，对于地温和冻土的研究却相对较少 [2] [3] 。下垫面与大气的相互作用影响着各种尺度的天气、气候变化 [4] - [6] ，而地温和冻土作为下垫面状况最直接的反映 [4] [7] [8] ，会在陆–气相互作用过程中产生重要影响。
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 [9] ，在近年来气候变暖明显的背景下 [10] - [15] ，系统研究地温和季节性冻土的气候变化特征，能够为进一步开展其对气候变化的反作用提供研究基础。
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) [16] 。已有研究结果表明，气候变化和人类活动会使地温和冻土产生很大变化 [5] [6] [17] [18] ，使土壤温度升高、冻土厚度减薄，对各类管道及道路施工、交通及农事活动产生影响 [8] [18] 。本文通过对呼和浩特市区近50年来地温及季节性冻土变化特征的分析研究，地温、土壤封冻状态、最大冻土深度等研究结果对该市各类工程建设参数的调整与确定具有一定的参考价值。
2. 资料站点及处理方法
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 [19] 。各处理间的差异采用单因素方差分析(one-way Analysis of Variance, ANOVA)；在方差分析检验中，均值间的显著性差异通过保护性最小显著差数法(protected least significant difference, LSD)计算 [19] [20] 。地温的气候倾向率采用一元线性方程分析方法，且对趋势系数进行了显著性检验 [19] [20] 。
3. 结果与分析
3.1. 地温的变化特征
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℃。
3.2. 土壤封冻期的变化特征
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。
3.3. 最大冻土深度的变化特征
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
Table 1. Average ground temperature in ten year scale during 1961 to 2010 in Hohhot city
表1. 呼和浩特市区1961~2010年间10a尺度地温平均值
Table 2. Average soil freezing date, thawing date and frozen dates in ten year scale during 1961 to 2010 in Hohhot city
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
Figure 1. Variation of maximum frozen soil depth during 1961 to 2010 in Hohhot city
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)。
Table 3. Average maximum frozen soil depth in ten year scale during 1961 to 2010 in Hohhot city
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
4. 讨论
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) [9] 。11月上旬，呼和浩特市区土壤开始冻结，至次年的4月前后解冻，季节冻土可以持续5~6个月。1961~2010年，呼和浩特市区的平均封冻天数总体来讲分为三个阶段：60~80年代为较为稳定的阶段，90年代为大幅减小的阶段，10年代为继续减小阶段，这一变化趋势与气温的年代际变化基本一致 [15] 。与平均冻结日相比，平均解冻日的大幅提前是引起封冻天数变化的主要原因(表2)，表明近50年来，初冬地温的升高幅度远小于春季地温升高幅度。目前已有研究结果表明，呼和浩特市区冬季气温增幅大于其它季节 [15] ，说明气温与地温的变化不是同步进行的，地温的变化滞后于气温，地温的升高是由于气温升高累积到一定程度后发生的。
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 [8] 。呼和浩特市区的地下水是从20世纪70年代开始大规模开采的 [21] ，而60年代地下水尚属于自然状态，地下水位较高，土壤湿度较大，致使土壤热容量亦大，使土壤在冬季不易冻结，因此呼和浩特市区60年代平均最大冻土深度不深；90年代至10年代，呼和浩特市城市化进程发展迅速，由此引发的气候变化及热岛效应影响了呼市市区降雨发生的频率和强度，呼和浩特市的短时暴雨呈上升趋势，使呼和浩特市年降雨量显著增多，高强度降水频率增大，短时高强度降水时有发生。据统计，60~80年代呼和浩特市区平均每年出现大到暴雨2.7天，90年代3.7天，2001年~2012年平均为3.4天，降水的增多、土壤含水量的增大使得这一时段的冻土深度较70~90年代又出现了明显的减小；70~90年代处于气候变化刚刚开始但尚未产生深刻影响、而地下水又受到大规模开采的时段，温度、土壤湿度、地下水位等因子有利于这一时段土壤冻结层加厚、冻土的加深，因此70~90年代为上世纪60年代至今冻土深度最大的时段。
5. 结论
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 [15] ；90年代地温迅速上升，10年代为地温增温最为剧烈的时段。地温的变化滞后于气温，春季地温升高幅度大于冬季。
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。
基金项目
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。