青藏铁路沿线多年冻土区地温场变化规律

青藏铁路通过约550km的多年冻土区,统计和分析青藏高原多年冻土分布区主要气象台站的资料可以看出,近30a来高原多年冻土区的气候变化总的趋势是向着气温升高的方向发展的,气温的变化对多年冻土热状态的扰动主要表现在地温场的变化上.30多年来高原气温升高0.45℃左右,并引起冻土地温平均升高了0.2～0.3℃.分析青藏铁路通过的多年冻土地区典型地段测温孔资料,发现多年来气候转暖已经使冻土上部(20m以上)地温明显升高,影响深度已经波及到了40m.     

青藏高原地气温度之间的关系

应用多元线性回归分析方法,对位于40°~25°N,75°~102°E范围内的119个气象观测台站的1991—2000年平均气温和地面温度观测资料进行分析,获得了研究区域的月平均气温、地面温度与纬度、经度和海拔高度间关系的线性统计系数.统计结果和实测资料的比较以及统计分析的相关系数结果表明,高原地区的气温、地面温度和它的年较差与经度、纬度及海拔高度具有很好的相关性.应用曲线拟合方法将所得统计分析系数拟合成时间函数,就可将高原地区的气温和地面温度表示成统一的空间坐标和时间的函数.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.     

东北冻土区积雪深度时空变化遥感分析

积雪作为冰冻圈的重要组成部分,对地面有保温作用,在消融时又吸收热量降低地面温度,影响冻土发育,对气候的变化十分敏感。利用微波遥感数据1979-2014年逐日中国雪深长时间序列数据集,采用GIS空间分析和地学统计方法,分析了东北冻土区积雪深度的时空变化规律及其异常变化。结果表明,东北冻土区多年平均雪深为2.92 cm,年平均雪深最高值出现在岛状多年冻土区,最低值出现在季节冻土区。东北冻土区年平均积雪深度变化以减少为主,占区域面积的39.77%,减少速率为0.07 cm·（10a）^-1。东北冻土区年平均积雪深度在1986年发生突变,开始出现减少的趋势,这与气温突变年份较为吻合。受地形和气温变化影响,年平均积雪深度减少的敏感区域主要发生在岛状多年冻土区。气温是影响东北冻土区年平均积雪深度变化最主要的因素,降水量、风速、湿度、日照时数对积雪深度均有影响。季节冻土区积雪深度对气候的敏感性要大于多年冻土区。     

冻土温度状况研究方法和应用分析

分析讨论了冻土温度状况研究中相关问题,包括构成多年冻土层的岩性、含水量、结构和构造,决定多年冻土温度状况动态变化的地面温度与气温间的关系,地中热流,研究区域的确定以及取决于地层的岩性、含水量、结构和构造、容重的热量在地层内传播过程的热物理参数.在分析物理学、地学和气候学等学科研究结果的基础上,笔者认为:1)在研究冻土温度状况问题中,研究区域应根据所研究问题的时间尺度确定,由于多年冻土层内不同深度上的温度和热流(或温度梯度)随时间的不同影响深度也不同,研究数十年时间尺度的多年冻土温度状况问题,一般应取多年冻土下限处的地中热流(或温度梯度)作为问题的下边界条件;2)以气温积温(或气温)与地面温度积温(或地面温度)比值所定义的N系数不仅存在年变化、季节变化和日变化,并在求解时必须已知地面冻结(或融化)的持续时间,而在目前对于不同地面条件缺乏定量描述气温与地面温度间关系的实验基础.因此,在缺乏比较严格的地面条件定量描述的情况下,应用气温与地面温度之差描述二者间的关系可能更为简单;3)在青藏高原地区,由于不同区域地形、地面条件、地层岩性以及地中热流等存在着很大差异,因而,不同区域多年冻土的热状况也不同.所以,不能简单地以气温等值线进行多年冻土制图,更不能以此年冻土变化预报的基础.     

多年冻土区桩基竖向承载力的预报模型

通过多年冻土区大气温度与地温关系,得出季节冻结期和季节融化期地面温度,进一步确定季节冻结及季节融化深度。综合地面温度得出多年冻土厚度随时间变化的关系,将大气温度、地面温度、融冻层厚度及多年冻土厚度变化建立起与时间相关的联系方程。考虑大气温度变化分析桩土相互作用并建立桩土相互作用模型。综合联系方程、桩土分析模型及冻土地区建筑地基基础设计规范中的单桩竖向承载力公式,建立了联系大气温度、地面温度、季节融冻深度、多年冻土层厚度变化与桩基承载力的关系预报模型,为预测在设计使用年限内随着大气温度变化桩基的工作状况提供较为科学的依据。     

青藏高原多年冻土区铁路路堤临界高度数值计算分析

青藏高原多年冻土区铁路路堤的修建, 改变了原有天然地表的热平衡条件, 从而引起了路堤下多年冻土上限位置的变化. 为了确保铁路路堤完成后, 在考虑全球气温升高的条件下, 未来50 a中多年冻土上限不发生下移, 采用有限元的分析方法, 对青藏高原多年冻土区粗颗粒填土路堤的临界高度进行了数值模拟计算. 得到了不同年平均气温条件下路堤的上下临界高度值, 并从中找到以铁路正常运营50 a为限, 路堤临界高度存在与否的年平均气温临界值为-3.5 ℃. 分析发现, 无论是修筑高路堤, 还是低路堤, 地温均呈上升趋势, 冻土处于退化状态.     

影响青藏铁路冻土区主要工程措施可靠性的气温变化指标分析

多年冻土是气候条件控制的特殊地质体,气温升高和降水条件变化将对青藏铁路沿线的多年冻土产生深刻影响.从全球气温变化背景和青藏高原气候变化的实际情况出发,分析和论述了气候变化对青藏铁路沿线多年冻土地温特征及冻土区工程建筑物的可靠性产生缓慢而持续影响的气温变化指标.通过对冻土区工程设计原则和工程结构、工程措施可靠性产生重大影响的气温变化特征的分析,提出对目前冻土工程可靠性的看法,并提出应对工程措施.     

天山玛纳斯河冬季径流对暖冬和冻土退化的响应

天山高山地区大范围为冻土区,冻土的存在对水文过程有极大的影响.20世纪90年代以来,玛纳斯河流域气温10 a升高了0.54℃,以冬季升温为主,降水量没有增加趋势.应用1957—2004年近48 a的气候和水文月资料,研究了具有多年冻土的高海拔河流的冻土和水文响应.检测到12月至翌年2月气温升高0.8~0.9℃时冬季径流量响应显著,冬季径流在12至翌年2月份增加了14%~26%,其中1月份增加26%.遥相关分析表明,10~11月的水量增大也可导致冬季河流水量增多,1.5~3.0 m的活动层的深度和温度变化导致了这些响应.冻土区的冬季径流水文响应比气温更快、更显著.但冻土和积雪观测的不足使冬季水文变化具有不确定性.     

40a来江河源区的气候变化特征及其生态环境效应

通过江河源区分布的5个气象台站有关气温与降水的多年数据，分析了近40a来江河源区的气候变化特征，结果表明，近40a来江河源区气候变化的总趋势是气温升高，降水量增加，但降水量的增加主要体现在春季降水和近15a来冬季降水的明显增加上，对植被生长起重要作用的夏季降水量却呈明显减少趋势；江河源区20世纪80年代10a平均气温比50年代高0.12～0.9℃，大部分地区高于0.3℃，属于青藏高原高温区或升温幅度最大的地区之一，平均升温0.44℃，明显比全国平均升温0.2℃要高出一倍，在这种背景下，与植被生长关系密切的4、5月和9月气温呈现持续下降态势，江河源区脆弱的生态环境体系对气候的这种变化响应强烈，冰川退缩，多年冻土消融加剧，导致大范围高寒草甸与草原被植退化。     

大小兴安岭多年冻土退化及其趋势初步评估

大小兴安岭多年冻土处于欧亚大陆多年冻土带南缘,地温高、厚度小、热稳定性差、对气候变暖的敏感性强.过去40 a来该区多年冻土退化主要表现为最大季节融化深度增大,厚度减薄,地温升高,融区扩大,多年冻土岛消失等.气候变暖及该区森林植被的锐减是导致多年冻土退化的普遍性和基础性因素,而多种人为活动影响起了加速促进作用.依据多年冻土南界与多年平均气温的密切相关关系,据1991—2000年平均气温-1.0~1.0℃等值线给出了现今多年冻土南界位置,并探讨了未来40~50 a后气温升高1.0~1.5℃情况下多年冻土南界的可能北移情况.     

应用等效纬度-海拔模型进行地温及多年冻土制图

This research presents a method for permafrost mapping in discontinuous permafrost regions based on equivalent latitude/elevation concept in interior Alaska. In winter months, study site has a strong temperature inversion in air up to 700 m elevation. Air temperature data and the effects of slope, aspect and elevation were used to create an equivalent latitude/elevation model. This model was well correlated with mean annual surface temperature (0.79). In this watershed, the thawing index (It≈1 400 ℃*days) at the ground surface and snow depth do not vary greatly from south facing to north facing slopes. The primary controlled factor that determines the mean annual surface temperature was the winter surface temperature. The permafrost stability is effectively controlled by the freezing index. We determined 37.5% of Caribou-Poker Creeks Research Watershed has unstable or thawing permafrost. At least 2.1% of the permafrost in this watershed may have disappeared in the last 90 years due to climate warming. This method makes it possible to evaluate the permafrost stability in the present, past and future.     

基于LSTM的青藏高原冻土区典型小流域径流模拟及预测

冻土覆盖率高的小流域的径流形成受温度因素控制明显,普通水文模型不适用,而常规冻土水文模型因需要较多的气象观测要素而难以应用。考虑冻土流域产流机制,利用青藏高原腹地风火山小流域2017—2018年逐日降水、气温、径流观测数据,以降水、气温为输入,径流为输出,基于长短期记忆神经网络（LSTM）建立了适用于小流域尺度的冻土水文模型,并利用2019年观测数据进行验证。模型得益于LSTM特殊的细胞状态和门结构能够学习、反映活动层冻融过程和土壤含水量变化,具有一定的冻土水文学意义,能很好地模拟冻土区径流过程。模型训练期R²、NSE均为0.93,RMSE为0.63 m³·s^-1,验证期R²、NSE分别为0.81、0.77,RMSE为0.69 m³·s^-1。同时,为了验证模型可靠性,将模型应用于邻近的沱沱河流域,模型训练期（1990—2009年）R²、NSE均为0.73,验证期（2010—2019年）R²、NSE分别为0.66、0.64,模拟结果较好。考虑到未来气候变化,通过模型对风火山流域径流进行了预测：降水每增加10%,年径流增加约12%;气温每升高0.5 ℃,年径流增加约1%;春季融化期、秋季冻结期径流增幅明显,而由于蒸发加剧、活动层加深,径流在8月出现了减少。模型经训练后依靠降水、气温作为输入能较好地模拟、预测青藏高原冻土区小流域径流,为缺少土壤温度、水分等观测数据的冻土小流域径流研究提供了一种简单有效并具有一定物理意义的方法。     

Regional modelling of permafrost thicknesses over the past 130 ka: implications for permafrost development in Great Britain

The greatest thicknesses of permafrost in Great Britain most likely occurred during the last glacial–interglacial cycle, as this is when some of the coldest conditions occurred during the last 1 000 000 years. The regional development of permafrost across Great Britain during the last glacial–interglacial cycle was modelled from a ground surface temperature history based on mean annual temperatures and the presence of glacier ice. To quantify the growth and decay of permafrost, modelling was undertaken at six locations across Great Britain that represent upland glaciated, lowland glaciated, upland unglaciated and lowland unglaciated conditions. Maximum predicted permafrost depths derived in this academic study range between several tens of metres to over 100 m depending upon various factors including elevation, glacier ice cover, geothermal heat flux and air temperature. In general, the greatest maximum permafrost thicknesses occur at upland glaciated locations, with minimum thickness at lowland sites. Current direct geological evidence for permafrost is from surface or shallow processes, mainly associated with the active layer. Further research is recommended to identify the imprint of freeze/thaw conditions in permanently frozen porous rocks from beneath the active layer.     

Climatic causes of ecological and environmental variations in the source regions of the Yangtze and Yellow Rivers of China

In the source regions of the Yangtze and Yellow Rivers of China, glaciers, frozen ground, the hydrological system, and alpine vegetation have changed over the past decades years. Climatic causes of these variations have been analyzed using mean monthly air temperature and monthly precipitation between 1956 and 2000, and monthly evaporation from φ20 evaporation pans between 1961 and 1996. In the source region of the Yangtze River, lower temperature and plentiful precipitation during the 1960s and continuing into the early 1980s triggered a glacier advance that culminated in the early 1990s, while a robust temperature increase and precipitation decrease since 1986 has forced glaciers to retreat rapidly since 1995. Permafrost degradation is another consequence of the climatic warming. The variations in the hydrological system and alpine vegetation are controlled mainly by the climate during the warm season. Warmer and drier summer climate is the major cause of a degradation of the vegetation, desiccation of the high-cold marshland, a decrease in the areas and numbers of lakes and rivers in the middle and north source regions of the Yangtze and Yellow Rivers, and a reduction in surface runoff in the source region of the Yangtze River for the last 20 years. The causes of eco-environmental change in Dari area, near the outlet from the source area of the Yellow River, are different from those elsewhere in the study area. A noticeable reduction in runoff in the source region of the Yellow River and degradation of alpine vegetation in Dari area are closely related to the permafrost degradation resulting from climate warming.     

通风管、抛碎石和保温材料保护冻土路堤的工程效果分析

根据青藏铁路北麓河试验段2年以来的气温降温期的现场监测资料,对多年冻土区保护冻土路堤的3种典型结构型式的试验段（通风管路堤、抛碎石护坡路堤和保温材料路堤）各断面的地温规律进行了分析和积温计算。试验段初步计算结果表明,3种路基结构型式对于保护多年冻土区路堤均能起到一定的作用,为青藏铁路在多年冻土区保护冻土路堤的设计和施工提供了一定的理论依据。     

新疆平原地区水面蒸发量预测模型研究

新疆降水稀少、蒸发强烈,水面蒸发是河川径流水量损失的主要组成部分。农业是新疆经济的主要支柱和优势产业,而新疆的农业是灌溉农业,渠系众多,水面蒸发量损失较大,合理地预测水面蒸发量是有效利用水资源和促进农业发展的基础。利用新疆近30年来的气象资料。分别分析了南疆和北疆的月平均气温、湿度、水汽压等与月水面蒸发量的关系,结果表明气温和月水面蒸发量相关性均较好。可建立用气温资料预测水面蒸发量的模型。通过随机选取的测站月气温资料对模型进行了验证,计算结果表明模型误差较小,模型有实用价值。     

Geothermal study to explain man-made permafrost in tailings with raised surface

Deposition of mine tailings in a cold climate requires precautions as temporary sub-zero temperatures can imply considerable consequences to the storage due to creation of permafrost. The risk of creating man-made permafrost lenses due to tailings deposition exists even in regions with no natural permafrost, as material being frozen during winter might not fully thaw by the following summer. When such frozen layers thaw during later longer warmer periods, excess pore water pressure and large settlements might develop. Such implications close to the dam structure have to be avoided and therefore the risk of generating permafrost should be reduced. This paper describes a geothermal model for one-dimensional heat conduction analysis. The model is able to simulate the temperature profile in tailings where the surface elevation is constantly increased due to deposition. At the tailings surface, the boundary condition is the air temperature changing over time during the year. Air temperatures, tailings deposition schedule and tailings properties are given as input to the model and can easily be changed and applied to specific facilities. The model can be used for tailings facilities in cold regions, where the effects of tailings deposition on the temperature regime are of interest. Findings can improve tailings management by explaining man-made permafrost generation. The model can also aid in setting up appropriate deposition schedules and to prevent generation of permafrost layers.     

东北多年冻土地区地基承载力对气候变化敏感性分析

近年来,中国东北多年冻土地区正处于显著的增温过程中。由此导致多年冻土逐渐退化,并严重影响到构筑物的稳定性。以0.05 ℃的年平均气温上升率为背景,采用带有相变的传热学有限元方法,对中国东北多年冻土地区不同初始气温条件和不同含冰量类型冻土的地基温度状况以及季节活动层厚度变化进行了模拟;利用温度场有限元数值试验结果和已有承载力试验数据分析了不同类型冻土地基的力学性质对气温变化敏感性,评估了气温变化对各类冻土地基承载力的影响。气候变化对多年冻土地区构筑物稳定性影响程度取决于两个环节：其一,冻土地基温度状况对气候变化的响应;其二,冻土地基力学性质对地基温度变化的敏感性。研究结果表明,冻土地基含冰量和温度状态对其承载力随气温变化的敏感性具有显著的影响。含土冰层地基承载力对气温变化最为敏感,气温变化对高温冻土地区浅层地基承载力以及桩-土冻结强度影响较大;而深基础桩端冻土地基承载力受气候变化影响相对较小。     

热棒技术在国道214线共和-玉树高速公路宽幅冻土路基中应用的数值模拟研究

高速公路路基幅面宽度的成倍增加,沥青路面的吸热效应更为显著,工程对其下伏多年冻土的热影响更为显著. 热棒、热棒保温板复合结构等传统工程措施能否保护宽幅高速公路下冻土稳定是一个亟待回答的问题. 根据带相变热传导有限元方法,对共和-玉树高速普通路基、热棒路基和热棒保温板复合结构路基在未来全球变暖情形下的地温场特征进行了数值模拟分析. 结果表明：在年平均气温为-3.5℃或地表年平均温度为-1℃的多年冻土地区,普通路基和热棒路基在全球变暖条件下路基下伏冻土都将发生融化,宽幅公路路基将会产生显著融沉变形,不能保证宽幅公路路基20 a使用期内的稳定性. 热棒保温板复式结构显示了较好的冷却路基效果,在第20年路基下多年冻土人为上限高于原天然上限,路基下富冰冻土仍处于冻结状态,可以保证宽幅沥青公路在服务期内的热稳定性.