基于空間主成分分析的中國(guó)凍土脆弱性評(píng)價(jià)

基于空間主成分分析的中國(guó)凍土脆弱性評(píng)價(jià)

0多年凍土退化對(duì)區(qū)域工程地質(zhì)的影響通常指的是，溫度小于0c，包括各種巖石和土壤，根據(jù)土壤的凍結(jié)狀態(tài)保持時(shí)間最長(zhǎng)。凍土可分為三類：短凍土、季節(jié)凍土和多年凍土。多年凍土是指地表下一定深度的土層（土壤、土壤和巖石），通常在2c以上。在地質(zhì)歷史和氣候變遷的背景下，它是由土壤條件和氣候變遷引起的客觀地質(zhì)現(xiàn)象。它具有獨(dú)特的發(fā)展規(guī)律，對(duì)環(huán)境變化極為敏感。中國(guó)的多年凍土主要分布在青藏高原、西部山區(qū)和東北以北。以青藏高原為主體的中國(guó)多年凍土區(qū)面積為175.39.14km2，占總面積的18.3%。青藏高原多年凍土、脫土和蓄水的年產(chǎn)量為92528kg3，相當(dāng)于8600108m3。這是中國(guó)冰儲(chǔ)量的1.7倍。觀測(cè)和模型模型結(jié)果表明，中國(guó)的多年凍土在邊緣附近呈下降趨勢(shì)，隨著時(shí)間的持續(xù)變化，多年凍土的趨勢(shì)進(jìn)一步惡化[6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16]。隨著多年來(lái)凍土向新老園的轉(zhuǎn)變，地下冰化程度下降。另一方面，多年生凍土區(qū)的土壤變形嚴(yán)重影響了區(qū)域工程地質(zhì)的穩(wěn)定性。另一方面，改變區(qū)域水循環(huán)過(guò)程和生態(tài)環(huán)境的多年性條件會(huì)影響區(qū)域水循環(huán)過(guò)程和生態(tài)環(huán)境[5、15、18、19、20、21]。近年來(lái)，隨著多年凍土的顯著惡化，這一影響在中國(guó)日益明顯，并在未來(lái)幾十年中呈上升趨勢(shì)。在可持續(xù)和可持續(xù)天氣條件下，如何應(yīng)對(duì)凍土變化的影響是當(dāng)前和今后一段時(shí)間內(nèi)區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要課題之一。在凍土變化的影響、風(fēng)險(xiǎn)、脆弱性、適應(yīng)性這一研究鏈上,影響研究(對(duì)工程建設(shè)、水文、生態(tài)環(huán)境、氣候)在目前仍占主導(dǎo)地位[15,17,18,19,24,25].近年來(lái),隨著凍融災(zāi)害日漸凸顯與加劇,多年凍土凍融災(zāi)害發(fā)展趨勢(shì)與風(fēng)險(xiǎn)性研究受到關(guān)注已嶄露頭角.在適應(yīng)研究方面,雖然針對(duì)多年凍土變化的生態(tài)效應(yīng)、工程影響、災(zāi)害等方面提出了諸多對(duì)策與建議,但基本仍處于傳統(tǒng)意義上的定性的應(yīng)對(duì)策略.就凍土變化的影響與適應(yīng)之間的聯(lián)系紐帶—脆弱性而言,目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)幾乎均處于空白狀態(tài).凍土的脆弱性是指凍土這一自然生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的脆弱性,在冰凍圈及其變化的脆弱性研究體系中,其處于第一研究梯度,該研究是生態(tài)-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對(duì)凍土變化影響脆弱性(第二研究梯度)研究的基礎(chǔ).本文以中國(guó)凍土為研究對(duì)象,通過(guò)構(gòu)建凍土脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用空間主成分方法建立評(píng)價(jià)模型,綜合評(píng)價(jià)凍土對(duì)氣候變化的脆弱性水平,揭示其脆弱程度與空間分布格局,為各級(jí)政府部門科學(xué)地應(yīng)對(duì)凍土變化及其影響提供決策依據(jù).1數(shù)據(jù)與研究方法1.1戰(zhàn)時(shí)短而集中的土中國(guó)凍土分布廣闊,季節(jié)凍土分布于大部分國(guó)土,多年凍土分布于青藏高原、西部高山以及東北北部地區(qū)(圖1).受寒潮天氣影響,每年均有一天以上、一個(gè)月以下時(shí)間處在凍結(jié)狀態(tài)的土,稱為短時(shí)凍土,主要分布于秦嶺-淮河線以南與南嶺以北地區(qū).短時(shí)凍土持續(xù)時(shí)間短,對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響小,故文中研究區(qū)未包括之.1.2凍土脆弱性指標(biāo)(1)科學(xué)性與實(shí)際相結(jié)合的原則.凍土是冰凍圈的重要組成部分,而冰凍圈又是氣候系統(tǒng)五大圈層之一,因此凍土脆弱性隸屬氣候變化脆弱性的研究范疇,是氣候變化脆弱性領(lǐng)域中的自然系統(tǒng)脆弱性分支.借鑒IPCC氣候變化脆弱性概念,凍土脆弱性被定義為凍土易受氣候變化,尤其是溫度變化不利影響的程度,是氣候的變率特征、幅度和變化速率及其敏感性和自適應(yīng)能力的函數(shù).基于此,應(yīng)緊扣凍土脆弱性定義,依據(jù)國(guó)際上公認(rèn)的脆弱性遴選標(biāo)準(zhǔn)(暴露度、敏感性與適應(yīng)能力),選取凍土脆弱性指標(biāo);其次,指標(biāo)遴選還必須結(jié)合我國(guó)凍土分布特點(diǎn)與性質(zhì)類型的實(shí)際情況.(2)全面性與主導(dǎo)性原則.影響凍土脆弱性的因素眾多,既有外部因素,如地形地貌、氣候、人類活動(dòng)等,又有凍土自身因素,如土質(zhì)、含水量、含冰量等.因此,指標(biāo)選擇既要涵蓋各種可能的影響因素,同時(shí)還要能夠突出影響凍土脆弱性的主導(dǎo)因子.(3)可操作性原則.凍土脆弱性評(píng)價(jià)是一種區(qū)域尺度的脆弱性評(píng)價(jià),盡管凍土土質(zhì)、含水量、含冰量等因素可能對(duì)其脆弱性有顯著影響,但要在如此大尺度上獲取這些要素的較高精度數(shù)據(jù)目前較難.因此,指標(biāo)遴選不能一味考慮完美性,還必須考慮數(shù)據(jù)的可獲得性.其次,所選指標(biāo)除代表性外,還要考慮易處理,盡量簡(jiǎn)單實(shí)用,以便于科學(xué)評(píng)價(jià).1.3氣候變量暴露度值依據(jù)上述原則,以暴露度、敏感性與適應(yīng)能力為標(biāo)準(zhǔn),從地形、主要?dú)夂蜃兞?、凍土三要素遴選了9個(gè)脆弱性指標(biāo),構(gòu)建了我國(guó)凍土脆弱性評(píng)價(jià)體系.該體系包括目標(biāo)層、標(biāo)準(zhǔn)層、要素層與指標(biāo)層4級(jí)(表1).暴露度是指系統(tǒng)暴露于主要?dú)夂蜃兞康奶匦院统潭?它一方面取決于全球氣候變化的水平;另一方面取決于系統(tǒng)所處的具體位置.基于此概念,從地形與主要?dú)夂蜃兞糠矫驽噙x了6個(gè)指標(biāo),刻畫凍土的暴露度.敏感性是系統(tǒng)對(duì)外界干擾易于感受的性質(zhì).鑒于資料的可獲得性與可信性,目前只選取了0cm地溫和凍結(jié)深度變化趨勢(shì),反映凍土對(duì)氣候變化的敏感程度.適應(yīng)能力為凍土本身的自適應(yīng)能力,是指凍土系統(tǒng)對(duì)氣候刺激具有的、在一定范圍內(nèi)自我調(diào)整的一種能力,主要由凍土系統(tǒng)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)、組成、類型等特征所決定.鑒于資料情況,文中只遴選了凍土類型1個(gè)指標(biāo).1.4數(shù)據(jù)處理方法1.4.1凍土及氣溫、降水量數(shù)據(jù)DEM數(shù)據(jù).DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家測(cè)繪地理信息局,分辨率為1km×1km,Albers投影系統(tǒng).氣象要素?cái)?shù)據(jù).鑒于西部部分地區(qū)建站較晚,數(shù)據(jù)序列起始年份不一,且存在缺失現(xiàn)象,故選取了全國(guó)594個(gè)站點(diǎn)的年氣溫?cái)?shù)據(jù),590個(gè)站點(diǎn)的年降水量數(shù)據(jù),500個(gè)站點(diǎn)的0cm地溫?cái)?shù)據(jù)和264個(gè)站點(diǎn)的凍結(jié)深度數(shù)據(jù).氣溫和降水量數(shù)據(jù)的序列長(zhǎng)度為1961-2007年,0cm地溫和凍結(jié)深度數(shù)據(jù)的序列長(zhǎng)度為1961-2004年.凍土數(shù)據(jù).文中所用的凍土數(shù)據(jù)包括多年凍土年平均地溫?cái)?shù)據(jù)和連續(xù)系數(shù)數(shù)據(jù).多年凍土年平均地溫?cái)?shù)據(jù)是庫(kù)新勃利用青藏鐵路沿線2001-2002年的218個(gè)地溫鉆孔資料,根據(jù)程國(guó)棟等提出的青藏高原地區(qū)高海拔多年凍土的分帶方案,結(jié)合影響多年凍土分布的三向地帶性(垂直地帶性、緯度地帶性和干燥度地帶性),利用統(tǒng)計(jì)回歸的方法在GIS平臺(tái)上計(jì)算得到.連續(xù)系數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn).1.4.2凍土數(shù)據(jù)處理方法(1)DEM反演數(shù)據(jù).以1km×1km的DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在ArcGIS表面分析模塊提取出坡度、坡向和海拔高度.以下空間數(shù)據(jù)分辨率均為1km×1km,Albers投影.(2)地形遮蔽度計(jì)算方法.地形遮蔽度采用如下公式計(jì)算:式中:ki為ikm邊心距范圍的遮蔽度;ni為以中心點(diǎn)為準(zhǔn)、邊心距為ikm正方形范圍內(nèi),海拔與中心點(diǎn)高度差大于R的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù);Ni為除中心點(diǎn)外,邊心距為ikm正方形范圍內(nèi)的網(wǎng)格點(diǎn)總數(shù).文中從DEM中生成k2.5=2.5km、R=200m相對(duì)高度的地形遮蔽度柵格數(shù)據(jù).(3)氣象要素?cái)?shù)據(jù)處理方法.分別計(jì)算每個(gè)站點(diǎn)1961-2007年的氣溫和降水量變化趨勢(shì),1961-2004年的0cm地溫和凍結(jié)深度變化趨勢(shì).運(yùn)用克里格方法(Kriging)對(duì)其進(jìn)行空間插值,再用研究區(qū)范圍邊界去切,得到氣溫、降水量、0cm地溫和凍結(jié)深度變化趨勢(shì)的空間插值數(shù)據(jù).(4)凍土類型數(shù)據(jù)處理方法.中國(guó)多年凍土分為高海拔和高緯度多年凍土,二者具有發(fā)生學(xué)上的共同性,但在分布特點(diǎn)上很不一致,高原多年凍土除受緯度地帶性和經(jīng)向地帶性影響外,主要受垂直地帶性控制.為此,程國(guó)棟等提出以多年凍土年平均地溫為主要指標(biāo)的高海拔多年凍土分帶方案(表2).穩(wěn)定型越高,多年凍土對(duì)氣候變化越不敏感,適應(yīng)能力越強(qiáng),反之亦然.東北多年凍土屬高緯度多年凍土,分帶方案使用多年凍土分布的連續(xù)程度,連續(xù)系數(shù)越大,對(duì)氣候變化的敏感性越差,適應(yīng)能力就大,反之亦然.基于高海拔與高緯度多年凍土的分布特點(diǎn),結(jié)合專家建議,文中對(duì)青藏高原多年凍土采用分帶方案,使用年平均地溫作為分帶依據(jù),年平均地溫指示的不同穩(wěn)定型代表多年凍土的類型;對(duì)東北多年凍土采用連續(xù)性分帶方案,以連續(xù)系數(shù)作為分帶依據(jù),不同連續(xù)系數(shù)反映不同凍土類型(表3).高原多年凍土與東北多年凍土在分帶上具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,如青藏高原多年凍土分帶方案中的上帶相當(dāng)于東北多年凍土分帶中的連續(xù)多年凍土;中帶相當(dāng)于不連續(xù)多年凍土;下帶中的不穩(wěn)定型相當(dāng)于島狀多年凍土.(5)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法.為消除各原始變量的量綱差異,采用極差標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理:式中:Yij為j指標(biāo)在i格網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化值,其值介于0~10之間;xij為j指標(biāo)在i格網(wǎng)的原始值;xmax,j和xmin,j為j指標(biāo)在i格網(wǎng)的最大值與最小值.1.5凍土脆弱性定量評(píng)價(jià)方法空間主成分分析法(SpatialPrincipalComponentAnalysis,SPCA)是主成分分析法在空間化數(shù)據(jù)中的一種應(yīng)用,除具有主成分分析法的所有功能之外,它還可處理空間數(shù)據(jù),且評(píng)價(jià)結(jié)果比較客觀,在生態(tài)環(huán)境脆弱性與冰川脆弱性評(píng)價(jià)中已有應(yīng)用.本文使用該方法對(duì)我國(guó)凍土脆弱性進(jìn)行定量評(píng)價(jià),其公式如下:上述評(píng)價(jià)模型計(jì)算的脆弱性指數(shù)是連續(xù)數(shù)值,需對(duì)其歸類分級(jí),才能反映凍土脆弱性的級(jí)別.為降低主觀人為影響,文中采用了自然分類法(NaturalBreaksClassification).該方法是基于數(shù)據(jù)中固有的自然分組,對(duì)分類間隔加以識(shí)別,可對(duì)相似值進(jìn)行最恰當(dāng)?shù)胤纸M,并可使各個(gè)類之間的差異最大化.該方法將數(shù)據(jù)劃分為多個(gè)類,類間邊界為數(shù)據(jù)值差異相對(duì)較大的位置處.分級(jí)過(guò)程是在ArcGIS9.3下的空間分析模塊中自動(dòng)完成.2冷杉的脆弱性評(píng)價(jià)2.1凍土脆弱性指數(shù)fgvi對(duì)極差標(biāo)準(zhǔn)化后的脆弱性指標(biāo)進(jìn)行空間主成分分析,根據(jù)主成分個(gè)數(shù)的提取原則:主成分對(duì)應(yīng)的累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%,選取了4個(gè)主成分,見表4.這4個(gè)主成分基本包含了全部指標(biāo)具有的信息,信息損失量只有9.42%.根據(jù)表4與式(3),凍土脆弱性指數(shù)模型構(gòu)建如下:式中:FGVI為凍土脆弱性指數(shù);A1~A4為從9個(gè)原始指標(biāo)中選取的4個(gè)主成分.FGVI值越大,凍土脆弱性越高.2.2凍土區(qū)不同脆弱性的特征用式(4)計(jì)算凍土脆弱性指數(shù),其變化范圍為1.3~10.0.依據(jù)前面介紹的自然分類分級(jí)方法,將凍土脆弱性分為潛在脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、強(qiáng)度脆弱和極強(qiáng)度脆5級(jí),見表5和圖2.表6顯示,78.29%的凍土區(qū)存在不同程度的脆弱性,其中,中度脆弱型所占研究區(qū)總面積的比例最大,約為29.0%;其次為輕度脆弱型,為21.27%;強(qiáng)度脆弱型占16.21%;極強(qiáng)度脆弱型占12.82%.總體上,中國(guó)凍土對(duì)氣候變化的脆弱性以中度脆弱為主,但強(qiáng)度和極強(qiáng)度脆弱區(qū)面積比例達(dá)到29.0%,表明局部區(qū)域脆弱程度較高.2.3季節(jié)凍土區(qū)氣候變化圖2顯示,凍土脆弱性具有顯著的空間差異性.總體上呈現(xiàn)青藏高原、西部高山、東北北部多年凍土區(qū)脆弱性相對(duì)較高,季節(jié)凍土區(qū)相對(duì)較低的分布規(guī)律.青藏高原多年凍土對(duì)氣候變化尤為脆弱,不僅脆弱度高,以強(qiáng)度和極強(qiáng)度脆弱為主,而且分布連續(xù);西部高山與東北多年凍土對(duì)氣候變化較脆弱,除極強(qiáng)度脆弱型之外,各種脆弱型均有分布.季節(jié)凍土對(duì)氣候變化的脆弱性較差,主要以潛在和輕度脆弱為主,只有局部地區(qū)分布中度脆弱類型.具體地各級(jí)凍土分布特征見表5.2.4氣候要素變化對(duì)凍土脆弱性的影響凍土脆弱性是多種因素綜合作用的結(jié)果,為了解不同因素對(duì)凍土脆弱性的影響程度,對(duì)凍土脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行方差分析.結(jié)果顯示,對(duì)凍土脆弱性有顯著影響的因素依次為坡向、海拔高度、凍土類型和地形遮蔽度(表7).依據(jù)凍土脆弱性定義與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,這4個(gè)因素分屬暴露度與適應(yīng)能力一級(jí)指標(biāo),其中,坡向、海拔高度和地形遮蔽度為地形暴露指標(biāo);凍土類型屬于適應(yīng)能力指標(biāo).上述分析表明,在1961-2007年氣候變化水平下,凍土脆弱程度主要取決于凍土的地形暴露與凍土對(duì)氣候變化的適應(yīng)能力.而氣溫和降水量變化對(duì)凍土脆弱性的影響較小,這似乎與全球氣候變暖,多年凍土退化相矛盾,筆者認(rèn)為主要有以下兩點(diǎn)理由:(1)多年凍土退化是全球氣候變化,尤其是溫度變暖直接導(dǎo)致的,二者之間是因與果的關(guān)系.而對(duì)于凍土的脆弱性而言,氣候要素的變化只反映了暴露度中氣候變化的水平這一個(gè)方面.此外,凍土脆弱性還與自身地理位置、對(duì)氣候變化的敏感性以及自適應(yīng)能力有關(guān),即脆弱性=(暴露度×敏感性)/適應(yīng)能力.如果自適應(yīng)能力高,即使氣溫升高,暴露度增大,凍土仍可能表現(xiàn)出不脆弱.因此,凍土脆弱性是包括氣候要素在內(nèi)的多種因素綜合作用的結(jié)果.(2)自IPCC1990年發(fā)布第一次評(píng)估報(bào)告以來(lái),全球平均地表溫度升幅一直在攀升,已從1990年和1996年發(fā)布的0.3~0.6℃,2001年的0.4~0.8℃,2007年的0.56~0.92℃,顯著升高到2013年發(fā)布的0.65~1.06℃,平均為0.85℃.盡管溫度持續(xù)升高,但在當(dāng)前的升溫水平下,氣候要素變化只是通過(guò)地形對(duì)水熱的接收與再分布以及影響凍土類型變化,從而間接地影響凍土脆弱性.基于冰川脆弱性預(yù)估以及影響因素的研究結(jié)果,我們推測(cè),到2030年代和2050年代,隨著升溫幅度進(jìn)一步加大,氣候要素變化對(duì)凍土脆弱性的影響將顯現(xiàn),并將成為凍土脆弱程度的主要影響因素之一.不論是冰川,還是多年凍土,氣候要素變化對(duì)它們脆弱性的影響存在一個(gè)臨界升幅,在這個(gè)升溫幅度之內(nèi),氣候要素變化對(duì)其脆弱性的影響不明顯或者比較小,當(dāng)超過(guò)這個(gè)臨界升溫幅度,氣候要素變化的影響會(huì)明顯的顯現(xiàn)出來(lái).我們的推論是否正確,有待將來(lái)研究證實(shí).3凍土對(duì)氣候變化的脆弱性研究基本框架凍土是冰凍圈的重要組成部分,在中國(guó)分布廣闊,凍土變化對(duì)生態(tài)、水文、氣候以及工程穩(wěn)定性有重要影響,探討凍土對(duì)氣候變化的脆弱性是適應(yīng)凍土變化諸種影響的前提和基礎(chǔ).文中以中國(guó)凍土多年研究成果的積淀為基礎(chǔ),構(gòu)建了凍土脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,使用空間主成分方法對(duì)凍土脆弱性進(jìn)行了定量評(píng)價(jià),得出以下結(jié)論:(1)總體上,中國(guó)凍土的脆弱性以中度脆弱為主,但青藏高原多年凍土脆弱程度高,主要以極強(qiáng)和強(qiáng)度脆弱為主.(2